partie ii : solaire thermique - cv - stéphane...

L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

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Partie II : Solaire thermiquePartie II : Solaire thermique

Chaleur = première source d'utilisation du soleil Résulte de l'absoption du rayonnement de façon désordonnée

Principe général du système solaire thermique : Un collecteur (éventuellement concentrateur) Un absorbeur (généralement surfacique) Un échangeur Un fluide caloporteur (eau, air, etc.) Un ou plusieurs systèmes utilisant la chaleur (radiateur, échangeur,

stockage, etc.)


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Particularité des systèmes à basse température Généralement pas de dispositif de concentration Fonctionnement à basse température Pas de cycle thermodynamique complexe Unité de petite taille pour l'usage direct de la chaleur

Trois familles de capteurs actuellement Capteurs non-vitrés Capteurs vitrés Capteurs sous vide


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1. Les différents types de capteurs solaires thermiques

2. Performances des capteurs solaires thermiques

3. Autres composants

4. Les systèmes solaires

5. Dimensionnement

6. Aspect environnemental

7. Contexte industriel


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Capteurs non-vitrés (ou capteurs « moquette »)Capteurs non-vitrés (ou capteurs « moquette »)

Tubes noirs accolés en plastique dans lesquels circule l'eau du circuit de filtration

Très bon rendement à température ambiante Température en sortie peu élevée (≈ 40°C) Appliqués au chauffage des piscines

Note : l'usage d'une simple bâche à bulles permet déjà d'économiser la moitié de la puissance de chauffage !

Autres applications : – Douche solaire

– ECS dans les pays chauds

– Couplage possible avec une pompe à chaleur pour ECS collective (système Héliopac)

II.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques


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Intérêt du vitrage : création d'un effet de serreLa vitre transmet le rayonnement solaire mais pas celui émit par l'absorbeur.Les pertes thermiques par rayonnement et par convection du capteur sont réduites.

Capteurs vitrésCapteurs vitrés

Source : RETScreen



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Composants Absorbeur

Forte absorptivité au rayonnement solaire

Faible émissivité Forte conductivité thermique Cuivre, Aluminium, Acier

Couverture Importante pour réduite les pertes Verre voire polycarbonate ( ≈ 90 %)η Simple, double voire triple vitrage pour

les sites en climat froid Isolant

Laine minérale, mousses de polyuréthane

Tubes Fortement conducteurs de chaleur pour

assurer l'évacuation de l'énergie et éviter la surchauffe inoxydable

Capteurs vitrésCapteurs vitrésII.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques


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Exemple

Capteurs vitrésCapteurs vitrésII.1 Les différents types de capteurs thermiquesII.1 Les différents types de capteurs thermiques


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Capteurs vitrésCapteurs vitrés

Revêtement sélectif de l’absorbeur Chromage noir Revêtement à l’oxyde d’aluminium pigmenté au nickel Peinture noire

Applications : eau chaude sanitaire sous tout climat, chauffage



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Capteurs sous videCapteurs sous vide

Meilleur rendement que les précédents Température plus élevées en sortie

Tubes de 5 à 15 cm de diamètre Pression : < 10-3 Pa Nombreuses innovations

Plusieurs systèmes différents peuvent se combiner Pour la collection du rayonnement

Tube sous vide simple, absorbeur de type ailette Double tube sous vide à effet thermos

(absorbeur intégré) Face arrière réfléchissante ou réflecteur externe

Pour l'évacuation de la chaleur Échangeur à eau simple (serpentin A/R) Échangeur à tubes concentriques Caloduc (caloporteur diphasique)

Tube à effet "thermos"



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Capteurs sous videCapteurs sous vide

Applications : Chauffage solaire, eau chaude sanitaire, industrie

Tube à circulation directe

Système à réflecteur externe

Tube à caloduc


Source : Viessmann

Source : Viessmann


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Courbes de rendement pour les 3 types de capteursCourbes de rendement pour les 3 types de capteurs

Comparaison des rendements pour les trois types de capteurs à eau en fonction de la température de l'eau en sortie

Note : les capteurs solaire à air seront présentés plus loin

Source : Outils solaires



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Principe généralPrincipe général

Exemple du capteur plan vitré

Schéma thermique détailléSource : Faiman 2003

II.2 Performances des capteurs solaires thermiquesII.2 Performances des capteurs solaires thermiques


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Bilan thermique simplifié sur l'absorbeurBilan thermique simplifié sur l'absorbeur

Avec Pu : puissance thermique utile (W)

A : surface du capteur (m2)

S : Rayonnement incident absorbé (W/m2)

U : coefficient de pertes thermiques du capteur (W/(m2.K))

Ta : température de l'absorbeur (K)

Text : température de l'air extérieur (K)

Bilan thermique simplifié sur l'absorbeur à l'équilibre

Pu=A⋅S−U⋅T a−T ext



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Expression du rayonnement solaire absorbéExpression du rayonnement solaire absorbé

Le rayonnement absorbé, S

Avec : produit « transmittance x absorbance » du capteur pour chaque type de rayonnement (direct, diffus, réfléchi)= part du rayonnement réellement absorbée par le capteur.

et dépendent de la longueur d'onde, de l'angle d'incidence et des réflexions multiples de chaque rayon au niveau du capteur. Il n'existe pas de moyen simple de les calculer.

Pour simplifier, on peut noter :

S=G bh⋅cosi

cos z

⋅bG dh⋅1cos 2

⋅dGh⋅⋅1−cos2

⋅r

S=G⋅


i


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Calcul de la puissance utileCalcul de la puissance utile

Puissance utile en fonction de la température du fluide Bilan de puissance au contact de l'absorbeur

Puissance utile

F : facteur d'efficacité du capteur (-)h : coefficient d'échange thermique entre le fluide et l'absorbeur (W/K)T

f : Température moyenne du fluide dans le capteur (K)

F=h

hU⋅APu=F⋅A⋅S−U⋅T f −T ext

Pu=h⋅T a−T f

Formule de Hottel-Whiller-Bliss (HWB)

Rendement du capteur

d'où=Putile

P incidente

=Pu

A⋅G=F⋅−U⋅

T f−T ext

G



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Caractéristiques standardCaractéristiques standard

En Europe (Norme EN 12975) : modèle à trois paramètres

: Coefficient de rendement optique

a1 et a

2 : Coefficients de déperditions

calofiques des premier et deuxième ordre

En France : modèle à deux paramètres

B : Coefficient de rendement optique K : Coefficient de déperditions

calofiques du premier ordre (W/(m2.K))

=B−K⋅T f −T ext

GB=F⋅ K=F⋅U

=0−a1⋅T f−T ext

G−a2⋅

T f−T ext 2

G

T f−T ext /G


0


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Attention !Attention !

Les rendements sont différents selon la surface considérée !

Surfaces considérées Surface brute : encombrement du capteur Surface d'ouverture (ou d'entrée) : ouverture du capteur à incidence

normale. Tient compte de la présence éventuelle de réflecteurs Surface de l'absorbeur (parfois dite « active ») : Surface d'absorbeur

éclairée

Température de stagnationTempérature maximale du fluide à l'arrêt dans des conditions défavorables

G = 1000 W/m2, Text

= 30 °C et absence de vent

Les matériaux sont sélectionnés pour ne pas souffrir de cette température.



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Echangeurs de chaleurEchangeurs de chaleur

Utilisé pour transférer la chaleur à un stockage Le fluide utilisé dans le circuit

primaire est alors de l'eau glycolée pour éviter le gel en hiver.

L'efficacité de l'échangeur n'est jamais de 100 % ce qui réduit le rendement global du système.

Bilan de puissance :

Efficacité de l'échangeur :

et

Calcul du rendement global « capteur + échangeur » :

Péchangée=m⋅C p⋅T e−T s=h⋅T−T st

=Péchangée

Péchangeable

=m⋅C p⋅T e−T s

m⋅C p⋅T e−T st =

T e−T s

T e−T st

T s=1−⋅T e⋅T st

Péchangée=⋅m⋅C p⋅T e−T st

Pu=A⋅F '⋅S−U⋅T st−T ext

F '=F

1A⋅F⋅Um⋅C p

⋅1−1

captech=Pu

A⋅G=F '⋅[−U⋅

T st−T ext

G ]

II.3 Autres composantsII.3 Autres composants


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Ballon de stockageBallon de stockage

Cas théorique du ballon à température uniforme : Chaleur stockable

Bilan thermique sur le stockage

Qs : Chaleur stockable sur un cycle (J)

mCp : Capacité thermique du stockage (J/K)

: Écart de température de travail du stockage (K)

Pu : Puissance utile fournie par le capteur (W)

: Puissance soutirée au stockage (W)

(UA)st : Coefficient d'échange global du ballon avec l'ambiance (W/K)

Tst : Température du stockage (K)

Tamb : Température autour du stockage (K)

soutL

Q st=m⋅C pst⋅T st

m⋅C pst⋅dT st

dt=Pu− Lsout−UAst⋅T st−T amb


T st


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Ballon de stockageBallon de stockage

En pratique, le ballon n'est pas à température uniforme : phénomène de stratification

Modélisation plus délicate

Si dimensionnement correct, le ballon peut proposer plusieurs températures différentes pour ECS et chauffage à basse température

Ballon à stratification Source : Solaire Connexion SCOP



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Ballon de stockage bi-énergieBallon de stockage bi-énergie

Un circuit solaire Une chaudière d'appoint Résistance électrique de secours

Production d'ECS

Ballon solaire bi-énergieSource : Viessmann

Circuit solaire

Échangeur chaudière

Échangeur ECS



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Quelques autres composantsQuelques autres composants

Pompe de circulation Son dimensionnement dépend de :

Longueur des tuyaux Dénivellation entre capteur et stockage Taille de l’installation

Fluide circulant dans le capteur Chaleur massique élevée Faible viscosité Antigel : mélange eau + composé glycolé (éthylène g. ou propylène g.) Non corrosif Point d’ébullition situé au dessus de la température de stagnation des capteurs Durée de vie élevée Faible toxicité

Vase d’expansion : pour la dilatation du fluide caloporteur Doit permettre la vidange en cas de surchauffe

Canalisations : acier ou cuivre



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Chauffe-eau solaireChauffe-eau solaire

Eléments séparés

Monobloc à effet thermosiphon Schéma d'un chauffe-eau solaire simple

Schéma de principe du thermosiphon

II.4 Les différents systèmes solairesII.4 Les différents systèmes solaires Source : Mafen

Source : Giordano industries


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ChauffageChauffage

Plancher solaire direct (PSD) Pas d'échangeur intermédiaire Stockage à basse température réalisé

par la masse du plancher Déphasage par l'inertie thermique du plancher

(15 à 20 cm de béton)

Système solaire combiné (SSC) : chauffage + ECS

II.4 Les différents systèmes solairesII.4 Les différents systèmes solaires


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Besoins d'eau chaude sanitaireBesoins d'eau chaude sanitaire

Faible variation saisonnière du besoin journalier Dépendent du comportement et de la présence de l'occupant Demandes courtes et importantes Température d’entrée de l’eau dans le système : de 4 à 20 °C

(dépendant de la localité et de la saison) Température d’eau en sortie du système : 45 à 60 °C Circuit en boucle ouverte Besoin instantané :

La température d'eau froide n'est pas connue a priori.

Pour maison individuelle : Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI)

Pour immeuble : Chauffe-eau solaire collectif

BECS=m⋅C p⋅T consigne−T froide déperditionsdes systèmes

II.5 DimensionnementII.5 Dimensionnement


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Besoins de chauffageBesoins de chauffage

Variation saisonnière importante Demande continue Température délivrée : de 30°C à 50°C (dépendant du système d’émission et des

conditions météorologiques) Température de retour : de 25°C à 45°C Circuit en boucle fermée

Évaluation des besoins par calcul Des déperditions thermiques par les parois (conduction + rayonnement) Des déperditions thermiques par renouvellement d'air



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La ressource solaireLa ressource solaireI.5 DimensionnementI.5 Dimensionnement


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Exemple de courbe de chargeExemple de courbe de charge

Source : T. Letz, 2006

Zone en pointillés : Fraction « solarisable » des consommations



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Règles de dimensionnementRègles de dimensionnement

Définition : « la fraction solaire » Principe : le système solaire thermique permet de diminuer la facture énergétique Fraction solaire (Fs): fraction des besoins énergétiques couverts par le systèmes

solaire

Fs = énergie solaire utile / besoins

Volume du ballon de stockage Si trop petit : pas assez de stockage

Si trop grand : pertes thermiques du ballon

Optimum environ 50-100 litres / m2 de capteur

Doit être plus volumineux qu'un ballon traditionnel en raison de l'intermittence de

la source d'énergie Plancher solaire : 12-16 cm de béton suffisent Surface de capteur

Compromis fraction solaire / aspects économiques / espace disponible pour le capteur



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Règles de dimensionnementRègles de dimensionnement

Le rendement du systèmes solaire dépend de l’ensoleillement et de la température extérieure

Chauffe eau solaire, productivité moyenne Zone A (ex. : Allemagne) : 300 à 400 kWh/m2

Zone B (ex. : France) : 400 à 500 kWh/m2

Zone C (ex. : Grèce) : 500 à 600 kWh/m2

Fraction solaire plus élevée au sud qu’au nord

Outils pour le dimensionnement Méthode SOLO par calcul mensuel, CSTB

SOLO2000 (CSTB) Outil en ligne sur le site tecsol.fr

Modèles de calcul dynamique : TRANSOL (issu de TRNSYS) Très bientôt :

Module ECS solaire de Pléiades+COMFIE



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Ordre de grandeurs (pour la France)Ordre de grandeurs (pour la France)Chauffe-eau solaire :

Besoins : 40-50 litres d’eau chaude par personne et par jour (à 50 °C) Pour 4 personnes : 3 à 5 m2 de capteur et ballon de 200 à 300 litres Fraction solaire : de 50 à 80 % (selon la zone climatique) Capteur : orientation de sud-ouest à sud-est et inclinaison entre 30° et 60°

Investissement : pour 4 à 6 m2 de capteur 3 700 à 5 400 € TTC (ballon solaire seulement) + 600 € pour ballon bi-énergie

Système solaire combiné avec plancher solaire : Besoins : dépend des performances du bâtiment (de 10 à > 200 kWh/m2/an) 1 m2 pour 7 à 10 m2 de plancher chauffant, soit 10 à 20 m2 pour une maison individuelle Fraction solaire : de 25 à 60 %. Climat idéal : froid et ensoleillé (Rhône-Alpes, Alsace…),

pour les autres climats : rentabilité assurée au printemps et à l’automne Capteur : orientation de sud-ouest à sud-est, inclinaison entre 30° et 60° (incliner à 60° si l'on

veut optimiser la performance l’hiver)

Exemple : maison avec 100 m2 de surface chauffée, 15 m2 de capteurs, appoint intégré, coût : 16 000 à 18 000 € HT



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Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Normes ISO 14040 à 14 043

Un processus en 4 étapes

1. Définition des objectifs Détermination du produit étudié, de sa fonction :

le bâtiment, avec une durée de vie , un usage (tertiaire, logement,…), et un niveau de confort et de salubrité donnés ⇒ Unité de service, de fonction

Limitation des étapes du cycle de vie considérées fabrications des matériaux et composants, construction, utilisation, rénovation,

démolition et traitement des déchets Niveau d’approfondissement considéré (frontières du système étudié) : le bâtiment

+ fourniture d’énergie et d’eau, traitement de l’eau, transport des matériaux et des personnes

II.6 Aspect environnementalII.6 Aspect environnemental

Étapes du cycle de vie d'un bâtiment


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Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Méthode de l'Analyse de Cycle de Vie (ACV)Normes ISO 14040 à 14 043

Un processus en 4 étapes

1. Définition des objectifs

2. Inventaire Relevé de tous les flux de matières et d’énergie (en kJ ou kg) Rejets dans l’air, l’eau, le sol Déchets solides

3. Analyse des impacts Agrégation des différents flux pour en déduire les indicateurs d’impacts

Potentiel de réchauffement global Épuisement des ressources Acidification des eaux, eutrophisations des cours d'eau Destruction de la couche d'ozone Production de déchets toxiques Impacts sur la santé etc.

4. Interprétation des résultats et recherche d'améliorations



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Exemple d'ACV de chauffe-eau solaireExemple d'ACV de chauffe-eau solaire Source : base de données Ökoinventare de l'EPFZ (Zurich) Hypothèses de base

Chauffe-eau à éléments séparés Capteurs

– Capteurs plans vitrés intégrés en toiture

– Absorbeur en aluminium, revêtement sélectif chromé

– Couverture : double vitrage Échangeur incorporé, appoint électrique incorporé Fraction solaire : 45 % (Suisse ou moitié nord de la France)

Deux cas de figure : maison individuelle et logement collectif



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Exemple d'ACV de chauffe-eau solaireExemple d'ACV de chauffe-eau solaireLes différentes étapes du cycle de vie considérées :

la fabrication des capteurs la fabrication du ballon de stockage la fabrication des autres composants (pompe, échangeur, vase d'expansion,

appoint) le montage et la fabrication des tuyauteries la phase d'utilisation la dépose et le traitement des déchets

Le « bouquet » de production électrique européen de 1994 a été considéré pour l'électricité utilisée pour la production des composants. production thermique hydrocarbures : 48% production thermique nucléaire : 37% production hydro-électrique : 15%



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Temps de retour énergétique du chauffe-eau solaireTemps de retour énergétique du chauffe-eau solaire

Raisonnement en énergie primaire Hypothèse sur l'énergie substituée par le solaire : gaz

Énergie primaire pour 1 kWh de gaz : 1,56 kWhEP

Hypothèse sur la durée de vie : entre 15 et 30 ans

Impact du système par analyse du cycle de vie sur la durée de vie

(fabrication, installation, maintenance, fin de vie) CESI : 15 890 kWh

EP

Installation collective : 60 805 kWhEP

Résultats moyens sur la durée de vie du système



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Temps de retour énergétique d’un chauffe-eau solaireTemps de retour énergétique d’un chauffe-eau solaire

Temps de Retour Énergétique = temps nécessaire pour que le système

produise autant d’énergie primaire que ce qu'il a fallu consommer pour sa

fabrication

Énergie annuellement substituée par le solaire : CESI : 2 640 x 1,56 = 4 118,4 kWh

EP

Installation collective : 13 055 x 1,56 = 20 365,8 kWhEP

Temps de retour : CESI : 15890/ 4118 = 3,8 années Installation collective : 60805 / 20 366 = 3 années

Si durée de vie = 20 ans, alors économie de : CESI : 4,3 fois l'énergie primaire nécessaire à sa fabrication. Installation collective : 5,6 fois l'énergie primaire nécessaire à sa fabrication.



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Impact en CO2 des systèmes :

CESI : 1 514 kg CO2

Installation collective : 4 953 kg CO2

Impact d’1 kWh gaz en émission de gaz à effet de serre : 0,2801 kg/kWh Temps de Retour CO2

CESI : 2,05 années Installation collective : 1,35 année

Si durée de vie = 20 ans Le CESI permet d’éviter 9 fois la quantité de gaz à effet de serre émise

pendant sa fabrication (13,8 fois pour l’installation collective)

Selon cette étude, 1 m2 de capteur solaire thermique permet d’éviter de rejeter annuellement dans l’atmosphère 120 kg de gaz à effet de serre

Temps de retour COTemps de retour CO22 d’un chauffe-eau solaire d’un chauffe-eau solaire



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Au niveau européenAu niveau européen

Parc solaire européen (UE27) (données 2009) Surface installée (toutes technologies confondues) :

32,5 km2

Prévisions très inférieures aux objectifs du Livre Blanc de la Commission Européenne : 100 km2 en 2010

4,2 millions de m2 installés en 2009 (légère baisse / 2008) Croissance annuelle 2009 des surfaces : + 14 % (en France +18 %)

Les technologies installées en 2009 : 87 % : Capteurs vitrés plan 9 % : Capteurs vitrés sous vide 4 % : Capteurs non vitrés

Principaux industriels européens Allemands : Viessman, Schüco, Thermosolar, Solvis, etc. Autriche : GREENoneTEC (capteurs) France : Clipsol (capteurs), Giordano (Chauffe-eau)

II.7 Contexte industrielII.7 Contexte industriel


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Parc solaire européen (UE)Parc solaire européen (UE)

de 1990 à 2008

Installations annuelles en U.E.+ Suisse

(capteurs vitrés)

Installations annuelles en France

(source : ESTIF)



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Les pays européens les plus équipésLes pays européens les plus équipés

Les pays les plus équipés en U.E. (+ Suisse) (source : ESTIF)



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Contextes locauxContextes locaux

En Espagne : Código Técnico de la Edificación, impose 60% d'ECS solaire sur les bâtiments neufs

En Allemagne : Solaire thermique obligatoire dans certaines municipalités (Marburg,...)Arrêt des subventions aux systèmes solaires depuis mai 2010 (crise)

En France : démarrage récent (2004) avec les aides publiques (aide ADEME puis crédits d'impôts (50 %))Solaire thermique obligatoire dans les départements d'Outre-Mer depuis avril 2009

Plus d'info : www.estif.org, www.observ-er.org


partie ii : solaire thermique - cv - stéphane...

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