septembre 2010 - Energie Plus Le Site

Choisir la cheminée et la ventilation de la chaufferie

Étanchéité et alimentation en air

Distinction entre chaudières étanches (figures du bas) et non-étanches (figures du haut) ainsi que des chaudières à tirage naturel (figures de gauche) et à tirage forcé (figure de droite)

Étanchéité de la chaudière

On distingue les chaudières étanches et non-étanches. Les chaudières étanches ont des circuits de combustion étanches par rapport à l’enveloppe du bâtiment. Elles tirent leur air de combustion de l’environnement extérieur. À l’opposé, la chaudière non-étanche soutire son air de combustion de la pièce dans laquelle elle est installée. Cette distinction a une influence sur la stratégie de ventilation du local de chauffe. De manière générale, la ventilation a pour objectif de maintenir la température du local en-dessous d’un certain seuil (typiquement 40°C). En effet, la chaudière ainsi que les circuits hydrauliques associés sont sujet à des pertes de chaleur. Le but de ventilation est alors d’évacuer ces pertes. Dans le cas d’une chaudière non-étanche, la ventilation du local doit aussi amener l’air nécessaire pour une combustion correcte dans l’appareil. Cela aboutit à un dimensionnement différent, essentiellement en ce qui concerne l’amenée d’air neuf dans le local de chauffe.

Tirage naturel ou forcé

Une seconde distinction concerne la force motrice qui assure le mouvement des gaz dans le circuit de combustion. On trouve, d’une part, les chaudières munies d’un ventilateur. Si celui-ci est suffisamment puissant, il assurera la majeur partie du travail pour amener l’air neuf à la chaudière et pour évacuer les fumées. On parle alors de tirage forcé. D’autre part, on a les chaudières travaillant essentiellement par tirage naturel. En effet, l’air contenu dans la cheminée a une température plus élevée que la température ambiante si bien que la densité de l’air dans cette cheminée est plus faible. Du coup, cette colonne d’air a tendance à s’élever tout en appelant de l’air frais vers l’appareil de combustion. De nouveau, cette distinction entre mode de fonctionnement conditionne le dimensionnement de la cheminée. Dans le cas du tirage naturel, celle-ci doit être dimensionnée de manière rigoureuse pour assurer une évacuation correcte des produits de combustion et amener une quantité suffisante d’air neuf à l’appareil et donc garantir une bonne combustion.

Cheminée

Le rôle de la cheminée est d’évacuer les gaz de combustion. Ces gaz contiennent principalement du CO₂ et de l’eau mais aussi des composants toxiques comme le CO ou des oxydes d’azote (NOx).

Une mauvaise cheminée peut donc être dangereuse pour les occupants ou se détériorer sous l’effet de la condensation des fumées. Elle peut également perturber les performances de la chaudière, en tout cas pour les chaudières en dépression.

Le conduit de cheminée doit respecter 4 critères :

être bien dimensionné,
avoir le tracé le plus rectiligne possible,
avoir un débouché à l’abri des perturbations du vent,
avoir une faible inertie thermique et une bonne isolation.

Dans le cas des chaudières étanches, les conduits d’évacuation sont considérés comme faisant partie intégrante de la chaudière si bien que le couple chaudière et circuit a été conçu par le fabricant. Il faut se référer à ses spécifications pour garantir un fonctionnement correct de l’installation. Dans les cas des chaudières non-étanches, on doit les raccorder à un circuit d’évacuation qui doit être correctement dimensionné.

Dimensionnement de la cheminée

Le dimensionnement du conduit d’évacuation diffère selon que la chaudière est dotée d’une chambre de combustion non-étanche (ouverte) ou étanche.

Dimensionnement pour chaudières étanches

Dans le cas des chaudières étanches, les conduits d’évacuation sont considérés comme faisant partie intégrante de la chaudière si bien que le couple chaudière et circuit a été conçu par le fabricant. Il faut se référer à ses spécifications pour garantir un fonctionnement correct de l’installation.

Dimensionnement pour chaudières non-étanches

Dans les cas des chaudières non-étanches, il faut les raccorder à un circuit d’évacuation qui doit être correctement dimensionné. La chaudière ne peut fonctionner correctement sans cette cheminée adaptée. C’est pourquoi, la cheminée doit être choisie en fonction de la chaudière et non l’inverse.

Par exemple, une chaudière avec un ventilateur suffisamment puissant ne nécessite pas systématiquement un tirage naturel pour assurer la bonne évacuation des fumées. Dans ce cas de figure, le conduit d’évacuation peut être relativement court. En effet, dans le cas des chaudières où le tirage naturel joue un rôle prépondérant, la longueur de la cheminée doit être suffisamment longue pour assurer le tirage souhaité. À l’opposé, ce conduit ne doit pas être trop long si on veut éviter la condensation et ses désagréments. On l’aura compris, dimensionner un cheminée est question de spécialiste qui mérite un traitement rigoureux.

En outre, on distingue les foyers dits « pressurisés » et les foyers « à dépression ». La situation est encore différente avec une chaudière gaz atmosphérique. La puissance de la chaudière joue également un rôle important puisqu’elle conditionne le volume de gaz à évacuer. Cela est d’ailleurs une donnée importante en rénovation.

Exemple pour une chaudière à tirage naturel :

On remplace une ancienne chaudière à foyer en dépression (à tirage naturel) dont la température de fumée ne descendait pas en dessous de 220°C, par une chaudière à foyer en surpression (à tirage naturel) dont la température de fumée est de l’ordre de 160°C. De plus, le surdimensionnement de l’ancienne installation a été réduit. On est ainsi passé d’une puissance de 500 kW a une puissance de 300 kW.

Suivant la norme NBN B61-001, l’ancienne chaudière demandait une cheminée (pour une hauteur de 18 m) d’un diamètre de 48 cm. La nouvelle chaudière ne demande plus qu’un diamètre de 24 cm.

Si on raccorde la chaudière de 300 kW au conduit existant, la surface déperditive du conduit devient trop importante pour la masse plus réduite des fumées. Les risques de condensation sont alors importants. Le refroidissement des fumées le long du conduit peut également être tel qu’il réduit dangereusement le tirage.

Les mauvaises réactions, face à cette situation visent à tenter d’augmenter la température des fumées à la sortie de la chaudière :

enlever certains turbulateurs situés dans les tubes de l’échangeur pour accélérer les fumées dans la chaudière et diminuer l’échange de chaleur dans celle-ci,
modifier le réglage ou la régulation du brûleur (par exemple en « pontant » la première allure).

Cela a évidemment pour conséquence de diminuer le rendement de la nouvelle chaudière.

Le bon réflexe est d’accompagner le remplacement de la chaudière d’une modification de la section du conduit de fumée, par exemple, grâce à un tubage du conduit existant.

Dimensionnement pour chaudières non-étanches à tirage naturel

De manière générale, la section des conduits d’évacuation des chaudières à tirage naturel peut être évaluée au moyen d’abaques qui tiennent compte :

du type de chaudière,
de la hauteur de la cheminée,
de la puissance de la chaudière,
de la température des fumées à la sortie de la chaudière.

En fait le calcul d’une cheminée dépend d’autres paramètres comme :

la longueur du conduit de raccordement,
la hauteur de la cheminée,
la hauteur du conduit de raccordement,
les résistances locales comme les coudes, les tés, le couronnement de cheminée, …
la nature de la surface du conduit,
l’isolation du conduit,
l’inertie thermique du conduit,
le type de chaudière,
la puissance de la chaudière,
le rendement de combustion,
le taux de CO2 compris dans les fumées,
la température des gaz de combustion.

Lorsque les conditions réelles de fonctionnement s’écartent des conditions d’établissement des abaques, il faut procéder à un calcul plus précis. Pour simplifier celui-ci, les fabricants de cheminées ont établi des tableaux et graphiques relatifs à leur produit, en fonction des types de chaudière et des conditions de fonctionnement les plus courantes. Les abaques repris dans les normes peuvent cependant donner des ordres de grandeur de contrôle permettant d’éviter un surdimensionnement excessif.

Tracé de la cheminée

Coudes et changements de section

Quelque soit la force qui assure l’évacuation des fumées, c’est-à-dire un ventilateur et/ou le tirage naturel, l’objectif est d’atteindre le débit nominal d’échappement en vainquant les forces de frottement du conduit (les pertes de charge). Il faut donc veiller à ce que le circuit d’évacuation des fumées aie des pertes de charge compatibles avec la force motrice disponible.

Dans le cas du tirage naturel, la force dépend essentiellement de la hauteur de la cheminée et de la température des fumées : plus la température est élevée et la cheminée haute, plus le tirage est important (sans arriver pour autant à la condensation). Comme on souhaite travailler avec la température de fumées la plus basse et une cheminée la moins haute possible, on comprend que le tirage naturel est limité. Il est dès lors vital de limiter les frottements (les pertes de charge) au sein du conduit d’évacuation. On comprend aisément que la rugosité, les coudes dans le conduit vont créer des frottements complémentaires qui sont autant d’entraves au tirage. Il en va de même pour les changements de section ou de forme (comme le passage d’une section carrée à une percée de toit ronde). Pour que les changements de section et de forme ne présentent quasi pas de perte de charge, il faut ceux-ci se fassent progressivement sous en angle de 15°C. Idéalement, les virages devraient s’exécuter avec des coudes de 15°. Les coudes jusqu’à 30°C présentent des résistances encore tolérables.

Dans le cas du tirage forcé, c’est le ventilateur qui principalement assure le débit d’évacuation. Sur base des caractéristiques de ce ventilateur, on peut connaître les pertes par frottement qu’il est capable de vaincre. Typiquement, le constructeur peut donner la longueur maximale du conduit qu’il est possible de placer en aval de la chaudière ainsi que le nombre de coudes. Ces coudes peuvent avoir des angles très élevés, voire même des angles droits. Spatialement parlant, les conduits des chaudières à tirage forcé sont plus faciles à intégrer que leur homologues à tirage naturel.

Raccordement de la chaudière

Le conduit de raccordement joint le bord externe du conduit de sortie de l’appareil de combustion au conduit d’évacuation.

Dans le cas où le tirage naturel joue un rôle important dans l’évacuation des fumées, le conduit de raccordement doit aussi assurer son rôle ou du moins, ne pas perturber ce processus.
À cette fin, le raccordement de la chaudière à la cheminée ne devrait pas présenter de contre-pente, voire idéalement ne pas se faire suivant un conduit horizontal mais plutôt au moyen d’un conduit ascendant. Typique, on prescrit une pente de 45°C, surtout si la cheminée est peu élevée.

Débouché de la cheminée

De nouveau, on fait la distinction entre tirage naturel et forcé.

Dans le cas du tirage naturel, les conditions météorologiques extérieures ont une influence sur ce tirage. On pense à la température mais aussi aux variations de pression statique induites par le vent. En l’absence d’obstacles, le vent induit une dépression au niveau du débouché de cheminée par effet Venturi et ce, même en l’absence de combustion. Si cette dépression n’est pas trop importante, elle contribue favorablement au tirage. En présence d’obstacles, par exemple à proximité du bâtiment, l’écoulement autour de ceux-ci peut engendrer des dépressions ou surpressions locales (suivant l’orientation du vent). Les surpressions peuvent réduire le tirage voire engendrer du refoulement. Il faut donc veiller à ce que le débouché de cheminée se trouve hors de la zone d’influence des différents obstacles. Par obstacle, on entend le bâtiment lui-même voire un bâtiment voisin. C’est pourquoi les normes NBN B61-001 et NBN B61-002 définissent des zones d’emplacement autorisées des débouchés de cheminées par rapport aux bâtiments et autres obstacles voisins.

De manière générale, le débouchés ne peuvent gêner les constructions voisines ou se trouver dans une zone inaccessible au personnel d’entretien ou aux pompiers. Si le fonctionnement de la cheminée ne doit pas être perturbé par son environnement (essentiellement, le vent), la cheminée ne peut elle non plus perturber son environnement. En effet, elle rejette des produits de combustion qui doivent être suffisamment dilués avant de rencontrer des ouvertures de bâtiments.

Forme de la cheminée

Toujours dans l’optique de contrôler le tirage, la cheminée idéale est ronde. C’est ainsi que pour une section donnée, la surface de paroi et donc les frottements sont les moindres. Les pertes de chaleur sont également les plus faibles. Une section carrée avec coins arrondis convient aussi.

Isolation de la cheminée et inertie thermique

Plus la cheminée est haute, plus il est important de l’isoler, afin d’éviter que les gaz de combustion ne se refroidissent trop, risquant de provoquer de la condensation non prévue. En effet, à partir de 70°C, le souffre contenu dans les combustibles (principalement de fuel) se transforme en acide liquide. Dans le cas du tirage naturel, un refroidissement risquerait de réduire significativement ce tirage. La résistance thermique minimale est 0.75 m².K/W pour la norme NBN B61-001 et de 0.4 m².K/W pour la norme NBN B61-002, plus récente.

Les produits isolants choisis doivent résister à des températures élevées (en cas de dérèglement de la chaudière), être imputrescibles et ne peuvent pas se tasser (les isolants en « vrac » sont interdits). Notons que l’isolation du conduit de cheminée limite également les nuisances sonores.

Plus la cheminée est chaude, plus le tirage est important et moins les fumées se refroidissent. Ainsi, plus le conduit de cheminée a une inertie thermique importante, plus le temps nécessaire pour parvenir au tirage maximal est long. On choisira donc de préférence un conduit de cheminée dont la paroi intérieure est légère (avec bien entendu la résistance mécanique requis

Matériaux

Différents matériaux peuvent être utilisés pour réaliser un conduit de cheminée :

les boisseaux en terre cuite ou en béton,
les conduits en inox, c’est-à-dire en acier inoxydable,
les conduits en aluminium,
les conduits en matériau synthétique (Polyvinyldène Fluoride, PVDF, et Polypropylène, PP).

Les caractéristiques des produits de combustion des chaudières de chauffage central déterminent le choix du conduit de raccordement et d’évacuation. Il s’agit :

de la température des fumées,
de leur composition chimique,
du risque de la formation de condensation,
de la présence de suie,
du niveau de pression.

Des normes européennes (NBN EN 1443 et 1856-1) permettent de classifier les conduits suivant leur résistance à ces différentes caractéristiques. Ces classes, complétées d’information concernant l’épaisseur minimale de paroi, le débit de fuite maximal admis et les exigences de sécurité incendie, offrent la possibilité de faire le choix parfait pour les conduits de raccordement et d’évacuation à utiliser.

Exemple de marquage de conduit d’évacuation métallique : différentes « classe » par caractéristiques étudiées (classe de température, de résistance aux condensats, etc.).

Bien évidemment, ces caractéristiques des produits de combustion sont influencée par le type de combustible et le type de chaudière (par exemple, avec ou sans condensation).

Boisseaux en terre cuite et en béton.

Cheminée en inox double paroi et en PVDF.

Pour les conduits métalliques ou synthétiques, on parle de « système », c’est-à-dire que le conduit de raccordement, le conduit vertical et le débouché forment un ensemble constitué du même matériau. Le fonctionnement de ce système est de la responsabilité du fabricant de conduit. Le premier avantage de ces systèmes est la facilité de dimensionnement : chaque fabricant dispose d’abaques permettant de choisir le diamètre le plus approprié à la chaudière choisie.

Quelques remarques :

Différentes variantes d’acier inoxydables existent. Suivant ces différences de composition, ils peuvent être mis en œuvre avec différents types de chaudière. À titre d’exemple, l’acier ANSI 316 est interdit pour les chaudières fuel à condensation et pour les chaudières à combustible solide. L’acier ANSI 904L peut quant à lui être appliqué à tout type de chaudière.

Les conduits en aluminium ne conviennent que pour les chaudières au gaz.

Les conduits en matière synthétique ne peuvent être utilisés que si les températures des fumées ne dépassent jamais 80°C, typiquement pour des chaudières à condensation. Une protection doit garantir que cette température maximale ne sera pas dépassée (par exemple, un thermostat de sécurité). Les conduits synthétiques doivent quant à eux pouvoir tenir jusqu’à une température de 120° (correspond à la classe de température T120).

Régulation du tirage

Comme le tirage naturel dans la cheminée peut fortement influencer le rendement de combustion et que ce tirage est lui-même influencé par les conditions atmosphériques (température de l’air extérieur, vent), il faut équiper une cheminée d’un régulateur de tirage. Remarquons que les chaudières gaz atmosphériques sont, quant à elles, d’office équipées d’un coupe-tirage intégré qui remplit les mêmes fonctions que le régulateur de tirage. De manière générale, on ne place pas un régulateur de tirage si la chaudière est déjà équipée d’un coupe-tirage.

Régulateur (ou stabilisateur) de tirage.

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’impact du tirage sur le
rendement de combustion.

Le régulateur de tirage présente également d’autres intérêts :

1. Les brûleurs pulsés actuels (gaz ou fuel) sont équipés d’un clapet d’air qui se referme automatiquement à l’arrêt. Il n’y a donc plus de ventilation du conduit de cheminée quand la chaudière est arrêtée (pertes par balayage). La cheminée reste donc humide (condensation des fumées, pénétration d’eau de pluie). A l’arrêt, le régulateur de tirage maintiendra une certaine ouverture et une ventilation permanente de la cheminée par l’air de la chaufferie, permettant au conduit de sécher.
2. Lorsque le clapet est ouvert, le mélange de l’air de la chaufferie et des fumées diminue la concentration en vapeur d’eau des fumées et diminue la température de rosée et donc les risques de condensation.

Nombre de conduits

Selon la norme NBN B61-001 et NBN B61-002, il y a lieu de prévoir un conduit par chaudière. C’est la règle générale qu’il faut retenir.

Il existe néanmoins deux exceptions qui s’applique aux chaudières atmosphériques à tirage naturel :

Premièrement, on peut utiliser des conduits collectifs pour des chaudières gaz atmosphériques si les dispositions locales ne permettent pas de disposer d’un conduit individuel. Dans ces cas, il faut se référer à la norme NBN D51-003 qui mentionne notamment que plusieurs chaudières peuvent être raccordées sur une même cheminée.

Notons que pour y voir plus clair, l’ARGB a édité un cahier des charges « Exigences pour les ensembles composés de chaudières en batterie et fonctionnant en cascade » qui permet de définir les critères à respecter en matière d’évacuation des produits de combustion. Pour le lecteur intéressé, l’ARGB a également édité un dossier technique « Installations alimentées en gaz combustible plus léger que l’air, distribué par canalisations » (février 2000), qui permet de s’y retrouver dans les méandres de la norme NBN D51-003 et de ses addenda 1 et 2.

Deuxièmement, dans le cas des chaudières non-étanches avec évacuation des produits de combustion par tirage naturel et de puissance inférieure à 70 kW, des chaudières de même type, montées en batterie et installées dans un même espace, peuvent être assimilées à une chaudière unique pour autant que :

les chaudières font partie d’un ensemble prévu pour fonctionner comme une seule unité (chaudières en cascade),

les chaudières sont équipées d’un collecteur de fumées spécialement conçu par le fabricant qui assure une évacuation correcte des produits de combustion et une combustion optimale dans n’importe quelle condition de fonctionnement,

le bon fonctionnement de l’ensemble a été contrôlé en laboratoire et certifié,

la puissance de démarrage à froid est, de minimum, 25 % de la puissance utile de l’ensemble des chaudières.

Il est en tout cas défendu de raccorder sur un même conduit, une chaudière gaz atmosphérique et une chaudière à brûleur pulsé.

Cas particulier des chaudières à condensation

Les produits de combustion issus d’une chaudière à condensation sont saturés en vapeur d’eau dont une partie va se condenser sur les parois de la cheminée. Cela exclut une évacuation par une cheminée traditionnelle en maçonnerie, car l’humidité provoquerait de graves dommages au bâtiment.

Les solutions possibles sont :

La cheminée étanche à l’humidité, en acier inoxydable ou en matériau synthétique. Elle permet de maintenir une température inférieure au point de rosée sans que l’humidité ne la traverse et attaque la maçonnerie. Fonctionnant en surpression, elle est aussi étanche aux produits de combustion.

Le tubage, qui s’applique à une cheminée ancienne, doit être étanche, résistant à la corrosion et installé dans une cheminée. Le tubage doit pouvoir fonctionner en surpression dans toute sa longueur.

La cheminée en boisseaux pour peu qu’elle possède un agrément technique ATG pour fonctionner avec une chaudière à condensation.

En principe, dans une chaudière à condensation la température des fumées est supérieure à la température de l’eau entrant dans la chaudière d’environ 5°C. La température des fumées ne peut donc jamais dépasser 80°C (selon la norme NBN B61-002). Cependant pour pallier à un défaut de la régulation de cette dernière, un thermostat de sécurité coupant la chaudière si la température des fumées dépasse 120°C doit être prévu dans les raccordements vers la cheminée en matériau synthétique.

Il est important aussi de signaler que l’on ne peut raccorder sur un même conduit de cheminée, une chaudière traditionnelle et une chaudière à condensation.

Évacuation des condensats avec une chaudière à condensation : NIT 235 du CSTC

Une chaudière installée dans une maison unifamiliale moyenne produit approximativement 500 à 2000 litres de condensat par an. Il s’agit de rejets acides avec un pH compris entre 2 et 4 dans le cas du mazout pauvre en soufre (mazout extra) et entre 4 à 5 dans le cas du gaz naturel. Il est donc important que les matériaux qui entrent en contact avec les condensats présentent une bonne résistance à la corrosion : matières synthétiques, grès, fonte …

Il est vivement déconseillé d’évacuer les condensats sur des toitures comportant des éléments métalliques (couverture, avaloirs, gouttières, conduits d’évacuation, …) ou de les mettre en contact avec des matériaux de construction pierreux traditionnels ou des produits à base de ciment (tuyaux en fibres-ciment, par exemple).

A l’heure actuelle, il n’existe en Belgique aucune prescription spécifique applicable à l’évacuation de ces condensats acides. Il est conseillé de ne pas déversé ces condensats directement mais de les mélanger préalablement avec les eaux usées domestiques qui sont de nature plutôt basique (produits de nettoyage), donc apte à neutraliser l’acidité. Si l’on ne parvient pas à ramener le pH à un minimum de 6.5, il est alors recommandé de réaliser un traitement des condensats pour les neutraliser.

Si la chaudière à condensation fonctionne au mazout, il y a lieu de disposer, en amont du système neutralisant éventuel, un filtre à charbon actif dans le but de débarrasser l’effluent des dérivés huileux.

Remplacement de chaudière et adaptation de la cheminée

Le remplacement d’une ancienne chaudière s’accompagne presqu’inévitablement d’une diminution du débit et de la température des fumées à évacuer. En effet :

la puissance de la chaudière est revue à la baisse (souvent fortement),
l’échange de chaleur entre les fumées et l’eau est optimalisé dans la chaudière.

Suivant les prescriptions reprises ci-dessus, cela devrait nécessiter une modification de la section de la cheminée existante.

Dans tous les cas, si des condensations apparaissent dans le conduit de cheminée après la rénovation, il ne faut pas corriger le tir en détériorant les performances de la chaudière, c’est-à-dire :

en modifiant le réglage du brûleur pour augmenter la température des fumées (diminution du rendement de combustion),

en forçant l’ouverture du clapet d’air du brûleur à l’arrêt de la chaudière (augmentation des pertes à l’arrêt).

Deux solutions permettent de limiter les risques de condensation sans modifier la cheminée :

isoler le conduit de raccordement entre chaudière et la cheminée pour augmenter la température des fumées à l’entrée de la cheminée,

maintenir, à l’arrêt, l’ouverture du régulateur de tirage pour assurer une ventilation de la cheminée à l’arrêt. Notons que la présence d’un régulateur de tirage diminue, en soi, les risques de condensation car la dilution des fumées dans de l’air diminue le point de rosée.

Si ces deux solutions n’apportent pas de résultat, le tubage de la cheminée pour adapter celle-ci à la nouvelle chaudière, devient inévitable.

Ventilation du local contenant les appareils de chauffe

La ventilation a pour objectif d’évacuer les pertes de chaleur des équipements de combustion afin de maintenir une température acceptable au sein du local contenant ces appareils. En outre, la ventilation assure la qualité de l’air en amenant l’air frais et en évacuant l’air vicié.

Dans le cas des appareils non-étanches, la ventilation doit aussi

assurer un apport d’air comburant suffisant au brûleur pour permettre un déroulement correct de la combustion,
maintenir constante la dépression entre la chaufferie et la cheminée.

Pour les installations de chauffage de puissance supérieure à 70 kW, les prescriptions en matière de ventilation des chaufferies sont reprises dans la norme NBN B61-001. Dans ce cas, il est nécessaire de travailler avec un chaufferie qui sera équipée d’une ventilation basse et d’une ventilation haute. Celles-ci sont directement en contact avec l’extérieur ou raccordées à des conduits suivant les indications de la norme.

Pour les installations de chauffage de puissance inférieure à 70 kW, les prescriptions en matière de ventilation des chaufferies sont reprises dans la norme NBN B61-002. Comme évoqué ci-dessus, une chaufferie spécifique n’est pas toujours nécessaire. A la base, un débit de 0.72 m³/h.kW avec un minimum de 25.3 m³/h doit être garantis pour maintenir la température du local inférieure à 40°C. Se superpose ensuite les contraintes inhérentes à la technologie des chaudières, à savoir si la chaudière est étanche ou pas. Si la chaudière est non-étanche, il faut garantir un débit d’air suffisant pour assurer la combustion optimale. Si l’on travaille sur base d’une ventilation naturelle, l’air est admis au sein du local de chauffe au moyen d’un orifice ou d’un conduit dont les caractéristiques sont prescrites par la norme. L’air vicié du local est évacué par un orifice de diamètre au moins égal au tiers de l’orifice d’admission.

Ventilation basse pour P > 70 kW

L’amenée d’air doit se faire au moyen d’un dispositif de ventilation basse situé le plus près possible du sol (au maximum au 1/4 de la hauteur du local).

D’une manière générale, pour les chaufferies de moins de 1 200 kW, la section à prévoir est de :

1 dm² par 17,5 kW, si la cheminée est plus haute que 6 m.

1,5 dm² par 17,5 kW, si la cheminée est moins haute que 6 m.

Cette section minimale augmente en fonction des accidents de parcours entre l’extérieur et la chaufferie (si la conduite d’amenée d’air comprend plus de 3 coudes). Dans ce cas et pour les chaufferies de plus de 1 200 kW, il faut se référer à la norme.

Exemples de ventilation basse pour une chaufferie en sous-sol.

1. première grille, 2. deuxième grille, 3. premier coude à 90°, 4. deuxième coude à 90°, 5. découpe en biais à 45°

Si un conduit d’amenée d’air est nécessaire dans la chaufferie, celui-ci sera coupé à 45°C, pour éviter une obstruction intempestive.

L’ouverture de ventilation basse ne doit pas forcément déboucher à l’extérieur. Elle peut communiquer avec un autre local, pour autant que celui-ci soit à son tour ventilé.

Ventilation haute pour P > 70 kW

L’air vicié éventuellement accumulé dans la chaufferie doit également être évacué à l’extérieur. À cet effet, une ventilation haute doit être prévue à la partie haute du local, du côté opposé à la ventilation basse pour permettre un bon balayage du local.

Le conduit de ventilation haute peut être un conduit parallèle à la cheminée. Dans ce cas, son débouché à l’extérieur doit se trouver entre 0,5 et 1,5 m sous le débouché de la cheminée.

Conduit de ventilation haute associé à la cheminée.

Cela peut également être un conduit plus court débouchant au-dessus de la toiture ou à un niveau intermédiaire. Dans ce dernier cas, le débouché doit être le plus éloigné possible des portes et fenêtres.

Cas particulier des chaufferies en ambiance polluée

L’air aspiré par le brûleur doit être exempt de produits corrosifs pour la chaudière.

Par exemple, si l’air de combustion risque d’être pollué par des composants halogénés en provenance, par exemple de firmes de nettoyage à sec, d’imprimeries, de teintureries, d’une piscine…, des précautions doivent être prises pour assurer une amenée d’air frais pur. Dans certains cas, l’utilisation de chaudières étanches avec prise d’air dans un endroit non pollué est à conseiller.

Chaudières gaz raccordées à une cheminée à ventouse (on parle aussi de combustion étanche) : l’air comburant est aspiré à l’extérieur par le conduit externe et les fumées sont évacuées par le conduit interne. Les deux conduits peuvent être séparés mais suffisamment proches pour être exposés à des conditions de vent identiques. Dans le cas, la ventilation basse de la chaufferie n’est plus nécessaire.

Les chaudières sont également très sensibles aux poussières. Celles-ci sont aspirées par le brûleur, encrassent le ventilateur, sont brûlées et se déposent dans la chaudière. Il en résulte une perte de rendement. C’est pourquoi, il faut partir du principe, pourtant rarement respecté qu’:

une chaufferie ne peut être un atelier !

Exemple.

Dans une institution hospitalière, une chaudière s’avère difficile à régler, tombe souvent en panne et s’encrasse rapidement.

La raison : la ventilation basse de la chaufferie est en communication directe avec la buanderie. Une quantité importante de pluches est retrouvée dans le ventilateur du brûleur !

Posted By : 22 Sep, 2010

Capteur solaire à eau chaude

Principe de fonctionnement

Les capteurs solaires transforment le rayonnement solaire en chaleur grâce à un absorbeur (un corps noir caractérisé par des propriétés d’absorption très élevées et d’émissivité très basse). L’absorbeur transfère la chaleur à un fluide caloporteur (généralement de l’eau glycolée) circulant au travers de chacun des capteurs.

Lorsque la différence de température entre la sonde capteur (T1) et la sonde en fond de ballon (T2) dépasse quelques degrés, les circulateurs s’enclenchent.

Le fluide caloporteur, circulant dans le circuit primaire, achemine alors l’énergie solaire depuis les capteurs vers le(s) ballon(s) de stockage à travers un échangeur.

Le(s) ballon(s) de stockage accumule(nt) la chaleur produite.

Si nécessaire, une source d’énergie d’appoint porte l’eau préchauffée à la température souhaitée. Celle-ci est alors acheminée vers les points de puisage par la boucle de distribution.

Un dispositif de régulation électronique commande le fonctionnement du système (circulateurs et appoints) selon les conditions d’ensoleillement et la demande en eau chaude.

Les principaux composants d’une installation

Un chauffe-eau solaire est toujours composé de quatre parties :

Le système de charge

Le système de charge comprend les capteurs solaires, la boucle primaire ou solaire et un échangeur de chaleur.

Le système de stockage

Il s’agit généralement d’un ou plusieurs ballon(s) d’eau bien isolé(s) thermiquement. Le stockage permet de différer la demande de puisage par rapport au moment de la production solaire.

Le système d’appoint

Pendant une bonne partie de l’année, un appoint de chaleur est nécessaire pour atteindre la température minimale de la boucle sanitaire (en général 60 °C). Cet appoint de chaleur peut être fourni par un moyen traditionnel de production de chaleur (chaudière, résistance électrique, pompe à chaleur,…).

Le système de décharge

C’est la partie de l’installation qui distribue l’eau chaude sanitaire aux différents points de puisage.

Exemple de capteur solaire sous vide (avec sonde de température en 1 et purgeur en 2).
À noter le lestage des pieds de l’équipement…

Les différents types d’installation

Sous nos climats, la plupart des installations sont conçues avec une boucle fermée sous pression dont la circulation est forcée, mais il existe d’autres types d’installation :

Boucle solaire fermée (indirecte) ou ouverte (directe) ?

Si la boucle est fermée, le fluide qui chauffe dans les capteurs solaires et celui qui arrive aux points de puisages (douches…) sont distincts : l’eau de consommation est indirectement chauffée à travers un échangeur par le fluide caloporteur du circuit solaire.

Dans le cas où la boucle est dite ouverte, l’eau qui circule dans les capteurs est la même que celle qui est consommée aux points de puisage. Ce type de circuit est rarement utilisé en Belgique, notamment à cause des problèmes liés au gel. On le trouve donc plus souvent dans les pays chauds, où les capteurs constituent le seul moyen de chauffage.

Boucle fermée.		Boucle ouverte.

Circulation forcée ou thermosiphon ?

Dans les installations à thermosiphon, le fluide de la boucle solaire circule par convection naturelle (le fluide réchauffé s’élève). Le stockage est en général situé au-dessus des capteurs (à une distance de minimum 50 cm). Chez nous, ce système est difficilement maîtrisable. Il convient nettement mieux aux pays chauds et ensoleillés.

Thermosiphon.		Circulation forcée.

Les installations à circulation forcée sont équipées d’un dispositif de pompage (circulateur) provoquant la circulation forcée du fluide de la boucle solaire. La pompe est activée automatiquement par la régulation qui évalue le moment où la température du fluide à la sortie des capteurs est supérieure à la température de l’eau dans le bas du réservoir de stockage. On distingue dans cette catégorie plusieurs principes suivant le débit imposé au fluide dans le circuit solaire :

Les installations dites « high flow » : dans ce cas, le débit étant élevé (+/- 40 à 60 litres/heure.m²), on favorise une production d’une grande quantité de fluide avec un delta de température peu élevé.

Les installations dites « low flow » : dans ce cas, le débit étant faible (+/- 15 à 20 litres/heure.m²), on valorise une plus haute montée en température d’un volume de fluide réduit. Cela permet de travailler avec de plus faibles diamètres de tuyauterie et de faibles puissances de circulateur. Cependant, les pertes thermiques sont augmentées, ce qui diminue le rendement des capteurs. Ce système est généralement utilisé pour les installations de type directe ou encore pour les installations dites « à vidange ».

Les installations dites « mix flow » : dans ce cas, le débit est variable et ajusté en continu par la régulation afin de garantir à tout moment un delta de température fixé. Ce système est de plus en plus utilisé et permet d’éviter des enclenchements-arrêts fréquents de la pompe.

Sous pression ou à vidange ?

Les systèmes traditionnels à boucle fermée et à circulation forcée sont généralement « sous pression ». Dans ce type de système, le fluide caloporteur est constamment maintenu à une pression de 1 bar à l’arrêt et de 6 bars en fonctionnement.

Il existe aussi des systèmes « vidangeables ». La différence principale avec les systèmes traditionnels est que lorsque le système ne peut capter d’énergie, les capteurs et les tuyauteries sont vidés et la pompe arrêtée. Le fluide caloporteur est alors recueilli dans un réceptacle fermé. S’ils sont bien conçus, ces systèmes présentent une grande sécurité en cas de gel ou en cas de surchauffe estivale (cela permet d’éviter les montées en températures trop importantes dans le capteur). Ces systèmes permettent ainsi d’éviter une usure accélérée des composants et présentent une grande simplicité de construction puisqu’ils ne nécessitent ni manomètre, ni vase d’expansion, ni purgeur, ni clapet anti-retour (vu que l’installation est vidangée, il n’y a pas de risque de circulation inverse par thermosiphon).

Sous pression.

A vidange.

Les types de capteurs

Il existe deux grandes familles de capteurs : les capteurs plans et les capteurs à tubes « sous vide ».

Capteurs plans

Les capteurs plans opaques

Ce sont les capteurs les plus simples du marché. Ils sont constitués d’un ensemble de tuyaux opaques de couleur foncée qui jouent à la fois le rôle de:

plaque absorbante qui permet la captation de l’énergie thermique du rayonnement solaire.
tuyauterie dans laquelle circule directement le fluide caloporteur (généralement l’eau).

Ils ne possèdent ni isolation ni couvercle transparent. Leur rendement est donc globalement moins bon sauf s’ils sont destinés à des applications estivales à basse température (proche de la température extérieure), par exemple pour les piscines extérieures … Leur simplicité va de pair avec un coût très réduit.

Les capteurs plans vitrés

Il s’agit des capteurs que l’on rencontre le plus souvent ; ils conviennent pour la plupart des applications courantes (ECS, appoint chauffage, piscine…).

Un capteur plan vitré se compose des éléments fondamentaux suivants :

Un boîtier qui contient tous les éléments constitutifs fragiles du capteur comme les tubes, la plaque absorbante…
un joint d’étanchéité pour empêcher l’eau de pénétrer quand il pleut ;
un couvercle transparent qui crée un effet de serre au-dessus de la plaque absorbante : en général un verre trempé dit solaire, présentant une faible teneur en fer pour permettre un haut degré de transmission lumineuse ;
une isolation thermique qui réduit la déperdition de chaleur par la face arrière et les côtés du capteur ;
une plaque absorbante qui permet la conversion du rayonnement solaire en énergie thermique transportée par le fluide ;
les tubes traversés par le fluide caloporteur qui évacue la chaleur jusqu‘à l‘extérieur du capteur ;

Selon les modèles, différents types de réseaux hydrauliques internes aux capteurs existent :

Capteurs à tube sous vide

L’isolation de ce type de capteurs est assurée par le vide. Par facilité de conception, ces capteurs ont toujours une forme cylindrique, d’une longueur d’environ 2 m et d’un diamètre approximatif de 10 cm. Ces capteurs sous vide ont en général un rendement optique (correspondant au rendement de production d’eau chaude à une température égale à celle de l’ambiance) plus faible mais de meilleurs coefficients d’isolation thermique que les capteurs plans.

Ils récupéreront dès lors moins d’énergie à basse température que leurs homologues plans. Plus efficaces pour la production d’eau chaude à température élevée par rapport à l’ambiance extérieure, ils seront principalement utilisés pour des applications comme le chauffage, la climatisation par ab/adsorption ou encore certains process particuliers,…

Il en existe deux grandes familles selon que l’absorbeur se trouve directement sur le verre ou sur une ailette en cuivre.

Les tubes sous vide avec absorbeurs sur ailette en cuivre

L’absorbeur de ce type de capteur est déposé sur une structure en cuivre placée dans le tube. Ce type d’absorbeur sur cuivre possède une meilleure sélectivité que celui déposé sur le verre (et donc procure un rendement optique plus élevé au capteur). L’avantage principal est que l’absorbeur peut être orienté différemment par rapport à son support. Cela peut être avantageux pour des applications en façade par exemple.

C’est l’intérieur du tube (et tout ce qu’il contient) qui est soumis au vide d’air. Bien que le principe soit simple, la fabrication de ces capteurs reste délicate à cause des liaisons verre/métal nécessaires.

Composition des tubes sous vide avec ailette absorbante

Schéma composition des tubes sous vide avec ailette absorbante

Un tube en verre dans lequel on effectue le vide d’air (assurant une isolation optimale) dans lequel se trouvent tous les composants suivants.
L’absorbeur posé sur un support en cuivre.
Les tubes qui évacuent la chaleur, généralement aussi en cuivre. Ces tuyaux peuvent être disposés de divers manières (soit juxtaposés, soit concentriques).
Le système de raccordement permet la rotation des tubes afin d’orienter au mieux l’ailette absorbante.

Il existe aussi plusieurs types de capteurs selon le fluide caloporteur et son mode de circulation:

> Les capteurs à circulation directe

> Les capteurs à caloduc (ou heat pipe)

Dans le cas de capteurs à circulation directe, l’ailette sert de support à un tube en U dans lequel circule le fluide caloporteur.

Le caloduc, lui, est un échangeur qui utilise les mécanismes de changement d’état liquide-gaz d’un fluide placé dans un tube fermé. Le principe est simple : en captant la chaleur absorbée par l’ailette, le fluide s’évapore. Il s’élève alors jusqu’en partie haute et cède sa chaleur en se condensant par contact avec le fluide caloporteur de l’installation qui circule en partie haute. De nouveau à l’état liquide, il retourne alors par gravité en bas du tube.

Pour un fonctionnement correct, ces tubes doivent être installés avec une inclinaison minimale. Ce système permet un remplacement des tubes sans purgeage complet de l’installation.

Les tubes sous vide avec absorbeurs sur support en verre (tube Sydney)

Dans ce cas, le vide est fait entre les deux couches de verre (principe du thermo) qui composent le tube en verre. L’intérieur de la bouteille est donc soumis à la pression atmosphérique. À l’intérieur, l’absorbeur et les tuyauteries évacuent la chaleur du creux atmosphérique central.

Composition des tubes sous vide avec absorbeur sur support en verre

Schéma composition des tubes sous vide avec absorbeur sur support en verre.

Une bouteille de verre à double paroi est employée. Les deux parois sont reliées de manière étanche au niveau du goulot de manière à emprisonner le vide (partie grise dans le schéma).
Sa surface externe (2) est laissée transparente.
Un absorbeur est posé sur la face intérieure de la bouteille.
Des tubes qui évacuent la chaleur sont placés dans le creux atmosphérique central.
Des tuyaux sont reliés à l’absorbeur par des profilés semi-circulaires métalliques de transfert de chaleur.
Éventuellement et préférablement, des réflecteurs augmentent le rayonnement solaire sur le capteur (on parle alors de tubes CPC pour Compound Parabolic Concentrator).

Le rendement et l’utilisation des capteurs

Les capteurs vont se différencier entre eux par la qualité de l’absorbeur (sa sélectivité) et du verre solaire (rendement optique), ainsi que par celle de l’isolation du capteur. L’ensemble de ces trois propriétés conféreront au capteur des plages de températures privilégiées et par là, les usages pour lesquels il sera mieux adapté.

Ces différences de rendement selon les plages de température de fonctionnement seront à la base du choix du type de capteurs que l’on utilisera. On choisira donc préférablement le capteur qui offre le meilleur rendement pour le régime de température de travail correspondant à l’application voulue.

Les plages de régimes de travail à basse température (correspondant à des delta de températures de travail des capteurs entre 0 et 20 °C) sont essentiellement rencontrées pour le chauffage de piscine. Les déperditions thermiques n’ont pour ces températures que peu d’influence. C’est donc, dans ce cas, le rendement optique du capteur qui sera déterminant. Les capteurs plans (vitrés ou non) seront le choix idéal puisqu’ils offrent des rendements optiques plus élevés pour un prix nettement inférieur.

Pour les régimes à température moyenne (delta de T° de 20° à 100 °C), recherchés pour des applications comme la production d’eau chaude sanitaire ou le chauffage à basse (delta de 60 °C) et moyenne température (delta de 100 °C), les déperditions commencent à prendre le pas sur le rendement optique. Dans ce cas, les capteurs devront posséder outre un bon absorbeur sélectif, une bonne isolation thermique. Pour ces plages, les capteurs à tubes sous vide et les capteurs plans vitrés sont concurrentiels.

Pour les régimes à haute température (nécessaires pour des applications comme des process industriels, chauffage à très haute température, climatisation solaire), c’est l’efficacité de l’isolation qui sera déterminante. Le seul choix réaliste dans ce cas est celui des tubes sous vide.

Le raccordement des capteurs

Un champ de capteurs doit être composé de capteurs aux propriétés physiques semblables. Plusieurs raisons à cela :

Eviter les sources d’usure prématurée : des métaux différents peuvent provoquer des couples galvaniques, sources de corrosion interne des capteurs.

Eviter un problème d’équilibrage hydraulique, problème fréquent de fonctionnement des capteurs : chaque capteur doit posséder des pertes de charge similaires.

Le placement des capteurs doit permettre :

que la planéité des capteurs soit respectée ;
de placer vers le bas les orifices d’évacuation des condensats ;
de résister aux conditions climatiques locales (vent et neige).

Pour le raccordement des panneaux entre eux, différentes configurations sont possibles :

en série (a) ;
en parallèle respectant de préférence le principe de Tichelmann (b) ;
en rangée de capteurs en série (c) ;
en rangée de capteurs en parallèle (respectant le principe de Tichelmann) (d).
etc.

Le choix sera fonction de différents éléments :

La facilité de réglage (équilibrage) ;
la longueur nécessaire de tuyauterie (coût et pertes thermiques associés) ;
la configuration de l’espace disponible ;
le compromis entre l’efficacité des capteurs et la température de sortie.

Le raccordement en série permet une montée en température plus importante au prix de pertes thermiques plus importantes (d’autant plus si l’on travaille avec un faible débit (low flow). De fait, la montée progressive en température au fil des panneaux en série est accompagnée par une diminution du rendement. Un trop grand nombre de capteurs raccordés en série sera donc à éviter. En pratique, 5 à 6 capteurs de taille standard (environ 2 m²) est un maximum.

Énergétiquement parlant, le raccordement en parallèle est donc plus intéressant mais n’est pas toujours réaliste vu les longueurs de tuyauterie nécessaires.

L’équilibrage hydraulique des différents capteurs est un point crucial. Dans la réalité, il est souvent réalisé empiriquement par un jeu de vannes qui ne permet évidemment pas de corriger les erreurs de conception. Il est donc primordial de prendre en compte les pertes de charges liées aux capteurs pour le dimensionnement des tuyauteries. En pratique, le raccordement en boucle de Tichelmann (longueur de tuyauterie identique quelque soit le capteur ou groupe de capteurs) est souvent préconisé pour les grandes installations. Il permet un équilibrage naturel en imposant des pertes de charges identiques pour chaque capteur/groupe de capteurs.

Selon un rapport du CTSB, on recommande généralement un rapport :

Perte de charge dans les collecteurs / Perte de charge dans les capteurs, le plus faible possible,
et donc un rapport Diamètre interne des collecteurs / Diamètre interne des circuits hydrauliques des capteurs, le plus faible possible également (rapport compris entre 1,6 et 3,3).

Le circuit primaire ou circuit solaire

Le circuit primaire (ou circuit de charge solaire) est un circuit fermé composé de tuyauteries, généralement en cuivre, qui relient les capteurs (A) à un échangeur de chaleur (B). Il transporte le fluide caloporteur. Celui-ci peut atteindre des températures allant de -20 °C en cas de gel à des températures très élevées (jusqu’à 200 °C dans les capteurs !). Il est donc impératif que les composants de ce circuit puissent résister à ces changements importants de température !

Exemple de schéma possible pour un circuit primaire (partie en couleur).

Le circuit primaire est généralement muni des composants suivants :

Une pompe de circulation (1) assurant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit.

Un purgeur (2) manuel permettant d’éliminer l’air en partie haute du circuit lors du remplissage et des entretiens.

Un clapet anti-retour (3) pour éviter la formation d’un contre-courant de thermocirculation qui déchargerait le ballon de stockage de sa chaleur.

Plusieurs vannes d’isolement (4) pour isoler les composants principaux du système en cas d’entretien ou de remplacement.

Un robinet (5) permettant le remplissage et la vidange du circuit en fluide caloporteur.

Un débitmètre gravimétrique, appareil indiquant le débit du fluide du circuit. Situé sous le circulateur, il permet de régler la vitesse minimale de celui-ci pour assurer un débit minimum dans les capteurs.

Parfois un système de comptage d’énergie produite est placé. Celui-ci comprend : un débitmètre volumétrique, deux thermomètres sur l’aller et le retour des capteurs et un calculateur intégrateur.

Comme pour toute autre boucle hydraulique où un générateur de chaleur est installé, un dispositif de limitation de pression devra aussi être utilisé. Pour cela, le circuit primaire comporte :

Une soupape de sécurité (6) munie d’un manomètre destinée à évacuer les surpressions en cas de surchauffe de l’installation. Cette vanne est raccordée à un réservoir de collecte du fluide caloporteur avec antigel pour éviter tout rejet toxique dans le réseau d’égout.

Un vase d’expansion (7), placé du côté aspiration de la pompe de circulation, chargé d’absorber les différences de volume et de récolter la totalité du fluide caloporteur expulsé des capteurs en cas de surchauffe. Par rapport aux vases d’expansion traditionnels utilisés pour le chauffage, les vases d’expansion solaires doivent supporter des pressions de service maximales plus élevées (de 8 à 10 bar) et possèdent une membrane plus résistante aux hautes températures. Il est parfois judicieux, vu les hautes températures atteintes, de placer un vase tampon en amont afin de ne pas compromettre la longévité du vase d’expansion. Dans le cas d’un système à vidange, on peut omettre le vase d’expansion car le circuit primaire n’est pas mis sous pression, mais il faut prévoir la place pour installer le réservoir à vidange entre le champ de capteurs et le ballon de stockage solaire.

Le fluide caloporteur

Le circuit primaire relatif à l’installation sous pression est totalement rempli d’un fluide caloporteur résistant au gel. On utilise généralement du propylène glycol. Il existe aussi des mélanges complets qui contiennent un agent inhibiteur de corrosion, un agent anti-mousse, un agent anti-algue et un colorant.

Théoriquement, on pourrait également travailler avec de l’eau pure non glycolée dans le cas d’un système à vidange. Actuellement, pour des raisons de sécurité on utilise, même dans ce cas, de plus en plus d’antigel.

Caractéristiques essentielles d’un fluide solaire

Stable jusqu’à la température de stagnation maximale ;
Protégé contre le gel ;
Non corrosif ;
Capacité thermique élevée ;
Viscosité réduite ;
Prix réduit et disponibilité.

En pratique, on utilise généralement un mélange d’eau et de glycol comme par exemple :

Éthylène glycol (C2H6O2)
Capacité thermique : 2 410 J.kg-1.K-1
Température de fusion : – 13 °C
Température d’ébullition : 198 °C

Polypropylène glycol (C3H8O2)
Capacité thermique: 2 500 J.kg-1.K-1
Température de fusion : – 59 °C
Température d’ébullition : 188 °C

Les conduites

Les matériaux utilisés pour les conduites du circuit solaire doivent résister aux contraintes mécaniques possibles dans le circuit (pression et plage de température en fonctionnement (de – 20 à 150 °C)) et être compatibles avec le fluide et les autres matériaux de l’installation. On utilise principalement des tubes en cuivre, en acier simple ou en acier inoxydable. Les tuyauteries en matière synthétique sont plus que déconseillées, car elles ne sont généralement pas tout-à-fait étanches (surtout à haute température) à l’oxygène qui pénètre alors par diffusion dans le circuit. Le risque de corrosion en est alors augmenté. L’acier galvanisé est lui strictement interdit, car il réagit avec le glycol présent dans le circuit primaire.

Vu les hautes températures auxquelles ces conduites sont soumises, leur isolation ne peut en aucun cas être réalisée au moyen d’un quelconque isolant utilisé pour les applications sanitaires habituelles. Ne résistant qu’à des températures de l’ordre de 110 – 120 °C, le polyuréthane est à proscrire. On utilisera généralement un caoutchouc synthétique en mousse capable de résister à des températures de l’ordre de 150 °C.

L’isolant utilisé pour la boucle solaire doit de plus :

résister aux U.V. (ou en être protégé) ;
résister à l’humidité ;
résister aux attaques des rongeurs et oiseaux ;
être étanche (au vent et à la pluie).
Et bien sûr, avoir une épaisseur suffisante ! (au minimum égale au diamètre du tuyau).

Sous ces hautes températures, la dilatation des conduites est aussi un phénomène à prendre en compte, car elle peut induire pour les grandes installations des mouvements importants.
Pour se faire une idée, la dilatation thermique du cuivre est de 1.7 mm/m sous un échauffement de 100 °C. On comprend vite le risque associé à plusieurs dizaines de mètres de tuyauteries !

Montage permettant d’absorber la dilatation thermique des tuyauteries.

Le stockage de l’eau solaire

Le stockage est un élément clé de toute installation solaire thermique. Il permet de pallier au caractère discontinu de l’énergie solaire et à la non-simultanéité de la production et des besoins. En pratique, l’énergie solaire thermique est stockée via l’eau contenue dans un ou plusieurs ballon(s) d’eau accumulateur(s) raccordé(s) en série.

Un matériau résistant

Comme pour tout ballon accumulateur d’eau chaude sanitaire, le principal critère de sélection de matériau du ballon est sa résistance à la corrosion. On utilise généralement des réservoirs en acier inoxydable, ou en acier émaillé voire en cuivre avec anode de protection. Les ballons en acier galvanisé sont déconseillés du fait de leur mauvaise résistance à la corrosion.
Pour les réservoirs à eau morte, n’étant pas sous-pression, on peut envisager des réservoirs en matière synthétique, plus durable puisque non soumis à la corrosion.

Le ballon de stockage à eau solaire doit non seulement répondre à toutes les exigences d’un réservoir d’eau sanitaire classique, mais doit en plus pouvoir résister aux hautes températures auxquelles il pourrait être soumis. La température dans le ballon peut en effet monter jusqu’à 95 °C, d’où la nécessité de prévoir un mitigeur thermostatique sur la boucle de distribution.

Une forme adaptée

Par ailleurs, les ballons solaires sont en général étudiés de manière à favoriser une bonne stratification interne des températures. La stratification est basée sur une variation de masse volumique en fonction de la température : L’eau réchauffée s’élève par thermocirculation et par sa masse volumique moindre s’accumule dans le haut du ballon (phénomène de la poussée d’Archimède). L’eau froide, plus lourde, reste en bas. A chaque puisage, l’eau la plus chaude du ballon est extraite et de l’eau froide du réseau est injectée dans le bas du ballon. La stratification est donc globalement préservée, l’important étant d’éviter tout brassage.

Pour favoriser ce phénomène, le réservoir est donc préférablement vertical et sa hauteur équivaut généralement à 2-2.5 fois le diamètre. Il existe aussi des dispositifs de charge améliorant la stratification : amenée de l’eau chaude à différentes hauteurs suivant sa température.

Une isolation primordiale

Encore plus que pour un ballon accumulateur classique, outre sa bonne compacité, un ballon solaire doit impérativement être isolé dans son entièreté (10 cm grand minimum) : attention aux parties supérieures et inférieures ainsi qu’aux différents raccords ! La parfaite isolation et une bonne stratification augmenteront indéniablement les performances du système.

Une dimension adaptée

Le volume du stockage dépend du projet envisagé, mais doit être étudié de manière précise. L’enjeu est double :
D’une part, il ne doit pas être trop petit pour ne pas limiter les gains solaires possibles et d’autre part, il ne doit pas être trop grand pour permettre une montée en température suffisante pour que l’eau soit utilisable (idéalement pour pouvoir se passer de l’appoint en été).

Le ballon solaire doit généralement pouvoir stocker l’équivalent de 30 à 40 % d’une journée de consommation d’eau chaude (à 60°) de l’établissement. La capacité fréquente des plus grands ballons est de 5 000 l, mais le recours à plusieurs ballons de stockage est en général déterminé par la place prise par les échangeurs internes de grande puissance. La question de la liaison des multiples ballons est alors posée. Dans bien des cas, on s’orientera alors vers un ballon solaire à eau morte (eau ne servant pas d’eau chaude sanitaire) permettant d’emmagasiner l’énergie solaire sans se préoccuper de la gestion de la légionellose.

N.B. : Le stockage, c’est LE défi de la recherche ! Le jour où l’on arrivera à stocker l’énergie solaire pour de plus longues périodes voire saisons, ce sera sans doute une porte d’entrée vers l’autonomie énergétique. Les recherches actuelles se portent vers des matériaux à changement de phase qui remplaceraient l’eau traditionnelle.

La charge du ballon de stockage

La charge du ballon de stockage s’effectue au moyen d’un échangeur au travers duquel la chaleur du fluide solaire est transférée à l’eau du stockage.
Comme pour toute installation, deux types d’échangeurs peuvent être employés : les échangeurs intégrés au stockage et les échangeurs extérieurs (à plaques) :

Echangeurs intégrés au stockage.	Echangeurs extérieurs au stockage.

À partir de là, différents systèmes de charge sont envisageables : avec échangeur interne (a,b,c,f) ou externe (d,e). Certains systèmes permettent un renforcement de la stratification des températures à l’intérieur du/des ballon(s) par différents dispositifs :

cheminée interne enrobant l’échangeur solaire et diffusion en fonction des températures (b),
chargement à hauteur différenciée par vanne trois voies (e),
chargement à hauteur différenciée par échangeurs multiples (c).

Typiquement, pour les grands systèmes solaires (au-delà de 30 m² de capteurs) des échangeurs de chaleur externes sont souvent utilisés vu les puissances considérables qui entrent en jeu.

La disposition des échangeurs et leur raccordement se fera toujours de manière à :

Favoriser la stratification correcte des températures à l’intérieur des ballons et le long du circuit de charge : les températures les plus hautes doivent être les plus proches de l’appoint.

Assurer un rendement optimal des capteurs :
Les pertes thermiques des capteurs dépendant de la différence de température entre le fluide à l’intérieur des capteurs et la température extérieure, on aura tout intérêt à travailler avec un fluide caloporteur à la température la plus basse possible.

Permettre à l’échangeur de chauffer un volume d’eau suffisamment grand.

En conséquence, l’échangeur de chaleur solaire intégré au stockage des petits systèmes, sera placé en partie basse du ballon et le retour vers les capteurs sera situé le plus bas possible dans le ballon.

L’échangeur de chaleur relié à l’appoint se trouvera quant à lui dans la partie supérieure du ballon de stockage ou dans un ballon séparé (en série avec le premier) lorsque la quantité d’eau chaude nécessaire sera plus importante.

La régulation

Démarrage et arrêt du circulateur

Pour les systèmes à circulation forcée, le système de régulation différentielle assure la mise en marche et l’arrêt adéquats de l’installation. Cette gestion de la chauffe solaire est primordiale pour tirer un maximum de profit de l’énergie solaire disponible. Le principe est basé sur la mesure continue de deux températures :

la température de l’eau chaude en partie basse du ballon de stockage (ou du fluide caloporteur à la sortie de l’échangeur solaire) : T°stockage.

la température du fluide caloporteur à la sortie des capteurs : T°capteur.

Dès que la différence de température est suffisante, la pompe est mise en marche. Elle s’arrête lorsque l’énergie solaire captée n’est plus suffisante ou n’est plus nécessaire.

En résumé :

Si T°capteur> T°stockage + ∆T1 : la pompe démarre.
Si par contre, T°capteur< T°stockage + ∆T2 : la pompe s’arrête.

Il est nécessaire de calibrer précisément ces ∆ de température afin d’optimiser l’énergie solaire récoltée (on évitera les préréglages d’usines !). Le paramétrage doit tenir compte de la configuration de l’installation et principalement de la longueur des conduites et des pertes thermiques liées. On aura évidemment tout intérêt à minimiser ces pertes en plaçant le stockage aussi proche que possible des capteurs, en isolant les conduites et en travaillant à basse température. En pratique, cette perte en ligne peut être estimée en comparant la température au niveau du capteur et la température à l’entrée du ballon en fonctionnement.

Pour éviter des arrêts et des mises en marche successifs (Phénomène de Stop and Go), la température de démarrage devra en outre prendre en compte le refroidissement du capteur lors de l’enclenchement. En effet, l’ensemble du liquide de la boucle solaire plus froid que celui des capteurs provoquera au démarrage une diminution de température du capteur.

Pour le choix de la consigne d’arrêt, on devrait, en plus des pertes thermiques, prendre en compte l’énergie minimum à récolter de sorte à ce que celle-ci soit toujours supérieure à l’énergie primaire nécessaire au fonctionnement de la pompe (consommation électrique multipliée par le facteur de conversion 2,5).

En pratique, on rencontre des ∆T :

Pour les valeurs de démarrage de : 5 à 7 K.
Pour les valeurs d’arrêt de : 3 à 4 K.

Température maximale de charge

Tout ballon de stockage possède une température de charge maximale. Le système de régulation doit prendre en compte correctement cette valeur afin de couper le circulateur pour que cette température critique ne soit pas atteinte. Une valeur d’usine est souvent donnée par défaut pour le système de régulation, mais il serait dommage de se priver de l’énergie solaire gratuite si le ballon de stockage accepte des températures plus élevées (jusqu’à 95 °C). Si la régulation ne possède qu’une sonde de température dans le bas du ballon il faut absolument tenir compte de l’effet de stratification. C’est pour cette raison que les régulations possèdent souvent un préréglage d’usine assez bas (de l’ordre de 70 °C) pour que le haut du ballon n’atteigne pas des températures de plus de 95°C.

Température de sécurité

Lors d’une journée ensoleillée, lorsque l’ensemble du stockage est à température, le circulateur s’arrête mais la température des capteurs continue, elle, à grimper.
La régulation des systèmes à vidange tiendra évidemment compte de cette température de sécurité. À partir de celle-ci, le système s’arrête et le fluide est récupéré dans un réceptacle prévu à cet effet : l’installation se vidange par drainage gravitaire ! Cela permet d’éviter que le fluide n’entre en ébullition (et vieillisse prématurément) et ne détériore les composants de l’installation. C’est l’un des grands avantages de ce système !

Certaines régulations permettent aussi d’empêcher le redémarrage de la pompe au cas où la température du fluide caloporteur est trop élevée (+/- 120 °C), évitant ainsi l’endommagement des composants les plus sensibles.

L’apport de chaleur complémentaire

Les capteurs solaires ne peuvent à eux seuls satisfaire à tout moment l’entièreté des besoins. Pour assurer la production d’eau chaude, même en période prolongée de non ensoleillement, un système d’appoint est nécessaire. L’appoint devra pouvoir répondre aux besoins sans intervention solaire et sera, par conséquent, envisagé de manière classique. Différentes configurations sont possibles selon la présence ou non d’un échangeur de chaleur (intégré ou non au stockage) :

On distingue principalement quatre cas de figure :

– L’appoint électrique (c) : Dans ce cas, une résistance est directement intégrée au ballon de stockage.

– L’appoint intégré au stockage (a, d, e, f) : L’échangeur se trouvera le plus près possible de l’endroit où s’effectue le puisage dans le(s) ballon(s) et son raccordement respectera la stratification interne des températures (les plus élevées, les plus hautes). Dans un ballon de stockage unique qui rassemble aussi la production solaire, l’échangeur d’appoint se trouvera donc en haut du ballon.

– L’appoint séparé en série (b) : L’appoint (généralement instantané ou semi-instantané) se trouve dans ce cas à l’extérieur du ballon de stockage solaire. L’eau préchauffée par les capteurs solaires est alors directement portée à température (par une chaudière au gaz à condensation par exemple).

– L’appoint mixte : il est bien entendu possible de combiner différents types d’appoint. Par exemple, pour une petite installation, l’idée pourrait être d’éviter le fonctionnement d’une chaudière sol au mazout grâce au recours d’un appoint électrique (mais attention à la régulation de cette résistance !).

Notons que pour les plus grands systèmes, s’il est intégré au stockage, l’appoint peut se faire via des ballons différents…

Le circuit de décharge

La décharge du ballon de stockage solaire peut se faire de multiples manières.

Via un système direct (a) : l’eau de stockage est directement l’eau sanitaire.

Via un échangeur : interne simple (c), plongé dans une cuve de transition (d) ou externe (e) dans le cas où l’eau sanitaire est chauffée instantanément. Le ballon est alors dit à eau morte, car l’eau qu’il contient est une eau de transition et non l’eau sanitaire.

Via une cuve de transmission (b), principalement pour les petits systèmes combinés avec les systèmes de chauffage : préparation d’un volume réduit d’ECS dans un grand volume d’eau.

Par rapport à une installation classique d’ECS, le circuit d’eau sanitaire comportera en plus un mitigeur thermostatique et un disconnecteur.

Le mitigeur thermostatique permet d’éviter toute brûlure au point de puisage. En été, lorsque l’on bénéficie d’un rayonnement solaire important et que le puisage est réduit, il n’est pas impossible d’atteindre dans le ballon des températures de plus de 60° (maximum toléré pour de l’eau chaude sanitaire). Le mitigeur se chargera de mélanger l’eau du ballon avec de l’eau froide pour que cette température ne soit pas dépassée.

D’autre part, une fuite de liquide caloporteur du circuit primaire au niveau de l’échangeur de chaleur solaire est toujours possible. Pour protéger le réseau de distribution de toute contamination par le fluide solaire, on place un disconnecteur.
Cet équipement à zones de pression différentielle empêche le retour de l’eau sanitaire du ballon de stockage solaire vers le réseau de distribution.

Précisons aussi que vu la toxicité du fluide caloporteur, l’évacuation directe vers les égoûts est interdite. Le disconnecteur, ainsi que les soupapes et robinets de vidange doivent donc être raccordés à des réservoirs de collecte.

La gestion de la légionellose

Plus que pour toute installation de production d’eau chaude sanitaire, un regard particulier doit être posé sur la gestion de la légionellose. En effet, les températures atteintes dans un ballon de stockage solaire sont favorables à la prolifération de ces bactéries (de 30 à 40°).
La première solution est le placement d’une pompe de « dé-stratification » via laquelle on portera régulièrement l’ensemble des ballons à une température suffisante. Dans ce cas, un circulateur supplémentaire transfère l’eau à haute température du ballon d’appoint vers le(s) ballon(s) de stockage solaire. Une bonne régulation de cette mesure anti-légionellose, par une horloge, permettra de minimiser la consommation énergétique tout en évitant la contamination : par exemple, une montée en température journalière à 60° ou hebdomadaire à 80°.

Schéma de principe : désinfection thermique par pompe de déstratification.

Une autre solution, souvent à privilégier, est l’utilisation de cuves de transitions (appelés réservoirs à eau « morte ») constituant un circuit fermé indépendant de l’eau sanitaire. L’eau sanitaire est alors réchauffée instantanément via un échangeur interne ou externe au stockage. De cette manière, on évite tout risque de contamination en séparant physiquement les eaux de températures différentes. Ce système permet d’éviter les pertes thermiques liées à la montée soudaine en température, mais implique l’utilisation d’un échangeur supplémentaire.

Installation avec une cuve de transition.

Découvrez ces exemples d’eau chaude sanitaire alimentée par capteurs solaires : 2.150 m² de capteurs solaires thermiques à la résidence 3e âge « Aux Lilas » de Bonlez et des capteurs solaires au home La Charmille de Gembloux.

Posted By : olivier 22 Sep, 2010

Ensoleillement

Le rayonnement solaire

En tant que source d’énergie, l’ensoleillement est un facteur climatique dont on a intérêt à tirer parti (de manière passive, via les ouvertures vitrées, et/ou de manière active pour produire de l’énergie) mais dont on doit aussi parfois se protéger pour éviter les surchauffes en été.

La maîtrise de l’énergie solaire nécessite donc de connaître la position correcte du soleil (hauteur et azimut) ainsi que l’intensité du rayonnement à tout moment.

Une énergie renouvelable, inépuisable à l’échelle humaine

Photo soleil.

Le soleil est un réacteur à fusion nucléaire qui fonctionne depuis 5 milliards d’années.
Par un processus de transformation d’hydrogène en hélium, il émet ainsi d’énormes quantités d’énergie dans l’espace (sa puissance est estimée à 63 500 kW/m²). Ces radiations s’échappent dans toutes les directions et voyagent à travers l’espace à la vitesse constante de 300 000 km à la seconde, dénommée vitesse de la lumière.
Après avoir parcouru une distance d’environ 150 millions de kilomètres, l’irradiation solaire arrive à l’extérieur de l’atmosphère de la Terre avec une puissance d’environ 1 367 W/m². C’est ce qu’on appelle la constante solaire. La Terre, une petite boule comparée au Soleil, intercepte une si faible partie de l’énergie radiante du soleil que les rayons du soleil ainsi stoppés paraissent constituer un faisceau parallèle.

Énergie la plus abondante sur Terre, l’énergie solaire est à l’origine du cycle de l’eau, du vent et de la photosynthèse, elle-même à l’origine des énergies fossiles. C’est l’ensemble de la vie sur Terre qui dépend de cette source énergétique. Heureusement pour l’humanité, selon les astronomes, le soleil ne devrait pas s’éteindre avant 5 autres milliards d’années.

Une énergie de flux, diffuse et intermittente

Les théories actuelles présentent le rayonnement solaire comme une émission de particules. Ce flux de particules, appelées photons, atteint la terre avec différentes longueurs d’ondes à la quelle correspond une énergie spécifique décrite par la relation :

E [J] = hv = h . c/λ

Avec,

λ : longueur d’onde [m].
v : fréquence [Hz].
c : vitesse de la lumière [m/s].

La répartition énergétique des différentes longueurs d’ondes du rayonnement électromagnétique du Soleil est appelé spectre solaire.

Schéma spectre solaire.

Avec sa température d’émission de 5 500°C, le soleil rayonne la plus grande partie de son énergie dans les hautes fréquences (courtes longueurs d’onde).
La lumière visible représente 46 % de l’énergie totale émise par le soleil. 49 % du rayonnement énergétique émis par le soleil se situe au-delà du rouge visible, dans l’infrarouge. C’est ce rayonnement que nous ressentons comme une onde de chaleur. Le reste du rayonnement solaire, l’ultraviolet, représente l’ensemble des radiations de longueur d’onde inférieure à celle de l’extrémité violette du spectre visible.

Puissance émise par le soleil : 63 500 kW/m².
Constante solaire : 1 370 W/m².
Rayonnement réfléchi.
Rayonnement absorbé et diffusé.
Rayonnement solaire à la surface de la Terre (max : 1 000 W/m²).

Au moins 35 % du rayonnement solaire intercepté par la Terre et son atmosphère sont réfléchis vers l’espace. Une partie du rayonnement qui atteint la Terre a été diffusée dans toutes les directions au cours de la traversée de l’atmosphère, en rencontrant des molécules d’air, des aérosols et des particules de poussière (c’est ce rayonnement diffus, appartenant notamment à la frange bleue du spectre visible qui est responsable de la couleur bleue du ciel clair). D’autre part, la vapeur d’eau, le gaz carbonique et l’ozone de l’atmosphère absorbent 10 à 15 % du rayonnement solaire. Le reste du rayonnement atteint directement la surface.

Outre la composition de l’atmosphère, le facteur le plus important pour évaluer la quantité du rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre est l’épaisseur d’atmosphère que le rayonnement doit traverser.

Schéma rayonnement solaire.

Au milieu du jour, le Soleil est au-dessus de nos têtes, et ses rayons ont à traverser une épaisseur d’air moindre avant d’arriver sur Terre. Mais au début et à la fin de la journée, le Soleil est bas sur l’horizon ; la traversée de l’atmosphère se fait alors plus longue. L’atmosphère absorbe et diffuse d’autant plus de particules de lumière qu’elle est plus épaisse et plus dense. Ainsi, au coucher du Soleil, les rayons sont suffisamment affaiblis pour permettre à l’œil humain de fixer le Soleil sans trop d’éblouissement. Par contre, lorsque l’altitude augmente, la couche d’atmosphère à traverser est plus réduite : dans les sites de montagnes, l’intensité du rayonnement augmente sensiblement.

L’épaisseur d’atmosphère traversée influence donc le spectre lumineux reçu. Les normes internationales définissent différents types de spectre : AM1 (pour air mass 1, lorsque le rayonnement a traversé une épaisseur d’atmosphère), AM0 (spectre à la surface externe de l’atmosphère), AM1.5 (spectre utilisé pour les tests standardisés des panneaux solaires correspondant à la traversée d’une atmosphère et demie).

Le rayonnement solaire reçu sur une surface varie donc au cours du temps en fonction de la position du Soleil et de la couverture nuageuse. La puissance solaire maximale à la surface de la Terre est d’environ 1 000 W/m² pour une surface perpendiculaire aux rayons.

Puissance solaire pour différents ciels.

Le mouvement Terre-Soleil

La course de la Terre autour du Soleil décrit une ellipse légèrement aplatie. Dans cette ronde annuelle autour du Soleil, la Terre effectue un tour complet sur elle-même en 24 heures autour de l’axe des pôles. Cet axe nord – sud fait un angle de 23°27′ avec la direction perpendiculaire au plan de l’orbite terrestre autour du Soleil.

Cette inclinaison est constante tout au long de la course autour du Soleil et est responsable des variations saisonnières Ainsi pendant nos mois d’hiver, en hémisphère nord la durée d’insolation est relativement courte et le Soleil n e monter pas très haut dans le ciel, tandis que l’été règne sur l’hémisphère sud. Pendant nos mois d’été, la situation est inversée, l’hémisphère nord est tourné vers le Soleil. Les jours sont alors plus longs que les nuits dans l’hémisphère nord et le rayonnement incident se rapproche de la verticale.

Aux équinoxes de printemps et d’automne (21 mars, 21 septembre), à midi, le rayonnement est perpendiculaire à l’équateur (latitude 0°) et partout sur le globe, les jours et les nuits sont de durée égale. C’est à ce moment que la hauteur du Soleil à midi est la plus facile à calculer. En effet, sa hauteur est égale à l’angle complémentaire de la latitude.

H = 90° – L

Au solstice d’été (21 juin), la terre est inclinée vers les rayons solaires et, à midi, ceux-ci sont perpendiculaires au tropique du cancer (latitude 23°27′ N). Le Soleil ne se couche jamais dans les régions du globe situées à l’intérieur du cercle arctique (celui-ci se trouvant 23°27′ au-dessous du pôle Nord). Une personne vivant à la latitude de 66°33′ N (90°-23°27′) devrait veiller jusqu’à minuit pour voir le Soleil se promener aux alentours du nord, s’abaisser jusqu’à toucher l’horizon et commencer à s’élever de nouveau vers le secteur est du ciel. La hauteur du Soleil à midi (solaire) est de 23°27′ supérieure à celle de l’équinoxe.

H = 90° – L + 23°27

Au solstice d’hiver (22 décembre), l’angle d’inclinaison est inversé et c’est le tropique du capricorne (latitude 23°27′ S) qui bénéficie d’un rayonnement perpendiculaire. La hauteur du Soleil à midi est de 23°27′ inférieure à celle de l’équinoxe.

H = 90° – L – 23°27′

Le mouvement apparent du Soleil

Pour bien comprendre et utiliser l’influence du Soleil dans le choix et le traitement d’un site, il faut bien sûr connaître à tout instant la position du Soleil dans le ciel. Cette information est indispensable pour le calcul des apports solaires, pour le choix de l’exposition d’un immeuble, l’implantation de systèmes actifs solaires (thermique ou photovoltaïque), l’aménagement des parties extérieures voisines, l’éclairage naturel des pièces intérieures, l’emplacement des fenêtres, des protections solaires et de la végétation, etc.

À un instant donné, la hauteur et l’azimut du Soleil déterminent la position du Soleil dans le ciel. Ainsi est connue la direction du rayonnement solaire et peuvent être calculées les surfaces ensoleillées du bâtiment. Ces calculs tiendront compte des effets d’ombrage dus au relief, au cadre bâti, à la végétation ou au bâtiment lui-même.

En un lieu,

La hauteur « » du Soleil est l’angle que fait la direction du Soleil avec le plan horizontal. Elle se compte de 0° à 90° à partir de l’horizon vers la voûte céleste.

L’azimut « » du Soleil est l’angle créé entre le plan vertical passant à la fois par le Soleil et par le lieu considéré, et le plan vertical N-S. Cet angle vaut 0° au sud et est conventionnellement positif vers l’ouest et négatif vers l’est.

Pour plus de clarté, on représente généralement la course solaire par un diagramme en coordonnées rectangulaires.

Diagramme solaire cylindrique pour Uccle en temps universel.

Pour en savoir plus sur la construction d’un diagramme solaire : LIENS (dernier point).

En regardant plus précisément, la valeur de l’azimut à différents moments de l’année, on constate que l’expression « le Soleil se lève à l’est et se couche à l’ouest » n’est pas exacte. En effet, en décembre, il se lève au sud-est pour se coucher au sud-ouest, tandis qu’en juin, il se lève pratiquement au nord-est pour se coucher au nord-ouest. Ceci donne 7 heures d’ensoleillement maximum en décembre et plus de 16 heures en juin : ce sont les deux époques des solstices de l’année. Ce n’est qu’aux équinoxes de printemps et d’automne que la durée du jour est égale a celle de la nuit.

Quant à la hauteur du Soleil, elle atteint un maximum de 62° le 21 juin à 12 heure (heure universelle), alors que le 21 décembre a 12 huniv. Elle n’atteint que 16°.

Les graphes et tableaux qui suivent donnent la hauteur et l’azimut du Soleil à Uccle, en fonction du temps universel, pour les mois de mars, juin, septembre et décembre.

Temps universel	Soleil : hauteur degré	Soleil : azimut degré
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17	8,7 17,5 25,3 31,6 35,5 36,7 34,7 30,1 23,4 15,2 6,2	– 75,1 – 62,7 – 48,9 – 33,4 – 16,0 2,5 20,8 37,7 52,8 66,1 78,3

Temps universel	Soleil : hauteur degré	Soleil : azimut degré
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	3,1 11,4 20,4 29,9 39,3 48,3 56,0 61,2 62,3 58,7 51,8 43,2 33,9 24,4 15,2 6,5	– 124,0 – 112,9 – 102,1 – 90,9 – 78,7 – 64,1 – 45,5 – 20,7 8,6 35,8 56,9 72,9 85,9 97,4 108,3 119,2

Temps universel	Soleil : hauteur degré	Soleil : azimut degré
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17	6,0 15,4 24,3 32,1 38,3 41,9 42,3 39,6 34,0 26,6 17,9 8,6	– 87,9 – 76,0 – 63,2 – 48,7 – 31,9 – 12,9 7,4 26,9 44,3 59,4 72,6 84,7

Temps universel	Soleil : hauteur degré	Soleil : azimut degré
8 9 10 11 12 13 14 15	1,9 8,3 12,9 15,5 15,8 13,8 9,6 3,6	– 48,3 – 36,1 – 22,9 – 8,9 5,4 19,5 32,9 45,4

L’irradiation solaire incidente

L’angle que font les rayons du Soleil avec une surface détermine la densité énergétique que reçoit cette surface. Puisque le rayonnement solaire arrive sur la Terre sous forme d’un faisceau parallèle, une surface perpendiculaire à ces rayons intercepte la densité maximale d’énergie. Et si l’on incline la surface à partir de cette position perpendiculaire, son éclairement diminue.

Le meilleur moyen de représenter ce phénomène consiste peut-être à figurer les rayons parallèles du Soleil par une poignée de crayons tenus dans la main au-dessus d’une feuille de papier, pointes en bas. Les marques faites par les pointes représentent des grains d’énergie. Lorsque les crayons sont perpendiculaires à la feuille, les pointes sont serrées au maximum : la densité d’énergie par unité de surface est la plus grande. Lorsqu’on incline ensemble tous ces crayons parallèles, les pointes s’écartent et couvrent des surfaces de plus en plus allongées : la densité d’énergie diminue avec l’étalement des traces.

Schéma irradiation solaire incidente.

Cependant, une surface qui s’écarte de 25 % de cette position perpendiculaire au Soleil, intercepte encore plus de 90 % du rayonnement direct maximum. L’angle que font les rayons du Soleil avec la normale à la surface (angle d’incidence) déterminera le pourcentage de lumière directe interceptée par la surface. Le tableau ci-dessous donne les pourcentages de lumière interceptée par une surface pour différents angles d’incidence.

Tableau pourcentage du rayonnement intercepté par une paroi en fonction de l'angle d'incidence.

En réalité, le rayonnement total reçu sur une surface, appelé irradiation solaire incidente (ou encore éclairement énergétique global), est défini par la somme de trois composantes :

L’irradiation directe, provenant directement du Soleil. Cette composante s’annule si le Soleil est caché par des nuages ou par un obstacle.

L’irradiation diffuse, correspondant au rayonnement reçu de la voûte céleste, hors rayonnement direct. Cette énergie diffusée par l’atmosphère et dirigée vers la surface de la Terre, peut atteindre 50 % du rayonnement global reçu, lorsque le Soleil est bas sur l’horizon, et 100 % pour un ciel entièrement couvert.

L’irradiation réfléchie, correspondant au rayonnement réfléchi par l’environnement extérieur, en particulier le sol, dont le coefficient de réflexion est appelé « albedo ».

Schéma rayonnement direct, diffus et réfléchi.

En particulier, on définit aussi l’irradiation hémisphérique comme l’irradiation globale reçue sur une surface horizontale (la composante réfléchie par le sol est nulle dans ce cas).
L’éclairement énergétique global est mesuré par un solarimètre suivant l’inclinaison et l’orientation souhaitées. L’éclairement énergétique diffus seul est mesuré par un solarimètre à bande d’ombre : c’est le même instrument muni d’un ruban semi-circulaire qui, ajusté périodiquement, masque l’ensoleillement direct de l’appareil de mesure.

La quantité d’énergie reçue sera dépendante cette puissance, mais aussi de la durée de l’ensoleillement.

Irradiation solaire annuelle et ressources connues d’énergie par rapport à la consommation énergétique mondiale annuelle.

Et cette énergie reçue est énorme ! Même si toute l’énergie solaire reçue sur Terre n’est pas exploitable, on estime que la partie qui pourrait l’être représente trois fois plus que l’énergie consommée mondialement. Cette énergie qui semble inépuisable à l’échelle humaine est totalement respectueuse de l’environnement : son utilisation ne produit ni déchets ni émission polluante. Un véritable défi pour l’avenir !

Les obstacles à l’ensoleillement

Des masques solaires peuvent être occasionnés par le relief, la végétation existante, les bâtiments voisins, ou encore par des dispositifs architecturaux liés au bâtiment lui-même.

Les constructions constituent des écrans fixes pour leur voisinage. Leur rôle peut être positif si l’on recherche une protection contre le Soleil : c’est le cas des villes méditerranéennes traditionnelles, où l’étroitesse des ruelles et la hauteur des bâtiments réduisent considérablement le rayonnement direct et fournissent un ombrage bienvenu.

Par contre, ce rôle peut être négatif si les bâtiments voisins masquent le Soleil alors qu’on souhaite bénéficier d’apports solaires. En effet sous notre climat, durant les mois d’hiver, environ 90 % des apports solaires interviennent entre 9 h et 15 h solaire. Tous les masques de l’environnement (immeubles ou grands arbres, qui interceptent le Soleil pendant ces heures) gêneront grandement l’utilisation des gains solaires.

Dans le cas d’une conception solaire passive, il importera donc de mesurer l’impact de cet effet de masquage. Pour ce faire, on représentera sur un diagramme cylindrique ou stéréographique (figure ci-dessus) les courbes de la course solaire annuelle et la silhouette des bâtiments voisins. On repèrera ainsi facilement les périodes où l’ensoleillement est disponible et on pourra calculer les facteurs de réduction des gains solaires.

L’emploi de matériaux réfléchissants (vitrages) peut également influencer l’exposition effective d’un bâtiment. Ainsi, un édifice orienté nord et doté de larges vitrages clairs pour tirer parti de la lumière naturelle peut se retrouver dans une situation sud si on construit en face un bâtiment équipé de vitrages réfléchissants, précisément pour se protéger de l’ensoleillement. À l’évidence, les conditions de confort, dans le premier bâtiment, sont profondément modifiées par la construction du second.

L’ensoleillement en Belgique

Sous notre climat, le Soleil nous apporte annuellement environ 1 000 kWh/m² au sol, l’équivalent énergétique de 100 litres de mazout par m² !

La quantité d’énergie solaire reçue en un lieu est inégalement répartie au fil des saisons. Elle varie suivant le jour et l’heure considérés, et est influencée par les conditions météorologiques et le niveau de pollution de l’air. On considère en général que l’on reçoit 250 kWh du 15 octobre au 15 avril et 750 kWh du 15 avril au 15 octobre.

Suivant les conditions météorologiques, le rayonnement nous parviendra selon ses composantes diffuses et directes en proportion plus ou moins grande.

N.B. : Le rayonnement solaire global est ici considéré sur une surface horizontale (sur laquelle la composante réfléchie du rayonnement est nulle).

En pratique, les conditions météorologiques peuvent être qualifiées par l’insolation directe relative : c’est le rapport entre l’insolation effective (S) et l’insolation maximale théorique (So). Celle-ci détermine les types de ciel :

Un ciel est considéré comme serein lorsque l’insolation directe relative S/So est comprise entre 80 et 100 %,

un ciel est considéré comme moyen lorsque l’insolation directe relative S/So est comprise entre 20 et 80 %,

un ciel est considéré comme couvert lorsque l’insolation directe relative S/So est comprise entre 0 et 20 %.

Ciel	Mois de l’année
	J	F	M	A	M	J	J	A	S	O	N	D
Couvert	65	54	45	40	30	28	32	29	29	43	61	70
Moyen	23	33	39	44	47	53	52	55	47	37	28	20
Serein	12	13	16	16	13	19	16	16	24	20	11	10

Et le tableau suivant donne pour Uccle, les moyennes journalières mensuelles de l’insolation directe relative.

Mois	J	F	M	A	M	J	J	A	S	O	N	D
S/So (%)	23	28	34	39	46	40	41	45	43	35	24	17

Par exemple, une insolation directe relative de 34 % au mois de mars à Uccle indique qu’en moyenne seulement 34 % du temps est ensoleillé entre le lever et le coucher du Soleil.

Énergie moyenne journalière reçue sur une surface horizontale.

Annuellement, c’est environ de 60 % de l’énergie solaire qui nous arrive sous forme de rayonnement diffus, et 40 % sous forme de rayonnement direct.

	Global [kWh/m².an]	Direct [%]	Diffus [%]
Normale	980	40	60
2002	990	44	56
2003	1 151	52	48
2004	1 034	44	56
2005	1 056	47	53
2006	1 040	47	53
2007	998	45	55

Rayonnement annuel reçu sur une surface d’1m² au sol.
Source IRM.

> En Belgique, dû à la présence fréquente de nuages, plus de la moitié de l’énergie solaire nous provient de manière diffuse !

L’éclairement énergétique disponible

Les graphes suivants donnent l’éclairement énergétique solaire direct et global pour un ciel serein à Uccle, le 15 des mois de mars, juin, septembre et décembre.

Par exemple, les éclairements énergétiques solaires direct et global pour un ciel serein à Uccle sont,

le 15 mars à 10huniv.(11hoff) de 291 W/m² et 424 W/m² pour une surface horizontale,
le 15 juin à 13huniv.(15hoff) de 124 W/m² et 323 W/m² pour une surface verticale ouest,
le 15 septembre à 13huniv.(15hoff) de 467 W/m² et 687 W/m² pour une surface verticale sud.

Dans le cas où la surface réceptrice est verticale, l’éclairement énergétique sera maximal sur une surface sud en hiver, tandis qu’il sera maximal sur une surface est ou ouest en été. Ceci étant, la surface verticale n’est jamais la surface la plus favorable au captage de l’énergie solaire.

Afin de tenir compte des conditions météorologiques, les tableaux ci-après donnent l’éclairement énergétique solaire global pour un ciel moyen et un ciel couvert, à Uccle (Bruxelles), le 15 des mois de mars, juin, septembre et décembre, d’une surface horizontale et d’une surface verticale d’orientation sud, nord, est et ouest.

Par exemple, l’éclairement énergétique solaire global pour un ciel moyen et un ciel couvert à Uccle est,

le 15 mars à 9huniv. (10hoff) de 197 W/m² et 89 W/m² pour une surface horizontale,
le 15 juin à 9huniv. (11hoff) de 419 W/m² et 130 W/m² pour une surface verticale est.

Ciel moyen.

Ciel couvert.

Comparativement au ciel serein, la réduction de l’éclairement énergétique global sur une surface horizontale est de l’ordre de 30 % par ciel moyen et de 70 % par ciel couvert. Cette différence s’accentue lorsque la surface réceptrice tend à être perpendiculaire au rayonnement solaire.

Variation géographique de l’exposition énergétique

Le tableau ci-dessous donne pour les stations sélectionnées les expositions énergétiques moyennes mensuelles et annuelles en Wh/m².

Wh/m²	MIDDELKERKE	UCCLE	CHIEVRES	KLEINE-BROGEL	FLORENNES	SPA	SAINT-HUBERT
Janvier	23 324,1	19 934,9	18 946	21 429,49	20 193,282	21 701,74	22 207,33
Février	38 408,6	35 366,7	34 127,7	37 347,43	36 886,284	39 867,08	42 403,39
Mars	82 762,2	70 736,2	70 311,2	73 494,77	74 980,998	75 783,84	77 881,23
Avril	120 012	106 964	104 289	110 814,4	108 247,55	111 258,9	112 953,5
Mai	155 199	142 253	133 433	142 964,2	139 408,37	144 247,7	147 089,5
Juin	161 996	148 892	139 511	149 189,7	149 189,71	152 095,5	154 251,2
Juillet	156 251	140 136	131 869	141 958,6	144 339,32	144 247,7	148 684,1
Aout	133 588	120 135	113 045	122 898,7	120 976,34	127 024,1	124 579,4
Sept.	97 249,4	89 548,8	85 518	89 726,62	90 176,658	93 757,5	95 727,1
Octobre	60 666	54 359,9	54 087,7	57 785,18	58 599,132	61 316,02	59 199,18
Nov.	28 288,4	24 577	24 771,4	27 132,73	26 249,322	27 085,5	25 560,38
Déc.	18 576,5	15 690,1	15 940,2	18 120,89	16 820,79	17 654,19	18 279,24
ANNEE	1 076 322	968 591	925 849	992 862,8	986 067,77	1 016 040	1 028 816

La Belgique se caractérise par des variations géographiques relativement faibles, inférieures à ± 5 % pour l’ensemble du pays, à l’exception de la région côtière et du pays gaumais où des écarts annuels de 10 % par rapport à Uccle sont atteints et même dépassés (+ 18 % à Luxembourg).

Du tableau précédent, les écarts par rapport à Uccle s’établissent comme suit selon les saisons : en hiver (H); printemps (P); été (E); automne (A) et période de végétation (V) couvrant les mois de mai, juin et juillet.

	H	P	E	A	V	Année
Middelkerke	+ 13 %	+ 12 %	+ 10 %	+ 10 %	+ 9 %	+ 11 %
Chièvres	– 3 %	– 4 %	– 6 %	– 2 %	– 6 %	– 4 %
Kleine-Brogel	+ 9 %	+ 2 %	+ 1 %	+ 3 %	+ 1 %	+ 2 %
Florennes	+ 4 %	+ 1 %	+ 1 %	+ 4 %	0 %	+ 2 %
Spa	+ 12 %	+ 4 %	+ 3 %	+ 8 %	+ 2 %	+ 5 %
Saint-Hubert	+ 17 %	+ 6 %	+ 4 %	+ 7 %	+ 4 %	+ 6 %

L’Institut Royal Météorologique de Belgique a établi une distribution du rayonnement solaire basée sur la répartition de l’insolation effective selon les zones climatiques de la Belgique sachant que les variations de celle-ci par rapport à Uccle sont approximativement les suivantes :

Littoral	+ 10 %
Polders et Pays de Waes	de + 5 % à + 2 % selon l’éloignement de la zone côtière.
Campine et Flandre limoneuse	+ 2 %
Hesbaye	– 2 %
Pays de Herve	– 5 %
Gileppe – Warche	– 7 %
Plateau ardennais	+ 2 % à + 5 %
Pays gaumais	+ 5 %
Grand-Duché de Luxembourg	+ 10 %

La carte ci-dessous en a été déduite.

L’influence de l’orientation et de l’inclinaison

Il est bien entendu clair que la quantité d’énergie reçue sur une surface dépendra de son orientation et de son inclinaison.

Le graphe ci-dessous montre cette influence dans notre pays (l’azimut se lit sur la circonférence et la hauteur du Soleil sur les cercles intérieurs) :

Une surface inclinée à 38° au sud recevra un maximum d’énergie solaire. Une surface verticale à l’est ne recevra que 50 % de cette énergie maximale.

Construction d’un diagramme solaire

La voûte céleste est la partie visible du ciel dans toutes les directions au-dessus de l’horizon. Le quadrillage du diagramme solaire représente les angles horizontaux et verticaux des points de la voûte céleste. Tout se passe comme si l’observateur repérait l’azimut et la hauteur du Soleil sur un hémisphère transparent au-dessus de lui et comme si, ensuite, il étirait cette portion de sphère en cylindre vertical.

Lorsque l’on connaît l’azimut et la hauteur solaire, on n’a aucune peine à situer la position du Soleil dans le ciel.

En joignant les différentes localisations, du Soleil à divers moments de la journée, on obtient le tracé de la course du Soleil.

On peut ainsi tracer la course du Soleil pour n’importe quel jour de l’année. Les trajectoires représentées sur les diagrammes solaires correspondent au vingtième jour de chaque mois (certains diagrammes les donnent pour les 5, 15 et/ou 25ème jours de chaque mois). La journée solaire est la plus longue au solstice d’été, lorsque le Soleil atteint sa hauteur la plus élevée et balaie le secteur azimutal le plus large, de part et d’autre du sud. Au voisinage du solstice d’hiver, le Soleil est au contraire beaucoup plus bas dans le ciel : il reste visible moins longtemps et balaie le secteur azimutal le plus faible.

Pour terminer, si on relie entre eux les points qui correspondent aux mêmes heures sur les différentes courbes relatives à une même latitude (et à différents moments de l’énnée, on obtient pour chaque heure du jour une ligne particulière en pointillé.

D’une manière similaire, on pourra aisément représenter les masques solaires. Il suffira pour cela de repérer l’azimut et la hauteur de chacun des obstacles et de les reporter sur le diagramme.

Posted By : Sylvie 2 Sep, 2010

Niveau E : niveau de consommation en énergie primaire

Généralités

La méthode de calcul du niveau E est pour l’instant divisée en deux sous-méthodes : une méthode pour le résidentiel et une autre pour les bâtiments de bureaux et scolaires (d’autres méthodes devraient voir le jour).

Dans ces grandes lignes, le calcul du niveau E intègre, conformément aux impositions de la Directive européenne, les éléments suivants :

le site et l’implantation du bâtiment : (compacité, orientation,…) ;
les caractéristiques de l’enveloppe et les subdivisions internes (coefficient U et niveau global d’isolation K) ainsi que l’étanchéité à l’air du bâtiment ;
les équipements de chauffage, de refroidissement et pour le secteur résidentiel, les équipements d’approvisionnement en eau chaude sanitaire ;
la ventilation ;
le confort intérieur ;
pour le secteur non résidentiel, l’éclairage naturel et les installations d’éclairage ;
les systèmes solaires passifs et les protections solaires ;
…

D’autres éléments peuvent, le cas échéant, être pris en compte :

les systèmes solaires actifs et les autres systèmes faisant appel aux énergies renouvelables pour le chauffage et la production d’électricité ;
l’électricité et la chaleur produites par une installation de cogénération ;
les systèmes de chauffage et de refroidissement collectifs ou urbains ;
…

Le niveau E

Ce niveau de consommation d’énergie primaire est donné par le rapport entre la consommation caractéristique annuelle d’énergie primaire et une valeur de référence, le tout multiplié par 100 :

E = 100 . E_cons/ E_ref

où :

E : Niveau de consommation d’énergie primaire ;
E_cons : Consommation caractéristique annuelle d’énergie primaire [MJ] ;
E_ref: Valeur de référence pour la consommation caractéristique annuelle d’énergie primaire [MJ]

Consommation caractéristique annuelle d’énergie (E_cons)

Le non-résidentiel

E_cons= E_éclairage+ (E_chauffage + E_{refroidissement} + E_auxiliaires – E_{photovoltaïque} – E_{cogénération})

E_éclairage: Consommation annuelle d’énergie primaire pour l’éclairage [MJ]
E_chauffage: Consommation mensuelle d’énergie primaire pour le chauffage [MJ]
E_{refroidissement}: Consommation mensuelle d’énergie primaire équivalente pour le refroidissement [MJ]
E_auxiliaires: Consommation mensuelle d’énergie primaire des auxiliaires [MJ]
E_{photovoltaïque}: Production mensuelle d’énergie primaire des systèmes d’énergie solaire photovoltaïque [MJ]
E_{cogénération}: Production mensuelle d’énergie primaire résultant d’une installation de cogénération [MJ]

L’énergie primaire consommée est donc la somme sur les douze mois de l’année de la consommation des différents postes hormis l’éclairage qui est directement comptabilisé annuellement. Ces termes sont décrits de manière plus détaillée en annexe à ce chapitre.

Le résidentiel

L’annexe I de la réglementation, destinée au résidentiel, définit la consommation d’énergie primaire par :

E_cons = (E_chauffage + E_{eau chaude sanitaire} + E_{refroidissement} + E_auxiliaires – E_{photovoltaïque} – E_{cogénération})

La différence entre la méthode de calcul pour les immeubles de bureaux et écoles et celle pour le résidentiel réside donc dans la prise en compte de la consommation d’énergie pour l’éclairage E_éclairage et la non prise en compte de la consommation pour l’eau chaude sanitaire E_{eau chaude sanitaire}.

De plus, pour le résidentiel un critère sur le risque de surchauffe est aussi à respecter. Une probabilité d’avoir un refroidissement actif est calculée sur base d’un indicateur de surchauffe obtenu par le rapport entre les gains et les pertes de chaleur et dépendant de l’inertie thermique du bâtiment. Cet indicateur doit être inférieur à 17 500 Kh.

Consommation caractéristique annuelle d’énergie de référence (E_ref)

La valeur de référence pour la consommation caractéristique annuelle d’énergie primaire dépend de :

– pour le résidentiel de :

la surface totale de plancher ;
la compacité (rapport entre le volume et la surface totale de toutes les parois qui enveloppent le volume protégé).

– pour le non résidentiel (bureau et écoles) de :

la surface totale d’utilisation ;
la surface totale de toutes les parois qui enveloppent le volume protégé ;
du débit d’alimentation de conception pour la ventilation ;
d’une variable auxiliaire (représentant l’éclairement) ;
du nombre conventionnel d’heures d’utilisation par an.

En résumé : ce calcul revient à comparer les consommations énergétiques caractéristiques du bâtiment conçu avec les consommations caractéristiques d’un bâtiment de référence (E100). Ce bâtiment est considéré d’une géométrie similaire, d’un niveau global d’isolation K45 et équipé d’installations standards.

Méthode de calcul

La méthode de calcul pour la détermination du niveau de consommation en énergie primaire est :

normalisée (et donc indépendante de l’utilisateur) ;
définie pour un usage standardisé du bâtiment (les paramètres liés à l’occupation (taux d’occupations,…) ont été définis de manière conventionnelle) ;
basée sur un calcul statique mensuel ;
basée sur les notions du K et du BE et intègre les différentes installations et vecteurs énergétiques.

Voici, de manière schématique, la démarche de calcul :

Le calcul est établi par étapes :

-> Besoin net en énergie.
-> Consommation finale en énergie (prise en compte du rendement des installations: rendements de production, de distribution, d’émission et de stockage).
-> Consommation en énergie primaire (facteurs de conversion dépendant du vecteur énergétique).

Posted By : Sylvie 2 Sep, 2010

Concevoir le préchauffage par capteurs solaires

La non-simultanéité de la production et des besoins

Le problème essentiel du chauffage par capteurs thermiques est la non-simultanéité de la production solaire possible et la demande de chauffage du bâtiment. (À l’inverse, la climatisation solaire présente une adéquation relative entre les besoins et la disponibilité solaire. Mais le défi est de taille : faire du froid avec du chaud ! Cela se fait par l’intermédiaire d’une machine à ad/absorption).

Le graphe ci-dessus montre donc tout l’intérêt pour le chauffage de développer des technologies de stockage inter-saisonnier ! Si un jour les recherches aboutissaient en ce sens, il serait tout à fait possible de se chauffer gratuitement en hiver grâce à la récolte solaire estivale ! Mais avant cela, pensons d’abord à réduire nos besoins énergétiques !

À l’heure actuelle, le stockage d’énergie étant basé sur le réchauffement d’un ballon d’eau, on peu difficilement stocker l’énergie pour plusieurs semaines !
De plus, le système doit alors être dimensionné sur les besoins de mi-saisons voir plus tôt dans l’année. Les surfaces de capteurs nécessaires, considérables tout comme dans le cas d’installations solaires couvrant uniquement une grande partie des besoins d’ECS, seront donc superflues en été, diminuant le temps d’utilisation des capteurs et leur production surfacique.

Cela rend, dans les conditions actuelles de prix, les installations collectives avec appoint chauffage difficilement viables économiquement par rapport aux systèmes plus traditionnels.

Néanmoins, certains cas seront plus favorables aux économies de chauffage possibles par le placement de capteurs solaires. La condition principale est une demande de chauffage bien présente en mi-saison voire en été.

Cette condition est plus facilement rencontrée dans des bâtiments où la consigne reste importante en intersaisons (maisons de soins, maisons de repos,…) ou qui ne peuvent valoriser les gains solaires directs (via les fenêtres).

La première chose à faire sera donc d’identifier ses besoins de chauffage par rapport à la disponibilité solaire mensuelle.

D’un point de vue technique, les capteurs à tubes sous-vide de type heat pipe ainsi qu’un chauffage à basse température conviendront mieux à ce type d’applications.

Les cas de figure étant nombreux et tellement différents qu’une étude préalable au projet devrait confirmer la pertinence d’un tel système.

Posted By : Sylvie 2 Sep, 2010

Mesurer et contrôler la production solaire thermique

La comptabilité énergétique est essentielle au contrôle du bon fonctionnement de l’installation solaire et permettra rapidement d’identifier une dérive de l’installation due à un mauvais réglage ou une défaillance d’un composant. Elle nécessite cependant la pose d’un équipement spécifique et adéquat:

Les thermomètres à l’aller et au retour des capteurs

Très simples et peu coûteux, deux thermomètres placés sur l’aller et le retour entre les capteurs et le stockage permettent déjà de vérifier le fonctionnement correct de l’installation.

Un fonctionnement normal devrait montrer, lors du fonctionnement, des températures supérieures dans le circuit d’alimentation et des températures d’entrée et de sortie égales lorsque l’installation est à l’arrêt. Dans le cas contraire, un fonctionnement anormal souvent dû à un effet thermosiphon peut déjà être décelé.

Le débitmètre gravimétrique

Photo débitmètre gravimétrique.

Un débitmètre gravimétrique est un instrument de mesure du débit de fluide, souvent associé à une vanne de réglage du débit. Situé sous le circulateur, il permet de régler la vitesse de celui-ci pour assurer un débit minimum dans les capteurs. Il permet en plus un contrôle approximatif du débit de l’installation en fonctionnement.
À partir de ce débit et des températures, il est possible par calcul d’estimer très grossièrement la puissance instantanée du circuit.

Le débitmètre volumétrique

Pour la mesure de débit du circuit solaire on utilise généralement un compteur d’eau classique à impulsion bien plus précis. Celui-ci est muni d’un contact REED. À chaque tour, un aimant passant sur la couronne ferme le contact et l’impulsion est envoyée.

Photo débitmètre volumétrique.

Certaines marques ont développé de petits modèles de débitmètre volumétrique…

Le compteur d’énergie

Schéma principe compteur d’énergie

Un compteur intégrateur de chaleur appelé aussi calorimètre ou encore compteur d’énergie thermique est un dispositif comportant :

Un compteur volumétrique (placé généralement sur la conduite de retour (plus froide) vers les capteurs).
Deux sondes de température (au contact des conduites ou dans un doigt de gant). Leur placement est important pour une évaluation précise : idéalement à l’entrée et à la sortie de l’échangeur solaire.
Un calculateur à affichage numérique. Il propose généralement la comptabilité de l’énergie produite (en kWh), l’estimation de la puissance instantanée du système (en W), de la température aller/retour ainsi qu’un historique des données. Certains modèles proposent une gestion par réseau informatique Wifi, internet,..

Ce dispositif est le seul moyen précis pour calculer l’énergie réellement produite par l’installation. Idéalement, il devrait être réglable afin de prendre en compte les caractéristiques du fluide caloporteur utilisé.

Un calculateur est parfois intégré au système de régulation différentielle. Cependant, ce système reste très imprécis car il utilise les sondes de température propres aux besoins de la régulation (par exemple situées dans le ballon plutôt qu’à la sortie du fluide caloporteur).

N.B. : Les calculateurs spécifiques « chauffage » ne conviennent généralement pas pour les applications solaires, car, ils ne présentent pas la possibilité d’adapter la chaleur massique du fluide utilisé et ne supportent pas les hautes températures.

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Établir le cahier des charges « qualité »

Le cahier des charges d’une installation solaire peut se concevoir selon deux approches différentes. Sur base des résultats de l’étude de faisabilité, le bureau d’études choisi par le maître de l’ouvrage peut soit :

Définir un objectif de production de l’installation et des exigences de base auxquelles le système et certains composants doivent satisfaire. A charge pour le soumissionnaire de proposer un système qui produit annuellement le nombre de kWh solaires requis. Cette approche est utilisée dans l’optique d’une Garantie de Résultats Solaires.
Dimensionner lui-même l’installation optimale et décrire en détail le système et tous ses composants. Le soumissionnaire fera une offre de prix pour la fourniture des composants spécifiés et les travaux d’installation.

Dans les deux cas, les exigences de qualité seront stipulées dans le cahier des charges afin de garantir la durabilité et le fonctionnement optimal de l’installation. Ci-dessous, quelques points qui doivent faire l’objet d’une attention particulière lors de la rédaction du cahier des charges :

Plus encore que dans les systèmes de production de chaleur traditionnels, un matériel de qualité, monté dans les règles de l’art est indispensable au bon fonctionnement de l’installation solaire thermique. Deux grands types de systèmes sont couramment utilisés sous nos latitudes : les systèmes à vidange et les systèmes sous pression. Le choix du type de système peut être laissé au soumissionnaire à condition de spécifier les exigences de qualité minimales pour chaque type de système.

Les capteurs constituent, avec la régulation, le cœur du système solaire thermique. Ils doivent satisfaire à de nombreuses exigences de durabilité, de rendement et de résistance à des conditions extrêmes de température et de pression. Tous ces critères sont explicités dans la récente norme européenne – EN 12975-1 : Installations solaires thermiques et leurs composants – Capteurs – partie 1 : Exigences générales – disponible auprès de l’Institut Belge de Normalisation ( http://www.nbn.be/). La conformité des capteurs avec cette norme constitue un gage de qualité appréciable.

L’énergie solaire est transférée au stockage par un échangeur de chaleur (interne ou externe au ballon). Le dimensionnement correct de cet échangeur est crucial. De fait, un mauvais dimensionnement risque d’influencer négativement tant la performance des capteurs que la consommation électrique de la pompe du circuit primaire.

Les pertes du stockage doivent absolument être limitées par une isolation parfaite du ballon et de la boucle de distribution d’eau chaude s’il y en a une. Le bouclage de l’eau distribuée augmente les pertes liées au stockage d’au moins 30 %. Une conception appropriée de l’installation permet de limiter ces pertes.

L’isolation ininterrompue des conduites du circuit primaire est capitale. L’isolation des conduites extérieures doit faire l’objet d’une attention particulière. Le matériau isolant doit résister aux intempéries et aux rayons ultraviolets, et dans bien des cas, une gaine rigide en aluminium sera nécessaire pour le protéger des attaques de rongeurs et d’oiseaux.

Dans les systèmes sous pression, le vase d’expansion du circuit primaire doit pouvoir contenir, outre le volume correspondant à la dilatation thermique du fluide caloporteur, l’entièreté du fluide contenu dans les capteurs au cas où celui-ci se vaporiserait suite à la montée en température des capteurs. Les soupapes de sécurité permettront à la vapeur de s’échapper en cas de problème.

Tous les matériaux mis en œuvre doivent résister simultanément à de hautes températures et pressions, en particulier les composants situés dans le réseau hydraulique des capteurs.

La garantie matérielle offerte sur un système solaire thermique est généralement de 10 ans sur les capteurs, 5 ans sur le(s) ballon(s) de stockage, et deux ans sur tous les autres composants du système.

Le suivi et la maintenance de l’installation solaire revêtent une importance particulière car, en cas de dysfonctionnement, le système de chauffage d’appoint pourrait fournir toute l’énergie nécessaire à la production d’eau chaude sans que l’on ne s’en aperçoive. Pour permettre un suivi élémentaire de l’installation, on placera un calorimètre sur la conduite primaire afin de mesurer l’énergie solaire transférée au ballon de stockage.

Plus de détails sur le cahier des charges d’une installation de capteurs solaires (fichier xls réalisé par le bureau 3E à l’initiative de l’IBGE)

Source : Brochure « Installer un grand système solaire de production d’eau chaude en Wallonie » réalisée par 3E ( http://www.3e.be) et l’Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable ( http://www.icedd.be).

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Prévoir un contrat de Résultats Solaires (GRS)

La GRS est un contrat qui traduit la volonté du fabricant/fournisseur de ne pas se limiter à la simple fourniture de composants, mais de garantir également la production énergétique annuelle de l’installation solaire.

Par la GRS, le fabricant et/ou le fournisseur du système, l’installateur, l’exploitant et le bureau d’études en charge du projet deviennent solidairement responsables des objectifs de production fixés.

Éviter les bulles …

Les résultats d’audits menés sur d’anciennes installations solaires collectives ont permis de mettre en évidence certains problèmes de conception, de maintenance et de contrôle de l’installation. Ce constat a donné naissance au concept de Garantie de Résultats Solaires en France dès la fin des années 80.

La production de l’installation est suivie mois par mois à l’aide d’un dispositif de télésurveillance qui comptabilise l’énergie solaire. L’installation doit par exemple produire 90 % de l’objectif calculé, pendant deux à cinq années consécutives.

La GRS a été mise en œuvre pour la première fois en France, en 1988, sur l’Hôpital de Castres. Depuis lors des dizaines d’installations collectives avec GRS ont vu le jour en Espagne, en France et en Allemagne.

Détail important, jusqu’à présent, les systèmes qui en bénéficient ont toujours produit plus que ce que la GRS ne prévoyait !
Si le maître d’ouvrage souhaite obtenir une garantie de résultat solaire, le cahier des charges précisera :

Les besoins de l’établissement (le profil de puisage, la demande en chaleur,…).
Un objectif de production (combien de kWh solaire le système doit-il produire annuellement ?).
Toutes les contraintes susceptibles de limiter la production de l’installation.
Les exigences de qualité des matériaux utilisés.

> Pour en savoir plus sur la GRS : http://www.tecsol.fr

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Estimer la durée de vie et la maintenance

Piscine solaire de Louvain La Neuve.

Actuellement, on peut aisément compter sur une durée de vie de 25 ans. L’audit de l’installation de la piscine du Blocry (capteur plans vitrés atmosphériques) à Louvain La Neuve a montré qu’après 20 ans l’installation présentait des performances de près de 90 % par rapport aux prestations initiales. Il va de soi que maintenir une bonne performance va de pair avec un entretien régulier et une maintenance correcte de l’installation.

Un guide très complet sur la maintenance à destination du responsable énergie a été réalisé par le bureau 3E à l’initiative de l’IBGE.

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Prédimensionner l’installation d’ECS

C’est le rapport « volume de stockage / surface de capteur » qui détermine le fonctionnement optimal de l’ensemble du système et la fraction solaire atteinte, donc le bon dimensionnement de la proposition par rapport aux besoins couverts par le solaire (fraction solaire).

Différentes approches de dimensionnement sont possibles : sur base de la fraction solaire souhaitée ou à partir de l’optimum économique.

Le tout est de trouver le bon compromis entre une fraction solaire intéressante et une production au m² suffisante pour que l’installation solaire reste économiquement justifiée.
Pour les faibles fractions solaires assurant une plus grande production surfacique (meilleure efficacité et donc temps de retour plus court), on dimensionnera le système en situation estivale (besoins et apports solaires).
Pour atteindre une couverture solaire plus importante, l’installation sera dimensionnée par rapport à l’énergie solaire disponible en mi-saison.

> Plus d’infos sur l’influence de la fraction solaire sur le rendement de la production solaire.

Néanmoins, en fonctionnement, un système correctement dimensionné devrait produire entre 300 et 450 kWh/m².
Le tableau suivant présente des valeurs de dimensionnement couramment rencontrées en pratique (source ATIC) :

Fraction solaire %	Type d’installation	Surface de capteur	Volume de stockage du tampon
20 à 40 %	Grandes	1m² par 50 à 70 l/j d’ECS à 60 °C	50 l/m²
40 à 50 %	Moyennes	1m² par 50 à 60 l/j d’ECS à 60 °C	50 à 60 l/m²
50 à 60 %	Petites	1m² par 30 à 40 l/j d’ECS à 60 °C	60 l/m²

En règle générale, pour les très petites installations (type domestique), 4 m² de capteurs sont considérés comme un minimum pour rentabiliser une installation solaire alors que pour le logement collectif, 1 à 2,5 m² de panneaux solaires par logement suffisent.

Le Quick Scan, un outil d’aide à la décision simple et efficace

Le Quick Scan est un outil sectoriel de pré-dimensionnement des systèmes solaires collectifs, à utiliser au stade initial d’un projet.

Sur base de la consommation d’eau chaude (réelle ou estimée) de l’établissement, le Quick Scan fournit des indications sur :

la surface de capteurs à installer,
le volume de stockage solaire nécessaire, son poids et sa surface d’encombrement,
l’économie d’énergie primaire et de combustible réalisable,
le coût global du système et le coût du kWh solaire produit,
les émissions de CO₂ évitées et le coût de la tonne de CO₂ évitée.

Le Quick Scan donne des ordres de grandeur qui doivent être précisés par la suite, lors de l’étude de faisabilité et du dimensionnement final de l’installation. Il constitue un excellent indicateur de la pré-faisabilité d’un projet, mais pas un outil de dimensionnement fin pour les bureaux d’études ou les fournisseurs d’équipements solaires. En effet, le Quick Scan ne considère pas les contraintes techniques propres au bâtiment, et dimensionne l’installation selon une méthode simplifiée. Les étapes ultérieures de la démarche-projet visent à dimensionner l’installation au plus près de l’optimum économique.

Calculs

Pour accéder au Quick Scan.

Pour accéder au mode d’emploi du Quick Scan PDF.

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Considérer l’aspect économique [ECS par capteurs solaires]

Le coût d’une installation

Le graphe qui suit donne une estimation du coût d’une installation solaire par mètre carré de capteurs. Le coût varie forcément en fonction de la taille de l’installation (plus le système est grand, plus le prix par m² de capteur est réduit).

À titre d’information, on peut estimer les coûts (hors TVA) suivants :

pour 4 m² de capteurs (ex. petites installations de type unifamilial), il faut compter environ 6 500 € pour tout le système (capteurs + stockage + raccordement de l’appoint), soit +/- 1 620 €/m² de capteurs,

pour 10 m² de capteurs (en logement collectif, cela correspond approximativement à 5 appartements), il faut compter environ 14 000 € pour tout le système, soit +/- 1 400 €/m² de capteurs,

pour 25 m² de capteurs (en logement collectif, cela correspond approximativement à 15 appartements), il faut compter environ 30 000 € pour tout le système, soit +/- 1 200 €/m² de capteurs,

Schéma coût unitaire du chauffe-eau solaire.

Bien entendu, si l’installation solaire thermique s’inscrit dans la rénovation plus large du chauffage ou de la toiture, certains coûts fixes vont diminuer.

Afin d’éviter de mauvaises surprises, outre le coût des capteurs, d’autres paramètres doivent être pris en compte dans l’évaluation du prix de l’installation. Entre autres :

Le mode d’intégration architecturale choisi ;
La faisabilité technique de raccorder la boucle solaire à l’installation existante ;
L’accessibilité de la toiture ;
La structure de la toiture (évaluer le surcoût si on doit renforcer la toiture) ;
La taille de l’installation ;
…

Attention ! Si l’on compare simplement le prix d’achat d’un système solaire avec le prix d’un système conventionnel, le risque est grand d’arriver à la conclusion que le solaire n’est pas une option économiquement intéressante. Ce serait aller un peu vite en besogne :

Pour le solaire, la quasi-totalité des coûts porte sur les composants du système. Les frais de combustible sont par nature gratuits et les coûts d’exploitation faibles.

À l’inverse, pour une chaudière au mazout ou au gaz ou un boiler électrique, une fraction importante du coût est reportée sur le prix du combustible et/ou les frais d’exploitation.

L’approche qui semble la plus pertinente de la faisabilité économique passe donc par l’estimation du coût du kWh solaire produit (coût de l’investissement divisé par l’économie énergétique annuelle), que l’on pourra raisonnablement comparer avec le coût du kWh mazout, gaz ou électricité.

Les subsides

Pour soutenir la production d’énergie verte, les pouvoirs publics belges ont mis en place des mécanismes financiers qui réduisent le coût réellement payé par l’investisseur de capteurs thermiques.

> Plus d’infos : http://energie.wallonie.be

Plus d’infos sur le financement de la rénovation énergétique : cliquez ici !

Quelle rentabilité ?

Si la conception et l’intégration d’une installation collective sont plus délicates que celles d’un chauffe-eau solaire individuel, la productivité de l’installation est généralement meilleure. En effet, le taux d’occupation des grands immeubles ou établissements est relativement constant tout au long de l’année et la consommation d’eau chaude y est globalement plus importante.

Les applications solaires les plus intéressantes économiquement se retrouvent parmi les établissements consommant de grandes quantités d’eau chaude : les piscines et les établissements d’accueil social (maisons de repos, centres d’accueil pour personnes handicapées, …), les internats, grands hôtels, centres de vacances, immeubles de plus de 15 logements, restaurants d’entreprise,… Plus la consommation d’eau chaude de l’établissement est élevée, plus l’installation solaire est grande, et meilleure est sa rentabilité. Et pour cause, le coût au m² d’une installation est inversement proportionnel à la surface installée; ce qui explique que de grandes installations puissent être rentables sans subsides.

Voici le prix de revient d’une installation solaire (couvrant 30 % des besoins énergétiques) en fonction de la consommation d’eau chaude sanitaire :

	Installation solaire		Coût du kWh solaire si :
Consommation moyenne [l. eau à 60 °C /jour]	Taille [m² capteurs]	Coût HTVA [€]	Subside 0 % [c€/kWh]	Subside 20 % [c€/kWh]	Subside 40 % [c€/kWh]
1 000	13	14 500	7.31	5.85	4.39
2 500	31	27 800	5.60	4.48	3.36
5 000	63	45 900	4.62	3.70	2.77
7 500	94	61 700	4.14	3.31	2.49
10 000	126	76 200	3.84	3.07	2.30
12 500	157	89 800	3.62	2.90	2.17
15 000	188	102 800	3.45	2.76	2.07
17 500	220	115 300	3.32	2.66	1.99
20 000	251	127 400	3.21	2.57	1.93
22 500	283	139 200	3.12	2.49	1.87
25 000	314	150 600	3.04	2.43	1.82

Par exemple, dans un établissement consommant 5 000 l d’eau chaude à 60 °C par jour (3e ligne du tableau), un chauffe-eau solaire produisant 30 % de l’énergie nécessaire pour couvrir les besoins en eau chaude sanitaire aura une surface de capteurs d’environ 63 m² et coûtera de l’ordre de 45 900 €. Si l’on rapporte ce coût à la quantité totale de combustible que l’installation solaire permet d’économiser, on obtient un coût de 4.62 c€ par kWh solaire (hors subside). Si l’investissement initial est subsidié (ou déductible fiscalement) à hauteur de 20 %, ce coût passe à 3.31 c€. Pour un taux de subside de 40 %, on a un coût de 2.77 c€ par kWh de combustible économisé.

Ces coûts sont donc compétitifs par rapport ceux des prix des combustibles à leur niveau actuel.

D’autre part, le prix des énergies fossiles sur le marché mondial dépend de nombreux facteurs que nous ne maîtrisons pas, alors que le coût du kWh solaire produit, lui, est stable et garanti pendant toute la durée de vie de l’installation. Il est bon de rappeler qu’entre 1998 et 2001, le prix du gaz naturel a augmenté de 41 %. Si le prix du combustible d’appoint double, l’économie financière réalisée grâce au système solaire double également ! C’est donc bien là que réside l’avantage économique majeur du chauffe-eau solaire: le prix du kWh produit est connu au départ et reste constant sur une période de 25 ans minimum.

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Choisir le type d’installation [ECS par capteurs solaires]

Choix du type de capteurs

Le choix le plus courant pour la production d’eau chaude sanitaire est celui de capteurs plans vitrés.
Bien que moins performants que certains de leurs homologues « tubes sous vide », ils sont moins chers et présentent généralement une garantie plus longue (10 ans). Néanmoins, ils nécessitent parfois une superficie plus grande pour une même production et leur remplacement est moins évident (un tube peut être remplacé individuellement).D’autres facteurs peuvent aussi être déterminants :

La surface disponible.
L’orientation (les tubes sous vide à ailettes peuvent être orientés indépendamment de leur support).
Les différents types de pose, poids et le lestage associé (l’intégration est possible pour les capteurs plans).
Le coût, qui sera aussi déterminé par les paramètres précédents.
Etc.

> Plus d’infos sur les différents types de capteurs.

Deux capteurs peuvent aussi être comparés via leur courbe de rendement.

Calculs

Pour comparer différents capteurs sur base de leur courbe de rendement.

Sous pression ou à vidange ?

Si le choix d’un système indirect à boucle fermée est généralement évident sous nos latitudes, reste le choix entre les systèmes à vidange ou les systèmes sous pression non vidangeable.

Chacun présente des caractéristiques propres et les avantages qui y sont liés.

Système à vidange

Schéma de système à vidange

Pas de choc thermique ni surpression importants : Le système étant vidangé lorsqu’il entre en température de stagnation, l’ébullition du fluide caloporteur est évitée. Dans les systèmes traditionnels sans vidange, il n’est pas rare de voir des écarts de température allant de – 30 °C à plus de 160 °C.

Suppression de certains composants (et du coût associé) : Le fluide n’étant pas sous pression, certains composants peuvent être supprimés : manomètre, vase d’expansion, purgeur, clapet anti-retour (vu que l’installation est vidangée, il n’y a pas de risque de circulation inverse par thermosiphon).

Possibilité d’utiliser de l’eau comme fluide caloporteur : Puisque le système se vidange en cas de gel, il est théoriquement possible d’utiliser de l’eau comme fluide caloporteur. Cependant, bien que la capacité calorifique de l’eau soit meilleure, il n’est pas rare de rencontrer des systèmes à vidange fonctionnant avec un mélange d’eau/glycol pour des raisons de sécurité (au gel) mais aussi parce que le glycol possède des propriétés anticorrosives.

Système sous pression non vidangeable

Schéma de système sous pression non vidangeable.

Le soin à apporter à la pente des tuyauteries est moins grand : En effet, pour les systèmes à vidange une pente minimale continue de l’ordre de 4 % doit être respectée afin d’assurer un écoulement correct du fluide puisque celui-ci s’effectue par simple gravité (drain back).

Utilisation de pompes de circulation moins puissantes et donc moins énergivores : Un système sous pression utilise des circulateurs de puissance moindre. En plus d’assurer la circulation du fluide, la pompe d’un système à vidange doit en effet pouvoir relancer le fluide dans le circuit primaire, c’est à dire vaincre la hauteur manométrique entre le réceptacle de vidange et les capteurs. Une puissance importante est donc nécessaire alors que moins de 50 % de cette puissance est nécessaire lors du fonctionnement de l’installation. Une solution que proposent aujourd’hui certains constructeurs est l’installation de deux circulateurs dont l’un est adapté à la relance (et ne fonctionne que durant celle-ci) et dont l’autre est adapté au régime de fonctionnement.

Choix du système d’apport de chaleur complémentaire

Le choix du mode de préparation d’ECS principal doit se faire de manière traditionnelle. Celui-ci doit en effet assurer la production d’eau chaude en toutes circonstances, même en période de non ensoleillement prolongée.

Dans une installation solaire, le système d’apport de chaleur complémentaire se situe en aval de l’échangeur solaire de manière à conserver la stratification interne des températures dans le ballon (les températures les plus hautes, les plus proches du point de puisage) mais aussi de manière à garantir une température de retour du fluide solaire la plus basse possible (afin de garantir un fonctionnement optimal des capteurs).

Dans tous les cas, le stockage de l’eau solaire oblige à une certaine centralisation de l’installation. Néanmoins, le choix d’un système de production principal décentralisé reste possible. Par exemple, l’eau préchauffée par les capteurs pourrait être acheminée vers les points de puisage où elle sera seulement amenée à la température souhaitée. Ce cas de figure permet de limiter considérablement les pertes de distribution et l’influence de l’appoint sur la température du fluide solaire.

En ce qui concerne le vecteur énergétique, il n’y en a pas de réellement privilégié en termes de fonctionnement solaire (abstraction faite des considérations environnementales liées). Par contre, la compatibilité et la régulation de l’appoint au système solaire sont à étudier précisément (d’autant plus si l’on souhaite intégrer celui-ci à un système existant). Il serait en effet dommage que le système d’appoint empiète sur ce que le système solaire peut produire… et pourtant c’est souvent le cas. Combiner une température de consigne d’appoint trop élevée (pour la légionellose) et une mise en température des ballons solaires trop régulière peut réduire l’efficacité solaire de 30 %!

> Plus d’infos sur l’apport de chaleur complémentaire

Dans tous les cas, limiter les pertes !

Une installation mal ou non isolée peut perdre jusqu’à 40 % de sa production à cause des pertes thermiques le long des conduites et au niveau du stockage.

En premier lieu, on veillera donc à limiter la longueur des tuyauteries et à positionner judicieusement le stockage par rapport aux capteurs (et aux points de puisage).

Une isolation d’épaisseur au moins égale au diamètre des tuyauteries est indispensable d’autant plus que les températures du fluide de la boucle solaire peuvent être les plus hautes de l’installation sanitaire. Pour se donner une idée des pertes : un mètre de tuyau en acier, de 1 pouce de diamètre, non isolé, dans lequel circule de l’eau chaude à 70°C et qui parcourt une ambiance à 20°C a une perte équivalente à la consommation d’une ampoule de 60 W…

Calculs

Pour estimer la rentabilité de l’isolation de la tuyauterie, cliquez ici !

Au niveau du ballon de stockage: favoriser la stratification des températures et sa parfaite isolation (attention aux raccords) favoriseront la productivité du système. 10 à 15 cm d’isolation ne seront pas superflus !

Calculs

Pour estimer la rentabilité de l’isolation du ballon, cliquez ici !

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Exploiter la configuration du bâtiment [ECS par capteurs solaires]

Une orientation et une inclinaison optimales ?

Les capteurs seront idéalement orientés sud avec une inclinaison entre 30 et 55° par rapport à l’horizontale. La hauteur du soleil variant au fil des jours et des saisons, l’inclinaison idéale dépendra du cas de figure envisagé :

35° est l’inclinaison qui permet de maximiser les gains solaires annuels. Elle est idéale pour les faibles fractions solaires : couverture solaire de 30 % des besoins d’eau chaude par exemple).

Pour une fraction solaire plus importante (ou une production pour le chauffage du bâtiment), il est judicieux d’orienter les panneaux plus verticalement (de 45 à 55°) afin de maximiser les gains solaires à la mi-saison.

30° est l’inclinaison idéale pour les installations ne fonctionnant qu’en période estivale (pour une piscine extérieure par exemple).

Bien entendu, on pourra aussi suivre l’inclinaison et l’orientation, induite par la configuration des lieux (par exemple la pente d’une toiture inclinée du moment que l’on reste entre le sud et l’est /ouest). On ajustera alors les surfaces de capteurs en conséquence.

> Plus d’infos sur l’énergie solaire et l’ensoleillement

Outre l’aspect énergétique, l’inclinaison des capteurs influence aussi :

leur prise au vent (plus les panneaux sont verticaux, plus le lestage pour les maintenir en place doit être important) ;

l’auto-nettoyage de leur superficie externe (vitre) par la pluie (20° d’inclinaison minimum sont requis).

Un ombrage limité

L’ombre est évidemment le pire ennemi des technologies solaires. Bien que moins problématique que pour leurs homologues photovoltaïques, on en limitera l’impact en positionnant les capteurs en dehors des zones d’ombres générées par :

l’environnement du bâtiment (immeubles voisins plus hauts que les capteurs solaires…) ;
le bâtiment lui-même (cabanon technique, antennes, cheminées…) ;
les capteurs entre eux.

Pour ce dernier type d’ombrage, on compte généralement qu’il faut 3 m² de toiture pour un m² de capteur.

Dimensionnement de l’entraxe entre deux capteurs

Schéma dimensionnement de l’entraxe entre deux capteurs.

L’entre-axe entre deux rangées de capteurs est défini par la formule suivante :

Entre axe = d + b = h (cos β+ sin β/ tg α)

où,

h =dimension du capteur.
α = hauteur solaire minimum (généralement prise le 21 décembre soit un angle de 16°).
β = inclinaison des capteurs.

En considérant des capteurs de 1,2 m de large, l’entre-axe des rangées de capteurs est de: 1,2 x (cos 35° + sin 35°/tg16°) = 3,38 m.

Il faudra aussi porter une attention particulière à l’encrassement des capteurs et des réflecteurs pour les tubes sous vide qui en sont munis (type CPC).

En toiture, au sol ou en façade?

Que ce soit en toiture plate ou inclinée, on veillera à ce que la toiture :

résiste à la surcharge des capteurs et de leur lestage (un panneau pèse environ 25 kg/m²) ;

soit en suffisamment bon état pour ne pas être remplacée trop rapidement (les capteurs ont une durée de vie moyenne de 25 ans).

Placement en toiture inclinée

Si l’orientation est favorable, le placement en toiture inclinée est souvent idéal :

placement en hauteur qui permet de limiter l’effet d’ombre de l’environnement ;
inclinaison déjà présente qui permet de se passer du système de support ;
intégration constructive esthétique ;
pertes thermiques à l’arrière du panneau limitées (dans le cas de capteurs intégrés dans la toiture).

Capteurs intégrés.	Capteurs en « surimposition ».

Placement en toiture plate

Dans ce cas, les capteurs sont placés sur des supports métalliques, ce qui permet d’optimiser leur inclinaison et leur orientation.

L’ombrage généré par les panneaux entre eux déterminera l’espacement nécessaire entre deux rangées de capteurs.

La résistance de la toiture doit être particulièrement étudiée, car le lestage nécessaire à la stabilité des capteurs augmente considérablement la surcharge (80 à 100 kg par m² de capteur). De plus, lorsque les couches superficielles de la toiture ne présentent pas une résistance suffisante, il faudra parfois ancrer le support directement sur la structure de la toiture (chevrons,…). Des distances de sécurité par rapport au bord de la toiture sont aussi imposées.

Placement au sol

Lorsque la toiture présente une inclinaison trop importante, une mauvaise orientation ou encore une surface trop réduite, on pourra opter pour une installation au sol.

Dans ce cas, on veillera à :

Minimiser la distance entre les capteurs et le stockage afin de réduire au maximum les pertes thermiques par les tuyauteries.

Placer les capteurs dans un endroit protégé pour éviter tout risque de vandalisme (attention à l’ombrage !)

Contrairement aux capteurs placés dans le plan de la toiture et ne présentant aucun débordement, le placement de capteurs au sol doit faire l’objet d’un permis d’urbanisme.

Façade

La pose des capteurs sur façade est aussi possible (l’intégration comme bardage l’est aussi) mais présente souvent des désavantages :

Ombrage généré par le bâtiment ;
Exposition réduite (30% de moins par rapport à l’optimum (sud à 35°)) ;
Orientation et inclinaison peu favorables (l’effet peut être limité si on utilise un support ou des tubes sous vide réorientés) ;
Surfaces souvent limitées ; etc.

Réglementations

Plus d’infos sur la réglementation urbanistique relative au placement des panneaux solaires.

Une zone réservée au stockage

Le stockage est un élément clé dans la conception de tout projet solaire thermique. L’espace associé est parfois considérable et doit être pris en compte dès le départ de l’étude du projet.

L’espace prévu doit pouvoir accueillir le ballon (ainsi que son enveloppe isolante) en termes de : volume, surface au sol, hauteur sous plafond. Les accès devront aussi permettre l’amenée du ballon. Bien que cette réflexion paraisse évidente, c’est un problème très fréquent en pratique !

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Identifier ses besoins en ECS

La décision d’installer un chauffe-eau solaire part toujours de l’identification des besoins, en particulier la consommation d’eau chaude de l’établissement.

Avant toute chose, il faut donc se poser la question de l’usage que l’on a de l’eau chaude sanitaire :

A-t-on réellement besoin d’ECS ? Quand en a-t-on besoin? Quel est le profil de ces besoins ? En a-t-on usage pendant les périodes les plus ensoleillées de l’année ?

A-t-on réalisé les mesures URE permettant de réduire les besoins énergétiques ? Ces mesures simples et efficaces (comme par exemple le placement de réducteurs de pression) restent les plus rentables!

Disponibilité de l’énergie solaire et besoins d’eau chaude sanitaire

Si les besoins en ECS sont constants au fil de l’année, l’installation sera généralement dimensionnée par rapport aux apports solaires estivaux. Ce cas de figure permet de garantir un taux d’utilisation et une production énergétique surfacique (kWh/m²) élevée.

On comprendra vite qu’une installation solaire est bien plus efficace pour un bâtiment ayant des consommations importantes et plus ou moins constantes au fil des jours et des saisons qu’un vestiaire d’un club sportif ne fonctionnant que 2 jours par semaine de septembre à mai !

Ainsi, certains usages sont particulièrement adéquats : les maisons de repos et de soin, les hôpitaux, les piscines, les logements individuels et collectifs, …

Pour établir son profil de puisage, si la consommation d’eau chaude ne fait pas l’objet d’un suivi régulier par l’organisme chargé de la maintenance du bâtiment, on se basera sur des profils type par secteurs ou, mieux, on effectuera une campagne de mesures. Dans tous les cas, le placement d’un simple compteur d’eau chaude est recommandé et sera très utile pour le dimensionnement correct de l’installation solaire !

Calculs

Estimer ses besoins en eau chaude sanitaire.

N.B. Outre son influence sur l’efficacité de l’installation solaire, le profil de puisage conditionne complètement la conception du mode de préparation : volume de stockage (accumulation), système d’appoint par production centralisée ou décentralisée,…

Posted By : olivier 2 Sep, 2010

Connaître les étapes du projet [ECS par capteurs solaires]

Se poser les bonnes questions !

En tant que concepteur, voici les principales questions à se poser :

Quel est le besoin d’eau chaude sanitaire ?
Comment s’intégrerait l’installation dans la configuration du bâtiment ?
	Quelles sont les surfaces qui pourraient être valorisées par la pose de capteurs solaires ?
		Ces surfaces sont-elles capables d’accueillir des capteurs solaires thermiques en termes de :
		> Superficie disponible
		> Orientation (dans le cas d’une toiture inclinée)
		> Inclinaison (dans le cas d’une toiture inclinée)
		> Portance suffisante: la toiture peut-elle accueillir le surpoids induit par les capteurs ? En général, les toitures en structure béton supportent la surcharge, ce qui n’est pas toujours le cas des structures bois : à vérifier donc !
		> Ombrage
		> État : il serait dommage de devoir remplacer le support dans les quelques années qui suivent l’installation afin d’éviter des montages-démontages coûteux et parfois risqués pour les capteurs.
	L’espace disponible pour les ballons de stockage est-il suffisant ?
		> Place disponible : le volume nécessaire au stockage est souvent important. Il faut donc s’assurer au préalable des dimensions nécessaires !
		> Les dimensions des accès : si j’ai la place nécessaire, il faut impérativement vérifier qu’il est possible d’y amener les ballons de la dimension prévue !
Quel type d’installation choisir ?
Quel prédimensionnement pour la fraction énergétique souhaitée couverte par le solaire thermique (fraction solaire) ? Ce dimensionnement est-il compatible avec mon cas de figure ?
Le projet est-il viable économiquement ? Quels sont les coûts et subsides ?
Quelle est la durée de vie estimée d’une telle installation ? Quelle maintenance est nécessaire ?
Comment s’assurer de la qualité de réalisation du projet ? Contrat de garantie de résultats solaires et cahier des charges « qualité » sont là pour aider le concepteur!

Les étapes de la réalisation d’un projet solaire thermique ont été balisées par le programme « Soltherm » de la Région Wallonne :

un logiciel de préfaisabilité (Quick Scan XLS) a été mis au point et remis à jour par l’IBGE. Il est accompagné de son mode d’emploi PDF;
un audit solaire PDF peut être réalisé;
un cahier des charges XLS d’une installation solaire de qualité a été rédigé;
une Garantie de Résultats Solaires (GRS) peut être exigée;
des subsides nombreux sont disponibles.
un guide de la maintenance PDF pour responsable énergie est aussi disponible (réalisé par 3E et l’Apere pour l’IBGE).

Demander un audit solaire à une société spécialisée ?

L’audit solaire fait l’inventaire des caractéristiques techniques de l’établissement et détermine les dimensions du système solaire correspondant à l’optimum économique. Il détermine comment les composants du chauffe-eau solaire s’intègrent dans l’installation existante de manière à assurer le fonctionnement optimal de l’ensemble du système. Le résultat de l’audit solaire est consigné dans un rapport qui donne au maître d’ouvrage les critères énergétiques, économiques et environnementaux nécessaires à la prise de décision.

> Plus d’infos sur l’audit solaire PDF (document réalisé par 3E pour le compte de l’IBGE).

Études de cas

Parcourir l’audit solaire établi pour :

– le home La Charmille à Gembloux !

– la piscine d’Herstal !

– la piscine de l’Hélios à Charleroi !

Monthly Archives: septembre 2010

Étanchéité et alimentation en air

Étanchéité de la chaudière

Tirage naturel ou forcé

Cheminée

Dimensionnement de la cheminée

Dimensionnement pour chaudières étanches

Dimensionnement pour chaudières non-étanches

Dimensionnement pour chaudières non-étanches à tirage naturel

Tracé de la cheminée

Coudes et changements de section

Raccordement de la chaudière

Débouché de la cheminée

Forme de la cheminée

Isolation de la cheminée et inertie thermique

Matériaux

Régulation du tirage

Nombre de conduits

Cas particulier des chaudières à condensation

Évacuation des condensats avec une chaudière à condensation : NIT 235 du CSTC

Remplacement de chaudière et adaptation de la cheminée

Ventilation du local contenant les appareils de chauffe

Ventilation basse pour P > 70 kW

Ventilation haute pour P > 70 kW

Cas particulier des chaufferies en ambiance polluée

Principe de fonctionnement

Les principaux composants d’une installation

Le système de charge

Le système de stockage

Le système d’appoint

Le système de décharge

Les différents types d’installation

Boucle solaire fermée (indirecte) ou ouverte (directe) ?

Circulation forcée ou thermosiphon ?

Sous pression ou à vidange ?

Les types de capteurs

Capteurs plans

Les capteurs plans opaques

Les capteurs plans vitrés

Capteurs à tube sous vide

Les tubes sous vide avec absorbeurs sur ailette en cuivre

Composition des tubes sous vide avec ailette absorbante

> Les capteurs à circulation directe

> Les capteurs à caloduc (ou heat pipe)

Les tubes sous vide avec absorbeurs sur support en verre (tube Sydney)

Composition des tubes sous vide avec absorbeur sur support en verre

Le rendement et l’utilisation des capteurs

Le raccordement des capteurs

Le circuit primaire ou circuit solaire

Le fluide caloporteur

Caractéristiques essentielles d’un fluide solaire

Les conduites

Le stockage de l’eau solaire

Un matériau résistant

Une forme adaptée

Une isolation primordiale

Une dimension adaptée

La charge du ballon de stockage

La régulation

Démarrage et arrêt du circulateur

Température maximale de charge

Température de sécurité

L’apport de chaleur complémentaire

Le circuit de décharge

La gestion de la légionellose

Le rayonnement solaire

Une énergie renouvelable, inépuisable à l’échelle humaine

Une énergie de flux, diffuse et intermittente

Le mouvement Terre-Soleil

Le mouvement apparent du Soleil

L’irradiation solaire incidente

Les obstacles à l’ensoleillement

L’ensoleillement en Belgique

L’éclairement énergétique disponible

Variation géographique de l’exposition énergétique

L’influence de l’orientation et de l’inclinaison

Construction d’un diagramme solaire

Généralités

Le niveau E

Consommation caractéristique annuelle d’énergie (Econs)

Consommation caractéristique annuelle d’énergie (E_cons)

Consommation caractéristique annuelle d’énergie de référence (E_ref)