CoursSolEPF2010.P2

Partie II : Solaire thermique 

Chaleur = première source d'utilisation du soleil



Résulte de l'absoption du rayonnement de façon désordonnée

Principe général général du système solaire thermique :



    

Un collecteur (éventuellement concentrateur) Un absorbeur (généralement surfacique) Un échangeur Un fluide caloporteur (eau, air, etc.) Un ou plusieurs systmes utilisant la chaleur (radiateur, échangeur, stoc!age, etc.)

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

Partie II : Solaire thermique 

Particularité des systèmes à asse température

   

"énéralement pas de dispositif de concentration #onctionnement $ basse température %as de cycle thermodynamique comple&e Unité de petite taille pour l'usage direct de la chaleur

!rois "amilles de d e capteurs actuellement



apteurs nonvitrés  apteurs vitrés  apteurs sous vide 


Partie II : Solaire thermique 1$ %es di""érents types de capteurs solaires thermiques 2$ Per"ormances des capteurs solaires so laires thermiques #$ &utres composants $ %es systèmes solaires ($ )imensionnement )imensionnement *$ &spect en+ironnemental ,$ Conte-te industriel


II$1 %es di""érents types de capteurs thermiques

apteurs nonvitrés (ou capteurs  moquette *) 

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

+rs bon rendement $ température ambiante  +empérature en sortie peu élevée ( -/)  0ppliqués au chauffage chauffage des piscines 1ote 2 l'usage d'une simple b3che $ bulles permet dé4$ d'économiser la moitié de la puissance de chauffage 5  &utres applications 2 



6 7ouche solaire 6 89 dans les pays chauds 6 ouplage possible avec une pompe $ chaleur pour 89 collective (systme Héliopac ) L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques

apteurs vitrés

Source : RETScreen

Intér.t du +itrage 2 création d'un effet de serre :a vitre transmet le rayonnement solaire mais pas celui émit par l'absorbeur. :es pertes thermiques par rayonnement et par convection du capteur sont réduites.



apteurs vitrés Composants





0bsorbeur 

  



ouverture   



;mportante pour réduite les pertes =erre =erre voire voire polyca polycarbo rbonat nate e (η  > ?) 9imple, double voire triple vitrage pour les sites en climat froid

;solant 



#orte absorptivité au rayonnement solaire #aible émissivité #orte conductivité thermique uivre, 0luminium, 0cier

:aine minérale, mousses de polyuréthane

+ubes 

#ortement conducteurs de chaleur pour assurer l'évacuation de l'énergie et éviter la surchauffe ino&ydable



apteurs vitrés /-emple





apteurs vitrés

Rev@tement sélectif de lAabsorbeur



  

hromage noir Rev@tement $ lAo&yde dAaluminium pigmenté au nic!el %einture noire

&pplications : eau chaude sanitaire sous tout climat chau""age L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers


apteurs sous vide 

Beilleur rendement que les précédents +empérature plus élevées en sortie +ubes de C $
  

%lusieurs systmes différents peuvent se combiner





%our la collection du rayonnement  





+ube sous vide simple, absorbeur de type ailette 7ouble tube sous vide $ effet thermos (absorbeur intégré) #ace arrire réfléchissante ou réflecteur e&terne

%our l'évacuation de la chaleur   

Fchangeur $ eau simple (serpentin 0GR) Fchangeur $ tubes concentriques aloduc (caloporteur diphasique)


!ue à e""et 3thermos3


apteurs sous vide

Source : Viessmann

!ue à circulation directe



!ue à caloduc

Source : Viessmann

&pplications : Chau""age solaire eau chaude sanitaire industrie


Système à ré"lecteur e-terne


ourbes de rendement pour les E types de capteurs 

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

Source : Outils solaires Note : les capteurs solaire à air seront présentés plus loin L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

II$2 Per"ormances des capteurs solaires thermiques

%rincipe général

Exemple du capteur plan vitré

9chéma thermique détaillé Source : Faiman 200 L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

;;.J %erformances des capteurs solaires thermiques

Hilan thermique simplifié sur l'absorbeur

Hilan thermique simplifié sur l'absorbeur à l'équilire

P u= A⋅ S −U ⋅ T a−T ext   0vec

%u 2 puissance thermique utile (I) 0 2 surface du capteur capteur (mJ) 9 2 Rayonnement incident absorbé (IGm J) U 2 coefficient de pertes thermiques du capteur (IG(m J.K)) +a 2 température de l'absorbeur (K) L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers + 2 température de l'air e&térieur (K)


8&pression du rayonnement solaire absorbé %e rayonnement asoré S



S =G bh⋅

cos  i

1cos 

1− cos 

2

2

⋅bG dh⋅

cos  z

⋅d G h⋅⋅

⋅r

0vec i 2 produit  transmittance transmi ttance & absorbance * du capteur pour chaque type de rayonnement (direct, diffus, réfléchi) L part du rayonnement réellement absorbée par le capteur. c apteur. 

et  dépendent de la longueur d'onde, de l'angle d'incidence et des

réfle&ions multiples de chaque rayon au niveau du capteur. ;l n'e&iste pas de moyen simple de les calculer.

%our simplifier, on peut noter 2


S =G⋅


alcul de la puissance utile Puissance utile en "onction de la température du "luide





5ilan de puissance au contact de l'asoreur

P u= h⋅ T a −T f  

Puissance utile

P u= F ⋅ A⋅ S −U ⋅ T f −T ext  

F =

h h U ⋅ A

Formule de Hottel$*&iller$.liss #H*.% F : !acteur d"e!!icacité du capteur #$% & : coe!!icient d"éc&an'e t&ermi(ue entre le !luide et l"a)sor)eur #*+,% T ! : Température mo-enne du !luide dans le capteur #,%

6endement du capteur



=

P utile P incidente

d"o/

=


P u A⋅G



T f −T ext

= F ⋅ −U ⋅

G




aractéristiques standard

/n /urope 78orme /8 12,(9 :



modèle à trois paramètres

0 : oefficient de rendement optique a et a2 2 oefficients de déperditions calofiques des premier et deu&ime ordre

 T f − T ext 2 − a 2⋅

T f −T ext

= 0−a 1⋅

G

G

/n rance :



modèle à deu- paramètres  

5 : oefficient de rendement optique ; 2 oefficient de déperditions calofiques du premier ordre (IG(mJ.K))

B = F ⋅ ⋅

K = F ⋅U


 T f −T ext / G T f −T ext

= B − K ⋅

G


0ttention 5

Les rendements sont différents selon la surface considérée !

Sur"aces considérées



Sur"ace rute 2 encombrement du capteur  Sur"ace d'ou+erture (ou d'entrée) 2 ouverture du capteur $ incidence normale. +ient compte compt e de la présence éventuelle de réflecteurs  Sur"ace de l'asoreur (parfois dite  active *) 2 9urface d'absorbeur (parfois éclairée 

!empérature de stagnation



+empérature ma&imale du fluide $ l'arr@t dans des conditions défavorables " L < IGm J, +e&t L E / et absence de vent :es matériau& sont sélectionnés pour ne pas souffrir de cette température.


II$# &utres composants

8changeurs de chaleur 



5ilan de puissance 2  − T st  P échangée = m T ˙ ⋅C p⋅T e −T s= h⋅ T



8fficacité de l'échangeur 2 =

et

alcul du rendement global  capteur M échangeur * 2

P échangée P échangeable

=

m ˙ ⋅C p⋅T e −T s m ˙ ⋅C p⋅ T e −T st 

=

T e −T s T e −T st

⋅T st T s=1 −⋅T e ⋅

P u= A⋅ F ' ⋅ S −U ⋅ T st −T ext 

1

P échangée= ⋅m ˙ ⋅C p⋅T e −T st  capt ech = L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

F

F ' =

P u A⋅G

 

A⋅ F ⋅U 1 ⋅ −1  m ˙ ⋅C p

[

T st −T ext

= F ' ⋅ −U ⋅

G

]

;;.E 0utres composants

Hallon de stoc!age Cas théorique du allon à température uniforme : uniforme :





Chaleur stocale 1s 2 haleur stoc!able sur un cycle (N)

" st = m⋅C p  st ⋅ T st



m p 2 apacité thermique du stoc!age (NGK)  T st 2 Fcart de température de travail du stoc!age (K)

5ilan thermique sur le stocage %u 2 %uissance utile fournie par le capteur (I) dT st

 m⋅C p  st ⋅

dt

˙ sut − UA  st ⋅ T st −T amb  = P u− !

!˙ sut 2 %uissance

soutirée au stoc!age (I)

(U0)st 2 oefficient d'échange global du ballon avec l'ambiance (IGK) T st 2 +empérature du stoc!age (K) T am) 2 +empérature autour du stoc!age (K)



Hallon de stoc!age 8n pratique, le allon n'est pas à température uni"orme : phénomène de strati"ication  Bodélisation plus délicate  9i dimensionnement correct, le ballon peut proposer plusieurs températures différentes pour 89 et chauffage $ basse température 

Ballon à stratification


Source : Solaire onnexion SO3


Hallon de stoc!age biénergie

4c&an'eur ES

Un circuit solaire  Une chaudire d'appoint  Résistance électrique de secours 



%roduction d'89 4c&an'eur c&audi5re

ircuit solaire


Ballon solaire bi-énergie Source : Viessmann


Ouelques autres composants 

Pompe de circulation 

9on dimensionnement dépend de 2   



:ongueur des tuyau& 7énivellation entre capteur et stoc!age +aille de lAinstallation

luide circulant dans le capteur haleur massique élevée  #aible viscosité  0ntigel 2 mélange eau M composé glycolé (éthylne g. ou propylne g.) g.)  1on corrosif  %oint dAébullition situé au dessus de la température de stagnation des capteurs  7urée de vie élevée  #aible to&icité 



>ase d?e-pansion : pour la dilatation du "luide caloporteur 



7oit permettre la vidange en cas de surchauffe

Canalisations : acier ou cui+re


;;.- :es différents systmes solaires

Source : 6a!en

hauffeeau hauffeeau solaire /léments séparés



@onoloc à e""et thermosiphon



Source : 7iordano industries L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

Sc&éma d"un c&au!!e$eau solaire simple

Sc&éma de principe du t&ermosip&on

;;.- :es différents systmes solaires

hauffage

Plancher solaire direct 7PS)9



 



%as d'échangeur intermédiaire 9toc!age $ basse température réalisé par la masse du plancher 7éphasage par l'inertie thermique du plancher (
Système solaire cominé 7SSC9 : chau""age A /CS




;;.C 7imensionnement

Hesoins d'eau chaude sanitaire #aible variation saisonnire du besoin 4ournalier  7épendent du comportement et de la présence de l'occupant l' occupant  7emandes courtes et importantes  +empérature dAentrée de lAeau lAeau dans le l e systme 2 de - $ J / (dépendant de la localité et de la saison)  +empérature dAeau en sortie du systme 2 -C $ P /  ircuit en boucle ouverte  5esoin instantané : 

B #CS = ˙m⋅C p⋅ T cnsigne−T fride   déperd déperditi itins ns des s$st%m s$st%mes es 8a température d"eau !roide n"est pas connue a priori9

%our maison individuelle 2 hauffe8au 9olaire ;ndividuel (89;)  %our immeuble 2 hauffeeau solaire collectif 



Hesoins de chauffage   

 

=ariation saisonnire importante 7emande continue +empérature délivrée 2 de E/ $ C/ (dépendant du systme dAémission et des conditions météorologiques) +empérature de retour 2 de JC/ $ -C/ ircuit en boucle fermée

Fvaluation des besoins par calcul



 

7es déperditions thermiques par les parois (conduction M rayonnement) 7es déperditions thermiques par renouvellement d'air


;.C 7imensionnement

:a ressource solaire



8&emple de courbe de charge Qone en pointillés 2 #raction  solarisable * des consommations

Source : T9 8et; 200< L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers


Rgles de dimensionnement 

Définition : « la fraction solaire solaire »  

%rincipe 2 le systme solaire thermique permet de diminuer la facture énergétique l e systmes raction solaire (#s)2 fraction des besoins énergétiques couverts par le solaire

s = énergie solaire utile B esoins 

=olume du ballon de stoc!age 







9i trop petit 2 pas asse de stoc!age 9i trop grand 2 pertes thermiques du ballon Sptimum environ C< litres G m J de capteur 7oit @tre plus volumineu& qu'un ballon traditionnel en raison rais on de l'intermittence de la source d'énergie

%lancher solaire 2


ompromis fraction solaire G aspects économiques G espace disponible pour le capteur



Rgles de dimensionnement dimensionnement 



:e rendement du systmes solaire sol aire dépend de lAensoleillement et de la température e&térieure

Chauffe eau solaire, productiité moenne    

Qone 0 (e&. 2 0llemagne) 2 E $ - !IhGm J Qone H (e&. 2 #rance) 2 - $ C !IhGm J Qone  (e&. 2 "rce) 2 C $ P !IhGm J #raction solaire plus élevée au sud quAau nord

utils pour le dimensionnement dimensionnement





Béthode S% par calcul mensuel, 9+H  



9S:SJ (9+H) Sutil en ligne sur le site tecsol.fr

Bodles de calcul dynamique 2  

+R019S: (issu de +R19T9) +rs bientt 2 Bodule 89 solaire de %léiadesMSB#;8



Srdre de grandeurs (pour la #rance) Chauffe-eau solaire :



   



5esoins 2 5esoins 2 4D(4 litres d?eau chaude par personne et par Eour ($ ($ C /) J %our - personnes 2 E $ C m de capteur et ballon de J $ E litres raction solaire 2 solaire 2 de (4 à 04 F (selon F (selon la one climatique) Capteur 2 orientation de sudouest $ sudest et inclinaison entre E/ et P/ ;nvestissement 2 pour - $ P mJ de capteur E V $ C - W ++ (ballon solaire seulement) M P W pour ballon biénergie

"st#me solaire combiné aec plancher solaire :



  





5esoins 2 5esoins 2 dépend des performances du b3timent (de < $ X J !IhGm JGan) < mJ pour V $ < m J de plancher chauffant, soit < $ J m J pour une maison individuelle raction solaire 2 solaire 2 de 2( à *4 F. F. limat idéal 2 froid et ensoleillé (Rhne0lpes, 0lsaceY), pour les autres climats 2 rentabilité assurée au printemps et $ lAautomne Capteur 2 2 orientation de sudouest $ sudest, inclinaison entre E/ et P/ (incliner $ P/ si l'on veut optimiser la performance lAhiver) 8&emple 2 maison avec < mJ de surface chauffée,

;;.P 0spect environnemental

Béthode de l'0nalyse de ycle de =ie (0=) Normes =SO >0>0 à > 0>  Un processus en  étapes  1$ )é"inition des oEecti"s 

 



7étermination du produit étudié, de sa fonction 2 le b3timent, avec une durée de +ie , un usage (tertiaire, logement,Y), et un niveau de con confo fort rt et et de sal salub ubrit rité é donn donnés és⇒
$tapes du ccle de ie d%un b&timent L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers


Béthode de l'0nalyse de ycle de =ie (0=) Normes =SO >0>0 à > 0>  Un processus en  étapes  1$ )é"inition des oEecti"s 

2$ In+entaire   



Relevé de tous les flu& de matires et dAénergie (en !N ou !g) Re4ets dans lAair, lAeau, le sol 7échets solides

#$ &nalyse des impacts 

0grégation des différents flu& flu& pour en déduire les indicateurs indicateurs dAimpacts       



%otentiel de réchauffement global Fpuisement des ressources 0cidification des eau&, eutrophisations des cours d'eau 7estruction de la couche d'oone %roduction de déchets to&iques ;mpacts sur la santé etc.

$ Interprétation des résultats et recherche d'améliorations d'améli orations



8&emple d'0= de chauffeeau solaire 

9ource 2 base de données ]!oinventare de l'8%#Q (Qurich)



Gypothèses de ase  

hauffeeau $ éléments séparés apteurs 6 apteurs plans vitrés intégrés en toiture 6 0bsorbeur en aluminium, rev@tement sélectif chromé 6 ouverture 2 double vitrage

 



Fchangeur incorporé, appoint électrique incorporé #raction solaire 2 -C ? (9uisse ou moitié nord de la #rance)

)eu- cas de "igure : maison indi+iduelle et logement collecti"



8&emple d'0= de chauffeeau solaire %es di""érentes étapes du cycle de +ie considérées :



  

  



la fabrication des capteurs la fabrication du ballon de stoc!age la fabrication des autres composants (pompe, échangeur, vase d'e&pansion, appoint) le montage et la fabrication des tuyauteries la phase d'utilisation la dépose et le traitement des déchets

:e  bouquet * de production product ion électrique européen de <>>- a été considéré pour l'électricité utilisée pour la production des composants.   

production thermique hydrocarbures 2 -[? production thermique nucléaire 2 EV? production hydroélectrique 2


+emps de retour énergétique du chauffeeau solaire 6aisonnement en énergie primaire





\ypothse sur l'énergie substituée par le solaire 2 ga 

 

Fnergie primaire pour < !Ih de ga 2 <,CP !Ih 8%

\ypothse sur la durée de vie 2 entre
89; 2  !Ih 8%



;nstallation collective 2 P [C !Ih 8%

6ésultats moyens sur la durée de +ie du système





+emps de retour énergétique dAun chauffeeau solaire





!emps de 6etour Hnergétique L temps nécessaire pour que le systme produise autant dAénergie primaire que ce qu'il a fallu consommer pour sa fabrication Fnergie annuellement substituée par le solaire 2 





+emps de retour 2  



89; 2 J P- & <,CP L - <<[,- !Ih 8% ;nstallation collective 2 G -<<[ L E,[ années ;nstallation collective 2 P[C G J EPP L E années

9i durée de vie L J ans, alors économie de 2 89; 2 -,E fois l'énergie primaire nécessaire $ sa fabrication. ;nstallation collective 2 C,P fois l'énergie primaire nécessaire $ sa fabrication.  



+emps de retour S J dAun dAun chauffeeau solaire



 

;mpact en SJ des systmes 2 

89; 2 < C<- !g S J



;nstallation collective 2 - >CE !g SJ

;mpact dA< !Ih ga en émission de ga $ effet de serre 2 ,J[< !gG!Ih !emps de 6etour C2  



89; 2 24( années ;nstallation collective 2 1#( année

9i durée de vie L J ans :e 89; permet dAéviter  fois la quantité quantité de ga $ effet de serre émise émise pendant sa fabrication ( 1#0 fois pour lAinstallation collective) 



9elon cette étude, < m J de capteur solaire thermique permet dAéviter de re4eter annuellement dans lAatmosphre 124 !g de ga $ effet de serre


;;.V onte&te industriel

0u niveau européen européen Parc solaire européen 7)





9urface installée (toutes technologies confondues) 2  

 



EJ,C !mJ %révisions trs inférieures au& ob4ectifs du :ivre Hlanc de la ommission 8uropéenne 2 < !m J en J< -,J millions de m J installés en J> (légre baisse G J[) roissance annuelle J> des surfaces 2 M <- ? (en ( en #rance M<[ ?)

:es technologies installées en J> 2   

[V ? 2 apteurs vitrés plan > ? 2 apteurs vitrés sous vide - ? 2 apteurs non vitrés

Principau- industriels européens



0llemands 2 =iessman, 9ch^co, +hermosolar, 9olvis, 9olvis, etc.  0utriche 2 "R881one+8 "R881one+8 (capteurs)  #rance 2 lipsol (capteurs), "iordano (hauffeeau) 



%arc solaire européen (U8) de 14 à 2440



=nstallations annuelles en ?9E9@ Suisse #capteurs vitrés%

=nstallations annuelles en France #source : EST=F% L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers


:es pays européens les plus équipés

8es pa-s les plus é(uipés en ?9E9 #@ Suisse% #source : EST=F% L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers


onte&tes locau& /n /spagne 2 _digo +écnico de la 8dificaci_n, impose P? d'89 solaire sur les b3timents neufs  /n &llemagne 2 9olaire thermique obligatoire dans certaines municipalités (Barburg,...) 0rr@t des subventions au& systmes syst mes solaires depuis mai J< (crise)  /n rance 2 démarrage récent (J-) avec les aides publiques (aide 078B8 puis crédits d'impts d'imp ts (C ?)) Solaire thermique oligatoire dans les départements d'utreD@er depuis a+ril 244 

%lus d'info 2 ```.estif.org, ```.observer.org ```.observer.org L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers

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