Transcript Dimensionnement Solaire thermique

Objectifs
Déterminer pour un projet d’énergie renouvelable :
 Sa faisabilité
 Sa rentabilité financière
 Son bénéfice « effet de serre ».
Méthode
Données
Géographiques
Météo
Installation
Coût
Etude
Matériel
Main d’oeuvre
Système de référence
Estimation :
Économie
ou
Production
énergétique
Estimation :
Coût de
l’installation
kWh/an
Estimation :
Bénéfice
Effet de serre
TCO2/an
€
Données financières
Aides financières
Analyse
financière
TRI
VAN
Données géographiques
 1- Google Earth
 2- Geoportail
Données météo
 1- Météonorm
 2-
Analyse de l’installation
1. Etude des pentes de toits
2. Etude de la structure
3. Etude en mairie (bâtiments de France)
Estimation de la production
1. Etude des ombrages (Carnaval…)
2. Estimation logicielle
1. Tsol
2. SimSOl
3. Solo 2000
4. CASSSC
5. …
Bénéfice « effet de serre »
 Retscreen
 TSOL
Coût de l’installation
 1: PV : 7€/Wc posé
 2 :ST: 700 à 1000€/m² posé
Ou 350€/m²+2€/litre+5000€(fournitures et main
d’œuvre)
Données financières
 TVA
 Apport initial
 Taux d’inflation
 Dérive du prix des énergies
 Durée du projet
 Durés de emprunt
 Taux d’intérêt

Aides financières
 Crédit impôt
 http://www.impots.gouv.fr/
 50% du matériel
 Aide (région …)
 http://www.enerplan.asso.fr/
Analyse financières
 TR : taux de retour sur investissement
 VAN : Valeur actuelle nette
 TRI : taux de rentabilité interne
 ….
Dimensionnement solaire
thermique
Approche des ordres de grandeur
Problème
Déphasage entre le besoin et
la demande
Nécessité de stocker la chaleur
Avec un rendement optimum
Synoptique
Quels besoins en ECS ? Quel Stockage?
Evaluation du besoin en eau chaude
sanitaire (à 55°):
• 20 à 30 l/pers dans les grands
ensembles résidentiels (100l/logt)
• Crèches : 10 l/enfant
• Camping / gymnases : 12 l/douche
• Retraites: 40l/lit
Problème : grosse disparité et
forte baisse lors du maximum
d’apport solaire
Influence du stockage?
Quelle surface de capteurs ?
1 m² de capteur pour 40 litres pour les régions Nord
1 m² pour 50 litres pour le Centre
1 m² pour 60 litres pour les régions sud
Le ballon solaire sera dimensionné de façon à ce
que son volume, exprimé en litres, soit au
minimum égal à 50 fois la surface en m² des
capteurs solaires
Objectif
•Taux de couverture des besoins : 40 à 60%
•Productivité : 400 à 600 kWh/m².an
Chez Clipsol : S capteur = 8% S chauffée
+
1m² / personne
Remarque: Prendre en compte les surchauffes estivales.
Influence de la surface de capteurs ?
Quel échangeur?
La présence d’un échangeur entraîne une baisse du
rendement global du système car elle provoque,
toutes choses étant égales par ailleurs, une
augmentation de la température de l’eau dans les
capteurs, et donc une augmentation des pertes
thermiques des capteurs d’où un choix d’échangeur
à efficacité élevée.
Chaud
Tce
On veillera à ce que cette baisse de rendement ne
dépasse pas 5% soit un coefficient de transfert
thermique de l’échangeur de
100 W/°C (par m² de capteur)
minimum.
Froid
Tfs
Tcs
Tfe
T
Tce
Tmax
Tcs
TL
Tfe
Te
T0
Tfs
H
Influence échangeur?
•Un composant crucial parfois
mal dimensionné
•Dimensionnement spécifique
au solaire (Attention aux
données constructeur)
•Choisir une efficacité élevée
(0,6 à 0,8)
Quels circulateurs?
Les débits de fluide couramment utilisés varient de 40 à 70 l/h par m² de
capteur solaire.
La puissance du moteur de la pompe (en W) est déterminée par la relation :
K Q  H  r  g
P
R
avec :
Q : débit nominal (m3/s) ;
H : hauteur manométrique en mètres de colonne d’eau, calculée en tenant compte des pertes de
charge du circuit et de la nature du fluide caloporteur ;
r : masse volumique du fluide caloporteur (kg/m3) ;
g : accélération de la pesanteur (9,81m/s2) ;
R : rendement de l’ensemble pompe/moteur, qui devra être supérieur à 0,8.
K est un coefficient de surpuissance (sans dimension) compris entre 1,15 et 1,25 pour s’affranchir
des pertes de charge dues à l’entartrage (circuit secondaire) ou à la variation de
viscosité du fluide caloporteur (circuit primaire).
Quelle tuyauterie ?
Si l’on respecte la contrainte de vitesse de circulation (1m/s), on peut
calculer de façon approximative le diamètre intérieur de la tuyauterie à
partir de l’équation suivante :
Q
Di  33.3
 r
avec :
Di : diamètre intérieur du tuyau (mm);
Q : débit nominal (l/h)
r : masse volumique du fluide (kg/m3) ;
Bilan technique
Plus un capteur est chaud, moins il est efficace
Concevoir des régulations qui donnent priorité au circuit le plus froid
La partie solaire doit être dimensionnée pour atteindre l'économie d'énergie
"optimale"
Raisonner "systèmes" et pas seulement « composants »
Systèmes solaires thermiques :
Ne produit pas de l'énergie thermique
Mais Économise de l'énergie d'appoint
•Mieux vaut sousdimensionner les capteurs solaires en cas de doute
•Pas trop quand même : sinon la part des coûts fixes augmente !
•Ne pas surdimensionner les ballons de stockage
•Mieux vaut surdimensionner l'échangeur de chaleur
•Attention à ne pas surdimensionner canalisations et pompes (investissement,
consommations d'électricité)
L'appoint doit être dimensionné comme s'il n'y avait pas de solaire, notamment
puissance des émetteurs de chaleur si chauffage, puissancede la production d'eau
chaude sanitaire, puissance du générateur
Critères économiques
Taux de couverture en énergie utile
Quelle est la part des besoins thermiques (eau chaude sanitaire
et/ou chauffage) couverts par l'énergie solaire?
Besoins ECS
temp eau froide
Cap calo
volume eau/j (m3)
temp eau chaude
Déperdition ballon (W/°C)
Prix du kWhelec
Prix du kWhgaz
10
4185
0,16 Energie utile/an
2716 kWh
50
2 Energie perdue/an
701 kWh
Total
3416 kWh
0,0515 €
cout elec annuel
175,94 €
0,0470 €
cout gaz annuel
160,57 €
Critères économiques
Taux de couverture en énergie utile
Quelle est la part des besoins thermiques (eau chaude sanitaire
et/ou chauffage) couverts par l'énergie solaire?
FECS
Production solaire utile

Besoin eau chaudesanitaire
200 l/j à 50°C
330 jours /an
2680 kWh
Apport solaire : 1600 kWh
Surface capteurs : 4 m²
Taux de couverture des besoins = 1600 / 2680 = 59,7 %
Productivité = 1600 / 4 = 400 kWh/m².an
Critères économiques
Taux d’économie en énergie utile
Quelle est la part des besoins thermiques (eau chaude sanitaire
et/ou chauffage) couverts par l'énergie solaire?
CSS  C AS
C AS
FSAV ,therm 
 1
CSS
CSS
Css : Consommation d’énergie d’appoint
d’une installation de référence non
solaire
CAS : Consommation d’énergie d’appoint
de l’installation solaire
FSAV ,ext  1 
C AS 
WAS
CSS 
WSS
el
el
Critères économiques
Productivité
Quantité d'énergie (solaire ou économisée) par m² de capteurs
solaires :
Quantité d'énergie (solaire ou
économisée) par m² de capteurs
solaires :
de 200 à 800 kWh/m² selon utilisation,
climat, dimensionnement, etc
Surface A en m²
Prod : en kWh/m² et par an
Prod utile
FECS  BECS Psu


A
A
Prod éco
Eéco CSS  C AS


A
A
Indicateurs de rentabilité
Cout du kWh économisé
< cout du kWh classique
Donc
Cout du kWh économisé < 7 c€/kWh
Production > 400 kWh /m2par an
Investissements < 2,25€/kWh par an
Coûts spécifiques: CESI
Le coût d’une installation complète pour un
Cesi (capteurs, ballon, régulation,
raccordements), pour une famille de 3 ou 4
personnes, équipée de 3 à 5 m2 et d’un ballon
de 200 à 300 litres, est compris entre 3 800 et
5 800 €, pose comprise. Mais les aides
publiques en diminuent largement le coût.
Coût du m² installé : 700 €/m²
stockage compris
Stockage 4000€/m3
Ou 350€/m²+2€/litre de stockage + 5000€
(fournitures et main d’œuvre)
Coûts spécifiques
SSC
Le SSC coûte, pour sa part, environ 10 000 €
10 m2 de capteurs, surface chauffée de 70 m2
et de l’ordre de 25 000 € pour une plus grande
20 m2 de capteurs et 150 m2 de surface chauffée
Il faut, là aussi, noter que le crédit d’impôt efface le
surcoût d’une solution plancher chauffant
traditionnel.
Solaire collectif: Hotels F1 groupe Accor
Matériel installation mise en route :
800 €/m²
pour 100 chambres ;
60 m² ;
48000€ -23000€ d’aides du fond chaleur
TRI : 10-15 ans
Coûts spécifiques
• Le coût des capteurs posés représente 30 à 50 % du coût travaux
• 320 à 550 € HT/m², selon la complexité de la pose
(sur châssis, intégration en toiture, sur-toiture)
dont pose : 50 à 100 €/m² selon la difficulté
• Ballons
• Ballon acier : 1,5 € HT/l posé à partir de 1000 l
• Ballon inox : 2,2 € HT/l posé à partir de 1000 l
• Echangeurs
• 50 kW : 1000 €
• 100 kW : 1200 €
• 350 kW : 1500 €
• Canalisations
• Entre 20 et 40 € /ml posé suivant le diamètre et la nature de
l’isolation.
Coûts spécifiques
• Module de transfert (pompe,…)
•Entre 1000 et 2000 € pour le matériel, même écart pour la
pose.
• Régulation
• Entre 1000 et 3000 € pour le matériel.
• Coût de l'ingénierie : entre 10 et 17 % du coût travaux
• Entretien:
• 0,5% de l’investissement
• Consommation des pompes
• Surcoûts possibles :
• Création de local technique
• Liaisons capteurs / local technique compliquées (grandes
distances, changement de bâtiment, tranchées)
• Adaptation toiture
Evolution des coûts, fraction solaire..par surface de
capteur
• Coûts de la chaleur solaire (c€/kWh)
Bilan
Plus un capteur est chaud, moins il est efficace
Concevoir des régulations qui donnent priorité au circuit le plus froid
Raisonner "systèmes" et pas seulement « composants »
Systèmes solaires thermiques :
Produit de l'énergie thermique
Économise de l'énergie d'appoint
•Mieux vaut sous dimensionner les capteurs solaires en cas de doute
•Ne pas sur dimensionner les ballons de stockage
•Mieux vaut sur dimensionner l'échangeur de chaleur
•Attention à ne pas sur dimensionner canalisations et pompes (investissement,
consommations d'électricité)
Aides financières
• l’État rembourse 50 % du matériel (certifié) (pose non comprise) sous la
forme d’un crédit d’impôt
Pour les installations d’envergure
•AdemeInterlocuteur privilégié, gérant des fonds chaleurs (960 M€ sur 20092011 renouvelables) où les applications utilisant la biomasse, les PAC sur
eau et les installations solaires thermiques (>25 m² avec contrôle des
performances).
•Contrats de Plan Etat Région (CPER) 2007-2013
•Feder ( Fond européen de Développement Régional)
•Enerplan
TSol
 Nouveau projet
TSol
 Choix du type de système
Choix de système
TSol
 Profil des besoins en ECS
 Météo
TSol
 Dégrossir le projet:
Assistant d’étude
fixer le duo capteur-stockage
Pour spécifier rapidement le cahier
des charges de l’installation cliquer
sur l’assistant d’étude
Ce qui permet de spécifier une
installation
On spécifie :
•Les besoins en ECS
•Les types de capteur
•Taux de couverture
•Le chauffage d’appoint
•3 types de ballons envisagés
La simulation permet de faire
son choix.
TSol
 Affiner le projet
TSol
 Affiner le projet ……
Choix du capteur
De son inclinaison et orientation
De sa tuyauterie
Sa surface, ses paramètres  et K
Son ombrage
Ou d’un modèle connu
TSol
 Simulation et graphiques
Graphe des simulations
Simulation
8 courbes max
Calcul de rentabilité
TSol
 Simulation financières
 paramètres
 investissement
s
 Financements
 Frais d’exploitation
 Economies
Retscreen
 Données
 géographiques
Retscreen
 Choix des panneaux
Retscreen
 Choix panneaux stockage
Retscreen
 Compléter les données
Retscreen
 Finalisation
Retscreen
 Analyse financière
Retscreen
 Finalisation
Solo 2000
Zone géographique et station
météo la plus proche
Capteur
Vitré
Sous vide
Sans vitrage
Mode de calcul des déperditions en
fonction du calorifugeage
Liste de choix de capteur
Fin de liste personnalisable
Caractéristique du capteur choisi
Rendement optique
Constante K
Résultats instantanés
Lexique financier

1  qn
S a
1 q
aq+aq²+aq3+…+qn
Coût d’un prêt
Un capital K de 1000 € prêtés à un taux de 4% /an sur une durée de 15 ans nécessitera un
remboursement annuel R
L’année 0 : capital restant du
 K  R  1 t 
L’année 1 : capital restant du  K  R   1  t   R   1  t 
L’année 2 : capital restant du K  1  t   R  1  t   R  1  t   R  1  t 
3
Au bout de n années le capital restant dû
doit tomber à 0 donc
3
2
1
1  1  t 
n
K  1  t   R
0
1  1  t 
n
Lexique financier
 Fonction Excel, toute faite
 Taux d’actualisation dépression du billet de 100€
(du à la baisse du pouvoir d’achat, à la montée des
prix , à l’inflation )