Les techniques solaires Systme solaire combin SSC Version
Les techniques solaires Système solaire combiné (SSC) Version janvier 2012 4
Les capteurs solaires Système solaire combiné (SSC)
Performance ¡Les performances fonction de 3 paramètres : Caractéristiques du capteur ( 0, a 1 et a 2) La température d’entrée du capteur (T 1) Ressource disponible (H) T 2 H [W/m 2] T 1 0 : facteur optique, donnés par les avis techniques H : irradiation solaire en W/m² a 1 et a 2 : déperditions du capteur, donnés par les avis techniques Tm : température moyenne du capteur (T 1 + T 2) / 2 Text : température extérieure SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 3
Les caractéristiques du capteur SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 4
Les caractéristiques du capteur ¡Bilan thermique SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 5
en W/(m². K) Les caractéristiques du capteur Rapport des pertes thermiques en fonction du type de capteur 25 20 15 10 5 1 20 à 25 Capteur non vitré type piscine 5à 8 Capteur vitré absorbeur non sélectif 4à 6 Capteur vitré absorbeur sélectif 1à 2 Capteur Sous vide a 1, a 2 varient fortement en fonction du type de capteur SSC – Chap. 5 : Rappel sur les techniques solaires (version de janvier 2011) 6
Les caractéristiques du capteur Courbes de rendement, ramenées à la surface d’entrée, de capteurs solaires thermiques pour un ensoleillement de 1000 W/m². Utilisation piscine Utilisation CESI & SSC Capteur moquette Utilisation climatisation Capteur sous vide Capteur plan très performant. Capteur plan moyennement performant Capteur plan peu performant SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 7
La température de retour du capteur Influence de la température en entrée sur le rendement du capteur (toutes choses égales par ailleurs) Rendement d’autant meilleur que les pertes sont faibles, pertes qui augmentent avec l’augmentation de température du capteur SSC – Chap. 5 : Rappel sur les techniques solaires (version de janvier 2011) 8
La température de retour du capteur Rendement 60% Rendement 35% SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 9
La température de retour du capteur Hypothèse de fonctionnement E = 700 W/m 2 Text = 0°C 100% 90% 80% Rendement 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Tm en °C 0% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Radiateurs (régime 70/50 °C) Radiateurs (régime 60/40 °C) Plancher chauffant (pas de 20 régime 38/31 °C) 200 SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 10
La ressource disponible ¡ Rayonnement global sur une surface inclinée à 60 ° et orientée plein sud en k. Wh/(m². j) Paris Lille Orléans Lyon Bordeaux Grenoble Perpignan Source : INES & AFPA Toulon SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 11
La gestion des excédents d’énergie ¡La phase de stagnation ètempérature maxi soutenable par le fluide (et le capteur) Peut être atteinte si : ensoleillement important et constant en période estivale, inclinaison du capteur faible volume de stockage faible combiné à une consommation d’ECS faible surface de capteurs surdimensionnée circulateur solaire s’arrête (action de la régulation) ou endommagé SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 12
La gestion des excédents d’énergie ¡La phase de stagnation Différentes étapes : n° 1 Montée en température du fluide n° 2 Vaporisation du fluide n° 3 Surchauffe de la vapeur = PHASE CRITIQUE stress thermique du fluide vieillissement prématuré du fluide stress et vieillissement prématuré du capteur et de l'installation n° 4 Condensation lors du refroidissement Fluide solaire vieilli source : Tyfocor SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 13
La gestion des excédents d’énergie ¡Limiter les phénomènes de vaporisation et de vieillissement : Bon dimensionnement Favoriser une forte inclinaison des capteurs Boucle primaire à pression élevée Drainage gravitaire (auto vidangeable ou drainback ) Boucle de décharge automatique Recirculation nocturne Système d’occultation automatique SSC – Chap. 3 : Le système solaire combiné : généralités (version de janvier 2011) 14
Favoriser une forte inclinaison des capteurs ¡Impact de l’inclinaison sur les performances è Favoriser une forte inclinaison des capteurs : Optimise la récupération en période de chauffe Minimise la récupération en période estivale Diminue les risques de montée en température SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 15
Favoriser une forte inclinaison des capteurs Source : AFPA SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 16
Favoriser une forte inclinaison des capteurs ¡Impact de l’inclinaison sur la surchauffe et les températures de stagnation Inclinaison de 60° Inclinaison de 45° Inclinaison de 30° 120 Nombre d'heures 100 Evolution des températures en sortie de capteurs pour différentes inclinaisons (hors période de chauffage) 80 60 40 20 0 140 150 160 170 Température dans le capteur (°C) 180 190 source : COSTIC SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 17
Boucle primaire à pression élevée Plus on travaille à pression élevée, plus on décale le point de vaporisation et donc la fréquence de cet évènement. Température [°C] Pression de vaporisation [bar] 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 30% de teneur en glycol 0 0. 3 0. 8 1. 4 2. 3 3. 2 4. 4 5. 7 7. 2 8. 8 40% de teneur en glycol 0 0. 2 0. 6 1. 2 2 2. 9 4 5. 2 6. 6 8. 1 Néanmoins plus on vaporise à température élevée plus la dégradation du fluide caloporteur est importante. Il existe donc 2 stratégies chez les fabricants : Certains travaillent à basse pression. Certains travaillent à haute pression. SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 18
Drainage gravitaire ¡La solution auto vidangeable ou “drainback”) SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 19
Drainage gravitaire ¡Avantages Si utilisation en tout eau : propriétés de transfert thermique meilleures, meilleur marché et facilement disponible, circuit des capteurs solaires n'est en général pas soumis à pressions élevées (diminution des risques de fuites), circuit hydraulique simplifié (moins de composants sensibles), Pas de problème de dégradation d’un fluide caloporteur par surchauffes. Protection même en cas de coupure de courant. SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 20
Drainage gravitaire ¡Inconvénients moins de flexibilité dans le choix du capteur solaire et dans son positionnement. une attention particulière pour la conception et l'installation du circuit des capteurs (aucune contre pente dans le cas de fonctionnement toute eau sans antigel). pompe du circuit primaire devant lutter contre des hauteurs manométriques importantes. SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 21
Boucle de décharge thermique ¡Avantages température de l’absorbeur maximale pouvant être atteinte est relativement basse (de l’ordre de 80 -90°C) protection du fluide caloporteur protection du revêtement de l’absorbeur § Inconvénients coût d’investissement encombrement de la boucle de décharge il existe une petite consommation d'électricité Pas de protection en cas de coupure de courant. SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 22
Recirculation nocturne Vaporisation dans le capteur T(°C) 140° T° maxi pour la sécurité du capteur T° pour la protection du fluide 120° 95° T° sécurité pour le stockage 75° T° maxi acceptée pour le stockage Marche arrêt PROTECTION CAPTEUR PROTECTION BALLON REFROIDISSEMENT NOCTURNE SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 23
Recirculation nocturne Irradiation (W/m²) Températures (°C) température ballon (°C) refroidissement nocturne Irradiation (W/m²) température extérieure (°C) 120 2000 110 1800 1600 90 1400 80 1200 70 1000 60 800 50 600 40 400 30 20 0 05 -avr 06 -avr 07 -avr 08 -avr 09 -avr 10 -avr 11 -avr SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 24
La pose des capteurs ¡Différents montages CESI SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 25
La pose des capteurs SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 26
La pose des capteurs ¡Les capteurs en surimposition SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 27
La pose des capteurs ¡Les capteurs en surimposition Fixation permettant de relever les capteurs sur le toit Attention : aux ancrages ! à l’aspect architectural aux autorisations de travaux à l’aspect visuel pour les voisins Il existe des supports fournis par les fabricants SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 28
La pose des capteurs ¡Les capteurs sur châssis Attention aux plantations devant les capteurs SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 29
La pose des capteurs ¡Les capteurs sur châssis SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 30
La pose des capteurs ¡Les capteurs en intégration Avec des modules photovoltaïques… SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 31
La pose des capteurs ¡Les capteurs en intégration SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 32
La pose des capteurs ¡Les capteurs en intégration POUR aspect esthétique (intégration de l’épaisseur des panneaux dans l’épaisseur du toit, raccordement hydraulique intégralement réalisé sous l’étanchéité des capteurs), acceptation facilitée lors de la déclaration de travaux (PLU et ABF), rapprochement des plombiers et des couvreurs favorisant la bonne mise en œuvre de l’installation, économie non négligeable dans le neuf sur le coût de la couverture. Pas de soucis de détérioration de l’isolant. SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 33
La pose des capteurs ¡Les capteurs en intégration CONTRE DTU 65. 12 applicable qu’aux installations de capteurs solaires indépendants, l’installateur doit se référer à l'avis technique couverture du capteur choisi, surcoût non négligeable dans l’existant sur la pose des capteurs, double compétence pour le plombier chauffagiste (obligation de compétences en couverture ou co-traitance), se reporter à la pente minimale déclarée dans les Avis Techniques difficulté d’une bonne étanchéité pour des faibles pentes difficulté d'accès pour contrôle des raccords. SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 34
La pose des capteurs ¡Les capteurs en intégration Les risques et besoins en assurance Les capteurs solaires en intégration en faisant office de clos et couverture sont considérés comme des éléments constitutifs de l’ouvrage (responsabilité décennale). L’obligation d’assurance est assortie de sanctions pénales pour ceux qui ne souscrivent pas les garanties nécessaires. Elle court à compter de la réception pour une durée de 10 ans. Les contrats de sous-traitance répercutent généralement «contractuellement» cette responsabilité sur les sous-traitants. Les contrats sont délivrés, chantier par chantier, au vu d’un dossier complet comportant une description détaillée de l’ouvrage, des renseignements concernant les différents intervenants… SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 35
Raccordement d’un champ de capteurs Contrairement aux CESI qui ont souvent 1 à 2 capteurs, plus rarement 3, les SSC ont souvent 4 à 8 capteurs à raccorder entre eux. Ces raccordements sont conformes aux prescriptions du fabricant. Exemples de raccordements SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 36
Raccordement d’un champ de capteurs Exemples de raccordements SSC – Chap. 4 : Les techniques solaires (version de janvier 2011) 37
La boucle de captage Système solaire combiné (SSC)
Spécificités du solaire ¡S’assurer de la résistance effective des équipements installés aux niveaux de température et de pression pouvant être atteints : è pour tous les équipements situés sur le circuit de « retour » , la plage de température de fonctionnement généralement considérée est de – 10°C à +120°C. è pour les purgeurs d’air en sortie de capteurs (si présents), la plage de température de fonctionnement considérée est généralement de – 10°C à au moins 150°C. è la pression maximale pour le circuit de « retour » dépend de la pression de tarage de la soupape de sécurité installée. ¡S’assurer de la compatibilité des équipements installés, avec le liquide caloporteur utilisé 39
Les capteurs solaires ¡Matériaux à utiliser: • Capteurs sous Avis Technique (ou équivalent) • Supports des capteurs conformes aux règles NV 65 et N 84 • Caractéristiques de sécurité incendie considérée (caractéristiques propres de la couverture) • Parties métalliques des supports protégées contre la corrosion ¡Dimensionnement équipement: • 1 m² pour 1 000 k. Wh de besoins annuels (chauffage+ ECS) 40
Canalisations ¡Matériaux à utiliser INOX ou CUIVRE Ne jamais utiliser du tube PER ou multicouche. Risque de dégradation rapide avec les températures ! Flexibles inox, doubles, isolés, avec câble pour la sonde capteurs. DN 12, 16, 20, 25, 32, 40. Au détail ou en couronne de 15, 20, 25 ou 30 mètres … 41
Canalisations ¡Dimensionnement équipement Les tuyauteries du circuit primaire doivent être d’un diamètre suffisant pour permettre la circulation du fluide caloporteur au débit recommandé, en général 40 à 70 L/h par m² de capteur, avec une vitesse de circulation vue ci -dessous: Voir aussi les prescriptions des fabricants et leurs recommandations. Tableau pour le tube INOX annelé. Tableau pour le tube cuivre. Source : centre d’information du cuivre 42
Isolation des canalisations ¡Matériaux à utiliser SAVOIR : Dans les installations solaires les isolants seront toujours de qualité haute température, protégés anti-ultraviolet et d’épaisseur minimum 19 mm Isolant haute température avec un traitement antiultraviolet pour une pose en extérieur Isolation de chaufferies 43
Isolation des canalisations ¡ Pertes thermiques le long des canalisations en W/(ml. K) Tube INOX annelé Tube cuivre Exemple: Surface capteurs : 12 m² Apport solaire brut : 5 200 k. Wh / an Isolation LM : lambda 0, 04 W / (m. K) Longueur du circuit : 10 m aller / retour à l’extérieur plus 5 m aller / retour Diamètre cuivre des canalisations : 22 x 1 Épaisseur d’isolation Pertes % de l’énergie solaire annuelle Non isolé 461 k. Wh / an 8, 8 % 9 mm 194 k. Wh / an 3, 7 % 13 mm 162 k. Wh / an 3, 1 % 19 mm 135 k. Wh / an 2, 6 % Source AFPA 44
Circulateur ¡Matériaux à utiliser: • Résistant de – 10°C à +120°C et à la pression maximale ¡Dimensionnement équipement: • Pour vaincre les pertes de charge du circuit sous la vitesse de circulation maxi autorisée par l’implantation du circuit hydraulique • Les débits de fluide : 40 à 70 L/h par m² de capteur solaire • Se référer aux prescriptions du fabricant des capteurs ¡Emplacement équipement: • Sur le circuit « retour » • Pas en point bas 45
Clapet anti-thermosiphon ¡Matériaux à utiliser: • Résistant de – 10°C à +120°C et à la pression maximale ¡Emplacement équipement: • Intégré au groupe hydraulique • Au refoulement de la pompe • Inutile si l’installation est autovidangeable Un clapet anti-thermosiphon ne doit pas faire oublier la bonne pratique des lyres! Vanne ouverte Clapet opérationnel Vanne mi-ouverte Clapet désactivé Vanne fermée Clapet désactivé 46
Vases d’expansion fermés ¡ Une installation SSC contient 3 types de vase d’expansion : Vase chauffage Vase solaire CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES Pression de service 3 bar Pression d'épreuve 4, 5 bar Température d'utilisation 10°C / +95°C Vase sur socle de 80 à 1 000 litres Vase sanitaire CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES Pression de service 6 bar Pression d'épreuve 10 bar Température d'utilisation 0°C / +110°C Résiste aux additifs antigel jusqu’à 50 % 47
Vase d’expansion fermé ¡Matériaux à utiliser: • Adapté aux additifs antigel • Résistant de – 10°C à +120°C et à la pression maximale ¡Dimensionnement équipement: Volume net du vase d’expansion Volume de liquide dans le circuit primaire solaire Jusqu’à 5 m² 18 De 15 à 20 litres Jusqu’à 7 m² 25 De 18 à 30 litres Jusqu’à 10 m² 35 De 25 à 40 litres Jusqu’à 18 m² 60 De 45 à 65 litres Jusqu’à 25 m² 80 De 55 à 75 litres Jusqu’à 35 m² 100 De 70 à 90 litres Superficie capteurs Exemples de volume de vase en fonction de la surface de capteurs 48
Vase d’expansion fermé ¡Dimensionnement équipement: Pression de pré gonflage du vase Pression de tarage de la soupape Pression de fonctionnement SYSTEME Exemple 1 SYSTEME Exemple 2 SYSTEME Exemple 3 1. 2 bar 2. 5 bar 3 bar 6 bar 1. 5 bar 3 bar 4 bar Exemple de pression de fonctionnement en fonction de différente pression de tarage et de pré-gonflage 49
Vase d’expansion ¡Emplacement équipement: • Sur le circuit « retour » • A l’aspiration de la pompe • Raccordé vers le haut Pour une sollicitation moindre aux hautes températures: è Vase raccordé par le haut è canalisation de raccordement suffisamment longue (+ de 1 m) è Conduite de raccordement non isolée 50
Protection contre le gel § Pour: • la protection des équipements solaires contre les risques de gel • la protection anticorrosion • l’élévation du point d’ébullition Protection des installations solaires courante -25°C (à moduler suivant la zone géographique) Contrôle régulier du produit : limpidité, protection au froid et p. H è utilisation d’un liquide « prêt à l’emploi » recommandée è dosage conforme aux préconisations du fournisseur protection des installations solaires courante -25°C (à moduler suivant la zone géographique) è p. H du mélange compatible avec les matériaux en présence è caractéristiques du liquide renseignées en chaufferie 51
Circulation Point critique de l’installation solaire : la circulation du liquide caloporteur Attention ! Ne pas isoler la liaison au vase d’expansion 52
Dispositif de remplissage et de vidange ¡Vannes de remplissage et de vidange en point bas (avec dispositif d’obturation) ¡Pompe de remplissage manuelle ou électrique ¡Réservoir permettant de recueillir la totalité du liquide caloporteur ¡Dispositif de prélèvement du liquide caloporteur (maintenance) 53
Purgeur ¡Matériaux à utiliser: • Résistant de – 10°C à +150°C et à la pression maximale : attention à la technologie des capteurs utilisées ¡Emplacement équipement: • A l’endroit le plus élevé de l’installation • là où des phénomènes de siphon peuvent se produire è Préférer des purgeurs manuels (avec report en local technique) è Si utilisation de purgeur automatique : vanne d’isolement entre la canalisation et le purgeur maintenue fermée è Préconiser un séparateur d’air èL’utilisation d’un purgeur est inutile – si l’utilisation d'une pompe d'au moins 40 m de hauteur manométrique est choisie – si l’installation est autovidangeable 54
Purgeur Privilégier les purgeurs manuels en point haut des capteurs Si possible avec renvoi en local accessible Bouteille de purge en sortie des capteurs avec purgeur manuel, isolation et habillage 55
La soupape de sécurité ¡Matériaux à utiliser: • Résistant de – 10°C à +120°C et à la pression maximale ¡Emplacement équipement: • Sur le circuit « retour » • Raccordée à un réservoir de récupération de capacité suffisante (=contenance en liquide des capteurs) et permettant d’éviter les projections de liquide (= raccord rigide) ¡Dimensionnement équipement • Tarée à une pression < à la pression maxi de service du capteur • P<H/10 +Pc – 0, 1 [bar] H: hauteur au dessus de la soupape Pc: pression de service admissible dans le champ de capteurs 56
Les joints ¡Les joints Le recours à des raccords à joint est à limiter au maximum; Utiliser des joints haute température; Utiliser de joints en graphite et non en fibres ou caoutchouc (dégradation dans le temps sous l’action de la chaleur); Préférer les raccords à portée conique. 57
Les vannes ¡Vanne de coupure : permet l’isolement d’équipements (attention à leur position pour la sécurité hydraulique) ¡Vanne d’équilibrage : permet d'équilibrer hydrauliquement le circuit ¡Vannes 3 voies en mélange et répartition : attention de vérifier l’autorité de ces vannes afin d’assurer la précision de la régulation 58
Instruments de mesure et de contrôle ¡Matériaux à utiliser: • Résistant de – 10°C à +120°C et à la pression maximale ¡Les instruments: • manomètre (placé sur le raccordement du vase ou de la soupape de sécurité); • dispositif de mesure de débit (débitmètre, manomètre); • dispositif d’isolement et de mise à la pression atmosphérique du vase d’expansion (poignée de manœuvre de la vanne d’isolement retirée); • thermomètres à l’entrée et à la sortie de l’échangeur. 59
Compteur de calories ¡La pose d’un compteur de calories sur le circuit solaire primaire est vivement conseillée. Source Caleffi En effet ce compteur permet de contrôler à chaque opération de maintenance que l’installation ne présente pas de défaut majeur, ce qui n’est pas possible autrement. Important : respecter les instructions de pose du fabricant 60
Les sondes ¡Les sondes de température Placer correctement la sonde capteur sur la sortie chaude du capteur solaire, à l’endroit préconisé par le fabricant. Contrôler que la sonde choisie soit adéquate : plage de température, précision de la mesure, stabilité, durabilité. Sonde à plongeur Source : caleffi Il est recommandé, d’enduire la sonde d’une pâte thermique pour améliorer le contact avec l’élément à mesurer. Protéger le câble de sonde en sortie de capteur contre les petits animaux et les intempéries (UV). Préférer les prolongements de câble avec une soudure (fer à souder) et protection par gaine thermo rétractable. 61
Les limiteurs de température ECS ¡Les limiteurs de température Sécurité vis à vis des risques de brûlures Arrêté du 30 novembre 2005 : température maximale aux points de puisage : – 50°C dans les pièces destinées à la toilette, – 60°C dans les autres pièces, – 90°C maxi pour la distribution dans les cuisines et buanderies des ERP (signalisation particulière) 62
Les limiteurs de température ¡Les limiteurs de température Sécurité vis à vis du risque légionelles Ne pas régler la température des ballons en dessous de 55 -60°C compte tenu du risque lié aux légionelles 63
Le dispositif de stockage solaire Système solaire combiné (SSC)
Le dispositif de stockage ¡Différents modèles de ballons 65
Le dispositif de stockage Les effets de la stratification dans les ballons de stockage 66
Le dispositif de stockage ¡Différents modèles de ballons 67
Le dispositif de stockage ¡Dimensionnement de l’équipement: 50 à 100 L par m² de capteurs pour l’hydro accumulation, 400 L (constant) pour stockage direct en dalle. ¡Optimal pour l’hydro accumulation : Vstockage = 160 L/m² Scapteur …mais performances peu sensibles à ce ratio …diminution de performance de 6% pour un ratio de 50 [L/m²] Attention : influence importante pour un ratio < 50 l/m² 68
- Slides: 68