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D'avance merci. Service technique Sebasol Vaud.
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| Date : 16.12.2003 De : Service technique Sebasol VD |
Pertes en démarrage d'une installation | Bonjour,
Le phénomène que vous décrivez est commun à toutes les installations solaires thermiques en eau chaude sanitaire avec effectivement un impact plus grand si l'installation est petite. En appoint chauffage le refroidissement de l'eau dans la ligne solaire profite au chauffage de la maison, on ne peut donc le considérer comme une perte, de la même manière que les pertes du chauffe-eau n'en sont pas en entre-saison et en hiver, vu qu'elles profitent également au chauffage.
Parenthèse : ce genre de détail est souvent ignoré dans les calculs de rendement solaires thermiques des installations en appoint chauffage. Même chez nous, il y a une pensée "orthodoxe" qui décrète manu-militari que les installations en appoint chauffage "produisent nettement moins, voire rien de plus". Le gain en chauffage du aux pertets du chauffe-eau n'est pas faramineux, mais il ajoute au moins 30 kWh/m2 an au rendement annuel du m2 de capteur. Fin de la parenthèse.
Il est possible de prévoir une vanne 3-voies et un système de by-pass le temps que les tuyaux soient à nouveau chauds effectivement. Pour un tel système, cf. l'image annexée tirée des schémas technique d'une des régulations couramment utilisées ici. Le système fonctionne ainsi : tant que la température de l'eau dans les lignes n'est pas suffisante, la vanne 3-voies court-circuite l'échangeur du chauffe-eau et renvoie le tout dans les capteurs.
L'essentiel est de savoir si la modification ou la complexification envisagée, au vu du prix qu'elle coûte, vaut la peine des kWh gagnés. A priori, si pendant quelques minutes vous chargez le boiler dans l'eau froide qui était dormante dans les tuyaux, cela a peu d'importance si le système ne s'arrête pas.
Imaginons une installation petite, par exemple 3m2, réglée à un débit de l'ordre de 30 l/m2 h. Donc son débit est de 90l/h soit 0.025l/sec soit 0.25E-3 m3/sec. Imaginons ensuite que cette installation soit à 40 ml aller du chauffe-eau (ce qui est énorme) et que le tube soit en DN15 (soit 13mm intérieur, ce qui est gros pour une installation aussi petite). Dans ces 40ml de lignes il y a donc envrion 5.3L d'eau. Ces 5L d'eau sont transités en 5/0.025 = 212 secondes, soit env. 4 minutes.
Donc pendant 4 minutes de l'eau à la température de la pièce soit 20°C, va transiter par l'échangeur et piquer de la chaleur au lieu d'en apporter au chauffe-eau. Imaginons à présent que ce chauffe-eau soit à 60°C au niveau de l'échangeur parce 1) il a fait beau le jour précédent et que 2) personne n'a consommé d'eau le soir d'avant, donc le deltaT de piquage de la chaleur est de 40°C et la puissance de piquage est de Rho Débit Cp deltaT soit
1E3 (env. kg/m3) x 0.025 * 1E-3 (m3/sec) x 3.88E3 (J/kg K, à 35% de glycol) x 40 (K) = 3880 W = 3.9kW soit donc en 4 mn, 0.25 kWh de perdus sur le volume du chauffe-eau affecté en décharge par l'échangeur
Car l'eau affectée en décharge dans le chauffe-eau n'est pas toute l'eau du chauffe-eau, mais celle qui se situe au-dessous de l'entrée de l'échangeur. L'eau en-dessus n'est pas affectée car elle ne va pas descendre se mélanger à l'eau de dessous qui se refroidit, ceci du fait que l'eau chaude monte (phénomènes que nous abordons au cours solaire thermique et qu'on appelle stratification). Donc l'eau chaude d'en dessus y reste et en termes de qualité de température pour l'usage de l'eau chaude sanitaire, il n'y a pas dans un premier temps (en l'absence de tirage) de baisse de qualité ni consommation d'électricité ou d'énergie fossile additionnelle car la température au-dessus n'est pas affectée.
Note : s'il y a eu consommation d'eau le soir précédent alors l'eau du fond de la cuve, soit au niveau de l'échangeur, est froide. Le delta de piquage est alors nul, et il n'y a ni gain ni perte. On voit donc à quel point les hypothèses de travail sont pessimistes.
Reste à savoir à présent quelle volume d'eau est affecté par l'échangeur lorsqu'il est utilisé en "décharge" (de la même manière qu'on fait circuler l'eau dans les capteurs la nuit pour décharger le bas du chauffe-eau et lutter contre la surchauffe du jour suivant, ce qu'on appelle du "refroidissement nocturne"). Cela dépend évidemment du volume total du chauffe-eau. En général, l'entrée de l'échangeur solaire dans un chauffe-eau "universel" colonne se trouve à env. 2/5 de la hauteur. Continuons donc avec notre petite installation et imaginons que le volume total du chauffe-eau soit de 300L. Donc le volume déchargé est de 120 litres.
Note : lorsque nous utilisons les termes "petits" nous nous référons à des installations du type standard suisse et non pas français. Sur France, pour pouvoir vendre le solaire, les installateurs posent encore beaucoup d'installations "très petites" qui ne permettent pas d'autonomie d'été à une famille de 4 personnes et constituent de ce fait à notre point de vue du "bidon" environnemental. Définition : autonomie d'été = arrêt total et définitif de la chaudière/du corps de chauffe électrique de mai à septembre et économie d'un ramonage = le cauchemar d'un vendeur de mazout ou d'électricité.
La perte sur ces 120 litres est donc de 0.25 kWh x 3.6E6 (J/kWh) / [4160 J/kgK (pour l'eau) x 120 (volume)] = 1.8°C soit donc 2°C sur les 120 litres du bas. Voilà pour la perte.
A présent le temps. Vous semblez préoccupé par le fait que le phénomène pourrait se répéter plusieurs fois dans la journée. L'examen des données météo montre que ce genre de temps spécifiquement "embêtant" pour l'installation solaire est peu fréquent. De manière générale, soit il y a assez de radiation pour assurer un fonctionnement continu, soit ce n'est pas le cas et à ce moment, vu que l'installation ne fonctionne pas, il n'y a ni gain ni perte. En outre, dans le cas d'une journée instable, si vos lignes sont correctement isolées, vu la capacité calorifique de l'eau, la température mettra un certain temps à descendre (dans le cas contraire, on vous a vendu du kra-kra en matière d'isolation de lignes) et il est fort probable qu'elle n'aura pas beaucoup baissé au moment où l'installation solaire redémarrera. L'un dans l'autre, on négligera ce cas peu fréquent des "journées yoyo" pour se concentrer sur celui de la journées normale, qui a en outre l'avantage d'être plus facilement estimable. Pour faire bon poids, on va continuer dans le pessimisme.
Imaginons qu'on a une journée relativement mauvaise mais stable, à savoir que si le soleil se décide à briller même pas trop il ne change pas d'avis toutes les 4 minutes pour vous embêter. Disons que pendant ce temps, le champ solaire reçoit une énergie globale direct+diffus de 400W, ce qui n'est pas énorme, donc cela fait 1.2 kW sur le champ. Continuons d'être méchants et disons nous que l'eau dans le chauffe-eau au niveau de l'échangeur est suffisamment chaude pour réduire à 50% le rendement global de l'installation, ce qui est très méchant en particulier pour des capteurs sous vide, mais soit. Négligeons aussi le fait que le fond de la cuve a baissé de 2°C ce qui augmente un poil le rendement des capteurs. Il nous reste donc 0.6kW de puissance de charge. Comme auparavant pendant 4mn on a eu 3.9 kW de puissance de décharge, le temps pendant lequel l'installation solaire doit tourner pour regagner cette décharge est de 3.9/0.6 x 4 = 26 minutes. Ce temps va bien sûr diminuer si la puissance qui tombe du ciel augmente, si le rendement est meilleur du fait que la température du chauffe-eau est plus basse, les lignes plus courtes etc. Nous faisons là une estimation en continuant de prendre ces fameuses valeurs pessimistes.
Et finalement le coût. Imaginons que votre modification résout le problème en le transformant en perte 0 au lieu de perte 0.25 kW et ceci tous les jours de l'année, ce qui n'est pas "méchant", mais tout simplement assassin au vu des remarques précédentes.
On a donc une perte annuelle non désirée de 365 x 0.25 kWh = 91 kWh/an, ce qui représente pour un rendement de 500kWh/m2 an communément accepté pour une installation avec des capteurs plans vitrés (mais c'est peu pour du sous-vide, dont le rendement est habituellement de 30% supérieur au plan vitré en moyenne annuelle. Nota : 30%, pas 100% comme le proclament certains vendeurs!) une proportion de 91/ 1500 = 6%. Pour récupérer ces 6% il faut environ 350.- de matériel (vanne 3-voies, régulation avec fonction appropriée, pièces intermédiaires, vannes, matos électrique, sondes etc.) et du travail que vous assumez en autoconstruction à 0.- car sinon le coût explose. Soit donc total 350.- qui permettent de gagner 91 kWh sur 20 ans soit 1820 kWh et donc le coût du kWh gagné est de 350/1820 = 20 centimes sans prise en compte d'annuités et autres intérêts. En comparaison le coût de votre kWh produit par l'installation solaire que vous avez payée disons 10'000.- (francs suisses) net après subvention (continuons à être méchants) et qui produit 1409 kWh/m2 an (3x500-91) est de 10000/28180 = 35 centimes dans les mêmes conditions. Le coût du kWh gagné par votre réparation est donc moins cher que le coût du kWh produit, ce qui rend la mesure à priori intéressante, mais tout en gardant à l'esprit qu'ont été prises les hypothèses parmi les plus pessimistes pour la perte et donc les plus optimistes pour le coût du kWh économisé. Il suffit par exemple que la perte annuelle moyenne soit moitié moindre pour que le coût du kWh économisé double, que le rendement de l'installation solaire soit meilleur, les lignes plus courtes plus petites, que les gens consomment les 2/5 du chauffe-eau le soir en moyenne etc... pour que cela cesse d'être si intéressant.
Et nous sommes dans le cas d'une petite installation. Si l'installation est plus grande, le volume dans les tubes augmente mais les facteurs de dimensionnement font que la surface du champ augmente d'avantage (on peut rester en DN15 jusqu'à 6m2, en DN18/16 jusqu'à 15m2 ce qui revient à dire que l'on multiplie par 5 la puissance de charge alors que la perte par augmentation du volume intérieur des lignes n'augmente que de 50%, donc le temps de rattrapage de l'énergie perdue diminue par 3) et cela cesse définitivement d'être intéressant même dans le pire des cas.
Avec nos salutations ensoleillées
Le Nain dans les tuyaux
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