Expérimentation de capteurs solaires thermiques peu

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GROUPE DE RECHERCHES ECOLOGIQUS DE LA BAIE
Expérimentation de capteurs
solaires thermiques peu coûteux
et intégrés au bâtiment
Rapport de stage – Master 2 Génie de l’habitat
Université Paul Sabatier – TOULOUSE III
Tuteur universitaire : Mlle Sandra Spagnol
Maitre de stage : Mr Patrick Déry
Pierre MOLLIER
01/08/2011
Présentation d’une méthodologie de mesure et d’analyse de performance de capteurs solaires thermiques
peu coûteux et intégrés au bâtiment.
Remerciements
Je tiens à remercier et à témoigner ma reconnaissance à toutes les personnes intégrant le Groupe
de Recherches Ecologiques de la Baie, pour leur accueil et pour cette expérience très enrichissante, pleine
d’intérêt, aussi bien d’un point de vue personnel que professionnel.
Je remercie tout particulièrement mon tuteur de stage, Monsieur Patrick Déry, pour son accueil,
ses conseils, sa patience et pour m’avoir fait partager son expérience, ses idées, ses compétences et pour
le temps qu’il m’a consacré.
Je remercie également ma tutrice universitaire Mlle Spagnol, Monsieur Bertaud, Madame Lartigue
et Madame Thellier pour leurs suivis et leur présence malgré la distance.
De plus j’adresse mes remerciements à l’université Paul Sabatier, département Génie de l’habitat, à l’ensemble des professeurs et intervenants et avant tout, à toute l’équipe pédagogique, pour ces trois
heureuses années d’enseignements et de collaboration. Je n’oublie pas non plus mes camarades de promotion 2010/2011, fort dynamique et fédérée !
SOMMAIRE
Remerciements ................................................................................................................................................ 1
I/
Présentation du GREB .............................................................................................................................. 1
1.1 Le GREB, Groupe de Recherches Ecologiques de la Baie ....................................................................... 1
1.2 L’équipe du GREB ................................................................................................................................... 1
1.3 La recherche de solutions....................................................................................................................... 1
1.4 Domaines d’intervention ........................................................................................................................ 2
1.5 Travail réalisé au sein du GREB.............................................................................................................. 2
1.5.1 Evaluation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment ....................... 2
1.5.2 Evaluation de la captation de la chaleur excédentaire d’une serre par fluide caloporteur............ 3
II/
Intérêt de développer des capteurs solaires thermiques peu coûteux au Québec ................................. 4
2.1 Introduction ............................................................................................................................................ 4
2.2 Contexte au Québec : du potentiel solaire mais très peu d’incitation................................................... 4
2.2.1 Le Québec : un potentiel solaire intéressant .................................................................................. 4
2.2.2 Le solaire thermique Québécois bénéficie d’une aide financière peu populaire ........................... 5
2.3 Auto-construction de capteurs solaires peu coûteux en réponse à ces contraintes ............................. 6
2.4 L’énergie solaire thermique accessible à tous ....................................................................................... 7
III/
Méthodologie de mesure et d’analyse des capteurs solaires thermiques du GREB............................ 7
3.1 Proposition de protocole et d’analyse des mesures ............................................................................. 8
3.2 Journée de mesure ................................................................................................................................. 8
3.2.1 Conditions nécessaires des mesures en laboratoire ...................................................................... 8
3.2.2 Limites et contraintes des mesures in-situ :.................................................................................... 9
3.3 Condition générale de mesures (mesures effectuées et appareils utilisés) ........................................ 10
3.4 Acquisition de données et calibration des entrées ............................................................................. 11
3.5 Mémorisation des données ................................................................................................................. 11
3.6 Traitement des données et calcul du rendement ............................................................................... 11
3.7 Détermination des caractéristiques du capteur en fonction des courbes de rendement et
comparaison ............................................................................................................................................... 11
3.8 Détermination de la production de chaleur et de l’intérêt économique ............................................ 13
3.9 Archivages des données ...................................................................................................................... 13
IV/
Expérimentation des capteurs solaires thermiques du GREB ............................................................ 14
4.1 Description du 1er Prototype ............................................................................................................... 14
4.1.1 Composition du capteur ............................................................................................................... 14
4.1.2 Description du réseau ................................................................................................................... 15
4.2 Recueil de mesures et analyse du premier capteur ............................................................................ 16
4.2.1 Détermination du rendement du 1er capteur............................................................................... 17
4.2.2 Comparaison aux systèmes conventionnels ................................................................................ 17
4.2.3 Optimisation visant la réalisation et l’évaluation d’un second capteur ....................................... 18
4.3 Réalisation et évaluation du 2nd capteur optimisé ................................................................................... 19
4.3.1 Description du 2nd capteur ........................................................................................................... 19
4.3.2 Montage et réalisation du 2nd capteur ......................................................................................... 20
4.3.3 Détermination du rendement et des caractéristiques du 2nd capteur ......................................... 21
4.4 Analyse des productions d’ECS et de l’intérêt économique ................................................................ 24
4.4.1 Détermination des besoins........................................................................................................... 24
4.4.2 Détermination de la production solaire d’eau chaude sanitaire................................................. 24
4.4.3 Détermination de l’intérêt économique ..................................................................................... 27
4.4.4 Caractéristiques du capteur GREB ............................................................................................... 28
V/
Perspectives d’avenir et conclusion ................................................................................................... 29
ANNEXES......................................................................................................................................................... 30
ANNEXE 1 : La calibration des mesures ...................................................................................................... 31
ANNEXE 2 : Caractéristique de la couverture transparente polycarbonate .................................................. 34
ANNEXE 3 : Caractéristique appareils de mesure .......................................................................................... 36
Annexe 3.1 : Température extérieure ........................................................................................................ 36
Annexe 3.2 : Température en entrée et sortie de capteur ........................................................................ 37
Annexe 3.3 : Rayonnement solaire global .................................................................................................. 37
ANNEXE 4 : Nuage de points caractéristique des rendements des prototypes ............................................. 38
ANNEXE 5 : Informations générales et efficacité du capteur modèle............................................................ 39
G32-P .............................................................................................................................................................. 39
ANNEXE 6 : Représentation graphique surfacique du rendement ................................................................ 44
ANNEXE 7 : Evolution de la température du réservoir durant une journée de mesure représentative.
Prototype 2 ..................................................................................................................................................... 45
ANNEXE 8 : Descriptif quantitatif et prix des capteurs GREB ......................................................................... 46
Bibliographie générale ................................................................................................................................... 47
Expérimentation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment
I/
2011
Présentation du GREB
1.1 Le GREB, Groupe de Recherches Ecologiques de la Baie
Le GREB (Groupe de Recherches Ecologique de la Baie) a débuté ses opérations en 1990. Il est
constitué sous la forme d’un organisme à but non-lucratif (OBNL) dont la mission est de favoriser l’essor d’un mode de vie écologiquement, socialement et économiquement viable. Cette recherche s’effectue avec une forte préoccupation pour une occupation et un développement rationnels du territoire. Les trois
axes d’intervention du GREB sont les suivants : recherche, expérimentation, éducation et action civique.
La spécificité du GREB consiste en l’application dans la vie quotidienne des solutions élaborées par les chercheurs. En mettant directement en œuvre les solutions préconisées, il est possible d’en découvrir non seulement les forces et les avantages mais aussi les obstacles, les difficultés et les failles. Les
réalisations à l’actif du GREB ont donc passé le test de la pratique et de la vie et ce, tant du point de vue
technique et économique que du point de vue social et psychologique.
Le GREB regroupe un certain nombre d’entités juridiques et physiques, liées ou non au site de l’Écohameau de La Baie dont le GREB est fondateur. Ainsi, sont mis en réseau au sein du GREB la
coopérative de consommateurs du GREB, la ferme expérimentale Les Vallons de Chambreule, des
individus, des organismes et des entreprises. Les membres du GREB élaborent la vision et les concepts qui
les réunissent en son sein et qui motivent leur action.
1.2 L’équipe du GREB
Président : Patrick Déry, B.Sc., M.Sc, physicien. Domaines : analyses et politiques énergétiques, projets
d’énergies renouvelables, analyses des méthodes agricoles, d’aménagement du territoire et d’urbanisme au regard de l’énergétique.
Vice-président : Pierre Gilbert, chargé de projet. Domaines : construction en paille technique du GREB,
foyers de masse thermique, conférences.
Secrétaire : Dominique Coulombe, B.A. communication. Domaines : communication publique,
représentation, éducation traditionnelle et alternative, art-thérapie.
Trésorière : Marie-Thérèse Thévard, agricultrice. Domaines : éducation alternative, jardinage écologique
Martin Simard, B.A. architecture. Domaines : design architectural, ébénisterie.
Pascal Gagnon, B. Sc. Informatique. Domaines : marketing, relocalisation économique, économie postpétrolière.
Mario Girard, B.Sc., M.Sc. physicien. Domaines : matériaux composites, modélisation, microturbines
hydrauliques, moteurs stirling, projets d’énergies renouvelables.
1.3 La recherche de solutions
Le GREB recherche des solutions concrètes aux problèmes environnementaux, économiques et
sociaux, qu’ils soient locaux ou globaux. Applicables dans la vie quotidienne, ces solutions concernent le
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Mollier Pierre – Master Génie de l’habitat, UPS Toulouse – Stagiaire au GREB
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plus souvent les modes de vie (adaptation sociale aux problèmes) mais elles sont aussi souvent techniques
ou technologiques (adaptation technique aux problèmes).
Le seul point de vue économique n’est pas viable à moyen et long terme car, généralement, les conséquences sont reportées sur les générations futures. Aussi, les solutions «toutes technologiques» ne
garantissent pas non plus la viabilité à long terme de nos sociétés, si les habitudes de vie et les structures
de fonctionnement ne sont pas repensées en profondeur.
Au GREB, la recherche et l’expérimentation de solutions viables à la société dans son ensemble est une préoccupation constante. Chaque solution sociale, technique ou technologique est expérimentée de façon
concrète et quotidienne par des chercheurs, ce qui permet d’en évaluer autant les avantages que les obstacles, une condition essentielle pour déterminer les conditions réelles d’application. Ces solutions
expérimentées quotidiennement touchent notamment l’énergie (sources alternatives, efficacité
énergétique, habitudes de consommation…), l’aménagement du territoire (urbanisme écologique, écohameaux et écovillages, transport…), l’architecture (construction bioclimatique solaire, cycle de vie des matériaux, mécanique du bâtiment…) et l’agroalimentaire (agriculture de proximité, maintien de la
fertilité, alimentation de saison…).
De plus, le GREB réalise des études pour divers clients et ce, autant pour des projets concrets que pour
des questions touchant les politiques énergétiques, agricoles ou d’aménagement du territoire.
1.4 Domaines d’intervention
Le GREB développe la recherche et des expérimentations sur les thèmes des énergies
renouvelables (bois-énergie, biocarburants, micro-hydroélectricité, solaire passif et thermique, éolien,
etc.), de l’habitat et de l’architecture écologiques (bioclimatique, efficacité énergétique), des écohameaux,
du développement rural et local, de l’occupation et de l’ aménagement du territoire, des économies
territoriales, de l’agriculture paysanne, biologique, écologique et durable et des modes de vie
écologique (simplicité volontaire, sobriété), de l’alimentation locale et saine etc…
Il réalise également des actions publiques et civiques dans les domaines de l’architecture, l’énergie, les
ressources renouvelables et non renouvelables, les transports, le développement territorial, l’agriculture,
la foresterie, les modes de vie et santé, les approches communautaires, la sécurité alimentaire et la
biosécurité et la gouvernance locale
1.5 Travail réalisé au sein du GREB
1.5.1 Evaluation de capteurs solaires thermiques peu coûteux et intégrés au bâtiment
-
Méthodologie ;
Instrumentation ;
Mesures expérimentales sur le premier capteur ;
Design d’un second capteur ;
Fabrication second capteur ;
Mesures expérimentales sur le second capteur ;
Réalisation de deux feuilles de calcul pour la simulation de la production d’ECS.
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Pierre Mollier – Master 2 Génie de l’habitat, UPS Toulouse – Stagiaire au GREB
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1.5.2 Evaluation de la captation de la chaleur excédentaire d’une serre par fluide caloporteur
-
Méthodologie ;
Instrumentation ;
Mesures expérimentales ;
Ajustements du système de captation en place ;
Réalisation d’une feuille de calcul pour simulation de la production d’eau chaude pour pisciculture et/ou piscine.
Ce rapport de stage traite du projet lié à l’évaluation de capteurs solaires thermiques peu couteux et
intégrés à la toiture de l’un des bâtiments multifonctionnels du GREB.
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2011
II/ Intérêt de développer des capteurs solaires thermiques peu
coûteux au Québec
2.1 Introduction
Ce rapport porte sur la
conception,
la
réalisation
et
l’évaluation énergétique et économique de capteurs solaires peu
couteux, intégrés au bâtiment et
réalisé par le GREB. Le document
présente
tout d’abord la méthodologie suivie pour effectuer les
mesures, permettant l’analyse des
performances et une comparaison
avec des systèmes conventionnels équivalents et une méthode de réalisation. L’objectif est avant tout
d’évaluer la pertinence d’une telle réalisation, ses avantages et ses inconvénients, condition essentielle pour déterminer ses possibilités réelles d’applications. L’analyse se portera tout d’abord, sur la présentation et l’évaluation du rendement d’un premier capteur thermique, déjà conçu à mon arrivée
(voir photo ci-contre). L’analyse de ce premier capteur permet d’évaluer un premier niveau de
performance, rapidement utilisé comme base pour la réalisation d’un second capteur optimisé, sur lequel se portera l’analyse principale.
Le concepteur d’un système de chauffage solaire a besoin de données sur le rendement thermique des capteurs pour deux raisons : d’abord, ces données sont utilisées pour classer les capteurs par valeur, facteur déterminant pour leur sélection ensuite, ces données sont indispensables
au niveau même de leur conception. Plus spécifiquement, ces données servent à déterminer le format de
la batterie de capteurs nécessaires pour satisfaire à une demande de chauffage particulière. L’objectif du GREB est de donner libre accès à cette technologie, de basse complexité pour permettre le déploiement
de l’énergie solaire thermique sur l’ensemble du territoire québécois notamment dans les milieux ruraux.
L’intérêt est tout d’abord de proposer une solution alternative à une énergie « gratuite » bien trop
inaccessible au Québec ; le solaire thermique résidentiel. En effet, l’achat et l’installation de capteurs
solaires thermiques trop couteux, corrélée à des aides financières insuffisantes et un coût de l’énergie
faible, ne favorise guère l’essor du solaire thermique résidentiel au Québec.
De plus, le contexte environnemental actuel d’épuisement des énergies fossiles, laisse présager une forte
augmentation du coût de ces systèmes aussi bien pour leur fabrication, transport qu’au niveau de la maintenance. Ceci s’applique particulièrement en zones rurales, ou l’impact économique et
environnemental lié au transport et à la maintenance des systèmes accroissent le surcoût. L’enjeu est donc de permettre à tous, l’accès à une énergie propre et très peu coûteuse, facilement accessible (afin de
limiter son impact environnementale et économique, tout en garantissant un certain niveau de
performance) et réalisable, dans un pays comme le Québec, où le potentiel solaire est très intéressant.
2.2 Contexte au Québec : du potentiel solaire mais très peu d’incitation
2.2.1 Le Québec : un potentiel solaire intéressant
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Le Québec possède des ressources solaires tout à fait intéressantes et suffisantes pour le
développement du solaire thermique. Cependant, cette filière est largement en retard par rapport à grand
nombre de pays Européens qui, pour autant, ne profite pas d’une quantité d’ensoleillement aussi importante qu’au Québec. Le potentiel photovoltaïque atteints plus de 1100 kWh/kW au Québec, alors
qu’il est d’environ 850 kWh/kW à Berlin ou à Tokyo (voir tableau 1 suivant), capitales de deux pays qui font
figure de pionniers dans ce domaine. Ce tableau, relatif au potentiel photovoltaïque (PV) et non au solaire
thermique, permet tout de même d’indiquer de niveau du potentiel solaire du Québec.
Figure 1 : Classement PV des municipalités en fonction du potentiel PV annuel (panneau PV orienté vers le sud avec
inclinaison=latitude) 1
Le Québec profite de fait d’un niveau d’ensoleillement enviable. Selon la Société de l’énergie solaire du Canada, Montréal enregistre un potentiel photovoltaïque annuel de 1 185 kilowatts/heure
(kWh) sur une surface plane. C’est beaucoup plus que Londres (728 kWh) ou Paris (938 kWh). Berlin, capitale de la République fédérale d’Allemagne, et pays phare de l’énergie solaire, ne totalise que 848
kWh. « Il ne faut pas confondre température élevée et potentiel solaire². À titre de comparaison, Rio de
Janeiro, avec 1 253 kWh, n’affiche qu’une performance à peine supérieure à Québec ou Montréal » selon Jean-Pierre Desjardins. Les conditions d’ensoleillement sont donc tout à fait suffisantes pour l’utilisation d’un chauffe-eau solaire.
Malgré son climat rigoureux, le Québec bénéficie donc d’un niveau d’ensoleillement élevé, même en hiver.
Le potentiel est là, il suffit donc d’en tirer le meilleur parti, au meilleur coût possible, puisque même les
incitations financières gouvernementales, ne suffisent pas pour le moment, à développer cette filière. En
effet, les coûts de fabrication mais surtout les frais d’installation bien trop élevés ;
2.2.2 Le solaire thermique Québécois bénéficie d’une aide financière peu populaire
Le retard du solaire thermique au Québec est dû en majeure partie au laxisme des gouvernements
fédéraux et provinciaux à investir dans la recherche et le développement de la filière solaire. Le peu de
sensibilisation des Québécois à l'énergie solaire, obnubilés par l'hydroélectricité bon marché et
1
Cartes d’ensoleillement et du potentiel d’énergie solaire photovoltaïque du Canada : https://glfc.cfsnet.nfis.org/mapserver/pv/rank.php?lang=f4
² Portail du bâtiment durable au Québec : http://www.voirvert.ca/nouvelles/dossiers/le-ciel-s%E2%80%99eclaircit-pour-l%E2%80%99energiesolaire-au-quebec
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directement accessible, explique aussi pourquoi le Québec est si en retard dans ce domaine. De plus, le
Québec compte peu de vendeurs et d’installateurs d’équipements d’énergie solaire thermique, ce qui
explique en grande partie des coûts d’installation si élevés. Ainsi le potentiel de retombées locales est très
faible tout d’abord au niveau de l’installation mais aussi pour la fabrication, les équipements étant
fabriqués en quasi-totalité, si ce n’est totalement, à l’extérieur du Québec.
L'énergie solaire est généralement méconnue et laissée pour compte par les programmes
gouvernementaux de développement des énergies renouvelables au Québec. Cependant, en juin 2009, un
programme de subventions à l'achat de chauffe-eau solaires à été lancé par l'Agence de l'efficacité
énergétique (AEE) pour tenter de développer ce domaine au Québec, mais celui-ci n'a pas connu le succès
espéré. L’Agence de l’efficacité énergétique espérait recruter 600 clients. Au terme du projet, soit plus
d’un an plus tard, seulement 70 systèmes étaient installés. Le programme n’a pas fonctionné à cause d’un coût d’achat et d’installation beaucoup plus élevé que prévu pour cette technologie avec un retour sur
investissement alors estimé à 36 ans1 ! Ce flop est principalement lié au manque d’installateurs qualifiés et
à une technologie trop coûteuse comme nous l’avons vu précédemment.
Le développement de cette filière solaire se bute ainsi à trois grands obstacles :

La croyance populaire d’un Québec, patrie du froid où le potentiel solaire est perçu comme faible
ou inexistant ;

La grande disponibilité de l’hydroélectricité, une ressource renouvelable et très peu coûteuse ;

La quasi-absence d’incitatifs gouvernementaux qui, lorsqu’ils existent, requiert de fortes
exigences, augmentant d’autant plus les coûts investis.
2.3 Auto-construction de capteurs solaires peu coûteux en réponse à ces
contraintes
Ce projet d’auto-construction de capteurs solaires thermiques peu coûteux du GREB, répond
parfaitement à ces problématiques en proposant une « low-technologie » accessible à tous. La production
de capteurs solaires thermiques toujours plus performants nécessite une forte consommation d’énergie, de la production au transport jusqu'à l’implantation. Ce rapport présente l’évaluation de capteurs solaires
thermiques, réalisables par des personnes qualifiées ou non, en utilisant des matériaux accessibles afin de
limiter l’impact environnemental et économique d’une telle conception, tout en garantissant un certain
niveau de performance. Leur intégration au bâti est une condition principale de leur implantation puisque
cela permet de réduire fortement les coûts d’investissement : l’isolant et la tôle architecturale faisant
office d’absorbeur sont compris dans le prix de la toiture. Ainsi l’objectif est de définir une construction simple avec des matériaux accessibles, un niveau de performance, pour une bonne durée de vie et une
faible maintenance.
En effet, les enjeux technologiques concernent des questions de diminution de coûts d’installation
principalement mais également de fabrication (avec l’augmentation continue du prix des énergies fossiles),
permettant de réduire le temps d’amortissement de ces systèmes, dans un pays comme le Québec où le
potentiel solaire est satisfaisant. Le moyen le plus significatif pour réduire au maximum les coûts de
production et d’installation, tout en limitant l’impact environnemental lié à la conception et au transport
de ces systèmes, serait alors de les produire localement par le biais d’ateliers coopératifs, d’ouvriers de la
1
Chauffe-eau solaire : flop d’un projet vert : http://www.protegez-vous.ca/maison-et-environnement/chauffe-eau-solaire-flop.html
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construction, de petites entreprises locales ou par le particulier suffisamment habile. Cela permettrait de
développer le potentiel socio-économique encore inexploité, du solaire thermique au Québec.
2.4 L’énergie solaire thermique accessible à tous
Le GREB, association à but non lucratif, à choisi d’investir ses propres fonds dans cette recherche pour permettre un libre accès à l’énergie solaire thermique au Québec. En effet les retombées financières
directe de ce type de recherche sont faibles voire nulles, elles ne permettent donc pas de financer le
projet en lui-même. Ceci n’intéresse pas les plus gros laboratoires de recherche qui quand à eux,
nécessitent des investisseurs et donc des retombées financières. Ainsi il n’est pas possible d’investir et d’utiliser une méthode et des appareils équivalents à ceux de plus grands laboratoires certifiant les capteurs solaires thermiques mais il est cependant, fortement possible de s’en inspirer. Au Québec, ce
type de recherche n’est pas finançable, puisque l’objectif n’est pas d’obtenir des bénéfices mais d’aider simplement la population à faire eux même les choses (empowerment ou autonomisation), en
l’occurrence subvenir à ses propres besoins énergétiques. La population en milieu rural perd ses
possibilités d’accéder de façon durable à l’énergie, les aides au développement rural étant faibles. Ce type de recherche peut donc s’apparenter à de la recherche sociale ou communautaire. La finalité serait de
permettre le développement de micro entreprises capables de réalisées ses propres capteurs, voire même
de réaliser et de fournir d’autres systèmes de production d’énergie, accessibles, efficaces et économiques. Ceci permettrait alors un réel développement social et économique des zones rurales concernées.
Cette étude pourrait également être développée à plus grande échelle et s’appliquer à d’autres
pays, comme ceux en voie de développement, où l’accès à l’énergie est bien souvent limité ou inexistant,
ou dans des pays industrialisés où le prix de l’énergie est bien plus important qu’au Québec. L’objectif du GREB est donc de fournir une méthode de conception et d’analyse des performances de ces capteurs, afin
d’évaluer leurs pertinences et leurs domaines d’application.
III/ Méthodologie de mesure et d’analyse des capteurs solaires thermiques du GREB
L’objectif de ce chapitre est de présenter une méthode d’analyse pour que cette étude soit
reproductible dans le temps, en vue d’une amélioration continue des capteurs proposés.
Afin de déterminer au mieux les performances des capteurs solaires thermique réalisés par le
GREB, il est important de proposer une méthode de mesure et d’analyse, simple, rigoureuse mais également peu couteuse. Ainsi le GREB s’inspire des méthodes d’analyse effectuées dans les laboratoires
(NITS et ASHRAE) certifiant les capteurs solaires conventionnels, pour réaliser ces mesures et analyses et
ainsi permettre une certaine compatibilité des résultats. Voici, dans un premier temps, le protocole suivis
pour les mesures dans d’autres laboratoires, puis au GREB, les appareils utilisés ainsi que les méthodes de
calculs de rendement et de production annuelle.
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3.1 Proposition de protocole et d’analyse des mesures
• Journée de mesure (voir §3.1.2) et relevé des différentes mesures (voir §3.1.3).
Relevé des • T°C ambiante, T°C capteur, rayonnement global, débit.
mesures
• Acquisition des données par système d'acquisition DATAQ Instrument (voir §3.1.4).
Acquisition
de donnée • Conversion et calibration des tensions mesurées selon l'unité souhaitée.
calibration
• Vérification des calibrations et visualisation des mesures.
Mémorisati • Analyse des mesures et mémorisation des données sur logiciel Windaq (voir §3.1.5).
on des
données
• Traitement des données sur tableur Excel , logicel MATlab (voir § 3.1.6)
Traitement • Détermination des rendements, déduction des caractéristiques du capteur et des productions et
des
comparaison avec d'autres capteur sconventionnels (voir §3.1.7 ; 3.1.8 et 3.1.9).
données
• Tenu du cahier de laboratoire tout au long des expérimentations.
Archivage • Rédaction de rapport en vue de la publication.
3.2 Journée de mesure
3.2.1 Conditions nécessaires des mesures en laboratoire
Les caractéristiques du rendement thermique d'un capteur peuvent être calculées par analyse, en
utilisant les propriétés optiques et les propriétés de transfert de chaleur connues des éléments
constituants ou encore de façon expérimentale. Comme de nombreux capteurs commerciaux sont
fabriqués à partir de matériaux et de méthodes qui ne sont pas adéquatement décrits au point de vue
transfert de chaleur et propriétés optiques, il est maintenant pratique courante de déterminer les
caractéristiques de rendement thermique des capteurs de façon expérimentale, au moyen de
rayonnement solaire naturel ou simulé.
Les matériaux utilisés pour la conception des capteurs thermiques du GREB sont obtenus
localement, leurs propriétés optiques et thermiques ne sont jamais clairement définies, c’est pourquoi les rendements sont uniquement déterminés par des mesures expérimentales sur rayonnement solaire
naturel sur une ou plusieurs journées de mesures.
Le calcul des caractéristiques de rendement thermique d'un capteur a d'abord été formalisé par le
National Bureau of Standards en 1974 (aujourd’hui nommé NITS) avec une méthode de mesure extérieure.
Ainsi, leurs essais statiques sont pratiqués pour une gamme de température du fluide caloporteur à
l'entrée du capteur, dans des conditions de rayonnement clair et constant, le soleil étant près de son
azimut ou lorsque le rayonnement solaire est presque normal à la surface du capteur. Il est reconnu que
les caractéristiques d'un capteur déterminées à partir de l'angle d'incidence presque nul, ne représentent
pas fidèlement le comportement d'un capteur en fonctionnement normal, parce que l’angle d’incidence varie selon l’heure du jour. Pour pallier cette déficience, I'American Society of Heating, Refrigerating and
Air Conditioning Engineers (ASHRAE), a mis au point la norme ASHRAE 93-77, pour les essais thermiques
des capteurs. La méthode est similaire à celle du NITS, mais elle comprend aussi un essai intérieur pour
déterminer les variations du rendement du capteur avec l’angle d'incidence et un autre pour déterminer le
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temps de réponse thermique du capteur. Les deux méthodes, NITS et ASHRAE, sont loin d'être idéales
pour le Canada parce que les conditions requises pour les essais (journées claires et ensoleillées, vents
légers et réflexion du sol faible) ne se produisent que rarement au Canada, particulièrement en hiver. Il
convient de considérer deux autres méthodes d'essai pour les conditions canadiennes. Il s'agit de la
méthode et de la simulation solaire intérieure. La méthode ASE, mise au point en Allemagne, comprend un
essai extérieur pour déterminer l'efficacité maximale du capteur et un essai thermique intérieur, pour
déterminer les coefficients de perte thermique (voir 3.3.7).
3.2.2 Limites et contraintes des mesures in-situ :
Le GREB s’inspire ainsi de ces différentes méthodes pour réaliser ses propres journées de mesures.
En effet, de nombreuses contraintes ne permettent pas de les reproduire dans l’exactitude. Tout d’abord, les limites de budget et le fait, que les capteurs sont testés sur leur lieu d’implantation, intégrés au
bâtiment, ne permet pas d’effectuer des mesures intérieures et extérieures sur bancs d’essais. La détermination du rendement est représentative de la réalité puisque les mesures sont effectuées sur le
site d’implantation en extérieur, en mode de fonctionnement normal, lors de journées complètes. Le
rayonnement et les angles d’incidence sont ainsi variables et représentatif du fonctionnement d’utilisation réel du capteur et non en condition optimales, sous un rayonnement simulé en laboratoire. Cependant, Il
est important de noter que les capteurs du GREB sont installés selon une orientation à 30° sud-est
réduisant tout de même les performances du capteur à hauteur de 5 % environ1 par rapport au test
effectué en laboratoire avec une orientation plein sud. C’est pourquoi les rendements obtenus pour nos mesures en champ seront inférieurs à celles obtenus en laboratoire, mais s’approcheront suffisamment
de la réalité, avec des mesures en condition réelles. Il est important de prendre ainsi du recul lors de la
comparaison avec des produits conventionnels testés en laboratoire. Un autre inconvénient provient du
nombre important de variables lors des journées de mesure : le rayonnement, la température ambiante, la
température intérieure du capteur, soit la quasi-totalité des valeurs nécessaires pour la détermination du
rendement. Il faut donc parfois réaliser plusieurs journées de mesure avant d’obtenir des résultats significatifs. Une journée de mesure a même été effectuée sur deux autres capteurs conventionnels (un
capteur plan et un sous-vide), installés sur le site du GREB et ce pour permettre une corrélation entre les
performances obtenues avec des produits conventionnels analysés sur site, et les prototypes du GREB. Ces
journées de mesures nécessitent une présence particulière continue tout au long de la journée pour
l’acquisition des données et non donc pas pu être renouvelées. Elles n’ont malheureusement pas permis
d’obtenir des résultats significatifs en raison de condition météorologique particulière durant cette journée.
a) Contraintes sur le rayonnement
Les mesures sont effectuées l’été 2011, durant le mois de juin et de juillet, lors de journées claires
pour obtenir le rayonnement maximum et lorsque le soleil est proche du solstice d’été pour s’approcher ainsi au mieux du rayonnement maximum simulé en laboratoire (1000 W/m²). Le budget limité lié à ce
type d’étude à faibles retombées financières, ne permet pas de se doter d’appareils de mesure aussi performants qu’en laboratoire. Ainsi la mesure du rayonnement solaire reçu ne s’effectue pas avec un pyranomètre beaucoup trop couteux, mais avec un capteur d’insolation (globale et diffus) dont
l’incertitude atteint plus ou moins 5% de l’échelle totale de rayonnement, soit environ plus ou moins 80
W/m². Lors de certaines journées de mesure, le rayonnement après calibration pouvait atteindre jusqu’à 1150 W/m². En pratique, le rayonnement reçu par la Terre au niveau du sol n'est que de 1000 W/m² au
maximum. Ce rayonnement n'est obtenu que quelques jours par an sous nos latitudes. Les valeurs de
1
Influence de l’orientation sur l’énergie captée : http://www.cogesol.be/usr/documentation/CAPTEURS%20SOLAIRE%20THERMIQUE.pdf
9
2011
rayonnement mesurées sur un plan incliné sont donc trop importantes. Pour palier à ce problème, toutes
les valeurs de rayonnement sont normalisées en prenant comme référence, la valeur maximale sur la
journée, normalisée à 1000 W/m².
b) Contraintes sur les températures
Le réseau ne possède pas de régulation. Il n’est donc pas possible de choisir une gamme de
températures du caloporteur à l'entrée du capteur, nécessaire à la détermination du coefficient de
performance maximum et des pertes thermiques du capteur. Le réseau est cependant couplé à un
plancher chauffant. Ainsi il est possible de réduire ou d’augmenter la température en entrée de capteur en
laissant circuler ou non, le fluide caloporteur dans le plancher pour y céder des calories (voir schéma
réseau en §4.1.2). Autre variable sur laquelle aucun contrôle n’est possible ; celle de la température
ambiante puisque le capteur est positionné à l’extérieur. Il est donc nécessaire d’effectuer un grand nombre de journées de mesure pour espérer obtenir des résultats significatifs en couplant les différentes
variables entre elles, afin de déterminer l’efficacité maximum et les pertes du capteur, sur toute la plage
de température et selon différents rayonnements.
3.3 Condition générale de mesures (mesures effectuées et appareils utilisés)
Dans chaque enquête de mesure, les mesures suivantes seront relevées de la même manière et
analysées avec les même appareils et systèmes d’acquisition de données permettant une meilleure
compatibilité entre les résultats. Le tableau suivant présente les différentes mesures nécessaires et le
matériel utilisé pour déterminer le rendement des capteurs :
Ces mesures doivent être effectuées dans les mêmes conditions :
La température extérieure est mesurée sous abris avec un capteur de température et d’humidité relative.
Le rayonnement solaire est quand à lui mesuré sur la toiture du bâtiment comprenant les deux premiers
capteurs testés, avec la même pente et orientation que celle des capteurs.
Les températures en entrée et sortie du capteur sont obtenues pas des thermo-résistances placées àmême le collecteur en cuivre, dans lequel circule le fluide caloporteur. Le contact est assuré par de la pâte
thermique.
10
2011
3.4 Acquisition de données et calibration des entrées
Un système d’acquisition de données « DATAQ Instrument » Dl-710 permet de collecter jusqu’à 16 valeurs simultanément, ces valeurs doivent être des tensions exprimées en volts. Une calibration permet de
convertir les tensions dans l’unité des valeurs mesurées (°C, HR% et W/m²). Ainsi la calibration du
rayonnement et de la température des capteurs thermiques extérieurs est assez simple puisqu’elle est
linéaire par rapport à la tension. Ce n’est pas le cas des températures d’entrée et de sortie du capteur,
mesurées par des thermo-résistances qui sont non linéaires et nécessitent donc une calibration
particulière. Les différentes calibrations sont présentées en annexe 1.
3.5 Mémorisation des données
Les valeurs enregistrées par le système d’acquisition DATAQ sont ensuite
transférées et analysées avec le logiciel Windaq. Celui-ci permet d’ajuster les calibrations effectuées, de visualiser les courbes de mesures obtenues et de mémoriser les valeurs
calibrées dans leurs unités respectives. Les données Windaq sont enregistrées sous le format « .wdc ».
Elles sont ensuite extraites sous format « .csv » permettant leur conversion en format « .xls » pour être
analysées sur tableur Excel.
3.6 Traitement des données et calcul du rendement
Les données sont alors regroupées sur Excel, y compris les caractéristiques du capteur tel que sa
surface, le débit imposé, le volume de stockage etc. Ceci permet de déterminer la puissance délivrée par
le capteur et son rendement défini comme le rapport entre la puissance délivrée par le capteur et la
puissance solaire reçue :
𝛈=
𝐏𝐮𝐢𝐬𝐬𝐚𝐧𝐜𝐞 𝐝é𝐥𝐢𝐯𝐫é𝐞 𝐩𝐚𝐫 𝐥𝐞 𝐜𝐚𝐩𝐭𝐞𝐮𝐫 𝐅𝐥𝐮𝐱 𝐬𝐨𝐥𝐚𝐢𝐫𝐞 𝐫𝐞ç𝐮 𝐩𝐚𝐫 𝐥𝐞 𝐜𝐚𝐩𝐭𝐞𝐮𝐫
La puissance délivrée par le capteur est donnée par la formule suivante : P = q.ρ.Cp.(Ts-Te) avec :
-
q le débit exprimé en L/min ;
ρ la masse volumique de l’eau en Kg/m3 ;
Cp la capacité thermique massique de l’eau (4186 J·∙kg-1·K-1) ;
Ts et Te la température (variable) en sortie et en entrée du capteur en °C.
Le flux solaire est mesuré à proximité du capteur avec un capteur de rayonnement solaire incliné et
orienté selon le capteur.
Le pas de temps d’enregistrement des mesures est d’une seconde. Les valeurs sont ensuite moyennées à
la minute permettant d’effectuer le calcul de puissance et de rendement. Ceci permet enfin de tracer les
courbes de rendement représentatives des performances du capteur comme décrites ci-après.
3.7 Détermination des caractéristiques du capteur en fonction des courbes
de rendement et comparaison
A partir des courbes de rendement, il est possible de définir les caractéristiques optiques et
thermiques du capteur en question. La méthode de calcul de rendement présentée par l’ISES 11
2011
(International Solar Energy Society) quantifie les pertes thermiques par conduction et convection grâce à
un seul coefficient FR UC utilisé dans l’équation du 1er ordre (1), alors que la méthode européenne introduit
deux coefficients a1 (pertes par conduction et conduction) et a2 (perte par rayonnement) dans l’équation du 2nd ordre (2).
Equation du 1er ordre : η = FR τS αS – FR UC ( 𝑫𝑻
𝑮
)
(1)
Figure 2 : Représentation graphique du rendement thermique d'après l'ASHRAE
FR τS αS est un paramètre utilisé pour caractériser l'efficacité optique (η0) du capteur, représentatif de
l’efficacité maximum. Le facteur optique est le rapport entre l'ensoleillement absorbé par l'absorbeur et
l'ensoleillement incident sur le vitrage. Ce facteur optique est le produit du facteur de transmission du
vitrage par le coefficient d'absorption de l'absorbeur.
FR UC est un paramètre utilisé pour caractériser les pertes thermiques du capteur [(W/m²)/°C].
DT est la différence de température entre le fluide caloporteur à l'entrée du capteur et la température
extérieure [°C].
G est l'intensité du rayonnement global
incident dans le plan du capteur [W/m²].
A partir de la courbe de rendement, il est
possible de déterminer les caractéristiques
de performance du capteur en question. Le
facteur optique (FR τS αS) est déterminé par
la valeur à l’interception et le facteur thermique (FR UC) est déterminé par la
pente de la courbe (voir figure 2).
La figure 2 est une représentation
Figure 3 : détermination des coefficients
graphique de l’efficacité d'un capteur.
Souvent on obtiendra une courbe au lieu d'une ligne droite parce que le coefficient de perte thermique
n'est généralement pas constant. Les caractéristiques du capteur FR, Ta et UL peuvent donc être
évaluées à partir de la courbe d'efficacité obtenue expérimentalement . La courbe de rendement est
tracée en fonction de la différence de température entre le capteur et l’air ambiant. Ainsi le rendement du capteur diminue lorsque l’écart de température augmente puisque la perte thermique du capteur 12
2011
augmente. Cette courbe est soit fonction du rayonnement (Delta T / G) soit fonction du Delta T
uniquement.
Equation du 2nd ordre : η = FR τS αS – a1 (
𝑫𝑻
𝑮
) - a2 (
𝑫𝑻²
𝑮
) (2)
Cette équation permet de dissocier les pertes par conduction avec le coefficient a1 (exprimé en
W/K.m²) de celles par convection1 avec le coefficient a2 (exprimé en W/K².m²). Cette seconde équation
nécessite une analyse sur MATlab pour obtenir une surface représentative en fonction de l’écart de température entre le capteur et l’air ambiant (variable X), du rayonnement reçu (variable Y) et du rendement obtenu (variable Z). Les variables sont intégrées sous forme matricielle après exclusion des
valeurs erronées sur tableur Excel (rendement supérieur à 100% ou inférieur à zéro etc…), pour une meilleure corrélation (supérieure à 90 %) entre valeurs d’entrée (points en bleu sur la figure 3) et surface
obtenue (surface colorée sur la figure 3). Après ajustage et paramétrage de l’équation (2), les valeurs des
coefficients de performances du capteur (FR τS αS, a1 et a2) sont déterminées (figure 4 ci-contre). Il est
ensuite possible de tracer les surfaces représentatives des performances du capteur GREB (Z1) en fonction
d’un capteur standard (Z2) pour effectuer une comparaison (figure 5), en utilisant le modèle de
programmation sous éditeur MATlab suivant :
Figure 4 : Editeur surface graphique
Figure 5 : Comparatif des surfaces représentatives
des rendements
3.8 Détermination de la production de chaleur et de l’intérêt économique
Le calcul de production de chaleur annuelle est réalisé uniquement sur le second capteur puisqu’il présente le meilleur rendement. Plusieurs méthodes sont utilisées pour évaluer la pertinence de chacune.
Elles sont présentées dans l’analyse de la production de chaleur au §4.4.2. Celle-ci est ensuite nécessaire
pour déterminer l’intérêt économique des capteurs analysés (présenté en §4.4.3).
3.9 Archivages des données
De la conception du capteur à son évaluation, toutes les informations et remarques sont archivées
dans un cahier de laboratoire et dans un rapport final. Il s’agit de garantir la traçabilité des résultats de la recherche et de pouvoir témoigner ainsi de l’antériorité des recherches. D’autre part, il permet de capitaliser le savoir-faire et de faciliter ainsi la transmission des connaissances en interne ou lors de
transferts de technologie. Il permet de professionnaliser les pratiques liées à la recherche. Par ailleurs, il
évite les déperditions liées aux feuilles volantes et aux éléments manuscrits ainsi qu’aux départs de chercheurs : tout y est consigné depuis les idées jusqu’à la réalisation concrète. Il permet également de
consigner les expériences négatives qui peuvent se révéler très utiles pour la suite.
1
Etude de rendement de capteur : http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:V8Cj8ttEbAJ:www.bysun.fr/Etude%2520de%2520rendemment%2520des%2520capteurs.pdf
13
2011
IV/ Expérimentation des capteurs solaires thermiques du GREB
Présentation du fonctionnement des capteurs solaires plans :
Les panneaux solaires thermiques se présentent sous
la forme de capteurs qui absorbent l’énergie solaire,
pour la restituer sous forme de chaleur. Les rayons
du soleil passent à travers une plaque de
polycarbonate transparente à la lumière visible. Sous
cette couverture, un absorbeur noir (plaque de
métal) absorbe 80 à 90 % des rayons lumineux en
fonction de l’absorbeur utilisé. L'absorbeur
transforme ces rayons lumineux en chaleur, grâce au
transfert thermique par rayonnement. En
s'échauffant, l'absorbeur émet des infrarouges. Ces
Figure 6 : principe de fonctionnement
infrarouges sont bloqués entre la plaque de métal
et la couverture transparente, c'est le principe de l'effet de serre. Ainsi, l'air entre les deux plaques
s'échauffe et améliore le rendement. Il est à noter que l’effet de serre n’est pas l’effet principal recherché,
car c’est bien le transfert direct par conduction de la chaleur produite dans l’absorbeur et transmise vers le fluide caloporteur qui est recherché. Le fluide s'échauffe et est ensuite acheminé pour être stocké ou
distribué.
4.1 Description du 1er Prototype
Figure 7 : vue en perspective du capteur
4.1.1 Composition du capteur
Le premier capteur, d’une surface de 12.5
m² est orienté à 30° SUD-EST et est incliné de 35°,
avec une réalisation est prévue dès la conception du
bâtiment, pour permettre son intégration au bâti.
Figure 8 : Composition du capteur solaire thermique
14
2011
1. La couverture transparente est composé de plaques de polycarbonates ondulées de type
« Suntuf ». Son rôle est de laisser passer le rayonnement solaire tout en bloquant le rayonnement
infrarouge émis par l’absorbeur en se réchauffant, créant ainsi l’effet de serre. Cette couverture permet également de limiter les pertes par convection au-dessus de l’absorbeur. Elle repose sur des lattes périphériques en bois, surmontées de lattes plastiques dont le profilé correspond à celui
de la couverture. Les caractéristiques de cette couverture et un comparatif avec une autre
couverture en verre plus souvent utilisée sont présenté en annexe 2.
2. L’absorbeur est composé de tôle architecturale en acier léger de couleur noire de marque « ideal
revêtement » type Ameri-cana permettant une bonne intégration au bâti. L’absorbeur a pour rôle
de capter un maximum de lumière pour la transformer en chaleur et ainsi la transmettre au fluide
caloporteur, circulant dans le collecteur en tube de cuivre.
Figure 9 : dimension absorbeur et collecteur
3. Le collecteur est un tuyau de cuivre souple de 0.95 cm de diamètre (3/8 de pouces) placé sous le
profilé de tôle architecturale de 1.9 cm (3/4 de pouces) d’épaisseur. Pour assurer le contact entre le collecteur et l’absorbeur, l’espace manquant (de 0.95 cm d’épaisseur) est assuré par un tasseau en bois, fixé à même le contre-plaqué. Le collecteur serpente ainsi sur toute la surface du contreplaqué par l’intermédiaire de tasseaux, avec un espacement en collecteur de 23 cm (9 pouces). A
chaque extrémité du capteur, le tuyau est courbé à l’aide d’un patron en bois pour éviter tout pincement du cuivre (voir § 4.3.2 Courbure du collecteur). Le fluide caloporteur circule à
l’intérieur. Sa longueur totale est de 150 pieds soit 45 mètres.
4. Le fluide caloporteur : compte tenu de son prix et de son impact environnemental en cas de fuite
et de remplacement, l’utilisation du glycol n’est pas retenue. il a été remarqué sur une installation
existante, que le glycol provoquait une corrosion importante des réseaux au niveau des jointures,
impliquant des fuites. L’utilisation de soudure à l’argent était alors nécessaire. Ceci implique alors
des frais importants nécessaires pour le remplacement et l’élimination du glycol et la réparation des réseaux. Ceci impose alors un système auto-vidangeable évitant l'utilisation d'antigel dans le
circuit primaire et permettant de se passer de certains composants (vase d'expansion, soupape de
sécurité). En période hivernale, il n’y a pas de risque de gel puisque le capteur ne fonctionne que
lorsque la température à l’intérieur du capteur est supérieure à 0°C. Par contre, ils nécessitent une
pompe plus puissante capable de remettre en charge le circuit lorsqu'il est vide. Ils permettent
également de résoudre le problème de la surchauffe estivale si l’eau stagne dans le capteur. Par
ailleurs, leur mise en œuvre est plus délicate : les tuyaux doivent absolument avoir une pente descendante, sans aucun point haut, du capteur jusqu'au réservoir de réception du fluide.
5. Le support est assuré par la charpente qui est recouverte d’une plaque de contre-plaqué
d’épaisseur 1.6 cm (5/8 de pouces). Elle est isolée en sous face par de la laine de roche de 9 cm
d’épaisseur (3.5 pouces) d’un RSI de 2.4 m².k/W, réduisant les pertes thermique au dos du
capteur.
4.1.2 Description du réseau
Le circuit est alimenté par une pompe avec un débit de 5.09 litres/min. La température à l’entrée du capteur est mesurée directement dans le réservoir de 220 litres en partie centrale. La perte thermique
liée à la conduite est négligée étant donné la présence d’une isolation et d’une faible longueur. La
15
2011
température de l’air est mesurée sous abris. Deux vannes permettent une circulation par le plancher ou
directement dans le réservoir en circuit fermé (voir figure 10 ci-après).
Figure 10 : principe de fonctionnement du réseau

Utilisation alternative du plancher chauffant pour la détermination du rendement
Pour tracer la courbe de rendement du prototype, toute la plage de température doit être
considérée, dans notre cas de 0 à 35°C (entre la température dans le capteur et la température
extérieure). Il est donc nécessaire de pouvoir faire varier la température à l’entrée du capteur ou la température extérieure. Il est d’usage de considérer un DT «moyen» de 30 °C. Analyser le comportement
d’un capteur solaire thermique au delà des 50 °C de DT n’apporte rien : nous sommes en dehors de la plage de fonctionnement pour les applications traditionnelles de l’eau chaude sanitaire. Les courbes de rendement sont déterminées en fonction de l’écart de température entre l’air ambiant et le capteur et également en fonction du rayonnement solaire reçu ((Tm-Ta)/Ic). Dans notre cas, il n’est possible d’agir que sur la température du fluide caloporteur dans le capteur. En effet, les tests sont réalisés en conditions
réelles d’utilisation, il est donc impossible d’influencer le rayonnement ou la température extérieure, à
moins de prendre des mesures sur l’ensemble de l’année ce qui n’était pas possible dans notre cas. Pour
réduire l’écart de température entre l’air l’ambiant et le capteur et ainsi déterminer le rendement sur une
plage maximum de température, l’utilisation du plancher comme masse de stockage thermique est
nécessaire. Le fluide se refroidit en cédant alors les calories emmagasinées dans le capteur à la dalle de
béton et se retrouve donc plus froid en entrée de capteur. Au contraire, en contournant le plancher, la
température du fluide augmente, permettant d’obtenir les valeurs dans la plage haute des températures,
équivalente à un rendement plus faible. La difficulté première est ainsi d’obtenir des valeurs de rendement sur toute la plage de données considérée.
4.2 Recueil de mesures et analyse du premier capteur
Pour la suite de cette étude, il est important de rappeler que l’analyse des performances des
capteurs du GREB et surtout, la comparaison avec d’autres capteurs solaires thermiques analysés en laboratoire en condition optimale (rayonnement artificiel, incidence parfaitement perpendiculaire au plan
du capteur etc…) nécessite une certaine prise de recul (voir §3.1.2 ; limites et contraintes des mesures in16
2011
situ). Les performances des capteurs conventionnels une fois installés, sont inférieures aux valeurs
obtenues en laboratoire, contrairement au capteur du GREB. En effet ceux-ci sont analysés sur place en
conditions réelles, avec en plus, comme condition défavorable, une orientation 30°sud-est réduisant les
performances du capteur d’environ 5 % par rapport à une orientation plein sud.
4.2.1 Détermination du rendement du 1er capteur
Les mesures sont effectuées en suivant la méthodologie présentée en §3.1.7. Le relevé de mesures
permet dans un premier temps, d’évaluer le rendement du capteur solaire thermique permettant ensuite de déterminer les coefficients de performance des capteurs. Les résultats sur ce premier capteur
permettent d’effectuer une première comparaison avec des capteurs conventionnels mais offre surtout une base en vue de la réalisation et de l’analyse d’un second capteur plus performant.
La figure 11 ci-dessous, présente la courbe de rendement issue des mesures sur le premier capteur
(voir nuage de point caractéristique en annexe 4.1). Elle permet de déterminer les caractéristiques de ce
premier capteur. L’efficacité maximum est donc de 22 % (facteur FR τS αS). Les pertes thermiques sont
déterminées par un coefficient de pente Fr Uc de 5.2.
70%
Rendemant
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
(Tm-Ta) / G
Figure 11 : Rendement du prototype 1
Cette courbe de rendement permet d’obtenir une première évaluation du rendement qu’il est possible d’atteindre pour ce type de conception à faible coût. Elle servira de référence en vue d’une optimisation pour la réalisation et l’évaluation d’un second capteur.
4.2.2 Comparaison aux systèmes conventionnels
Le prototype est maintenant comparé à d’autre capteur type, définit par l’ISES tel que:
Désignation
a
b
c
d
e
Proto1
couverture
Surface
0
Peinture noire
1
Peinture noire
1
Noir chrome
2
Noir chrome
Tube sous vide
1
Peinture noire
Interception pente
0.68
34
0.74
8.2
0.70
4.7
0.61
3.2
0.54
1.4
0.22
6.1
17
2011
Courbes de rendement représentatives
80
70
Rendement
60
50
40
30
20
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Delta T / Ic [°C.m²/W]
a
b
c
d
e
Proto1
Figure 12 : Courbes de rendement représentatives (ISES)
Les rendements des différents types de capteurs présentés ci-dessus sont tous compris entre 50 %
et 75 %. Ces dernières années, elles tendent même à dépasser les 80 % pour les capteurs plans, avec
l’amélioration constante des performances. Le prototype testé présente un faible rendement avec 22%
d’efficacité. Cependant, sa pente, représentative des pertes thermiques est logiquement meilleure qu’un capteur sans couverture et avoisine les performances d’un capteur vitré conventionnel.
4.2.3
Optimisation visant la réalisation et l’évaluation d’un second capteur
Les analyses portant sur la réalisation et les mesures de ce premier capteur permettent de tirer les
premières observations pour viser des améliorations en vue de la réalisation d’un second capteur plan.
Ainsi la connaissance des facteurs d’efficacité optique et thermique vont nous permettre d’apporter des hypothèses en vue d’une amélioration.
a) Amélioration sur le facteur optique du capteur (FR τS αS)
Seule la modification de la couverture ou de l’absorbeur peut avoir une influence sur les performances optiques du capteur. L’utilisation d’une couverture plane plutôt qu’ondulée sur de
prochains capteurs pourrait avoir un impact, principalement à midi durant l’été où le rayonnement incident est perpendiculaire au plan du capteur, favorisant le facteur de transmitivité. La couverture
restera donc inchangée sur le 2nd capteur, puisque le GREB possède un stock de couverture polycarbonate.
L’utilisation d’une couverture SUNLIGHT HP (Kalwall) en fibre de verre spécialisé pour l’énergie solaire pourrait être judicieuse.
b) Amélioration sur le facteur de perte thermique du capteur (FR UC)
Espacement entre tuyaux caloporteurs trop importants :
L’espacement entre les tuyaux de cuivre contenant le fluide caloporteur du premier capteur est de
23 cm. Cet espacement semble trop important, il présente une perte de surface par rapport à la quantité
d’énergie récupérable par conduction. Le calcul du rendement se faisant en fonction de la surface brute du
capteur, il est important de viser à optimiser la surface captatrice. Pour se faire, l’espacement sur des
capteurs conventionnels a été mesuré de l’ordre de 11.4 cm (4.5 pouces), permettant de fixer un nouvel
écart de 14 cm (5.5 pouces) au lieu de 23 cm entre collecteur, sur le prochain capteur du GREB.
18
2011
Amélioration de la conduction entre l’absorbeur et le collecteur
Le profilé de la tôle utilisée comme absorbeur pour le premier capteur ne permet un contact
suffisant malgré l’utilisation d’un tasseau en bois pour favoriser le contact. Pour y remédier, le profilé de
l’absorbeur du 2nd capteur est conçu directement au GREB. La tôle architecturale est remplacée par une
tôle en acier plane non peinte. Celle-ci est tout d’abord profilé à l’aide d’un gabarit en bois et d’une tige filetée créant ainsi un profilé de même dimension que celui du collecteur en cuivre de 0.95 cm de
diamètre (voir photo ci-dessous). Cette plaque est ensuite peinte en noir mat au spray. Ceci influe
cependant sur le coût de l’absorbeur par une augmentation de 56 % sur l’absorbeur du premier capteur.
Figure 13 : méthode de réalisation du profilé de l'absorbeur du 2nd capteur
4.3 Réalisation et évaluation du 2nd capteur optimisé
4.3.1 Description du 2nd capteur
Les modifications apportées au second capteur concernent uniquement les améliorations citées
précédemment. Elles visent ainsi le remplacement de l’absorbeur par de l’acier dont le profilé est réalisé
sur place et correspond au diamètre du collecteur en cuivre, pour ainsi améliorer le transfert de chaleur
par conduction. L’autre modification concerne l’espacement entre collecteur passant de 23 cm à 10 cm,
pour une surface de capteur environ équivalente, la longueur du collecteur en cuivre augmente ainsi en
conséquence (passant de 46 à 82 mètres) pour une surface quasiment équivalente (passant de 12.5 m² à
11.4 m²).
PROTOTYPE 1 ( 12.5 m²)
Description
Laine de roche
Isolation
Latte bois pour isolation
Contre plaqué
Caisson en bois
lattes périphérique bois
COMPOSANTE
Absorbeur
Circulation
Protection
Tôle architecturale
Tuyaux cuivre
Joint bronze
Polycarbonate type SUNTUF
latte suntuf
Latte bois pour support latte suntuf
PROTOYPE 2 (11.4 m²)
Description
Non changé
Non changé
Non changé
Non changé
Plaque d'acier
nb : 6 Bombe peinture noir mat Hte T°C
Peinture liquide noir mat Hte T°C
46 m Non changé
nb : 10 Non changé
12.5 m² Non changé
nb : 32 Non changé
Quantité
12.5 m²
nb : 10
12.5m²
18 m
nb : 3
Non changé
Quantité
11.4 m²
nb : 90
11.4 m²
15.5 m
nb :66
nb : 3
1.4 mL
82 m
nb : 5
11.4 m²
nb : 25
nb : 3
Figure 12 : comparatif matériaux utilisés
19
2011
4.3.2 Montage et réalisation du 2nd capteur
L’intégration au bâtiment du prototype est assurée par la mise en œuvre du support (en contreplaqué) à même la charpente du bâtiment. L’isolation est effectuée au dos du support entre les pannes de la charpente. L’absorbeur est cette fois conçu sur place pour permettre un meilleur contact entre le profilé
en acier (absorbeur) et le tuyau en cuivre (collecteur). Les différentes étapes de la conception son décrites
dans le tableau suivant :
Préparation du support sur charpente
Réalisation du cadre périphérique pour la couverture
Contre plaqué (ép. 1.5 cm). Isolation en sous face, laine de roche
(ép. 8 cm ).
Latte de bois périphérique (2.5 x 7 cm) pour support de
couverture polycarbonate
Réalisation d’un gabarit pour la confection du profilé de l’absorbeur
Réalisation du profilé de l’absorbeur
La barre d’acier est fixée à chaque extrémité du gabarit. En Création d’un gabarit en bois rainuré d’une largeur équivalente frappant la barre sur le gabarit a l’aide d’une masse, le profilé est au diamètre du collecteur (1cm)
ainsi créé en respectant les dimensions du collecteur en cuivre qui
serpentera sous cet absorbeur.
Evolution de la conception du collecteur
Mise en place du collecteur et de l’absorbeur
De gauche à droite : plaque d’acier brute, réalisation du profilé Le (collecteur) est disposé à même le support en bois avec une
à l’aide du gabarit en bois, absorbeur peint en noir mat, légère pente descendante pour favoriser l’extraction du fluide maquette du modèle avec collecteur en cuivre sur support en
caloporteur par gravité hors période d’utilisation.
bois.
Fixation de l’absorbeur
Courbure du collecteur
L’absorbeur est plaqué contre le collecteur et fixé au support Le collecteur est courbé à chaque extrémité du capteur à l’aide par des clous disposé tous les 30 cm et à chaque extrémité.
d’un gabarit en bois pour éviter les pincements.
20
2011
Jointure du collecteur
Pose de lattes intermédiaires pour support de la
couverture
La continuité du collecteur est effectuée à l’aide de jointures en bronze. Une réservation dans le support permet un accès
facile au dos du collecteur en cas de réparation sur le réseau.
Des lattes en bois sont disposées tout les 40 à 50 cm pour
supporter et garantir la rigidité de la couverture sur toute la
surface du capteur.
Mise en place de latte plastique intérmédiaire pour le
support de la couverture polycarbonate
Réalisation complète du capteur intégré au bâti
Des lattes plastiques profilées sont disposées sur les lattes
périphériques et intermédiaires en bois pour recevoir la
couverture en polycarbonate qui sera alors vissée.
Présentation du 2 nd prototype du GREB installé sur la toiture du
bâtiment multifonctionnel du GREB
4.3.3 Détermination du rendement et des caractéristiques du 2nd capteur
a) Détermination du rendement est comparaison avec le premier prototype
L’optimisation du 1er capteur permet d’augmenter les performances du 2nd capteur. Le nuage de point
représentatif du rendement du second capteur est présenté en annexe 4.2. Il regroupe des valeurs
obtenues sur plusieurs journées de mesure. Le graphique suivant permet de comparer les rendements des
deux capteurs du GREB.
70%
Rendemant
60%
η1= 0.22 – 5.2
50%
(
– ) 40%
30%
20%
10%
0%
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
(Tm-Ta) / G
Prototype 1
Prototype 2
Figure 15 : Comparatif des rendements entre prototypes
21
2011
L’efficacité maximum est désormais de 32% contre 22% avec le premier capteur (facteur FR τS αS). Le coefficient de pertes thermiques (FR UC) déterminées par la pente augmente de 6.1 avec le premier
capteur à 6.9 pour ce 2nd capteur. L’optimisation permet ainsi d’augmenter de 10 % l’efficacité du 2nd
capteur et ce, principalement grâce à l’amélioration du contact entre l’absorbeur et le tube caloporteur, la conduction étant ainsi grandement améliorée. Les performances liées aux pertes thermiques sont
réduites. Ceci peut être lié à la longueur de collecteur qui est doublé lors de la mise en œuvre du second
capteur ce qui augmente les pertes thermiques, lorsque l’écart de température entre le capteur et l’air ambiant augmente. La recherche d’un rapport optimal entre surface de capteur et la longueur du
collecteur pourrait faire partie d’une prochaine analyse.
Pour la suite de cette étude (analyse de production de chaleur annuelle et de l’impact économique), seul le 2nd capteur sera considéré et pris en compte étant donné son plus au rendement.
Pour la suite du présent rapport, il sera nommé PROTOTYPE GREB. Aucune référence au premier capteur
testé ne sera effectuée.
b) Comparaison du rendement avec un capteur conventionnel
Ce chapitre présente une comparaison du prototype GREB à un capteur solaire plan modèle G32-P
réalisé par l’entreprise Thermo-dynamics (voir description générale et efficacité en annexe 5) utilisé au
Québec et dont les données techniques sont connues d’un fichier de simulation de production d’énergie
RETScreen1, utilisé par la suite.
Contraintes lié à une comparaison avec un produit analysé en laboratoire
Il est important de rappeler que les capteurs conventionnels sont testés et analysés dans des
laboratoires en condition optimale et ceci n’est pas représentatif des performances qu’il produira une fois installé. Le capteur du GREB, quand à lui, est évalué sur place, sur son lieu et emplacement définitif,
en conditions réelle d’exploitation avec des performances donc sous-évaluées (voir §3.1.2 ; limites et
contraintes des mesures in-situ)
L’analyse du rendement des capteurs conventionnels est généralement décrite en fonction du
rayonnement solaire reçu. Pour pouvoir ainsi si référer, les performances des capteurs sont représentés
par le biais logiciel MATlab (présenter en §2.5.7) par des surfaces prenant en compte le rayonnement
solaire incident (voir annexe 6 : rendement surfacique). Ceci permet ensuite de tracer des courbes en deux
dimensions permettant de tracer des courbes de rendement en fonction du rayonnement reçu.
1
www.retsreen.net
22
2011
Figure 16 : Comparatif courbe de rendement fonction du rayonnement
Cette courbe permet en plus de déterminer le rendement du capteur, de définir la température de
stagnation du capteur définie comme la différence de température à laquelle les gains solaires ne
peuvent compenser les pertes thermiques. Ceci exprime donc les pertes thermiques du capteur. Avec
400W/m², le capteur n’est plus efficace dès lors que la température dans le capteur dépasse de 22°C la température ambiante. De même, un rayonnement de 900W/m² n’est plus suffisant pour assurer un gain d’énergie si la différence de température atteint 38°C entre le capteur et l’air ambiant, les pertes par
rapport aux gains seraient alors trop importantes. En hiver, la température du capteur (et du stock) ne
pourra donc être supérieur à 38°C lorsque la température extérieure atteint 0°C. Même si la plage de
fonctionnement pour les applications traditionnelles de chauffage de l’eau chaude sanitaire est au
maximum de 50°C, cela montre bien qu’un appoint sera nécessaire durant la période hivernale. Les pertes
thermique du capteur G32-P sont quand à elles si faibles, quelles permettent d’atteindre une différence de température allant jusqu’à 70°C, du moins en laboratoire.
Cette courbe permet également de déterminer le rendement des capteurs tel que :
η = FR τS αS – a1 (
𝑫𝑻
𝑮
) - a2 (
𝑫𝑻²
𝑮
)
(2)
Les caractéristiques des capteurs sont les suivantes :
CAPTEUR
Modèle G32-P
Prototype GREB
Efficacité
maximum
Coefficient a1
(W/K.m²)
Coefficient a2
(W/K².m²)
Delta T
Max (Tm – Ta)
64%
32%
3.021
4.520
0.01782
0.1499
70 °C
38 °C
En comparant au capteur standard, le prototype a une efficacité deux fois moins importante. Les
pertes par conduction (a1) et convection (a2) sont supérieures. En effet, la structure du capteur du GREB
est bien moins performante de par une étanchéité à l’air plus faible avec une couverture en polycarbonate de performance inférieure à celle en verre. La comparaison avec un produit conventionnel standard va
permettre par la suite, une comparaison entre la production de chaleur annuelle qu’il est possible d’obtenir et le temps de retour sur investissement qui en découle.
23
2011
4.4 Analyse des productions d’ECS et de l’intérêt économique
L’analyse de la production d’eau chaude sanitaire (ECS) des capteurs étudiés est nécessaire pour
déterminer leurs capacités à satisfaire les besoins et pour évaluer leurs impacts économiques. La suite du
rapport présente tout d’abord l’évaluation des besoins en eau chaude sanitaire, en prenant pour exemple
une famille de 4 personnes. Cette évaluation est nécessaire pour déterminer la surface de capteurs
nécessaires pour y satisfaire en fonction des performances de chaque analysé (capteur du GREB et modèle
G32-P), permettant ensuite l’évaluation économique du capteur solaire thermique peu coûteux du GREB.
4.4.1 Détermination des besoins

Détermination des besoins en eau chaude sanitaire
Considérons une famille de 4 personnes. La consommation d’eau chaude sanitaire par jour et par personne est estimée à 45 litres, ce qui correspond à un volume total de 180 litres pour la famille.
L’augmentation de la température de l’eau est estimé à 35°C (température minimum : 10 °C, température
maximum : 45 °C). La quantité réelle d’énergie nécessaire pour produire l’eau chaude sanitaire est calculée comme étant la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer ce volume d’eau, de la température de l’eau froide « Tf » (10°C) jusqu’à la température demandée (45°C). « V » est le volume d’eau chaude à soutirer,
soit 180 litres et « Tc » la température demandée d’eau chaude. La quantité d’énergie nécessaire pour
produire l’eau chaude est donnée par : Q charge = Cp . ρ .V . (Tc – Tf) où « C p » est la capacité calorifique
de l’eau (4 200 ( J/kg)/°C) et « ρ » sa masse volumique(1 kg/L). La valeur obtenue est ensuite multipliée au
prorata du nombre de jours par semaine pendant lesquels le système est utilisé (7 jours) puis ramené au
mois, ce qui donne une quantité d’énergie nécessaire pour produire de l’eau chaude de l’ordre de Qcharge=212kWh par mois pour une famille de 4 personnes. Sur l’année, cela représente une consommation
d’environ 2544 kWh.
4.4.2 Détermination de la production solaire d’eau chaude sanitaire
La production d’eau chaude sanitaire par l’utilisation des capteurs solaires thermiques étudiés dans ce rapport (capteur du GREB et le capteur conventionnel), est estimé suivant trois méthodes afin de
comparer et d’évaluer leur exactitude. L’intérêt économique, c'est-à-dire le coût de revient du kWh et le
temps de retour sur investissement, est estimé grâce aux deux dernières méthodes présentées ci-après et
sera présenté dans la prochaine et dernière section (§4.4.3).
a) Par la réalisation et l’utilisation d’une feuille de calcul Excel de simulation horaire réalisé
par le GREB1
Cette feuille de calcul Excel prend en compte les données géographiques du lieu d’analyse (dans
notre cas à la Baie au Québec) et les performances du capteur solaire thermique étudié, permettant
d’estimer une production de chaleur horaire (en kWh). Cette production est ensuite ramenée au mois puis
à l’année. Les données géographiques, générées par un fichier TRNsys, renseignent sur la température
relative et l’humidité, le rayonnement global et diffus, la force et la direction du vent et ce, heure par
heure durant une année. Les caractéristiques du capteur prennent en compte sa superficie, son
inclinaison, son azimut et ses performances (FR(τα) et FR(UL)) déterminées préalablement dans le cadre du
prototype du GREB ou fourni par le constructeur pour le capteur conventionnel. Enfin se sont les
1
Réalisation de la feuille de calcul par Benoit Thévard, Ingénieur Conseil en énergie et résilience des territoires Activités. http://www.avenir-sanspetrole.org/
24
2011
informations concernant le réservoir de stockage qui sont renseignées avec les dimensions et capacité
volumique de stockage (220 litres), le type d’isolation (laine de roche de 8 cm), la température du local (18°C). Les facteurs de perte thermique ne sont cependant pas pris en compte.
Le graphique suivant présente les taux de recouvrement des capteurs du GREB et du modèle G32P
pour les besoins évalués précédemment. La surface du capteur G32P de 2.98 m² fournis par son fabriquant
est suffisante pour satisfaire aux besoins estivaux représentés par la ligne verte (212 kWh/mois). Les
performances du capteur G32P et/ou sa surface sont même surévalués sur la période estivale, puisqu’ils atteignent 146% des besoins appelés au mois de juillet. La surface nécessaire pour le prototype du GREB
est de 5.8 m² permettant également de satisfaire aux besoins estivaux, avec un taux de recouvrement sur
l’année de 42% contre 75% pour le modèle G32P. La production annuelle du prototype GREB est estimée
à 1632 kWh contre 2449 kWh pour le modèle G32-P pour des besoins précédemment évalués à 2250 kWh
par an.
Production d'ECS (kWh)
350
300
250
200
150
100
50
0
Prototype GREB (s = 5.8 m²)
Model G32-P (s = 2.98 m²)
Consommation ECS (foyer 4 pers)
Figure17 : taux de recouvrement des capteurs analysés
L’objectif du GREB est de proposer un capteur solaire thermique accessible, efficace et
économique, capable de satisfaire les besoins en eau chaude sanitaire durant la période printanière et
estivale principalement (hors période de chauffage). Pour le reste de l’année et donc durant la période hivernale, l’appoint serait fourni par des systèmes de biomasse utilisés en cogénération, fournissant la
production de chaleur pour le chauffage de la maison mais également l’appoint nécessaire pour la production d’ECS. Le capteur doit donc être dimensionné pour satisfaire principalement aux besoins
estivaux. Cette méthode ne présente pas d’évaluation économique, celle-ci sera donc effectuée avec les
deux méthodes d’analyse de production suivantes. Pour la suite des évaluations, le capteur GREB sera
évalué avec la surface utile défini dans ce paragraphe, soit 5.8 m²
b) Par la réalisation et l’utilisation d’une feuille de calcul Excel utilisant une corrélation
entre des valeurs obtenues in-situ et des cartes d’ensoleillement global quotidien moyen
Cette méthode se base uniquement sur les valeurs obtenues lors d’une journée de mesure significative au point de vue des résultats. La moyenne de rayonnement reçu lors de la journée de mesure
du prototype est comparée à la valeur donnée par les cartes d’ensoleillement et de potentiel d’énergie solaire photovoltaïque fournis par les ressources naturelles du Canada1 (pour le même mois). Elles
1
2
Ensoleillement global quotidien moyen (kWh/m ) à la Baie : https://glfc.cfsnet.nfis.org/mapserver/pv/municip.php?n=148&NEK=f
25
2011
fournissent un rayonnement solaire global quotidien et moyen en kWh/m². Un facteur d’utilisation solaire est ensuite déterminé comme le rapport entre la valeur moyenne de rayonnement mesurées lors de la
journée d’essai (4.9 kWh/m²) et celle donné par les cartes d’ensoleillement le même mois (5.9 kWh/m²).
La production de chaleur obtenue lors de la journée d’essais de 10.55 kWh (déterminée par
l’augmentation de température du réservoir durant la journée de mesure présentée sur le graphique en
annexe 7) est ainsi extrapolée sur chaque mois de l’année avec les facteurs d’utilisation correspondant. Ceci permet donc d’estimer une production mensuelle puis annuelle comme indiqué dans le tableau
suivant.
Potentiel d'énergie solaire (kWh/m²) La Baie, Québec
Location géographique -> -70.89E,48.34N
Valeurs d'ensoleillements global quotidien en kWh/m²
obtenue lors de la journée de mesure (mois de juillet):
Estimation de la production PROTOTYPE GREB (s=11.44 m²)
4.9
Valeurs d'ensoleillements global quotidien en kWh/m² données par
Facteur
les cartes PV
d'utilisation
Janvier
2.9
0.60
Février
4.1
Mars
5.4
Avril
5.5
Mai
Juin
Juillet
Aout
Septembre
Octobre
Novembre
Décembre
5.4
5.4
5.3
5.1
4
2.9
2.2
2.2
ENERGIE ANNUELLE PRODUITE
0.84
1.11
1.13
1.11
1.11
1.09
1.05
0.82
0.60
0.45
0.45
Energie quotidienne
Jour /
produite calculée en
mois
fonction du facteur
d'utilsation solaire (kWh)
6.30
31
8.91
29
11.74
31
11.95
30
11.74
31
11.74
30
11.52
31
11.08
31
8.69
30
6.30
31
4.78
30
4.78
31
surface de capteur 11.44 m²
surface de capteur 5.8 m²
Energie produite par
mois (kWh)
195
258
364
359
364
352
357
344
261
195
143
148
3340.49
1694
Figure 18 : estimation de la production annuelle du PROTOTYPE GREB
Contrairement à la première méthode qui présente une évaluation mensuelle à partir de fichier
météorologique horaire, cette méthode effectue une approximation mensuelle à partir d’un coefficient
quotidien constant. L’énergie produite par mois est donc ici peu représentative de la réalité, seule la
production annuelle peut être considérée, soit 1694 kWh pour une surface du capteur GREB de 5.8 m², ce
qui permet une première validation du résultat obtenu en première approche et qui était de 1632 kWh par
an. La capacité du capteur GREB est évaluée à 0.93 kWh/m² mais cette valeur est estimée sur une seule
journée de mesure, elle sera donc comparée ultérieurement à la valeur obtenue avec le logiciel
RETScreen®.
c) Par l’utilisation du modèle de calcul sur logiciel RETScreen®
Le modèle pour chauffe-eau solaire du logiciel RETScreen permet d'évaluer entre autre la
production et la viabilité financière pour des projets de chauffage solaire de l'eau et ce, partout à travers le
monde. Ce logiciel effectue des estimations mensuelles à partir des performances du capteur solaire
thermique en fonction du lieu d’analyse.
L’analyse permet d’estimer des besoins de 2400 kWh par an pour une famille de 4 personnes contre
2544kwh avec la première méthode utilisée ce qui valide la valeur obtenue. La capacité du capteur GREB
est ici estimée à 0.7 kWh contre 0.93 kWh obtenu lors de la journée de mesure. La capacité du capteur
G32P est quand à elle estimée à 1.95 kWh. Ainsi la production annuelle du capteur GREB (surface de 5.80
m²) est de 2400 kWh par an, contre 2900 kWh par an pour le modèle G32P (surface de 2.98 m²).
26
2011
d) Synthèse des résultats obtenue en fonction des différentes méthodes utilisées
Le tableau suivant présente les valeurs obtenues selon différentes méthodes utilisées jusqu’ici et
cela concerne la capacité du capteur, sa production et son taux de recouvrement annuelle en fonction des
besoins calculés pour une famille de 4 personnes sur l’année. Les valeurs en rouge sont les valeurs les plus défavorables qui seront ainsi retenues pour l’analyse économique qui suit.
Proto GREB (S = 5.80 m²)
Modèle G32P (S = 2.98 m²)
Comparaison des résultats en
Simulation
Facteur
Simulation
Facteur
fonction de la méthode utilisée
RETScreen®
RETScreen®
horaire d'utilisation
horaire d'utilisation
Capacité du capteur (kWh/m²)
Besoins ECS annuelle - 4
personnes (kWh)
Production annuelle (kWh)
Taux de recouvrement (%)
1632
0.93
0.7
-
1.95
2544
2400
2544
2400
1694
42
2400
2449
75
2900
Figure 19 : comparatif des résultats obtenus suivant diverses méthodes
4.4.3 Détermination de l’intérêt économique
Le prix détaillé du capteur GREB (pour une surface de 11.44 m²) est présenté en annexe 8. Il est
présenté de deux manières différentes. La première considère une réalisation intégrée au bâtiment. Ainsi
le prix de l’isolation du capteur et de la surface de toiture équivalente à la surface du capteur (considérée en tôle architecturale) n’est pas compris dans le prix du capteur, puisqu’ils font partie intégrante de la construction du bâtiment. Une seconde estimation considère le capteur solaire du GREB en supplément
sur la toiture. Ainsi l’isolation et la surface de toiture ne sont pas déduites du prix du capteur. L’intérêt est avant tout de considérer un capteur intégré au bâtiment. Le tableau suivant présente un récapitulatif des
coûts estimés pour un capteur de 5.80 m² et sont ramenés ensuite à une surface unitaire au m² :
Protoype
GREB (S=5.80 m²)
Réalisation
Intégré au bâtiment
Rénovation
$
390
550
Prix
€
$/m² €/m²
273
67
47
385
95
66
Figure 20 : Prix du prototype GREB en fonction de l’intégration
Le temps de retour sur investissement peut alors être déterminé suivant deux méthodes. La
première utilise les données récoltées précédemment pour effectuer un calcul directement dans le tableau
suivant, en prenant un coût d’entretien estimé à 100$ sur 20 ans. Elle permet également d’obtenir une estimation du coût de revient du kWh évalué à 1.5 ¢$/kWh (1.05¢€/kWh) pour un capteur intégré à la
toiture et de 1.99 ¢$/kWh (1.4¢€/kWh) pour un capteur non intégré. Le temps de retour est estimé à 4.3 années pour le capteur intégré et 5.7 années pour le second non intégré à la toiture selon cette méthode
27
Détermination
coût de reviens Hypothèses
et TRI
ANALYSE DES COÛTS - PROTO GREB
(S=5.8 m²)
Durée de vie
Coût d'entretien sur durée de vie
Intégré
Prix de l'électricité domestique
Rénovation
Unité
20
100
ans
$
0.07
$/kWh
1632
2011
Production annuelle
Prix du capteur
Coût de revient
390
1.50
550
1.99
kWh
$
¢/kWh
TRI (électricité domestique = 7¢/kWh)
4.3
5.7
Années
Figure 21
L’autre méthode consiste en une analyse avec le logiciel RETScreen permettant d’évaluer un temps de
retour sur investissement de 3.5 année (voir figure 22) contre 4.3 obtenu précédemment pour le capteur
intégré au bâtiment, avec des économies de 112 $ par an. Les flux sont déterminés suivant un taux
d’indexation des combustibles et d’inflation de 2% pour une durée de vie du système estimée à 20 ans.
Figure 22 : Courbe représentative du temps de retour sur investissement du prototype GREB
Le temps de retour du capteur GREB (intégré au bâtiment) est estimé à 4 ans environ. Il est bien
inférieur au temps de retour d’un capteur conventionnel utilisé au Québec estimé à plus de 30 ans (comme il est présenté en introduction au § 3.2.2), dont les caractéristiques sont similaires au capteur
G32P étudié précédemment et pour lequel en plus, des incitations financières gouvernementales sont
prévues. Ainsi l’intérêt économique de ce type de conception est bien vérifié dans un pays comme le
Québec, où pourtant, le prix de l’énergie est faible. De plus, ce prototype n’a subi qu’une seule optimisation. L’objectif de cette étude est donc d’inciter une démarche de développement continue ce qui pourrait permettre par la suite d’obtenir des caractéristiques encore plus intéressantes.
4.4.4 Caractéristiques du capteur GREB
Le tableau suivant regroupe les caractéristiques de performances et de coût du capteur solaire
thermique du GREB intégré au bâtiment. Ceux-ci pourront par la suite servir de référence en vue d’une amélioration et de la réalisation de nouveaux capteurs solaires thermiques du même type.
28
2011
Caractéristiques du capteur GREB
Fr (τS α S) FR UC
Capacité
Température stagnation
Prix
32
6.9
0.7
38
67
47
%
W / m².°C
(kWh/m²)
°C
$/m²
€/m²
Figure 23 : caractéristique principales du prototype GREB
V/
Perspectives d’avenir et conclusion
La réalisation de cette étude a tout d’abord permis de définir une méthode de mesure permettant
d’analyser et de définir le niveau de performance de ces premiers prototypes de capteur solaire thermique
réalisés par le GREB. Par la suite il a été possible d’évaluer le taux de couverture énergétique de ce système, son coût et donc son intérêt économique déjà intéressant. Le développement d’une méthodologie de mesure et d’analyse et l’approche de premiers résultats va permettre par la suite d’être
réutilisé en vue d’une amélioration continue.
La méthodologie de mesures et d’analyse proposée dans ce rapport a donc pu être expérimentée en mode
réel permettant par la suite d’être amélioré en fonction des observations obtenues. Les perspectives
d’avenir consistent donc en l’optimisation du prototype tout en préservant ses avantages (retour sur
l’investissement rapide, faible coût, disponibilités des composantes, retombées socioéconomiques potentiels, autonomisation…), mais également dans l’amélioration de la méthodologie de mesures. Ainsi,
en adoptant une méthodologie de mesures, basée sur la comparaison directe en champ (capteurs testés
côte-à-côte) avec au moins un capteur commercial dont les caractéristiques obtenues en laboratoire sont
connues, il serait probablement possible d’obtenir des mesures beaucoup plus adéquates.
Il apparaît clair que de nombreuses améliorations pourront être apportées au dernier prototype
du GREB notamment sur le vitrage, l’isolation et l’étanchéité. Il importe toutefois dans cette démarche d’optimisation de ne pas perdre de vue les objectifs initiaux du projet qui vise la facilitation du
déploiement de l’utilisation de l’énergie solaire thermique au Québec et l’autonomisation des collectivités notamment celles du milieu rural.
Le plus grand défi pour la poursuite d’un tel projet demeure la problématique du financement. En
effet, même si les coûts d’un tel projet de recherche sont relativement faibles, les politiques publiques de financement ne sont pas adaptées à ce type de projet à vocation communautaire ou sociale.
L’objectif suite à cette première évaluation est de fournir des pistes d’analyses, de conceptions et de résultats pour inciter et faciliter la recherche et le développement de ce projet.
29
2011
ANNEXES
30
2011
ANNEXE 1 : La calibration des mesures
Les mesures de températures, d’humidité relative et de rayonnement sont collectées avec un
système d’acquisition de données de type « DATAQ Instrument » Dl-710. Le signal alors obtenu est une
tension qui nécessite ensuite une calibration pour permettre la conversion de tension en unité souhaitée
(la température en degré Celsius, l’humidité en pourcentage d’humidité relative et la radiation en W/m²).
La calibration du pyranomètre et des capteurs de température et d’humidité relative (Part nb : APRS6577)
dépend d’une fonction linéaire de la tension mesurée en fonction de l’unité finale souhaitée. Cependant,
la calibration des thermo-résistances (Part nb : PANR-103395-408) est plus complexe puisqu’elle n’est pas régit pas une fonction linéaire. Cette annexe présente la calibration de chaque entrée.
Calibration du rayonnement :
Pour le rayonnement solaire, une fonction de transfert linéaire permet de convertir facilement la tension
relevé par le capteur d’insolation solaire en rayonnement tel que : [W/m²] = 598.802 x V sortie avec Vsortie la
tension en sortie.
Calibration des capteurs de température et d’humidité relative (Part nb : APRS6577):
La tension relevé par le capteur de température et d’humidité relative extérieure est convertis en tension
par le biais des équations suivantes fournis par le fabriquant :
Calibration de la température : T°C = 39.394 x Ventrée – 30, (0 V = -30 °C ; 3.3 V = 100°C) ;
Calibration en humidité relative : %HR = 30.303 x Ventrée (0 Volt = 0%HR ; 3.3 V = 100%HR).
Calibration des thermo-résistances (Part nb : PANR-103395-408) :
Les thermo-résistances ont l’avantage d'une sensibilité très élevée aux changements de température, mais
l'inconvénient d'une caractéristique non-linéaire, ainsi leurs calibration est bien plus complexe. Voici une
courbe caractéristique montrant l’évolution inverse de la température en fonction de la résistance sur une plage de 5 à 75 °C, dans laquelle nos variations de températures vont être étudiées.
Courbe de thermo-résistance
25
20
Rt ( KΩ)
y = 28,309e-0,039x
15
10
5
y = 29,1e-0,042x
0
5
15
25
35
45
55
65
75
T°C
31
2011
Après affinage de la courbe de référence (courbe noire), une nouvelle courbe de tendance nous
permet d’obtenir une équation avec un meilleur ajustement (courbe rouge). Ces valeurs sont données par
le fabriquant. Ces caractèristiques non-linéaire de thermo-résistance ne permettent pas une analyse
directe des mesures via le système d’acquisition de données. Cette première courbe permet d’établir l’équation qui lie la résistance thermique à la température.
Il faut désormais lier ces valeurs de température et de résistance avec une tension pour pouvoir être
exploitable par le système d’acquisition de données et ainsi être convertie en température. Pour ce faire,
l’utilisation d’un diviseur de tension, va permettre de lier la résistance à la tension, puis la tension à la
température de la manière suivante :

R (kΩ)
Equation de la thermo-résistance en fonction de la température :
T°C
-30
-20
-10
0
10
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
178.000
97.760
55.700
32.790
19.980
12.520
10.000
8.038
6.499
5.282
4.316
3.545
2.949
2.465
2.070
1.747
1.481
1.261
1.077
0.924
0.796
0.688
La courbe noire obtenue avec le tableau du fabricant permet après avoir ciblé
notre zone d’étude (de 5 à 75°C) d’obtenir une équation affinée de type :
Rth = A exp (B . x) [𝟏].
L’équation de thermo-résistance ainsi obtenue est y = 29.1 e -0.042x.

Equation de la résistance en fonction de la tension de sortie (Vs) :
Pour déterminer la tension de sortie correspondant à une certaine résistance,
l’utilisation d’un diviseur de tension (voir figure bis ci-contre) est nécessaire.
La loi d’Ohm nous donne U = 𝑅 𝑥 𝐼 
-
En entrée
Ve = (Rth+Ri)
d’où I=
[1′]
-
En sortie
Vs = Ri x I
d’où
I=
[1"]
-
[1′]
-
Rth = Ri ( [1"] :
𝑽𝒆 𝑽𝒔
− 𝟏 )
= d’où Rth + Ri =
. [𝟐]
Equation non-linéaire de la température en fonction de la tension de sortie (Vs) :
32
A 𝑒 ( [𝟐] :
. )
𝑒 ( -
[𝟏]
-
x étant la température, l’équation donne : 𝑻(°𝑪) =
-
Ri (KΩ), Vs (Volt), A et B sont des coefficients fixes.
= 𝑅𝑖 − 1
. )
=
𝐑𝐢 𝐕𝐢
𝐀 𝐕𝐬
𝐥𝐧 ( 2011
− 1
𝟏 )
𝐁
[𝟑]
Cette relation de la température en fonction de la tension est non-linéaire. Pour pouvoir calibrer
les thermo-résistances, il faut donc trouver une relation linéaire entre la température et la tension de
sortie sur la plage de température étudiée.

Equation linéaire de la tension de sortie en fonction de la température et la résistance :
-
[𝟏]
-
𝑽𝒔 =
𝑒 ( [𝟐] :
𝐕𝐢
𝐀
𝐑𝐢
( 𝒆( 𝑩 . 𝒙 ) 𝟏) . )
= − 1
𝑒 ( . )
+ 1 =
[𝟒]
Linéarisation de la T°C ft (Vs)
5
4
Vs
3
y = 0,0475x + 1,1431
2
1
0
0
20
40
T°C
60
80
Cette dernière équation permet d’obtenir une linéarisation la température en fonction de la tension de
sortie sous la forme :
𝑽𝒔 = 𝐂 . 𝐓 + 𝐃 d′où 𝑻 =
𝐕𝐬 − 𝐃
𝐂 Cette linéarisation permet d’obtenir une approximation de la température à partir de la tension obtenue. Il est alors possible de déterminer directement la température avec le système d’acquisition de données
depuis une mesure de résistance.
33
2011
ANNEXE 2 : Caractéristique de la couverture transparente
polycarbonate
Caractéristique mécanique
Selon le fabriquant, les plaques de polycarbonate sont 200 fois plus résistant que le verre, il résiste
au vent, aux grêlons et aux charges d’enneigement. Des analyses effectuées sur des couvertures utilisées depuis plus de 20 ans mettent en avant une diminution de la transmission lumineuse de moins de 5%.
La transmission lumineuse la plus élevée
Une couverture en polycarbonate transmet plus de 90 % de la lumière visible – plus que le verre et
bien plus que tout autre matériau de vitrage. Le graphique suivant met de plus en évidence, un effet de
serre plus important avec l’utilisation du polycarbonate. En effet, dans le domaine du visible, la transmission lumineuse est équivalente avec le verre. Par contre, la transmission lumineuse du
polycarbonate est plus faible dans le domaine de l’infrarouge que celle du verre, son effet de serre est
donc bien plus important ce qui contribue à améliorer les caractéristiques des capteurs solaires
thermiques.
Figure 3 : Transparence par rapport aux autres produits
Résistance aux rayonnements UV
La figure suivante présente l’évolution de la transmission lumineuse de la couverture SUNTUF dans le
temps, sachant que 100 heures d’exposition QUV sont environ équivalentes à une année d’exposition extérieure maximale aux UV. On remarque tout d’abord la forte transmission lumineuse du polycarbonate,
proche de celle du verre, supérieure à 90 %. Après 20 ans d’utilisation, les tests en laboratoire mettent en avant une faible diminution de ce coefficient de transmission qui reste supérieur à 90%, bien au-delà du
verre qui diminue jusqu’à 74 %. Ainsi les caractéristiques de transmission lumineuse du polycarbonate sont tout à fait appropriées pour nos capteurs solaires thermiques, permettant également de garantir une
bonne performance dans le temps.
34
2011
Figure 4 : % de transmission lumineuse du SUNTUF, d'une double paroi polycarbonate et du verre
Cette couverture résiste aux effets nuisibles du rayonnement UV comme le montre la figure suivante. Le
taux de jaunissement de cette couverture n’atteint à peine 5 % après 20 ans d’utilisation, contrairement au verre qui atteint 23 % d’index de jaunissement après 20 ans d’utilisation extérieure.
Figure 5 : Variation de l'index de jaunissement
Conservation maximum de l’énergie
L’avantage des plaques ondulées de polycarbonate et de permettre une meilleure transmission de la
lumière tôt le matin et tard dans l’après-midi permettant d’augmenter la durée de fonctionnement du
capteur sur la journée, comme le montre le schéma suivant.
Figure 6 : transmission d'une couverture ondulée
Le seul inconvénient réside dans la forme du profilé (ondulations) qui augmente les pertes thermiques
(plus grande surface en contact) et les pertes optiques par réflexion. Toutefois le profilé est plus résistant
aux charges mécaniques qu’une plaque unie. 35
2011
ANNEXE 3 : Caractéristique appareils de mesure
Annexe 3.1 : Température extérieure
36
2011
Annexe 3.2 : Température en entrée et sortie de capteur
Annexe 3.3 : Rayonnement solaire global
37
2011
ANNEXE 4 : Nuage de points caractéristique des rendements des
prototypes
PROTOTYPE 1
70%
60%
Rendement
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
0,050
(Tm - Ta) / G
Prototype GREB 2
70%
60%
Rendement
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
(Tm - Ta) /G
38
2011
ANNEXE 5 : Informations générales et efficacité du capteur modèle
G32-P
G SERIES SOLAR COLLECTORS
TECHNICAL SPECIFICATIONS
G Series Solar Collector - Model G32-P
SRCC OG-100 Certified
Certification # 100-2006005A
Directory
A. Collector Efficiency
1. General Description
2. Test Conditions
3. Time Constant
4. Efficiency
5. Incident Angle Modifier
6. FSEC Standard Day Tests
Download G Series Technical Specifications
|Directory|
A. General Information
1.0 Product Description:
Thermo Dynamics G Series flat plate liquid collectors are single glazed with low-iron
tempered glass. The absorber is an arrangement of parallel riser fins connected to top and
39
2011
bottom headers. The fins are aluminum with integral copper riser tubes, which are
completely surrounded by the aluminum and are metallurgically bonded together. The
copper riser tubes are soldered to internal manifolds (headers), which are available in either
3/4" or 1" diameter copper pipe. The back and sides are insulated with a 25 mm (1") layer
of compressed fiberglass. The collector frame is extruded aluminum with a baked-enamel
finish, (dark brown). Collector mounting is by way of a sliding bolt-track. Flush and racked
collector mounting formats are easily accommodated.
1.1 Options
Factory installed temperature sensors; 3/4" and 1"
headers; 12 mm (1/2") riser tubes; absorber coatings:
selective paint surface.
1.2 Dimensions and Volumes
1.20 m x 2.475 m x 0.086 m
(47-3/8 in x 97-3/8 in x 3-3/8 in)
Gross area: 2.982 m2 (32.10 ft2)
Aperture area: 2.783 m2 (29.96 ft2)
Absorber area: 2.870 m2 (30.90 ft2)
Volume (19 mm (3/4") header): 2.3 liter (0.51 IG)
Volume (25 mm (1") header): 3.0 liter (0.66 IG)
1.3 Weight:
Net: 43.5 kg (96 lb)
Shipping: 64 kg (140 lb)
(includes wooden crate)
|Directory|
40
2011
J. Collector Efficiency
1.0 General Description
1.1 Test Method:
Tested in accordance with SRCC (Solar Rating and Certification Corporation) Standard
OG100-05, "Test Methods and Minimum Standards for Certifying Solar Collectors" with
reference to ANSI/ASHRAE Standard 93.
1.2 Testing Information:
Agency: Bodycote Testing Group
Location: Ontario, Canada
Lat. 43.53 °N Long. 79.66 °W
Elevation: 160 m (525 ft)
Date: January 18, 2007
1.3 Details of Tested collector:
Model: G32-P
Glazing: low-iron tempered Solite
Absorber material: aluminum fin and tube
Absorber coating: SOLEC black paint
Insulation: fiberglass
Gross area: 2.982 m2 (32.10 ft2)
Aperture area: 2.783 m2 (29.96 ft2)
Absorber area: 2.870 m2 (30.89 ft2)
1.4 Comments:
The time constant, thermal efficiency and Incident Angle Modifier were determined in the
solar simulator.
2.0 Test Conditions
2.1 Collector Tilt and Orientation:
Normal to the direction of irradiation.
2.2 Heat Transfer Fluid:
Water
2.3 Liquid Flow Rate:
0.059 kg/s (0.13 lb/s)
2.4 Mean Ambient Air Temperature:
20.3°C (68.5°F)
41
2011
2.5 Wind Velocity:
3.2 m/sec (10.5 ft/sec)
2.6 Range of insolation:
808 W/m2 (256 Btu/ft2 h)
3.0 Time Constant:
95 sec at 0.059 kg/s (0.139 lb/s) water
Inlet temperature: 22.8°C (73.0°F)
Ambient temperature: 20.1 (68.2°F)
4.0 Efficiency:
Efficiency curve is based on gross collector area, and was determined using the indoor solar
simulator. First order efficiency equation:
1st order: eff = 0.700 - 4.933(Ti - Ta)/G
2nd order: eff = 0.689 - 3.8475(Ti - Ta)/G - 0.01739(Ti - Ta)^2/G
5.0 Incident Angle Modifier:
K(ta) = 1 - 0.154(1/cosq - 1)
42
2011
6.0 FSEC Standard Day Tests:
The following standard day tests were performed by The Florida Solar Energy Center,
(FSEC).
The G Series Collectors described by this brochure, when properly installed and maintained, meet
the minimum standards established by the SRCC, (Solar Rating & Certification Corporation). This
certification does not imply endorsement or warranty of this product by SRCC
43
2011
ANNEXE 6 : Représentation graphique surfacique du rendement
Le graphique suivant réalisé par éditeur MATlab permet de comparer les rendements des deux
capteurs, celui du GREB étant représenté par la surface inférieure. Il permet la prise en compte de tous les
facteurs, c'est-à-dire le rendement en fonction de l’écart de température, mais également le rayonnement.
44
2011
ANNEXE 7 : Evolution de la température du réservoir durant une
journée de mesure représentative. Prototype 2
Ce graphique représentant l’augmentation de la température dans le réservoir (220 litres) lors d’une journée significative, permet de déterminer la capacité du capteur ainsi que l’énergie produite (voir
tableau ci-après) en fonction de la durée d’exposition du capteur.
70
Température mesurée (°C)
60
50
40
30
20
10
0
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Heure
T°C Réservoir ( 220 litres)
Expérimentation Capteur solaire
Capteur 2
Prototype
19/07/2011
Date
Surface brute du capteur
11.75
m²
Surface utile
11.15
m²
Volume (non
isolé)
225
litres
CP du l'eau
4185
J/(kg.°C)
Masse Vol eau
1.00
Kg/L
Débit utilisé
5.090
L/min
Condition météo
Météo
Ensoleillé
T°C extérieure
Delta Tps
Delta T°C
Ray moy
Energie ( Q =
m.ρ.cp.ΔT)
Résultats
07:13
7
13
433
hh:mm
heures
minutes
minutes cumulées
41.31
545.65
38896539.43
38896.54
10.80
919.5399393
°C
W/m²
J
kJ
kWh
Wh/m²
45
2011
ANNEXE 8 : Descriptif quantitatif et prix des capteurs GREB
PROTOTYPE 1 (S=12.5 m²)
Description
Laine de roche R14, (194 " x 100 " x 3")
Isolation
Latte bois pour isolation (1" x 3")
Contre plaqué (4' x 8' x 5/8')
Caisson en bois
lattes périphérique bois (1" x 3")
COMPOSANTE
Absorbeur
Circulation
Protection
Quantité
135 ft²
nb : 10
135 ft²
60 ft
Tôle architecturale (194 " x 100 " x 3")
nb : 6
Tuyaux cuivre (section 3/8")
Joint bronze (section 3/8")
Polycarbonate type SUNTUF (2' x 12')
latte suntuf (2' de long (0.2 latte/ft²))
Latte bois pour support latte suntuf (1" x 3")
Coût rénovation ($CA/m²)
Coût intégré au bâtiment ($CA/m²)
Protoype
150 ft
nb : 10
135 ft²
nb : 32
nb : 3
PROTOYPE 2 (S = 11.44 m²)
Description
Quantité
Laine de roche R14, (194 " x 100 " x 3")
123 ft²
Latte bois pour isolation (1" x 3")
nb : 90
Contre plaqué (4' x 8' x 5/8')
123 ft²
lattes périphérique bois (1" x 3")
50 ft²
Plaque d'acier
nb :66
143.52 Bombe peinture noir mat Hte T°C
nb : 3
Peinture liquide noir mat Hte T°C (V=946 mL)
1.417 mL
130.5 Tuyaux cuivre (section 3/8")
270 ft
17
Joint bronze (section 3/8")
nb : 5
351
Polycarbonate type SUNTUF (2' x 12')
nb : 123
58.4 latte suntuf (2' de long (0.2 latte/ft²))
nb : 25
3.56 Latte bois pour support latte suntuf (1" x 3")
nb : 3
900.01
rénovation
COÛT ($/m²)
560.46
intégré
rénovation
COÛT (€/m²)
intégré
Prix $
78.3
8.9
102.6
6.23
Réalisation
Intégré au bâtiment
GREB (S=5.80 m²)
Rénovation
G32P (S=2.98m²) Installation standard
$
390
550
990
Prix
€
273
385
693
Prix $
71.34
9.99
93.48
5.55
211.2
18
25.185
234.9
10.75
364.08
36.5
3.996
95
67
66
47
$/m² €/m²
67
47
95
66
330 231
46
2011
Bibliographie générale
Etude globale
http://www.cogesol.be/usr/documentation/CAPTEURS%20SOLAIRE%20THERMIQUE.pdf
Etudes du rendement des capteurs solaire au CNRC :
http://www.nrc-cnrc.gc.ca/obj/irc/doc/pubs/brn/brn133/brn133f.pdf
http://www.energiedouce.com/conseils-faq-panneaux-capteurs-solaires-thermiques-a-eau
Calcul rendement :
http://www.eco-energie.ch/content/view/117/26/
Apper : http://www.apper-solaire.org/?Theorie
http://www.solaire-panneau-thermique.com/calculs-de-rendements-heliofrance.p22.html
http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_16734.htm
Standards :
http://www.solarenergy.ch/Rapports-de-test-Capteurs.51.0.html?&L=7
http://www.iso.org/iso/home.html
Cours hydraulique :
http://ludovic.chatellier.free.fr/ens/ETE1/HRC/Cours.pdf
Dimensionnement plancher chauffant :
http://www.thermexcel.com/french/program/calcul_plancher_chauffant_sol_rafraichissant.htm
http://herve.silve.pagesperso-orange.fr/deperditions/deperd_simplifiee.htm
Comparatif patte thermique
http://www.pcworld.fr/article/comparatif-de-14-pates-thermiques/les-resultats-suite/109201/
Autre conception capteur peu couteux :
http://matthieu.weber.free.fr/ecologie/panneau_solaire/index.html
http://habitaeco.free.fr/spip.php?page=forum&id_article=15
Méthode campagne de mesure
http://wiki.epfl.ch/me301tdm/documents/Cours/Conception%20d%27essais/slides_m%C3%A9thode%20de%20conception%20d%C
2%92essais%20et%20d%C2%92une%20campagne%20de%20mesures%20exp%C3%A9rimentale.pdf
47

Expérimentation de capteurs solaires thermiques peu

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