Calcul des Besoins énergétiques du bâtiment
Contexte : L'autoconsommation solaire pour les bâtiments résidentiels.
Face aux enjeux climatiques et à l'augmentation du coût de l'énergie, de plus en plus de foyers se tournent vers les énergies renouvelables. L'installation de panneaux solaires photovoltaïquesDispositifs qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque. sur le toit des habitations est une solution populaire pour produire sa propre électricité. Cet exercice vous guidera à travers les étapes clés pour dimensionner une installation capable de couvrir les besoins énergétiques d'une maison.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à réaliser un pré-dimensionnement réaliste d'un système solaire, en liant la consommation d'un bâtiment, le potentiel solaire d'un site et les caractéristiques techniques du matériel.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre et quantifier les besoins énergétiques annuels d'un bâtiment.
- Calculer l'énergie solaire productible par une surface en fonction de son orientation et de l'ensoleillement local.
- Déterminer la puissance et le nombre de panneaux nécessaires pour atteindre un objectif de production.
- Se familiariser avec les unités clés : kWh, kWc, et rendement.
Données de l'étude
Schéma de la toiture de la maison
Nom du Paramètre | Description | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Consommation annuelle | Besoin électrique total du foyer. | 4500 | kWh/an |
Surface de toiture disponible | Pan de toiture orienté plein Sud. | 32 | m² |
Irradiation solaire annuelle | Énergie solaire reçue sur une surface horizontale à Lyon. | 1350 | kWh/m²/an |
Puissance d'un panneau | Puissance nominale (crête) d'un panneau standard. | 375 | Wc |
Dimensions d'un panneau | Surface occupée par un panneau. | 1.75 x 1.0 | m |
Rendement global du système | Pertes dues aux câbles, onduleur, température, etc. | 0.85 | (sans unité) |
Questions à traiter
- Calculer la production d'énergie électrique annuelle attendue pour 1 m² de toiture.
- Déterminer la surface de panneaux nécessaire pour couvrir 100% des besoins annuels.
- Calculer le nombre de panneaux à installer et vérifier si la surface de toiture est suffisante.
- Estimer la puissance crête totale de l'installation.
Les bases du calcul photovoltaïque
Pour dimensionner une installation, il faut mettre en relation l'énergie solaire disponible (la ressource) et la capacité de notre système à la convertir en électricité utile.
1. Énergie Solaire Disponible
L'énergie reçue dépend de l'irradiation du lieu. Cependant, une toiture inclinée et bien orientée (plein Sud dans l'hémisphère Nord) reçoit plus d'énergie qu'une surface horizontale. Pour une pente optimale (environ 30-35° en France), on peut appliquer un facteur de correction. Pour simplifier, on considère ici que l'irradiation donnée sur plan horizontal est une bonne base de départ pour nos calculs.
2. Production Électrique d'un Système
La production finale dépend de l'énergie solaire reçue, de la surface des panneaux, du rendement de conversion des panneaux et du rendement global du système (pertes diverses). La formule générale est :
\[ E_{\text{prod}} = I_{\text{solaire}} \times S_{\text{panneaux}} \times \eta_{\text{panneau}} \times \eta_{\text{système}} \]
Une approche plus directe, souvent utilisée en pré-dimensionnement, consiste à utiliser la puissance crête de l'installation.
Correction : Calcul des Besoins énergétiques du bâtiment
Question 1 : Calculer la production d'énergie électrique annuelle attendue pour 1 m² de toiture.
Principe (le concept physique)
L'objectif est de convertir l'énergie brute du soleil (irradiation) en énergie électrique réellement utilisable. On part de l'énergie solaire totale qui frappe 1 m² en un an et on lui applique un "filtre" de performance (le rendement) pour savoir quelle part devient de l'électricité.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Irradiation (kWh/m²/an) : C'est la quantité totale d'énergie solaire brute reçue sur une surface de 1 m² pendant un an. Elle dépend de la localisation géographique. Rendement global (\(\eta\)) : C'est un pourcentage (sans unité) qui représente l'efficacité de l'ensemble du système (panneaux, onduleur, câbles, etc.) à convertir l'irradiation en électricité. Aucune conversion n'est parfaite, il y a toujours des pertes.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Pensez à ce calcul comme à une recette. L'irradiation est votre ingrédient principal (la farine), et le rendement est l'efficacité de votre four. Même avec beaucoup de farine, si le four a des fuites de chaleur, vous produirez moins de pain. Ici, on calcule le "rendement de la recette" pour 1 m².
Normes (la référence réglementaire)
Bien que cet exercice soit simplifié, les calculs de productible réels s'appuient sur des bases de données météorologiques standardisées (comme PVGIS en Europe) et des modèles de performance décrits par des normes telles que la série IEC 61724 "Photovoltaic system performance".
Formule(s) (l'outil mathématique)
La production d'énergie par mètre carré, aussi appelée "productible", est l'outil fondamental.
Hypothèses (le cadre du calcul)
- L'irradiation de 1350 kWh/m²/an est une moyenne annuelle fiable pour le site.
- Le rendement global de 0.85 est constant tout au long de l'année et ne varie pas avec la température ou l'usure.
- L'orientation et l'inclinaison de la toiture sont considérées comme optimales et sont incluses dans le rendement global pour cette simplification.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Irradiation solaire annuelle (\(I_{\text{solaire}}\)) = 1350 kWh/m²/an
- Rendement global du système (\(\eta_{\text{global}}\)) = 0.85
Astuces (Pour aller plus vite)
Le rendement sera toujours inférieur à 1 (soit 100%). Le résultat final en kWh/m² doit donc obligatoirement être inférieur à la valeur de l'irradiation. Si ce n'est pas le cas, vous avez probablement fait une erreur de calcul.
Schéma (Avant les calculs)
Conversion Énergétique pour 1 m²
Calcul(s) (l'application numérique)
Schéma (Après les calculs)
Bilan Énergétique pour 1 m²
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Ce chiffre de 1147.5 kWh/m²/an est crucial. Il signifie que chaque mètre carré de panneau que nous installerons sur ce toit à Lyon nous rapportera cette quantité d'électricité chaque année. C'est notre "potentiel de production" unitaire. Il nous permet de comparer le potentiel de différents sites ou technologies.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
L'erreur la plus commune est de confondre l'irradiation (énergie solaire brute) et le productible (énergie électrique nette). N'oubliez jamais d'appliquer le rendement global. Une autre erreur est d'utiliser 85 au lieu de 0.85 dans le calcul.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La production électrique est directement proportionnelle à l'ensoleillement et au rendement du système.
- La formule clé : Production = Énergie Solaire × Rendement.
- Le résultat est une "densité de production" en kWh par m² par an.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Le rendement de 85% est une valeur réaliste. Il inclut environ 10% de pertes dans l'onduleur (qui convertit le courant continu en alternatif), 3% dans les câbles, et 2% dus à la salissure et à l'indisponibilité, sans compter les pertes liées à la température des panneaux.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si l'on choisissait un système moins performant avec un rendement global de 78%, quelle serait la nouvelle production par m² ?
Question 2 : Déterminer la surface de panneaux nécessaire pour couvrir 100% des besoins annuels.
Principe (le concept physique)
Il s'agit d'une simple règle de trois. Si nous savons combien d'énergie 1 m² produit (résultat de la Q1) et combien d'énergie totale nous avons besoin (la consommation de la maison), nous pouvons en déduire la surface totale qu'il nous faut.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Ce calcul établit le lien direct entre la consommation d'un bâtiment et la taille d'une installation d'énergie renouvelable. Le concept clé est "l'adéquation production/consommation". L'objectif ici est une "autonomie énergétique théorique" de 100% sur une base annuelle, ce qui signifie que sur un an, on produit autant que l'on consomme.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Imaginez que vous devez remplir une baignoire (vos besoins énergétiques) avec un robinet dont vous connaissez le débit (votre productible par m²). Vous calculez simplement combien de "surface de robinet" il vous faut pour remplir la baignoire dans le temps imparti (un an).
Normes (la référence réglementaire)
Les réglementations thermiques et environnementales (comme la RE2020 en France) encouragent cette démarche de couverture des besoins par des sources renouvelables. Elles fixent des seuils minimaux de production renouvelable pour les constructions neuves.
Formule(s) (l'outil mathématique)
La formule découle logiquement du principe.
Hypothèses (le cadre du calcul)
- On suppose que le besoin énergétique de 4500 kWh/an est constant d'une année sur l'autre.
- Le calcul vise une compensation annuelle. Il ne garantit pas que la production à un instant T couvre la consommation à ce même instant.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Besoin Énergétique Annuel = 4500 kWh/an
- Productible (calculé en Q1) = 1147.5 kWh/m²/an
Astuces (Pour aller plus vite)
Avant de calculer, faites une estimation. 4500 est environ 4 fois 1150. La surface nécessaire devrait donc être autour de 4 m². Cela vous donne un ordre de grandeur pour vérifier votre résultat final.
Schéma (Avant les calculs)
Adéquation Besoins / Surface
Calcul(s) (l'application numérique)
Schéma (Après les calculs)
Visualisation de la Surface Requise
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Le résultat de 3.92 m² représente la "surface active" de cellules photovoltaïques nécessaire. Ce n'est pas encore la surface physique des panneaux sur le toit, car les panneaux ont un cadre et des espaces entre eux. C'est une surface théorique de production.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Assurez-vous que les unités sont cohérentes ! On doit diviser des kWh/an par des kWh/m²/an. Si les unités ne correspondent pas, le résultat sera incorrect. L'unité finale doit être des m².
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- Pour trouver une quantité (surface), on divise un total (besoin) par un taux (production par m²).
- Formule clé : Surface = Besoin / Productible.
- Ce calcul est la première étape du dimensionnement physique.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
En pratique, on surdimensionne souvent légèrement l'installation (d'environ 10-20%) pour compenser la dégradation naturelle des performances des panneaux au fil du temps (environ 0.5% par an) et pour s'assurer de couvrir les besoins même lors des années moins ensoleillées.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si le foyer installe une pompe à chaleur et que ses besoins grimpent à 6000 kWh/an, quelle serait la nouvelle surface nécessaire ?
Question 3 : Calculer le nombre de panneaux à installer et vérifier si la surface de toiture est suffisante.
Principe (le concept physique)
On passe du théorique (la surface active) au concret (les objets physiques). On va déterminer la production d'un seul panneau, puis voir combien de ces "briques de production" il nous faut pour atteindre notre objectif. Enfin, on vérifie si on a la place de les poser.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Le dimensionnement pratique se fait en nombre entier de panneaux. On ne peut pas installer "2.24 panneaux". Il faut donc calculer le besoin et toujours arrondir au nombre entier supérieur pour être sûr d'atteindre, voire de dépasser légèrement, l'objectif de production. C'est un principe de conception sécuritaire.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
C'est comme acheter des briques pour construire un mur. Vous calculez la surface du mur, puis vous regardez la surface d'une brique pour savoir combien en acheter. Vous achèterez toujours un peu plus pour être sûr de finir le mur. Ici, c'est pareil : on arrondit à la "brique" (le panneau) supérieure.
Normes (la référence réglementaire)
Les guides d'installation (comme l'UTE C15-712-1 en France) précisent les règles de montage, comme les distances à respecter par rapport aux bords de la toiture (le calepinage), ce qui signifie que la surface réellement utilisable est toujours un peu inférieure à la surface totale de la toiture.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Une série de calculs simples et logiques.
Hypothèses (le cadre du calcul)
- Les dimensions fournies pour le panneau (1.75 m²) représentent la surface totale occupée sur le toit.
- On peut placer les panneaux sans contraintes de forme ou d'obstacles sur les 32 m² disponibles.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Besoin Annuel = 4500 kWh/an
- Productible = 1147.5 kWh/m²/an
- Dimensions d'un panneau = 1.75 m x 1.0 m
- Surface de toiture disponible = 32 m²
Astuces (Pour aller plus vite)
Vous aviez calculé une surface théorique de 3.92 m² (Q2). Un panneau fait 1.75 m². On voit tout de suite qu'il en faudra plus que 2 (2 x 1.75 = 3.5, pas assez) et probablement 3 (3 x 1.75 = 5.25, assez). Cela confirme le calcul.
Schéma (Avant les calculs)
Calepinage sur Toiture
Calcul(s) (l'application numérique)
Étape 1 : Surface et production d'un panneau
Étape 2 : Nombre de panneaux et surface occupée
Schéma (Après les calculs)
Implantation Finale
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La surface de toiture est largement suffisante (5.25 m² < 32 m²). Le choix de 3 panneaux signifie que notre production réelle sera légèrement supérieure à nos besoins (3 x 2008 = 6024 kWh produits), ce qui est une bonne chose. Le surplus pourra être vendu au réseau.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne jamais oublier d'arrondir le nombre de panneaux à l'entier SUPÉRIEUR. Arrondir à l'inférieur (2 panneaux dans ce cas) signifierait ne pas atteindre l'objectif de production. De plus, toujours comparer la surface occupée finale à la surface disponible.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- On passe de la surface théorique au nombre de panneaux réels.
- On arrondit toujours le nombre de panneaux à l'unité supérieure.
- On vérifie que la surface occupée est inférieure à la surface disponible.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
L'agencement des panneaux sur un toit s'appelle le "calepinage". C'est une étape cruciale qui doit prendre en compte les obstacles (cheminées, fenêtres de toit), les zones d'ombre, et les contraintes de fixation pour optimiser la production et garantir la sécurité.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Avec des panneaux plus grands de 2.1 m², combien de panneaux faudrait-il et quelle surface occuperaient-ils ?
Question 4 : Estimer la puissance crête totale de l'installation.
Principe (le concept physique)
La puissance-crête est la "carte d'identité" de la puissance de l'installation. C'est la somme des puissances nominales de chaque panneau. Elle représente la puissance maximale que le système peut générer dans des conditions de laboratoire idéales.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La puissance-crête (Wc ou kWc) est une unité de PUISSANCE, tandis que le kilowatt-heure (kWh) est une unité d'ÉNERGIE. La puissance est instantanée (comme la vitesse d'une voiture), l'énergie est une quantité accumulée sur une période (comme la distance parcourue). La puissance-crête est l'indicateur utilisé pour déclarer et comparer les installations.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
C'est très simple : si une ampoule fait 60W, trois ampoules font 3 x 60 = 180W. C'est exactement la même logique pour les panneaux solaires. On additionne simplement leur puissance nominale.
Normes (la référence réglementaire)
La puissance-crête est la valeur utilisée pour les démarches administratives (déclaration en mairie, demande de raccordement au réseau). En France, les installations jusqu'à 3 kWc bénéficient de démarches simplifiées.
Formule(s) (l'outil mathématique)
L'addition des puissances.
Hypothèses (le cadre du calcul)
- On suppose que tous les panneaux installés sont identiques et ont la même puissance nominale de 375 Wc.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Nombre de panneaux (calculé en Q3) = 3
- Puissance d'un panneau (\(P_{\text{1 panneau}}\)) = 375 Wc
Astuces (Pour aller plus vite)
Pour convertir les Wc en kWc, il suffit de diviser par 1000. C'est une conversion d'unité classique. 3000 Wc = 3 kWc.
Schéma (Avant les calculs)
Addition des Puissances
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul en Watt-crête (Wc)
Conversion en kilowatt-crête (kWc)
Schéma (Après les calculs)
Puissance Crête Finale de l'Installation
Réflexions (l'interprétation du résultat)
L'installation a une puissance de 1.125 kWc. C'est une petite installation résidentielle, ce qui est cohérent avec le besoin énergétique modeste de 4500 kWh/an. Cette valeur sera la référence pour le contrat de vente du surplus ou pour la déclaration de l'installation.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas confondre kW et kWh ! kWc est une puissance, kWh est une énergie. C'est l'erreur la plus fondamentale en énergétique. On ne peut pas additionner des kWc et des kWh.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La puissance totale est la somme des puissances individuelles.
- Formule clé : P_totale = N_panneaux × P_panneau.
- L'unité de puissance est le Wc ou le kWc.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Un ratio utile est le nombre de kWh produits par an pour 1 kWc installé. En France, il varie de 900 (Nord) à 1400 (Sud). Ici, avec 6024 kWh produits pour 1.125 kWc, on a un ratio de 5354, ce qui est irréaliste et montre les limites de notre simplification. Le calcul par le productible surfacique est plus fiable.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si on installait finalement 8 panneaux de 400 Wc chacun, quelle serait la puissance crête totale en kWc ?
Outil Interactif : Simulateur de Production Solaire
Utilisez les curseurs pour faire varier la consommation annuelle de la maison et le rendement du système. Observez l'impact sur le nombre de panneaux nécessaires et la production totale.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quelle est l'unité de la puissance d'une installation photovoltaïque ?
2. Si l'irradiation solaire d'un lieu augmente, la production électrique...
3. Le "rendement global du système" prend en compte :
4. Pour couvrir des besoins énergétiques plus importants, il faut :
5. L'unité kWh/m²/an mesure :
- Kilowatt-heure (kWh)
- Unité de mesure de l'énergie. Elle représente la quantité d'énergie consommée par un appareil de 1000 watts pendant une heure. C'est l'unité utilisée sur les factures d'électricité.
- Kilowatt-crête (kWc)
- Unité de mesure de la puissance maximale d'une installation photovoltaïque dans des conditions standards (ensoleillement de 1000 W/m², température de 25°C).
- Irradiation Solaire
- Quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface sur une période donnée. Elle est généralement exprimée en kWh/m² par an.
- Rendement d'un système
- Rapport entre l'énergie électrique produite et l'énergie solaire reçue. Un rendement de 85% (0.85) signifie que 85% de l'énergie solaire captée est convertie en électricité utilisable, les 15% restants étant perdus.
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