Études de cas pratique

EGC

Système de panneaux Solaire pour un Bâtiment

Système de Panneaux Solaires Thermiques pour un Bâtiment (Énergies Renouvelables)

Système de Panneaux Solaires Thermiques pour un Bâtiment

Comprendre l'Intégration d'un Système Solaire Thermique

Les systèmes solaires thermiques utilisent l'énergie du soleil pour produire de la chaleur, principalement pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS) ou le chauffage des locaux. Un système typique se compose de capteurs solaires thermiques (souvent des panneaux plans vitrés ou des tubes sous vide) qui absorbent le rayonnement solaire et le transfèrent à un fluide caloporteur. Ce fluide circule ensuite vers un ballon de stockage où il cède sa chaleur à l'eau sanitaire ou au circuit de chauffage via un échangeur de chaleur. Le dimensionnement d'un tel système dépend des besoins en chaleur, de l'irradiation solaire disponible sur le site, de l'efficacité des capteurs, de la taille du stockage et du taux de couverture solaire souhaité. L'objectif est de maximiser l'utilisation de cette énergie renouvelable gratuite pour réduire la consommation d'énergies conventionnelles (gaz, fioul, électricité) et les émissions de gaz à effet de serre associées.

Données de l'étude

On souhaite dimensionner un système solaire thermique pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS) d'une maison unifamiliale de 4 personnes.

Besoins en Eau Chaude Sanitaire (ECS) :

  • Consommation journalière d'eau chaude par personne à \(45^\circ \text{C}\) : \(50 \, \text{litres/jour/personne}\)
  • Température de l'eau froide du réseau (\(T_{\text{ef}}\)) : \(10^\circ \text{C}\)
  • Température de l'eau chaude sanitaire souhaitée (\(T_{\text{ecs}}\)) : \(55^\circ \text{C}\) (température de stockage pour éviter les légionelles, puis mitigée à 45°C au point d'usage, mais les besoins sont calculés à 45°C pour la quantité d'énergie). Pour simplifier, on considérera les besoins énergétiques pour élever l'eau de \(T_{\text{ef}}\) à \(T_{\text{ecs,usage}} = 45^\circ \text{C}\).
  • Capacité thermique massique de l'eau (\(c_p\)) : \(4185 \, \text{J/(kg}\cdot\text{K)}\) ou \(1.1625 \, \text{Wh/(kg}\cdot\text{K)}\)
  • Masse volumique de l'eau (\(\rho_{\text{eau}}\)) : \(1 \, \text{kg/L}\)

Caractéristiques du Système Solaire Thermique et du Site :

  • Localisation : Marseille, France
  • Irradiation solaire annuelle moyenne sur le plan des capteurs (bien orientés et inclinés) : \(H_{\text{annuel}} = 1500 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Rendement optique des capteurs solaires (\(\eta_0\)) : \(0.75\)
  • Coefficient de pertes thermiques des capteurs (\(U_L\)) : \(4.0 \, \text{W/(m}^2 \cdot \text{K)}\) (ceci est une simplification, en réalité U_L dépend de la température)
  • Pour une estimation simplifiée de la production annuelle, on utilisera un rendement global moyen du système solaire (capteurs + stockage + distribution) : \(\eta_{\text{système}} = 40\%\) (ce rendement global prend en compte l'efficacité de captage et les diverses pertes).
  • Objectif de taux de couverture solaire annuel des besoins ECS : \(F_{\text{sol}} = 60\%\)
Schéma : Système Solaire Thermique pour ECS
Système Solaire Thermique pour ECS {/* */} Rayonnement Solaire {/* */} Capteurs {/* */} Fluide Caloporteur {/* */} Ballon ECS Échangeur {/* */} Eau Froide {/* */} Eau Chaude {/* */} Appoint

Schéma de principe d'un système solaire thermique pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS).

Questions à traiter

  1. Calculer les besoins journaliers en volume d'eau chaude à \(45^\circ \text{C}\) pour la famille.
  2. Calculer les besoins énergétiques journaliers utiles pour l'ECS (\(E_{\text{ECS,jour}}\)) en kWh.
  3. Calculer les besoins énergétiques annuels utiles pour l'ECS (\(E_{\text{ECS,an}}\)) en kWh.
  4. Calculer l'énergie solaire annuelle que le système doit fournir (\(E_{\text{solaire,an}}\)) pour atteindre le taux de couverture de 60%.
  5. Estimer la surface de capteurs solaires thermiques (\(A_{\text{capteurs}}\)) nécessaire pour fournir cette énergie, en utilisant le rendement global du système.

Correction : Intégration d’un Système Solaire Thermique

Question 1 : Besoins Journaliers en Volume d'Eau Chaude à \(45^\circ \text{C}\)

Principe :

Les besoins journaliers en volume d'eau chaude sont calculés en multipliant la consommation par personne par le nombre de personnes dans le foyer.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{ECS,jour}} = \text{Consommation/personne} \times \text{Nombre de personnes} \]
Données spécifiques :
  • Consommation journalière par personne : \(50 \, \text{litres/jour/personne}\)
  • Nombre de personnes : 4
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{ECS,jour}} &= 50 \, \text{L/(jour}\cdot\text{pers)} \times 4 \, \text{pers} \\ &= 200 \, \text{L/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : Les besoins journaliers en volume d'eau chaude à \(45^\circ \text{C}\) sont de \(200 \, \text{litres}\).

Question 2 : Besoins Énergétiques Journaliers Utiles pour l'ECS (\(E_{\text{ECS,jour}}\))

Principe :

L'énergie nécessaire pour chauffer un volume d'eau est donnée par la formule \(E = m \cdot c_p \cdot \Delta T\), où \(m\) est la masse d'eau, \(c_p\) la capacité thermique massique de l'eau, et \(\Delta T\) la différence de température entre l'eau chaude souhaitée et l'eau froide. La masse \(m\) est obtenue en multipliant le volume \(V\) par la masse volumique \(\rho_{\text{eau}}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ m = V_{\text{ECS,jour}} \times \rho_{\text{eau}} \] \[ E_{\text{ECS,jour}} = m \cdot c_p \cdot (T_{\text{ecs,usage}} - T_{\text{ef}}) \]
Données spécifiques :
  • \(V_{\text{ECS,jour}} = 200 \, \text{L/jour}\) (résultat Q1)
  • \(\rho_{\text{eau}} = 1 \, \text{kg/L}\)
  • \(c_p = 1.1625 \, \text{Wh/(kg}\cdot\text{K)}\) (pour avoir le résultat directement en Wh)
  • \(T_{\text{ecs,usage}} = 45^\circ \text{C}\)
  • \(T_{\text{ef}} = 10^\circ \text{C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} m &= 200 \, \text{L/jour} \times 1 \, \text{kg/L} = 200 \, \text{kg/jour} \\ \Delta T &= 45^\circ \text{C} - 10^\circ \text{C} = 35^\circ \text{C} = 35 \, \text{K} \\ E_{\text{ECS,jour}} &= 200 \, \text{kg/jour} \times 1.1625 \, \text{Wh/(kg}\cdot\text{K)} \times 35 \, \text{K} \\ &= 232.5 \, \text{Wh/K/jour} \times 35 \, \text{K} \\ &= 8137.5 \, \text{Wh/jour} \\ &= 8.1375 \, \text{kWh/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Les besoins énergétiques journaliers utiles pour l'ECS sont d'environ \(8.14 \, \text{kWh}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si la température de l'eau froide du réseau était de \(15^\circ \text{C}\) au lieu de \(10^\circ \text{C}\), les besoins énergétiques journaliers pour l'ECS seraient :

Question 3 : Besoins Énergétiques Annuels Utiles pour l'ECS (\(E_{\text{ECS,an}}\))

Principe :

Les besoins énergétiques annuels sont obtenus en multipliant les besoins journaliers par le nombre de jours dans une année (généralement 365 jours).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{ECS,an}} = E_{\text{ECS,jour}} \times 365 \, \text{jours/an} \]
Données spécifiques :
  • \(E_{\text{ECS,jour}} = 8.1375 \, \text{kWh/jour}\) (résultat Q2)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{ECS,an}} &= 8.1375 \, \text{kWh/jour} \times 365 \, \text{jours/an} \\ &= 2970.1875 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

Arrondissons à \(E_{\text{ECS,an}} \approx 2970 \, \text{kWh/an}\).

Résultat Question 3 : Les besoins énergétiques annuels utiles pour l'ECS sont d'environ \(2970 \, \text{kWh}\).

Question 4 : Énergie Solaire Annuelle à Fournir (\(E_{\text{solaire,an}}\))

Principe :

L'objectif est de couvrir un certain pourcentage (\(F_{\text{sol}}\)) des besoins annuels en ECS grâce à l'énergie solaire. L'énergie solaire à fournir est donc ce pourcentage appliqué aux besoins annuels totaux d'ECS.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{solaire,an}} = E_{\text{ECS,an}} \times F_{\text{sol}} \]
Données spécifiques :
  • \(E_{\text{ECS,an}} \approx 2970.1875 \, \text{kWh/an}\) (valeur non arrondie de Q3)
  • Taux de couverture solaire (\(F_{\text{sol}}\)) : 60% = 0.60
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{solaire,an}} &= 2970.1875 \, \text{kWh/an} \times 0.60 \\ &= 1782.1125 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

Arrondissons à \(E_{\text{solaire,an}} \approx 1782 \, \text{kWh/an}\).

Résultat Question 4 : L'énergie solaire annuelle que le système doit fournir est d'environ \(1782 \, \text{kWh}\).

Question 5 : Surface de Capteurs Solaires Thermiques (\(A_{\text{capteurs}}\)) Nécessaire

Principe :

La surface de capteurs nécessaire dépend de l'énergie solaire annuelle à fournir, de l'irradiation solaire annuelle moyenne sur le plan des capteurs, et du rendement global du système solaire. Le rendement global prend en compte l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en chaleur utile par les capteurs, ainsi que les pertes dans le système de stockage et de distribution.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{capteurs}} = \frac{E_{\text{solaire,an}}}{H_{\text{annuel}} \times \eta_{\text{système}}} \]
Données spécifiques :
  • Énergie solaire annuelle à fournir (\(E_{\text{solaire,an}}\)) : \(\approx 1782.1125 \, \text{kWh/an}\) (valeur non arrondie de Q4)
  • Irradiation solaire annuelle moyenne (\(H_{\text{annuel}}\)) : \(1500 \, \text{kWh/m}^2\text{/an}\)
  • Rendement global du système solaire (\(\eta_{\text{système}}\)) : 40% = 0.40
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{capteurs}} &= \frac{1782.1125 \, \text{kWh/an}}{1500 \, \text{kWh/m}^2\text{/an} \times 0.40} \\ &= \frac{1782.1125}{600} \, \text{m}^2 \\ &\approx 2.9701875 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]

Arrondissons à \(A_{\text{capteurs}} \approx 2.97 \, \text{m}^2\).

Résultat Question 5 : La surface de capteurs solaires thermiques nécessaire est d'environ \(2.97 \, \text{m}^2\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si le rendement global du système solaire (\(\eta_{\text{système}}\)) était plus faible, la surface de capteurs nécessaire pour fournir la même quantité d'énergie solaire serait :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. L'énergie principale captée par un panneau solaire thermique est :

2. Le rendement global d'un système solaire thermique pour ECS prend en compte :

3. Un taux de couverture solaire de 60% pour l'ECS signifie que :

Glossaire

Solaire Thermique
Technologie qui capte l'énergie du rayonnement solaire pour la convertir en chaleur, utilisable pour le chauffage de l'eau (Eau Chaude Sanitaire - ECS) ou le chauffage des locaux.
Capteur Solaire Thermique
Dispositif conçu pour absorber le rayonnement solaire et transférer la chaleur à un fluide caloporteur (généralement de l'eau glycolée).
Fluide Caloporteur
Fluide qui transporte la chaleur des capteurs solaires vers le système de stockage ou d'utilisation.
Irradiation Solaire (\(H\))
Quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface pendant une période donnée. Exprimée en \(\text{kWh/m}^2\) ou \(\text{MJ/m}^2\).
Rendement Optique (\(\eta_0\))
Part du rayonnement solaire incident qui est effectivement absorbée par l'absorbeur du capteur solaire et convertie en chaleur, lorsque la température du capteur est égale à la température ambiante (pas de pertes thermiques).
Coefficient de Pertes Thermiques (\(U_L\))
Caractéristique d'un capteur solaire qui quantifie les pertes de chaleur du capteur vers l'environnement par convection et rayonnement, par unité de surface et par degré de différence de température entre le capteur et l'ambiance. Unité : \(\text{W/(m}^2 \cdot \text{K)}\).
Taux de Couverture Solaire (\(F_{\text{sol}}\))
Fraction des besoins énergétiques (ex: pour l'ECS) qui est couverte par le système solaire thermique sur une période donnée (généralement annuelle).
Eau Chaude Sanitaire (ECS)
Eau chauffée destinée aux usages domestiques tels que la douche, le bain, la vaisselle.
Système de Panneaux Solaires Thermiques - Exercice d'Application

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1 Commentaire
  1. KOUTCHIKO
    KOUTCHIKO sur 24 mars 2024 à 19h41

    C’est superbe

    Réponse
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