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La qualité de fonctionnement du solaire thermique :
comparaison avec d’autres équipements techniques
Colloque « Solaire thermique et Habitat collectif »
20 février 2013
Thomas Letz
1. Dimensionnement
2. Conception des installations
3. Réalisation, installation
4. Entretien et maintenance
5. Mesures et comptage
6. Conclusion
Présentation basée sur les résultats de
nombreux suivis réalisés sur des
bâtiments basse consommation
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 124,2
Irradiation/charge
Pro
du
cti
vit
é (
kW
h/a
n.m
²)
> 1
0,8 à 1
0,6 à 0,8
0,4 à 0,6
0,2 à 0,4
0 à 0,2
Productivité en fonction du rapport irradiation/charge
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 – Surdimensionnement des
surfaces de capteurs solaires
Règle d’or : ne jamais surdimensionner les installations pour ne pas dégrader la productivité,
donc la « rentabilité »
Installations solaires
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
déc-
07
janv-
08
févr
-08
mars
-
avr
-08
mai-08
juin
-08
juil-
08
août-
08
sept-
08
oct
-08
nov-
08
déc-
08
janv-
09
févr
-09
mars
-
avr
-09
mai-09
juin
-09
juil-
09
août-
09
sept-
09
oct
-09
nov-
09
déc-
09
janv-
10
févr
-10
mars
-
avr
-10
mai-10
juin
-10
juil-
10
août-
10
sept-
10
oct
-10
nov-
10
déc-
10
janv-
11
> 1
0,8 à 1
0,6 à 0,8
0,4 à 0,6
0,2 à 0,4
0 à 0,2
Catégorie (Tous) Appoint (Tous) département (Tous) énergie appoint(Tous) Bouclage (Tous) Nombre de mois de suivi >12(Tous) chauffage (Tous)
Ratio de performance annuel
Evolution du nombre d'installations suivies, avec répartition par ratio de performance annuel
Nombre de sites
Bon Sur-
Pro
du
cti
vit
é e
n é
nerg
ie é
co
no
mis
ée
(kW
h/m
².an
)
PV
Pro
du
cti
vit
é e
n é
nerg
ie u
tile
(kW
h/m
².a
n)
800
400
600
200
0
Rendement
moyen
appoint pris
en compte :
75 %
dimensionnement Source :
Irradiation/besoins ECS
Confluence Monolithe
Installations solaires
Pression de prégonflage
insuffisante
• réduction du volume
d’expansion utile
• évacuation de caloporteur par
la soupape
• manque de fluide
volume sur
schémavolume réel
pression de
gonflagevolume
pression de
gonflage
bars litres bars
1 200 200 178 3,9
2 300 200 185 3,9
3 50 50 85 3,6
4 200 200 185 3,9
5 300 300 296 4,2
6 200 200 187 3,9
2,5
Vase d'expansion réel Vase d'expansion théorique
litres
Sous station
Confluence îlot B
Différence d’altitude capteurs – sous-stations > 30 m
?
1 - Pression de prégonflage
insuffisante du vase
d’expansion capteurs solaires
Equipements classiques 1 – Surdimensionnement des
générateurs
CHAUDIERE
Courbe de fréquences cumulées du taux de charge (par rapport
au comptage de chaleur) de la chaudière
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Occurence
Ta
ux
de
ch
arg
e d
e la
ch
au
diè
re
ENERTECH ADEME
INEED
Taux de charge
maxi : 67%
Taux de charge > 50% pendant 3%
de l’année (132 h)
Taux de charge moyen sur l’hiver : 21 %
Exemple avec générateur non sur dimensionné (INEED)
Malgré l’absence de
surpuissance, le taux de charge
est faible, ce qui dégrade le
rendement.
1 – Surdimensionnement des
générateurs
CONSOMMATIONS SPECIFIQUES ENERGIES UTILE ET PRIMAIRE (gaz)
pour chauffage
0
20
40
60
80
100
120
140
53 Runtz 31 Vosges 33 Maçons 13 Vosges
Co
ns
om
ma
tio
n (
kW
h/a
n/m
²)
Energie primaire Energie Utile
Moyenne énergie primaire : 84 kWh/an/m²
ENERTECH ADEME
Réhabilitation Franklin
Moyenne énergie utile : 71,5 kWh/an/m²
Objectif : 50 kWh/an/m²
Plus la charge est faible, plus le rendement se dégrade…
Exemple avec générateurs surdimensionnés
Règle d’or : ne jamais surdimensionner les installations pour ne pas dégrader le rendement
Problème de la relance matinale? Ne plus faire de ralenti de nuit si Text<Tlimite
Equipements classiques
1 – Surdimensionnement des
installations d’ECS
Débits de pointe à 10 minutes : imposés/réels
Des débits de pointe à 10 minutes 2 à 3 fois inférieurs à ceux obtenus par les
règles de calcul usuelles : d’où des équipements trop importants et trop coûteux
ZDB_ECS Comparaison des débits de pointe à 55°C à 10 minutes mesurés et calculés par les
méthodes de conception de l'AICVF
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
B1 A2 G2 sous-station AB G2 sous-station C G3
Dé
bit
(lit
res
/log
em
en
t à
55
°C)
Mesures Calcul de conception
ENERTECH ZAC DE BONNE
SEM SAGES
VILLE DE GRENOBLE
Equipements classiques
1 – Et aussi…. Equipements classiques
• Surdimensionnement des pompes et ventilateurs : la consommation d’une pompe,
d’un circulateur (ou même d’un ventilateur) croît, dans un réseau donné, avec le
cube du débit…
• Sous-dimensionnement des épaisseurs d’isolation.
Source :
2 – Schémas hydrauliques
aberrants
ou trop complexes!
Installations solaires
Comment l’eau chaude circule-t-elle dans le stockage solaire ?
Confluence îlot B
M
M
capteur
solaire
ballon
ECS
solaire
ballon
ECS
solaire ballon
ECS
appoint
échangeur
à plaques
Légende : circulateur : vanne trois voies modulante : clapet anti-retour : vanne normalement ouverte : vanne normalement ferméeM
: fluide caloporteur antigel : eau chaude sanitaire : eau de chauffage
2 – Retour bouclage
réchauffant bas du ballon
solaire
Installations solaires
M
M
Eau froide
Retour
chauffage
Départ
chauffage
Retour
bouclage
Départ eau
chaude
Chaudière
Ballon ECS 500 litres
V3V ECS
consigne 60°C
70 °C
Du fait de l’absence de clapets anti-retour et du tronçon de bipasse , la partie basse du ballon
est réchauffée par des retours de boucle chauds qui interdisent la récupération des apports
solaires. De nombreuses configurations hydrauliques peuvent y conduire.
2 – Retour bouclage
réchauffant bas du ballon
solaire
Installations solaires
M
M
Eau froide
Retour
chauffage
Départ
chauffage
Retour
bouclage
Départ eau
chaude
Chaudière
Ballon ECS 500 litres
V3V ECS
consigne 60°C
70 °C
Modification à faire mineure ! Mais si elle n’est pas faite, le fonctionnement est complètement
perturbé.
2 – Et aussi … Installations solaires
• Retour bouclage dans le ballon solaire
solaire très pénalisé
• Résistance électrique en bas de ballon solaire
solaire très pénalisé
M
vers chaufferie
gaz PS1
vers chaufferie
gaz QN1
Légende : circulateur : vanne trois voies modulante : vanne deux voies motorisée : vanne normalement ouverte
Métrologie : compteur de chaleur : mesure de température : mesure de consommation électrique
M M
: eau chaude sanitaire : eau de chauffage
Ballon
tampon 1
Ballon
tampon 2
Ballon
tampon 3
Ballon
tampon 4
Ch
au
diè
re b
ois
vers gaines palières
M
M
depuis
chaufferie
bois
eau
froidevannes
hiver / été
sonde
vers PAC
Chaudière
gaz 1
Chaudière
gaz 2
Chaudière
gaz 3
Légende : circulateur : vanne trois voies modulante : vanne deux voies motorisée : vanne deux vois
Métrologie : compteur de chaleur : mesure de température : mesure de consommation électrique
M M
: eau chaude sanitaire : eau de chauffage : sonde de température
ballon
ECS 1
ballon
ECS 2
ballon
ECS 3
ballon
ECS 4
X 2
2 – Schémas hydrauliques
trop complexes Equipements classiques
vers gaines palières
depuis chaufferie gaz
PAC
M
plancher chauffant/rafraichissant
ECS EFb
ou
cla
ge
M
depuis sonde ballon ECS
Légende : circulateur : vanne trois voies modulante : vanne deux voies motorisée
Métrologie : compteur de chaleur : mesure de température : mesure de consommation électrique
M M
: eau chaude sanitaire : eau de chauffage
X 12
X 227
vers gaines palières
depuis chaufferie gaz
PAC
M
plancher chauffant/rafraichissant
ECS EF
bo
uc
lag
e
M
depuis sonde ballon ECS
Légende : circulateur : vanne trois voies modulante : vanne deux voies motorisée
Métrologie : compteur de chaleur : mesure de température : mesure de consommation électrique
M M
: eau chaude sanitaire : eau de chauffage
Groupe
frigorifique
réversible
CARRIER
Ajout année 2
X 12
X 227
Dysfonctionnement !!
2 – Température des retours
incompatibles avec la
condensation
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
19/9/1
1
29/9/1
1
9/10
/11
19/10/1
1
29/10/1
1
8/11
/11
18/11/1
1
28/11/1
1
8/12
/11
18/12/1
1
28/12/1
1
7/1/
12
17/1/1
2
27/1/1
2
6/2/
12
Te
mp
éra
ture
(°C
)
Retour ECS Retour Chauffage Retour chaudière Température extérieure
ENERTECH Température retour ECS
Température
retour
chaudière
condensation
De mauvais choix dimensionnels peuvent annuler le bénéfice de la
condensation en générant des températures de retour trop élevées
Equipements classiques
Profil de température le long de la ligne Li1
25,5
26
26,5
27
27,5
28
28,5
0 20 40 60 80 100
Tem
péra
ture
en
°C
Séjour, sol
Photographie IR d’un plancher et d’un plafond :
Phénomène observé : un usager « monte » son
chauffage à 24°C. Ce faisant il surchauffe la dalle
en permanence, et celle-ci surchauffe le logement
inférieur dont tous les radiateurs sont pourtant à
l’arrêt. Résultat : les usagers en surchauffe vivent
fenêtres ouvertes
2 – Surchauffes dues aux
pieuvres hydrocâblées
Fenêtres
ouvertes en
hiver
2 – Et aussi…. Equipements classiques
• Pompes (ou ventilateurs) à débit variable sur des installations à débit fixe
• VMC à débit variable au soufflage et fixe à l’extraction
• Régulation de vitesse des deux ventilateurs par la même sonde de pression
• Montage incorrect d’un échangeur rotatif
• etc…
Pression > 0
Pression < 0 très fort recyclage de l’air extrait et odeurs
insupportables dans le bâtiment.
Aval du ventilateur
Amont du ventilateur
3 – Et aussi… Installations solaires
• Calorifugeage commun aux deux tuyaux du circuit primaire
performances fortement atténuées
• Vanne d’arrivée d’eau froide sur les ballons d’appoint ouverte
solaire court‐ circuité : peu d’eau froide passe par le ballon solaire
Source :
M
M
capteur
solaire
ballon
ECS
solaire
ballon
ECS
solaire ballon
ECS
appoint
échangeur
à plaques
Légende : circulateur : vanne trois voies modulante : clapet anti-retour : vanne normalement ouverte : vanne normalement ferméeM
: fluide caloporteur antigel : eau chaude sanitaire : eau de chauffage Dysfonctionnement !!
3 – Calorifugeage des réseaux
Pas ou mal isolés…
Organes non isolés Tuyaux mal isolés
Equipements classiques … et solaires
3 – Calorifugeage des réseaux
Opération exemplaire
Exemple de chaufferie très bien isolée : bâtiment de
bureaux à énergie positive Zac de Bonne à Grenoble :
Equipements classiques
3 – Défaut d’étanchéité des
réseaux aérauliques Equipements classiques
Les fuites de réseaux représentent plusieurs dizaines de % du débit nominal. Elles constituent aujourd’hui une des principales causes de dysfonctionnement (que veut dire
réguler à P constant avec des fuites ?) et de surconsommation des installations.
Très grosses fuites au
niveau des caissons
eux-mêmes!
Pas de bande
de
recouvrement
3 – Défaut d’isolation des
gaines Equipements classiques
La température d’air repris chute et suit la
température extérieure
G1_Ventilation Evolution des température d'air extrait (mesurée au caisson d'extraction), moyenne
intérieure des logements et extérieure sur la saison de chauffe
-5
0
5
10
15
20
25
15/10/09 09/11/09 04/12/09 29/12/09 23/01/10 17/02/10 14/03/10 08/04/10 03/05/10
Date
Te
mp
éra
ture
(°C
)
Air repris Moyenne intérieur logements Température extérieure
ENERTECH ZAC DE BONNE
LE VENDOME
L’absence de calorifuge à l’extraction fait chuter la température de l’air à l’entrée de l’échangeur, et réduit l’énergie récupérée, ce qui augmente la consommation de chauffage
3 – Mais aussi…. Equipements classiques
• Réseaux hydrauliques et/ou aérauliques non équilibrés
Ex : bouches auto-réglables au lieu de
d’hygro-réglable
• Multiples erreurs de mise en œuvre
4 – Mauvais réglages Installations solaires
• Température de consigne pour l’appoint bien trop élevée
Solaire pénalisé. Pertes thermiques excessives
• Isolations dégradées
4 – Défaut d’entretien
• Certaines installations à l’abandon….
Dans des sous-stations âgées de 3 ans :
4 - Défauts d’entretien
- Absence de protections contre les intempéries
Accumulation d’eau croupie
sur le circuit de soufflage…
- Prise d’air au niveau du sol en terrasse
Equipements classiques
- Encrassement des filtres - Colmatage des prise d’air neuf des ventilations
4- Mais aussi… Equipements classiques
• Températures de soufflage trop élevées
• Lois de chauffe trop élevées
G1_Chauffage Température de départ du circuit radiateurs
en fonction de la température extérieure
0
10
20
30
40
50
60
70
-10 -5 0 5 10 15 20 25
Température extérieure (°C)
Te
mp
éra
tru
e d
e d
ép
art
ra
dia
teu
rs (
°C)
ENERTECH ZAC DE BONNE
LE VENDOME
Courbe nominale
de fonctionnement
• Températures de consigne ECS trop élevées
• Etc…
• Fonctionnement du ventilateur d’extraction clapets fermés
Installations solaires
et pourtant, c'est un peu comme
cela qu'on pilote les systèmes
solaires thermiques ….
5- Conduire sans
instruments ??
Un défaut sur la partie solaire (sonde,
régulation ou circulateur défectueux)
peut passer inaperçu si l’appoint « fait
son travail » :
• les utilisateurs disposent toujours d’eau chaude ou de chauffage
• le capteur monte en température (stagnation > 150 °C)
• dégradation des parties sensibles (joints, raccords,…)
• bilan économique dégradé
• les maîtres d'ouvrage deviennent méfiants
Source : Installations suivies
< 0,4 % du total !!
Installations solaires 5- Conduire sans instruments
??
Le comptage est à l’installation solaire ce que le casque est
au vélo :
il n’est pas obligatoire, il est simplement indispensable !
Il doit être placé au bon endroit : pas sur le circuit primaire !
5- Instrumentation Enertech
Station météo Energie chauffage, ECS
Consommation électrique
Température d’air, hygrométrie
Débit ventilation
Ilot A : 726 capteurs
Ilot C : 996 capteurs
(hors GTC)
Ilot B : 1208 capteurs
Equipements classiques
Consommation gaz
+ thermomètres contact sur tuyaux, présence-mètres,
feuillure-mètres, etc…
5 – De gros défauts lors de la
pose des compteurs de
chaleur
Equipements classiques
La RT 2012 va imposer de nombreux comptages. Mais aujourd’hui, le comptage
de chaleur reste assez mal maîtrisé par les intervenants. On observe :
1 – Des compteurs qui ne sont pas posés au bon endroit
3 – Emplacement incorrect des sondes de
température (fréquent)
5 – La turbine du compteur est bloquée par une impureté. Utiliser des filtres en
amont, et les nettoyer fréquemment.
2 – Des compteurs posés à l’envers (malgré la flèche
indiquant le sens d’écoulement)
4 – Pose incorrecte des sondes :
- en applique au lieu d’utiliser un doigt de gant,
- doigt de gant et sonde pas assortis (mauvais
contact entre les deux)
5 – De gros défauts lors de la
pose des compteurs de
chaleur
Equipements classiques
6 – Absence d’émetteurs d’impulsions. Ceux-ci ne sont pas une obligation pour
un comptage annuel, mais ils le sont pour une campagne de mesure,
7 – Mauvais choix du poids d’impulsion : les analyses fines des chroniques
passées n’ont alors que très peu d’intérêt car elles sont trop grossières
8 – Paramétrage d’usine incorrect du poids des impulsions dans l’intégrateur
(rare et très difficile à détecter)
9 – Absence d’une carte électronique associée à l’émission d’impulsions, ou carte
incorrecte, ou confusion avec carte Mbus pour fonctionnement avec GTB
Mesure de chaleur comme très aléatoire et très incertaine. De très nombreuses
informations sont perdues parce que la pose, la configuration ou le
fonctionnement des compteurs ne sont pas corrects.
L’implication de tous est
nécessaire
1 – Les installations solaires ne fonctionnent ni mieux, ni moins bien
que les installations classiques….
Tous types d’installation
2 – Les systèmes de chauffage, production d’ECS, ventilation, climatisation
deviennent de plus en plus sophistiqués : les concepteurs doivent gagner
en technicité pour concevoir des ensembles robustes et performants
3 – Le diable se niche dans les détails : dans une installation, le maillon
« faible » a une influence beaucoup plus importante sur le résultat final que
par le passé
5 – La maintenance de demain n’a plus grand chose à voir avec celle d’hier
4 – Les logiques ont changé et « qui peut le plus peut le moins » n’est plus au
goût du jour : on fuit la surpuissance, on fuit les surdimensionnements, on
raisonne consommation et plus seulement « service rendu »,
6 – La prévision des consommations est un concept illusoire et irréaliste
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