comparaison avec d’autres équipements techniques · légende : circulateur : vanne trois voies...

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

1. Dimensionnement

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


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.


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


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


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. Conception des installations

2 – Schémas hydrauliques

aberrants

ou trop complexes!


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


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


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


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


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


M M


X 12

X 227


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


M M


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


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. Réalisation, installation

3 – Capteurs solaires en partie

à l’ombre… Installations solaires

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 :


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


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. Entretien et maintenance

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


- 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)


LE VENDOME

Courbe nominale

de fonctionnement

• Températures de consigne ECS trop élevées

• Etc…

• Fonctionnement du ventilateur d’extraction clapets fermés

ENERTECH

5. Mesures et comptage


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


Consommation gaz

+ thermomètres contact sur tuyaux, présence-mètres,

feuillure-mètres, etc…

5 – De gros défauts lors de la

pose des compteurs de

chaleur


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


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.

PRINCIPALES LECONS

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

comparaison avec d’autres équipements techniques · légende : circulateur : vanne trois voies...

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