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CONNAÎTRE POUR AGIR

Production d'eau chaude sanitairepar énergie solaire

Guide de conception des

installations collectives

Production d'eau chaude sanitaire par énergie solaire -Guide de conception des installations collectives

6259 RÉIMPRESSION SEPTEMBRE 2009 ISBN 978-2-86817-951-7 35 ?500 exemplaires

Centre de Valbonne Sophia Antipolis - 500, Route des Lucioles - 06560 VALBONNE Téléphone : 04 93 95 79 00 - Télécopie : 04 93 65 31 96 www.ademe.fr

Imprimé grâce au procédé CTP avec des encres végétales sur papier recyclé certifié Écolabel Européen

Guide de conception des installations collectives de production d'eau chaude sanitaire par l'énergie solaire

Cet ouvrage a été réalisé à la demande de l"Agence De l"Environnement et de la Maîtrise

de l"Energie, Electricité de France et Gaz de France, par l"Association ICO, sous la coordina- tion du Bureau d"Etudes Techniques ADRET.

ONT PARTICIPÉ À SON ÉLABORATION :

?Les Bureaux d"Etudes Techniques : ADRET, AFIMEC, HOLISUD, ITF, TCEP ?INES Education ?L"Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse ?La société PNEUMATEX ?Le cabinet d"études ALPHEEIS

ALPHEEIS en a assuré la rédaction finale.

COORDINATION ADEME

?M. Carré : DER - VALBONNE ?F. Coroller : SCPE - Pôle Communication VALBONNE

RÉALISATION

?Graphie 4 - VALLAURIS Imprimé grâce au procédé CTP avec des encres végétales sur papier recyclé certifié Écolabel Européen © ADEME Editions - 2008 - ISBN 978-2-86817-951-7

L'ADEME EN BREF

L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) est un établissement public sous la tutelle conjointe des

ministères de l'Ecologie, de l'Énergie, du Développement durable et de l'Aménagement du territoire et de la Recherche. Elle

participe à la mise en oeuvre des politiques publiques dans les domaines de l'environnement, de l'énergie et du

développement durable. L'Agence met ses capacités d'expertise et de conseil à disposition des entreprises, des collectivités

locales, des pouvoirs publics et du grand public et les aide à financer des projets dans cinq domaines (la gestion des déchets,

la préservation des sols, l'efficacité énergétique et les énergies renouvelables, la qualité de l'air et la lutte contre le bruit) et à

progresser dans leurs démarches de développement durable.www.ademe.fr Crédit photos : ADEME - CUS Habitat - ENERPLAN - TECSOL - Claudia ZERRATE La France sêest engagÈe ‡ diviser par 4 ses Èmissions de gaz ‡ effet de serre ‡ lêhorizon 2050.

Cette ambition confirmÈe lors du Grenelle de

lêenvironnement exige de profondÈment modifier les fondamentaux Èconomiques et sociaux. Lêenjeu est technologique mais surtout sociÈtal.

Le secteur du b'timent est un champ dêaction

incontournable pour atteindre cet objectif. Le recours ‡ lêÈnergie solaire sêimpose comme nÈcessitÈ et opportunitÈ. Cêest une Ènergie inÈpuisable et particuliËrement bien adaptÈe ‡ la production dêeau chaude. Garantir dans la durÈe un service et des performances de qualitÈ, assurer des Èconomies rÈelles aux maÓtres dêouvrage et aux usagers sont impÈratifs pour assurer la pÈrennitÈ du dÈveloppement de cette technologie. Cêest pourquoi lêADEME a voulu Èditer un guide de conception des installations solaires. DestinÈ aux bureaux dêÈtudes et aux services techniques des maÓtres dêouvrage, ce guide propose une dÈmarche simple et concrËte basÈe sur lêexpÈrience et les bonnes pratiques pour concevoir, dimensionner, installer et maintenir des installations solaires collectives de qualitÈ. Cet ouvrage, rÈalisÈ par lêassociation ICO regroupant une quarantaine de bureaux dêÈtudes, permettra sans nul doute dêamÈliorer la connaissance, les performances et la fiabilitÈ de ces installations ‡ un moment o˘ elles se multiplient sur tout le territoire. Il doit aussi contribuer ‡ sortir la compÈtence ´Solaire thermiqueª du cercle des initiÈs. La satisfaction des maÓtres dêouvrage et des utilisateurs sêen trouvera confortÈe de mÍme que lêavenir de la filiËre.

CHANTAL JOUANNO

PRESIDENTE DE LêADEME

1

PRÉFACE

SOMMAIRE GÉNÉRAL................................................................................................................................................................................................2

1. LEXAMEN DOPPORTUNITÉ............................................................................................................................................................................7

1.1 LES ÉLÉMENTS FAVORABLES À UNE PRODUCTION D"ECS SOLAIRE

1.1.1 Les motivations

1.1.2 La nature et le profil des consommations dECS

1.1.3 Le potentiel solaire du site

1.1.4 Les possibilités dimplantation des capteurs

1.1.5 Les possibilités dimplantation du stockage

1.1.6 Outil daide à la décision

1.2 LES ORDRES DE GRANDEUR UTILES À CONNAÎTRE

1.2.1 Surface de capteurs

1.2.2 Coût dinvestissement

1.2.3 Consommations dECS

1.2.4 Environnement

2. LÉTUDE DE FAISABILITÉ................................................................................................................................................................................13

2.1 L"OBJECTIF DE L"ÉTUDE DE FAISABILITÉ

2.2 L"ÉVALUATION FINE DES BESOINS ET DES PROFILS DE CONSOMMATION

2.2.1 Les besoins dECS dans l habitat

2.2.2 Les besoins ECS dans les hôtels et les centres de vacances

2.2.3 Les besoins dECS dans les établissements de santé

2.3 LE DIMENSIONNEMENT DE L"INSTALLATION SOLAIRE

2.3.1 Objectif

2.3.2 Critères de décision et contraintes

2.3.3 La méthode SOLO

2.4 LES ARGUMENTS ÉCONOMIQUES

2.4.1 Investissement

2.4.2 Coût dexploitation et de maintenance

2.4.3 Temps de retour brut

2.4.4 Coût global actualisé

2.4.5 Aides à linvestissement

2.5 LES ARGUMENTS ENVIRONNEMENTAUX

3. LÉTUDE PROJET..................................................................................................................................................................................................21

3.1 GÉNÉRALITÉS

3.2 SCHÉMAS DE PRINCIPE

3.2.1 Le schéma général

3.2.2 Schémas avec appoints individualisés

3.3 LES POINTS CLÉS : LES MÉTHODES DE CALCUL

3.3.1 Les indicateurs de performance

3.3.2 Influence des principaux paramètres

3.3.3 Les logiciels

3.4 LES POINTS CLÉS : LES CAPTEURS SOLAIRES

3.4.1 Lintégration des capteurs

3.4.2 Le cadre réglementaire et administratif

3.4.3 La prise en compte des masques et des ombres

3.5 LES POINTS CLÉS : LE BALLON DE STOCKAGE

3.5.1 Fonction du stockage

3.5.2 Dimensionnement du stockage

3.5.3 Critères de choix du ballon de stockage de leau sanitaire

3.5.4 Les installations collectives à appoint individualisé

3.6 LES POINTS CLÉS : LE DISPOSITIF DE REMPLISSAGE

3.6.1 Le choix de lantigel

3.6.2 Critères de sélection

3.6.3 Prescriptions de mise en œuvre et accessoires

3.7 LES POINTS CLÉS : LA ROBINETTERIE ET LES CANALISATIONS

3.7.1 Dimensionnement des canalisations

3.7.2 Critères de sélection des tuyauteries

SOMMAIRE GÉNÉRAL

Guide de conception des installations collectives de production dÕeau chaude sanitaire par lՎnergie solaire

SOMMAIRE

2

3.7.3 Prescriptions de mise en œuvre des canalisations..................................................................................................41

3.7.4 Emploi des tuyauteries en acier noir NFEN 10216 (A49-200)

3.7.5 Emploi de tuyauteries en cuivre

3.7.6 Calorifuge

3.7.7 Dimensionnement des vannes et robinets

3.7.8 Critères de sélection des vannes

3.8 LES POINTS CLÉS : LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR

3.8.1 Fonction

3.8.2 Dimensionnement

3.8.3 Prescriptions de mise en œuvre

3.9 LES POINTS CLÉS : LES POMPES ET LES CIRCULATEURS

3.9.1 Fonction

3.9.2 Dimensionnement

3.9.3 Critères de sélection

3.9.4 Prescriptions de mise en œuvre et accessoires

3.9.5 Installations collectives à appoint individualisé

3.9.6 La maîtrise des consommations électriques

3.10 LES POINTS CLÉS : LES PURGES D"AIR

3.10.1 Fonction

3.10.2 Prescriptions de mise en œuvre

3.10.3 Installations collectives à appoint individualisé

3.11 LES POINTS CLÉS : LE VASE D"EXPANSION DU CIRCUIT PRIMAIRE

3.11.1 Fonction

3.11.2 Dimensionnement du vase

3.11.3 Prescriptions de mise en œuvre et accessoires

3.12 LES POINTS CLÉS : L"APPOINT ET LA DISTRIBUTION

3.12.1 Généralités

3.12.2 Points importants

3.12.3 Circuits secondaires

3.12.4 Les installations à stockage et appoint individualisé

3.13 LES POINTS CLÉS : LA RÉGULATION

3.13.1 Principes

3.13.2 Les réglages

3.14 LES POINTS CLÉS : LA SÉCURITÉ SANITAIRE

3.14.1 Généralités

3.14.2 Stockage en eau technique

3.15 LES POINTS CLÉS : LE RISQUE DE BRÛLURE

3.16 LES POINTS CLÉS : L"ÉQUILIBRAGE DES INSTALLATIONS COLLECTIVES INDIVIDUALISÉES

3.16.1 Principe

3.16.2 Les vannes déquilibrage

3.16.3 Méthodes déquilibrage

3.17 LES POINTS CLÉS : LA MISE EN SERVICE DE L"INSTALLATION

3.17.1 Principes généraux

3.17.2 Remplissage

3.17.3 Essais hydrauliques

3.17.4 Essais de la régulation

3.17.5 Essais thermiques instantanés

3.18 LES POINTS CLÉS : LA MAINTENANCE ET LE MAINTIEN DES PERFORMANCES

3.18.1 Principes généraux

3.19 LES POINTS CLÉS : LA RÉCEPTION DE L"INSTALLATION ET LA PRISE EN CHARGE PAR L"EXPLOITANT

..................70

3.19.1 La réception de linstallation

3.19.2 La prise en charge par lexploitant

3.20 LES POINTS CLÉS : LE SUIVI DES PERFORMANCES

3.20.1 Le suivi X3A

3.20.2 La garantie de résultats solaires

3.20.3 Le contrôle de bon fonctionnement

3.20.4 Instrumentation

SOMMAIRE DES ANNEXES

3 4

Guide de conception des installations collectives de production dÕeau chaude sanitaire par lՎnergie solaire

INTRODUCTION

5

Avec près de 22 000 m

2 installés en 2006, le marché français de leau chaude sanitaire

solaire collective sinstalle en tête du marché européen, dans une dynamique vertueuse qui

lie croissance et qualité.

Dans un large souci de promouvoir la qualité (efficacité, durabilité, fiabilité) des installations,

lADEME, Gaz de France et Electricité de France ont confié à lassociation ICO, la rédaction dun

guide professionnel pour la conception et la mise en œuvre des installations de production deau chaude par lénergie solaire. L"objet d"un tel ouvrage est de proposer aux bureaux d"études techniques une méthode simple et concrète pour concevoir, dimensionner et assurer la maintenance d"une installation, basée sur l"expérience et les bonnes pratiques.

DIMINUER LES BESOINS, RESTER SIMPLE

Avant toute démarche de conception d"une installation de production d"eau chaude sanitaire

par l"énergie solaire, avant toute étude systémique, tout choix de technologie, de matériel,

voire d"objectif de "taux de couverture solaire», il faut s"attacher à l"application d"un principe

primordial et invariant : REDUIRE LES BESOINS. Cet objectif de réduction des besoins est fondamental. Il doit rester présent dans l"esprit du concepteur tout au long de son travail. Il doit constituer un point dur, représenter une image forte d"une ingénierie moderne plus tournée vers des aspirations vertueuses, que vers un chiffre d"affaire croissant ƒ La justification formelle des choix techniques doit devenir un mode de fonctionnement moderne : CHASSER L"INCANTATOIRE DES METHODES DE CONCEPTION ! L"adage "le mieux est l"ennemi du bien» est bien illustré dans nos conceptions. Ainsi, même

s"il est toujours légitime d"aller "chercher le dernier kWh», la simplicité est souvent gage de

maintien de la performance dans le temps, de tenue des objectifs. La complexité peut se situer

dans l"analyse, dans l"approche détaillée des besoins et des systèmes et dans la synthèse de

tous ces éléments pour tendre vers des solutions opérationnelles, aisées à maintenir. L"objectif

est bien d"atteindre la performance prévue durant les études à la mise en service et surtout

de la conserver dans la durée de vie de l"installation.

LES RETOURS D"EXPÉRIENCE

Les retours d"expérience ont permis d"identifier les bonnes pratiques applicables à toutes les

installations, et les écueils à éviter. Ce sont ces bonnes pratiques qui sont présentées dans ce guide.

a) Ce quil convient de faire ?Estimation rigoureuse des besoins ?Schéma hydraulique correct ?Indépendance production solaire / appoint ?Stratification stockage solaire ?Dimensionnement confortable des échangeurs de chaleur ?Bonne purge d"air des capteurs ?Rendre facile la gestion du fluide antigel ?Réaliser une mise en route scrupuleuse avec contrôles ?Formaliser une maintenance suivie de l"installation et qui rend des comptes b) Ce quil faut éviter ?Surestimation des besoins ?Surdimensionnement ?Choix de matériels de qualité médiocre ?Mauvaises purges d"air ?Mauvaise mise en service ?Exploitation peu performante

On a, autant que faire se peut, éliminé les réalisations marginales, en choisissant les solutions

les plus simples à mettre en œuvre selon les règles techniques, la réglementation actuelle et

les évolutions du marché. Cet ouvrage n"a donc pas pour objectif de se substituer aux règles professionnelles, ni aux

dispositions réglementaires. Il est plus particulièrement destiné aux bureaux d"études, aux

services techniques des maîtres d"ouvrages et des exploitants de chauffage, aux formateurs qui souhaitent mieux connaître la conception, le dimensionnement, la mise en œuvre des installations de production d"eau chaude par l"énergie solaire.

Il a été rédigé collégialement par un comité constitué de bureaux d"études, d"associations et

d"organismes institutionnels, en mettant en avant une approche opérationnelle marquée, un

sens du terrain, un côté pratique, et une évolutivité permettant une future mise à jour quand

cela deviendra nécessaire

INTRODUCTION

6

Guide de conception des installations collectives de production dÕeau chaude sanitaire par lՎnergie solaire

INTRODUCTION

CHAPITRE 1

LêEXAMEN

DêOPPORTUNIT...

7 Avant de démarrer une phase détudes plus ou moins longue dune installation de production deau chaude sanitaire par lénergie solaire, comprenant une étude de

faisabilité et une étude de projet avec ou sans exécution, un bureau détudes doit avoir un

rôle de conseil auprès de la maîtrise douvrage en proposant un examen dopportunité

ayant pour but de répondre à la question : Est-il opportun dêenvisager une production dêECS solaire sur ce projet ? Cette démarche doit être basée, si possible, sur une visite et une analyse rapide (1h ou 2h) du site envisagé. Elle doit prendre en considération lensemble des

éléments suivants :

?la motivation du maître d"ouvrage et / ou des utilisateurs ?la nature et le profil des consommations d"ECS (hiver et été) ?le potentiel solaire du site ?les possibilités d"implantation des capteurs (surface, orientation, inclinaison, masques) ?les possibilités d"implantation du stockage

La réponse à la question posée sur lopportunité dune production dECS solaire doit être

simple (oui ou non) et doit dépendre uniquement des critères objectifs listés ci-dessus. • 1.1 LES ÉLÉMENTS FAVORABLES À UNE PRODUCTION D"ECS SOLAIRE

1.1.1Les motivations

Dès le premier contact, le bureau d"études doit s"assurer des réelles motivations du maître d"ouvrage. Les motivations fondées sur le respect de l"environnement et la maîtrise des coûts de fonctionnement du bâtiment sont positives. Par contre, il convient d"être prudent lorsque les motivations des maîtres d"ouvrages sont d"ordre économique et essentiellement fondées sur l"espoir d"une "chasse aux subventions» permettant de financer tout ou partie de l"installation. Sauf cas particuliers, la recherche de

la rentabilité à terme d"une installation est généralement illusoire en l"absence d"aides ou

de subventions. De même, les projets portés par une motivation politique (faire un "coup" solaire) peuvent dans certains cas se révéler contre-productifs, par exemple lorsque le projet est mis en œuvre sur un bâtiment où les besoins en eau chaude sanitaire sont trop insuffisants ou irréguliers pour permettre une solution technique cohérente.

LEXAMEN DOPPORTUNITÉ

1 8

Guide de conception des installations collectives de production dÕeau chaude sanitaire par lՎnergie solaire

1.1.2La nature et le profil des consommations d"ECS

Les consommations d"Eau Chaude Sanitaire d"un bâtiment représentent la principale donnée

à analyser.

Pour pouvoir envisager une installation de production d"ECS solaire performante et rentable,

iill ffaauutt aavvooiirr ddeess ccoonnssoommmmaattiioonnss dd""EECCSS rreellaattiivveemmeenntt iimmppoorrttaanntteess eett ssttaabblleess ttoouutt aauu lloonngg ddee

ll""aannnnéée e.. Si ce n"est pas le cas, les risques sont les suivants : ?Inciter le maître d"ouvrage à des dépenses trop importantes en rapport au faible enjeu

?Risquer des détériorations importantes de l"installation dues à des surchauffes encas de faibles consommations l"été

Sauf cas particulier (motivation éducative, démonstrative, etc.) en prenant toutes les précautions de dimensionnement nécessaires, il faut exclure, a priori, les projets suivants :

?Bâtiments scolaires non occupés pendant les vacances d"été (sauf éventuellementles logements de fonction)

?Bâtiments sportifs peu utilisés l"été (gymnases, vestiaires de stade, etc.) sauf,éventuellement s"il y a une piscine à proximité

?Bâtiments de bureaux sans restauration ?Salles polyvalentes, campings d"été, etc. Pour appréhender au mieux ce paramètre, le bureau d"études doit, dès cette phase : ?Relever les consommations, si possible, dans le cas de l"existant ?Évaluer les consommations dans le cas du neuf en se basant sur les ratios donnés dans le chapitre suivant et en les ajustant en fonction de cas similaires ou d"utilisations particulières

1.1.3Le potentiel solaire du site

La quantité d"énergie solaire récupérable dépend de la localisation géographique du projet

et des masques environnants. "Il vaut mieux concevoir une installation de production d"ECS

solaire à Lille en site dégagé qu"à Marseille, cachée derrière un immeuble deux fois plus

haut !!!» : cela est évident, mais il vaut mieux le dire. Il est donc important pour le bureau d"études de se rendre sur le site pour vérifier les masques alentours et ainsi évaluer le potentiel énergétique solaire du site. 9

1.1.4Les possibilités d"implantation des capteurs

Dès la première approche, le bureau d"études, après avoir défini les consommations d"ECS

(volume et profil), devra pré-dimensionner et pré-implanter le champ de capteurs. Pour

cela, il devra vérifier l"absence de masque important et définir les trois paramètres suivants :

?l"orientation ?l"inclinaison ?la surface

Dans l"hémisphère nord,

ll""oorriieennttaattiioonnoptimale des capteurs est le SSuudd ; une variation de 60° Est jusqu"à 60° Ouest n"est pas trop pénalisante.quotesdbs_dbs6.pdfusesText_12

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