Projet
Établissement	Maison de repos La Charmille (CPAS de Gembloux)Rue Chapelle Marion, 1 à 5030 Gembloux

Consommations
Eau chaude sanitaire	730 m³ d’eau à 60°C par an (soit 42 340 kWh/an)
Pertes boucle sanitaire	13 135 kWh/an
Pertes ballons	4 927 kWh/an (pour 3 ballons)
Électricité pour l’ECS	60 402 kWh/an (rendement 100 %) [BHU1]
Facture électrique	7 248 € (selon l’hypothèse de 0.12 €/kWh)

Prédimensionnement du système	Eau chaude sanitaire + Appoint gaz
Superficie de capteurs plans	50 m²
Vol. stockage solaire + vol. stockage appoint	1 000 + 1 000 litres
Bilan Énergétique
Économie d’énergie primaire	2 862 m³ de gaz (soit 28 627 kWh)
Fraction de l’énergie utile non fournie par l’appoint	40.5 % [RDC2]
Bilan Économique
Coût estimé du système (HTVA, hors subsides)	40 682 € HTVA
Économie annuelle	887 €/an
Coût du kWh solaire	0.072 €/kWh
Bilan Environnemental
Émissions de CO2 évitées par an	5 659 kg CO2/an
Émissions de CO2 évitées sur 25 ans de durée de vie du système	141 tonnes
Coût de la tonne des émissions de CO2 évitée	288 €/tonne

Affectation principale

L’établissement audité est une maison de repos et de soins, appartenant au CPAS de Gembloux, qui accueille des personnes âgées valides, semi-valides et invalides.

La maison de repos possède 79 lits ainsi qu’une cuisine.

En annexe à la maison de repos se trouvent les bureaux du CPAS, dont la consommation d’eau chaude n’est pas prise en compte dans le pré-dimensionnement du système solaire.

Taux d’occupation

La maison de repos La Charmille possède un taux d’occupation de 100 % durant la plus grande partie de l’année.

Descriptif de l’installation de production d’eau chaude

Actuellement, l’ECS est produite par 4 ballons électriques (de 1988) de 1 000 litres chacun, raccordés en série (avec une résistance électrique de 10 kW chacun). Un des ballons a rendu l’âme, un autre est sur le point de le faire.

L’eau “devrait” être chauffée durant la nuit sur le tarif exclusif nuit (un compteur dédié au chauffage exclusif nuit a été installé). De fait, étant donné que la consommation d’eau chaude est plus importante que la quantité chauffée la nuit (3 ballons en fonctionnement au lieu des 4 initialement prévus), plusieurs relances en journées sont nécessaires pour maintenir une eau suffisamment chaude.

Combinaison avec le chauffage des locaux

Les locaux sont actuellement chauffés par des accumulateurs électriques statiques datant de la construction du bâtiment, l’eau chaude sanitaire est donc produite de manière indépendante.

Consommation d’électricité du bâtiment

Selon le rapport de l’audit URE remis par l’Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable, la consommation annuelle en chauffage est estimée à 670 000 kWh/an pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire. Le montant total de la facture correspondant à cette consommation est de 33 182,21 € HVAC, soit 0,12 €/kWh (mélange des tarifs exclusif nuit, binôme A et électrothermie).

Méthodologie

Étant donné que la consommation d’eau chaude annuelle de la maison de repos La Charmille n’est pas connue, elle doit être estimée à partir des relevés de consommation.

Un compteur a été installé sur l’alimentation en eau froide des ballons d’ECS. Cependant, les relevés de consommation s’avèrent incorrects vu la mauvaise position du compteur sur le circuit d’alimentation. En effet, ce compteur ne prend pas en compte la consommation d’eau froide qui alimente la vanne thermostatique en aval des ballons d’ECS.

Au lieu de changer la place du compteur, nous avons fermé l’alimentation en eau froide de cette vanne thermostatique, d’ailleurs défectueuse. Ainsi, les données de consommation disponibles ne concernent que deux périodes de mesures : du 18 au 25 janvier 2002 et du 16 au 19 avril 2002.

Outre le volume d’eau consommé, il est important de connaître la température d’utilisation. Étant donné le système de production d’ECS (électrique exclusif nuit), cette température évolue tout au long de la journée, contrairement à un système raccordé à une chaudière qui permettrait de respecter une consigne de température constante. On ne peut dès lors pas considérer une température d’utilisation constante équivalente à la consigne de température des ballons (soit 60°C).

Nous avons placé une sonde de température digitale à la sortie des ballons d’ECS. Ces mesures permettent d’affiner la consommation d’énergie nécessaire à la production d’ECS. Par la suite, cette consommation d’énergie est convertie en m³ d’eau chaude à une température de référence de 60°C.

Estimation de la consommation d’eau chaude sanitaire

L’eau chaude sanitaire est utilisée pour les bains, les douches, les lavabos et la cuisine de la maison de repos.

Durant la période de relevé du compteur d’ECS (du 18 au 25 janvier 2002), 21 m³ d’ECS à une température variable ont été consommé, soit 3 m³ par jour. Cette valeur moyenne de consommation est confirmée par la deuxième période de mesures. En effet, entre le vendredi 18 janvier et le vendredi 19 avril, 262 m³ d’ECS ont été consommés en 90 jours, ce qui nous donne une moyenne de 2.9 m³ par jour, valeur très proche des 3 m³.

Pour déterminer la température de consommation, nous effectuons une moyenne arithmétique des mesures de température obtenues avec la sonde entre le 18 et le 25 janvier 2002. Cette température moyenne est égale à 41°C. Convertis en eau chaude à la température de référence de 60°C, 3 m³ d’ECS à 41°C correspondent à 1.9 m³ d’ECS à 60°C.

Cependant, nous prenons une marge de sécurité en arrondissant à 2 m³ de consommation d’ECS à 60°C, ce qui nous donne un ratio de consommation de 25 litres d’ECS à 60°C par lit et par jour. À titre de comparaison, dans la littérature, ce ratio de consommation est estimé à 40 litres d’ECS à 60°C par lit et par jour, pour une maison de repos.

Profil journalier des besoins en eau chaude

Le profil journalier de consommation d’ECS est illustré par l’histogramme de la figure ci-dessous. Les barres en rouge foncé représentent les mesures, celles en bleu clair représentent une estimation de cette consommation car les mesures n’ont pas pu être relevées pour ces plages horaires nocturnes. L’estimation se base sur le profil de température (à une chute de température correspond un puisage important) et sur les habitudes du personnel (bains et toilette des résidents le matin et faible consommation en soirée), tel que la somme de ces estimations soit égale à la quantité d’eau prélevée qui a été mesurée durant ces plages horaires.

En outre, cette figure montre que l’installation actuelle de production d’ECS ne fonctionne pas de manière optimale. En effet, nous constatons de nombreuses relances des résistances électriques en journée, à un tarif électrique très désavantageux pour la maison de repos. Ces périodes de relance sont représentées par une hausse de la température en sortie des ballons d’ECS. Il est également étonnant que la consigne des 60°C ne soit pas respectée lors du réchauffage de l’ECS la nuit.

Profil journalier de consommation d’ECS et profil journalier de température (mesures et estimations).

Dans la suite du rapport, nous considérons que ce profil journalier se répète de manière cyclique tous les jours de l’année.

Profil hebdomadaire des besoins en eau chaude

Le profil hebdomadaire a été obtenu à partir de la première période de mesure (du 18 au 25 janvier 2002).

Profil hebdomadaire mesuré de consommation d’ECS à 60°C.

Nous remarquons que la consommation d’eau chaude sanitaire est quasi constante d’un jour à l’autre, excepté le dimanche. Pour cette semaine, la consommation moyenne d’eau chaude à la température de référence de 60°C est de 1.9 m³ par jour. Par la suite, nous supposerons un profil hebdomadaire de 7 jours de consommation égale à 2 m³ d’ECS à 60°C par jour, et ce pour toutes les semaines de l’année.

Variations mensuelles des besoins en eau chaude

Le profil mensuel de consommation d’ECS à 60°C considéré dans ce rapport est illustré ci-dessous. Ce profil a été obtenu en multipliant le nombre de jours compris dans un mois par le ratio de consommation de 2 m³. Ainsi, la maison de repos La Charmille consomme annuellement 730 m³ d’ECS à 60°C.

Profil annuel type de consommation d’ECS à 60°C.

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Stratégie de conception de l’installation

L’étape suivante consiste concevoir l’installation solaire thermique de production d’eau chaude en fonction des besoins en eau chaude déterminés ci-dessus.

Le système solaire proposé tient compte des contraintes techniques (place disponible, orientation de la toiture…) ainsi que des opportunités présentes pour l’intégration d’un système solaire dans l’installation existante (travaux de rénovations en cours, adéquation des besoins…).

Contraintes et opportunités

Les différentes contraintes et opportunités techniques et/ou architecturales concernent essentiellement :

•  l’installation des capteurs (surface disponible, orientation, ombrage, accès…),
•  l’installation des ballons de stockage (place disponible, accès…),
•  l’appoint (électrique, gaz, mazout, cogénération…).

Installation des capteurs solaires

Contraintes

Le toit plat de la maison de repos La Charmille est séparé en deux par un local technique, comprenant les moteurs des ascenseurs, créant un ombrage sur la portion de toit située au nord de ce local. De cette façon, la surface horizontale disponible est limitée à la partie de toit située au sud du local technique, soit 230 m².

Généralement, la surface des capteurs qu’il est possible de poser sur un toit plat, en évitant l’ombrage des champs de capteurs entre eux, est égale à la moitié de la surface du toit. En terme de surface installée de capteurs, cette contrainte se traduit par une surface maximale de 115 m².

Comme nous le verrons par la suite, d’un point de vue économique, la surface optimale de capteurs se trouve bien en-dessous de cette contrainte.

Opportunités

Étant donné que la portion de toiture pressentie est plate et n’est soumise à aucun ombrage, il est possible de choisir l’orientation et l’inclinaison optimale des champs de capteurs.

Installation des ballons de stockage

Contraintes

Aucune contrainte pour l’installation des ballons de stockage dans le local technique du sous-sol n’a été inventoriée.

Par contre, nous déconseillons l’installation des ballons de stockage dans le local technique du toit, où la place disponible est réduite et d’accès difficile.

Opportunités

Étant donné la vétusté de l’installation de production d’ECS existante (un ballon hors service et un deuxième qui menace de percer) et le souhait du gestionnaire d’effectuer des économies d’énergies et financières (production d’ECS et chauffage électrique), un projet de rénovation est en cours. Le moment est donc bien choisi pour évaluer la pertinence d’un système solaire de production d’eau chaude.

Le local technique du sous-sol est suffisamment spacieux (4 ballons de 1 000 litres chacun sont déjà installés) et l’accès est aisé (porte d’environ 2 m de large sur 2 m de haut).

Appoint

Contraintes

Actuellement, l’appoint ne peut être qu’électrique. Outre le coût plus élevé du kWh électrique par rapport au kWh gaz, cet appoint exige, si l’on désire faire fonctionner les résistances au tarif exclusif nuit, un surdimensionnement important du volume de stockage. En effet, il faut qu’en début de journée les ballons de stockage soient chargés au maximum afin d’assurer la satisfaction des besoins en ECS tout au long de la journée. Il faut qu’ils contiennent, dans le cas présent, minimum 3 000 litres d’eau à 60°C (correspondant au pic de consommation mesuré) majoré d’un facteur de surdimensionnement tenant compte des pertes thermiques de la boucle sanitaire et des ballons eux-mêmes.

Opportunité

Étant donné qu’une conduite de gaz passe juste devant la maison de repos La Charmille et qu’il s’avérerait très intéressant d’y installer le chauffage central, il serait plus judicieux d’ assurer l’appoint du système solaire par un échangeur raccordé à la chaudière au gaz. C’est cette option qui sera considérée dans la suite du rapport.

Pour la maison de repos La Charmille et selon la stratégie de conception adoptée, le schéma ci-dessous présente le système solaire optimal pour le préchauffage de l’eau sanitaire.

Schéma de l’installation solaire thermique proposé pour la production d’eau chaude.

D’autres schémas sont possibles, mais celui-ci présente une approche couramment utilisée. Le schéma est expliqué en détail ci-dessous.

Les composants du système solaire présenté peuvent être groupés en 5 catégories.

1. Les capteurs solaires

Pour la production d’eau chaude sanitaire nous choisirons des capteurs plans atmosphériques. En effet, des capteurs solaires sous vides ne conviennent bien souvent que pour des applications à hautes températures ou lorsque la surface disponible en toiture est limitée, ce qui n’est pas le cas de la maison de repos La Charmille. Les capteurs sous-vide possèdent des performances supérieures pour une même surface installée. Cependant, ces capteurs sont, à production identique, plus chers que des capteurs plans atmosphériques.

2. Le circuit primaire

Le circuit primaire est un circuit fermé composé de tuyauteries, généralement en cuivre, qui relient le capteur (13) à un échangeur de chaleur (6) externe au ballon de stockage solaire (23).

Typiquement, pour les grands systèmes solaires, au-delà de 30 m² de capteurs, un échangeur de chaleur externe est utilisé. En effet, les puissances importantes mises en jeu nécessitent de grandes surfaces d’échange. Il n’est cependant pas rare de rencontrer des ballons de stockage solaires à échangeur interne, même pour ces grands systèmes. Ce choix est à discuter avec le fournisseur.

Le circuit primaire, relatif à l’installation sous pression, est totalement rempli d’un fluide caloporteur résistant au gel. On pourrait également travailler avec de l’eau pure non glycolée dans le cas d’un système à vidange. Dans ce cas précis, on peut omettre le vase d’expansion car le circuit primaire n’est pas mis sous pression, mais il faut prévoir la place pour installer le réservoir à vidange entre le champ des capteurs et le ballon de stockage solaire. Le choix d’un système “sous pression” ou “à vidange” peut encore s’effectuer lors de la rédaction du cahier des charges ou même lors de l’adjudication.

Le circuit primaire est muni des accessoires suivants :

• Une soupape de sécurité (9) munie d’un manomètre destinée à évacuer les surpressions en cas de surchauffe de l’installation. Cette vanne est raccordée à un réservoir de collecte du fluide caloporteur avec anti-gel pour éviter tout rejet toxique dans le réseau d’égout.

• Un vase d’expansion (10), placé du côté aspiration de la pompe de circulation, chargé d’absorber les différences de volume et de récolter la totalité du fluide caloporteur expulsé des capteurs en cas de surchauffe.

• Une pompe de circulation (12) assurant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit.

• Un purgeur manuel (14) permettant d’éliminer l’air en partie haute du circuit lors du remplissage et des entretiens.

• Un clapet anti-retour (18) pour éviter la formation d’un contre-courant de thermocirculation qui déchargerait le ballon de stockage solaire de sa chaleur.

• Plusieurs vannes d’isolement (11) et (16) pour isoler les composants principaux du système en cas d’entretien ou de remplacement.

• Un robinet (8) permettant le remplissage et la vidange du circuit en fluide caloporteur.

3. Le circuit d’eau sanitaire

En amont des ballons de stockage, le circuit d’eau sanitaire est équipé des dispositifs suivants :

• Une vanne d’arrêt (1) permettant d’isoler le chauffe-eau solaire du réseau de distribution d’eau sanitaire.

• Une soupape de sécurité (4) destinée à protéger le circuit des surpressions.

• Un robinet (5) permettant de vidanger l’installation.

Le risque de fuite de liquide caloporteur du circuit primaire au niveau de l’échangeur de chaleur externe ne pouvant être totalement exclu, le réseau d’eau froide sanitaire doit être protégé de toute contamination par le fluide caloporteur. L’alimentation en eau sanitaire est donc équipée du dispositif suivant :

• Un disconnecteur non contrôlable à zones de pression différentielle (2) interdisant le retour de l’eau sanitaire du ballon de stockage solaire vers le réseau.

Précisons que ce disconnecteur, les soupapes et robinet de vidange sont raccordés à des réservoirs de collecte du fluide caloporteur (3), l’évacuation directe vers les égouts étant interdite, vu la toxicité de ce fluide.

Les deux ballons de stockage ont une fonction différente : le premier (23), alimenté par le circuit de transfert (19), stocke temporairement l’énergie apportée par l’échangeur (6), tandis que le deuxième (28) permet, grâce à l’appoint, de disposer d’une eau à la température souhaitée, quelles que soient les conditions d’ensoleillement.

Le circuit d’eau sanitaire est également pourvu des composants suivant :

• Une vanne thermostatique à trois voies (24) dirigeant l’eau sortant du ballon de stockage solaire, en fonction de sa température, soit vers l’installation de chauffe complémentaire, soit directement vers les points de puisage.

• Une conduite (25) permettant de by-passer le ballon d’appoint pré-existant chaque fois que le ballon de stockage solaire peut assurer seul la satisfaction des besoins en eau chaude.

• Une conduite (27) équipée d’une vanne on/off motorisée et d’un circulateur reliant la partie haute du ballon d’appoint à la partie basse du ballon de stockage solaire.

• Une conduite (29) équipée d’un clapet anti-retour et d’un circulateur permettant de transférer l’eau chaude du premier ballon (23) au second (28).

En outre, en cas d’ensoleillement important (été), l’eau chaude sanitaire peut sortir du ballon de stockage solaire (23) à une température supérieure à la consigne (soit 60°C pour la maison de repos La Charmille). Afin d’éviter tout risque de brûlure aux points de puisage, l’installation est donc munie du dispositif suivant :

• Une vanne thermostatique à 3 voies (22) mélangeant de l’eau froide à l’eau chaude de façon à produire de l’eau à une température maximale égale à la consigne de 60°C.

4. Régulation

L’installation solaire thermique de production d’eau chaude est totalement automatisée. Ce système possède trois organes de régulation (généralement contenu dans un seul boîtier), chacun ayant une mission qui lui est propre :

• Un appareil de régulation (17) pour le circuit primaire, qui commande le circulateur (12) et celui du circuit de transfert (19).

• Un appareil de régulation (26), qui commande la vanne et le circulateur de la conduite (27).

• Un appareil de régulation (31) commandant le circulateur de la chaudière (30) et le circulateur de la conduite (29).

Les règles de décision de ces 3 organes de la régulation seront explicitées dans le fonctionnement du système solaire.

5. L’appoint

Les panneaux solaires ne peuvent à eux seuls satisfaire l’entièreté des besoins en eau chaude. Un système solaire comprend donc toujours une connexion à un appoint. Dans le cas présent, l’appoint sera assuré par une chaudière au gaz (30) qui chauffe le ballon d’appoint (28).

Toujours sur base du schéma technique général, nous allons passer en revue la régulation du système solaire.

1. Régulation du circuit primaire

Le principe qui régi la régulation est de véhiculer l’énergie contenue dans les capteurs (13) vers le ballon de stockage solaire (23) de façon à maximiser la production solaire.

Le circulateur (12) du circuit primaire et celui du circuit de transfert (19) sont mis en marche lorsqu’une différence de température supérieure à la consigne de démarrage programmée dans la régulation (17) est mesurée entre la sonde capteur (15) et la sonde en fond de ballon de stockage solaire (20). typiquement, cet écart de température est de l’ordre de 5 à 10°C. La régulation met les deux circulateurs à l’arrêt dans deux cas :

• Soit, pour un ensoleillement trop faible, lorsque la différence de température est inférieure à la consigne d’arrêt (typiquement 2°C et en tout cas toujours inférieure à la consigne de démarrage pour éviter des conflits de régulation c.-à-d. marche – arrêt intempestif).

• Soit, pour un ensoleillement trop abondant, lorsque la température en pied de ballon de stockage solaire dépasse la température limite programmée dans la consigne. Cette température varie entre 60 et 75°C selon le fournisseur.

De par sa conception, une installation à circuit primaire classique sous pression peut atteindre des températures de fonctionnement supérieures à 100°C (jusqu’à 130°C avec une pression de 6 bars). De ce fait, certains constructeurs équipent leurs installations d’une autre sonde de température (21) positionnée en tête de ballon de stockage solaire. Dans ce cas la mise à l’arrêt en cas de surchauffe est commandée lorsque la température mesurée par cette sonde atteint 95°C.

2. Régulation des ballons de stockage

Les ballons de stockage ne nécessitent pas de régulation particulière, ils chauffent et refroidissent selon les apports et les soutirages d’eau chaude.

Cependant, une désinfection thermique du ballon de stockage solaire doit être prévue afin d’éviter les risques de légionellose. La régulation des ballons de stockage gère la conduite (27) permettant d’assurer cette désinfection thermique. Cette désinfection consiste à porter l’ensemble du ballon de stockage solaire à une température de 60°C par transfert d’eau chaude provenant du ballon d’appoint. Pour ce faire, la vanne motorisée est ouverte et le circulateur du circuit (27) est mis en fonctionnement jusqu’à obtenir la température requise en tête de ballon de stockage solaire. La manœuvre est commandée par la régulation (26) raccordée à une horloge programmable. En effet, pour la prévention de la prolifération de légionelles, il est recommandé de porter l’ensemble du ballon de stockage solaire à 60°C toutes les 24 heures.

3. Régulation de l’appoint

Finalement, le troisième organe de régulation (31) commande l’appoint. Le système d’appoint assure la fourniture constante d’eau à la température de consommation requise. La chaudière est également commandée par la régulation de l’appoint pour la désinfection thermique du ballon de stockage solaire, indépendamment des prélèvements aux points de puisage.

La méthodologie suivie pour le pré-dimensionnement du système solaire est la suivante :

• Détermination d’une dimension du système permettant de répondre aux besoins en tenant compte des contraintes techniques et architecturales.

• Recherche du dimensionnement optimal du point de vue économique. Les deux variables considérées sont la superficie des capteurs et le volume de stockage.

Cet ajustement est réalisé en effectuant plusieurs simulations avec le logiciel suisse Polysun 3.3 Plus (version 2001) et tient compte du coût des composants du système solaire.

Le paramètre calculé est le coût du kWh d’eau chauffée par le système solaire (hors appoint). Le coût du kWh solaire le plus faible détermine la dimension optimale du système solaire.

Hypothèses de calcul

Les hypothèses de calcul concernent essentiellement la consommation d’eau chaude sanitaire.

• La maison de repos La Charmille consomme 2 m³ d’ECS à 60°C par jour, soit 116 kWh par jour.

• Le profil hebdomadaire correspond à 7 jours de consommation constante égale à 2 m³.

• Le profil mensuel de la figure 7 est pris en compte pour la simulation.

• La consommation annuelle d’ECS à 60°C est de 730 m³, soit une énergie équivalente de 42 340 kWh.

• L’eau froide qui entre dans le système a une température égale à 10°C.

• L’existence d’une boucle d’ECS entraînant des pertes d’environ 13 135 kWh par an.Les caractéristiques suivantes ont été considérées :longueur : 200 m,
  diamètre : 50 mm,
  delta de température : 40°C, isolation en laine minérale de 40 mm d’épaisseur,
  fonctionnement : de 5h à 22h, soit un total de 6 570h par an.

Paramètres de simulation

Les paramètres de simulation se rapportent au système solaire : les conditions d’ensoleillement, les capteurs, les ballons de stockage, la  puissance de la chaudière d’appoint, …

Conditions d’ensoleillement

Les conditions d’ensoleillement correspondent à une année météorologique type en région namuroise (données fournies par le logiciel de simulation : Météonorme 95 valeurs horaires).

Capteurs solaires

• Orientation optimale, plein sud.

• Inclinaison optimale de 40° par rapport à l’horizontale.

• Aucun ombrage des capteurs (par des arbres, bâtiments ou collines, ou par les rangées successives de capteurs).

• Capteurs plans atmosphériques : h₀ = 0.8060, h₁ = 3.551 W/m²K et ₂ = 0.013 W/m²K (moyenne de trois marques réputées de capteurs, proposées sur le marché wallon).

Ballons de stockage

• Le ballon de stockage solaire possède un échangeur de chaleur externe et est isolé par 150 mm de laine de verre.

• Le ballon de stockage d’appoint possède un échangeur interne et est isolé par 150 mm de laine de verre.

Chaudière d’appoint au gaz

• Puissance nominale de 250 kW (fixée arbitrairement).

• Consigne de marche : 60°C, consigne d’arrêt : 65°C.

Schéma du système solaire simulé

Le schéma proposé par Polysun (le plus proche du schéma souhaité) est illustré ci-dessous. Les chiffres de surface de capteurs et de volume de stockage concernent les dimensions optimales du système solaire pour la production d’ECS.

Schéma du système solaire simulé avec Polysun.

Généralement, pour une première estimation de la surface de capteurs nécessaires pour couvrir une fraction des besoins en ECS, il est d’usage de diviser la consommation d’ECS à 60°C par jour, exprimé en litres, par le facteur 75, tel que le montre la formule suivante :

où :

• S_capteurs = Surface des capteurs selon un premier dimensionnement (en m²).
• V_{ECS à 60°C} = Volume d’ECS consommé par jour à 60°C (en litres).

Ce premier dimensionnement nous donne une surface de capteurs d’environ 27 m³.

De même, pour estimer le volume de stockage correspondant à cette superficie de capteurs, il est d’usage de multiplier cette surface par le facteur 20 (dans le cas d’une maison de repos), tel qu’illustré par la formule suivante :

où :

•  V_stockage= Volume de stockage du système solaire (en litres).

Ce premier dimensionnement nous donne un volume de stockage solaire égal à 540 litres.

Estimation du coût du système

L’optimisation du dimensionnement s’effectuant selon une recherche du coût minimum du kWh solaire, il est nécessaire d’évaluer ce coût.

Pour ce faire, nous avons demandé à différents fournisseurs de réaliser un devis pour 4 dimensions différentes du même système solaire.

Les coûts des composants repris dans ce rapport font la moyenne des prix proposés par deux fournisseurs ayant répondu favorablement, majorée de 4 %.

Le tableau ci-dessous indique un coût moyen par poste principal.

Les prix sont exprimés en € et s’entendent hors TVA. La main d’œuvre pour le montage de l’installation est comprise dans le prix. Il s’agit d’un ordre de grandeur donné à titre d’information.

Coût moyen d’un système solaire par poste principal.

Surface optimale

Le tableau ci-dessus montre que la surface installée de capteur est le facteur qui influence le plus largement les coûts. Nous allons donc, en premier lieu, estimé la surface optimale de capteurs qu’il faut installer à la maison de repos La Charmille.

Une première série de simulations ont été effectuées pour quatre surfaces de capteurs (25, 50, 75 et 100 m²) et pour le même volume de stockage  2 000 litres au total). Le logiciel Polysun fournit l’apport solaire annuel (en kWh/an) pour ces quatre superficies de capteurs.

Ensuite, il faut calculer le coût du kWh solaire. Pour ce faire, on considère une durée de vie réaliste du système de 25 ans. La formule permettant de calculer ce coût est la suivante :

où :

• C_{kWh solaire} = coût du kWh solaire (en € / kWh )
• INV = Investissement total du système solaire (en €)
• n = durée de vie escomptée du système solaire (en année)
• A_{kWh solaire} = apport solaire annuel (en kWh / an)

Finalement, cette formule, appliquée aux quatre surfaces de capteurs considérées (25, 50, 75 et 100 m²), donne le coût moyen estimé du kWh solaire :

Optimisation de la surface de l’installation qui minimise le coût moyen du kWh solaire.

Nous remarquons qu’à l’optimum économique, soit une surface de capteurs d’environ 50 m², le coût du kWh solaire est d’environ 0,072 €.

Volume de stockage optimal

Nous allons à présent déterminer l’optimum économique du volume de stockage du système solaire correspondant à la surface de capteurs optimale (50 m²). nous calculons le coût moyen du kWh pour quatre volumes différents, à savoir 1 500, 2 000, 3 000 et 4 000 litres, le coût du stockage solaire est estimé quant à lui à environ 3 300 € par 1 000 litres.

D’après les résultats de simulation, le volume de stockage correspondant à l’optimum économique est d’environ 2 000 litres au total, soit 1 000 litres pour le ballon de stockage solaire et 1 000 litres pour le ballon de stockage d’appoint.

Cet optimum pour le volume de stockage est illustré ci-dessous.

Optimisation du volume de stockage qui minimise le coût moyen du kWh solaire.

Conclusion

Pour la production d’ECS à la maison de repos La Charmille, les dimensions optimales du système solaire, du point de vue économique, sont les suivantes :

• Une surface installée de capteurs d’environ 50 m²,

• et un volume de stockage d’environ 2 000 litres (1 000 litres pour le ballon de stockage solaire et 1 000 litres pour le ballon de stockage d’appoint).

Faisons remarquer que si l’appoint est électrique et que l’on désire faire fonctionner les résistances sur le tarif exclusif nuit, il faudra majorer le volume stockage d’appoint d’environ 3 à 4 000 litres.

À noter qu’il s’agit d’un optimum économique. Il est tout à fait possible d’installer une superficie de capteurs plus importante, qui aura l’avantage d’augmenter l’économie en énergie primaire et donc de réduire davantage les émissions de CO₂ pour la production d’ECS à la maison de repos La Charmille.

Fraction de l’énergie utile non fournie par l’appoint (en %)

L’énergie utile Q_u représente la quantité de chaleur qui a été nécessaire pour chauffée l’eau consommée. Cette valeur tient compte des pertes du circuit solaire (tuyaux, pompe, capteurs, …), des pertes de stockage et de l’énergie auxiliaire qui a du être fournie par le chauffage d’appoint. Si l’on retire de Q_u la partie fournie par l’appoint Q_aux.net, et que l’on rapporte cette quantité obtenue par l’énergie utile Q_u, nous obtenons la fraction solaire utile, soit le fraction de l’énergie utile qui n’a pas dû être fournie par l’appoint, telle que le montre la formule suivante :

Pour le système solaire possédant les dimensions optimales, l’énergie utile nécessaire pour produire 730 m³ à 60°C est de 56 570 kWh/an (pertes comprises). L’énergie auxiliaire de l’appoint est de 33 668 kWh/an.

Ainsi, la fraction solaire utile est de 40.5 % telle que le montre la formule suivante :

Économie d’énergie primaire

Cette énergie fournie chaque année par le rayonnement solaire ne doit pas être produite par la chaudière. S’agissant d’une chaudière au gaz à haut rendement dont le rendement annuel global est égal à 80 %, l’économie d’énergie primaire réalisée est de 28 627 kWh/an, d’après la formule suivante :

Un m³ de gaz ayant un PCI d’environ 10 000 Wh/Nm³, le système solaire permet d’économiser 2 863 m³ de gaz par an.

Estimation du coût du kWh solaire

Le coût du système solaire optimal est de 40 682 € HTVA, hors subsides, main d’œuvre comprise. Ce système solaire permet de produire 22 902 kWh/an par le soleil. Ainsi, comme mentionné précédemment, le coût du kWh solaire est d’environ 0,072 € avec une durée de vie du système estimée à 25 ans.

Gain économique

Au prix du gaz de 2001, soit environ 0.31 €/m³ (tarif ND2), le gain économique annuel consécutif à l’installation du système solaire est d’environ 887 €, correspondant à une réduction de la facture de 40.5 % pour la production d’ECS.

L’avantage économique majeur du système solaire réside dans le prix constant du kWh solaire. Alors que, pour les énergies fossiles, les scénarios les plus réalistes tablent sur une augmentation des prix de ces énergies dans les prochaines années. Comme nous l’avons constaté entre 1998 et 2001, le prix du gaz a augmenté de 41 % en 3 ans ! Il va de soi que si le prix du gaz double, l’économie financière réalisée est également doublée.

À noter que les éventuelles primes et subsides que la maison de repos La Charmille peut obtenir pour l’installation d’un système solaire de production d’eau chaude ne sont pas prises en compte dans les calculs de coût du kWh solaire ni du gain économique.

Émissions de CO₂ évitées

Le facteur d’émission du gaz naturel est de 249 grammes de CO₂ par kWh d’énergie primaire.

Ce facteur, issu du Décret du 12 avril 2001 relatif à l’organisation du marché de l’électricité en Wallonie, tient compte des émissions de CO₂ liées à la production du gaz naturel. Le système solaire permet une réduction de 5 659 kg de CO₂ chaque année, soit un total de 141 tonnes sur la durée de vie du système (25 ans).

Nous pouvons également calculer le coût des émissions de CO₂ évitées en divisant le coût total du système solaire par la réduction de CO₂.

Le système solaire optimal coûte 40 682 € (hors subsides) et permet d’éviter l’émission de 141 tonnes de CO₂ sur 25 ans. Le coût des émissions de CO₂ évitées est par conséquent de 288 €/tonne.

Les autres impacts positifs d’un tel projet résident dans la visibilité du système solaire, rejaillissant sur l’image “durable” de la maison de repos La Charmille, ainsi que dans l’aspect didactique de l’installation : le personnel pourra s’apercevoir de l’intérêt évident et de la facilité de fonctionnement d’une installation solaire de production d’eau chaude.

En outre, la maison de repos La Charmille se positionnera parmi les premiers projets de maison de repos “solaire” de la nouvelle génération.

Appliquée à la production collective d’eau chaude sanitaire, la Garantie de Résultats Solaires correspond à un engagement contractuel de fourniture d’énergie thermique d’origine solaire pour un besoin donnée d’ECS. Cette garantie permet à l’auteur de projet d’avoir un seul interlocuteur qui représente solidairement le fournisseur, le bureau d’études et l’installateur. Comme toute garantie, si le consortium ne respecte pas ses engagements, il devra dédommager l’auteur de projet. Cette garantie, d’ailleurs proposée par certains fournisseurs en Belgique, est vivement conseillée.

Monitoring

Les fournisseurs peuvent également assurer, en dehors de la garantie de résultats solaires, le monitoring du système solaire (mesures énergétiques, acquisition et transfert des données). Le monitoring a l’avantage de faire connaître avec précision l’apport solaire pour le pré-chauffage de l’eau mais également de déceler tout dysfonctionnement du système ou une consommation anormale de l’établissement.

En 2003 les travaux furent entrepris et l’installation entra en service en mai à la grande satisfaction des utilisateurs.

Les installations

L’installation réellement mise en place fut légèrement différente de ce qui avait été prévu.

• 75 m² de capteurs furent placés au lieu de 50 m² : 32 panneaux de 2.32 m² utiles.

32 panneaux de 2.32 m².

• Le circuit primaire ne fut pas installé. Il fut remplacé par des ballons de stockage solaire à échangeur interne. Il n’y donc pas d’échangeur de chaleur externe. De plus, le système n’est pas “sous pression” mais “à vidange gravitaire”. De cette manière, dès que les pompes s’arrêtent le circuit extérieur se vide dans des réservoirs de stockage et tous les risques de gel des installations disparaissent. Cela nécessite cependant beaucoup de soin dans la mise en place afin qu’à tout endroit il y ait une pente suffisante vers les réservoirs. Toute contrepente est à proscrire.

La pente des canalisations permet la vidange automatique à l’arrêt.

Les réservoirs à vidange.

• Trois ballons de stockage solaire de 1 000 litres furent installés.

Trois ballons de stockage de 1000 litres = 3000 litres.

• L’appoint se faisant en série, l’eau passe ensuite dans deux ballons de 850 litres qui permettent grâce à l’appoint fourni par le chauffage central de disposer d’une eau à la température souhaitée. Un des ballons est dédié à la fourniture de l’eau chaude sanitaire à 45 °C, l’autre à l’eau chaude de cuisine à 60 °C. Des vannes mélangeuses thermostatiques à trois voies règlent la température des boucles de distribution.

Deux ballons de 850 litres branchés sur le chauffage central permettent grâce à l’appoint de disposer d’une eau à température souhaitée quelles que soient les conditions d’ensoleillement.

Les radiateurs électriques à accumulation installés dans le bâtiment ont été remplacés par un chauffage central au gaz. Deux chaudières de 290 kW chacune ont été placées dans un local technique en toiture. Le choix de cet emplacement a été justifié par des raisons pratiques de sécurité et par l’absence de cheminée déjà existante. Ce sont ces chaudières qui fournissent l’appoint en eau chaude sanitaire. La puissance de ces chaudières est largement suffisante, car le bâtiment, bien qu’ancien, est thermiquement isolé. L’isolation doit sa présence au chauffage électrique qui a été installé à l’origine de l’immeuble.

Les deux chaudières de 290 kW.

Les rendements

Mis à part quelques réparations effectuées sous garantie en début de fonctionnement, l’installation s’est révélée fiable et facile d’usage. Dès 2004 la production solaire atteignait 29 000 kWh soit environ 380 kWh/m². Depuis, la production tourne autour des 35 000 kWh par an.

Grâce aux subsides, l’installation a été amortie en deux ans. Il en aurait fallu vingt sans les subsides !

Un deuxième home du CPAS de Gembloux, situé à Grand-Leez a été équipé d’un système semblable tout aussi efficace.