De l’évaluation des besoins solaires à l’étude solaire

Par Hervé SEBASTIA - ingénieur thermicien de la société ATLANTIC GUILLOT

Après avoir abordé en Partie 1, les fondamentaux d'une installation solaire thermique collective, l'auteur Hervé SEBASTIA présente ici l'application méthodique de sa démarche – dite Partie 2 du Guide.

Installations Solaires Collectives pour l'ECS – Conception (Partie 1)

Réponses « Solaire » à la surchauffe et à la légionellose - Partie 1

De l'évaluation des besoins solaires à l'étude solaire (Partie 2/1)

Exemple de détermination de l'installation solaire d'un hôtel (2/2)

La productivité solaire (Partie 2/3)

En prenant pour exemple un hôtel de 45 chambres, il met en évidence toutes les facettes et subtilités du dimensionnement d'une installation solaire dans le but d'atteindre une productivité optimale.

A plusieurs occasions, l'auteur fait référence aux chapitres et encadrés de l'article précédent – Partie 1 -

La présente chronique traitant plus particulièrement de l'évaluation des besoins solaires à l'étude solaire

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Guide solaire 2012

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Avant d'aborder ces chapitres de la partie 2, il faut noter qu'en cas de demande de subventions auprès d'organismes (l'ADEME, la Région, le département, …), une étude solaire sous un logiciel agréé (Méthode SOLO) devra être fournie. Elle servira ensuite de référence pour comparer les performances solaires calculées à celles mesurées.
Dans tous les cas, il est vivement recommandé de faire réaliser le dimensionnement de l'installation solaire, et l'étude solaire par un bureau d'études spécialisé.

Le surdimensionnement est l'ennemi premier d'une installation solaire. Il engendre un surinvestissement, une perte de productivité, et est souvent à l'origine du phénomène de « la surchauffe » (cf. chapitre IV Partie 1

C'est pourquoi, il est important de bien dissocier le dimensionnement d'une production d'eau chaude sanitaire, de celui d'une installation solaire :

• Une production d'eau chaude sanitaire est dimensionnée pour satisfaire le jour où les besoins ECS sont les plus importants : on retiendra le besoin maximum ;

• Une installation solaire est dimensionnée pour satisfaire un besoin moyen journalier – appelé plus communément besoin solaire - qui tient compte de la période où la récupération est la plus forte, et l'occupation la plus faible : on retiendra le besoin minimal.

A titre d'exemple, en maison de retraite, les besoins ECS journaliers par lit peuvent atteindre 70 litres à 60°C, alors que les besoins solaires sont estimés à 30 litres à 60°C.

Pour évaluer au mieux le besoin solaire, nous vous conseillons :

• dans l'existant, de récupérer auprès du maître d'ouvrage les profils de consommation journaliers ou les mesurer au préalable,
• dans le neuf, de récupérer dans différentes littératures, des ratios ou des profils de consommation selon l'usage du bâtiment
• de tenir compte de la variation des soutirages sur l'année et des périodes d'inoccupation.

Afin de mieux appréhender les conséquences du sous ou sur dimensionnement d'une installation solaire, reportez-vous à l'encadré 8.

Encadré 8 – Conséquences du sous ou sur dimensionnement solaire

Pour illustrer ce cas de figure, nous reprendrons comme exemple l'installation solaire d'un hôtel 3 étoiles de 45 chambres situé à Lyon qui présente les caractéristiques suivantes :
. consommation ECS journalière de 3825 litres à 60°C
. 74 m² brut de capteurs inclinés à 45° plein Sud
. stockage solaire de 4000 litres

Sur le schéma 8/1 ci-dessous, le point d'intersection des deux courbes correspond aux besoins journaliers de référence soit 3825 litres qui nous donnent une productivité de 655 kWh/m² utile de surface de capteurs.

Sur cet hôtel, si la consommation d'eau chaude sanitaire journalière est supérieure, cas d'une installation solaire sous dimensionnée :
la productivité augmente car la température moyenne du ballon solaire est inférieure, son volume se régénérant plus souvent ;
le taux de couverture diminue car la surface des capteurs a été dimensionnée pour un besoin journalier inférieur.
Si la consommation d'eau chaude sanitaire journalière est inférieure, cas d'une installation solaire sur dimensionnée, c'est le phénomène inverse qui se produit avec une productivité qui chute et un taux de couverture qui augmente.



Schéma 8/1 – Variation de la consommation ECS sur la productivité et le taux de couverture

Nota : à consommation ECS journalière constante, la variation de la surface de capteurs nous donnerait des résultats qui ont la même tendance.

Les résultats obtenus montrent que fixer comme repère ou cible un taux de couverture maximal sans tenir compte de la productivité n'est pas forcément le reflet d'une installation solaire optimisée. Le risque de surdimensionnement est important, et d'autant plus avec des besoins variables sur l'année - le fait de limiter le taux de couverture mensuel dans les études solaires à 85% va dans le bon sens.

Par expérience, avec des besoins ECS variables sur la saison (en logements collectifs), le taux de couverture annuel d'une installation solaire correctement dimensionnée se situe généralement aux alentours de 40 à 50%. Avec des besoins ECS constants (en maison de retraite), il est plutôt entre 50 et 60%.

Contrairement à la rénovation, dans le neuf l'estimation des besoins reste un exercice difficile. Il y a plus d'avantages à sous dimensionner l'installation solaire car elle s'amortie plus rapidement. En effet, son investissement est moindre et sa productivité supérieure. Ce sont d'ailleurs les deux principaux critères d'éligibilités à satisfaire pour prétendre à l'obtention de subventions ADEME.

A défaut d'historique de consommations ECS réelles, le tableau VI/1 ci-après indique les ratios que nous utilisons pour déterminer les besoins solaires d'un bâtiment selon l'application.
Ils vous sont données à titre indicatif, sont basés sur notre retour d'expérience, et recoupés avec les valeurs que nous avons pu trouver dans les différentes « littératures solaires ».

On pourra aussi se reporter à l'encadré 9 pour un exemple de prédétermination rapide du stockage solaire et de la surface de capteurs en résidentiel collectif

Tableau VI/1 – Tableau de détermination des besoins solaires journaliers

Nota :
L'évaluation du besoin solaire journalier permet de déterminer le volume de stockage solaire. Afin d'assurer un bon dimensionnement et un bon fonctionnement de l'installation, il faut veiller à ce que le ou les ballons solaires respectent bien le ratio moyen suivant :

50 litres/m² de capteurs au minimum (40 à 60 litres selon la zone climatique)

Encadré 9 – Prédétermination rapide du stockage solaire et de la surface de capteurs en résidentiel collectif

Hypothèses : cas d'un bâtiment résidentiel de 19 logements composé de : 1 T2 + 9 T3 + 9 T4

Prédétermination des besoins solaires …

Avec un ratio de 55 litres pour un T2, 75 litres pour un T3, et 95 litres pour un T4, les besoins solaires journaliers sont de :
(1 x 55) + (9 x 75) + (9 x 95) = 1585 litres à 60°C

Coefficient de variation des besoins solaires journaliers selon les mois de l'année :

Mois	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12
Cef.	1.15	1.1	1.05	1.1	1.03	1.02	0.91	0.77	0.92	0.95	1.03	1.07
Besoins	1823	1744	1664	1744	1633	1617	1442	1220	1458	1506	1633	1696

Les besoins solaires que nous retiendrons sont ceux qui se situent sur la période estivale, où l'occupation est la plus faible, soient 1220 litres/jour.

La méthode à retenir nous amène donc prendre environ 80% des besoins solaires journaliers soit : 80% de 1585 ~ 1270 litres à 60°C


Prédétermination du stockage solaire …

Il doit correspondre au minimum aux besoins solaires retenus précédemment. Il faudra donc prévoir un ballon solaire de 1500 litres avec une isolation de 100 mm afin de limiter au maximum les déperditions par les parois.


Estimation rapide avant étude de la surface de capteurs nécessaire …

Dans une phase de faisabilité, il est nécessaire d'estimer approximativement la surface des capteurs à mettre en place, pour cela, il suffit de procéder de la façon suivante :
Volume ballon solaire / ratio moyen de 50 l/m² de capteurs = 1500 / 50 = 30 m² de capteurs



Etude solaire …

Afin de déterminer exactement la surface et le volume solaire à mettre en place, une étude solaire est nécessaire.

Elle permettra d'obtenir les valeurs mensuelles et annuelles suivantes :

- l'énergie totale pour chauffer l'eau jusqu'à la consigne
- l'énergie « gratuite » apportée par le solaire
- le taux de couverture
- la productivité/m² utile de capteurs

Afin d'éviter tout risque de surchauffe, nous sélectionnons une surface de capteurs pour que le taux de couverture mensuel se situe entre 80 et 85 % maximum.

Vous trouverez ci-après (Schéma 9/1), l'étude solaire pour ce bâtiment résidentiel de 19 logements situé à Lyon, qui a été réalisée avec le logiciel en ligne de Tecsol (méthode SOLO).



La surface d'entrée de capteurs obtenue est de 24 m², soit une surface brute de 27,6 m² pour des capteurs Atlantic Guillot de type Solerio F3-Q (surface légèrement inférieure à l'estimation précédente).

Le taux de couverture annuel obtenu est de 46,8 % (pour des taux mensuels ne dépassant pas les 85 %) pour une productivité annuelle de 644 kWh par m² utile de capteurs et par an (bien supérieure au minimum exigé par l'ADEME sur cette zone climatique = 400 kWh/m².an).

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Par Hervé SEBASTIA
Hervé SEBASTIA est expert en chauffage, eau chaude sanitaire, et énergies renouvelables concernant le marché du Collectif. Il est chargé de mission nouveaux marchés collectifs au sein du service marketing de la société ATLANTIC GUILLOT – www. atlantic-guillot.fr

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