Exemple de détermination de l’installation solaire d’un hôtel

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

Accès au contenu à jour et téléchargement du Guide de 63 pages

Guide solaire 2012

N'hésitez pas à « blogger » et à donner commentaires et appréciation en fin de page et bonne lecture !

La méthode décrite ci-après vous permettra d'identifier les différentes étapes qui sont nécessaires pour définir une installation solaire.

D'après les éléments et caractéristiques techniques du bâtiment récupérés auprès du maître d'ouvrage, nous procéderons en 3 étapes :

• détermination des besoins solaires
• réalisation de l'étude solaire
• sélection des principaux composants et accessoires

Pour illustrer l'exemple qui suit, l'étude solaire a été réalisée avec SOLO 2000, logiciel du CSTB et téléchargeable à partir de leur site (http://enr.cstb.fr).

Dans cet exercice, nous allons définir et dimensionner l'installation solaire d'un hôtel de 45 chambres. Les hypothèses prises en compte sont les suivantes :

• Bâtiment :
  hôtel 3 étoiles de 45 chambres avec 2 repas en moyenne par chambre et par jour
  sous-sol + Rdc + 5 étages
  construction située à Lyon

• Local technique :
  situé au sous sol (non chauffé)
  hauteur statique/capteurs = 21 m CE
  pression de service maxi = 6 bars

• Capteurs plans vitrés de faibles hauteurs posés en terrasse :
  horizontaux de 2,3 m² bruts ou 2 m² utiles
  surface disponible pour 4 champs maximum (10 capteurs/champ maximum)
  orientation plein Sud / inclinaison 45°
  masque solaire créé par un bâtiment existant sur l'Est/capteurs
  fluide glycolé utilisé : TYFOCOR L à 45%
  débit maximum = 30 l/h.m² de surface brute de capteurs
  température maxi capteurs = 124°C

• Tuyauteries solaires ou « boucle de captage » :
  matière = cuivre
  isolation mousse polyuréthane avec protection lorsque située à l'extérieur

• Stockage solaire :
  
  ballon de stockage sans échangeur interne
  jaquette souple M1 isolation 100 mm

• Station hydraulique :
  avec échangeur intégré et pompes doubles à rotor noyé

• Eau sanitaire :
  débit de pointe maxi = 4 m3/h
  débit de bouclage eau chaude sanitaire = 1 m3/h

Vous trouverez ci-dessous le schéma de principe de l'installation solaire où sont indiqués les différents accessoires avec le vocabulaire que l'on retrouve dans le logiciel SOLO 2000.

Schéma VII/1 – Schéma de principe de l'installation solaire

Pour un hôtel 3 étoiles, nous prenons un ratio de 65 litres/chambre auquel nous rajoutons 20 litres/chambre pour les repas journaliers, soit : (65 + 20) x 45 = 3825 litres à 60°C

Les besoins solaires sont considérés comme étant constants tout au long de l'année.

Avant de commencer l'étude solaire, nous avons besoins de définir :

• la surface des capteurs à installer, leurs caractéristiques thermiques et leur débit
• le stockage solaire
• pour la tuyauterie solaire, les longueurs intérieures/extérieures au bâtiment, les diamètres, l'épaisseur et le type d'isolant utilisé
• le relevé du masque solaire

Surface des capteurs …

• Volume ballon solaire / ratio de 50 l/m² de capteurs = 3825 / 50 ≈ 77 m² de capteurs
  
  Soit 34 capteurs horizontaux Solerio F3-Q d'une surface totale brute de 78.2 m², ou 68 m² utile.

On considérera qu'ils sont alimentés avec le débit maximum de 30 l/h.m², soit un débit total de 2346 l/h. En toiture, la surface totale des capteurs est divisée en 2 champs de 9 capteurs alimentés chacun avec un débit de 621 l/h, et 2 champs de 8 capteurs alimentés chacun avec un débit de 552 l/h.

Le stockage solaire …

Son volume doit correspondre au minimum aux besoins solaires journaliers retenus précédemment (environ 4000 litres) ; soit avec un ou plusieurs ballons. Nous retenons deux ballons solaires de 2000 litres, correspondant à un modèle BS 2000 dans le tableau VII/2 ci-dessous. Avec une isolation de 100 mm, la constante de refroidissement est de Cr = 0.06 Wh/24h/l/°K.

Tableau VII/2 – Ballon solaire - Documentation technique solaire Atlantic Guillot

Longueurs intérieures/extérieures au bâtiment et diamètre de la tuyauterie solaire ou de la « boucle de captage »

Pour déterminer la longueur Aller/Retour (A/R) de la tuyauterie solaire, nous avons besoins des caractéristiques des capteurs Solerio F3-Q (hauteur de raccordement, largeur des champs, distance entre champs, …) afin de réaliser un plan de calepinage en toiture (Cf. Schéma VII/3).

Schéma VII/3 – Plan de calepinage en toiture

Nous obtenons les longueurs A/R suivantes :

• tuyauterie de distribution des champs de 9 capteurs : 22 m
• tuyauterie de distribution des champs de 8 capteurs : 20 m
• tuyauterie générale située à l'extérieur pour alimenter 4 champs : 38 m
• tuyauterie générale située à l'intérieur du bâtiment : 52 m

Pour alimenter le champ de 9 capteurs le plus distant, en incluant les incidents de parcours ou pertes de charge singulières, nous considérerons une longueur A/R équivalente de :

• 90 m pour la tuyauterie générale
• 22 m pour la tuyauterie qui alimente ce champ

Connaissant les débits et longueurs de tuyauterie, nous sommes en mesure de déterminer les diamètres de la « boucle de captage » solaire.

Il faut prêter une attention particulière à la détermination du diamètre de la tuyauterie solaire afin de se situer dans la plage de débit appropriée pour le bon fonctionnement des capteurs (20 à 30 l/h.m²).

Nota :
Le logiciel de détermination de la tuyauterie doit tenir compte des caractéristiques du fluide glycolé utilisé, elles sont listées ci-dessous :
- température moyenne de fonctionnement ;
- pourcentage de glycol ;
- masse volumique ;
- viscosité cinématique.

Pour cette installation, le logiciel que nous avons élaboré pour les formations solaires, prochainement utilisable « en ligne » par accès privatif, nous indique un diamètre intérieur/extérieur de 40/42 mm pour la tuyauterie générale en cuivre (Cf. Schéma VII/4). L'alimentation de chaque champ de capteurs sera réalisée en diamètre cuivre 20/22 mm.

Schéma VII/4 – Logiciel de détermination de la tuyauterie solaire - Atlantic Guillot

Isolation de la tuyauterie solaire …

Pour ce qui concerne l'épaisseur d'isolant, la Norme EN 12977- 2, Tableau A.2 page 24, nous indique qu'elle doit correspondre avec une tolérance de 2 mm à :

• 39 mm pour un diamètre de tuyauterie cuivre de 40/42 mm
• 20 mm pour un diamètre de tuyauterie cuivre de 20/22 mm

Cet isolant doit résister à de hautes températures, et lorsqu'il est situé à l'extérieur être protégé des UV et des attaques aviaires, ce qui amène à le recouvrir d'une protection.

Relevé du masque solaire …

Le bâtiment existant situé à l'Est des champs de capteurs nous donne le relevé de masque solaire suivant :

Azimuts	-130	-116,32	-102,63	-88,95	-75,26
Hauteurs angulaires	30	30	30	30	30

Ce masque solaire aura pour effet de diminuer la récupération d'énergie ou la productivité solaire.

Afin de déterminer plus précisément les composants et les caractéristiques de performance de l'installation, une étude solaire est nécessaire.

Cette dernière permettra d'obtenir les valeurs mensuelles et annuelles suivantes :

• l'énergie totale pour chauffer l'eau jusqu'à la consigne (besoins)
• l'énergie apportée par le solaire (productivité)
• le taux de couverture
• la productivité/m² utile de capteurs

Nous ne passerons pas en revue dans cet article les différentes étapes et subtilités à connaître à l'utilisation d'un logiciel solaire, tous ces détails sont développés dans les formations que nous proposons.

Vous trouverez sur le schéma VII/5 ci-dessous, les résultats de l'étude solaire pour cet hôtel de 45 chambres situé à Lyon, et réalisée sous le logiciel SOLO 2000 :

Schéma VII/5 – Résultats de l'étude solaire SOLO 2000

Par mesure de sécurité et de façon à éviter les risques de surchauffe, nous nous fixons comme règle de ne pas dépasser 85% de taux de couverture mensuels. Cela à pour conséquence de diminuer le nombre de capteurs à mettre en place que nous avions prédéterminés.

Avec 32 capteurs d'une surface totale de 73,6 m² brut ou 64 m² utile, l'installation sera composée de 4 champs de 8 capteurs, irrigué chacun avec un débit de 552 l/h, soit un débit total de 2208 l/h (sous 30 l/h.m²).

ETAPE 1 – Sélection de la station hydraulique

Les modèles avec échangeur à plaques intégré doivent être choisis à partir d'une surface maximale de capteurs en tenant compte non seulement de leur débit maxi mais aussi de leur hauteur manométrique disponible.
Le tableau du schéma VII/6 ci-dessous, nous permet de faire une sélection rapide de la station hydraulique appropriée :

Schéma VII/6 – Station hydraulique - Documentation technique solaire Atlantic Guillot

Sur la base d'une surface brute de 73,6 m² de capteurs, on aurait pu choisir un modèle SB2, mais tenant compte du débit total de 2208 l/h, on retient une station hydraulique SB3 avec pompe double rotor noyé.

Pour ce même débit, le schéma VII/7 ci-dessous nous donne une hauteur manométrique disponible d'environ 10 mCE.

Schéma VII/7 – Pompe primaire SB3 - Documentation technique solaire Atlantic Guillot

ETAPE 2 – Détermination de la hauteur manométrique disponible pour la tuyauterie solaire

Le principe consiste à soustraire de la hauteur manométrique disponible de la station, les pertes de charges des vannes d'équilibrage et des capteurs présents en série sur le circuit (Cf. Schéma VII/1 - Schéma de principe de l'installation solaire).


Sélection des vannes d'équilibrages et détermination de leur perte de charge …

Le tableau VII/8 ci-dessous, nous permet de sélectionner selon une plage de débit, les diamètres des vannes d'équilibrage nécessaires, soit un DN32 avec 2208 l/h pour la tuyauterie générale, et un DN20 avec 552 l/h pour chaque champ.

La perte de charge par vanne est de 0,3 mCE. La vanne générale étant en série avec une vanne de champ, on obtient une perte de charge totale de 0,6 mCE.

Tableau VII/8 – Vanne d'équilibrage - Documentation technique solaire Atlantic Guillot

Détermination des pertes de charge capteurs …

Pour des champs de capteurs horizontaux Solerio F3-Q irrigués sous 30 l/h.m², le tableau VII/9 ci-dessous nous donne une perte de charge par champ de 1,67 mCE, on retiendra 1,7 mCE.

Tableau VII/9 – Pertes de charge capteurs - Documentation technique solaire Atlantic Guillot

Déduction de la hauteur manométrique disponible pour la tuyauterie solaire …

• Pdc circuit solaire = Pdc capteurs + Pdc vannes équilibrage + Pdc sécurité
  = 1,7 + (0.3 x 2) + 0,1
  = 2,4 mCE
  

• Hauteur manométrique disponible pour la tuyauterie solaire = 10 – 2,4 = 7,6 mCE
  
  

ETAPE 3 – Vérification du diamètre de la tuyauterie solaire …

D'après les longueurs et débits définis ci-avant, le logiciel de détermination de la tuyauterie solaire nous donne les résultats dans le tableau VII/10 ci-dessous :

	Tuyauterie générale du circuit solaire		Tuyauterie de distribution des champs de capteurs
Longueur (m)	90		20
Débit (l/h)	2208		552
Diamètre (mm)	Cu 40/42	Cu 30/32	Cu 20/22	Cu 16/18
Pdc totale (mCE)	1	4	0,6	1,6
Pdc linéaire (mmCE/ml)	11,5	44,7	28,2	80,5
Vitesse (m/s)	0,49	0,87	0,49	0,76
Volume (litres)	113,1	63,6	6,3	4

Tableau VII/10 – Détermination de la tuyauterie solaire

Vis-à-vis de la hauteur manométrique disponible pour la tuyauterie, nous pouvons sélectionner des diamètres inférieurs à ceux qui ont été prédéterminés précédemment :

• pour la tuyauterie générale Ø 30/32 mm, soit une Pdc de 4 mCE
• pour la tuyauterie des champs de capteurs Ø 16/18 mm, soit une Pdc de 1,6 mCE

La perte de charge totale de la tuyauterie solaire pour alimenter le champ de capteurs le plus distant est de : 4 + 1.6 = 5.6 mCE.

Il restera donc 2 mCE sur les 7,6 mCE disponible. A la mise en service, la vanne d'équilibrage générale permettra de régler le point de fonctionnement de l'installation pour limiter la consommation électrique de la pompe.

Les changements des diamètres de tuyauterie peuvent avoir une influence sur les résultats de l'étude solaire (et sur la détermination du vase).

Dans notre exemple l'influence est moindre, les déperditions de la boucle de captage ont diminué et la productivité s'est légèrement améliorée (Cf. schéma VII/11). Pour des questions d'exactitude, c'est cette dernière étude qui servira de référence.

Schéma VII/11 – Etude solaire de référence

ETAPE 4 – Détermination du vase d'expansion solaire

A partir de la documentation technique et du logiciel tuyauterie, nous allons pouvoir trouver le volume contenu dans les capteurs et le reste du réseau solaire :

• Volume capteurs : Vcapt = 1.9 litres x 32 capteurs = 60.8 litres
• Volume réseau hors capteurs : Vr = 89,6 litres ≈ 90 litres
  - Avec volume station hydraulique : VSB3 = 10 litres
  - Avec volume total des tuyauteries, équivalent à la somme des volumes de la tuyauterie générale et des 4 champs de capteurs, soit Vtuy = 63.6 + (4 x 4) = 79,6 litres
  
  

Il faut prêter une attention particulière au dimensionnement du vase d'expansion solaire pour assurer le bon fonctionnement de l'installation.

Nota :
Le logiciel de détermination du vase doit tenir compte des caractéristiques du fluide glycolé utilisé, et plus particulièrement de ses coefficients d'expansion et de contraction. Ces derniers sont déterminés en fonction des températures auquel est exposé le glycol, et dépendent donc de la station météo dans laquelle se situe l'installation.

Le logiciel que nous avons élaboré pour les formations solaires, prochainement utilisable « en ligne » par accès privatif, nous indique que le volume minimum du vase d'expansion doit être de 238.6 litres, nous retiendrons donc un vase de 300 litres (Cf. Schéma VII/12).

Schéma VII/12 – Logiciel de détermination du vase d'expansion - Atlantic Guillot

ETAPE 5 – Détermination des paramètres de mise en service du vase d'expansion

Pour les obtenir, il faut tenir compte de la température du fluide glycolé le jour où s'effectue le remplissage et de ses propres caractéristiques. Les paramètres de réglage du vase sont spécifiques à chaque installation.

Le logiciel de détermination du vase nous donne aussi les valeurs théoriques des pressions de gonflage et de remplissage qu'il faut vérifier lors de la mise en service (Cf. Schéma VII/13 ci-dessous).

Schéma VII/13 – Logiciel de détermination du vase d'expansion - Atlantic Guillot

Dans le cas étudié, la pression de gonflage du vase d'expansion de 300 litres serait de 3,3 bars environ (valeur réglée vase vide et isolé de l'installation).
En fin de remplissage, pour une température de fluide glycolé de +10°C, la pression sera d'environ 3,4 bars, ce qui correspondant à une contenance en fluide glycolé dans le vase équivalente à 4.5 litres.

Soupapes de sécurité complémentaire …

Cette soupape située au plus loin de la sortie des champs de capteurs sera identique à celle fournie dans la station hydraulique, son tarage sera de 6 bars.

L'option bouclage solaire … (cf. Encadré 5 partie 1)

Dans notre exemple, le débit de bouclage de 1 m³/h nous conduit à sélectionner une vanne directionnelle motorisée en DN 20. Le kit comporte aussi deux sondes PT 1000.

Kit anti-légionellose … (cf. Encadré 7 partie 1)

Pour un débit de pointe ECS de 4 m³/h, il faut sélectionner un modèle de 5 m³/h.

Afin de limiter les risques de développement des légionnelles, nous pouvons aussi proposer un appoint instantané en supprimant le volume de stockage secondaire, ou en le remplaçant par un volume de stockage d'énergie sur le primaire.

En diminuant le débit nominal, il serait envisageable de passer avec une station hydraulique SB2 de taille inférieure.

Dans ce cas, la hauteur manométrique disponible pour la tuyauterie serait très faible, chutant à 1,48 mCE (au lieu des 7,6 mCE avec la station SB3) et nous obligerait à passer avec des diamètres supérieurs comme nous le montre le tableau du schéma VII/16 ci-dessous.

	Tuyauterie générale du circuit solaire		Tuyauterie de distribution des champs de capteurs
Longueur (m)	90		20
Débit (l/h)	1840		460
Diamètre (mm)	Cu 40/42	Cu 30/32	Cu 20/22	Cu 16/18
Pdc totale (mCE)	0,76	2,94	0,41	1,18
Pdc linéaire (mmCE/ml)	8,4	32,63	20,74	59,08
Vitesse (m/s)	0,41	0,72	0,41	0,64
Volume (litres)	113,1	63,6	6,3	4

Schéma VII/16 – Détermination de la tuyauterie solaire sous 25 l/h.m²

Cette modification impliquerait de vérifier à nouveau tout le matériel sélectionné précédemment du au changement de débit et de volume de glycol dans l'installation.

Dans notre cas de figure, l'augmentation du volume total de fluide glycolé dans l'installation à 203,1 litres (au lieu de 150,4 litres) n'imposerait pas de passer avec un volume de vase supérieur (volume minimum du vase = 253,3 litres à vase identique de 300 litres). La diminution du débit ne nous permettrait pas de passer avec des diamètres de vanne d'équilibrage inférieurs.

En résumé, la détermination des composants hydraulique d'une installation solaire devra toujours tenir compte d'une marge de sécurité minimum. La recherche d'économie sur un composant peut conduire à des surcoûts sur le reste de l'installation. Il faudra toujours raisonner en investissement global.

L'enchaînement des différentes étapes lors de la détermination d'une installation solaire suit une méthodologie. Nous avons vu que la modification d'un seul paramètre peut modifier la sélection des composants et accessoires solaires, et remettre en cause le bon fonctionnement de l'installation.

Pour chaque affaire, il faudra veiller à ce que les hypothèses prises en compte par le bureau d'études lors de l'élaboration du cahier des charges soient respectées. Face à des contraintes de mise en œuvre, l'installateur devra s'assurer que la détermination initiale des composants est toujours valable.

Accès au contenu à jour et téléchargement du Guide de 63 pages

Guide solaire 2012

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

AUTRES CHRONIQUES d'Hervé SEBASTIA

• Optimisation de la Condensation : atteindre des performances
• 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)
• La productivité solaire (Partie 2/3)