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

Par Hervé SEBASTIA - de la société ATLANTIC GUILLOT

Cette chronique traite de l'aspect particulier des surchauffes et des risques de légionellose dans les installations solaires collectives solaires. Elle fait suite à la précédente chronique intitulée « Installations Solaires Collectives pour l'ECS – Conception (Partie 1) »

Cette partie 1, avec ces deux chroniques rassemblées traite de l'approche théorique liée aux fondamentaux en matière de solaire collectif.

Une deuxième partie paraîtra le mois prochain en février 2012 et seront développés des cas études pour mettre en avant toute l'importance de la détermination des besoins solaires, le dimensionnement et la sélection des différents composants et accessoires solaires, sans oublier d'aborder la productivité d'une installation solaire …

Le Guide Solaire Partie 1, pdf de 37 pages, est à disposition en fin de ce présent article.

1.1 - Définition

La surchauffe est un phénomène que l'on peut rencontrer sur une installation solaire lors de périodes de fort ensoleillement pour au moins deux raisons principales :

• lorsque l'énergie solaire récupérée n'est plus transmise au volume de stockage solaire, en cas de panne de la pompe, d'encrassement de l'échangeur, ou tout simplement de panne électrique ;
• lorsque l'énergie solaire récupérée n'est pas « consommée », en cas de période d'inoccupation du bâtiment, ou de surdimensionnement de l'installation solaire par exemple.

La surchauffe se traduit par une montée en température dans les capteurs jusqu'à ce que le fluide glycolé se vaporise et chasse la partie liquide vers le vase d'expansion. Le fluide glycolé reprendra sa place seulement au refroidissement de l'installation solaire, soit à la disparition du soleil. Le fonctionnement ne reprendra pas avant la prochaine période d'ensoleillement.

Si le vase n'a pas été correctement dimensionné et ne peut absorber tout le volume de fluide nécessaire, la pression augmente dans l'installation jusqu'à dépasser le tarage de la soupape de sécurité qui s'enclenche. Au refroidissement de l'installation, une intervention est nécessaire car l'installation est en panne par manque de fluide. Pour éviter d'intervenir après chaque phase de surchauffe, il faudra envisager l'augmentation du volume du vase d'expansion.

Pendant chaque phase de surchauffe, les capteurs « vidangés » atteignent leur température de stagnation généralement aux alentours des 200°C.
Si le phénomène est répétitif, les composants d'installation peuvent se détériorer plus rapidement, et le fluide glycolé s'altérer prématurément.

Après des phases de surchauffe, l'exploitant devra veiller à ce que :

• les raccords et les composants ne présentent pas de fuites
• les organes liés au bon fonctionnement et la sécurité de l'installation fonctionnent parfaitement (vase et soupape)
• le fluide glycolé est conservé ses caractéristiques (pH et point de congélation), dans le cas contraire il faudra vidanger et nettoyer l'installation (recycler le fluide) avant d'effectuer un nouveau remplissage.

Dans ces conditions, l'amortissement de l'installation solaire devient critique.
Il faut donc prendre toutes les mesures nécessaires dès les phases dimensionnement et conception pour éviter de se retrouver dans de telles situations.

1.2 - Les réponses à la surchauffe

Pour éviter la surchauffe, il est donc impératif de respecter quelques règles fondamentales en considérant les préconisations et étapes suivantes :

Etape 1 - Le dimensionnement

Il faut veiller dès la conception au bon dimensionnement de l'installation solaire. Il faut se fixer ou récupérer auprès du maître d'ouvrage les hypothèses de consommations annuelles d'eau chaude sanitaire les plus proches de la réalité.

Contrairement à l'appoint qui doit être dimensionné pour satisfaire le jour où les besoins ECS sont les plus importants, une installation solaire est dimensionnée pour satisfaire un besoin moyen journalier, le besoin solaire. Il tient compte de la période où la récupération est la plus forte, et l'occupation la plus faible.

Après avoir défini le besoin solaire, une installation correctement dimensionnée devrait respecter les caractéristiques suivantes :

• un volume de stockage solaire correspondant au minimum au besoin solaire journalier avec un ratio de 50 litres/m² de capteurs en moyenne
• les taux de couverture mensuels que l'on retrouve dans l'étude solaire ne devraient pas excéder les 85%
• la productivité annuelle par m² de surface utile de capteurs devrait se situer au minimum dans une fourchette de 450 à 650 kWh/m²

Etape 2 - L'inclinaison des capteurs

Ce paramètre est à figer dès la conception, en fonction de l'utilisation, des périodes d'inoccupations, voire de faibles fréquentations du bâtiment.
Considérant qu'un capteur a une productivité annuelle optimum lorsque son inclinaison est proche de 45°, et qu'elle peut diminuer de 5% pour un angle compris entre 15 et 60°, deux cas de figures se présentent (cf. Encadré 2) :

• une inclinaison des capteurs supérieure à 45°, diminuera la récupération estivale où le soleil est plus haut, et favorisera la récupération hivernale. Cette solution peut être retenue pour un bâtiment à moindre occupation durant l'été comme certains hôtel en station de ski par exemple.
• une inclinaison des capteurs inférieure à 45°, diminuera la récupération hivernale où le soleil est plus bas, et favorisera la récupération estivale. Cette solution peut être retenue pour un bâtiment où l'occupation est la plus forte durant l'été comme certaines résidences de vacances près de la mer par exemple.

Pour des bâtiments tels des maisons de retraite où les besoins ECS sont constants et réguliers sur l'année, une inclinaison des capteurs à 45° restera optimum.

Etape 3 – Le kit bouclage solaire

Avant d'enclencher des modes de décharge, consommateurs d'énergie primaire et détaillés dans les étapes suivantes, il existe une solution à privilégier et à prévoir systématiquement sur les installations Solaires Collectives Centralisées (SCC) : le kit bouclage solaire (cf. Encadré 5).
Il permet de décharger l'excès d'énergie solaire pendant les périodes de non soutirage tout au long de la journée.

Encadré 5 – Optimisation d'une installation SCC : le kit bouclage solaire

Dissiper l'excès d'énergie solaire dans la nature au travers des capteurs ou d'un système de décharge extérieur n'est pas optimum et représente un coût d'énergie primaire !

Avant d'en arriver là, il existe une solution à privilégier : le kit bouclage solaire (Cf. schéma 5/1). Elle permet de diminuer la consommation d'énergie de l'appoint, d'améliorer la productivité solaire, et de plus, elle est simple à mettre en œuvre et à moindre investissement.

Pendant les périodes d'ensoleillement et de non soutirage, le bouclage ECS est dévoyé vers le ballon solaire (via la vanne trois voies) si ce dernier stocke de l'énergie en excès (température ballon solaire > température retour bouclage ECS). La quantité d'énergie récupérée peut alors compenser tout ou partie des déperditions du bouclage d'eau chaude sanitaire et du ballon de stockage ECS, auxquelles doit faire face habituellement l'appoint.

Pour un faible investissement supplémentaire (une vanne trois voies et deux sondes), cette option est très appréciable pendant ces périodes critiques car elle revient finalement à réduire la surface des capteurs. Non seulement la consommation de l'appoint est réduite mais la productivité solaire est améliorée. En effet, le ballon solaire travaillant a une température moyenne inférieure, ses déperditions sont moindres, et le rendement des capteurs supérieurs.

En présence d'un comptage d'énergie sur le ballon solaire Qbsi (Cf. schéma 5/1, sondes entrée/sortie ballon solaire non représentées), l'ajout d'un comptage Qbsol avec le kit bouclage solaire s'avère absolument nécessaire. Dans le cas contraire, la productivité solaire mesurée serait inférieure à la réalité, puisque l'énergie puisée dans le ballon solaire pendant les périodes de non soutirage n'aura pas été comptabilisée.

Nota : le kit bouclage solaire n'est pas à prévoir en présence d'un ballon mixte « solaire + appoint », et d'un bouclage d'eau chaude sanitaire qui revient dans la partie appoint, le transfert d'énergie du volume solaire vers le volume d'appoint s'effectuant en continu par stratification naturelle.

Etape 4 - Les modes anti-surchauffe de la régulation solaire

Si l'option bouclage solaire n'a pas suffit pour décharger la totalité de l'excès d'énergie, il faut prévoir une régulation qui intègre et enchaîne les 3 modes anti-surchauffe décrit ci-après. Ils s'avèrent être efficaces pour permettre à l'installation solaire de passer la période de fort ensoleillement.

• le mode de refroidissement du ballon solaire – plus communément appelé refroidissement nocturne - consiste à dissiper l'excès d'énergie solaire accumulé dans le ballon solaire au travers des capteurs. Ce mode s'enclenche dès lors que le ballon solaire atteint une température supérieure à sa consigne et que la température des capteurs est inférieure ;
• le mode refroidissement des capteurs consiste à dissiper l'excès d'énergie solaire accumulé dans les capteurs au travers du ballon solaire. Ce mode s'enclenche dès lors que les capteurs atteignent une température excessive (consigne ajustable) et que la température du ballon solaire est comprise entre sa consigne et sa température maximale ;
• le mode de protection du circuit capteurs consiste à interdire le fonctionnement de la pompe lorsque le seuil maximum de température dans les capteurs est atteint. Cela permet de protéger d'une température excessive les autres composants du circuit. Dans le cas d'une installation surdimensionnée, la température capteurs peut continuer à augmenter jusqu'à atteindre la température de vaporisation du fluide glycolé. On passe alors en surchauffe, à moins que le mode décharge capteurs décrit dans l'étape suivante ait été prévu …

Etape 5 - Le mode décharge capteurs

Cette option est l'ultime recours et c'est la garantie pour une installation solaire de ne pas monter à des températures déraisonnables (sauf en cas de pannes électriques ou de mauvais entretien de la pompe ou de l'échangeur du circuit « décharge capteurs »), et donc ne pas se dégrader ou altérer prématurément le fluide glycolé.

Cette option est une solution pour répondre au cas d'une installation solaire surdimensionnée, ou placée sur un bâtiment inapproprié, avec des périodes d'inoccupations sans soutirage pendant une partie de la période estivale, notamment dans les écoles ou dans certains gymnases.

Ainsi, au-delà d'un seuil de température atteint dans le ballon solaire et les capteurs, l'option décharge capteurs consiste à ne plus diriger les calories vers le ballon solaire, mais à les évacuer.

Plusieurs types de décharge sont possibles, et consistent à :

• soit évacuer l'excès de calories solaires à l'extérieur, au travers d'une boucle de décharge aérotherme, radiateur, ou enterrée dans le sol par exemple ;
• soit récupérer l'excès de calories solaires pour préchauffer l'eau d'une piscine par exemple (= énergie valorisée).

Il est évident que les décharges qui consistent à valoriser l'excès d'énergie solaire sont à privilégier, plus que celles qui consistent à l'évacuer vers l'extérieur en consommant de l'énergie primaire !

Remarque : le fait de prévoir une décharge sur le circuit capteurs contribue à augmenter le volume de fluide glycolé de l'installation. Il faudra veiller à tenir compte de ce volume supplémentaire lors du dimensionnement du vase d'expansion.

1.3 - Conclusions

L'association et la prise en compte des diverses préconisations, du kit bouclage solaire, et des différents modes de régulation cités précédemment, doivent permettre à l'installation solaire de passer la période de fort ensoleillement sans déclencher la phase surchauffe.

Nous avons rencontré des exploitants qui ont mis en place des solutions qui permettent de motoriser l'orientation des capteurs afin d'optimiser la récupération ou occulter tout ou partie de leur surface, ceci reste valable à condition que se soit rentable …

Encadré 6 - Définitions / Rappels : la légionellose

La légionellose est une infection respiratoire provoquée par la bactérie du genre Legionella qui se développe dans les milieux aquatiques naturels ou artificiels. Les sources de contamination le plus souvent incriminées sont les installations dont la température de l'eau est comprise entre 25 et 42°C et qui produisent des aérosols (Cf. schéma 6/1).

Schéma 6/1 - Conditions de vie et développement de la bactérie Legionella

Pour limiter le développement des légionelles, il convient de mettre en place les actions préventives suivantes :

- éviter la stagnation de l'eau et en assurer une bonne circulation (bouclage ECS);

- lutter contre l'entartrage et la corrosion par une conception et un entretien adaptés à la qualité de l'eau et aux caractéristiques de l'installation ;

- maintenir l'eau à une température élevée dans les installations, depuis la production et tout au long des circuits de distribution et mitiger l'eau au plus près des points d'usages.

Ces actions permettent de limiter voire supprimer la nécessité de réaliser des interventions curatives (chocs chlorés ou chocs thermiques) qui ne garantissent pas une réduction durable de la contamination. En outre, de telles mesures peuvent avoir parfois pour conséquences un déséquilibre de la flore microbienne et la dégradation des installations, favorisant ainsi la création de nouveaux gîtes favorables à la prolifération des légionelles.

Source circulaire DGS du 28/10/2005 et arrêté du 30/11/2005.

2. 1 – Les textes réglementaires

Les arrêtés et circulaires relatifs à la prévention du risque lié aux légionelles sont les suivants.

2 - 1.1 – Résumé et conséquences de l'arrêté du 30/11/2005 relatif aux installations d'eau chaude sanitaire dans les bâtiments d'habitation, les locaux de travail ou les locaux recevant du public. Cet arrêté complet est consultable sur internet : www.sante.gouv.fr.

Afin de limiter le risque de brûlure …

• T° = 50°C aux points de puisage des pièces destinées à la toilette
• T° = 60°C max. autre pièces
• T° = 90°C max. cuisines, buanderies ERP

Afin de limiter le risque lié au développement des légionelles …

A respecter dans les 24h précédent un soutirage :

• Si volume d'eau > 3 litres (~ 15m DN15) entre point de mise en distribution et point de puisage le plus éloigné : T° = 50°C min. en tout point du système de distribution
• Si le volume total des équipements de stockage ≥ 400 litres à l'exclusion des ballons de préchauffage :
• soit T° ≥ 55°C en permanence à la sortie des équipements de stockage
• soit choc thermique 1x/24h (2' 70°C, 4' 65°C, 60' 60°C)

- conséquences :

- dans les installations collectives, on dépasse facilement, dans les canalisations, des volumes d'eau > à 3 litres, le bouclage d'eau chaude sanitaire devient alors obligatoire, il peut le devenir aussi dans les logements ;

- pour assurer une T° de 55°C à la sortie du stockage, il convient de stocker l'eau à une température encore supérieure, et de disposer judicieusement le retour de boucle ECS (qui doit revenir au minimum à 50°C), pour ne pas casser la stratification ;

- il devient nécessaire de disposer d'organes supplémentaires (limiteurs de température, …) entre le réseau de distribution qui doit avoir un départ à 55°C minimum et les pièces destinées à la toilettes où l'eau ne doit pas être distribuée à plus de 50°C ;

- comme précisé dans l'encadré 6, il faut privilégier les traitements préventifs aux traitements curatifs : le maintien continu en température des volumes de stockage (> 55°C) est préférable aux chocs thermiques.

2 - 1.2 – Résumé et conséquences de la circulaire du 3/04/2007 relative à la mise en œuvre de l'arrêté du 30/11/2005. Cette circulaire complète est consultable sur internet : www.sante.gouv.fr (Cf. schéma V/1).

Schéma V/1 – Cas d'un ballon solaire et d'un ballon d'appoint

- conséquences :

Cette circulaire impacte directement les systèmes de préchauffage, ou de récupération d'énergie (solaire ou à condensation).
Sur une installation solaire, on ne doit plus considérer seulement le volume du ballon d'appoint collectif situé en chaufferie, ou individuel situé dans chaque logement, mais venir ajouter celui du ballon solaire en amont.

Dans ce cas de figure, le volume des 400 litres est très vite atteint, et l'arrêté du 30/11/2005 doit être respecté en tout point.

Il faut donc prêter une attention particulière au dimensionnement des ballons d'appoint électrique, qui ne disposent pas d'une puissance de résistance suffisante pour régénérer rapidement leur température.

2 - 1.3 – Résumé et conséquences de la circulaire du 28/10/2005 relative aux installations d'eau chaude sanitaire dans les établissements sociaux et médico-sociaux d'hébergement pour personnes âgées. Cette circulaire complète est consultable sur internet : www.sante.gouv.fr.

Cette circulaire est composée de 4 fiches de recommandations.
La fiche n°1 est la plus intéressante car les recommandations concernent directement la conception et la maintenance des installations de distribution d'eau chaude.

Ce qu'il faut retenir vis-à-vis des réservoirs de stockage d'eau chaude, où l'eau peut être préchauffée à l'aide d'un système de récupération d'énergie tel le solaire :

• à la conception, il faut préférer les dispositifs par échanges thermiques ;
• il faut supprimer tous les stockages d'eau préchauffés ou non à une température inférieure à 55°C.

- conséquences :

Dans ces établissements, il faut séparer le circuit solaire du circuit sanitaire par un échangeur à plaques instantané. Cela correspond au kit anti-légionellose détaillé dans l'encadré 7.

Encadré 7 – Le kit anti-légionellose

Le risque de développement des légionelles, lié aux températures variables du stockage solaire, est à prendre en compte dès la conception selon la destination du bâtiment, ou pour répondre à des exigences particulières.

C'est le cas des établissements sociaux ou médico-sociaux d'hébergement pour personnes âgées qui doivent respecter la circulaire du 28/10/2005.

La solution qui permet d'y répondre est le « kit Anti-Légionellose » représenté sur le schéma 7/1 ci-dessous.

Schéma 7/1 – SCC avec kit anti-légionellose

Ce type de raccordement permet d'éviter tout risque de développement des légionelles au contact du stockage solaire en le séparant du circuit sanitaire par un échangeur à plaques.
Dans cette logique, il est préférable de privilégier une production d'ECS instantanée (sans stockage).
En effet, rien ne nous assure que le débit traversant un ballon d'appoint resterait suffisamment longtemps dans le stockage à une température nécessaire pour éliminer les légionelles.

L'avantage de disposer d'un échangeur dédié et qui échange directement avec l'alimentation d'eau froide permet de récupérer la moindre calorie dans le ballon solaire en présence d'un soutirage. En effet la température d'alimentation d'eau est toujours inférieure à celle en position haute du ballon.
Par ailleurs, le fait de créer un circuit supplémentaire génère une baisse de la productivité solaire. Pour la limiter la température d'entrée dans le ballon solaire doit être au plus proche de celle de l'alimentation d'eau froide. Pour cela, il faut veiller à respecter les deux points suivants :

- dimensionner l'échangeur à plaques en tenant compte des caractéristiques ci-dessous :

• température entrée primaire 50°C maximum
• pincement de 5°C maximum entre température entrée primaire et sortie secondaire ;
• pertes de charges primaire/secondaire de 2 mCE maximum
• équidébit primaire/secondaire avec un débit correspond au débit de pointe ECS

- utiliser un principe de régulation adapté en tenant compte au minimum :

• de l'enclenchement de la pompe primaire seulement en présence d'un débit ECS au secondaire pour éviter de perturber la stratification du ballon solaire et limiter les pertes par l'échangeur à plaques
• en présence du kit bouclage solaire (cf. Encadré ­5), d'enclencher la pompe primaire lorsque le débit de bouclage ECS arrive sur l'échangeur anti-légionellose (Cf. schéma 7/2)

Schéma 7/2 – SCC avec kit anti-légionellose et bouclage solaire

A noter : quelque soit les solutions proposées, privilégier les systèmes qui permettent :

- d'avoir une température d'entrée dans le ballon solaire toujours inférieure à celui-ci et la plus faible possible
- de récupérer en continu sur l'année la moindre calorie dans le ballon solaire

Dans le cas contraire, la productivité solaire risque de fortement se dégrader au point de remettre en cause l'intérêt même du solaire …

2 - 1.4 – Résumé de l'arrêté du 1er février 2010 relatif à la surveillance des légionelles dans les installations de production, de stockage et de distribution d'eau chaude sanitaire. Cet arrêté complet est consultable sur internet : www.sante.gouv.fr.

gionelles pour les installations ECS listées ci-avant, et possédant des points d'usage à risque.
Il est applicable à partir du 1/07/2010 au 1/01/2012 selon le type de bâtiment concerné.

Les bâtiments concernés sont les suivants : établissements de santé, sociaux médico-sociaux, pénitentiaires, hôtels, résidences de tourisme, campings et autres établissements ERP.

Il est obligatoire de mettre en place une surveillance comprenant des mesures de températures et des campagnes d'analyses de légionelles réalisées par un laboratoire accrédité.

Le seuil Legionella pneumophila à ne pas dépasser est de 1000 unités formant colonie par litre.

2 - 2 – Actions préventives vis-à-vis des installations Solaires Collectives

Les ballons de stockage solaires sont soumis à des températures variables pouvant aller d'une plage de 5 à 95°C, et peuvent donc être un lieu où se développe la légionellose.

Pour limiter le développement des légionelles dans les installations de production d'eau chaude sanitaire solaire, quelques actions préventives supplémentaires sont à prendre en considération :

- la légionelle est présente dans l'eau froide. Pour qu'elle ne se développe pas, il faut que la température d'eau n'excède pas 20°C. Par conséquent, il convient d'isoler séparément les canalisations d'eau froide et d'eau chaude ;

- lutter contre l'entartrage et la corrosion par une conception et un entretien adaptés à la qualité de l'eau et aux caractéristiques de l'installation ;

- privilégier donc les traitements préventifs aux traitements curatifs : le maintien continu en température des volumes de stockage (> 55°C) est préférable aux chocs thermiques ;

- veiller à ce que les volumes de stockage solaire se régénèrent le plus souvent possible, éviter dans ce cas les bâtiments avec de longues périodes d'inoccupations surtout lorsque le ballon est soumis à une température ambiante supérieure à 25°C ;

- s'assurer que le débit qui provient du ballon solaire et qui traverse l'appoint reste suffisamment longtemps dans le stockage et à la température nécessaire pour éliminer les légionelles (2' à 70°C, 4' à 65°C ou 60' à 60°C) ;

- il est possible de séparer le circuit solaire du circuit sanitaire par un échangeur à plaques instantané à l'aide du kit anti-légionellose. Le fait d'y associer un appoint instantané, élimine le point de vigilance précédent.

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Guide solaire partie 1

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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Cet article riche en information a été découpé en deux parties. Cette première partie traite de l'approche théorique liée aux fondamentaux en matière de solaire collectif. La seconde partie paraîtra dès le mois prochain sur www.XPAIR.com. Seront développés des cas études pour mettre en avant toute l'importance de la détermination des besoins solaires, le dimensionnement et la sélection des différents composants et accessoires solaires, sans oublier d'aborder la productivité d'une installation solaire …