Une installtion solaire thermique dimensionnée selon un optimum technico-économique couvre typiquement :
- 20 à 50% des besoins énergétiques nets en base annuelle pour la production d'eau chaude sanitaire dans les bâtiments tertiaires et les immeubles à appartement
- 50 à 70% des besoins énergétiques nets en base annuelle pour la production d'eau chaude sanitaire d'un logement résidentiel unifamilial (afin d'assurer l'autonomie complète en période estivale de plein ensoleillement.
La fraction solaire brute ou taux de couverture des besoins en eau chaude par l'énergie solaire
En première approximation, le taux de couverture des besoins énergétiques liés à la production d'ECS - aussi appelé fraction solaire brute - correspond au rapport entre la quantité d'énergie transmise annuellement au stockage par l'échangeur solaire et le contenu énergétique du volume d'ECS consommé annuellement.
Cette fraction solaire ne tient pas compte des déperditions thermiques du réservoir de stockage ni des pertes attribuables à l'énergie solaire dans le circuit de distribution de l'eau chaude sanitaire.
Pour dimensionner un chauffe-eau solaire de façon optimale il faut :
- Partir du besoin réel en ECS du bâtiment (consommation moyenne, profil de consommation, températures de stockage...) ;
- Privilégier une conception simple visant à faire revenir le fluide caloporteur vers les capteurs à la température la plus basse possible ;
- Limiter les pertes dans le circuit primaire, le réservoir de stockage et le circuit de distribution d'eau chaude ;
- Maintenir un rendement global acceptable de production d'eau chaude par le système solaire (minimum 30%) ;
- Limiter les épisodes de surchauffe dans les installations sous pression permanente.
Du strict point de vue de la conservation de l'énergie, la production d'eau chaude instantanée est à privilégier par rapport au stockage, afin de limiter les pertes à l'arrêt de la chaudière d'appoint et les pertes du réservoir de stockage (accumulateur).
Cela étant, pour une question de confort d'utilisation et de disponibilité d'eau chaude en cas de puisage important, l'appoint de chaleur peut s'effectuer d'une autre manière, pour autant que l'appoint soit toujours dimensionné de manière à :
- pouvoir couvrir la totalité des besoins en ECS en toutes circonstances,
- garantir le confort d'utilisation,
- minimiser la consommation d'énergie.
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Méthode de pré-dimensionnement simplifiée
Une méthode de pré-dimensionnement simplifiée par abaque est applicable au CESI. Ce type d'abaque repose sur une série d'hypothèses et de simplifications (consommation moyenne, économie de combustible...) qui doivent globalement correspondre à l'installation étudiée, sous peine d'obtenir des résultats très discutables. L'utilisation de l'abaque comprend cinq étapes permettant de déterminer la surface optique (2 à 10 m²) de capteurs plans vitrés nécessaire aux besoins en ECS typiques d'un ménage:
- Point d'entrée : nombre d'utilisateurs du CES
- Consommation moyenne journalière d'ECS à 60°C par personne (30 à 50 l)
- Economie de combustible d'appoint souhaitée par l'utilisateur (30 à 50%)
- Orientation du champ de capteurs (Est à Ouest en passant par le Sud)
- Inclinaison des capteurs (0 à 90°).
Et deux étapes pour déterminer le volume de stockage solaire (100 à 600) - Point d'entrée: surface de capteurs solaires
- Economie de combustible d'appoint souhaitée par l'utilisateur (idem étape 3)
La fraction solaire utile ou taux d'économie d'énergie d'appoint
La fraction solaire utile , aussi appelée taux d'économie d'énergie d'appoint correspond au rapport entre la quantité d'énergie transmise au stockage par l'échangeur solaire moins les pertes de stockage et le contenu énergétique du volume d'eau stocké à une température donnée.
Cette fraction solaire tient compte des déperditions thermiques du réservoir de stockage et les attribue intégralement au système solaire. Le calcul de cette fraction pénalise les apports solaires utiles mais correspond au pourcentage (ou taux) minimum d'économie d'énergie d'appoint réalisable.
L'économie de combustible s'obtient en divisant l'économie d'énergie annuelle (en Wattheure) par le pouvoir calorifique inférieur du combustible considéré.
Dans les systèmes solaires thermiques de production d'eau chaude destinés aux collectivités (habitat groupé, maisons de repos, hôtels...), le dimensionnement optimal est toujours un compromis entre la fraction solaire maximale et le rendement de production solaire qui lui est inversement proportionnel.
