ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DES CHAUFFE …

MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU MASTER D’INGENIERIE EN GENIE ENERGETIQUE

LABORATOIRE D’ENERGIE SOLAIRE ET ECONOMIE D’ENERGIE (LESEE

INSTITUT INTERNATIONAL D’INGENIEURIE DE L’EAU ET DE L’ENVIRONNEMENT (2iE)

Présenté et soutenu publiquement le 16 Juin 2010 par :

BIKOÏ Frederic Ange

Travaux dirigés par : Pr. Yezouma COULIBALY

Ing. Henri KOTTIN

UTER GEI, Laboratoire LESEE

JURY D’EVALUATION DU MEMOIRE

PRESIDENT : Philippe GIRAD

MEMBRES : Pr. Yezouma COULIBALY

: Ing. Henri KOTTIN

: Justin BASSOLE

ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE

DES CHAUFFE-EAU SOLAIRES EN CLIMAT TROPICAL

ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DES CHAUFFE-EAU

SOLAIRES EN CLIMAT TROPICAL

ii

Mémoire de Fin d’étude pour l’obtention du Master d’ingénierie en génie Energétique 2iE , promotion 2010,

DEDICACES

Ce mémoire est dédié à :

Mon père Jean Maurice NYOBE YOME qui m’a toujours

soutenu et encouragé dans mes études ; et qui a su être présent

dans les moments difficiles ;

Ma mère Mme Rosette NYOBE pour toute l’affection qu’elle

m’a toujours donnée, et pour le modèle parfait de mère et de

femme en général qu’elle représente pour moi ;

Mes oncles, tantes et frères : Mr Christian NGWU OBIORA ;

Mme NGWU Laurentine ;Mme Agathe Chantal Gwet; Mr

Albert KOM DIYAN; NKEN NYOBE Guy Alexandre ;

KONN NYOBE Patricia Shalom et surtout ma grande mère

Mme Ngo DIKOUM GENEVIEVE qui me soutiennent

financièrement et moralement ;

Tout ceux qui de part le monde sont victimes du changement

climatique liés à l’utilisation abuse d’énergie fossiles.

A toutes ces personnes pour qui je veux réussir, je dédie le présent

mémoire.



iii


REMERCIEMENTS

Je remercie le Dieu Tout Puissant pour toutes les grâces et bienfaits qu’il m’a toujours

accordés. A lui soit toute la gloire pour l’éternité !

Je remercie également l’équipe d’encadrement sans laquelle ce travail n’aurait pas vu le jour :

Professeur Yezouma COULIBALY : Chef de l’UTER GEI

Docteur Yao AZOUMAH : responsable du laboratoire LESEE

Sans oublier la collaboration et le soutien de ces personnes dites ressources, il s’agit de :

L’ingénieur Henri KOTTIN;

Mr Frederic TRAORE

Monsieur William ILBOUDO, Directeur Général d’ISOMET.lt (Innovation Solaire et

Métallique)

Monsieur François O. KABORE,

J’adresse également ma gratitude à :

Ma femme Isis Zolia OUEDRAOGO.P et à ma belle famille ;

Mme Kadidja ZAMPALEGRE

Mr Abdel ZAMPALEGRE

Raïssa NGANOU , Adama THIOMBIANO et Tanga KABORE

Mes remerciements vont également à mes camarades LANDRY Felix EBANGA et

NTOUMBA Steves à qui j’exprime ma profonde amitié.



iv


RESUME

Le chauffe-eau solaire aujourd’hui connait un développement indéniable. Mais son

introduction dans la ville de Ouagadougou reste encore un problème d’actualité, lié sans doute

aux opinions des usagers.

Pour lever cette contrainte trois fiches d’enquête auprès des usagers des revendeurs et

fabricants ont été élaborées et ont permis de déterminer les différents problèmes aux quels

sont confrontés ces usagers, fabricants ou revendeurs. Une mesure des températures de l’eau

desservie par les chauffe-eau solaires installés a été effectuée, ainsi qu’un recensement des

différents coûts moyens de ces chauffe-eau. Les résultats obtenus grâce à l’enquête auprès

des usagers ont permis de déterminer le degré de satisfaction de ceux-ci. Auprès des

fabricants ou revendeurs, ils ont permis de déterminer les types et l’origine des chauffe-eau

solaires installés, ainsi que les raisons qui freinent la vente de ceux-ci. Par la suite, des

propositions stratégiques ont été faites pour favoriser une intégration massive du chauffe-eau

solaire dans Ouagadougou.

En fin, une analyse économique effectuée sur la maternité d’un centre de santé nommé Saint

Camille de la ville a été élaborée pour montrer que l’utilisation du chauffe-eau solaire permet

d’effectuer des économies d’énergies non négliges et permet d’avoir un temps de retour sur

investissement relativement intéressant. Une comparaison des dépenses énergétiques

annuelles du chauffe-eau électrique à celles de l’appoint du chauffe-eau solaire a été faite.

L’économie d’énergie annuelle réalisée par le chauffe-eau solaire représente 70% des

dépenses énergétique réalisées par l’utilisation du chauffe-eau électrique.

De même, une analyse environnementale a été effectuée pour monter que l’utilisation du

chauffe-eau solaire réduit considérablement le CO2 rejeté contrairement au chauffe-eau

électrique. Une comparaison de la quantité de CO2 émis par le chauffe-eau solaire par rapport

à celle émise par le chauffe-eau électrique a été réalisée pour confirmer l’analyse. Toutefois, il

a été très important de mentionner les limites rencontrées sur le terrain lors de la réalisation

des enquêtes.

Mots clés :

Chauffe-eau solaire /chauffe-eau électrique /eau desservie/appoint /recensement /économie

d’énergie



v


ABSTRACT

Today, solar water heater has known an undeniable development. But its introduction in

Ouagadougou city still remains a current problem certainly linked to the users’ opinions. To

tacle this constraint, three papers of investigation have been elaborated submitte to users,

sellers and manufacturers and have made able to determine different problems to which these

ones are confronted. A measuring of the temperature of water coming from solar water

heaters has been done as well as an inventory of the different average costs of these water

heaters. The result obtained thanks to the enquiry near to users have allowed to determination

of the degree of satisfaction. Near manufacturers or sellers, they have permitted to determine

the type and origin of solar water-heaters selled up, as well as the reasons which curb the sale

of these ones. Then strategical proposals have been made to favour a huge integration of the

water-heater in Ouagadougou.

Finally, an economical analysis on a health maternity center named Saint Camille of

Ouagadougou city has been made to show that the use of water-heater permitted to reach a

sparing of solar energy and to have care for an important relatively interesting investment. A

comparison between annual energetic expenditures of electric water-heater and the

expenditures paid for the solar water-heater has been made. The annual energetic sparing

achieved by the solar water heater represents 70% of the energetic expenditures spent for

electric water heater like wise, an environmental analysis has been made to show that usage of

solar water heater reduces considerably the C02 rejected , in contrast with the electrical water

heater .

A comparison of the quantity of C02 coming from the solar water heater with those emitted by

the electric water heater has been made to confirm the analysis. However, it had been very

important to notice the difficulties meeted in these areas during the realization of the

investigations.

Key words:

Solar water heater /electrical water heater /water distributed /contribution/inventory/ energy

sparing



vi


LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS

2iE : Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement

ATESTA : Atelier d’Energie Solaire et de Technologie Appropriées

Becs : Besoin en eau chaude sanitaire

CS : Couverture solaire

CEAS : Centre Ecologique Albert Schweitzer

CES : Chauffe-eau solaire

CGA : Coût Global Actualisé

CM : Coût moyen

ECS : Eau chaude sanitaire

FCFA : Franc de la Communauté Financière d’Afrique

GES : Gaz à Effet de Serre

GEI : Génie Energétique et Industriel

IEPF : Institut de l’Energie et de l’Environnement de la Francophonie

INIG : Institut en Informatique de Gestion

LESEE : Laboratoire d’énergie Solaire et Economie d’Energie

OCDE : Organisation de Coopération et Développement Economique

PSWP : Plomberie Sanitaire Wend Panga

TRI : Temps de Retour sur investissement

USA : United states of America

UTER : Unité Thématique d’Enseignement et de recherche



vii


Sommaire DEDICACES............................................................................................................................................ii

REMERCIEMENTS ............................................................................................................................... iii

RESUME ................................................................................................................................................. iv

ABSTRACT ............................................................................................................................................. v

LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS .......................................................................................... vi

LISTES DES FIGURES .......................................................................................................................... ix

LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................................ x

GLOSSAIRE ........................................................................................................................................... xi

I-INTRODUCTION ................................................................................................................................ 1

II-OBJECTIFS DU TRAVAILS ............................................................................................................. 1

III-MATERIELS ET METHODES ......................................................................................................... 3

III .1-MATERIELS ................................................................................................................................. 3

III.2- METHODOLOGIE ........................................................................................................................ 3

III.2.1- ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE .............................................................................................. 4

III .2.1.1-Typologie des chauffe eau solaire .................................................................................... 4

III.2.1.2-Synthèse bibliographique .................................................................................................. 5

III.2.2-PROPOSITION DE METHODES DE DIMENSIONNEMENT DES C.E.S.......................... 7

III.2.2.1-première méthode de dimensionnement ............................................................................ 7

III.2.2.2- deuxième méthode de dimensionnement ....................................................................... 11

III.2.2.3- troisième méthode de dimensionnement ........................................................................ 14

IV-ENQUETES ET RESULTATS ....................................................................................................... 18

IV.1-METHODOLOGIE DE L’ENQUETE ......................................................................................... 18

IV.2- RESULTATS DE L’ANQUETE ET ANALYSE ...................................................................... 18

IV.2 .1-TYPES DE PANNES RENCONTRES CHEZ LES CES. ................................................... 20

IV.2.2- LES DIFFICULTES DE LA DIFFUSION DE C.E.S A OUAGADOUGOU ...................... 22

V-DISCUSSION ET ANALYSE ......................................................................................................... 24

V.1-ANALYSE ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE ..................................................... 24

V.1.1-ANALYSE ECONOMIQUE .................................................................................................. 24

V.1.1.1- Etude de cas ..................................................................................................................... 25

V.1.1.2-Détermination du TRI ...................................................................................................... 27

V.2 – ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DE L’INTRODUCTION DU CES A

OUAGADOUGOU ............................................................................................................................... 29

V.3-PROPOSITIONS POUR UNE PROMOTION DE CES EN AFRIQUE ....................................... 30



viii


V.4-LES LIMITES DE L’ENQUETE .................................................................................................. 31

VI-CONCLUSION ................................................................................................................................ 31

VII-RECOMMANDATIONS - PERSPECTIVES ................................................................................ 33

VIII-BIBIOGGRAPHIE ........................................................................................................................ 34

IX-ANNEXES ....................................................................................................................................... 36



ix


LISTES DES FIGURES

Figure 1: thermocouple utilisé lors de l'enquête ...................................................................................... 3

Figure 2: principales familles de technologie de chauffe-eau solaire .................................................... 4

Figure 3: schéma d'un système à circulation forcée. [13] ....................................................................... 5

Figure 4: Courbe d'évolution du nombre cumulé de CES à Ouagadougou de 1981 à 2010 ................. 19

Figure 5: évolutions de la température en fonction du temps .......................... Erreur ! Signet non défini.

Figure 6: répartition des pannes parmi les CES en disfonctionnement ................................................ 20

Figure 7: Bris de verre d’un capteur sous vide Figure 8: rouille et perforation d’un serpentin . 21

Figure 9: Rouille de sur le capteur et la citerne d’un CES à élément en panne .................................... 21

Figure 10: températures de desserte des CES en panne ....................................................................... 22

Figure 11: répartition du nombre de CES installés à Ouagadougou en fonction du volume ................ 24

Figure 12: Cumule des gains annuel et investissement initial du CES par an ..................................... 28

Figure 13: Coupe transversale de l'auto-stockeur. [12] ......................................................................... 37

Figure 14: schéma de principe de fonctionnement d'un monobloc ....................................................... 38

Figure 15: Schéma du principe de fonctionnement du système sans échangeur .................................. 40

Figure 16: Schéma du principe de fonctionnement du système avec échangeur ................................. 41

Figure 17 : configurations d'échangeurs de chaleur pour systèmes à boucle direct: ........................... 41

Figure 18: principe de fonctionnement du système avec échangeur intégré ......................................... 42

Figure 19: Schéma d’un capteur plan. [3] ............................................................................................. 44

Figure 20: Transparence du verre. [3] ................................................................................................... 45

Figure 21: Schéma des différentes pertes. [3] ....................................................................................... 47

Figure 22: exemple de capteur sous vide. [22] ..................................................................................... 50

Figure 23: coupe de capteur à tube à bouteille thermos. [22] ................................................................ 50

Figure 24: représentation interne et externe d’un groupe de transfert ou kit solaire ............................. 51

Figure 25: vase d'expansion solaire ....................................................................................................... 52

Figure 26: régulateur différentiel [7] .................................................................................................... 52

Figure 27: Schéma de la stratification [13] ........................................................................................... 53

Figure 28: circuit de tube en cuivre sur l'absorbeur plan ....................................................................... 54

Figure 29: répartition de pannes fréquentes dans une installation de CES............................................ 64

Figure 30: carte de rayonnement solaire mondiale ou gisement solaire ................................................ 65



x


LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1: répartition des pannes dans les systèmes de CES .................................................................. 6

Tableau 2: nombre de chauffe-eau solaire installé dans Ouagadougou ................................................ 19

Tableau 3: Coût énergétique annuelles des chauffe-eau électriques et appoint du CES ....................... 26

Tableau 4: gains annuels cumulés ......................................................................................................... 27

Tableau 5: Résumé des différents traitements de surface. [3] ............................................................... 46

Tableau 6: caractéristiques des CES installés ....................................................................................... 59

Tableau 7: Nombre moyen d’accouchement ......................................................................................... 59

Tableau 8: consommations totales femmes et nouveaux nés par jour .................................................. 60



xi


GLOSSAIRE

Absorbeur : matériau possédant les propriétés de conductivité thermique élevées, une

résistance adéquate à la traction et une bonne résistance à la corrosion

Appoint : c’est une résistance électrique qui compense le manque de calories lorsque de très

grandes pertes de calories ont eu lieu

Calorifuge : c’est un matériau utilisé pour assurer une bonne isolation thermique

Circulation forcée : mouvement du fluide caloporteur occasionné par une pompe

Collecteur : c’est la composante de base du champ solaire

Circulateur : c’est une petite pompe ou compresseur assurant le mouvement du caloporteur

des capteurs au ballon

Circuit de transfert : c’est la partie de la conduite où circule le fluide caloporteur

Effet de serre : L'effet de serre est un phénomène naturel par lequel une partie de l'énergie

solaire qui est émise par la terre est absorbée et retenue sous forme de chaleur dans la basse

atmosphère.

Ensoleillement : en météorologie, c’est le temps pendant lequel un lieu est exposé au soleil.

Foyer : partie du système courbée où se concentrent tous les rayons réfléchis

Fluide caloporteur : fluide circulant à travers le récepteur solaire transférant la puissance

thermique solaire vers le cycle thermodynamique.

Irradiation annuelle : c’est l’énergie reçue par une surface exprimée en kWh/m².an ou en

j/m².an

Pertes de charge : ils représentent les résistances au passage du fluide caloporteur dans la

tuyauterie

Rayonnement direct : c’est le rayonnement reçu directement du soleil sans être dispersé par

l’atmosphère



xii


Rayonnement diffus : c’est le rayonnement reçu du soleil après qu’il ait changé de direction

suite à la dispersion de l’atmosphère.

Stratification : c’est la tendance d’un fluide qu’on échauffe à s’étager en couches

superposées de température croissante

Taux de couverture solaire : c’est le rapport entre l’énergie solaire réellement apportée et les

besoins en énergie calorifique

Thermosiphon : phénomène physique consistant à faire circuler la chaleur dans un circuit

naturellement du fait de la variation de la masse volumique d’un liquide en fonction de la

température



1


I-INTRODUCTION

Le chauffe-eau solaire en Afrique reste encore un mystère pour les techniciens et les

entrepreneurs. Cependant avec le coût du kWh électrique qui est exagéré dans pratiquement

tous nos pays africains, la production d’eau chaude sanitaire génère des consommations

d’énergie considérables et pourtant l’Afrique bénéficie largement d’un gisement solaire

favorable pour la production de l’eau chaude. Cette situation est donc idéale, pour que l’on

tourne ses regards vers l’usage des technologies liées à l’énergie solaire. Cette idée devrait se

généraliser dans les villes Africaines qui utilisent encore l’électricité pour obtenir l’ECS, par

opposition aux villes des pays industrialisés où l’électricité est moins chère et l’énergie solaire

est réduite et qui profitent au maximum de cette énergie solaire. C’est ainsi que dans le cadre

de notre stage, nous allons travailler sur le thème : étude technico-économique et

environnementale des chauffe-eau solaires en climat tropical.

Notre étude consistera à réaliser une enquête auprès des utilisateurs de chauffe-eau solaires

de la ville de Ouagadougou, dans l’optique de déterminer le niveau de satisfaction des

usagers, de mesurer et déterminer les niveaux de températures des chauffe-eau solaires

existants, de déterminer les coûts moyens des chauffe-eau installés, déterminer l’origine des

équipements installés, et en fin déterminer quel taux de couverture solaire est nécessaire pour

rentabiliser une installation de chauffe-eau solaire.

Fort conscient de la consommation exagérée de la puissance électrique appelée par les

utilisateurs du chauffe-eau électrique de la ville de Ouagadougou, notre mission consistera

donc à faire une proposition de réduction des consommations énergétiques et de réductions

des gaz à effet de serre lié à l’utilisation du chauffe-eau solaire dans la ville.

Pour atteindre les objectifs du travail, nous allons articuler notre étude autour des points tels

que ,une étude bibliographique, puis une proposition de méthodes de dimensionnement des

chauffe-eau solaires, en suite une enquête auprès des usagers, revendeurs ou fabricants de

chauffe-eau solaires, suivi d’une réalisation de l’analyse économique et environnementale de

l’introduction à grande échelle du chauffe-eau solaire à Ouagadougou et enfin nous allons

faire des propositions pour une promotion du chauffe-eau solaire en Afrique.



2


I-OBJECTIFS DU TRAVAILS

Les résultats obtenus à la suite de l’enquête nous permettrons de se munir des données et

informations qui serviront à résoudre les problèmes rencontrés par le chauffe-eau solaire à

Ouagadougou.

En effet, ils nous permettront d’atteindre les objectifs visés par le thème soumis à notre étude

à savoir :

La réalisation d’un calcul technico-économique de rentabilité et de satisfaction des

besoins en en chaude dans une installation solaire ;

La détermination du taux de couverture des besoins énergétiques nécessaires pour

rentabiliser une installation de chauffe-eau solaire ;

La détermination d’une opération de grande envergure dans laquelle l’Etat

interviendrait dans l’optique de favoriser un abaissement substantiel de la puissance

électrique appelée par les utilisateurs des chauffe-eau ;

Proposer des opérations pouvant entrainer une baisse de la consommation d’énergie

électrique dans les villes où le chauffe-eau est utilisé ;

Elaborer des propositions pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre à

Ouagadougou.



3


III-MATERIELS ET METHODES

III .1-MATERIELS

L’un des travaux de l’enquête consistant à mesurer les températures de l’eau desservies par le

chauffe-eau solaire, l’on a utilisé un thermocouple dont les caractéristiques sont données ci-

dessous. Un appareil photo a servi aussi pour avoir certaines photographies.

Figure 1: thermocouple utilisé lors de l'enquête

III.2- METHODOLOGIE



4


III.2.1- ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

III .2.1.1-Typologie des chauffe-eau solaires

On appelle chauffe-eau solaire, un dispositif de captation de l’énergie solaire destiné à fournir

de l’eau chaude pour différents usages grâce au rayonnement solaire.

Utiliser le soleil pour chauffer de l’eau sanitaire est une idée qui semblait être vraiment

difficile, mais le principe de chauffe-eau solaire est simple et aujourd’hui reste l’une des

techniques fiables et maitrisées. Du plus simple au plus complexe, on distingue plusieurs

types de chauffe-eau solaire repartis en famille à savoir :

Le capteur à stockage intégré ou chauffe-eau solaire auto-stockeur.

Le chauffe-eau solaire compact

Le chauffe-eau solaire à éléments séparés

Le chauffe-eau à circulation forcée

Aperçu sur les types de technologies de chauffe-eau solaires

Pour la production d’eau chaude destinée à un usage collectif ou commercial, on rencontre

usuellement les techniques représentées sur la figure suivantes :

a) Chauffe-eau à éléments séparés b) Chauffe-eau auto-stockeur c)chauffe-eau monobloc

Figure 2: principales familles de technologies de chauffe-eau solaires



5


Figure 3: schéma d'un système à circulation forcée. [13]

Une présentation générale de chaque type de chauffe-eau sera faite en annexe I ainsi que les

avantages et les inconvénients qui leurs sont associés. Toutes fois on fera mention des

éléments qui les composent notamment le capteur solaire qui est l’élément de base du

chauffe-eau solaire (cf. annexe I et III).

III.2.1.2-Synthèse bibliographique

Depuis des années les CES sont développés et de multiples études et expériences ont été

menées dans plusieurs pays pour les améliorer. Ces expériences ont montré pour cette

application de l’énergie solaire thermique, que les technologies existantes sont mûres et

maitrisées. Elles permettent de répondre d’une manière adaptée aux besoins des populations

que se soit dans le milieu urbain ou en le milieu rural.

A travers l’étude, on a pu découvrir les technologies fréquemment rencontrées ainsi que les

fréquents inconvénients aux quels elles font face. En général sur les systèmes d’ECS la

répartition des pannes est telle que le tableau I et la figure 29 le présentent [1]. Les systèmes

comme ceux à circulation forcé présentent en plus des pannes électriques au niveau du

circulateur.



6


Tableau 1: répartition des pannes dans les systèmes de CES

Types de pannes constat

pannes liées aux fuites dans la tuyauterie et

dans la citerne

66%

problème d’étanchéité des assemblages et

vannes de remplissage

10%

Bouchage et perforation de l’échangeur 14%

détérioration des isolants et rouille 5%

rouille 5%

Toutefois l’on remarque que, bien que ces systèmes soient généralement de conception simple

et de mise en œuvre relativement facile, ils n’occupent cependant pas encore la place qui

devrait leur revenir dans les bilans énergétiques des foyers à cause des problèmes de

diffusion. On rencontre des pays où l’utilisation des CES est développée et d’autres où elle est

encore à l’état embryonnaire. Les pays comme le Chypre, la Grèce, Israël, la Tunisie etc.…

ont confirmé l’adaptation au CES [9].

On remarque aussi qu’aux USA par exemple, déjà au cours de l’année 1981 plus de 1,8

millions de m² de collecteurs avaient été vendus pour la production d’ECS et qu’en 1993 la

production des CES s’était stabilisée à 650 000 m²/an contre 400 000 m² dans l’Europe des 12

[10]. Au total, dans la période comprise entre 1974 et 1993, 20 millions de m² environ

d’installations avaient été réalisées aux USA contre 2,4 millions en Europe à cette même

période [1].

Cette inégalité de répartition de CES est causée par des facteurs qui limitent leur diffusion. En

effet des études menées montrent que la réussite de l’introduction massive de ceux-ci dans

certains pays par apport à d’autres est conditionnée par le facteur technique d’une part et

d’autres parts par le côté organisationnel et financier.

Afin d’obtenir l’eau chaude à bon prix, et dans l’optique de freiner l’épuisement des réserves

mondiales d’énergie fossile, celle du bois de chauffe et surtout dans un souci de protection de

l’environnement, une analyse est réalisée pour conduire dans la perspective de détermination

des conditions à même d’assurer la diffusion large et durable des CES dans une région

quelconque.



7


III.2.2-PROPOSITIONS DE METHODES DE DIMENSIONNEMENT DES C.E.S

III.2.2.1-première méthode de dimensionnement

Un système solaire devient inefficace lorsque la température d’opération devient trop élevée,

il serait donc important de bien calculer la surface de capteur et le volume de stockage en

fonction des paramètres suivant : l’ensoleillement disponible, la charge d’eau chaude (volume

et température), la répartition des besoins.

Les ingénieurs solaristes ont très souvent recours à des outils informatiques ou abaques pour

déterminer les performances de CES, afin d’optimiser leur conception. Nous allons dans cette

rubrique, présenter des méthodes de calcul qui nous permettront de dimensionner de tels

systèmes et d’éviter des erreurs.

1-Première étape du dimensionnement

Détermination des besoins en énergie calorique

Les besoins en énergie calorifique (Becs) exprimés en (kWh/jr) sont donnés par :

(8)

et

(9)

avec :

Vecs le volume en litres par jours (l/jr)

Tc la température d’eau froide (°C)

Tf la température d’eau chaude (°C)

Ip le nombre de personne par logement

N le nombre de logement de l’habitation

le volume par jour et par personne (l/jr)



8


Kp coefficient de perte de l’installation qui varie entre 1 et 1,3

2-Deuxième étape du dimensionnement

Détermination de la surface de capteur solaire

La surface requise (S) du capteur exprimée en (m²) est donnée par :

Avec :

le rendement de tout le système

E’ l’ensoleillement quotidien du mois le moins ensoleillé de l’année (kWh/m²/jr)

F la fraction des besoins couvert pendant le mois le moins ensoleillé (confort minimal à

40°C).

3-Troisième étape du dimensionnement

Détermination du volume de stockage

Le volume de stockage V (litre) est évalué à partir de la formule :

Avec :

E l’ensoleillement quotidien du meilleur mois de l’année (kWh/m²/jr)

365 le nombre de jour de l’année

S la surface de capteur solaire (m²)

Tc, Tf la température de l’eau chaude et la température de l’eau froide (en °C)



9


Il faut noter que c’est pas toujours avantageux d’augmenter la surface de capteurs si la

consommation d’eau chaude ne s’effectue pas durant les heures d’ensoleillement et si le

réservoir de stockage est trop petit car cela augmenterait le coût de fabrication et pour un

ensoleillement donné, arrivé en milieu de journée notre système modifié va rapidement se

surchauffer et n’accumulera plus d’énergie [1]. En outre, il faut savoir qu’un réservoir trop

volumineux perdra plus de chaleur et est très long à se réchauffer.

4-évaluation annuelle d’énergie d’un CES

Données de départ. Voir annexe IV

Calcul de l’énergie utilisable

L’énergie totale Qu reçue par les capteurs exprimée en (kWh/m²) est donnée par la relation :

(12)

avec :

K le facteur d’inclinaison qui dépend de la latitude et de l’inclinaison du capteur

H l’irradiation horizontale moyenne annuelle (kWh/m²)

Calcul de la valeur effective de l’énergie utile ou utilisable

C’est la valeur de l’énergie effectivement utilisée par le capteur. Elle est exprimée en

(kWh/m²) et donnée par l’expresion :

(13)

Elle représente 94% de l’énergie utilisable car il faut tenir compte du fait que, lorsque la

radiation solaire incidente est inférieure à une valeur limite déterminée (environ 200 W/m²) il

n’y a pas d’énergie qui soit utilisée étant donné l’absence de circulation dans le capteur. Cette

énergie non utilisée représente donc environ 6% de Qu.

Calcul de l’énergie non utilisée

L’énergie non utilisée est exprimée en (kWh/m²) et donnée par la relation suivante :

(14)



10


Calcul de l’intensité utile

L’intensité qui influe sur les capteurs varie tout au long de la journée et est exprimée en

(W/m²). Sa valeur moyenne est déterminée par l’expression :

avec :

n le nombre moyen d’heures d’ensoleillement quotidien utiles (on fixe en général 8 heures)

Calcul du rendement du capteur. (Cf. annexe II)

-Calcul de la puissance totale quotidienne utilisable

Le calcul est effectué comme le présente l’équation (16). Son résultat s’exprime en (kW).

avec :

S (cf. éq (10))

Iu intensité moyenne utile exprimée en (W/m²)

Calcul de l’énergie nette annuelle disponible pour la consommation

Elle se calcule par :

(17)

Avec :

Q1 énergie nette annuelle disponible (kWh/an)

la fraction de l’énergie disponible pour la consommation (en %)

le nombre moyen d’heures annuelles de soleil utile (en h)



11


Calcul des besoins énergétiques annuels ou besoins d’eau chaude annuels

Les besoins énergétique annuels se calculent comme à la première étape, à la différence qu’ici

on voudrait obtenir les besoin énergétique de toute l’année. Exprimées en (kWh/an) on

l’obtient par la relation :

(18)

Avec :

Becs (Cf. éq (8))

Détermination de l’apport solaire (%)

Il est le pourcentage du total des besoins en énergie thermique couvert par les capteurs et est

égal à :

III.2.2.2- deuxième méthode de dimensionnement

1- Évaluation des besoins en énergie calorifique

La consommation d’énergie calorifique journalière exprimée en (kWh/jr) est donnée par :

Sa valeur annuelle exprimée en (kWh/an) est :

Sa valeur effective tient compte des pertes liées à la longueur, la nature de l’isolant et de la

tuyauterie. Elle est exprimée en (kWh/an) et se détermine par la formule :

2-Détermination de la couverture solaire

Elle représente la part d’eau chaude en pourcentage, qui sera effectivement produite grâce à

l’énergie solaire en moyenne sur l’année. On la détermine en appliquant l’équation (23).



12


avec :

Qe.c énergie effective produite par les capteurs par an (kWh/an)

Qapp énergie fournie annuellement par l’appoint par an (kWh/an)

3-Détermination de l’énergie à fournir par le CES

L’énergie à fournir par le chauffe-eau est donnée par la formule :

avec :

Qcoll énergie annuelle à fournir par le CES (kWh/an)

4-Détermination de l’énergie totale solaire à capter par an

Elle est exprimée en (kWh/an) et calculée par l’expression suivante :

avec :

5-Calcul de la surface des capteurs

Détermination de la surface théorique

Elle est exprimée en (m²) et se détermine par l’expression suivante :



13


avec :

ESOL rayonnement solaire disponible du mois le moins ensoleillé (kWh/m²)

Détermination de la surface effective

La surface effective est fonction du facteur d’orientation et facteur d’inclinaison. Elle

représente la surface qui capte réellement les rayonnements, et son expression en (m²) est

donnée par :

avec :

Kor facteur de correction qui tien compte de l’orientation du capteur ;

Kinc facteur de correction tenant compte de l’inclinaison du capteur.

La détermination de la surface effective laisse la possibilité de se renseigner auprès des

fournisseurs afin de prendre connaissance des dimensions de capteurs commercialisés et

connaître le nombre exacte de capteurs à installer.

6-Détermination du volume de stockage

En pratique on considère très souvent un volume de 50 à 80 litres par m² de capteur et de 1,3

à 1,7 fois la consommation journalière d’un ménage [3]. L’expression) du volume stocké en

(litres) se détermine par les expressions suivantes :

(30)

ou

avec :

V’ le volume par m² de capteur exprimé en (litre).

k coefficient allant de 1, 3 à 1,7



14


III.2.2.3- troisième méthode de dimensionnement

1-Évaluation des besoins d’eau chaude

La détermination des besoins en eau chaude s’effectue comme le mentionne les équations

(20), (21), (22).

2-calcul du volume de stockage

(32)

avec :

Vp volume journalier par personne en (litre)

Np nombre d’occupent du logement

Tes la température de l’eau de soutirage en (°C)

Tef la température de l’eau froide entrant dans le ballon de stockage en (°C)

Tst la température moyenne de l’eau de stockage prise en moyenne à 70°C

k coefficient mentionné dans l’expression de l’équation (31)

3- calcul des accessoires

Calcule de vase d’expansion

Toutes les pressions dans cette rubrique sont des pressions relatives lues sur un manomètre.

Les pressions absolues sont supérieures de plus un. Les données nécessaires au calcul du vase

serons présentées en annexes 3 et ainsi que certaines démonstrations qui permettent de les

obtenir.

Choix de la pression de gonflage du vase



15


Lors de la mise en œuvre du vase sur l’installation, dans le cas où il est placé sur l’aspiration

de la pompe, sa pression de pré-gonflage P0 à vide sera déterminée de telle sorte que [22] :

Avec :

H la hauteur manométrique exprimée en (m)

Pmin la pression minimale au point le plus bas de l’installation en (Pa)

Pvap la pression relative de vaporisation, fixée par la température maximale de

fonctionnement en (Pa)

Sinon, c'est-à-dire lorsqu’il n’est pas à vide, il faut rajouter à P0 la pression différentielle de la

pompe [20].

Détermination de la pression de remplissage

Lors du remplissage de l’installation, la pression de remplissage P1 sera définie de telle sorte

que le volume de réserve et celui de contraction soient ajouté dans le vase [22].

Avec :

Vn le volume nominale du vase d’expansion en (litres)

Patm la pression atmosphérique prise généralement égale à 1bar

Vcond le volume de contraction correspondant à la diminution du fluide caloporteur (eau

plus antigel) contenu dans l’installation lorsque la température passe de l’ambiante de

remplissage à la température extérieure minimale T°ext.min

Détermination de la pression finale de fonctionnement

Par sécurité et pour éviter tout crachement de soupape, la pression finale P2 devra être

tellequ’elle ne dépasse pas 0,9.Psoup donc on a :



16


avec :

Psoup la pression de tarage des soupapes ou pression d’ouverture des soupapes en (Pa)

Détermination du volume nominale du vase

avec :

Vut le volume utile du vase exprimé en (Litres)

Fp le facteur de pression du vase

Vdil volume de dilatation correspondant à l’expansion du fluide lorsque la température

passe de la température ambiant à Tmax. . Il est exprimé en (litres)

Détermination du diamètre des conduites

Dans ce type de système, comme en général le circulateur est déjà dans le kit solaire, le

diamètre des conduites doit être défini en fonction des caractéristiques du circulateur. Pour

connaître le diamètre de conduites il faut d’abord déterminer la perte de charge disponible

[20].

(39)

Avec :



17


Pdcd la perte de charge disponible en (mcE)

Hmcir la hauteur manométrique du circulateur en (m)

Pdcser la perte de charge du serpentin en (mcE)

Pdccap la perte de charge du capteur en (mcE)

J perte de charge linéique moyenne en (m/mcE)

L longueur totale de la conduite en (m)

Z perte de charge singulière moyenne en (m/mcE)

γ pourcentage de perte par frottement pris généralement égale à 55%

μ pourcentage de perte singulière pris généralement égal à 45 %

Pdctot la perte de charge totale en (mcE)

La valeur du diamètre de conduite est déterminée en considérant la perte de charge totale

calculée pour un débit Q’ immédiatement supérieur au débit Q considéré pour le

dimensionnement. Son choix se fait à l’aide de l’abaque de DARIES se trouvant en annexe 4.

Dimensionnement du circulateur

Pour définir un circulateur il faut disposer des pertes de charge des capteurs et déterminer la

hauteur manométrique totale que doit vaincre le circulateur. Nous allons présenter ici un

dimensionnement de circulateur pour le même débit Q, mais pour de plus amples

informations, selon qu’on a une petite installation ou une grande installation, nous nous

réfèrerons en annexe V [20].

(43)

où :

Hmtot la hauteur manométrique totale exprimée en (m) que doit vaincre le circulateur à

choisir

Pdccap , Pdcser, L,J et Z sont définis comme ci-dessus .



18


Le calcul effectué dans la rubrique ci-dessus a permis de connaitre certains types de méthode

de dimensionnement des chauffe-eau solaires. Les éléments pouvant aider à effectuer le

dimensionnement de certaines composantes du chauffe-eau à circulation forcée sont, comme

le précise le texte ci-dessus, sont retrouvés en annexe (cf. .Annexe V, VI et VII). Pour

effectuer nos calculs, dans la suite nous utiliserons la deuxième méthode car elle intègre tous

les paramètres nécessaires au calcul d’un CES. Dans la suite de l’étude nous allons aborder la

rubrique destinée aux enquêtes.

IV-ENQUETES ET RESULTATS

IV.1-METHODOLOGIE DE L’ENQUETE

La réalisation de l’enquête auprès des usagers, revendeurs et fabricants, a été faite par le biais

de fiches, de questionnaires .A chaque intervenant était adressée une fiche différente. La

méthode consistait à se rendre chez un usager et de lui présenter une fiche d’accès élaborée

par le LESEE. En suite, il revenait à l’usager, au revendeur ou au fabricant d’effectuer un

remplissage de la fiche, tout en leur laissant l’opportunité d’exposer d’autres problèmes

rencontrés par leurs chauffe-eau solaires. Les exemplaires de fiches d’enquête sont présentés

en annexe XI.

IV.2- RESULTATS DE L’ANQUETE ET ANALYSE

A Ouagadougou, on rencontre deux catégories de CES à savoir certains qui sont fabriqués

localement et d’autres qui sont importés. Les chauffe-eau fabriqués localement sont réalisés

par certains fabricants ayant reçu une formation au centre CEAS-ATESTA connu aujourd’hui

sous le nom de CEAS. Les chauffe-eau solaires importés viennent d’origines diverses en

occurrence de la Chine, du Maroc et de la Tunisie.

On retient pendant une période, un nombre total 661 chauffe-eau solaires installés dans la

ville de Ouagadougou. L’enquête a permis d’obtenir le nombre de CES auprès des fabricants

et des revendeurs. En effet, entre 2007 et Mars 2010 on enregistre 157 chauffe-eau solaires

importés revendus, soit une moyenne par an de 52 CES importés installés uniquement dans

la ville de Ouagadougou durant cette période. Chez les fabricants locaux on a pu enregistrer



19


en moyenne un nombre de 504 CES qu’ils ont installé. Entre 1981 et 1993 on a enregistré 14

CES dans les centres de santé et après 1993 jusqu’en avril 2010 on y retient un nombre de 25.

Ce nombre est compris dans les totaux de CES installés.

Tableau 2: nombre de chauffe-eau solaire installé dans Ouagadougou

nombre 1981-2010

Fabricant local 375 Depuis 1995

Fabricant local 129 1997-2009

Revendeurs 1 120 2007-2010

Revendeurs 2 37 2009-2010

total 661

Figure 4: Courbe d'évolution du nombre cumulé de CES à Ouagadougou de 1981 à 2010

Cependant, la température de soutirage optimale déterminée parmi un ensemble de 116 CES

de volumes différents et à 15 heures est de 70,4°c et le volume moyen est de 177,5 litres.

A l’issue du dépouillement, on retient 25 CES de fabrication locale non fonctionnels et 91 de

types confondues fonctionnent encore normalement. Le coût moyens des CES installés est



20


estimé à(fcfa). Le tableau suivant nous donne certaines informations faisant ressortir certains

coûts observés sur le marché.

Tableau 3: coûts moyens des CES vendus à Ouagadougou

Capacités (litres) Origine Coûts(FCFA)

100-200 Locale et importés 270 000 - 450 000

200- 300 Locale et importés 450 000 – 685 000

300 -320 importés 685 000- 7 65 000

IV.2 .1-TYPES DE PANNES RENCONTRES CHEZ LES CES.

L’enquête a permis de déterminer 25/116 installations en pannes, causées par :

Les fuites dans la citerne

Les fuites dans la tuyauterie

Les problèmes d’étanchéité de vannes de remplissage

Les vitres sont cassées

Les échangeurs bouchés ou percés

La détérioration des isolants

La rouille :

Une étude de ces 25 installations en pannes nous a conduits à la détermination de leur

répartition comme le montre la figure 6.

Figure 5: répartition des pannes parmi les CES en disfonctionnement

Les photographies représentées ci-dessous sont celles qui ont pu être prises chez les

utilisateurs détenant un CES en panne. Nous pouvons constater une panne de bris de verre et

36%

20%

7% 4%

33%

fuite dans la citerne

fuite dans la tuyauterie

Problème d’étanchéité de vanne de remplissage

vitres sont cassées

échangeur bouché ou percé



21


une autre qui est la rouille au niveau du serpentin et sur la cadre et la citerne. Les perforations

et le bouchage des serpentins ne peuvent pas être vu car les fuites sont très petites et le

colmatage s’effectue et est situé à l’intérieur.

Figure 6: Bris de verre d’un capteur sous vide Figure 7: rouille et perforation d’un serpentin

Figure 8: Rouille sur le capteur et la citerne d’un CES en panne

Nous constatons sur le graphique 10 une température minimum de 28,6 °C et une

température maximale de 34 ,1°C. Ces températures sont obtenues au niveau des 25 CES en

pannes et montrent que quelque soit le temps un CES en panne n’est pas capable de couvrir

les besoins en eau chaude d’un utilisateur.



22


Figure 9: températures de desserte des CES en panne

IV.2.2- LES DIFFICULTES DE LA DIFFUSION DE C.E.S A OUAGADOUGOU

Lors de l’analyse réalisée sur les 116 CES installés, on remarque des problèmes principaux

de leur diffusion sur Ouagadougou. On a pu constater que vers 1996 à l’origine de

l’introduction d’un bon nombre de CES ,13/661 installations avaient été mal réalisées par les

installateurs commandités par des fabricants. Cela était lié au manque de qualification de

ceux-ci. Ce facteur a constitué pour la firme en question un obstacle dans l’avancé de la vente

de CES.

D’autres parts l’on a déterminé 9 ménages septiques sur l’utilisation de leur CES, ceci à cause

des insatisfactions de températures de soutirage rencontrées progressivement dans le temps,

liées au dimensionnement inadéquat. On retient 4/9 installations réalisées par les fabricants

et 5/9 sont liés à l’absence ou l’insuffisance d’informations sur les besoins précis des foyers

recueillies par les revendeurs.

Toutefois auprès d’environ 80 % d’usagers, l’on note un sentiment d’abus de confiance

d’après les fabricants ou installateurs, marqué par le non respect des engagements pris avec

les usagers pour la maintenance des installations et de sur quoi l’élévation des frais de

maintenance.



23


Cependant, l’absence de communication permettant de faciliter l’entretien et la maintenance

pour assurer le prolongement de la durée de vie de CES, se confirme sur 19/25 cas de CES

en pannes, les 6/25 autres sont liés vraiment à leur découragement causé par la persistance des

pannes sur les installations. Cette situation entraine certains usagers à ré-adopté l’utilisation

du gaz et les chauffe-eau électriques pour obtenir l’eau chaude.

Auprès des revendeurs et fabricants l’un des facteurs retenu, donnant une mauvaise renommée

au CES est la mauvaise structuration des services de maintenance. Nous avons déterminé 3

fabricants sur 5 trouvés, non structurés, ce qui entraine le fait qu’ils n’ont pas de réponse

rapide et adéquate pour mettre les utilisateurs en confiance. Le problème que suscite cette

situation est que les utilisateurs ne bénéficient pas à temps des services attendus.

On note vers 1996 ,7 premières installations d’un fabricant sur 16 faites, qui se sont trouvées

hors service dès la première panne, cette situation a eu un impacte négatif sur l’avancé de son

commerce de CES jusqu’en 2010 .Son nombre de Chauffe-eau vendu n’excède pas 2 CES

tous les 3ans. Ce problème a engendré la méfiance des clients potentiels vis à vis des CES, en

empêchant ainsi une vente massive.

Une analyse faite chez les revendeurs et le fabricant, nous fait remarquer que la vente des

CES ne décolle pas. Ceci est à l’origine de l’information encore à l’état embryonnaire ou sont

absence complète. Ce manque d’information empêche aux usagers de repérer d’une part les

mauvaises fabrications et d’autres parts les mauvais installateurs. Cette situation ne permet

pas aux autres utilisateurs ou solliciteurs de CES d’éviter les contrebandes.

Sur 116 usagers, 30% des usagers sur 91 dont les CES sont encore en fonctions, sont en

possession de CES qui ne couvrent pas entièrement les besoins de leur foyer. Cette

insatisfaction se traduit par la détention des petits systèmes qui coûtent moins chères alors que

les besoins en ECS de la famille sont grands. Le coût énorme des installations plus grandes

ainsi que de la maintenance entraine l’abandon de ceux-ci au profit des petits. Une répartition

des capacités enregistrées sur notre échantillon se présente dans le diagramme de la figure 11.



24


Figure 10: répartition du nombre de CES installés à Ouagadougou en fonction du volume

Dans l’échantillon obtenu lors de la prospection, la diversité de capacités de ballon de

stockage rencontré, donne une idée sur les capacités les plus rependues. Mais la question est

de savoir si réellement les usagers préfèrent les petites capacités que les plus grandes ou bien

ils sont contraints à les prendre ? ce qu’il faut savoir est que quelque soit le volume choisi le

chauffe-eau solaire est économiquement rentable. La difficulté réside au niveau des

sollicitations d’eau comme l’explique le paragraphe ci-dessus.

V-DISCUSSION ET ANALYSE

V.1-ANALYSE ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE

V.1.1-ANALYSE ECONOMIQUE

Une installation de CES est un bien dont l’une des particularités est sa durée de vie

particulièrement longue (20 ans). Contrairement à l’idée que certains utilisateurs ont sur son

investissement qu’il trouve énorme, l’utilisation des CES sur toute sa durée de vie permet de

retrouver son investissement au bout de quelques année sans toutes fois susciter des

investissements supplémentaires énormes. Par contre l’utilisation d’un chauffe-eau électrique

favorise les dépenses énormes sur la facture électrique.

100L; 32%

120L; 4%

162L; 10%200L; 17%

216L; 6%

290L; 11%

300L; 3%320L; 12%

335L; 5%

100L

120L

162L

200L

216L

290L

300L

320L

335L



25


Pour persuader les utilisateurs d’eau chaude de l’économie d’énergie qu’ils peuvent réaliser

sur leurs consommations énergétiques habituelles, une étude de cas réalisée dans un centre de

santé ou les besoins en eau chaude se font énormément ressentir est proposée.

V.1.1.1- Etude de cas

Etude économique de l’installation solaire de production d’eau chaude sanitaire de la

maternité de Saint Camille Ouagadougou Burkina Faso

L’étude est réalisée pour des raisons qui sont mentionnées en annexe 6. La description du site

et toutes les hypothèses prises pour cette étude y sont aussi présentées, dans le but d’apporter

plus clarification sur la procédure choisie pour atteindre les résultats obtenus. Le

dimensionnement du CES est effectué suivant la deuxième méthode de dimensionnement

proposée plus haut.

Le calcul effectué en utilisant l’équation (44) présente la méthode utilisée pour déterminer

l’énergie électrique consommée pour chauffer le volume d’eau journalier utilisé dans la

maternité. Quant à l’équation (45), elle nous permet de déterminer l’énergie consommée par

l’appoint lorsqu’on utilise plutôt un CES.

Energie annuelle consommée par le chauffe-eau électrique de puissance 1kW

Energie annuelle consommée par l’appoint du CES

1429,75 kWh



26


Coût annuelle des énergies calculées.

En utilisant la grille tarifaire de la Société Nationale d’électricité du BURKINA présentée en

annexe XII, les résultats dans le tableau ci-dessous sont obtenus et présentent les dépenses

énergétiques effectuées dans les deux cas et l’économie d’énergie réalisée annuellement.

Cas analysés :

1. lorsque le chauffe-eau électrique est utilisé ;

2. lorsque l’appoint du CES est utilisé ;

Tableau 4: Coût énergétique annuelles des chauffe-eau électriques et appoint du CES

Cas Coût énergétique annuel

chauffe-eau électrique utilisé 499 138 FCFA

CES utilisé (appoint électrique) 142 236 FCFA

Economie annuelle 356 902 FCFA

ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DES CHAUFFE-EAU SOLAIRES EN CLIMAT TROPICAL

27


V.1.1.2-Détermination du TRI

L’étude réalisée est faite sur une durée de 11 ans. Le tableau qui suit nous présente les résultats obtenus pour calculer le TRI. A sa suite les

méthodes de calculs effectuées seront mentionnées.

Tableau 5: gains annuels cumulés

années 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

surplus investissementt 400 000

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Investissement

supplémentaire 0 0 0 0 10 000 0 0 0 0 10 000 0

exploitation 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 142 236 Maintenance 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000 10 000

Gain en énergie 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 356 902 Bilan annuel -195334 84666 84666 84666 74666 84666 84666 84666 84666 74666 84666

Gain Cumulé -195334 -110668 -26002 58664 133330 217996 302662 387328 471994 546660 546660

Méthode de calcule :

Le calcul du gain en énergie annuelle est réalisé en annexe 6, il s’obtient également en utilisant la grille tarifaire. Sa valeur est 356 902 FCFA

Le bilan annuel est donné par la formule : + exploitation

+ maintenance) .



28


Le gain annuel cumulé est trouvé en cumulant chaque année les bilans annuels. Les résultats

obtenus dans le tableau ci-dessus permettent dans la suite de déterminer la courbe de gains

annuels cumulés en fonction des années.

Figure 11: Cumule des gains annuel et investissement initial du CES par an

La figure 12 présente que toute la première année, il y a pas de gain. Il ya plutôt des

dépenses. C’est à partir des 3,2 ans que l’on obtient l’investissement faite initialement. Le

TRI est déterminé en retenant le point d’intersection de la courbe des bilans cumulés avec

l’axe des années

Bilan thermique, taux de couverture, rentabilité

1. Détermination du volume consommé : 357 litres /jr

2. Besoin en énergie Calorifique annuel : 4765,86 kWh /an

3. apport solaire annuel : 3112,85 kWh /an



29


4. Productivité annuel : 555,86 kWh /m²

5. Couverture solaire : 70%

6. Rendement de l’installation : 30%

7. Surface de capteur installé : 5,6m²

8. Dépense annuelle d’énergie d’appoint : 142 236 FCFA

9. Investissement : 660 000 F CFA

10. Temps de retour sur investissement : 3,2 ans

Si on utilisait un chauffe-eau électrique pour chauffer le même volume d’eau, on aurait les

résultats suivants :

1. Energie électrique annuelle consommée : 4765,86 kWh /an

2. Dépense énergétique annuelle : 499 138 FCFA

En somme, on remarque que, en utilisant le CES on économise 51% des frais d’énergie

consommée par le chauffe-eau électrique.

V.2 – ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DE L’INTRODUCTION DU CES A

OUAGADOUGOU

En évaluant la quantité de CO2 émis par les deux systèmes on obtient les résultats ci-dessous

qui nous permettrons de d’effectuer une comparaison :

1. Quantité de CO2 émis par le chauffe-eau électrique : 3812,68 kg de CO2

2. Quantité de CO2 émis par le CES : 1143,81 kg de CO2

On constate que le CES émet soit 30% de kg de CO2 du chauffe-eau électrique.

L’introduction de CES dans Ouagadougou constitue un facteur de protection de

l’environnement, car son intégration massive favorise la réduction des émissions de GES.

Cependant il favorise aussi le développent du cadre socio-économique de la ville.

Impact sur le climat



30


La réduction des GES par l’introduction massive des CES conduit à la réduction de la

pollution dans la ville.

Impact sociologique

Sur le plan social, la diffusion des CES peut engendrer une diminution de la puissance

appelée par les usagers et par conséquent une diminution par la ville. Cette situation accroit la

distribution de l’énergie dans la ville en permettant aux domiciles nouvellement construits,

aux centres de santé et écoles situés dans les périphéries de bénéficier sans soucis de l’énergie

produite par les postes de production.

Impact économique

D’autres parts, son introduction conduit à la formation des jeunes et personnes sans emplois.

L’enseignement de la fabrication des CES effectué par les organismes, institutions ou

associations contribue fortement à la lutte contre la pauvreté, en permettant la création des

nouveaux emplois et en freinant l’oisiveté.

V.3-PROPOSITIONS POUR UNE PROMOTION DE CES EN AFRIQUE

Pour une promotion de CES en Afrique des stratégies doivent être adoptées en faisant

intervenir le rôle des différents acteurs dans chaque pays, à savoir l’Etat, les installateurs et les

instituts de formation. Ces stratégies s’articule sur les points tels que :

- L’élaboration des programmes de sensibilisation des clients par les ministères chargés

de l’énergie sur l’utilisation de CES et l’implication des sociétés nationales

d’électricité dans la gestion des financements consistant à permettre au usagers de

contracter des crédits auprès des bailleurs de fonds et à les rembourser chaque mois à

travers les factures d’électricité.

- La mise en place des programmes d’atelier de formations pilotés par les fournisseurs

ou ingénieurs et destinés aux installateurs.

- La mise en place des programmes d’information et de communication par des

fournisseurs dans l’optique d’encadrer les utilisateurs et de les protéger contre les prix

injustifiés et les contrefaçons.



31


- La mise en place d’une concertation entre les différents partenaires visant à créer des

réseaux organisés comprenant les importateurs ou vendeurs de composants, les

fabricants locaux, les circuits de distribution de CES, les écoles de formation, les

installateurs et les maintenanciers.

La mise en place d’un système de financement permettant aux usagers d’avoir accès à un

crédit pour s’acheter un CES serait vraiment un moyen de renforcement d’efficacité

énergétique de la ville.

V.4-LES LIMITES DE L’ENQUETE

Le déroulement de l’enquête sur Ouagadougou n’a pas été une chose aisée. On remarque

pendant sa réalisation plusieurs obstacles qui empêchent son déroulement normal. On a

premièrement l’absence des moyens logistiques qui est un frein pour l’avancé de l’enquête.

Deuxièmement, sur le terrain l’absence de collaboration de certains usagers avec l’enquêteur

était fréquente, à cause des incompréhensions linguistiques qui régnaient eux et celui-ci.

Toutefois, on a remarqué chez d’autres usagers l’indisponibilité lors des rendez-vous pris

pour les séances de réponse aux questionnaires. Chez certains, une méfiance vis-à-vis de

l’enquêteur se faisait ressentir, cela constituait également un frein pour l’enquête. Chez les

revendeurs, on avoue vraiment qu’il y’a eu collaboration, mais le problème était le manque

d’honnêteté dont ils faisaient preuve le plus souvent.

VI-CONCLUSION

L’étude technico-économique et environnementale des chauffe-eau solaires réalisée à permis,

non seulement d’avoir les informations sur les différentes techniques utilisées pour produire

l’eau chaude à partir de l’énergie solaire, mais aussi d’avoir approximativement le nombre de

chauffe-eau solaire installé dans la ville de Ouagadougou de la période allant de 1981 à

2010. Lors de cette période, l’évolution du nombre de chauffe-eau solaire nous a montré

qu’au total 661 avaient été installés dans la ville. Ce nombre est estimé embryonnaire compte

tenu du statut de capitale qu’occupe Ouagadougou.

Toutefois les enquêtes effectuées auprès des usagers nous ont permis d’avoir les informations

sur l’évolution des températures de desserte des chauffe-eau installés. Les résultats des



32


mesures de températures obtenus nous ont montré que pour les chauffe-eau en

fonctionnement, les températures pendant la journée varient de 40°C au minimum à et

atteignent au maximum environ 70,4 °C et vers la fin de la journée elles commencent à

décroître. Par contre, les températures des chauffe-eau en panne ne dépassent pas certaines

valeurs quelque soit le temps, elles sont comprises entre 28,6 °C et 34,1 °C .

Cependant, une répartition des pannes qui caractérisent l’échantillon soumis à l’étude a été

déterminée, les pannes les plus fréquentes sur l’échantillon sont les fuites dans les la citerne et

elles représentent 36% des pannes totales, ensuite le bouchage ou la perforation du serpentin

représentent 33 % des pannes totales, les autres pannes apparaissent rarement et sont à l’état

de trace dans l’échantillon.

En outre dans la ville, l’on aperçoit différents types de chauffe-eau ainsi qu’une variété de

capacités installées provenant d’origine diverses notamment du Maroc, de la Chine et de la

Tunisie, mais auprès de ces types importés l’on a aussi ceux qui sont fabriqués localement.

Parmi les différents types de Chauffe-eau on a découvert plusieurs capacités dont les

répartitions ont été déterminées sur l’échantillon. Les résultats obtenus montrent que les

capacités de 100 litres et 200 litres sont les plus rencontrées. On note 32 % de volume de 100

litres et 17 % de volume 200 litres rencontrés dans l’échantillon.

Les résultats d’une étude économique effectuée à la maternité de Saint Camille, ont montré

qu’on réalise des économies d’énergie en substituant le chauffe-eau électrique au chauffe-eau

solaire. Sur l’investissement initial on a obtenu un temps de retour sur investissement

appréciable qui est d’une valeur de 1,8 an. Sur le plan environnementale le Chauffe-eau

solaire dans notre étude a permis d’éviter 70 % du CO2 produit par l’électrique.

Toutefois, la réalisation de l’enquête n’a pas été aisée, la collaboration avec les usagers et les

revendeurs n’a pas été facile d’une part, d’autres parts la méfiance de certains usagers vis-à-

vis de l’enquêteur a été aussi, une limite pour l’avancement du travail. A ces limites

s’ajoutent le problème de logistique qui à certains moments constituait un frein pour la

réalisation de l’enquête.

Toutes fois compte tenu des températures obtenues des installations en fonctionnement, et de

l’étude économique réalisée dans la maternité et qui démontre les économies d’énergies



33


réalisable par l’utilisation du chauffe-eau solaire, on ne peut que déduire que les usagers du

chauffe-eau solaire sont satisfaits.

Cependant la production d’ECS à partir de l’énergie solaire doit être encouragée et soutenue

par les pouvoirs publics et les bailleurs de fond, particulièrement dans les pays du sud où les

ressources en énergies renouvelables sont importantes. Mais la question à se poser est qu’elles

sont vraiment les facteurs qui pourront favoriser l’adoption du chauffe-eau solaire dans

Ouagadougou ? Qu’elle autre solution pourrait être adoptée pour amener les utilisateurs d’eau

chaude de la ville à rependre l’information sur les enjeux qu’ils ont en utilisant le chauffe-eau

solaire ?

Les solutions apportées à ce questionnaire seront présentées dans la rubrique suivante.

VII-RECOMMANDATIONS – PERSPECTIVES

Faire les économies d’énergie sur le plan national étant très important, il serait avantageux

pour l’Etat de mettre en place une politique de gestion d’énergie, en établissant une loi qui

fait intervenir les respects d’économie d’énergie dans chaque ménages, en d’autres termes

l’établissement d’une loi par l’Etat rendant coupable tout habitant qui ne respecte pas les

attitudes prescrites pour économiser de l’énergie dans son local.

Pour les revendeurs, la détaxation des chauffe-eau solaire serait un moyen pour encourager

fortement leur importation dans le pays et en plus une raison baisser leurs prix et les rende

accessibles. Toute fois une réduction de l’impôt pour chaque fabricant local pourrait aussi être

une voie pour favoriser la diminution des prix de ceux-ci sur le plan local.

En outre, si l’Etat avait pensé faire appliquer une loi sur chaque construction, telle que pour

toute construction, il est d’obligation de prévoir une somme dans son budget de construction

qui permettra d’acheter un chauffe-eau solaires, le problème de consommation électrique

abusive causé par l’utilisation du chauffe-eau électrique pourrait commencer à se réduire dans

non seulement au niveau de chaque domicile ou constructions(hôtels, hôpitaux…etc.) mais

aussi pourrait s’étendre sur toute la ville.



34


Ils serait très important , d’élaborer des normes au niveau national à respecter par les

fabricants locaux afin d’avoir des produits de marque possédant un label qui confère une

originalité et une assurance de qualité du produit

VIII-BIBIOGGRAPHIE

Ouvrage et articles

[1] Abdelhamine BENALLOU et Jacques BOUGARD. (1995) le solaire thermique au service

du développement durable, GUIDE DE L’ENERGIE SOLAIRE 25P

[2] EL Habib BENESSAHROUI et al. (2006), Les chauffe-eau solaires, fiche technique

PRISME (programme international de soutien à la maitrise de l’énergie 4P

[3] Samuel BRAGUARD. De l’étude à la réalisation de projet de développement durable,

Energie 2030 Agence S.A 48P)

[4] S.Amara, J.VIRGONE et H. BOULON. (2005) Stratification dans les ballons d’eau

chaude sanitaire, 12e journée internationale de thermique, Tanger Maroc 20P

[5] Nicolas TIXIER. (Octobre 2001), confort thermique architecture 15p

[6]

[7] APPROSUD Environnement, chauffe-eau solaire à circulation forcée 30p

[9] M. Gaillard. (1995), solaire thermique en Europe : où en est –on ? Système solaire, 107,

52, 53 p

[10] Michael MACQ. (1993), the prospects for solar heating by the year 2000, European

Directory of Renewable Energy suppliers and services 147,142 p

[11] Yao AZOUMAH (2009-2010), Solaire thermique 26,27 p

[12] B. Chouachi et S. Gabsi. Revus des énergies renouvelables, Etude expérimentale d’un

chauffe-eau à stockage intégré, INIG de Tunis 12p

[13] Yves JANNOT. (2007), Thermique Solaire p 44



35


[15] Ministère de l’environnement et du cadre de vie. (Novembre 2006), Rapport de

l’inventaire national des sources de production et rejets de mercure dans l’environnement au

Burkina Faso, PNUE p 10

[16] Joseph WETHE. (2009), systèmes énergétiques en Afrique sub-saharienne : Burkina

Faso p.2

[18] DESSUS, B. (Juillet 1993), le potentiel mondial des énergies renouvelables, sommet

mondiale, UNESCO, Paris, France

[19] Commission Européenne. (1999b), projets CO2, les implications du protocole de Kyoto

pour la Belgique, Université de Bruxelles p.18

[21] AIE, perspective économique de l’OCDE n° 76)

[22] Fiche technique de l’INES (juin 2008), Le vase d’expansion du circuit solaire, Institut

Nationale de l’Energie Solaire, Education

Sites web

[8] http:// www.outilsoulaire.com

[14] Météonorm.6

[17] http://www. destinationburkina.over-blog.com/pages/Ouagadougou-2580613.html

[20] http:// pagesperso-orange.fr/herve.silve/solaire.htm

http://www.outilsoulaire.com/



36


IX-ANNEXES

TABLE DE MATIERE DES ANNEXES

Annexe I : présentation des différents CES et leur caractéristiques ……………………… 36

Annexe II : aperçu sur les types de capteurs et leurs caractéristiques ……………………..37

Annexe III : présentation des différentes composés d’un CES à circulation forcé………...51

Annexe IV : données de départ pour l’évaluation annuelle de l’énergie d’un système…….55

Annexe V : données nécessaires au calcul du vase d’expansion……………………………56

Annexe VI : abaque de dimensionnement de conduite d’ECS : Abaque des DARIES……..57

Annexe VII : abaque du choix du circulateur pour eau chaude sanitaire……………………58

Annexe VIII : Installation solaire de production d’eau chaude sanitaire de la maternité de

Saint Camille-Ouagadougou Burkina Faso…………………………………………………..59

Annexe IX : répartition des pannes fréquentes dans une installation solaire production

d’ECS…………………………………………………………………………………………64

Annexe X : carte du gisement solaire mondial……………………………………………….65

Annexe XI : fiches d’enquête………………………………………………………………...66



37


Annexe I : présentation des différents CES et leur caractéristiques

Chauffe-eau solaire auto-stockeur

Il est réunit dans un même boitier fermé par un vitrage, et joue à la fois le rôle de captage

d’énergie, de stockage d’eau chaude (par exemple gros cylindre noirs dans une boite solaire)

[12]. Il ne comporte pas de circuit de transfert car le réservoir sert déjà d’absorbeur. Ce

réservoir est placé à l’intérieur du boitier isolé thermiquement et qui comporte un réflecteur

composé de trois branches paraboliques.

Figure 12: Coupe transversale de l'auto-stockeur. [12]

Principe de fonctionnement de l’auto-stockeur

Le réservoir de stockage ou l’absorbeur est placé dans le foyer d’un système de concentration

ou de capteur de rayonnement solaire au moyen d’un support permettant la libre rotation du

système à concentration autour de l’axe de l’absorbeur et aussi, une inclinaison variable de

l’ensemble.

Avantage et inconvénients de l’auto-stockeur

Avantages de l’auto-stockeur

Ce système présente des qualités appréciables et profitables aux utilisateurs. La simplicité de

sa fabrication ainsi que l’installation ne nécessite pas de montage difficile et est limitée au

raccordement de l’eau chaude vers l’usager. Grâce à son système de support (s’il existe), il est

possible de choisir une position horizontale ou inclinée du chauffe-eau selon l’ensoleillement



38


disponible et la consommation d’eau chaude. Il est bien adapter au pays chauds et est

trouvable à bon marché.

Inconvénients de l’auto-stockeur

Parce que le réservoir de stockage fait partie du capteur, ce système rencontre des difficultés

qui ont un impact non négligeable sur son rendement. Toutefois on remarque que sa lourdeur

constitue un obstacle pour son installation sur une toiture légère (l’intégration aux bâtiments

est délicate). Sur le plan performance, la diminution de l’efficacité de son absorbeur se fait

lorsque la température de l’eau s’élève exagérément. Des pertes thermiques importantes se

font ressentir pendant les périodes de faible ensoleillement et surtout la nuit, à cause de

l’insuffisance de l’isolation [12].

Chauffe-eau solaire compact ou monobloc

Ce système comporte une forme bien particulière. Les capteurs et le ballon forme un

ensemble compact et solidaire tous deux situés dans un même châssis à l’extérieur (d’où le

nom de « chauffe-eau monobloc ») [6]. Dans ce type de chauffe-eau, lorsque le fluide dans le

capteur est plus chaud que celui du ballon il devient moins dense, et s’élève naturellement du

capteur jusqu'au ballon situé dans sa partie haute (c’est l’effet thermosiphon).

Principe de fonctionnement du monobloc

Le fonctionnement d’une installation classique de chauffe-eau monobloc s’effectue de façon

autonome. La circulation naturelle du fluide chaud et froid se manifeste comme expose par la

figure ci-dessous.

Figure 13: schéma de principe de fonctionnement d'un monobloc



39


Le système monobloc permet de recueillir l’eau chaude produite par l’absorbeur directement

ou indirectement dans le réservoir placé au dessus du capteur. L’augmentation de la

température de l’eau dans l’absorbeur force l’eau chaude qui est plus légère à s’élever dans

l’absorbeur. Ceci provoque une circulation naturelle du fluide dans la boucle solaire

(généralement, débit de l’ordre de 1,5 l/mn environ).

Avantage et inconvénients

Avantages du monobloc

Le système monobloc ne requiert aucun mécanisme nécessitant l’utilisation du courant

électrique (donc il ne consomme pas l’électricité). Le contrôle naturel de la stratification de

température au sein du ballon de stockage permet de récupérer rapidement de faibles

quantités d’eau chaude. Une autre de ses qualités est qu’il peut couvrir la totalité des besoins

en eau chaude les jours où l’ensoleillement n’est pas intense. Il est également capable de

favoriser un léger effet thermosiphon inverse pour assurer une protection dans les zones à

climat tempéré.

Inconvénients du monobloc

Dans ce système la configuration du raccordement de la plomberie et de l’installation

nécessite une attention soignée pour faciliter la circulation de l’eau dans la boucle

thermosiphon. Le système est trop lourd et peut difficilement être installé sur une toiture.

L’isolation du réservoir doit être importante pour contrer le refroidissement nocturne et

résister aux intempéries.

Chauffe-eau solaire à éléments séparés

La particularité de ce système est que le ballon de stockage est dissocié du capteur. Afin que

le système fonctionne normalement, le ballon est placés plus haut que le capteur pour

permettre à l’eau chaude de s’élever naturellement (hauteur conseiller entre le centre du

capteur et celui du ballon est de 1 m) [8]. On distingue dans cette famille de chauffe-eau

certains avec échangeur incorporé au ballon et d’autres sans échangeur.

Principe de fonctionnement du chauffe-eau à éléments séparés



40


Son fonctionnement est le même que celui du monobloc (en thermosiphon) mais à la

difference que l’echange de calorie avec l’eau contenue dans le ballon se fait via un échangeur

pour l’un des systèmes et dans l’autre système il se fait directement (l’eau chauffée dans le

capteur est stockée dans le ballon et utilisée directement).

Figure 14: Schéma du principe de fonctionnement du système sans échangeur

Le mode de fonctionnement du type de chauffe-eau ci –dessus diffère de celui de la Figure 10

dans la mesure où l’eau chauffée dans le capteur est la même qui est stockée et destinée à

l’utilisation.

L’eau chauffée dans le capteur monte directement jusqu’à dans la partie supérieure du ballon,

ceci pour optimiser sa température en réduisant le phénomène de stratification [8]. L’eau la

plus froide du ballon redescend vers le capteur pour être chauffée.



41


Figure 15: Schéma du principe de fonctionnement du système avec échangeur

Dans ce système le liquide caloporteur dès qu’il est chauffé au niveau du capteur circule

naturellement vers le ballon où il échange sa chaleur avec l’eau contenu dans le ballon à

travers un échangeur. Dès qu’il refroidit il redescend dans le capteur pour récupérer à nouveau

des calories.

Chauffe-eau solaire à circulation forcée

C’est un système dans lequel le mouvement de l’eau chauffée ou du fluide caloporteur dans le

capteur est assuré grâce à un circulateur artificielle (pompe ou turbine) commandé par un

dispositif de régulation. Le transfert de calories dans l’eau contenue au niveau du capteur se

fait donc par convection forcée c'est-à-dire qu’une action extérieur contribue à la récupération

de la chaleur du capteur .

Dans une installation classique de ce type de chauffe-eau, l’emplacement du capteur et du

ballon de stockage est indépendant . L’on peut placer le ballon au dessus ou en bas du

capteur [7]. Celà offre la possibilité d’installer le ballon à l’intérieur ou à l’extérieur du

logement. Il existe donc plusieurs configurations de ce système selon que l’échangeur soit

externe au ballon ou qu’il soit intégré au ballon.

a)Système à boucle direct b) système avec échangeur interne c) système avec échangeur

externe

Figure 16 : configurations d'échangeurs de chaleur pour systèmes à boucle direct:

Nous rencontrons aussi les systèmes avec echangeur interne. Très souvent ses systèmes sont

mis en place pour des raisons de sécurité du circulateur et de non contamination de l’eau

destinée à l’utilisation. En effet, il arrive que le fluide caloporteur soit mélangé avec des

antigel (en région froide), et les propriétés chimiques de l’antigel peuvent se réveler toxique



42


pour la consommation. D’autres part le circuit composé de l’échangeur pourrait être

pressorisé et soumis à de hautes températures (> 100° C) en cas de panne du circulateur [1]. Il

est alors très important que l’antigel joue un role de stabilisant afin d’empêcher la détoriation

du circuit dit primaire.

Figure 17: principe de fonctionnement du système avec échangeur intégré

Principe de fonctionnement du chauffe-eau à circulation forcée

Lors du fonctionnement de ce système, un fluide caloporteur circule dans le capteur et

transmet sa chaleur dans l’eau du réservoir à l’aide d’un échangeur de chaleur. L’eau du

réservoir et le liquide caloporteur sont différents pour des raisons marquées dans le

paragraphe précédent.

Avantages et inconvénients du chauffe-eau à circulation forcée

Avantages du système

Ce système est particulièrement recommandé dans les pays où il y a risque de gel. Le liquide

caloporteur peut être pressurisé et être additionné d’un antigel, ce qui permet de ne pas avoir

à vidanger le capteur les périodes de gel. L’eau du réservoir ne circule pas dans la boucle du

capteur, diminuant ainsi les risques de contamination de l’eau. L’échangeur de chaleur peut

être placé à l’extérieur du réservoir de stockage permettant ainsi l’utilisation d’un ballon

standard. Une boucle de circulation indépendante au niveau du réservoir permet d’augmenter

le transfert de chaleur selon les besoins.



43


Inconvénients du système

Cette technologie est assez compliquée et est plus chère (de nombreux composants entrent

dans sa pose) que les autres types de chauffe-eau. La pompe et sont contrôleur sont fragiles et

peuvent occasionner des pannes du système [2]. L’échangeur de chaleur peut se détériorer et

un risque de contamination de l’eau par le caloporteur est possible [4].

Composantes de base d’un système en circulation forcée

Pour le fonctionnement de ce système, on distingue des éléments principaux, mis en

communs. Chaque élément est spécifié par un rôle bien déterminé. On a comme élément :

- des capteurs

- le groupe de transfert ou kit solaire

- le vase d’expansion

- le régulateur différentiel

- le ballon de stockage

- le circuit de transfert ou tuyauterie

Nous vous laissons découvrir le rôle de chacun ainsi que l’aspect sous lequel il se présente en

annexe1.



44


Annexe II : aperçu sur les types de capteurs et leurs caractéristiques

Le capteur solaire thermique ou collecteur est l’élément de base pour la transformation de

l’énergie solaire en énergie thermique. On distingue deux grandes familles de capteurs

solaires thermiques à savoir :

- Les capteurs solaires plans

- Les capteurs solaires sous vide et les capteurs solaires à tubes à bouteille thermos.

Capteurs plans solaires

Les capteurs solaires thermiques plans vitrés sont les modèles les plus courants. Ils

comprennent normalement :

Une couverture transparente qui assure l’effet de serre et évite le refroidissement de

l’absorbeur en le protégeant contre le vent.

L’absorbeur ou plaque où se réalise la conversion de l’énergie solaire en chaleur.

Un circuit caloporteur ou tuyau de l’absorbeur.

Une isolation thermique arrière et latérale dont le rôle est de limiter les pertes de

transmission vers l’extérieur pour optimiser les performances du capteur.

Figure 18: Schéma d’un capteur plan. [3]

Paramètre de base d’un capteur plan

Les paramètres de base d’un capteur plans sont donc τ, α et Up. Ils sont calculables dès la

conception du capteur ou bien, ils peuvent être choisis de façon à ce qu’ils respectent des

critères qui ont déjà été obtenus expérimentalement.



45


a) Transmission de l’énergie solaire, τ.

Le coefficient de transmission énergétique τ ou taux de transmission est la fraction importante

du flux solaire global incident qui traverse la couverture transparente (direct ou diffus) et

atteint l’absorbeur.

Quelque soit le matériau choisi pour servir de couverture transparente, il a une fonction de

protection de l’absorbeur et un rôle dans le bilan thermique en réduisant les pertes de chaleur.

Habituellement on utilise le verre comme couverture transparente car il détient des propriétés

physiques intéressantes permettant de laisser passer le rayonnement solaire et d’arrêter les

rayonnements infrarouges de l’absorbeur.

Figure 19: Transparence du verre. [3]

La vitre doit présenter une bonne résistance aux chocs mécaniques (vent pluies grêle), aux

brusques variations de température ainsi qu’aux températures élevées (80°C) [3].

La qualité du verre est caractérisée par son rendement optique ou coefficient de transmission τ

qui dépend à son tour de la nature et de l’épaisseur du vitrage ainsi que de l’angle incident i

et de la nature du rayonnement (direct ou diffus) [3].Généralement, le coefficient de

transmission répond aux critères 0,8< τ <0,92 pour les matériaux tels que le verre, le

plexiglas, le polycarbonate et le polyéthylène sous faible épaisseur [1].



46


b) Absorption sur la plaque, α.

L’absorbeur est l’élément essentiel du capteur solaire, c’est pourquoi nous allons présenter ses

caractéristiques. Il a pour fonctions d’absorber la plus grande partie du rayonnement solaire

possible et de transmettre la chaleur produite vers le fluide caloporteur avec un minimum de

pertes. Ces types de surfaces capables d’absorber au maximum et de réémettre au minimum

sont nommées surface << sélectives >>.

La sélectivité d’un matériau est très importante, elle est améliorée par des traitements de

surface (peinture semi-conductrice, revêtement électrochimique, structure dendritique) qui

ajoutent au support des caractéristiques telles que le rayonnement solaire est très bien absorbé

et que le rayonnement infrarouge émis (dû à l’échauffement) est limité.

Tout matériau opaque, de couleur sombre et mate (surface noire) fournit un paramètre α qui

est une fraction de rayonnement transformée en chaleur et appelée coefficient d’absorption.

Le paramètre α fournit par le matériau est compris entre 0,9 et 0,95 et exceptionnellement

0 ,98 [3].

Outre que le coefficient d’absorption, un autre paramètre caractéristique de l’absorbeur est

l’émission du rayonnement infrarouge. Il est communément appelé coefficient d’émission et

noté ε et généralement sa valeur est comprise entre 0 et 1 (0< ε <1) [3].

Un traitement de surface permet de garder une valeur de α supérieur à 0,9 tout en limitant à

l’émission de rayonnement infrarouge à 0,10 - 0,15, mais il faut retenir que ce type

d’absorbeur ne peut être obtenu qu’industriellement [1].

Tableau 6: Résumé des différents traitements de surface. [3]



47


c) Coefficient global de perte, Up

Limiter les pertes de transmission vers l’extérieur est primordial pour optimaliser les

performances du capteur. Il faut noter que les pertes thermiques du capteur vers son

environnement sont liées aux multiples transferts par conduction, convection et rayonnement.

Figure 20: Schéma des différentes pertes. [3]

Ces pertes, en première approximation et pour un capteur correctement réalisé sont

proportionnelles à la différence de température entre la plaque et le milieu ambiant soit :

(1)

avec :

Tp : température de la plaque en (°C)

Ta : température du milieu ambiant en (°C)

La figure 14 nous présente de manière schématique les différentes pertes générées par les

constituants du capteur solaire plan. On remarque aisément que sur la base de 100% de

rayonnement global arrivant sur le vitrage du capteur, 60% du rayonnement seulement

arrivent sur l’absorbeur. Quant au 40% restant, ils ne se sont pas complètement perdus mais

ils vont jouer un rôle par l’intermédiaire de l’effet de serre.



48


Le coefficient global de pertes Up peut se calculer, mais aussi peut être choisis parmi les

valeurs obtenues expérimentalement. Généralement Up varie de 1 à 30 W/m2. °C, mais pour

un capteur fabriqué artisanalement et correctement il est de l’ordre de 7 à 8 W/m2. °C [1].

II.2.1.2-principe de fonctionnement d’un capteur plan

Les capteurs plans vitrés utilisent l’effet de serre pour absorber l’énergie solaire. Les rayons

traversent un panneau de verre pour atteindre l’absorbeur (cf. Fig. 21). Celui-ci restitue

l’énergie sous forme de chaleur, puis piégées sous le vitrage les calories récupérées chauffent

le fluide caloporteur et élèvent sa température à plus 60° C [2]. Ainsi un circuit de circulation

sert à récupérer la chaleur dans le capteur pour l’acheminer vers le ballon de stockage (si nous

sommes en circulation forcée) ou soit le fluide caloporteur dans le circuit se mobilise

naturellement pour s’acheminer vers le stockage (cas du thermosiphon).

Interprétation thermique

Lorsqu’il y a du flux solaire global incident sur le vitrage, direct et diffus, une fraction

importante appelée coefficient de transmission énergétique atteins l’absorbeur où une fraction

(coefficient d’absorption de rayonnement) est transformée en chaleur. Cette absorption se

réalise au sein d’une couche superficielle de la plaque sur une épaisseur inférieure à 0,1 mm

[1]. Ainsi on dispose d’un flux thermique disponible par m2

de surface de vitre et en suite,

l’absorbeur transmet donc sa chaleur au fluide caloporteur.

Ce flux thermique disponible est donné par la relation suivante :

(2)

avec :

G : ensoleillement global ou flux solaire incident exprimé en (W/m²)

Performances d’un capteur plan standard.

En se basant sur les travaux de Hottel, Whillier et al, Bliss nous présentons la célèbre formule

(3), qui nous permet d’obtenir le flux utilisé en période de démarrage et d’arrêt pour modifier

la température d’ensemble du capteur.



49


– (3)

Le rendement correspondant est obtenu en divisant (3) par le flux solaire incident G la

relation devient l’équation suivante :

Pour les machines solaires alimentées par le capteur c’est la température du fluide caloporteur

qui est le plus important. Alors en remplaçant Tp par Tm la température moyenne du fluide les

relations (3) et (4) pourront s’écrire :

ou

avec :

le rendement du capteur

le coefficient d’irrigation qui est toujours inférieur à 1 (F’ < 1)

le rendement optique du capteur

Um le coefficient global de pertes réduit par F’. il est exprimé en en (W/m². °C)

Capteur solaire sous vide



50


Les capteurs solaires sous vide sont différents des capteurs plans dans la mesure où à

l’intérieur, il règne une pression atmosphérique de l’air ambiant. Ils sont les plus coûteux et

parmi les plus efficaces. Ce type de capteur peut permettre d’atteindre les températures

élevées de l’ordre de 150 °C avec un rendement correct [11].

Figure 21: exemple de capteur sous vide. [22]

capteur solaire à tubes a bouteille thermos

Ce type de capteur utilise une bouteille de verre à double parois. Les deux parois sont reliées

de manière étanche à l’air au niveau du goulot. L’intérieur de la bouteille est soumis à la

pression atmosphérique, tandis que l’espace compris entre les deux parois est sous vide.

Figure 22: coupe de capteur à tube à bouteille thermos. [22]



51


Annexe III : présentation des différentes composés d’un CES à circulation forcé

Le capteur solaire

Il joue un rôle très important comme nous le spécifions dans le chapitre II .2 plus bas.

Le groupe de transfert

Il représente le cœur d’une installation de chauffe-eau solaire et a pour rôle d’assurer la

circulation du fluide caloporteur ou de l’eau contenue dans le capteur et ainsi que le transfert

des calories des capteurs au ballon [7].

Figure 23: représentation interne et externe d’un groupe de transfert ou kit solaire

Vase d’expansion solaire

C’est un élément simple dont le rôle est de maintenir une pression minimum dans le circuit

hydraulique pour la bon fonctionnement du chauffe-eau solaire. Il sert aussi à compenser la

dilatation entrainé par la différence de température de l’eau (expansion). En effet il permet

l’expansion du fluide caloporteur et absorbe le volume de celui-ci lorsqu’il est expulsé du

capteur lorsqu’un phénomène d’ébullition se présente.



52


Figure 24: vase d'expansion solaire

Le contrôleur du système solaire ou régulateur

Le régulateur est un appareil électronique qui, équipé de deux sondes de température (une au

capteur et l’autre au ballon), décide de la mise en marche de la pompe lorsque la température

est plus élevée dans les capteurs que dans le ballon et à l’inverse pour l’arrêter.

Dans une installation solaire thermique (excepté le thermosiphon), une régulation minimale est

nécessaire afin de réguler le processus d’échange de chaleur entre le capteur et le réservoir de

stockage. Il faut savoir que la régulation peut gérer à la fois l’énergie solaire et l’énergie

d’appoint en rendant prioritaire l’énergie solaire [8]. Pour les configurations de ces systèmes

solaires ayant une pompe de circulation, il est nécessaire pour arrêter la circulation du fluide

caloporteur lorsque le capteur ne chauffe plus (par exemple durant la nuit) et pour éviter de

perdre dans la tuyauterie extérieure la chaleur stockée dans le réservoir.

La méthode de contrôle la plus courante est l’utilisation d’un régulateur différentiel de

température. L’ajustement de la valeur de températures des capteurs et du ballon est assez

délicat pour assurer un bon contrôle. C’est pourquoi certains installateurs proposent un contrôle

par cellule photoélectrique ou avec minuterie.

Figure 25: régulateur différentiel [7]

Ballon de stockage



53


L’utilisation d’un réservoir de stockage permet d’accumuler, et à conserver l’eau chaude

produite afin de répondre aux besoins de l’usager même après les heures d’ensoleillement. Le

ballon de stockage généralement utilisés dans ce type d’installation est celui avec double

échangeur [4]. Un échangeur inférieur qui assure le réchauffement par le soleil et un

échangeur d’appoint situé au tiers supérieur du ballon qui prend le relais pour reconstituer le

stock d’eau chaude.

Le stockage de l’énergie permet de palier le caractère discontinu de l’énergie solaire.

L’accumulation de cette énergie se traduit par une augmentation de la température. Pour

obtenir un bon service du ballon, il serait très important de tenir compte de sa stratification.

La stratification est la tendance d’un fluide qu’on échauffe de s’étager en couches superposées

de température croissante.il est important de la respecter car l’énergie exploitée du ballon

augmente si la stratification des températures est améliorée [3] [4].

Cette dernière permet d’avoir les températures les plus élevées possible dans le haut du

ballon, ce qui réduit l’utilisation de l’énergie d’appoint et de plus les température la plus

basse redescendent vers le bas et améliore le rendement du capteur

Figure 26: Schéma de la stratification [13]

Circuit de transfert ou tuyauterie

Généralement pour les réseaux d’ECS il n’est pas conseiller d’utiliser les tubes en acier

galvanisé, mais en cuivre ou en matériaux de synthèse



54


Figure 27: circuit de tube en cuivre sur l'absorbeur plan



55


Annexe IV : données de départ pour l’évaluation annuelle de l’énergie d’un système

Pour l’évaluation annuelle de l’énergie d’un système les paramètres ci-dessous doivent être

connus et pris en considération :

L’emplacement du lieu de l’installation

La latitude du lieu

L’inclinaison des capteurs

La surface totale des capteurs

La température ambiante moyenne annuelle du lieu

La température moyenne du réseau hydraulique

La température de l’eau chaude sanitaire



56


Annexe V : données nécessaires au calcul du vase d’expansion

Pour dimensionner un vase d’expansion il est nécessaire de connaître les données suivantes ;

- Le type de fluide antigel et sa concentration : si nous sommes en climat tempéré

(glycol) ;

- La hauteur manométrique de l’installation soit le point le plus haut de l’installation ;

- La température minimale extérieure qui dépend de la région où sera implantée

l’installation ;

- La température moyenne maximale de fonctionnement qui servira à fixer la pression

de vapeur ;

- La pression de service minimale des capteurs nommée pression d’épreuve ;

- La pression minimale au point le plus haut ;

- La pression de tarage des soupapes ;

- Le volume des conduites de liaisons ;

- Le volume des capteurs avec volume de conduites de passages ;



57


Annexe VI : abaque de dimensionnement de conduite d’ECS : Abaque des DARIES

Principe d’utilisation :

1. Connaissant le débit probable et les pertes de charges, on joint les deux points et on

détermine ainsi le diamètre et la vitesse admise dans la conduite.

2. Si on connaît la vitesse admise et le débit probable on joint les deux points et on

obtient le diamètre et la perte de charge



58


Annexe VII : abaque du choix du circulateur pour eau chaude sanitaire

Abaque de choix de Circulateur de BP équipement sanitaire



59


Annexe VIII : Installation solaire de production d’eau chaude sanitaire de la maternité de

Saint Camille-Ouagadougou Burkina Faso

DESCRIPTION DU SITE

Le centre de santé Saint Camille se situe dans le quartier 1200 logements du secteur () dans

la région du yatenga au Burkina faso.il possède une maternité qui reçoit en moyenne par an

2450 femmes venant accoucher. La plus part des points de consommation d’eau ECS

fonctionnent à l’énergie électrique. Mais on remarque aussi la présence de CES permettant

d’obtenir de l’eau chaude sanitaire aux quels sont incorporées des résistances électriques de

1kW. Elle possède 1 CES de 100 litres et 1 autre de 200 litres, les Caractéristiques de ces

chauffe-eau sont présentées par le tableau ().

Tableau 7: caractéristiques des CES installés

Capacités (litres) Surfaces (m²) Quantités

200 4 1

100 2 1

RAISON DE L’ETUDE

Cette étude est initiée dans le but de faire une comparaison économique. On voudrait montrer

l’économie d’énergie réalisable si on utilisait un CES, au lieu d’un chauffe-eau électrique

pour couvrir ses besoin en ECS

Présentation des référentiels de consommation

Tableau 8: Nombre moyen d’accouchement

janvier février mars

accouchement/mois 217 184,8 210,8

accouchement/semaine 54,25 46,2 52,7

accouchement /jour 7 6,6 6,8

Le tableau 3 nous présente le nombre de femme moyen venant accoucher dans le centre de

santé.



60


Le nombre moyen d’accouchement par jours est 7.

En supposant qu’un accouchement donne naissance à un et seul nouveau né. On retient donc

que le nombre d’enfant est égale au nombre de femme.

Chaque femme consomme en moyenne 20 litres/jr et chaque enfant en consomme 10 litres/jrs.

En tenant compte des quantités d’eau chaude utilisées par les sages femmes et infirmières qui

représentent 65% et des pertes de la consommation des sages femmes qui sont estimées à

3% on a la consommation journalière suivante :

Tableau 9: consommations totales femmes et nouveaux nés par jour

Consommations/jr Total consommation/jr

accouchements 140 litres 210 litres

Nouveaux nés 70 litres

Détermination du bilan thermique, du taux de couverture et de la rentabilité du CES

1. Besoin en énergie calorifique annuelle :

2. Apport solaire annuel :

3. Couverture solaire

4. Rendement de l’installation est pris à 30%

5. Coût de l’investissement la première année: 670 000 FCFA



61


- Prix d’achat du CES : 660 000 FCFA

- Remplacement de l’échangeur sur la durée de 11 ans : 20 000 FCFA

- Maintenance : 10 000 FCFA par an

6. Gain énergétique annuel avec un taux de couverture de 70%

7. Surface des capteurs

Avec Esol = 5, 36 kWh/m² soit 1956,4 kWh/m² l’irradiation solaire annuelle

8. Quantité de CO2 évitée

La SONABEL émet une quantité de 0,8 kg de CO2 /kWh d’où la quantité de kg de CO2 évitée

par an est :

Détermination des frais d’énergie consommée par le chauffe-eau électrique et

l’appoint

9. Dépense énergétique annuelle du chauffe-eau électrique



62


Avec : 394 ,2 kWh consommés par mois

FCFA/an

10. Dépense énergétique annuelle en appoint

11. Le ratio entre les dépenses annuelles

Détermination de la quantité de CO2 émis par le chauffe-eau électrique et CES

12. Quantité de CO2 émis par le chauffe-eau électrique

3812,68 kg de CO2

13. Quantité de CO2 émis par l’appoint



63


14. Ratio entre les émissions du CO2 du chauffe-eau électrique et du CES



64


Annexe IX : répartition des pannes fréquentes dans une installation solaire production d’ECS

Figure 28: répartition de pannes fréquentes dans une installation de CES

0%

20%

40%

60%

80% 66%

10% 14%5% 5%

pannes fréquentes sur les installations de CES

fuites dans la tuyauterie et dans la citerne

problème d’étanchéité des assemblages des vannes

Bouchage et perforation de l’échangeur



65


Annexe X : carte du gisement solaire mondial

Figure 29: carte de rayonnement solaire mondiale ou gisement solaire



66


Annexe XI : Fiches d’enquête

QUESTIONNAIRE POUR UTILISATEURS DE CHAUFFE-EAU SOLAIRE

1- Quel est le nombre d’occupant de votre logement ?

2- Quel est le nombre d’utilisateurs d’eau chaude présent chez vous ?

3- Quel genre de chauffe-eau connaissez-vous ?

- Chauffe-eau électrique

- Chauffe-eau solaire

4- Quel type de chauffe-eau avez-vous à votre disposition ?



5- Trouvez-vous entièrement satisfaction lors de son utilisation ?

- Oui car je peus avoir l’eau chaude à tout moment

- Non car à certains moment je n’ai pas d’eau chaude comme de désire

6- Vous arrive-il d’utiliser un autre moyen pour chauffer de l’eau, si oui lequel ?

- Le bois

- Le gaz

- Le chauffe-eau électrique

- Non aucun autre

7- Seriez-vous prêt à adopter l’utilisation d’un chauffe-eau qui réponde à vos attentes si on vous

proposait un ?

- Oui s’il me permet d’obtenir l’eau chaude comme je veus

- Oui s’il me permet de réduire ma facture d’électricité

- Non, car j’ai déjà un et je pense que çà fera l’affaire.

8- Quels raisons peuvent vous poussez à ne pas utiliser un chauffe-eau ?

- Le prix d’achat énorme

- Lorsqu’il ne chauffe pas l’eau rapidement, çà ne vaut pas la peine

- Autres c.-à-d. ……………………………………………………........................................

9- est ce que le fait de savoir que, l’utilisation d’une technologie comme le chauffe-eau solaire

permettrait d’éviter les catastrophes naturelles comme celles du 1er

septembre au Burkina

Faso, pourrait vous faire l’adopter comme moyen pour chauffer l’eau? oui non

10- Quels critères vous inciteraient à utiliser un chauffe-eau solaire, pour obtenir l’eau chaude ?

- il permet aussi de protéger la nature contre les catastrophes naturelles

- avoir uniquement l’eau chaude et seulement pour cela

Lieu :

Température d’utilisation :



67


- il me permet de réduire ma facture d’électricité

QUESTIONNAIRE POUR REVENDEURS DE CHAUFFE-EAU

1- Quels types de chauffe-eau votre entreprise commercialise ?



- Résistance chauffante

- Bouilloire électrique

2- Parvenez-vous facilement à vendre certains d’entre-deux, si oui les quel en majorité ?





3- Vos clients tirent ils toujours satisfaction du chauffe-eau acheté, si oui lequel ?





4- Si on vous proposait un type de chauffe-eau qui réponde aux attentes de vos clients sur le plan

économique d’énergie pourriez-vous les encourager à s’en approprier ? oui peut-être

5- Faire de l’argent en ayant un souci porté sur la protection de l’environnement vous intéresse-

il ? oui peu m’importe non je ne sais pas

6- Si vous faisiez une étude de marché sur les chauffe-eau solaire et que vous découvriez une

tendance des populations à l’accepter, vous lanceriez-vous dans sa vente ? oui

non

7- Vos clients connaissent-ils l’existence du chauffe-eau solaire, ou lorsqu’ils viennent acheter

un ils disent simplement :

- J’ai besoin d’un chauffe-eau

- J’ai besoin de quoi chauffer de l’eau

- Pourriez- vous me propos un chauffe-eau

Vendeur:

Température d’utilisation :

Nombre vendu :

Type de chauffe-eau :

ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTALE DES CHAUFFE-EAU SOLAIRES EN CLIMAT TROPICAL

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Annexe XII : Grille Tarifaire

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