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3/13/2010 1 Systèmes multi-source Ecole Centrale de Lyon Tiberiu CATALINA [email protected] INSA-Lyon / Laboratoire CETHIL (Centre de Thermique de Lyon) Systèmes multi-source L’objectif national est de diviser par 4 la consommation diviser par 4 la consommation diviser par 4 la consommation diviser par 4 la consommation énergétique énergétique énergétique énergétique du secteur du bâtiment à l’horizon 2050 Optimisation de la performance énergétique des bâtiments Utilisation des sources d’énergie renouvelable Couplage des systèmes 1. Introduction

Systemes Multi Sources

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Systèmes multi-source

Ecole Centrale de Lyon

Tiberiu [email protected] / Laboratoire CETHIL (Centre de Thermique de Lyon)

Systèmes multi-source

L’objectif national est de diviser par 4 la consommation diviser par 4 la consommation diviser par 4 la consommation diviser par 4 la consommation énergétiqueénergétiqueénergétiqueénergétique du secteur du bâtiment à l’horizon 2050

Optimisation de la performance énergétique des bâtiments

Utilisation dessources d’énergie renouvelable

Couplage des systèmes

1. Introduction

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Les systèmes à énergies renouvelables posent trois problèmes:

estimation estimation estimation estimation des besoins énergétiques

optimisationoptimisationoptimisationoptimisation des éléments de conception

L’analyse énergétique des bâtiments est importante:

le dimensionnementle dimensionnementle dimensionnementle dimensionnement des systèmes

lelelele contrôlecontrôlecontrôlecontrôle----commandecommandecommandecommande de ces systèmes

lelelele choixchoixchoixchoix dudududu systèmesystèmesystèmesystème (couplagecouplagecouplagecouplage desdesdesdes sourcessourcessourcessources)vis à vis des critères énergétiques, économiqueset environnementaux

1. Introduction

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1. Introduction

De plus en plus lessources d’énergiesrenouvelables vontcohabiter avec lessources d’énergiesconventionnelles.

L’utilisation de plusieurs sources sur le même site devient unesolution très intéressante avec l’avantage que des réductionsmajeures d’énergie peuvent être obtenues.

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2. Les sources d’énergie

-l'énergie solaire, transportée sous forme de rayonnement électromagnétique transformée en énergie thermique et électrique

-l’énergie géothermale peut être extraite du sol à l'aide d'une pompe à chaleur pour chauffer le bâtiment

-l'énergie éolienne est l'énergie mécanique du vent

-la biomasse (chauffage au bois, principalement)

- combustibles fossiles (le charbon, le pétrole et le gaz naturel)

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3. Production d’eau chaude sanitaire avec un system multi-source

Utilisation Utilisation Utilisation Utilisation de l’énergie solaire thermique

Enjeux Enjeux Enjeux Enjeux : atteindre 110 000 tep/an en 2020 pour 10 000 tep/an en 2006

L’exploitation doit se faire non seulement en fonction des

besoins mais aussi en fonction de la disponibilité de l'énergie

Des aidesaidesaidesaides ontontontont étéétéétéété misesmisesmisesmises enenenen placeplaceplaceplace pour soutenir ceux quiveulent s’équiper par des systèmes solaires (thermiques-photovoltaïques)

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3. Production d’eau chaude sanitaire avec un system multi-source

Système solaire thermique Système solaire thermique Système solaire thermique Système solaire thermique

DirectDirect

Diffus

Diffus

Réfléchi

Sol

Absorbé

Carte de la zone ensoleillement en France

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Le soleil chauffe de l’eau, etcette eau va transmettre sachaleur au circuit dechauffage grâce àun échangeur.

Ne couvre pas entièrement les besoins !!

Energie ,,verte,, + source fossile

3. Production d’eau chaude sanitaire avec un system multi-source

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Energie solaire thermique + divers sources d’énergie fossile

La source d’appoint La source d’appoint La source d’appoint La source d’appoint pourra être:

le gaz (chaudière)

électrique (résistance électrique, pompe à chaleur)

Le même principe de couplage dessources dans le cas d’uneproduction d’eau chaude pour lechauffage

3. Production d’eau chaude sanitaire avec un system multi-source

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L’utilisation de l’énergie solaire pour la production d’ECS dépend

de la consommation, du climat, des propriétés thermiques des

capteurs

Dimensionnement pour 50-70% couverture solaire; 50l/pers/jour à 45°C

3. Production d’eau chaude sanitaire avec un system multi-source

17,231,1

58,274,4

83,896,8

100,097,4

74,6

46,4 20,011,3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

30

80

130

180

230

280

330

Jan. Feb. Mar. Apr. May. Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.

Mo

nth

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(k

Wh

)

Supplied energy

Demanded energy

Supply/demand match

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3. Chauffage avec un system multi-source (solaire+ fossile)

L'énergie est collectée par lescapteurs, stockée dans le ballonpuis restituée selon les besoins versle circuit de chauffage ou deproduction d'eau

L'évaluation des besoins d'été et d'hiver est indispensable afin de dimensionner correctement l'installation

En règle générale, les installations sont calculées pour couvrir 25 à 70 % des besoins annuels de chauffage et eau chaude sanitaire.

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4. Production d’électricité – panneaux photovoltaïque

La conversion directe de l’énergie lumineuse en énergie électrique, soit « l'effet photovoltaïque »

Les modules PV

Le « module photovoltaïque » est composé de « cellules photovoltaïques » qui sont montées en série ou en parallèle. Le module fournit un courant électrique continu.

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4. Production d’électricité – panneaux photovoltaïque

Pour obtenir la production annuelle maximale en Europe, les panneaux doivent être orientés plein Sud avec un angle par rapport à l’horizontale compris entre 25° (en Espagne) et 35°(Pays-Bas)

Un module est caractérisé par sa puissance nominale, appelée puissance crête (Pc) exprimé en Watts (conditions: 25°C, 1000W/m²)

Selon le choix de l'installation et de la technologie, les modules PV fournissent une puissance crête moyenne de 120-185 Wcrête/m2

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4. Production d’électricité – panneaux photovoltaïque

L’intégration architecturale

Pose de type « surimposée »

Pose de type « intégrée »

Intégration façade

Toiture terrasse

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4. Production d’électricité – panneaux photovoltaïque

Une centrale photovoltaïque raccordée au réseau, est-ellerentable ?

EDF a l’obligation d’acheter l’électricité produite par les producteurs non-nationalisés à partir d’énergies renouvelables

le tarif d’achat est fixé à 57,00 c€/kWh en France métropolitaine, dans la limite de 5 kWc pour les particuliers

Le coût du matériel (panneaux et onduleur) a diminué de 5 à 10 % par an depuis une dizaine d’années

Le coût minimum pour un système complet d’1 kWc (10 m²) se situe aux environs de 7 500 euros

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4. Production d’électricité – panneaux photovoltaïque

L’onduleur

Il a pour rôle de convertir le courant continu des panneaux photovoltaïques en courant alternatif identique à celui d’EDF.

Les batteries

Le rendement de l’onduleur doit être supérieur à 91 % avec unegarantie générale de 10 ans. Après 10-15 ans, il devra êtreremplacé.

Le stockage se fait dans des batteries d’accumulateurs. Lacapacité de stockage utile est calculée en fonction du nombre dejours d’autonomie nécessaire.

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4. Production d’électricité – panneaux photovoltaïque

Système hybride PV-DieselL'usage de batteries destockage est requis pourpallier les périodes sanssoleil.

Solution surtout utiliséedans le cas des sitesisoles ou une connexionau réseau publique n’estpas disponible

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5. Production d’électricité – éoliennes

L’énergie du vent est exploitée par des éoliennes: des hélicesinstallées au sommet de pylônes et qui tournent sous l'actiondu vent. La rotation des hélices actionne un système produisantde l'électricité.

Classification :

Les petites éoliennes : tournent très vite (plus de 250 tours/minute) ; peuvent avoir 2, 3, 5 pales

Les grandes éoliennes la tour a 45 mètres de hauteur ; diamètre de l'hélice près de 60 mètres ; puissance installé de 1500 kW

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5. Production d’électricité – éoliennes

Le frein : Permet à l’éolienne defonctionner en cas de vitesses desvents trop importante

Le multiplicateur : Augmente lavitesse de rotation d’un secondrotor

Le système de régulationélectrique : ralenti le rotor dugénérateur en cas de surrégime

Le système d’orientation : place la nacelle et donc les pales face au vent

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5. Production d’électricité – éoliennes

La puissance incidente du vent est cinétique et dépend de lasurface que le capteur éolien "propose au vent", de la vitesse duvent et de la masse volumique de l'air.:

ρ : masse volumique du fluide (1.23 kg/m³ pour l'air à 20°C)S : surface du capteur éolien en m²V : vitesse incidente (amont) du fluide en m/s

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à 16/27, soit environ 59,3 %.

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5. Production d’électricité – éoliennes

4,5 m/s 16,2 km/h C'est la vitesse d'amorçage.

6 m/s 21,6 km/h Une vitesse moyenne des vents qui vous permet d'exploiter sérieusement une éolienne pour produire de l'énergie.

8 m/s 30 km/h C'est un seuil idéal pour installer une éolienne.

15 m/s 55 km/h Eolienne est en pleine production.

25 m/s 90 km/h La petite éolienne doit être arrêtée, cela va trop vite pour sa frêle constitution ! Sa grande sœur fonctionne bien, mais déjà les contrôles automatiques réduisent sa capacité.

30 m/s 115 km/h Toutes les éoliennes sont arrêtées. Les autres risquent des dommages considérables : perte des pales, rupture de la tour.

Limites sur les vitesses du vent

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5. Production d’électricité – éoliennes

Les avantagesC’est une énergie renouvelable C’est une énergie dont l’utilisation ne pollue pas l’atmosphère. Les coûts d’installation ne sont pas très élevés.

Limites

L’énergie éolienne est variable dans le temps !

Système de production hybride (multi-source) panneauxphotovoltaïques + éolienne + groupe électrogène

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5. Production d’électricité – éoliennes

En dehors des subventionsspécifiques existantes pour lesinstallations d’éolienne en siteisolé, un crédit d’impôt estattribué pour ce typed’installation.

Ce crédit d'impôt est de 50%sur le montant TTC del'éolienne (matériel hors mâtet installation électrique).

Bonne rentabilité du système !!

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6. Chauffage du bâtiment avec pompe à chaleur

Pompe à chaleur (PAC)= une machine thermodynamiquedestinée à assurer le chauffage d’un local à partir d’une sourcede chaleur externe dont la température est inférieure à celle dulocal à chauffer.

Les PAC sont considérées comme une technologie « énergie renouvelable » dans la mesure où une partie des calories produites sont issues de la chaleur naturelle de l’air (PAC air-air ou air-eau) ou bien PAC sol-eau

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6. Chauffage du bâtiment avec pompe à chaleur

Selon que la pompe à chaleur travaille en mode chaud ou froid, lecoefficient de performance (COP) d’une pompe à chaleur estdifférent puisque les chaleurs calorifiques et frigorifiques sontdifférentes à un instant donné

Une valeur COP=3-3.5 constitue la valeur cible à atteindre (Pompe à Chaleur de Qualité)

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6. Chauffage du bâtiment avec pompe à chaleur

Pompe à chaleur aérothermique

Le rendement despompes à chaleuraérothermiquesvarie en fonction dela température del’air extérieur.

Plus cette différence est importante entre la source froide et celle chaude, plus le COP est faible

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6. Chauffage du bâtiment avec pompe à chaleur

Une solution élégante est le couplage de capteurssolaires, d’une PAC et d’un stockage tampon.

Pour le système PAC air-eau ou air-air un système dedégivrage est mis en route dès que la température de l’air sesitue en dessous de 5°C.

Ce type de PAC est souvent associé à un chauffage d’appointqui fonctionnera uniquement lorsque la PAC ne peut fournirassez de chaleur.

Le système peut s’inverser et il permet de refroidirl’habitation

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

La pompe à chaleur géothermique est un appareil qui prélève de la chaleur dans le sol, grâce à un réseau de tubes enterrés dans lesquels circule un fluide caloporteur.

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

Les propriétés thermiques des sols sont conditionnées par lescaractéristiques de leurs textures et de leurs structures.

Les conditions ext., commele vent ou lesprécipitations, influent surla température de lasurface du sol.

Le rayonnement solaireconstitue le facteur le plusimportant.

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

Décharge thermique du sol

L’utilisation de pompes à chaleur géothermiques à échangeurs enterrés verticaux peut générer des déséquilibres importants au niveau des charges thermiques échangées avec le sol !!

diminution progressive de la température moyenne du sol

COP de la pompe diminue dans le temps

Recharge thermique du sol artificielle (énergie solaire)

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

Couplage de capteurs solaires thermiques avec une pompe à chaleur géothermale

Utilisation pour des maisons individuelles mais aussi pour des grand bâtiments

Le système de régulation est également essentiel (utilisation des vannes 3 voies)

Taux de recharge thermique du sol de 20% (en deux ans)

Fonctionnement d’un plancher solaire

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

Dimensionnement descapteurs pour laproduction d’eauchaude sanitaire

Le temps de réaction des vannes à trois voies est relativement long

Schéma 1

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

Dimensionnement descapteurs pour la productiond’eau chaude sanitaire – lesurplus sera injecté dans lesol

Eviter les problèmes desurchauffe dans les capteurssolaires et stockage dans lesol

Eventuellement on pourrautilise un deuxième ballon destockage pour une utilisationavec un plancher chauffage

Schéma 2

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7. Chauffage du bâtiment avec PAC géothermale

Les pompes à chaleur géothermique à échangeurs verticauxsont utilisées de plus en plus souvent pour répondre auxbesoins de chauffage et de rafraîchissement des bâtiments

Le problème de surchauffe des capteurs solaires thermiques par les surplus d’énergie solaire

Ces deux énergies renouvelables se complètent bien car siles excédents d’énergie solaire sont injectés dans le sol

Surdimensionnement de la surface des capteurs solaires thermiques – taux de recharge du sol de l’ordre de 34%Apres 20 ans de fonctionnemet on observera seulement unediminution de 3% du COP

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8. Chauffage individuel au bois

Les types de combustibles:

Les bûches

C’est la forme la plus utilisée par le particulier. Son emploi nécessite néanmoins de nombreuses manipulations.

Les plaquettes

Ce sont des morceaux de bois obtenus par le déchiquetage d’arbres

Les granulés

Ils représentent la forme la plus récente de combustible bois.

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8. Chauffage individuel au bois

Les systèmes individuels de chauffage au bois

les poêles à bois

le chauffage central au bois (à bûches ou à plaquettes)

les chaudières à pellets

Leur rendement varie de 40 à 50%, pour une autonomie d’environ 3 à 6 heures.

Poêle a bois

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8. Chauffage individuel au bois

Le chauffage central au bois (à plaquettes)

Le contrôle de la combustion est beaucoup plus précis

Le rendement est donc optimisé et les émissions de polluants sont réduites

A titre indicatif, on peut retenir les ordres de prix suivants :

4 500 à 12 200 € en fonction de la puissance a installer (1kW-20KW)

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8. Chauffage individuel au bois

Stère =unité de mesure du bois de chauffage, égale à 1 mètre cube

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8. Chauffage individuel au bois

Influence de l’humidité du bois sur le rendement de la combustion

Le bois vert contient 50% d’eau et donc il n’est pas utilisable tel quel -> séchage obligatoire

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8. Chauffage individuel au bois

Couplage des systèmes (multi-source)

Chauffage bois + gaz Il existe des chaudières mixtes qui fonctionnent à la fois au bois et au gaz : chaudière double foyer.

Poêle bois + chauffage classiqueComplétez votre chauffage classique avec chaudière ou électrique par des des poêles bois.

Chauffage bois + solaire thermique(production d’ECS )

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9. Rafraichissement des bâtiments

Le puits canadien (ou provençal)

2 mètres de profondeur, en hiver, il fait plus chaud qu’à l’extérieur, en été il y fait plus frais.

Utilisation de l’inertie du sol

Le puits canadien est un échangeur thermique

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9. Rafraichissement des bâtiments

Il se réchauffe en hiver pour atteindremême par –15° une température de 2 à5°C. Les besoins de chauffage sont ainsiréduits et le maintien hors gel est assurénaturellement.

Les meilleures performances sontobtenues avec un tuyau de granddiamètre (160mm) et enterré à 1,50 à 2mde profondeur et sur une longueur de 25à 30m.

Le puits canadien (ou provençal)

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9. Rafraichissement des bâtiments

Dessiccation solaire

Utilisation du silica gelpour dehumidifier l’air

Humidification après la recuperation pour reduire la temperature

Utilisation des panneauxsolaire pour chauffer l’air

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Résume

1. Introduction (sources)

2. Chauffage/ECS avec des panneaux solaires thermiques

3. Couplage avec une source d’appoint

4. Panneaux photovoltaiques

5. Eoliennes

6. Couplage entre photovoltaique-eolienne

Systèmes multi-source

Résume

8. Chauffage par pompe a chaleur

9. PAC geothermique + solaire

10. Chauffage bois + solaire

11. Rafraichissement par puits canadien ou dessication solaire

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Bibliographie

http://www.erec-renewables.org : European Renewable EnergyCouncil

http://www.estif.org - European Solar Thermal Industry Federation

http://www.epia.org : European Photovoltaic Industry Association

http://ines.solaire.free.fr/ Logiciel CALSOL

http://www.retscreen.net/ Logiciel d'analyse de projets d'énergies propres - CANADA