Chauffe-eau solaire

Les futurs propriétaires de la maison, soucieux des problèmes environnementaux et économiques actuels, décident d’équiper leur logement d’un chauffe-eau solaire. La conception et l’installation d’un CESI (Chauffe-Eau Solaire Individuel) doit répondre aux besoins et aux contraintes suivantes :

• chauffer l’eau sanitaire en utilisant au maximum l’énergie solaire,
• garantir un investissement durable (économique et environnemental),
• minimiser les pertes thermiques du ballon de stockage,
• optimiser les échanges énergétiques et la durée de vie du CESI.

Le CESI de type électro-solaire à circulation forcée (de référence EC-300-2-CHA) est fabriquée par la société applications thermiques européennes (SATE), filiale du groupe Atlantic implantée à Fontaine (territoire de Belfort). Il comprend :

• deux capteurs solaires « Solar Plan 230 H » avec châssis et système de fixation incliné à 45 °,
• un réservoir de stockage de 300 litres en acier émaillé équipé d’un échangeur solaire et d’un appoint intégré électrique,
• une pompe de circulation du fluide caloporteur (eau glycolée) constituant avec les capteurs, l'échangeur solaire et les accessoires hydrauliques et de sécurité, le circuit primaire du procédé. Ce circuit permet le transfert du fluide chauffé dans les capteurs solaires vers l'échangeur solaire du réservoir de stockage,
• un système de régulation gérant les fonctions chauffage de l'eau chaude sanitaire par l'énergie solaire et par l'appoint.

1 - Analyse de la solution retenue

= 25 min

Question 1 - À partir du schéma d’installation et du diagramme d'exigences fourni dans le document technique, renseigner sur le schéma fluidique du document réponses DR1 le nom des composants de l’installation réalisant les exigences suivantes :

• Chauffer un fluide caloporteur,
• Assurer la circulation de l'énergie,
• Stocker l'eau,
• Restituer l'énergie solaire,
• Pallier l'insuffisance d'ensoleillement.

Question 2 - Colorier sur ce même schéma fluidique :

• le fluide caloporteur (eau glycolée) en vert,
• l’eau chaude sanitaire en rouge,
• l’eau froide sanitaire en bleu.

Question 3 - Citer les trois composants assurant un transfert thermique au sein du système.

2 - Vérification de la capacité et de l’efficacité énergétique

= 45 min

L’énergie solaire disponible est donnée par la relation : Es = ½  × E × fi × fo × fc avec :    

• E : énergie solaire reçue en France en fonction de la localisation de l’installation en une journée par m² (en kWh·m^-2/j).
• fc : facteur de correction du fluide caloporteur (fc = 0,9).
• Les coefficients fi, fo sont à trouver à partir des graphique suivants.



La figure suivante donne l’orientation des capteurs (rappel : inclinaison = 45°). Ils seront placés sur le toit du premier étage, parallèles à la façade 1 et orienté vers le sud est.

Question 4 - A l'aide des données météorologiques de la ville de Chinon, calculer l'énergie solaire moyenne E reçue en une journée.

Question 5 - Reporter l'orientation des capteurs solaires sur la figure 1 du DR2 et en déduire les coefficients fi, fo.

Question 6 - Sachant que le système est composé de deux capteurs solaires de 2 m² chacun, calculer l’énergie solaire Es générée par l’installation.

Question 7 - Commenter le choix de l’implantation des capteurs solaires du CESI et proposer des améliorations afin d’optimiser la puissance de l’installation.

 

Le CESI étudié est destiné aux besoins d’une famille de quatre personnes. La consommation estimée est de 140 litres d’eau chaude sanitaire par jour. La consigne de température est fixée à 60 ° C.

Question 8 - Pour de l’eau initialement à 15°C, calculer l’énergie thermique Q à fournir pour atteindre la température désirée. Exprimer cette valeur en kWh (1 Wh = 3 600 J) et en déduire l’énergie à fournir pour un mois de 30 jours.

On donne : Q = m × C × ΔT avec :

• Chaleur massique de l’eau : C = 4185 J·kg^-1·K^-1
• m : masse de l’eau
• ΔT : écart de température en ° Celsius.
• Q : quantité de chaleur en joule (J).

Les calculs précédents nous permettent de remplir le tableau des besoins énergétiques fourni sur le DR2. Le Taux de Couverture Solaire (TCS) est le pourcentage exprimant la part d’énergie solaire par rapport au besoin énergétique total.

Question 9 - Compléter sur le tableau les valeurs du Taux de Couverture Solaire et de l'énergie d’appoint nécessaire.

Question 10 - Commenter les résultats obtenus.

3 - Rentabilité de l'installation

= 40 min

Le tableau ci-dessous donne le coût d'investissement et le coût énergetique annuel des différents chauffe-eau.

Coût énergetique (en €)	Coût d'investissement	Janvier	Fev	Mars	Avril	Mai	Juin	Juillet	Août	Sept.	Oct.	Nov.	Dec.	TOTAL annuel
Chauffe-eau électrique	950	34,71	31,07	33,02	30,94	30,68	28,47	28,99	14,43	29,12	31,46	32,11	34,32	359,32
Chauffe-eau gaz	1 200	18,69	16,73	17,78	16,66	16,52	15,33	15,61	7,77	15,68	16,94	17,29	18,48	193,48
CESI appoint électrique	2 500	24,96	15,08	7,28	0	0	0	0	0	0	10,01	21,71	28,08	107,12
CESI appoint gaz	3 000	13,44	8,12	3,92	0	0	0	0	0	0	5,39	11,69	15,12	57,68

Question 11 - Déterminer les équations permettant de calculer le coût énergétique des différents chauffe-eau sur plusieurs années.

Question 12 - Tracer ces 4 équations sur le graphique du DR3.

Question 13 - Commenter la rentabilité du CESI étudié. A partir de combien d'année d'utilisation est-il plus rentable qu'un chauffe-eau non solaire ?