ETUDE FAISABILITE SOLAIRE THERMIQUE

CAHIER DES CHARGES

VERSION JANVIER 2016

1/ PREAMBULE

Dans le cadre de la politique de maîtrise de l’énergie, le Comité Territorial pour la Maîtrise de l’Energie (CTME) souhaite inciter les maitres d’ouvrages et gestionnaires de bâtiments à s’engager sur la voie de l’utilisation des énergies renouvelables. A ce titre, les études de faisabilité solaire thermique peuvent être subventionnées par le CTME, selon des critères définis annuellement. Plus d’information : https://maitrise-energie.nc Le présent cahier des charges concerne les études de faisabilité solaire thermique pour la production d’eau chaude sanitaire. Il précise le contenu et les modalités de réalisation de ces études qui seront effectuées par des prestataires techniques qualifiés et indépendants.

2/ OBJECTIF

Le but de l’étude de faisabilité solaire thermique est de définir le type d'installation projeté et les éléments caractéristiques qui entrent dans la conception de l'installation. Cette étude doit fournir au maître d’ouvrage des éléments clairs, fiables et chiffrés lui permettant d’apprécier l’intérêt de réaliser un investissement utilisant le solaire thermique. Cette étude vise notamment à :

• évaluer les besoins en intégrant une démarche de sobriété

• valider l’option solaire

• identifier la meilleure solution technique

• optimiser le dimensionnement de l’installation sur la base de performances environnementales minimales

• évaluer les performances attendues en termes de production solaire, d’appoint énergétique et d’émissions de CO2 évitées

• réaliser une évaluation économique du projet, au regard d’une solution de référence

• définir le cas échéant les conditions de suivi de l’installation Au terme de l’étude, il est demandé de remplir la fiche technique et financière, si une demande d’aide à l’investissement est envisagée.

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3/ PRESENTATION DE L'ETABLISSEMENT ETUDIE

• Nom et coordonnées du maître d'ouvrage

• Nom des contacts administratifs et techniques

• Le cas échéant : nom et adresse du lieu de l'installation projetée (si différent de l'adresse du maître d'ouvrage)

• Description de l'activité de l'établissement

• Capacité de l'établissement (nombre de lits, de logements par nature et typologie, de couverts, surface des bassins, …)

• Dans le cas d'une installation existante, documents collectés lors de la visite (plans, factures énergie, caractéristiques de l’équipement existant, énergie utilisée, relevé de taux d'occupation, nom et fonction de la personne référente…)

Une visite du site est obligatoire afin de pouvoir prendre en compte toutes ses éventuelles particularités (ombrage, effet de masque, place disponible etc.).

4/ RECAPITULATIF DES RESULTATS DE L'ETUDE

Sous forme d'un tableau synthétique, rappel des informations qui seront détaillées dans le corps de l'étude, à savoir :

• Besoins ECS (l/jour)

• Besoins ECS (kWh/an)

• Surface d’entrée des capteurs prévus1 (m2)

• Volume de stockage (litres)

• Production solaire utile (kWh/an)

• Consommation de l’appoint (kWh/an)

• Consommation des auxiliaires (kWh/an)

• Taux de couverture solaire annuel2 (%)

• Productivité (kWh/m².an)

• Montant de l'opération (XFP HT et TTC)

• Economies annuelles3 (XFP TTC)

• Prix du kWh substitué (XFP TTC)

• Prix du kWh solaire calculé sur 20 ans (XFP TTC)

• Quantité de CO2 évité (tonnes/an)

1 Selon la norme EN12975 2 Tel que définit en annexe 2 : ratio de la production solaire utile sur les besoins consommés 3 L’économie annuelle intègre la différence entre le coût d’exploitation de la solution solaire et la solution de référence. Les coûts intègrent les dépenses d’énergie, les coûts de maintenance et d’entretien, les prestations, …. Ils sont calculés sur la durée de vue du matériel et actualisés. L’ADEME recommande de prendre un taux d’actualisation de 5%/an.

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De plus, il sera précisé :

• La technologie de capteurs (capteur plan, tube sous vide…)

• Le type d’énergie d’appoint (Gaz, Electricité, PAC, Bois, …)

• L’indication du lieu d'installation des capteurs (par exemple sur toiture terrasse, au sol, superposé ou intégré en toiture etc.)

• Indication du lieu d'implantation du local technique (par exemple sur toiture terrasse, dans local à créer etc.)

5/ DESCRIPTION DES BESOINS

Selon la typologie de l’établissement, il conviendra de définir une température de consigne satisfaisant les besoins exprimés2. Plusieurs paramètres sont à déterminer :

• Température de consigne

• Volume journalier moyen consommé en précisant les extremums

• Profil de puisage (annuel et journalier le cas échéant) Une campagne de mesure des consommations réelles d’eau chaude est obligatoire pour les opérations dans l’existant dont la surface de capteurs solaires est supérieure à 100 m². Cette campagne pourra être faite sur un échantillon représentatif de logements, dont la pertinence sera discutée en accord avec le CTME.

6/ DESCRIPTION DE LA SOLUTION DE REFERENCE OU DE

L’INSTALLATION EXISTANTE

Il conviendra de définir une solution de référence. Pour un projet neuf, il peut s’agir des pratiques du maître d’ouvrage ou autres. Pour les réhabilitations, les équipements existants peuvent être considérés comme la solution de référence.

Solution de référence

La solution de référence devra à minima présenter les éléments suivants :

• Energie utilisée

• Puissance estimée (kW)

• Coût d’investissement estimatif (XFP TTC)

• Coût unitaire de l’énergie utilisé (XFP/kWh)

• Consommation d’énergie (kWh/an)

• Coût entretien sur 20 ans (maintenance et renouvellement) (XFP TTC/an)

2 En annexe 2 sont fourni des éléments d’aide au dimensionnement

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Réhabilitation d’une installation existante

En plus des éléments précédents, il conviendra de renseigner les points suivants :

• Description du système de production (marque, type, puissance, année de mise en service, température de sortie)

• Dénombrement des points de puisage par lieu (chambres, cuisine, buanderie) et par usage (douches, lavabos, plonges, machines à laver,…).

• Description du système de distribution � Nature des canalisations et diamètre � Bouclage (température, heures de fonctionnement) � Implantation de la production d'ECS (local technique, cuisine, salle de bain …)

7/ DIMENSIONNEMENT DE L'INSTALLATION SOLAIRE

Rappel des bilans de consommation et en l'absence de mesures, récapitulatif des estimations (types de besoins, température de service, fréquentation, saisonnalité, ratios utilisés,…)3. Le dimensionnement devra respecter l’ensemble des critères du système d’aides pour le solaire thermique. Principalement, la productivité utile du projet doit être supérieure à 450 kWh/m².an et le taux de couverture moyen supérieur à 70 %4.

Bilan thermique

• Présentation de la méthode de calcul.

• Données météorologiques du site considéré (température ambiante, irradiation solaire, température d'eau froide)

• Caractéristiques des composants (capteurs, ballons solaires, liaisons)

• Présentation synthétique des résultats de calculs (résultats détaillés joints en annexes)5

Calcul de l'installation

Choix et justification du système individuel ou collectif, du volume de stockage et de la surface de capteurs : pour chaque installation, au moins deux configurations seront calculées et présentées (surface et/ou volume de stockage différents, systèmes individuels ou collectifs etc.) et le choix de l’une des configurations sera motivé.

3 En annexe 2 sont fourni des éléments d’aide au dimensionnement 4 Tel que définit en annexe 2 : ratio de la production solaire utile sur les besoins consommés 5 Un tableau type de détail mensuel est fourni en annexe 3

5

8/ PRINCIPE DE L'INSTALLATION ET DE SON FONCTIONNEMENT

Principe hydraulique de l'installation

• Installation des capteurs solaires (raccordements des capteurs et des batteries de capteurs en série ou en parallèle etc.)

• Installation des ballons de stockage et principe hydraulique de raccordement : boucle primaire, distribution en parapluie etc.

• Schémas de principe (joints en annexe)

Principe de fonctionnement

Description de la régulation et des plages de fonctionnement : différentiels de températures, sonde d’ensoleillement etc.

9/ IMPLANTATION DES MATERIELS SOLAIRES

Dans le cas d’une étude intégrant plusieurs installations de production solaire, pour chaque installation il faudra préciser les éléments suivants :

Capteurs

• Lieu d'implantation des capteurs solaires : type de toiture, orientation et inclinaison des capteurs, montage indépendant ou intégrés en toiture etc.

• Masques proches et/ou lointains du site6

Ballons de stockage

Lieu d'implantation, distance capteurs/ballons, local disponible, local à créer…

Schéma de principe

Justification du choix d’un système individuel ou collectif selon les contraintes techniques du site. Implantation des autres équipements (régulateur, position des sondes, circulateur, système d’expansion, panoplie hydraulique etc.) notamment pour les systèmes individuels thermo-régulés ou collectifs. Afin de garantir le bon fonctionnement des installations, le prestataire devra proposer des solutions techniques pour pallier au risque de surchauffe. Globalement, prévoir la possibilité d’isoler les batteries de capteurs ainsi que chaque élément hydraulique pouvant nécessiter de la maintenance.

6 Profil du masque à établir sur un diagramme orthographique fourni en annexe 1

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10/ MESURES DES PERFORMANCES (TELECONTROLE OU RELEVE)

Toute installation collective dont la surface de capteurs solaires est supérieure ou égale à 25 m² doit obligatoirement faire l’objet d’une instrumentation pour le suivi énergétique et de fonctionnement.

Le but du suivi est avant tout de vérifier que l’installation produit réellement l’énergie attendue telle qu’elle a été estimée lors du dimensionnement.

• L'énergie solaire utile est mesurée en sortie de ballon solaire et représente l'énergie fournie par l'installation solaire à la production d'eau chaude (sanitaire ou piscine). Cette énergie diffère de l'énergie "brute" sortie capteurs qui ne prend pas en compte les pertes liées au stockage de l'eau chaude solaire. Cette notion d'énergie solaire utile ne permet pas directement de calculer les économies d’énergies réalisées sur l’appoint mais fournit une indication fiable sur le fonctionnement de la partie solaire de l'installation.

• Le maître d’ouvrage, ou le maître d’œuvre suivant l’installation, devra ensuite établir un tableau de bord de suivi des performances de l'installation contenant à minima les valeurs mois par mois de :

1. Vecs représentant le volume d'eau froide traitée (mesurée en entrée ballon)

2. la valeur de Esol (énergie solaire utile), avec Esol = Vecs * 1.16 * (Tss –Tef) avec Tss la température de l’eau solaire en sortie de ballon et Tef la température de l’eau froide

Pour cela il sera nécessaire de mettre en place un télécontrôleur qui collectera, enregistrera et communiquera l’ensemble des paramètres prédéfinis (températures / énergies / débits).

Pour plus de simplicité ce télécontrôleur peut intégrer plusieurs fonctionnalités : régulation de l’installation, pilotage des pompes et de l’appoint, calcul de l’énergie solaire produite, de l’énergie d’appoint, envoi par mail des données enregistrées, serveur Web permettant une consultation locale et à distance des données instantanées et archivées de l’installation.

11/ BILAN ECONOMIQUE

Evaluation du coût des travaux, des mesures, de l'ingénierie, de

la maintenance

Détail des coûts Montant en XPF TTC Installations solaires

- Fourniture circuit solaire - Fourniture circuit appoint - Ingénierie - Main d’œuvre - Autres

Total dépenses Installations solaires

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Monitoring des installations solaires - Instrumentation - Programmation télérelevé - Contrat de suivi énergétique

Total dépenses Monitoring des installations solaires Coût total de l’opération

Evaluation de l'économie annuelle

• Energie substituée/prix constaté

• Estimation du rendement du système de production d'eau chaude existant ou détermination de celui-ci à partir des relevés de mesures

• Economie générée par le système solaire

• Estimation de la quantité de CO2 évitée7

Aides mobilisables

CTME – Provinces – Communes – Etat Il s’agit ici pour le prestataire de faire la liste des aides mobilisables par le maître d’ouvrage.

Analyse économique

Calcul du coût du kWh solaire sur 20 ans en intégrant le coût de la maintenance des installations et en prenant un taux d’actualisation de 5%. Cette analyse sera effectuée avec et sans subvention.

12/ CONCLUSIONS

Rappel des principaux aspects techniques et des arguments qui

ont conduit au choix de l’installation projetée.

Rappel du volet financier

Cohérence du projet

Lister d’autres actions relatives à la maîtrise de l’énergie, à l’utilisation des énergies renouvelables et à la protection de l’environnement (par exemple tri sélectif des déchets) qui pourraient être envisagées par le maître d’ouvrage dans le cadre d’une approche globale. Cf Cahier des charges pour réhabilitation et présentation des mesures ECOCAL

7 Sur la base de l’énergie solaire produite mais incluant les émissions liées à l’appoint et aux auxiliaires

8

Aspect pédagogique

Il y a lieu de prévoir dès le projet les actions de promotion qui pourront être engagées en vue de faire connaître la future réalisation (édition d’une plaquette, panneau d’affichage, inauguration…). Le coût de celles-ci devra être déterminé.

En annexe (à fournir)

• Tableau(x) de calcul de chaque installation

• Schéma de principe de l'installation

• Plans masse et d'implantation des équipements (capteurs, ballons, panoplie hydraulique etc.) ainsi que les schémas de principe des installations prévues.

• A défaut des plans, photos du lieu prévu pour l'implantation des capteurs et du local technique

ANNEXE 1- DIAGRAMME SOLAIRE ORTHOGRAPHIQUE

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ANNEXE 2 - ELEMENTS D’AIDE AU DIMENSIONNEMENT

1/ DONNEES GENERALES

Rappel : un surdimensionnement d’une installation conduit à une baisse de rendement global et donc une productivité (kWh/m².an) plus faible.

A/ Température de consigne

Par défaut, il est conseillé de d’utiliser une température de consigne de 50°C. Toutefois l’installation pourra être dimensionné avec une température différente sous réserve de le justifier.

B/ Taux de couverture

Le taux de couverture est défini parcons

col

Q

Q=τ . Il représente la part du solaire dans la

production d’énergie pour l’ECS, hors pertes de stockage et de distribution. Le taux annuel est obtenu en moyennant les valeurs mensuelles.

C/ Productivité

La productivité solaire annuelle utile est exprimée en kWh par m² de capteur8. La productivité est inversement proportionnelle à l’augmentation de la superficie de capteurs.

8 Surface utile défini selon NF EN ISO 9488

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D/ Besoins

Les consommations d’eau chaude des logements peuvent être estimées grâce aux valeurs indiquées dans le tableau ci-dessous :

Typologie Besoins estimés d’ECS à 50°C (L/jour)

F1 50 F2 80 F3 110 F4 140 F5 170 F6 200

Au besoin il peut être établi un profil de consommation journalier ainsi qu’un profil annuel. Pour les logements, il est conseillé d’utiliser les coefficients de variation de la valeur moyenne annuelle suivants : janv. fév. mars avril mai juin juil. août sept. oct. nov. déc. 0.87 0.87 0.92 0.97 1.03 1.08 1.13 1.13 1.08 1.03 0.97 0.92 Pour des applications particulières il est possible de se référer aux données ci-dessous : Application Eau chaude à 50°C Hôtel 1 à 3 étoiles, pension, internat 30 L/pers.jour

Hôtels 4-5 étoiles 50 L/pers.jour Hôpitaux, maison de retraite 40 L/pers + 1,5 L par employé/jour Campings 15 L/pers.jour

Restauration 12 à 18 L/repas Cuisine liaison froide 2 à 3 L/repas

Dans le cas d’installations desservant des équipements à la fréquentation irrégulière (groupe scolaire, hôtel, centre sportif etc.) une étude fine des besoins devra être réalisée, tenant compte des périodes d’inoccupation. Au besoin des dispositifs permettant de gérer le surplus de chaleur devront être prévus.

2/ CAPTEURS

A/ Nombre de capteurs

Le nombre de capteurs devra respecter : • soit 1m² pour 60 à 100L de volume de stockage • soit 1 tube pour 9L (tube de 47x1500) ou 1 tube pour 13L (tube de 58x1800)

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B/ Inclinaison

Les capteurs plans devront être posés de telle manière que la planéité soit respectée, avec un support adéquat. L’inclinaison devra être idéalement comprise entre 25 et 35°. Pour privilégier la production solaire durant les périodes fraiches, une inclinaison plus forte pourra être mise en place, sans toutefois excéder 45°. Une inclinaison latérale de 2° pour les thermosiphons devra être respectée.

C/ Orientation

L’orientation optimale est au nord. Toutefois l’installateur recherchera une position tenant compte de l’environnement et des problèmes techniques rencontrés avec un écart par rapport au nord :

• de plus ou moins 45° maximum de manière systématique • de plus ou moins 60° maximum quand cela est justifié : effet de masque, contrainte

technique, réglementation d’urbanisme

D/ Masques

Les hauteurs et distances des obstacles doivent respecter la règle suivante :

Idéalement, les capteurs doivent être dégagés de toute ombre portée minimum 6 heures par jours durant toute l’année.

3/ BALLON DE STOCKAGE ET DE PREPARATION DE L’ECS

A/ Isolation

Une isolation thermique doit être réalisée de façon à maintenir la température de l’eau stockée. Les méthodes de moussage d’isolation des réservoirs sont aléatoires, n’assurent pas une répartition homogène du produit isolant (mousse polyuréthanne), et sont donc à éviter. Ils devront être réalisés avec des conformateurs. Les constantes de refroidissement maximales des ballons seront les suivantes :

Volume (litres)

Constante de refroidissement

(Wh/24h/L/K)

Volume (litres)

Constante de refroidissement

(Wh/24h/L/K) 100 0,35 500 0,18 150 0,30 750 0,16 200 0,25 1000 0,14 300 0,20

Ces exigences de dimensionnement seront les mêmes pour un caisson de type auto stockeur.

α D

h

D > 1.7 h Où α < 30°

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B/ Enveloppe intérieure et extérieure

La cuve du ballon doit être en matière inoxydable, (anodisé ou inox marin) ou en émail vitrifié et l’enveloppe doit être rivetée ou sertie pour plus de solidité. Une anode sacrificielle ou à courant imposée sera présente dans chaque cuve. Les conditions d’emploi des fabricants, en cas d’eau chargée en minéraux, devront être respectées.

C/ Emplacement

Le ballon devra être positionné de telle manière que la longueur des canalisations entre celui-ci et les points de puisage soit la plus réduite possible. S’il existe un bouclage, celui-ci sera programmé en fonction des périodes de puisage.

D/ Legionelle :

Conformément à la réglementation (arrêté métropolitain du 30 novembre 2005) :

• Si le volume entre le point de mise en distribution et le point de puisage le plus éloigné est supérieur à 3 litres, la température de l'eau doit être supérieure ou égale à 50 °C en tout point du système de distribution.

• Lorsque le volume total des équipements de stockage est supérieur ou égal à 400 litres, l'eau contenue doit être en permanence à une température supérieure ou égale à 55 °C à la sortie des équipements ou subir un choc thermique suffisant au moins une fois par 24 heures (cf arrêté pour température et durée).

4/ CANALISATIONS

A/ Calorifuge

Un calorifuge sera mis en place sur les tuyauteries. Il aura une épaisseur d’au moins 13 mm (type Armaflex ou équivalent) et sera pourvu d’une protection anti-UV durable ainsi qu’une protection mécanique en extérieur. Il devra pouvoir résister aux hautes températures. Les arrivées «eau chaude» et sortie « eau froide » ne devront pas être enserrées dans le même manchon.

B/ Diamètre et positionnement

Thermosiphon : Les raccordements capteurs-ballon de stockage devront avoir un diamètre supérieur à 18 mm. Pour les thermosiphons à éléments séparés, le positionnement des capteurs et du ballon doit être tel que la thermo-circulation ne soit pas contrariée. En particulier, les canalisations doivent observer une pente minimum de 5°, sans portion horizontale ou contre-pente. Elles doivent être les plus directes possibles en évitant les coudes et les réductions. La longueur de la canalisation entre le collecteur supérieur du capteur et l’entrée du ballon de stockage doit respecter une longueur maximale donnée par le fabricant (généralement 10 m).

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Circulation forcée : Pour des longueurs de tuyauterie ne dépassant pas les 20 m, les raccordements capteurs-ballon devront à minima avoir un diamètre (interne/externe) supérieur ou égal à :

• 14/16 mm pour un ballon inférieur à 300 l • 16/18 mm pour un ballon compris entre 300 et 600 l

Une évacuation d’air (de type purge) sera prévue sur tout point haut de l’installation afin que l’air ne s’y accumule pas et ne gêne la circulation de l’eau. Les purgeurs d’air automatiques, placés en sortie des capteurs devront supporter les hautes températures.

C/ Equipements divers

Tous les équipements en contact avec le circuit solaire de l’installation (vannes, purgeurs, soupapes, calorifuge, raccords, joints etc.) devront impérativement être prévus pour résister aux hautes températures (généralement la gamme « solaire » des fabricants).

D/ Signalétique

Sur chaque chauffe-eau solaire, doit figurer une étiquette adhésive ou une plaque signalétique mentionnant les références du fabricant, le modèle, le numéro de série, la date de fabrication de l’appareil ainsi que les données de fonctionnement nominales et maximales (pression, températures etc.).

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ANNEXE 3 - TABLEAU DE PRESENTATION SYNTHETIQUE DES

RESULTATS MENSUELS

TEP : tonne équivalent pétrole : 1 TEP = 11630 kWh

Janv. Fév. Mars Avril Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. Total

Tef [°c]

Besoins ECS [m3/j] -

Besoins ECS [kWh/j] -

Energie solaire utile [kWh/j]

-

Couverture solaire [%] -

Energie d’appoint [kWh/j]

-

Conso des auxiliaires [kWh/j]

-

Energie solution de réf. [kWh/j]

-

Economie d’énergie [kWh/j]

-

T CO2 évitées/mois -

TEP substituées/mois

-

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ANNEXE 4 - CONTENU CO2 DES ENERGIES

Contenu CO2 des énergies en Nouvelle-Calédonie, en gramme de CO2 par kilowattheure d’énergie finale en Nouvelle-Calédonie :

gCO2/kWhef Fioul domestique 450 Gaz propane ou butane 275 Electricité 916