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 Centre de la technologie de l’énergie de CANMET - Varennes (CTEC) En collaboration avec : Exonération Cette publication, diffusée à des fins uniquement didactiques, ne reflète pas nécessairement le point de vue du gouvernement du Canada et ne constitue en aucune façon une approbation des produits commerciaux ou des personnes qui y sont mentionnées, quels qu’ils soient. De plus, pour ce qui est du contenu de cette publication, le gouvernement du Canada, ses ministres, ses fonctionnaires et ses employés ou agents n’offrent aucune garantie et n’assument aucune responsabilité. © Ministre de Ressources naturelles Canada 2001 - 2004. CHAPITRE  ANAL YSE DE PROJETS DE CHAUFFAGE SOLAIRE DE L’EAU ANALYSE DE PROJETS D’ÉNERGIES PROPRES : MANUEL D’INGÉNIERIE ET D’ÉTUDES DE CAS RETS CREEN ® Centre d’aide à la décision sur les énergies propres RETScreen ® International www.retscreen.net

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Centre de la technologie 

de l’énergie de CANMET 

- Varennes (CTEC) En collaboration avec :

ExonérationCette publication, diffusée à des fins uniquementdidactiques, ne reflète pas nécessairement le

point de vue du gouvernement du Canada et neconstitue en aucune façon une approbation desproduits commerciaux ou des personnes qui ysont mentionnées, quels qu’ils soient. De plus,pour ce qui est du contenu de cette publication,

le gouvernement du Canada, ses ministres, sesfonctionnaires et ses employés ou agentsn’offrent aucune garantie et n’assument aucuneresponsabilité.

© Ministre de Ressourcesnaturelles Canada 2001 - 2004.

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 ANALYSE DE PROJETSDE CHAUFFAGE

SOLAIRE DE L’EAU

ANALYSE DE PROJETS D’ÉNERGIES PROPRES :MANUEL D’INGÉNIERIE ET D’ÉTUDES DE CAS RETSCREEN®

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ISBN : 0-662-75479-4Nº de catalogue : M39-101/2003F-PDF

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CSE.3

TABLE DES MATIÈRES

1 CONTEXTE-PROJETSDECHAUFFAGESOLAIREDEL’EAU 5

1.1 Marchédessystèmesdechauffagesolairedel’eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.1 Production d’eau chaude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.2 Cas des piscines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Descriptiondessystèmesdechauffagesolairedel’eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1 Capteurs solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.2 Inrastructures connexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 MODÈLERETSCREENPOURPROJETSDECHAUFFAGESOLAIREDEL’EAU 15

2.1 Variablesenvironnementales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.1 Notions de base sur l’énergie solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1.2 Rayonnement solaire sur un plan incliné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1.3 Température de la voûte céleste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.4 Température de l’eau roide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.5 Estimation des besoins en chauage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2 Capteurssolaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.1 Capteurs vitrés ou à tubes sous vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.2 Capteurs sans vitrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.3 Cœfcients correcteurs de l’angle d’incidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.4 Pertes dans la tuyauterie et le réservoir de stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.5 Pertes attribuables à la neige et aux salissures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3 Productiond’eauchaudesanitaire:méthodef-Chart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4 Méthodedupotentield’utilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.1 Principe de la méthode du potentiel d’utilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.2 Facteur géométrique  R Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.3 Nombre sans dimension caractérisant le niveau d’ensoleillement critique  X 

c. . . . . . . . . . 36

2.4.4 Moyenne mensuelle du potentiel d’utilisation quotidien φ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5 Modèlepourlespiscines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5.1 Environnement climatique de la piscine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5.2 Gains solaires passis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.5.3 Pertes par évaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5.4 Pertes par convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.5 Pertes par radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.6 Pertes thermiques attribuables à l’eau de renouvellement de la piscine . . . . . . . . . . . . . . 46

2.5.7 Pertes par conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

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CSE.4

2.5.8 Gains solaires actis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.5.9 Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.6 Autrescalculs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6.1 Surace proposée des capteurs solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6.2 Énergie de pompage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.6.3 Production annuelle d’énergie au m2, rendement du système solaireet taux de recouvrement de la charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7 Validation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7.1 Production d’eau chaude sanitaire – comparaison avec un modèle horaireet des données monitorées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7.2 Cas des piscines – comparaison avec un modèle horaire et des données monitorées . . . . 54

2.8 Sommaire.......................................................58

RÉFÉRENCES 59

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1. Contexte - Projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.5

CHAPITRE

ANALYSE DE PROJETS DE CHAUFFAGE SOLAIRE DE L’EAU

Le manuel Analyse de projets d’énergies propres : Manuel d’ingénierie et d’études de cas RETScreen ® est un document 

de référence électronique destiné aux professionnels et aux étudiants universitaires. Le présent chapitre couvre l’analyse  de 

projets potentiels de chauffage solaire de l’eau avec le logiciel d’analyse de projets d’énergies propres RETScreen ®  International; 

il présente le contexte de ces projets ainsi qu’une description détaillée des algorithmes utilisés dans le logiciel RETScreen ® .

Une collection d’études de cas, comprenant mandats, solutions et informations sur comment ces projets se sont comportés 

dans la réalité, est disponible sur le site Web du Centre d’aide à la décision sur les énergies propres RETScreen ®  International 

www.retscreen.net.

1 CONTEXTE - PROJETS DE CHAUFFAGE SOLAIRE DE L’EAU1

L’idée d’utiliser l ’énergie solaire pour chauer de l’eau n’est pas nouvelle. Depuis plus d’unsiècle, de nombreuses régions du monde utilisent des chaue-eau solaires rudimentaires.Il s’agit de simples réservoirs peints en noir. Les techniques pour tirer bénéice de l’éner-gie solaire ont été grandement améliorées au siècle dernier; aujourd’hui, il y a plus de

1. Unepartiedutexteestunetraductiontiréedurapportsuivant:MarbekResourceConsultants,Solar Water Heaters :

 A Buyer’s Guide,rapportpréparépourÉnergie,minesetressourcesCanada,1986. 

Figure 1 : 

Tubes sous vide à caloduc,

Tibet, Chine.

Crédit photo : 

Alexandre Monarque

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.6

30 millions de m2 de capteurs2 solaires installés dans le monde. Des centaines de milliersde systèmes solaires de chauage de l’eau utilisant les technologies les plus récentes, commecelui montré à la

Figure 1, sont en opération dans de nombreux pays comme la Chine,

l’Inde, l’Allemagne, le Japon, l’Australie et la Grèce. De ait, dans certains pays (en Israëlpar exemple) la loi requiert que des systèmes de chauage solaire de l’eau soient installésdans tout nouveau projet de construction.

En plus des économies d’énergie, il y a d’autres avantages à utiliser un chaue-eau solaire. Laplupart des chaue-eau solaires sont installés avec un réservoir supplémentaire de stockagede l’eau chaude placé en amont du chaue-eau conventionnel. Cette réserve additionnelleaugmente la iabilité d’approvisionnement en eau chaude. Il existe des chaue-eau solaires100 % autonomes qui onctionnent même sans électricité. L’approvisionnement en eau chaudene dépend plus du réseau électrique mais des conditions d’ensoleillement. Les systèmes dechauage solaire de l’eau peuvent aussi être utilisés pour chauer directement l’eau des pisci-nes, avec comme conséquence l’extension de la saison d’utilisation des piscines extérieures.

11 Marchédessystèmesdechauffagesolairedel’eau

Le marché du chauage solaire de l’eau peut être classé selon l’usage inal de l’eau chaudeproduite. Les utilisations les plus courantes sont la production d’eau chaude sanitaire etle chauage des piscines.

1.1.1 Production d’eau chaude 

Il existe de nombreuses applications de production d’eau chaude sanitaire. L’application laplus courante est l’utilisation de systèmes de chauage solaire d’eau chaude domestique,

qui sont généralement vendus en systèmes prêts à l’emploi ou en kits standards, commemontré à la Figure 2.

Figure 2 : 

Système de production 

d’eau chaude domestique 

(thermosiphon) en Australie.

Crédit photo : 

The Australian Greenhouse Ofce

2. Letermeanglais«collector»aététraduitenfrançaisparleterme«capteur»bienquecederniersoitconsidéré,aumêmetitrequeleterme«collecteur»,commeunquasi-synonymedutermeofciellementproposé:«insolateur»(Ofcequébécoisdelalanguefrançaise,Le grand dictionnaire terminologique,1984).Cettepréférenceestbaséesurl’utilisationlargementrépanduedutermeprivilégiéetsurladifcultéderéférencieradéquatementletermeofcielviad’autressourcesàl’international.

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1. Contexte - Projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.7

D’autre usages courants incluent l’eau chaude pour usages commerciaux ou institutionnels,pour les immeubles d’habitation (voir Figure 3), les copropriétés, les développements rési-

dentiels (voir Figure 4) ainsi que dans les écoles, les dispensaires médicaux, les hôpitaux,les immeubles à bureaux, les restaurants et les hôtels.

Les petites applications commercialesou industrielles telles que les lave-autos, les buanderies ou les ermespiscicoles, sont d’autres applicationstypique du chauage solaire de l’eau.La Figure 5 montre un système dechauage solaire de l’eau à la erme Ro-sewall Creek en Colombie-Britannique,au Canada. Cette erme d’élevaged’alevins de saumon compte 260 m²de capteurs solaires sans vitrage quichauent l’eau de renouvellement desbassins d’élevage et qui aident à aug-menter la productivité estivale de l’ins-tallation d’aquaculture. Des réservoirstampons permettent de régulariser latempérature de la nouvelle eau avantde l’injecter dans les bassins d’élevage.L’investissement dans ce système par-ticulier a été récupéré en 5 ans.

Figure 3 : 

Capteurs solaires plans vitrés intégrés à un immeuble d’habitation. 

Crédit photo : 

Chromagen

Figure 4 : 

Développement résidentiel, Kunhsbacka, Suède. 

Crédit photo : 

 Alpo Winberg/Solar Energy Association o Sweden

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.8

Des systèmes de chauage solaire de l’eau peuvent aussi être utilisés pour les grandes chargesindustrielles ou pour ournir de l’énergie à des réseaux de chauage urbain. De nombreux

grands systèmes ont été installés en Europe septentrionale et en d’autres endroits.

1.1.2 Cas des Piscines 

Un système solaire de chauage del’eau peut également régulariser latempérature de l’eau d’une piscine,prolongeant ainsi la saison d’utilisa-

tion tout en économisant sur l’énergiede source conventionnelle. Le principede base de ces systèmes est similaire àcelui des chaue-eau présentés précé-demment, à la diérence que le réser-voir de stockage est le bassin même dela piscine. Pour une piscine extérieured’usage saisonnier, un système solairebien conçu pourra éliminer la néces-sité d’un chaue-piscine auxiliaire.C’est généralement l’eau de la piscinequi est pompée directement dans lescapteurs solaires par le système deiltration existant.

Les applications de chauage solairepour les piscines vont, en taille, despetites piscines extérieures utiliséesl’été seulement, comme celle montréeà la Figure 6, jusqu’aux piscines inté-rieures de dimensions olympiques enopération 12 mois par année.

Figure 5 : 

Projet de chauffage solaire de l’eau 

dans une ferme productrice 

d’alevins de saumon, Canada.

Crédit photo : 

Ressources naturelles Canada

Figure 6 : 

Système de chauffage de piscine avec capteur solaire 

sans vitrage au Canada.

Crédit photo : 

 Aquatherm Industries/ NREL Pix

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1. Contexte - Projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.9

Il y a une orte demande pour les systèmes de chauage de piscines. Aux États-Unis parexemple, le plus grand nombre de capteurs solaires vendus sont des capteurs sans vitrage

pour des applications de chauage de piscines.

En ce qui concerne le marché des ap-plications pour eau chaude sanitaire etpour chauage de piscines, il y a uncertain nombre de acteurs qu’il autprendre en considération pour voir siun projet particulier a un potentiel rai-sonnable de succès commercial et unebonne chance de réussite lors de lamise en œuvre. Ces acteurs compren-nent : une orte demande d’eau chaudeain de réduire l’importance relativedes coûts ixes du projet; un coût élevéde l’énergie locale; des sources d’éner-gie conventionnelle peu iables; et/ouun ort intérêt environnemental de lapart du client potentiel et des autresintervenants dans le projet.

12 Descriptiondessystèmesdechauffagesolairedel’eau

Les systèmes de chauage solaire de l ’eau utilisent des capteurs solaires et une unité depompage pour transérer la chaleur à la charge, en général par l’intermédiaire d’un réservoirde stockage. L’unité de pompage comprend la ou les pompes (utilisées pour aire circulerle luide caloporteur entre les capteurs et le réservoir de stockage) et des équipements decontrôle et de sécurité. Un système de chauage solaire de l’eau convenablement conçupeut onctionner quand la température extérieure est bien en dessous du point de congé-lation (zéro Celsius) et, s’il est protégé contre les risques de surchaue, les jours chauds etensoleillés. De nombreux systèmes ont également un chauage auxiliaire de sorte que lesbesoins en eau chaude du client sont satisaits même lorsqu’il n’y a pas assez de soleil. LaFigure 7 illustre les trois onctions de base d’un chaue-eau solaire :

  la collecte d’énergie solaire : le rayonnement solaire est « capté » puistransormé en chaleur par un capteur solaire;

le transfert d’énergie : un uide caloporteur transert la chaleur généréepar le capteur solaire à un réservoir de stockage thermique; la circulationest naturelle (systèmes à thermosiphon) ou orcée en utilisant uncirculateur (pompe à aible tête de pression); et

le stockage : l’eau chaude est stockée jusqu’à son utilisation dans unréservoir souvent placé dans la chambre mécanique d’un bâtiment ouen toiture dans le cas d’un système à thermosiphon.

Le modèle RETScreen ®  International pour projets de chauffage solaire de l’eau 

Le modèle Chauage solaire de l’eau de RETS-creen® International peut être utilisé partoutà travers le monde pour évaluer la productiond’énergie, la viabilité inancière et les réduc-tions d’émissions de gaz à eet de serre pourtrois applications de chauage : eau domestique,procédés industriels et piscine (intérieure et exté-

rieure), allant des petits systèmes résidentiels auxlarges systèmes commerciaux, institutionnels etindustriels.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.10

1.2.1 Capteurs solaires 

L’énergie solaire (rayonnement) est captée par la surace absorbante du capteur solaire. Dansde nombreux types de capteurs, des revêtements sélectis sont appliqués sur les suraces ab-sorbantes pour en augmenter l’eicacité. Un luide caloporteur absorbe l’énergie captée.

Il existe diérents types de capteurs solaires pour chauer des liquides. Leur choix dépendde la température désirée de l’eau chaude et des conditions climatiques pendant la périoded’utilisation du système. Les technologies les plus courantes sont : les capteurs à liquide planssans vitrage, les capteurs à liquide plans vitrés et les capteurs solaires à tubes sous vide.

Capteurs à liquide plans sans vitrage 

Les capteurs plans sans vitrage, tels que celui montré à la Figure 8, sont ordinai-rement ait de plastique polymère noir. Normalement, ils n’ont pas de revêtementsélecti et n’ont ni cadre ni isolation en arrière. Ils sont simplement posés sur un toitou sur un support en bois. Ces capteurs de aible coût captent bien l’énergie solaire,cependant les pertes thermiques vers l ’environnement augmentent rapidement avecla température de l ’eau, particulièrement dans les endroits venteux. En conséquence,

les capteurs sans vitrage sont couramment utilisés pour des applications demandantune ourniture d’énergie à basse température (piscines, eau d’appoint en piscicultu-re, chaleur industrielle, etc.); dans les climats roids, ils sont habituellement utilisésexclusivement durant l’été à cause de leurs pertes thermiques élevées.

Figure 7 : 

Schéma d’un système solaire résidentiel typique.

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1. Contexte - Projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.11

Capteurs à liquide plans avec vitrage 

Dans les capteurs à liquide plans avec vitrage, comme montré à la Figure 9, une pla-que absorbante (qui souvent est recouverte d’un revêtement sélecti) est ixée dansun cadre entre un vitrage simple ou double et un panneau isolant placé à l’arrière.L’énergie solaire est ainsi emprisonnée dans le capteur à cause du vitrage (eet deserre). Ces capteurs sont couramment utilisés pour des applications à températuresmodérées (chauage de l’eau sanitaire, chauage de locaux, chauage de piscinesintérieures ouvertes toute l’année et chauage pour procédés industriels).

Figure 8 :  

Schéma d’un capteur à liquide plan sans vitrage.

Figure 9 : 

Schéma d’un capteur 

à liquide plan avec vitrage.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.12

Capteurs solaires à tubes sous vide 

Les capteurs solaires à tubes sous vide, comme montré à la Figure 10, comportent

un absorbeur revêtu d’une surace sélective et enermé sous vide dans un tube enverre. Ils captent bien l’énergie solaire et leurs pertes thermiques vers l’environne-ment sont extrêmement aibles. Les systèmes présentement sur le marché utilisentun caloduc pour extraire la chaleur de l’absorbeur (un liquide se vaporise au contactde l’absorbeur chaud, la chaleur est récupérée dans la tête du tube lorsque la vapeurs’y condense et le condensat, retourne par gravité à l’absorbeur). Les capteurs sousvide sont bien adaptés aux applications requérant la ourniture d’énergie à destempératures moyennes ou hautes (eau chaude domestique, chauage de locaux etapplications de chauage industriel dans des gammes de températures de 60 °C à80 °C, selon la température extérieure), en particulier dans les climats roids.

Figure 10 : 

Schéma d’un système de capteurs solaires à tubes sous vide.

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1. Contexte - Projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.13

1.2.2 Inrastructures connexes 

Outre le capteur solaire, un système de chauage solaire de l’eau comprend habituellementles inrastructures connexes suivantes :

1. une structure de soutien des capteurs solaires, comme montré à la Figure 11;

2. un réservoir d’eau chaude (sau dans le cas des piscines ou pour certainesapplications commerciales ou industrielles où il y a un besoin continu en

eau chaude dans la journée);

3. une unité de pompage, comprenant une pompe pour aire circuler unuide caloporteur (de l’eau ou un mélange antigel) entre le capteur solaireet le réservoir de stockage thermique (sau dans le cas des systèmes àthermosiphon où la circulation est naturelle et des piscines extérieurespour lesquelles les pompes du système de fltration sont habituellementutilisées). En général, cette unité comprend aussi des valves, des crépines etun réservoir d’expansion thermique;

4. un contrôleur qui actionne le circulateur uniquement lorsque l’énergiesolaire est assez intense pour maintenir un niveau de température

supérieur à celui du réservoir de stockage de l’eau chaude (non nécessairepour les systèmes thermosiphons ou lorsque le circulateur est activé parun système photovoltaïque);

Figure 11 : 

Structure de soutien 

des capteurs solaires.

Crédit photo : 

Ducey Roch A. / NREL Pix

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.14

5. une protection contre le gel, nécessaire à une utilisation en climat roid outempéré; en général, dans la boucle solaire exposée à l’extérieur, un uide

caloporteur antigel spécial ayant une aible toxicité est utilisé. Ce uide estséparé de l’eau chaude sanitaire du réservoir de stockage par les parois d’unéchangeur de chaleur; et

6. d’autres éléments ayant ordinairement trait à la sécurité, tels les protectionscontre la surchaue, la protection contre le gel des systèmes saisonniersou la prévention du redémarrage d’un système de grande surace laissé uncertain temps en stagnation (à l’arrêt) en plein soleil.

En général, un chaue-eau conventionnel existant est utilisé comme chauage auxiliairepour le système de chauage solaire de l ’eau, à l’exception de la plupart des applications dechauage de piscines extérieures où un système de chauage d’appoint n’est normalementpas requis.

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.15

2 MODÈLE RETSCREEN POUR PROJETS

DE CHAUFFAGE SOLAIRE DE L’EAU

Le modèle RETScreen pour projets de chauage solaire de l’eau permet d’évaluer desprojets de chauage solaire de l’eau partout dans le monde, allant des petits chaue-eaurésidentiels ou piscines à usage saisonnier, jusqu’aux grands systèmes pour eau chaudede procédés industriels. Il y a trois applications de base qui peuvent être évaluées avec lemodèle RETScreen :

eau chaude domestique;

procédés industriels; et

chauage de piscines (intérieures et extérieures).

Le modèle RETScreen pour projets de chauage solaire de l’eau comporte six euilles decalcul : Modèle énergétique, Évaluation de la ressource solaire et des besoins thermiques (RS&BT),

 Analyse des coûts, Analyse des réductions d’émissions de gaz à effet de serre (Analyse des GES),Sommaire financier et Analyse de sensibilité et de risque (Sensibilité). La euille RS&BT permetde calculer sur une base mensuelle, la demande d’énergie nécessaire pour chauer l’eauà la température désirée. Cette euille de calcul traite aussi les données mensuelles d’en-soleillement sur l ’horizontale pour obtenir l’ énergie incidente dans le plan des capteurssolaires, quelle que soit leur inclinaison ou leur orientation.

Le rendement annuel d’un chaue-eau solaire avec stockage thermique dépend des para-mètres du système, de l’énergie solaire disponible, de la température ambiante et du proil

de consommation d’eau chaude. Le modèle RETScreen pour projets de chauage solairede l’eau, via la section « Calcul de la charge d’eau chaude » de la euille RS&BT , est conçupour aider les utilisateurs à évaluer leur consommation en eau chaude. Cette section reposesur des données acilement accessibles à un propriétaire ou à un gestionnaire d’édiice. Lesvaleurs de charge en eau chaude suggérées sont calculées à partir de ASHRAE (1995).

Pour aider l’utilisateur à caractériser un projet de chauage solaire de l’eau, avant d’enévaluer les coûts et la perormance énergétique, certaines valeurs sont suggérées (p. ex. : lenombre de capteurs solaires). Les valeurs estimées ou suggérées sont basées sur les donnéesentrés par l’utilisateur et peuvent être utilisées en première analyse, même si elles ne sontpas nécessairement des valeurs optimales.

Les euilles de calcul Modèle énergétique et RS&BT doivent être remplies en premier, suivipar la euille Analyse des coûts et enin, par la euille Sommaire financier. Les euilles Ana-lyse des GES et Sensibilité sont acultatives. La euille Analyse des GES est ournie pour aiderl’utilisateur à évaluer l’atténuation potentielle de gaz à eet de serre (GES) engendrée parle projet proposé. La euille de calcul Sensibilité est ournie pour aider l’utilisateur à évaluerla sensibilité de certains indicateurs inanciers aux paramètres techniques et inanciersimportants du projet. En général, les euilles de calcul sont remplies du haut vers le bas etle processus peut être répété aussi souvent que nécessaire pour optimiser la conception duprojet au niveau des coûts et de l’utilisation de l’énergie.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.16

Ce chapitre décrit les nombreux algorithmes utilisés dans le modèle RETScreen pourcalculer, sur une base mensuelle, les économies d’énergie générées avec des systèmes de

chauage solaire de l’eau. Un organigramme du modèle est présenté à la Figure 12. Lecomportement des systèmes thermiques est assez complexe et varie en onction du niveaud’ensoleillement, des variables météorologiques (comme la température ambiante, la vitessedu vent et l’humidité relative) et des caractéristiques de la charge thermique à alimenter.RETScreen ne ait pas de simulations détaillées. Il utilise à la place des modèles simpliiésqui permettent de calculer rapidement les économies d’énergie moyennes sur une basemensuelle.

Les trois applications de base du chauage solaire de l ’eau considérées par RETScreen, sont :

la production d ’eau chaude sanitaire avec stockage (c.-à-d. avec réservoir),calculée avec la méthode -Chart;

la production d’eau chaude sanitaire sans stockage, calculée avec la méthodedu potentiel d’utilisation; et

le chauffage des piscines, calculé par une méthode ad hoc comprenantdeux variantes selon que la piscine est intérieure ou extérieure.

Toutes ces méthodes ont en commun plusieurs éléments de calcul, par exemple pour l’éva-luation de la température de l’eau roide ournie par le réseau municipal, la températurede la voûte céleste ou pour le calcul du rayonnement solaire sur les capteurs dans un planincliné. Ces variables environnementales sont décrites dans la section 2.1. Un autre élémentcommun à toutes ces méthodes, est le besoin de connaître le rendement des capteurs

solaires. Celui-ci est décrit dans la section 2.2. Trois sections sont ensuite consacrées auxspéciicités de chaque méthode : la section 2.3 s’intéresse à la méthode -Chart, la section 2.4 àla méthode du potentiel d’utilisation et la section 2.5 au cas des piscines. La section 2.6 traitede calculs auxil iaires comme la consommation des pompes ou le taux de recouvrementde la charge. Finalement, la section 2.7 présente une validation du modèle RETScreen pourprojets de chauage solaire de l’eau.

Étant donné que des hypothèses simpliicatrices ont été introduites, le modèle RETScreenpour projets de chauage solaire de l’eau présente certaines limitations. Tout d’abord, lemodèle de production d’eau chaude pour procédés industriels considère que les volumesquotidiens d’eau chaude sont constants tout au long de la saison d’utilisation. Ensuite, àl’exception du cas des piscines, le modèle est limité au préchauage de l’eau; il ne considère

donc pas les systèmes 100 % autonomes devant répondre à la totalité des besoins. Pourles systèmes de production d’eau chaude sanitaire sans stockage, seulement les aibles tauxde recouvrement de la charge3 doivent être considérées puisque toute l’énergie solaire dis-ponible est supposée être utilisée. Pour les piscines qui n’ont pas de chauage auxiliaire,les résultats doivent être considérés avec prudence si le taux de recouvrement des besoins

3. Letauxderecouvrementpeutêtrequaliédefractionsolairedelachargeoudetauxdepénétrationdusolaireparrapportauxbesoins.

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.17

de chauage de la piscine est inérieur à 70 %. Enin, les systèmes avec suivi automatiquedu soleil et les systèmes à concentrateurs ne peuvent être évalués avec ce modèle, ni les

systèmes avec un stockage d’eau chaude intégré au capteur solaire. Dans la majorité desapplications cependant, ces limitations sont sans conséquence.

Calcul des variables

environnementales incluant

le rayonnement solaire sur les

capteurs dans un plan incliné

 [section 2.1]

Calcul de l'énergie solairequi peut être captée

 [section 2.2]

Méthode f-Chart

 [section 2.3]

Méthode du potentiel

d’utilisation

 [section 2.4] 

Calcul des besoins

de chauffage de la piscine

 [sections 2.5.1 à 2.5.7]

Calcul de l'énergie

renouvelable fournie

et des besoins de chauffage

supplémentaires

 [section 2.5.8]  

 Autres calculs : surface

des capteurs proposée,

énergie de pompage, etc.

 [section 2.6] 

Production d'eau

chaude sanitaire

sans stockage

Production d'eau

chaude sanitaire

avec stockage

Cas des piscines

 

Figure 12 : 

Schéma fonctionnel 

du modèle énergétique 

du chauffage solaire de l’eau.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.18

21 Variablesenvironnementales

Plusieurs variables environnementales doivent être calculées en onction de données météo-rologiques ournies par l’utilisateur (ou copiées depuis la base de données météorologiquesde RETScreen). Les valeurs calculées sont les suivantes :

la moyenne mensuelle de l’ensoleillement quotidien dans le plan du capteursolaire, utilisée pour calculer le rendement du capteur solaire et l’énergiesolaire captée;

la température de la voûte céleste, utilisée pour calculer l’énergie captée parles capteurs sans vitrage et les pertes de chaleur des piscines attribuables aurayonnement inrarouge;

la température de l’eau roide ournie par le réseau municipal, utilisée pourcalculer la charge énergétique qui doit être assurée par le système; et

la charge (sau pour le cas des piscines).

2.1.1 Notions de base sur l’énergie solaire 

Comme le modèle du chauage solaire de l’eau traite d’énergie solaire, certains principesondamentaux de génie énergétique solaire doivent en premier être expliqués. Cette sectionn’a pas la prétention d’être un véritable cours théorique; le lecteur intéressé à plus d’inor-mations peut consulter des ouvrages de réérence sur le sujet, comme le manuel de Duie

et Beckman (1991) duquel la plupart des équations de ce chapitre sont extraites. Cettesection vise cependant à détailler le calcul de certaines variables utilisées dans le modèle.Les quelques premières variables sont aussi décrites dans ce manuel, au chapitre Analysede projets d’installation photovoltaïque.

Déclinaison 

La déclinaison est l’angle que ait le soleil au maximum de sa course (midi solaire)par rapport au plan équatorial. Sa valeur, en degrés, est donnée par l’équation deCooper :

où n est le jour de l’année (c.-à-d. n=1 pour le 1er janvier, n=32 pour le 1er évrier,etc.). La déclinaison varie entre -23,45° le 21 décembre et +23,45° le 21 juin.

(1)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.19

Angle horaire du soleil et angle horaire du soleil à son coucher 

L’angle horaire solaire est le déplacement angulaire du soleil autour de l’axe polaire,

dans sa course d’est en ouest, par rapport au méridien local. La valeur de l’anglehoraire est nulle au midi solaire, négative le matin, positive en après-midi et augmen-te de 15° par heure (un tour de 360° en 24 heures). Ainsi, à 7 h 00 du matin (heuresolaire4), l’angle horaire du soleil vaut –75° (7 h 00 du matin est 5 h avant midi; cinqois 15º égal 75º, avec un signe négati pour signiier que c’est le matin).

L’angle horaire du soleil à son coucher ω  s

est l’angle horaire solaire correspondant àl’heure où le soleil se couche. Il est donné par l’équation suivante :

où δ  est la déclinaison calculée par l ’équation (1) et ψ  la latitude du lieu du projet,précisée par l’utilisateur.

Rayonnement extraterrestre et indice de clarté 

Le rayonnement extraterrestre est le rayonnement solaire avant qu’il n’atteigne lacouche atmosphérique terrestre. Le rayonnement extraterrestre sur une suracehorizontale  H 

0peut être calculé pour un jour précis n  de l’année, par l’équation

suivante :

où G sc

est la constante solaire égale à 1 367 W/m2 et où les autres variables ont étédéinies précédemment.

 Avant d’atteindre le sol, le rayonnement solaire est atténué par l ’atmosphère terrestreet les nuages. Le rapport entre le rayonnement au sol et le rayonnement extrater-restre est appelé indice de clarté (traduction littérale de l’anglais clearness index). Lamoyenne mensuelle de l’indice de clarté  K 

T est déinie par :

(2)

4. L’heuresolaireestl’heurebaséesurlemouvementapparentdusoleildansleciel.Lemidisolairecorrespondaumomentoùlesoleilestauplushautdansleciel.Cemomentestgénéralementdécaléparrapportaumididel’heurelégale.

(3)

(4)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.20

où   H est la moyenne mensuelle du rayonnement quotidien sur une surace hori-zontale au niveau du sol et  H 

0est la moyenne mensuelle du rayonnement extra-

terrestre sur une surace horizontale au-dessus de l’atmosphère. Les valeurs de  K T   varient selon les endroits et les saisons et se situes généralement entre 0,3 (pour lesendroits très nuageux) et 0,8 (pour les endroits très ensoleillés).

2.1.2 Rayonnement solaire sur un plan incliné 

Le rayonnement solaire dans le plan du capteur doit être connu pour évaluer le potentiel deproduction thermique du capteur solaire (section 2.2) et la quantité d’énergie solaire eecti-vement captée (sections 2.3 et 2.4). Le modèle RETScreen pour projets de chauage solairede l’eau utilise l’algorithme de Liu et Jordan d’ensoleillement dius isotrope (voir Duieet Beckman, 1991, section 2.19) pour calculer la moyenne mensuelle de l’ensoleillement

dans le plan du capteur  H T   :

Le premier terme de l’équation représente l’ensoleillement qui arrive directement du soleil.Il est obtenu en aisant le produit de la moyenne mensuelle de l’ensoleillement direct  H 

b,

par un acteur géométrique qui dépend uniquement de l’orientation du capteur, de lalatitude du lieu et du moment de l’année5. Le second terme représente la contribution de la

moyenne mensuelle de l’ensoleillement dius  H d  et dépend de l’inclinaison β  du capteur.Le dernier terme représente la rélexion de l’ensoleillement sur le sol ace au capteur et dé-pend de l’inclinaison du capteur et du cœicient de rélexion de lumière diuse du sol ρ 

 g  

(aussi appelé albédo du sol). L’albédo du sol est supposé égal à 0,2 quand la températuremoyenne mensuelle est supérieure à 0 °C et à 0,7 si la température est inérieure à -5 °C (uneinterpolation linéaire est aite pour les températures comprises entre ces deux valeurs).

La moyenne mensuelle de l’ensoleillement dius quotidien est calculée à partir de l’enso-leillement global par la ormule suivante :

pour les valeurs de l’angle horaire du soleil à son coucher, c’est-à-dire, ω  s 

inérieures à 81,4° :

5. Ladéterminationde  neprésentepasdedifcultémaisellen’estpasprésentéeiciand’éviterdesdéveloppementsmathématiquesfastidieux,enparticulierquandl’azimutsolairen’estpasnul.Pourplusdedétails,voirDufeetBeckman(1991)auxsections2.19et2.20.

(6)

(5)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.21

pour les valeurs de l’angle horaire du soleil à son coucher, c’est-à-dire, ω  s 

supérieures à 81,4° :

La moyenne mensuelle de l’ensoleillement direct quotidien  H b

est simplement :

2.1.3 Température de la voûte céleste 

Le rayonnement céleste dans les grandes longueurs d’ondes est le rayonnement émis parle ciel à des longueurs d’ondes supérieures à 3 μm. Comme montré dans les sections 2.2.2et 2.5.5, cette valeur doit être connue pour évaluer les transerts thermiques entre un corps(le capteur solaire ou la piscine) et le ciel. Une variable équivalente directement liée aurayonnement céleste est la température de la voûte céleste T 

ciel , qui est la température d’un

corps noir parait qui émettrait un même niveau de rayonnement. Sa valeur en degré Celsius(°C), est calculée à partir du rayonnement céleste  L

ciel :

où σ  est la constante de Stean-Boltzmann (5,669×10-8 (W/m2)/K4). Le rayonnement cé-leste varie en onction de la présence ou non de nuages; comme observable dans la vie detous les jours, les nuits claires sont plus raîches et les nuits nuageuses sont plus douces). Lerayonnement en grandes longueurs d ’ondes d’un ciel clair (p. ex. : en l ’absence de nuages)est calculé en utilisant la ormule de Swinbank (Swinbank, 1963) :

où  T a est la température ambiante exprimée en °C. Pour des cieux nuageux, le modèleconsidère que les nuages sont à une température de  ( )T 

a−5 et qu’ils ont une émittance

de 0,96 dans la gamme des grandes longueurs d’ondes. Ainsi, le rayonnement d’un cielnuageux peut être calculé par :

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.22

Le rayonnement céleste réel est compris entre les valeurs calculées pour un ciel clair et unciel nuageux. Si la raction du ciel recouverte par les nuages  est c, le rayonnement célestepeut être estimé grâce à :

Pour obtenir une estimation grossière de c pendant le mois, le modèle établit une corréla-tion entre la raction du ciel recouverte par les nuages et la portion de la moyenne mensuellede l’ensoleillement quotidien dius. Un ciel clair conduira à une valeur du taux de lumièrediuse   K H H  

d d =  autour de 0,165; tandis qu’un ciel nuageux conduira à une valeur du

taux de lumière diuse de 1. Ainsi,

 K d  est calculée à partir de la moyenne mensuelle de l’indice de clarté  K T  en utilisant la

corrélation de Collares-Pereira et Rabl (citée dans le manuel de Duie et Beckman, 1991,note 11, p. 84), écrite pour une « journée moyenne » du mois (p. ex. : en considérant quel’indice de clar té quotidien  K T  est égal à sa valeur moyenne mensuelle  K T  ) :

2.1.4 Température de l’eau roide 

La température de l’eau roide ournie par le réseau municipal permet de calculer les be-soins d’énergie pour chauer à la température désirée la quantité d ’eau chaude voulue. Il y adeux açons de la calculer. Dans la première option, la température d’eau roide est calculéeautomatiquement à partir des valeurs mensuelles de température ambiante spéciiées parl’utilisateur (ou copiés depuis la base de données météorologiques en ligne de RETScreenou dans la euille de calcul RS&BT ). Dans la seconde option, la température calculée àpartir des valeurs minimales et maximales spéciiées par l ’utilisateur.

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.23

Calcul automatique 

La diusion de la chaleur dans le sol obéit pratiquement à l’équation de la chaleur :

où T   indique la température du sol, t représente le temps, α  la diusivité thermi-que du sol (en m2 /s) et z la proondeur dans le sol. Pour un sol semi-ini avec uneluctuation périodique dans le temps de sa température de surace :

où T 0

est l’amplitude de la luctuation de la température à la surace et ω sa ré-quence pour le mois i. La solution de l’équation (16) permet d’obtenir la températureT(z,t) à une proondeur z et à un temps t , simplement par :

où σ  est une dimension caractéristique déinie par :

En d’autres termes, les luctuations saisonnières (annuelles) d’amplitude  ∆T  à lasurace seront ressenties à une proondeur z avec une amplitude et avec un retard .

Le modèle RETScreen pour projets de chauage solaire de l’eau (CSE) suppose quela température de l’eau roide dans l’aqueduc est égale celle du sol à la même pro-ondeur. Le modèle prend α  = 0,52×10-6 m2 /s (qui correspond à un sol lourd et secou encore léger et humide, selon ASHRAE Applications Handbook; voir ASHRAE,1991) et  z  = 2 m, proondeur à laquelle sont supposés être enouis les réseauxmunicipaux d’eau potable. Ceci conduit à :

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.24

Ce modèle théorique a été ajusté à partir de données expérimentales de la ville deToronto, Ontario, Canada (voir Figure 13). Il apparaît qu’un acteur de 0,35 serait plusapproprié qu’une valeur de 0,42 (équation 20) et qu’un décalage dans le temps de unmois donnerait une meilleure représentation des températures réelles qu’un décalagede deux mois. Cet ajustement est nécessaire et acceptable d’un point de vue méthodo-logique considérant le niveau d’approximation des hypothèses aites dans le modèle.

Le modèle ci-dessus permet le calcul de la température de l’eau pour chaque mois del’année, grâce à l’algorithme qui suit. La température de l’eau pour le mois i est égaleà la température moyenne annuelle de l’eau plus 0,35 ois la diérence entre la tem-pérature ambiante et la température moyenne pour le mois i-1. De plus, le modèlelimite la température de l’eau roide à +1 °C en hiver (c.-à-d. l’eau ne gèle pas). LeTableau 1 et la Figure 13 comparent les valeurs réelles et prédites des températuresde l’eau à Toronto et indiquent que cette méthode simpliiée de calcul de la tempé-rature de l’eau roide est satisaisante, du moins pour cet exemple particulier.

Mois Tambiante

[ºC]

Teau(calculée)

[ºC]

Teau(mesurée)

[ºC]

1 -6,7 3,5 4,0

2 -6,1 2,4 2,0

3 -1,0 2,6 3,0

4 6,2 4,4 4,5

5 12,3 6,9 7,5

6 17,7 9,0 8,5

7 20,6 10,9 11,0

8 19,7 11,9 12,0

9 15,5 11,6 10,0

10 9,3 10,2 9,0

11 3,3 8,0 8,0

12 -3,5 5,9 6,0

moyennedel’année 7,28 7,30 7,12

Tableau 1 : Comparaison tabulée des températures de l’eau froide calculées et réelles pour la ville de Toronto, Ontario, Canada.

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.25

Calcul manuel 

Un proil sinusoïdal est généré à partir des températures minimale et maximalespéciiées par l’utilisateur, en supposant que le minimum est atteint en évrier et lemaximum en août dans l’hémisphère Nord (la situation est inversée pour l’hémis-phère Sud). Ainsi, la température moyenne du sol (ou de l ’eau roide) T 

 ss’exprime

en onction de la température minimale T min

, de la température maximale T max  et

du numéro du mois n :

où h vaut +1 dans l’hémisphère Nord et –1 dans l’hémisphère Sud.

Figure 13 :  

Comparaison graphique des températures de l’eau froide calculées et réelles pour la ville de Toronto, Ontario, Canada 

[Hosatte, 1998].

-10

-5

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mois

   T  e  m  p   é  r  a   t  u  r  e   (   ˚   C   )

 

T ambiante

T eau (calculée)

T eau (mesurée)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.26

2.1.5 Estimation des besoins en chauage 

Les besoins d’énergie pour chauer l’eau doivent être déterminés dans les modèles deproduction d’eau chaude sanitaire (avec ou sans stockage). Le calcul de cette charge dechauage dans le cas des piscines est détaillé dans la section 2.5.

Pour calculer les quantités d’énergie nécessaires à la production d’eau chaude sanitaire,il aut d’abord connaître les volumes d’eau chaude à produire. Ces volumes sont obtenusà partir des tableaux publiés dans le ASHRAE Applications Handbook (ASHRAE, 1995).Pour le cas des lave-autos et des buanderies, les valeurs utilisées sont celles proposéespar Carpenter et Kokko (1988). Aucun estimé de l’utilisation d’eau chaude n’est ait pourl’aquaculture, les procédés industriels ou « autres » applications. La quantité réelle d’éner-gie nécessaire pour produire l’eau chaude sanitaire est calculée comme étant la quantitéd’énergie nécessaire pour chauer ce volume d’eau de la température de l’eau roide jusqu’àla température demandée. Si

 V 

est le volume d’eau chaude à soutirer et T 

h

la températuredemandée d’eau chaude, les deux étant spéciiées par l’utilisateur, alors la quantité d’éner-gie nécessaire pour produire l’eau chaude est donnée par :

où  C  p est la capacité caloriique de l’eau (4 200 (J/kg)/°C), ρ  sa masse volumique(1 kg/L), et

 T 

cest la température de l’eau roide. est multipliée au prorata du

nombre de jours par semaine lors desquels le système est utilisé.

22 Capteurssolaires

Les capteurs solaires se diérencient par les équations de leurs rendements. Trois typesde capteurs sont analysés dans le modèle RETScreen pour projets de chauage solaire del’eau :

capteurs vitrés;

capteurs à tubes sous vide; et

capteurs sans vitrage.

Les capteurs vitrés ou à tubes sous vide utilisent la même équation de base, indépendantede la vitesse du vent. Par contre, les capteurs sans vitrage ont une équation qui dépend dela vitesse du vent. L’eet de l’angle d’incidence de la lumière solaire, des pertes attribuablesà la neige ou aux salissures ainsi que les autres pertes de chaleur dans la boucle solaireet le réservoir de stockage, seront prises en considération avec des cœicients séparés del’équation caractéristique du capteur.

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.27

2.2.1 Capteurs vitrés ou à tubes sous vide 

Les capteurs solaires vitrés ou à tubes sous vide sont décrits par l ’équation suivante (Duieet Beckman, 1991, éq. 6.17.2) :

où Qcapt 

est l’énergie captée par m2 de capteur solaire et par unité de temps,  F  R est unacteur caractérisant les pertes thermiques du capteur, τ  est la transmissivité du vitrage, α   

l’absorptivité de l’absorbeur dans le spectre visible, G

est l’ensoleillement global incidentdans le plan du capteur solaire, U  L

est le cœicient global de déperdition thermique ducapteur, et ∆T  est l’écart de température entre le luide à l’entrée du capteur et la tempé-rature ambiante extérieure.

Les valeurs de  F  R τα ( ) et  F U  R L

sont spéciiées par l’utilisateur ou choisies parmi les cap-teurs solaires sélectionnés dans la base de données de produits en ligne RETScreen. Pourles capteurs vitrés ou à tubes sous vide,  F 

 Rτα ( ) e  F U 

 R Lsont indépendants du vent.

Des valeurs « génériques » sont proposées pour les capteurs vitrés ou à tubes sous vide. Dansle cas des capteurs vitrés, ces valeurs sont :  F 

 Rτα ( ) = 0,68 et  F U 

 R L= 4,90 (W/m2)/°C

et correspondent aux résultats des essais de certiication des capteurs de la compagnie

ThermoDynamics (Chandrashekar et Thevenard, 1995). Pour les capteurs à tubes sousvide, les valeurs génériques sont  F  Rτα ( ) = 0,58 et  F U 

 R L= 0,7 (W/m2)/°C et corres-

pondent à des capteurs à tubes sous vide de type Fournelle (technologie Philips; Hosatte,1998).

2.2.2 Capteurs sans vitrage 

Les capteurs sans vitrage sont décrits par l’équation suivante (Soltau, 1992) :

où ε  est l’émissivité en inra-rouge de l’absorbeur et  L  est le rayonnement inra-rougecéleste relati.  L est déini par :

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.28

où  Lciel 

est le rayonnement inra-rouge céleste (voir section 2.1.3) et T a la températureambiante exprimée en °C.

 F  Rα  et  F U 

 R Lsont onction de la vitesse du vent V  entourant le capteur solaire. Les valeurs

de  F  Rα  et  F U 

 R L, ainsi que leur dépendance vis-à-vis de la vitesse du vent, sont spéciiées

par l’utilisateur ou choisies parmi les capteurs solaires sélectionnés dans la base de donnéesde produits en ligne RETScreen. La vitesse du vent entourant le capteur est prise égale à20 % de celle de l’écoulement libre du vent (précisée par l’utilisateur ou copiée de la basede données météorologiques en ligne). Le rapport est pris égal à 0,96.

 À cause de la rareté des mesures de perormances de capteurs sans vitrage, un capteur« générique » non vitré a aussi été déini, tel que :

Ces valeurs ont été obtenues en aisant la moyenne des perormances de plusieurs capteurs(RNCan, 1998).

Équivalence entre les capteurs vitrés et les capteurs sans vitrage 

Comme nous l’avons vu dans les équations (24) et (25), les équations de rende-ment pour capteurs vitrés et sans vitrage sont diérentes. Un problème intervientlorsqu’on utilise la méthode  f-Chart (voir section 2.3) ou la méthode du  potentield’utilisation (voir section 2.4) ; car ces deux méthodes ont été développées pour les

capteurs solaires vitrés. L’approche adoptée dans RETScreen consiste à ré-écrirel’équation (25) sous la orme de l’équation (24), en déinissant un ensoleillementeecti vu par le capteur solaire  :

(29)

(26)

(27)

(28)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.29

où G est le rayonnement solaire global incident dans le plan du capteur, α  est l ’absorpti-vité dans le spectre visible de l’absorbeur, ε  est l’émissivité en inra-rouge de l’absorbeur

(  est ixé à 0,96 comme précédemment) et  L  est le rayonnement inra-rouge célesterelati. Dans les algorithmes de RETScreen, l’ensoleillement sera remplacé par l’ensoleille-ment eecti dans toutes les équations mettant en jeu le capteur quand celui-ci est sansvitrage. Le lecteur doit garder cela à l’esprit lorsqu’il s’intéressera à la présentation desalgorithmes dans les sections 2.3 et 2.4.

2.2.3 Cœfcients correcteurs de l’angle d’incidence 

Une partie du rayonnement solaire incident sur la surace des capteurs peut être moinsbien captée que prévu par l’équation précédemment établie, en particulier si les anglesd’incidence sont grands. Au stade de l’étude de préaisabilité, il n’est pas nécessaire de

modéliser ce phénomène en détail. À la place, ce phénomène est simplement considérécomme amenant des pertes de l’ordre de 5 %. Ainsi,  F 

 Rτα ( ) est multiplié par un acteur

constant, égal à 0,95.

2.2.4 Pertes dans la tuyauterie et le réservoir de stockage 

Puisque l’eau chaude est stockée dans un réservoir et circule dans des tuyaux imparai-tement isolés, des pertes thermiques vers l ’environnement surviennent. Ces pertes sontconsidérées diéremment selon que les systèmes aient ou non un réservoir de stockage(incluant le cas des piscines). Dans les systèmes sans stockage, l’énergie ournie par lescapteurs solaires

 Q fournie est égale à l’énergie captée

 Q diminuée des pertes dans la

tuyauterie, exprimées par un acteur de pertes   f   pertes entré par l’utilisateur :

Pour les systèmes avec stockage, la situation peut être légèrement diérente puisque ces sys-tèmes peuvent être capables dans certains cas, de compenser les pertes dans les tuyaux etdans le réservoir en captant et stockant de l’énergie en surplus. Ainsi, la charge de chauffagetotale

 

Qcharge,tot utilisée dans la méthode f-Chart (voir section 2.3) est majorée pour inclure

les pertes dans les tuyaux et le réservoir :

(30)

(31)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.30

2.2.5 Pertes attribuables à la neige et aux salissures 

La neige et la poussière peuvent avoir un impact sur le niveau d’ensoleillement eective-ment perçu par le capteur solaire. Par conséquent,  F  R τα ( ) est multiplié par 

où 

représente les pertes attribuables à la neige et à la poussière, exprimées commeune raction de l’énergie captée (ce paramètre est entré par l’utilisateur).

23 Productiond’eauchaudesanitaire:méthodef-Chart

Le rendement d’un système de production d’eau chaude sanitaire avec stockage peut êtreévalué grâce à la méthode de calcul du taux de recouvrement de la charge par l’énergiesolaire (raction solaire  f  ) dite méthode f-Chart. Cette méthode est détaillée dans le cha-pitre 20 du manuel de Duie et Beckman (1991) et elle est brièvement résumée ici. Cette

méthode permet de calculer, sur une base mensuelle, la quantité d’énergie ournie par unsystème de chauage solaire avec stockage, en onction des valeurs mensuelles de rayon-nement solaire incident, de la température ambiante et de la charge de chauage.

Deux nombres sans dimension  X  et Y   sont déinis :

où  Ac

est la surace de capteurs solaire,  ′ F  R

est un acteur modiié d’évacuation de la cha-leur du capteur solaire, U  L est son cœicient global de pertes thermiques,

 est une va-

leur empirique de réérence égale à 100 °C, T a est la moyenne mensuelle de la températureambiante,  L  est la charge de chauage totale mensuelle,

 τα ( )  est la moyenne mensuelle du

produit de la transmissivité et de l’absorptivité du capteur,  H T 

 est la moyenne mensuelledu rayonnement solaire incident quotidien dans le plan des capteurs par m2, et  N  est lenombre de jours dans le mois.

(32)

(33)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.31

′ F  R  tient compte de l’eicacité de l’échange de chaleur capteur-réservoir de stockage (voir

Figure 14 pour un diagramme du système). Le rapport  ′ F F  R R

/ est une onction du ren-

dement de l’échangeur ε  (voir Duie et Beckman, 1991, section 10.2) :

où  m est le débit de luide caloporteur et C  p

sa capacité caloriique. L’indice c indique« du côté du capteur ». L’indice min indique « minimum des valeurs du côté du capteuret du côté du réservoir de stockage ».

S’il n’y a pas d’échangeur de chaleur,  ′ F  R  est égal à  F 

 R. S’il y a un échangeur de chaleur, le

modèle considère que les débits de chaque côté de l’échangeur sont identiques. La capacitécaloriique de l’eau est prise égale à 4,2 (kJ/kg)/°C et celle du glycol est ixée à 3,85 (kJ/kg)/°C.Finalement, le modèle considère que le rapport  A m

c/ est égal à 140 (m2s)/kg; cette valeur

est dérivée des données de certiication des capteurs de ThermoDynamics (avec une surace

2,97 m2

et un débit d’essai de 0,0214 kg/s; Chandrashekar et Thevenard, 1995).

(34)

Figure 14 :  

Diagramme d’un système solaire de chauffage de l’eau domestique.

Stockagede pré-

chauffage

Stockageauxiliaire

Chauffageauxiliaire

Mitigeur

 Alimentation

en eau

Mitigeur

Charge

Boucle detempérage

Échangeur dechaleur

capteur-stockage

Échangeurde chaleurstockage-

charge

Pompe ducapteur

Capteur

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.32

 X  doit être corrigé à la ois en onction de la dimension du stockage et de la températurede l’eau roide. La méthode f-Chart a été développée avec une capacité de stockage standard

de 75 litres par m2 de capteur solaire. Pour les autres capacités de stockage,  X doit êtremultiplié par un acteur correcti    X X 

c/ déini par :

Cette équation est valable pour des rapports du volume réel sur le volume standard comprisentre 0,5 et 4. Finalement, pour prendre en considération les luctuations de la tempéra-

ture de l’eau roide T m et pour avoir une température de l’eau chaude minimale acceptableT w  (les deux ayant une inluence sur la perormance du chaue-eau solaire)  X  doit être

multiplié par un acteur correcti    X X cc

/ déini par :

où T a est la moyenne mensuelle de la température ambiante.

La raction   f   de la charge de chauage totale mensuelle couverte par le chaue-eau estdonnée en onction de  X  et Y  (voir les équations 32 et 33) par :

Il existe certaines limites strictes d’application de cette ormule. Cependant, la Figure 15

montre que la surace décrite par l’équation (37) est assez lisse, donc l’extrapolation nedevrait pas être un problème. Si la ormule prédit que  f  est négati, une valeur de 0 estutilisée; si  f   est supérieur à 1, une valeur de 1 est utilisée.

(35)

(36)

(37)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.33

24 Méthodedupotentield’utilisation

Lorsqu’on veut évaluer le rendement d’un système solaire sans stockage, une méthode per-mettant de déterminer la portion d’énergie solaire qui est eectivement utile pour répondreaux besoins d’énergie doit être utilisée (méthode du potentiel d’utilisation – utilisability methoden anglais). Cette même méthode est utilisée pour calculer l’énergie produite par les cap-teurs solaires de chaue-piscines. La méthode du potentiel d’utilisation est détaillée auxchapitres 2 et 21 du manuel de Duie et Beckman (1991) et est résumée ici sous orme trèscondensée. Elle permet le calcul des valeurs mensuelles de l’énergie ournie par les systèmesde chauage solaire sans stockage, en onction des valeurs mensuelles du rayonnementsolaire incident, de la température ambiante et de la charge de chauage.

2.4.1 Principe de la méthode du potentiel d’utilisation 

Un capteur solaire absorbe l’énergie solaire seulement s’il y a suisamment de rayonnementpour compenser les pertes thermiques vers l’environnement. Selon l’équation (24), pourun capteur vitré, cela se traduit par :

Figure 15 :  

Corrélation de f-Chart.

        0        2

        4        6

        8

        1        0

        1        2

        1        4

        1        6

        1        8

        2        0

0

1

2

3

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

f

 X

 Y

 

1

0,5

0

-0,5

-1

1,5

1

0,5

0

-0,5

-

-

-

-

-

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.34

où T i  est la température du luide entrant dans le capteur et où toutes les autres variables ont

la même signiication que dans l’équation (24). Ceci permet de déinir un niveau critiqued’ensoleillement Gc

qui doit être dépassé ain de pouvoir commencer à capter de l’énergiesolaire. Comme le modèle ne traite que des moyennes mensuelles, Gc

est déini en utilisantla moyenne mensuelle du produit transmissivité-absorptivité  τα ( ) et la moyenne mensuellede la température  pendant les heures d’ensoleillement T a (supposée égale à la températuremoyenne quotidienne plus 5 °C) par :

En combinant cette déinition à l’équation (24), l’expression suivante est obtenue pour lamoyenne quotidienne de l’énergie Q captée pendant un mois donné :

où  N  est le nombre de jours dans le mois et G est l’ensoleillement horaire dans le plandu capteur, l’exposant + signiiant que seuls les valeurs positives de la quantité entre pa-renthèses sont considérées.

La moyenne mensuelle du potentiel d’utilisation φ  est déinie par la somme pour un mois, pourtoutes les heures et pour toutes les journées, du rayonnement solaire incident dans le plan descapteurs qui est au-dessus du niveau critique, divisé par l’ensoleillement total mensuel :

où  H T 

est la moyenne mensuelle du rayonnement solaire quotidien dans le plan des cap-teurs. En substituant cette déinition dans l’équation (40), une ormule simple déterminantles économies mensuelles d’énergies générées par le système solaire, est obtenue :

(38)

(39)

(40)

(41)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.35

L’objecti de la méthode du potentiel d’utilisation est de calculer φ  à partir de l’orientationdes capteurs solaires et des données mensuelles du rayonnement solaire introduites parl’utilisateur (ou copiées depuis la base de données météorologiques en ligne RETScreen).La méthode établit une corrélation entre φ  , la moyenne mensuelle de l’indice de clarté K 

T   et deux variables (un acteur géométrique   R Rn

et un nombre sans dimension  X c 

caractérisant le niveau d’ensoleillement critique) déinies ci-après.

2.4.2 Facteur géométrique   R Rn

 R est calculé mensuellement comme étant le rapport entre le rayonnement solaire dans leplan du capteur

  H 

T divisé par celui sur une surace horizontale  H  :

 

 H T 

est calculé comme au paragraphe 2.1.2.  Rn  est le rapport du rayonnement solaire

dans le plan du capteur divisé par le rayonnement sur l’horizontale, pendant l’heure de la journée qui entoure le midi solaire et pour une journée moyenne du mois. Ceci se traduit parl’équation suivante :

où r 

d n,est l’ensoleillement dius pendant l’heure de la journée qui entoure le midi solaire,

divisé par le total de l’ensoleillement dius pendant toute la journée.r 

t n,

est l’ensoleille-ment global pendant l’heure de la journée qui entoure le midi solaire, divisé par le total del’ensoleillement global pendant toute la journée. Les valeurs d’ensoleillement sont consi-dérées chaque mois pour une « journée moyenne du mois », c’est-à-dire une journée pourlaquelle l’ensoleillement global H est égal à la moyenne mensuelle de l’ensoleillement globalquotidien  H  ;  H 

d est la moyenne mensuelle de l’ensoleillement quotidien dius de cette

« journée moyenne » (calculée à partir de l’équation 14), β  est l’inclinaison du capteurpar rapport à l ’horizontale et ρ 

 g est l ’albédo moyen du sol (voir section 2.1.2).

(43)

(44)

(42)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.36

r t n,

est calculé par l’équation de Collares-Pereira et Rabl (Duie et Beckman, 1991,ch. 2.13), écrite pour le midi solaire :

où ω  s  est l’angle horaire du soleil à son coucher (voir équation 2), exprimé en radians. r d n,

estcalculé à partir de l’équation de Liu et Jordan, écrite pour le midi solaire :

2.4.3 Nombre sans dimension caractérisant le niveau d’ensoleillement critique   X 

c

 X c

est défni comme étant le rapport du niveau d’ensoleillement critique divisé par le niveaud’ensoleillement à midi lors d’une journée typique du mois :

où 

r t n,

est donné par l’équation (45) et  Rnpar l’équation (44).

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.37

2.4.4 Moyenne mensuelle du potentiel d’utilisation quotidien  φ 

Finalement, la corrélation permettant d’obtenir la moyenne mensuelle du potentiel d’uti-lisation quotidien φ  en onction des deux acteurs  R R

net  X 

c calculés précédemment,

est la suivante :

avec :

L’énergie captée peut être ainsi calculée, comme montré précédemment avec l’équation (42).

25 Modèlepourlespiscines

Le calcul des besoins de chauage d’une piscine est eectué en supposant que la piscine estmaintenue à une température constante, dite température désirée. Ainsi, le modèle n’inclutaucun calcul de capacité de stockage thermique de la piscine et ne prend pas en comptela possibilité que la piscine ait une température supérieure à la température désirée (toutceci engendrerait alors un niveau de calculs itératis dépassant les objectis d’un outil basé

sur des euilles de calcul).

Les besoins en chauage de la piscine sont calculés en aisant le bilan thermique de lapiscine, c’est-à-dire en comparant les pertes et les gains thermiques (voir Figure 16). Lespertes sont attribuables à l’évaporation, à la convection, à la conduction, au rayonnementet à l’ajout d’eau raîche. Les gains comprennent les gains solaires passis, les gains solairesactis associés au chaue-piscine solaire et les gains provenant d’un système de chau-age auxiliaire. Dans les sections qui suivent, ces gains et ces pertes sont appelés taux ou

 puissance, c’est-à-dire qu’ils sont exprimés par unité de temps. La conversion entre une

(50)

(51a)

(51b)

(51c)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.38

puissance Q et la valeur d’énergie moyenne mensuelle Q est simplement donnée par laormule suivante :

où  N  jours

est le nombre de jours dans le mois et 86 400 est le nombre de secondes dansun jour.

2.5.1 Environnement climatique de la piscine 

L’environnement climatique de la piscine varie selon son emplacement, c’est-à-dire si ellese trouve à l’intérieur ou à l’extérieur. Dans le cas d’une piscine intérieure, les conditionssuivantes sont assumées :

température de thermomètre sec égale au maximum entre 27 °C (ASHRAE1995, p. 4.6) et la température ambiante;

(52)

Figure 16 :  

Bilan des pertes thermiques et des gains thermiques dans une piscine.

Gains solaires actifs

Gains solaires

passifs

Pertes parrayonnement

Gains

auxiliaires

Pertes parconduction

Pertes par

évaporation

Pertes parconvection

PISCINE

CAPTEURSOLAIRE

 AJOUT D’EAU FROIDE

DE COMPENSATION

Pertes lors

du nettoyagedu filtre

CHAUFFAGE AUXILIAIRE

 

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.39

humidité relative de 60 % (ASHRAE 1995, p. 4.6);

vitesse du vent de 0,1 m/s considérant de 6 à 8 changements d’air parheure dans le bâtiment dans lequel se trouve une piscine, c’est-à-dire unrenouvellement d’air en 450 s (p. ex. : si la piscine ait 25 m de long etqu’elle a 5 m d’espace de promenade autour d’elle, un débit d’air de 35/450= 0,08 m/s est obtenu); et

température de rayonnement de la voûte céleste égale à la températureambiante de la piscine.

Dans le cas d’une piscine extérieure, les conditions climatiques sont celles qui ont étéentrées par l’utilisateur (ou copiées de la base de données météorologiques en ligne deRETScreen), à l’exception de la vitesse du vent et de l’humidité relative qui ont l’objet

d’une attention spéciale expliquée ci-après.

Vitesse du vent 

Les simulations montrent qu’en utilisant une couverture de piscine (appelée aussitoile solaire), au moins une partie de la journée, et que la moyenne mensuelle devitesse du vent est utilisée pour la simulation, les pertes par évaporation sont sous-estimées. Cela peut venir du ait que la vitesse du vent est généralement plus élevéependant la journée (lorsque la couverture de piscine est enlevée) que pendant lanuit. Des observations aites à Toronto (Ontario); à Montréal (Québec), à Phœnix(Arizona) et à Miami (Floride) montrent qu’en général, la vitesse maximale du ventdans l’après-midi est à peu près le double de celle pendant la nuit. Par conséquent,dans le modèle RETScreen pour projets de chauage solaire de l’eau, une onction

sinusoïdale a été introduite pour simuler la vitesse du vent pendant la journée :

où V h

est la vitesse du vent à l’heure h, V  la moyenne de la luctuation de la vitessedu vent et h0 un décalage. Le modèle suppose que la vitesse maximale du vent estatteinte lorsque la couverture de piscine est enlevée et il eectue la moyenne sur

toute la période pour laquelle la piscine n’est pas recouverte, ce qui conduit à lavaleur moyenne suivante :

(53)

(54)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.40

où  N couv

est le nombre d’heures de la journée où la couverture est installée. Dela même manière, la vitesse moyenne du vent lorsque la couverture de piscine est

installée est :

Finalement, la vitesse du vent est multipliée par un cœicient (entré par l’utili-sateur) caractérisant l’exposition au vent de la piscine, permettant de prendre encompte la réduction de la vitesse du vent associée aux coupe-vents naturels (haies

et clôtures) aux abords de la piscine.

Humidité relative 

L’évaporation à la surace d’une piscine dépend de la teneur en humidité de l’air.Dans RETScreen, le calcul du taux d’évaporation est ait en utilisant le contenu eneau de l’air plutôt que l’humidité relative, car le contenu en eau (exprimé en kg d’eaupar kg d’air sec) est une donnée souvent plus constante au cours de la journée quel’humidité relative, qui varie non seulement en onction de la teneur en humiditémais aussi en onction de la température ambiante. Le calcul du contenu en eau esteectué suivant la ormule trouvée dans ASHRAE Fundamentals (ASHRAE, 1997).

2.5.2 Gains solaires passis 

Les gains solaires passis dièrent en onction de la présence ou de l’absence d’une cou-verture de piscine.

Gains solaires passis sans la couverture de piscine 

En l’absence de couverture, les gains solaires passis peuvent être exprimés par :

où  A pest la surace de la piscine,  r b la rélectivité moyenne de l’eau au rayonne-

ment direct et r d 

la rélectivité moyenne de l’eau au rayonnement dius. Commeprécédemment,  H 

bet  H 

d sont les moyennes mensuelles de l’ensoleillement direct

et dius (voir équations 6 à 8). La portion ombragée de la piscine   s , introduit parl’utilisateur, s’applique uniquement à la composante directe de l’ensoleillement.

(55)

(56)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.41

Le raisonnement mathématique suivant explique le calcul de r b

et r d . Un rayon de

lumière entrant dans l’eau avec un angle d’incidence θ  z

aura un angle de réraction

θ w lorsqu’il poursuit son chemin dans l’eau selon la loi de Snell (Duie et Beckman,1991, éq. 5.1.4; voir Figure 17) :

où nair 

et neau

sont les indices de réraction respectivement de l’air et de l’eau :

r b

peut être calculé avec la loi de Fresnel pour les composantes parallèles et perpen-diculaires du rayonnement réléchi (Duie et Beckman, 1991, éq. 5.1.1 à 5.1.3) :

(58)

(59)

(60)

 AIR

EAU

 z 

w  

Figure 17 :  

Loi de Snell.

(57)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.42

Une ois ces calculs aits, il devient évident que r b

est uniquement onction de θ  z.

La Figure 18 montre que r b

peut être adéquatement approximée par l’équationsuivante :

(63)

Figure 18 :  

Réectivité de l’eau en fonction du cosinus de l’angle d’incidence de la lumière par rapport à la normale à la surface de l’eau.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

cos (angle zénital)

  r   é   f   l  e  c   t   i  v   i   t   é 

   d  e 

   l   ’  e  a  u

formule exacteapproximation

 

(61)

(62)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.43

Comme le soleil en hiver est plus bas au-dessus de l’horizon, une valeur distinctede r 

best calculée chaque mois. L’équation ci-dessus est utilisée avec θ 

 zcalculé

2,5 heures avant ou après le midi solaire (la valeur de 2,5 h provient de Duie etBeckman, 1991, p. 244).

La rélectivité du rayonnement dius est indépendante de la position du soleil etest ondamentalement égale à la rélectivité calculée avec un angle d’incidence de60º (Duie et Beckman, 1991, p. 227). En utilisant l’équation exacte,   r d  = 0,060est trouvée.

Gains solaires passis avec une couverture solaire 

Dans le cas d’une piscine recouverte par une toile, les gains solaires passis peuvents’écrire :

oùα c

est l’absorptivité de la toile de piscine (ixée à 0,4) et  H  est, comme précédem-ment, la moyenne mensuelle de l’ensoleillement global sur une surace horizontale.

Total des gains solaires passis 

Les gains solaires passis sont une combinaison des gains avec et sans la toile solaire.

Le modèle considère que la couverture est utilisée surtout la nuit. Si la couvertureest installée  N 

couvheures par jours et que la durée moyenne du jour pour le jour

moyen du mois est  N clarté

, alors le nombre d’heures  N  sans couv

pour lequel la cou-verture est enlevée pendant les heures d’ensoleillement est :

Les gains solaires passis sont simplement considérés égaux à la somme des gains

solaires passis avec et sans la couverture. Cette moyenne est pondérée en onctiondu nombre d’heures où la couverture n’est pas installée pendant les heures d’en-soleillement :

(64)

(65)

(66)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.44

Exprimé par unité de temps, le taux des gains solaires passis est calculé grâce àl’équation (52) :

2.5.3 Pertes par évaporation 

Dans la littérature, plusieurs méthodes permettant de calculer les pertes par évaporationexistent, y compris celle proposée dans ASHRAE (ASHRAE, 1995), revue par Smith et coll.(1994) et celle citée dans le manuel de Hahne et Kübler (1994). Le modèle RETScreen pourprojets de chauage solaire de l’eau adopte l’équation du standard ISO TC 180 (Hahne et

Kübler, 1994):

où est la puissance (en W) dissipée à cause de l’évaporation de l’eau de la surace dela piscine, h

ele cœicient de transert de masse et où  P

v sat ,

et  Pv amb,

sont les pressionspartielles de la vapeur d’eau respectivement à la saturation et aux conditions ambiantes.Le cœicient de transert de masse h

e(en (W/m2)/Pa) s’exprime par :

où V  est la vitesse du vent à la surace de la piscine, exprimée en m/s. La pression partiellede vapeur d’eau à la saturation  Pv sat ,

est calculée à partir de la ormule de ASHRAE (1997).La pression partielle de vapeur d’eau pour des conditions ambiantes  P

v amb,

est calculée àpartir du contenu en eau, aussi à partir de la ormule de ASHRAE (1997).

Le taux d’évaporation de l’eau de la piscine , en kg/s, est relié à par :

où λ  est la chaleur latente de vaporisation de l’eau (2 454 kJ/kg).

(68)

(69)

(70)

(67)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.45

Quand la couverture de piscine est installée, 90 % de la surace de la piscine est considéréerecouverte et donc, que l’évaporation de l’eau est réduite de 90 %. Lorsque la couverture

est ôtée, les pertes par évaporation sont multipliées par deux pour tenir compte du tauxd’activité dans la piscine (Hahne et Kübler, 1994).

2.5.4 Pertes par convection 

Les pertes par convection sont estimées en utilisant l’équation citée par Hahne et Kübler(1994) :

où Qconv

est le taux de pertes de thermique par convection (en W), T  p la température de

la piscine, T a la température ambiante et hconv

le cœicient de transert thermique parconvection donné par :

avec la vitesse du vent V  exprimée en m/s.

2.5.5 Pertes par radiation 

Les pertes par radiation vers le milieu environnant, en l’absence de toile de piscine,(en W) sont données par :

où ε w est l’émissivité de l’eau dans le spectre inra-rouge (0,96),σ  la constante de Stean-Boltzmann (5,669×10-8 (W/m2)/K4), T  p la température de la piscine et T 

ciel la température

de la voûte céleste (voir section 2.1.3). En présence de la toile de piscine, on considère que90 % de la surace de la piscine est recouverte et que les pertes par radiation deviennentalors :

(71)

(72)

(73)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.46

où ε c

est l’émissivité de la couverture de piscine. En onction du matériau de la couverturede piscine, l ’émissivité peut aller de 0,3 à 0,9 (NRCan, 1998). Une valeur moyenne de 0,4 estalors utilisée. En combinant les deux équations précédentes avec la durée pendant laquellela couverture est installée, les valeurs de ε 

wet ε 

cmentionnées ci-dessus donnent :

2.5.6 Pertes thermiques attribuables à l’eau de renouvellement de la piscine 

De l’eau est ajoutée à la piscine pour compenser les pertes par évaporation, les pertes as-sociées à l’activité des baigneurs et les renouvellements volontaires d’eau. Si  f  renouv est letaux de remplacement d’eau entré par l’utilisateur (qui exclut le volume d’eau nécessairepour compenser les pertes d’eau par évaporation), exprimé comme une raction du vo-lume de la piscine renouvelé chaque semaine, le taux de renouvellement d’eau (en kg/s)est donné par :

où ρ  est la masse volumique de l’eau (1 000 kg/m3) et V  p le volume de la piscine. Ce der-nier volume est calculé à partir de la surace de la piscine en considérant une proondeurmoyenne de 1,5 m :

Le taux d’énergie nécessaire pour réchauer l’eau ajoutée Qrenouv

est donnée par :

(75)

(76)

(77)

(74)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.47

où T c est la température roide ournie par le réseau municipal (voir section 2.1.4) et C  p

lacapacité caloriique de l’eau (C 

 p= 4 200 (kJ/kg)/°C).

2.5.7 Pertes par conduction 

Les pertes par conduction sont souvent négligeables par rapport aux autres pertes. Dansle modèle RETScreen pour projets de chauage solaire de l’eau, les pertes par conduction

Qcond  sont supposées égales à 5 % des autres pertes :

2.5.8 Gains solaires actis 

La portion maximale de gains solaires actis Qact  est déterminée par la méthode du poten-

tiel d’utilisation (voir section 2.4) en considérant que la température de la piscine est égale

à la température désirée.

2.5.9 Bilan énergétique 

Le taux d’énergie Qreq

requis pour maintenir la piscine à la température désirée est ex-primé comme étant la somme de toutes les pertes moins les gains solaires passis :

Cette énergie peut provenir soit du chauage auxiliaire, soit des capteurs solaires. Le tauxd’énergie eectivement ournie par le système d’énergie renouvelable

 Q fournie

, est le mini-mum de l’énergie requise et de l’énergie ournie par les capteurs solaires :

(79)

(80)

(81)

(78)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.48

Si l’énergie solaire captée est plus grande que l’énergie requise par la piscine, alors la tem-pérature de la piscine va augmenter à une valeur supérieure à celle désirée. Cela pourrait

se traduire par un besoin d’énergie plus aible le mois suivant mais cela n’est pas pris encompte dans le modèle. La puissance auxiliaire Qaux, requise pour maintenir la piscine à

la température désirée, est simplement la diérence entre les besoins d’énergie et l’énergieournie par le chaue-piscine solaire :

26 Autrescalculs

2.6.1 Surace proposée des capteurs solaires 

La surace proposée des capteurs solaires dépend des besoins d ’énergie, du type de systèmeet du type de capteur solaire.

Pour la production d’eau chaude sanitaire avec stockage, la charge dechauage considérée mensuellement est la charge de chauage mensuelleincluant les pertes dans les tuyaux et le réservoir.

Pour la production d’eau chaude sanitaire sans stockage, la charge thermiquepour le dimensionnement de chaque mois est fxée à 14 % de la quantité

d’énergie mensuelle à ournir, ois  1+( ) f   pertes  pour tenir compte des pertesdans la tuyauterie. La valeur de 14 % a été choisie de manière à ce quela quantité d’énergie ournie ne dépasse pas la valeur recommandée de 15 %de la charge totale d’énergie à assurer.

Dans le cas des piscines, la charge de chauage est égale à l’énergie requise,ois 1+( ) f   pertes pour tenir compte des pertes dans la tuyauterie.

La surace proposée de capteur solaire est basée sur la méthode du potentiel d’utilisation.De manière optimale, pour chaque mois la quantité d ’énergie utile doit être égale à la chargeconsidérée pour le dimensionnement. En utilisant l’équation (42) :

qui est résolue pour trouver la surace de capteur solaire  Ac. Cela donne alors 12 valeurs

mensuelles de suraces de capteurs solaires proposées. Ensuite :

(83)

(82)

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.49

Pour la production d’eau chaude sanitaire, le modèle prend la plus aibledes valeurs mensuelles. Pour un système sans stockage, cela permet

d’assurer que, même pour les mois les plus ensoleillés, la productiond’énergie renouvelable ne dépasse pas 15 % de la charge totale d’énergie àassurer. Pour un système avec stockage, 100 % des besoins pourraient êtreournis pendant le mois le plus ensoleillé si le système pouvait utiliser toutel’énergie disponible. En ait, comme les systèmes avec stockage sont moinsperormants (puisqu’ils travaillent à plus haute température), la méthodeconduira généralement à des taux de recouvrement solaire de la charge plusaibles, généralement autour de 70 % pour le mois le plus ensoleil lé.

Dans le cas des piscines, la méthode ci-dessus ne s’applique pas puisqueles besoins de chauage sont pratiquement nuls pendant les mois lesplus ensoleillés. Par conséquent, le modèle prend la moyenne des valeursmensuelles de surace de capteurs solaires calculées pour la saisond’utilisation.

Le nombre de capteurs solaires est calculé en onction de la surace de capteurs proposée,divisée par la surace d’un capteur individuel, arrondie à la valeur entière la plus proche.

2.6.2 Énergie de pompage 

L’énergie de pompage est calculée par :

où  P pompe

est la puissance de pompage par unité de surace du capteur solaire et  N capt  le

nombre d’heures par année pendant lesquelles le capteur solaire est en onctionnement.Une approximation de  N capt  est obtenue par la méthode suivante : si le capteur onction-nait sans aucune perte thermique tant qu’il y a de l’énergie solaire, alors il capterait laquantité d’énergie   A F H  

c R T τα ) . En réalité, il capte Q f    fournie pertes1+( ) où Q fournie

estla quantité d’énergie ournie par le système et  f   pertes la raction d’énergie solaire perduedans l’environnement via les tuyaux et le réservoir.  N 

capt est tout simplement obtenu en

prenant le rapport de ces deux quantités et en les multipliant par le nombre d’heures de

clarté pour le mois  N clarté:

(84)

(85)

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.50

La comparaison avec des simulations montre que cette méthode aurait tendance à légère-ment surestimer le nombre d’heures de onctionnement du système. Un acteur de correc-

tion égal à 0,75 est introduit pour compenser cette surestimation.

2.6.3 Production annuelle d’énergie au m 2 , rendement du système solaire et taux de recouvrement de la charge 

La production annuelle d’ énergie au m2 est simplement l’énergie ournie par le systèmedivisée par la surace de capteur solaire. Le rendement du système solaire est l’énergieournie divisée par l’ensoleillement incident sur la surace totale de capteur solaire. Letaux de recouvrement de la charge (raction solaire) est égal à l’énergie ournie divisée parla demande d’énergie.

27 Validation

De nombreux experts ont contribué au développement, test et validation du modèleRETScreen pour projets de chauage solaire de l’eau. Ceux-ci inclus des experts en mo-délisation de systèmes de chauage solaire de l’eau, des ingénieurs experts en coûts, desspécialistes en modélisation des gaz à eet de serre, des proessionnels en analyse inancièreet des scientiiques spécialisés dans les bases de données météorologiques de satellites oude stations de surveillance au sol.

2.7.1 Production d’eau chaude sanitaire – comparaison avec un modèle horaire 

et des données monitorées Cette section présente deux exemples de validations aites pour le modèle RETScreen pourprojets de chauage solaire de l’eau. Tout d’abord, on compare les prédictions du modèleRETScreen pour projets de chauage solaire de l ’eau aux calculs eectués à l ’aide du logicielde simulation horaire WATSUN. Ensuite, les estimations du modèle sont comparées à desdonnées mesurées pour dix projets réels de chauage solaire de l’eau.

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.51

Comparaison avec un modèle horaire 

 WATSUN (Université de Waterloo, 1994) est un logiciel destiné à simuler des sys-

tèmes de chauage solaires actis. Il eectue des simulations horaires d’un systèmeavec des paramètres descriptis déinis par l’utilisateur et par exemple, des donnéesmétéorologiques typiques (Typical Meteorological Year : TMY). Il ournit ensuiteun résumé mensuel des lux d’énergie dans le système. Bien que RETScreen nesoit pas conçu pour être un outil de simulation mensuel, l’utilisateur peut spéciierles mois pour lesquels il veut que l’analyse soit aite. Dans ce chapitre, les pré-dictions mensuelles de RETScreen sont comparées à celles de WATSUN pour unchaue-eau solaire domestique courant dont les caractéristiques sont résumées auTableau 2. Les valeurs annuelles prédites (Tableau 3) montrent que l’accord entreles deux programmes est excellent. Les Figures 19 a à d comparent mois-par-moisles prédictions de RETScreen aux calculs de WATSUN. Il y a un bon accord entrele niveau d’ensoleillement dans le plan des capteurs (Figures 19a), l’estimation de la

charge énergétique (Figures 19b) et de l’énergie ournie (Figures 19c). Pour le tempsd’opération de la pompe (Figures 19d), l’accord est également acceptable, bien quele modèle actuellement utilisé dans RETScreen ne asse qu’une estimation grossièrede cette variable.

Paramètre Description

Capteur Vitré,5m2

Inclinaison 60degrésfaceausud

Stockage Sansstratication;0,4m3

Échangeurdechaleur Efcacité70%

Lieu Toronto,ON,Canada

  Tableau 2 :  Paramètres du système de chaue-eau solaire domestique.

RETScreen WATSUN Différence

Ensoleillementincident(GJ) 24,34 24,79 -1,8 %

Chargeénergétique(GJ) 19,64 19,73 -0,5 %

Énergiefournie(GJ)  8,02  8,01 0,1 %

 Tempsd’opérationdelapompe(h) 1 874 1 800 4,1 %

Tableau 3 :  Comparaison des valeurs annuelles estimées – chaue-eau solaire domestique.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.52

Figures 19a et 19b :  

Comparaison des valeurs mensuelles estimées – chauffe-eau solaire domestique.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

Mois

   C   h  a  r  g  e   é  n  e  r  g   é   t   i  q  u  e   (   G   J   )

WATSUN

RETScreen

  janv. févr. mars avr. mai juin juill. août sept. oct. nov. déc.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

  janv. févr. mars avr. mai juin juill. août sept. oct. nov. déc.

Mois

   E  n  s

  o   l  e   i   l   l  e  m  e  n   t   d  a  n  s   l  e  p   l  a  n   d  u  c  a  p   t  e  u  r   (   G   J   ) WATSUN

RETScreen

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.53

0

50

100

150

200

250

Mois

   T  e  m  p  s   d   ’  o  p   é  r  a   t   i  o  n   d  e   l  a  p  o  m  p  e   (   h   )

WATSUN

RETScreen

  janv. févr. mars avr. mai juin juill. août sept. oct. nov. déc.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Mois

    É  n  e  r  g   i  e   f  o  u  r  n   i  e   (   G   J   )

WATSUNRETScreen

  janv. févr. mars avr. mai juin juill. août sept. oct. nov. déc.

Figures 19c et 19d :  

Comparaison des valeurs mensuelles estimées – chauffe-eau solaire domestique.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.54

Comparaison avec des données monitorées 

 Ain de compléter la val idation du modèle RETScreen pour projets de chauage

solaire de l’eau dans le cas des chaue-eau domestiques, les prédictions du modèleont été comparées à des données monitorées de 10 systèmes utilisés dans le pro- jet S2000 de Guelph, Ontario, Canada (Enermodal, 1999). Ces systèmes avaientun capteur solaire d’une surace de 5,9 m2, un réservoir de 270 L, un échangeurde chaleur (supposé dans RETScreen comme ayant une eicacité de 60 %) et descharges énergétiques variant entre 90 L/jour et 380 L/jour. Les résultats présentéssur la Figure 20, montrent que RETScreen est assez optimiste dans ses prédictionsd’énergie en particulier pour les systèmes ayant de aibles volumes d’eau chaude(à gauche de la igure). L’accord est meilleur pour les systèmes qui ont de plus grossoutirages d’eau (à droite de la igure). Parmi les 10 systèmes considérés, la sures-timation de la production d’énergie solaire est de l’ordre de 29 %, ce qui est bien àl’intérieur de la gamme requise pour des études de préaisabilité et de aisabilité; la

surestimation chute à 15 % en considérant seulement les trois systèmes qui ont leplus grand soutirage d’eau chaude.

2.7.2 Cas des piscines – comparaison avec un modèle horaire et des données monitorées 

Cette section présente deux exemples de validations aites avec le modèle RETScreen pourprojets de chauage solaire de l’eau dans le cas des piscines. Tout d’abord, les prédictions dumodèle RETScreen ont été comparées aux calculs eectués à l ’aide du logiciel de simulation

Figure 20 :  Comparaison des prédictions de RETScreen avec des données monitorées pour Guelph, Ontario, Canada.

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000

Énergie solaire annuelle fournie mesurée (kWh)

    É  n  e  r  g   i  e  s  o   l  a   i  r  e

  a  n  n  u  e   l   l  e   f  o  u  r  n   i  e

  p  r   é   d   i   t  e  p  a  r   R   E   T   S  c  r  e  e  n   (   k   W   h   )

 

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.55

horaire ENERPOOL. Ensuite, les estimations du modèle sont comparées à des donnéesmesurées sur le site d’un projet réel.

Comparaison avec un modèle horaire 

ENERPOOL (NRCan, 1998) est un logiciel de simulations horaires, similaire danssa conception à WATSUN mais spécialement conçu pour simuler des piscines inté-rieures et extérieures. Il ournit une récapitulation mensuelle des besoins énergé-tiques et du taux de recouvrement solaire de la charge pour chauer une piscine,résultats qui peuvent être comparés à ceux de RETScreen.

Les principales caractéristiques de la piscine extérieure simulée sont résumées dansle Tableau 4. Les pertes de la piscine, les gains solaires passis, la quantité d’énergierequise (égale aux pertes moins les gains solaires passis) et l’énergie ournie par lesystème solaire sont montrés sur les Figures 21a à 21d. Il y a un bon accord quant aux

pertes de la piscine et aux gains solaires passis (respectivement +2,5 % et +5,7 % pourtoute la durée de la saison où la piscine est ouverte), ainsi que pour la quantité d’éner-gie requise (-2,0 %). La Figures 21d est intéressante et demande certains commentai-res. Par rapport à ENERPOOL, les gains solaires sont sous-estimés par RETScreen, enparticulier en juillet lorsque les besoins énergétiques sont minimums pour chauerla piscine. Ceci est lié aux méthodes pour estimer les gains solaires dans RETScreenet dans ENERPOOL. RETScreen calcule la quantité d’énergie solaire requise pourmaintenir la piscine à une température désirée minimale, alors que ENERPOOL permetà la température de la piscine de varier entre un minimum (27 °C) et un maximum(30 °C). Par conséquent, même s’il n’y a pas un besoin d’énergie solaire pour maintenirla piscine à une température minimum, ENERPOOL comptabilise encore l’énergieproduite par les capteurs solaires puisqu’il autorise la piscine à monter à une tempé-

rature plus élevée, ce qui est assez représentati des piscines réelles. Comme montrédans cet exemple, RETScreen prédit ainsi uniquement les gains d’énergie minimumqui pourraient être réalisés en installant un système de chauage solaire. C’est-à-direla quantité d’énergie conventionnelle qu’il aurait allu autrement assurer par un sys-tème auxiliaire de chaue-piscine pour maintenir la température au niveau minimaldésiré. En juillet, par exemple, l’énergie solaire est tout simplement égale aux besoinsd’énergie de la piscine (4,5 GJ) alors qu’en ait, plus d’énergie pourrait être captée.

Paramètre Description

Surfacedelapiscine 48m2

Utilisationdelapiscine 8h/jour  Températureminimaledelapiscine 27°C

Surfacedescapteurssolaires 25m2

Ouverturedelapiscine 1ermai

Fermeturedelapiscine 30septembre

Lieu Montréal,QC,Canada

Tableau 4 :  Paramètres décrivant le système de chauage de piscine.

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.56

Figures 21a et 21b :  

Comparaison des valeurs mensuelles estimées – système de chauffage pour les piscines.

0

10

20

30

40

50

60

mai juin juill. août sept.

Mois

   P  e  r   t  e  s   d  e  c   h  a   l  e  u  r   t  o   t  a   l  e  s   (   G   J   )

ENERPOOL

RETScreen

0

5

10

15

20

25

30

Mois

   G  a   i  n  s  s  o   l  a   i  r  e  s  p  a  s  s   i   f  s   (   G   J   )  

mai juin juill. août sept.

ENERPOOL

RETScreen

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2. Modèle RETScreen pour projets de chauffage solaire de l’eau

CSE.57

Figures 21c et 21d :  

Comparaison des valeurs mensuelles estimées – système de chauffage pour les piscines.

0

5

10

15

20

25

30

35

Mois

   B  e  s  o   i  n  s   t  o   t  a  u  x   d  e  c   h  a  u   f   f  a  g  e   (   G   J   )

 mai juin juill. août sept.

ENERPOOL

RETScreen

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Mois

    É  n  e  r  g   i  e   f  o  u  r  n   i  e  p  a  r   l  e  s  y  s   t   è  m  e  s  o   l  a

   i  r  e   (   G   J   )

 mai juin juill. août sept.

ENERPOOL

RETScreen

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ChapitreAnalysedeprojetsdechauffagesolairedel’eau 

CSE.58

Comparaison avec des données monitorées 

 Ain de compléter la validation du modèle RETScreen pour projets de chauage solaire de

l’eau dans le cas des piscines, les prédictions du modèle ont été comparées à des donnéesmonitorées pour une véritable piscine située à Möhringen, en Allemagne, en se basantsur les résultats publiés par Hahne et Kübler (1994). Les principales caractéristiques de lapiscine sont résumées au Tableau 5.

Paramètre Description

Surfacedelapiscine 1200m2

Utilisationdelapiscine 14h/jour*

  Températureminimaledelapiscine 24°C

Surfacedescapteurssolaires 650m2

Ouverturedelapiscine 5mai

Fermeturedelapiscine 6septembre

Tableau 5 :  Paramètres de la piscine de Möhringen, Allemagne (* = estimés).

Pendant la saison d’ouverture de la piscine, les besoins d’énergie mesurés ont été de546 MWh et estimés par RETScreen à 528 MWh (soit un écart de – 3 %). L’énergie mesuréequi a été ournie par le système de chauage solaire est de 152 MWh avec un rendement dusystème proche de 38 %; alors que RETScreen prédit respectivement une énergie ourniede 173 MWh (+14 %) et un rendement de 44 %. Comme pour les systèmes de chaue-eausolaires résidentiels, le pourcentage d’erreur des estimations de RETScreen est acceptable

au niveau des études de préaisabilité ou de aisabilité.

28 Sommaire

Dans ce chapitre les algorithmes utilisés dans le modèle RETScreen pour projets dechauage solaire de l’eau ont été passés en revue. Le calcul de l’ensoleillement sur un planincliné, le calcul des variables décrivant l’environnement de la piscine, comme la tempé-rature de la voûte céleste et la modélisation des capteurs solaires sont communs à toutesles applications. L’énergie ournie par un chaue-eau avec stockage est estimée grâce à laméthode f-Chart. Pour les systèmes sans stockage, la méthode du potentiel d’utilisation estemployée. La même méthode est aussi utilisée pour estimer la quantité d’énergie eecti-

vement captée par les chaues-piscine solaires; les déperditions thermiques et les gainssolaires passis d’une piscine sont évalués grâce à un algorithme indépendant. La compa-raison des prédictions du modèle RETScreen aux résultats de programmes de simulationhoraire et à des données monitorées montre que la précision du modèle RETScreen pourprojets de chauage solaire de l’eau est excellente relativement à la préparation d’études depréaisabilité, particulièrement en considèrant que RETScreen ne requiert que 12 donnéesmensuelles contre 8 760 pour la plupart des modèles de simulation horaires.

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CSE.59

RÉFÉRENCES

 ASHRAE, Applications Handbook , American Society o Heating, Rer igerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1791 Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA, 30329, USA, 1991.

 ASHRAE, Applications Handbook (SI) - Service Water Heating, American Society o Heating,Rerigerating, and Air- Conditioning Engineers, Inc., 1791 Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA,30329, USA, 1995.

 ASHRAE, Handbook - Fundamentals, SI Edition, American Society o Heating, Rerigeratingand Air-Conditioning Engineers, Inc., 1791 Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA, 30329, USA, 1997.

Carpenter, S. and Kokko, J., Estimating Hot Water Use in Existing Commercial Buildings, ASHRAE Transactions, Summer Meeting 1988, Ottawa, ON, Canada, 1988.

Chandrashekar, M. and Thevenard, D., Comparison of WATSUN 13.1 Simulations with Solar

Domestic Hot Water System Test Data from ORTECH/NSTF – Revised Report , WatsunSimulation Laboratory, University o Waterloo, Waterloo, ON, Canada, N2L 3G1, 1995.

Dufe, J. A. and Beckman, W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 1991.

Enermodal, Monitoring Results for the Waterloo-Wellington S-2000 Program, rapport préparépar Enermodal Engineering Ltd. et Bodycote Ortech pour Ressources naturelles Canada,Enermodal Engineering Ltd., 650 Riverbend Drive, Kitchener, ON, Canada, N2K 3S2, 1999.

Hahne, E. and Kübler, R., Monitoring and Simulation of the Thermal Performance of SolarHeated Outdoor Swimming Pools, Solar Energy 53, l, pp. 9- 19, 1994.

Hosatte, P., « Communication personnelle », 1998.

Marbek Resource Consultants, Solar Water Heaters: A Buyers Guide, rapport préparé pourÉnergie, mines et ressources Canada, 1986.

RNCan, ENERPOOL Program, Version 2.0, 1998.

Smith, C. C., Lö, G. and Jones, R., Measurement and Analysis of Evaporation from anInactive Outdoor Swimming Pool, Solar Energy 53, 1, pp. 3-7, 1994.

Soltau, H., Testing the Thermal Performance of Uncovered Solar Collectors, Solar Energy 49,4, pp. 263-272, 1992.

Swinbank, W. C., Long-Wave Radiation from Clear Skies, Quarterly J. Royal MeteorologicalSoc., 89 (1963), pp. 339-348, 1963.

University o Waterloo, WATSUN Computer Program, Version 13.2, University o Waterloo, Waterloo, ON, Canada, N2L 3G1, 1994.

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