Formation Bâtiment Durable : Rénovation passive et (très) basse énergie : détails techniques
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Formation
Bâtiment Durable :
Rénovation passive et
(très) basse énergie :
détails techniques
Bruxelles Environnement
LES ÉNERGIES RENOUVELABLES DANS LA RÉNOVATION
DE MAISON TYPE BRUXELLOISE EN MAISON UNIFAMILIALE OU LOGEMENTS MULTIPLES
Jean de Cambry
Cenergie
Plan de l’exposé
● Que faire? Sources d’Energie Renouvelable?
● Partie I : L’énergie solaire (5 slides)
► Variation énergie – Disponibilité
● Partie II : Le solaire photovoltaïque (12 slides)
► Marché – Notions de base – Technologies – Intégration –
Rentabilité – Outils
● Partie III : Le solaire thermique (17 slides)
► Marché – L’installation ST – Dimensionnement –
Rentabilité – Outils
● Informations générales et Conclusion 2
Que faire : SER disponibles et faisabilité?
• Solaire ?
• Cible
• 50% des besoins en ECS
• 2/3 des besoins en électricité
• Soit ~20 m² pour un logement unifamilial
• oui
• Eolien ?
• non rentable en domestique
• Biomasse ?
• Cfr présentation J3
• PAC et microcogen domestique (1-2 kWe, ~14 kWth)
• = utilisation rationnelle du gaz et de l’électricité (URE)
• ≠ énergie renouvelable
Objectifs de la présentation
● Comprendre les paramètres de dimensionnement
du solaire photovoltaïque et du solaire thermique
● Quels outils utiliser pour une étude de pertinence
en solaire?
4
PARTIE I L’énergie solaire
Variation de l’énergie solaire ● Effet lié aux saisons
Variation de l’énergie solaire ● Effet de la nébulosité
Energie solaire disponible
● Le gisement solaire moyen en Belgique
● En dehors de l’atmosphère terrestre, le rayonnement énergétique est à peu
près constant et égale 1370 W/m2
● Les rayons solaires traversent l’atmosphère, en plein soleil une surface
horizontale reçoit maximum 1000 W/m²
● Une surface exposée Rayonnement solaire global sur une surface d'1 m², inclinée à 45°, pour une
Année Type Moyenne en Belgique +/- 1000 kWh/m²
reçoit du rayonnement
direct et diffus. 160
140
● L’ensoleillement annuel en
120
Belgique est en moyenne
100
de
kWh
1000 kWh/m2 80
60
40
20
0
Jan Fév M ars Avr M ai Juin Juil Août Sep Oct Nov Déc
Energie solaire disponible
● Influence de l’orientation et de l’inclinaison des panneaux
Optimum : 35° plein sud
PARTIE II
ENERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE
(PV)Notions de base
►Watt-crête (Wc)
puissance électrique maximale fournie dans des
conditions standard de test:
- un ensoleillement de 1 000 W/m2 ;
- une température des panneaux de 25°C ;
- une répartition spectrale du rayonnement dit AM 1.5
►Wattheure (Wh)
Silicium polycristallin
1Watt-heure énergie consommée ou délivrée par un
système d’une puissance de 1 Watt pendant une heure.
11Technologie : Surface PV correspondante à 1 kWc
Modules
Monocristallins à haute performance (6 à 9 m2, ~150 Wc/m2, η 12% à 20%)
Polycristallins (7,5 à 10 m2, ~100 Wc/m2, η 11% à 15%)
CIS-CIGS (9 à 11 m2)
TeCd (12 à 17 m2)
Silicium amorphe
(14-20 m2, η 5-7%)
12Technologie : Rendements typiques
Couches minces Modules Record en laboratoire
Dye Sensitized 3-5% 11,0%
Silicium Amorphe Multijonctions (α-Si) 4 - 6,5 % 13,2%
Silicium Microcristallin sur verre (CSG) 5-8 %
Micromorphe 8-9%
Tellure de Cadmium (CdTe) 6 - 10 % 16,5%
Cuivre Indium Sélénium (CIS) 9 - 12 % 19,5%
Silicium cristallin
Silicium Ruban 11 - 14 % 18,0%
Silicium Polycristallin (p-Si) 11 - 14 % 20,3%
Silicium Monocristallin (m-Si) 12 - 16 % 21,6%
Silicium Monocristallin Haute performance 16 - 20 % 24,7%
Concentration
Cellules Triple-Jonctions GaInP/GaAs/Ge 25 - 35 % 41,1%
13Technologie : Temps de Retour Energétique d’une
installation PV
► Pour une installation avec cellules en silicium cristallin
► Temps de Retour Energétique = 19 … 40 mois
► Dépend de l’ensoleillement
► Pour une installation en toiture
► Si durée de vie installation = 30 ans facteur 8 … 18
► Source : Hespful / Ademe (France)Schéma de système PV
Sectionneur Compteur Applications
courant continu "certificats verts" électriques
Courant continu Courant alternatif
Tableau
Électrique
(avec
protection
différentielle)
Compteur
Générateur Disjoncteur électrique
photovoltaïque Onduleur courant alternatif Existant
(GRD)
remplacé
Différentes fonctions de l’onduleur : par un
- Transformation DC en AC « A+/A- »
- Fonction de synchronisation avec le réseau
- Recherche permanente du point de puissance maximal (MPP)
- Fonction de découplage du réseau Réseau
© Energie Facteur 4 asbl
15Intégration en toiture
► Toiture inclinée
…moins efficace
que…
Car ventilation par
dessous
refroidissement
meilleur η
► Toiture plate
ANCRAGE LESTAGE
SYSTÈME
D’ASPIRATION/DEPRESSION 16Coût : Investissement
3
2,5
Investissement [EUR/Wc]
2
1,5
1
0,5
0
1 10 100 1000
Puissance [kWc]
5 kWc
(Source : PV Calc)
/3 en 5 ans !
(Source : Brugel, Proposition relative au coefficient multiplicateur
appliqué au photovoltaïque - Analyse des paramètres
(Source : Apere, Smartguide, 2013) économiques, 6 sept. 2013.)Coût : Aides à la production et Economie
• Nombre de certificats verts octroyé (date de mise
en service postérieure au 02/08/2013)
Revenus
Octroi de certificats verts
financiers
PRIX MARCHE
# de 1 CV pour la
CV/MWh production de (CV à 85 €)
Toutes tailles 2,4 CV / MWh 417 kWh 204 €/MWh
• Aides calculée pour TRS = …7-8… ans (voir Brugel)
• Durée d’obtention des CV: max. 10 ans après mise en
service (possibilité d’extension dans certaines situations)
• Validité des CV : 5 ans
• Economie : attention à la compensation !
• Si < 5 kWc : le compteur « tourne à l’envers » = « compensation »
• Si ≥ 5 kWc : ce qui n’est pas consommé instantanément est perdu
(idéalement vendu ~0,04€/kWh) auto-consommer le maximum !
18Outil, websites, …
< 5 kWc : Simulateur financier photovoltaïque : http://www.apere.org/sif/pv/
Démonstration « live »
au cours
kWh/kWc ?
PVGIS: http://photovoltaic-software.com/pvgis.phpOutil, websites, …
Pvcalc (pour toutes installations)
Dispo sur http://www.bruxellesenvironnement.be
Accueil > Professionnels > Votre secteur d'activité > Bâtiment (constr., renovation, gestion) >
Energies renouvelables Solaire photovoltaïquePoints d’attention lors de la conception
1. Limiter la consommation électrique du bâtiment
• Limiter la consommation électrique consécutive à l'éclairage (voir G_ENE01 - Optimiser l'éclairage
artificiel)
• Limiter la consommation électrique consécutive aux appareils (voir G_ENE06 - Limiter les charges
thermiques)
• Éviter le refroidissement actif, utiliser le refroidissement passif (voir G_ENE07 - Appliquer une
stratégie de refroidissement passif) et produire le plus efficacement possible l'éventuelle demande en
chaleur résiduelle (voir G_ENE09 – Refroidissement : choisir le meilleur mode de production utilisant des sources
renouvelables)
• Système de distribution efficace pour le chauffage, le refroidissement et la ventilation (voir
G_ENE10 - Garantir l'efficience des installations de chauffage, d'eau chaude sanitaire et de refroidissement et G_ENE02 -
Concevoir un système de ventilation énergétiquement efficace)
2. Évaluer la consommation électrique résiduelle
• Déterminer la consommation électrique : consommation annuelle et de préférence
consommation mensuelle et, le cas échéant, le profil quotidien
3. Évaluer le potentiel de fourniture d'énergie électrique renouvelable
• Superficie de toiture disponible. Capacité portante de toiture disponible. Ombrage,
orientation et inclinaison.
Source : Guide pratique, G_ENE11 Intégrer des installations pour la production d'électricité renouvelable,
http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be/fr/accueil.html?IDC=3Points d’attention lors de la conception
4. Analyse coûts-efficacité + choix du système
• Analyse économique des différentes techniques (simulation avec technologies, orientation,
ombrage, superficie,…) avec outils.
• Choix du système ou de plusieurs systèmes (attention garantie onduleur < ou > 10 ans,
garantie de rendement)
5. Conception du ou des systèmes choisis
• Conception du système: étanchéité toiture, fixation sur toiture, circulation d’air,
onduleur « au frais », pertes câbles < 2%...
6. Contrôle du fonctionnement et optimisation du réglage
• Suivi de la production et de son adéquation avec les attentes
Source : Guide pratique, G_ENE11 Intégrer des installations pour la production d'électricité renouvelable,
http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be/fr/accueil.html?IDC=3PARTIE III
ENERGIE SOLAIRE THERMIQUE
(CES – Chauffe-Eau Solaire)L’installation solaire thermique
L’installation solaire thermique : technologie • Types de capteurs solaires
L’installation solaire thermique : technologie
• Rendement des capteurs solaires
Rendement
Différence de température entre le capteur et le milieu ambiant [°C]
Absorbeur de piscine 0 – 20 °C Chauffage de piscine
Capteur plat 20 – 100 °C Eau chaude et chauffage
Capteur de vide > 100 °C Chaleur de processusL’installation solaire thermique :orientation Orientation et inclinaison
L’installation solaire thermique : Faisabilité
● Toiture
► Orientation, inclinaison
► Surface utile, encombrement, obstacles,…
► Remplacement étanchéité, …
► Stabilité
• Chaufferie
► Production combinée ?
► Ancienneté des chaudières ?
► Régulation !
• Liaison toiture - chaufferie
► Gaines techniques ?
► Local technique en toiture ?
• Stockage & distribution ECS
► Réservoirs de stockage
► Boucle de distribution (L, Diam,
isolation)Intégration + -
+ Distance panneaux/boiler
minimisée
+ Chauffage d’appoint au gaz
thermo-modulant consomme
peu.
+Distance panneaux/boiler − L’utilisation du boiler existant comme appoint
minimisée augmente fortement la surface de déperdition thermique
+Utilisation d’un échangeur
- Distance panneaux/boiler importante => surcoût
intégré dans le boiler solaire
alimenté par la chaudière
- Distance panneaux/boiler importante=>surcoût
- L’utilisation du réservoir de la chaudière existante
comme appoint augmente fortement la surface de
déperdition thermique sauf s’il s’agit d’une chaudière
mixte qui ne stocke pas d’eau.
- Panneaux en auvent : permis d’urbanisme nécessaireDimensionnement : besoins en kWh?
● Règle de base : toujours partir du besoin de chaleur !
► ECS (+ chauffage?)Dimensionnement
● Ratio de consommation ECS
► ~45 l à 45°C par jour par personne en moyenne
► Soit 1,16 kWh/(m³.K) * 0,045 m³/(j.p) * 365 j/an * (45-10)°C = 670 kWhth/(p.an)
● Superficie de panneaux
► Fraction solaire de 50…70%, soit besoin de 350 à 600 kWhth/(p.an)
► ~400 à 450 kWhth/m²panneau 0,9 à 1,5 m²panneau/p
► Or ~2 m²/panneau
› si 2p : 1 panneau est trop juste 2 panneaux soit ~4 m²
› Relation m²/besoins non linéaire !
● Stockage
► 1,3 à 1,7 x conso journalière ou 50 à 80 l par m² de capteurDimensionnement
Nomogramme de calcul de la taille d'un système de chauffe-eau solaire
(Source : www.groene-energiewinkel.nl)Chauffage + ECS via le solaire thermique?
Oui… mais moins rentable
10 à 30 m² de capteurs
Ballon de 1000 à 3000 litres
Régulation plus complexe
Économie:
~80% sur l’ECS
20…50% sur le chauffageRentabilité financière
• Installation solaire pour un logement de 4p
- Besoins ECS : 670 kWhth/p * 4p = 2670 kWhth
- Fraction solaire de 60% production de 1600 kWhth,sol
- Economie de 1600 kWhth / 75% (η) = 2100 kWhpci/an, soit de 170 €/an
- 3000 à 4500 € pour une installation de ~4 m²
- TRS : ~20 ans
- Subside de 2500 à 3500 € (selon les revenus), plafonné à 50%
- TRS avec prime : ~10 ansQuick Scan Solaire Thermique >20 m², Collectif !
► Calculateur Excel téléchargeable en ligne sur le site de BE
► Fonction : pré-dimensionnement d’installations solaires
thermique de production d’eau chaude
► Application : Production ECS pour bâtiments tertiaires,
structures d’accueil et logements collectifs (>300m³/an)
► Objectif : évaluer la faisabilité technique, économique et
environnementale de l’installation
► Résultats Ordres de grandeur
› surface de capteurs, volume de stockage,
› coûts d’investissement, économies d'énergie,
› émissions de CO2 évitées
► Utilisateurs : architecte, bureau d’études, conseiller PEB,
installateur, gestionnaire de bâtiments, responsable énergie,
maître d’ouvrage, syndic,…Quick Scan ST : limites d’utilisation
● Pas adapté au dimensionnement de chauffe-eau solaires < 20 m²
● Pas prévu pour d’autres applications que la production d’ECS
► Préchauffage de l’eau de bassin
► Soutien de chauffage
► Refroidissement solaire assisté
► …
Logiciels de dimensionnement spécifiques : T*sol, Polysun,…
● Ne considère pas les contraintes techniques propres au bâtiment
► ombrage du champ de capteur
► accessibilité des locaux techniques
► place disponible pour le stockage
► …Quick Scan Solaire Thermique
37Points d’attention
● Orientation, inclinaison, ombrage
● Capacité portante toiture
● Isolation ballon de stockage !
● Permis urbanisme ?
► Non
› si invisible de l’espace public
› ou si dans le plan de la toiture
– incorporé dans la toiture (l’idéal énergétique!)
– en surimposition àPoints d’attention
● Monitoring et bon suivi des performances
► Des petits défauts peuvent avoir de grands impacts sur les
performances
› Défaut à la pompe de circulation
› Senseur de température déconnecté (ballon par exemple)
› Régulation mal programmée
● Conditions techniques primes
► Le système solaire thermique doit contenir un compteur intégrateur
de chaleur
« Le compteur d’énergie doit permettre de vérifier la performance du
système et de déceler d’éventuelles anomalies »
► L’installateur devra fournir une garantie de fonctionnement de 2 ans
minimum. Cette garantie DOIT être complétée par une "garantie de
résultat solaire" (GRS) mais que… si > 50 m2
.Informations générales et conclusion
Outils, sites internet, etc… intéressants :
● IBGE:
► Solaire thermique :
http://www.bruxellesenvironnement.be/Templates/Professionnels/informer.aspx?i
d=32603
► Solaire PV :
http://www.bruxellesenvironnement.be/Templates/Professionnels/informer.aspx?i
d=32603
● Apere
► www.apere.org/sif/pv/
► www.smartguide.be
● www.brugel.be
Références Guide Bâtiment Durable :
● http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be
● Fiches :
► G_ENE08 Choisir le meilleur mode de production et de stockage pour le
chauffage et l'eau chaude sanitaire
► G_ENE11 Intégrer des installations pour la production d'électricité 41
renouvelableCe qu’il faut retenir de l’exposé
● SER en résidentiel en RBC = solaire (+ biomasse)
● Energie solaire
► disponible en quantité
► à utiliser suivant les besoins réels (thermique !)
► Ombrage, orientation, inclinaison!
● PV et CES adaptés à du neuf et à de la rénovation
► Superficie disponible : compromis PV/CES… voir rentabilité
► Capacité portante
► Etanchéité
● Outils simples pour étude de pertinence d’un projet
42Jean de Cambry
Chef de projets
Cenergie
: 02.513.96.13
E-mail : jean.decambry@cenergie.be
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