Suivi et évaluations énergétiques de chauffe-eau solaires individuels en Guadeloupe Projet présenté par Sonia garde
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Domaine Scientifique de la Doua Route des Lucioles 69 621 Villeurbanne 06 904 Sophia-Antipolis 
Suivi et évaluations énergétiques de chauffe-eau solaires individuels en Guadeloupe 
Projet présenté par Sonia GARDE Encadrants CSTB : Dominique CACCAVELLI Avril - Août 2007 INSA : Jocelyn BONJOUR
Remerciements Je souhaite remercier en premier lieu Dominique Caccavelli, chef du pôle Energies Renouvelables et tuteur de ce stage pour son encadrement attentif durant ces 5 mois. Je tiens également à remercier Franck Cheutin et Carol Buscarlet pour l’aide qu’ils m’ont apporté pendant cette étude ainsi que pour leurs conseils au cours des autres projets auxquels j’ai pris part pendant ce stage. Je tiens, par ailleurs, à souligner l’ambiance sympathique qui règne au sein du département Développement Durable et je remercie pour cela l’ensemble des membres de l’équipe : secrétaires, techniciens, thésards et ingénieurs, pour leur accueil chaleureux qui a contribué au bon déroulement de ce stage. Je souhaite finalement remercier les autres stagiaires : Mamadou Diop, Emmanuel Lebeau, Vincent Partenay et Fadel Traoré ainsi que Veeden Murden qui ont partagé mon quotidien. Résumé Pour connaître les performances réelles des chauffe-eau solaires compacts installés en Guadeloupe et pour évaluer quantitativement le bénéfice énergétique effectivement obtenu ainsi que l’impact environnemental, une campagne de mesures sur vingt installations a été lancée. Quatorze d’entre elles ont fait l’objet d’un suivi plus détaillé. Après une présentation générale des chauffe-eau solaires individuels, ce rapport détaille dans quelles conditions s’est déroulée l’étude menée en Guadeloupe ainsi que les caractéristiques des installations suivies. Il présente ensuite les résultats obtenus et établit un bilan de la campagne. On connaît maintenant approximativement l’impact énergétique et environnemental d’un chauffe-eau solaire en Guadeloupe. Les principaux résultats à retenir sur cette étude sont les suivants :
Le dimensionnement des installations semble donc être le principal point à améliorer concernant les CESI en Guadeloupe. Un dimensionnement plus adapté aux besoins des usagers entraînerait une meilleure productivité mais celle-ci ne devrait jamais être aussi élevée qu’espérée en raison du faible puisage. Table des matières Remerciements 3 Résumé 4 Table des matières 5 Liste des tableaux 7 Liste des figures 7 Liste des graphiques 8 Introduction 10 I.Présentation du CSTB 11 1)La vocation et le rôle du CSTB 11 2)Les départements du CSTB et leurs implantations 11 3)Le département Energie Santé Environnement 12 II.Présentation générale des chauffe-eau solaires individuels (CESI) 14 1)Contexte : l’énergie solaire et son développement actuel en France 14 2)Principe de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire 14 3)Les différents types de chauffe-eau solaires individuels 16 a)Les autostockeurs 16 b)Les thermosiphons monoblocs 17 c)Les thermosiphons à éléments séparés 17 d)Les chauffe-eau solaires à circulation forcée 18
a)Le critère localisation géographique 22 b)Le critère type de matériel 23 c)Le critère nombre d’usagers 23 4)Récapitulatif des caractéristiques des installations étudiées 24 5)Problèmes rencontrés au cours de la campagne 25 IV.Calcul des résultats et bilan de la campagne de suivi des CESI 26 1)Evaluation des performances énergétiques – Niveau 1 26 a)Principe de fonctionnement et calculs effectués 26 b)Economies réalisées 27 c)Présentation et analyse des résultats de niveau 1 28 2)Etude du comportement des usagers – Niveau 2 32 a)Calculs effectués 32 b)Présentation et analyse des résultats 33 c)Comparaison des différents types de CESI 46 d)Récapitulatif des résultats de niveau 2 47
a)Résumé des résultats de niveau 1 48 b)Résumé des résultats de niveau 2 48 Conclusion 51 Références 52 52 Liste des tableaux Tableau 1 : Répartition des CESI suivant les zones climatiques 22 Tableau 2 : Répartition des installations suivant le nombre d’usagers 24 Tableau 3 : Caractéristiques des installations étudiées 24 Tableau 5 : Economies dues aux installations 29 Tableau 6 : Températures d’eau froide mesurées 33 Tableau 7 : Résultats de niveau 2 34 Tableau 8 : ECS puisée à T < 40 °c par rapport au type de CESI 46 Liste des figures Figure 1 : Répartition du produit d’exploitation du CSTB en 2006 11 Figure 2 : Implantation des différents départements du CSTB 12 Figure 3 : Schéma d’un chauffe-eau solaire 15 Figure 4 : Photo d’un autostockeur 16 Figure 5 : Schéma d’un thermosiphon monobloc 17 Figure 6 : Schéma d’un thermosiphon à éléments séparés 17 Figure 7 : Schéma d’un chauffe-eau à circulation forcée 18 Figure 8 : Compteur volumétrique et énergétique 20 Figure 9 : Exemple de précipitations en Guadeloupe en mars 2007 22 Figure 10 : Implantation géographique des installations 23 Figure 11 : Schéma de principe d’un CESI sans appoint 26 Figure 12 : Présentation des différentes zones 31 Liste des graphiques Graphe 1 : Dépendance de la production solaire avec la consommations en ECS 29 Graphe 2 : Economies réalisées en fonction du nombre d’usagers 30 Graphe 3 : Productivité en fonction de la consommation en ECS et de la zone d’origine 31 Graphe 4 : Productivité en fonction de l’ensoleillement (Installation n°1) 35 Graphe 5 : Productivité en fonction de la consommation en ECS (Installation n°14) 36 Graphe 6 : Profil de puisage sur une journée (Installation n°17) 37 Graphe 7 : Répartition des principaux puisages (Installation n°17) 37 Graphe 8 : Profil des puisages en fonction du jour (Installation n°17) 38 Graphe 9 : Consommation en ECS en fonction du jour (Installation n°17) 39 Graphe 10 : Consommation journalière en Septembre (Installation n°17) 39 Graphe 11 : Profils de puisages en fonction du jour (Installations n°14 et 16) 40 Graphe 12 : Répartition des principaux puisages (Installations n°1 et 16) 40 Graphe 13 : Répartition des principaux puisages (Installations n°8, 14 et 20) 41 Graphe 14 : Consommation en ECS en fonction du jour (Installations n°14 et 16) 42 Graphe 15 : Evolution de la température de l’eau sur 1 semaine (Installation n°17) 42 Graphe 16 : ECS consommée à différentes températures (Installation n°17) 43 Graphe 17 : ECS consommée en fonction de la température (Installation n°17) 44 Graphe 18 : Appoint nécessaire pour atteindre 40 °C (Installation n°17) 44 Graphe 19 : ECS puisée en fonction de la température (Installations n°14 et 16) 45 Graphe 20 : Evolution des températures sur 2 types d’installations 46 Graphe 21 : Profils types de puisage au cours d’une journée 49 Introduction L’utilisation de l’eau chaude solaire dans les logements individuels s’est répandue dans les départements d’Outre-Mer depuis quelques années principalement en raison du fort ensoleillement dans ces régions et de la baisse des coûts des installations. Auparavant, les performances énergétiques des chauffe-eau solaires individuels étaient connues pour avoir été mesurées de manière expérimentale et non en situation réelle. Dans le cadre d’une étude générale sur les chauffe-eau solaires individuels, l’ADEME a missionné le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) pour mener une étude ayant pour but de mieux connaître les paramètres d’utilisation des chauffe-eau solaires. Une campagne expérimentale a ainsi eu lieu en Guadeloupe afin de déterminer leurs performances thermiques réelles et d'évaluer quantitativement leur bénéfice énergétique de même que leur impact environnemental. Ce stage qui s’est déroulé d’Avril à Août 2007 au sein du département Développement Durable du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) à Sophia-Antipolis s’est inscrit dans le cadre de cette étude. Ma principale mission a donc été le suivi et l’évaluation des performances énergétiques des chauffe-eau solaires individuels installés en Guadeloupe. L’étude ayant débuté fin 2005, un précédent stagiaire avait commencé le rassemblement des mesures afin de les traiter mais n’avait pu effectuer d’exploitation par manque de données. Mes objectifs principaux ont été de :
Créé en 1947, le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) est un établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC), placé sous la tutelle du ministre du Logement, Direction Générale de l’Urbanisme, de l’Habitat et de la Construction. Avec pour finalité l’amélioration du bien-être et de la sécurité dans les bâtiments et leur environnement, le CSTB structure son activité autour de quatre métiers complémentaires :
Ces quatre métiers ont permis d'assurer un produit d'exploitation de 78,3 millions d’euros en 2006 répartis comme le montre la figure ci-dessous : 
Figure 1 : Répartition du produit d’exploitation du CSTB en 2006 Le CSTB apporte son concours aux industriels, entrepreneurs, bureaux d'étude, architectes et maîtres d'ouvrage. Il assiste également les pouvoirs publics pour la réglementation technique et la qualité de la construction.
Le CSTB comprend huit départements (eux-mêmes divisés en pôles) organisés autour de quatre thèmes majeurs :
Ces huit départements sont répartis sur 5 centres à travers la France. Chaque site présente un ou plusieurs pôles. L'ensemble des établissements du CSTB regroupe un effectif permanent de près de 700 personnes. 
Figure 2 : Implantation des différents départements du CSTB
En créant un département Energie Santé Environnement (anciennement appelé Développement Durable), le CSTB a voulu renforcer son appui aux pouvoirs publics dans la mise en place des politiques d'évaluation des risques sanitaires et environnementaux, de maîtrise de l'énergie et de lutte contre l'effet de serre. Il accompagne également les professionnels dans leur démarche environnementale. La majeure partie des activités de ce département concerne des recherches et des études sur des sujets comme l'évaluation des risques pour la santé liés au bâtiment, l'évaluation de la qualité environnementale des bâtiments et des produits de construction ou encore la maîtrise de l'énergie. Il contribue ainsi au développement de l'utilisation de l'énergie solaire dans les bâtiments et participe à l'élaboration d'une certification HQE pour le tertiaire. Ce département développe ses compétences autour de trois Divisions :
La Division Energie, à laquelle appartient le pôle Energies Renouvelables, agit dans quatre grands domaines d’intervention :
Finalement, le pôle Energies Renouvelables, situé en partie sur le site de Sophia-Antipolis où s’est déroulé mon stage a centré son action sur trois domaines :
Les énergies issues de sources non fossiles telles que les énergies éolienne, solaire, géothermique, hydroélectrique ou les bioénergies sont dites renouvelables. Elles permettent de produire de l’électricité, de la chaleur et du carburant mais ne représentent aujourd’hui que 13 % de l’énergie totale produite dans le monde. L’énergie solaire à elle seule ne produit que 0,04 % du total. Outre le solaire passif et le solaire concentré, l’énergie solaire est récupérable de deux façons :
Le solaire thermique correspond à la conversion du rayonnement solaire en énergie calorifique. Cette énergie peut être utilisée pour différentes applications dans les bâtiments, partout où il y a besoin de chaleur. Les plus répandues sont le chauffage de l’eau d’une piscine, la production d’eau chaude sanitaire et le chauffage d’un bâtiment. Dans ces domaines d’applications, les systèmes peuvent être individuels ou collectifs et permettent soit de produire conjointement de l’eau chaude domestique et de chauffer les locaux du bâtiment par l’intermédiaire d’un système solaire combiné (SSC), soit de produire uniquement de l’eau chaude. Une nouvelle application commence également à se développer par l’intermédiaire du rafraîchissement solaire qui pourrait devenir une alternative aux systèmes de refroidissement classiques.
La figure 3 présente le schéma d’un chauffe-eau solaire à éléments séparés avec chauffage d’appoint(1) . 
Figure 3 : Schéma d’un chauffe-eau solaire Ce modèle avec circulation forcée est le plus répandu parmi les types de CESI utilisés en France métropolitaine. Il est constitué de 3 circuits distincts :
Dans ce circuit étanche et calorifugé circule de l’eau additionnée d'antigel. Ce liquide s'échauffe en passant dans les tubes du capteur (2), et se dirige vers un ballon de stockage (5). Il est alors refroidi grâce à un échangeur thermique (serpentin) où il cède ses calories solaires à l'eau sanitaire (3). Une fois refroidi, il repart vers le capteur (4), où il est chauffé à nouveau tant que l'ensoleillement reste efficace. Le principal élément de ce circuit donc est le capteur solaire (1). Il comprend des tubes métalliques noirs qui s’échauffent en absorbant le rayonnement solaire et dans lesquels circulent le fluide caloporteur. Ces tubes se situent dans un coffre rigide et thermiquement isolé. Sa partie supérieure est vitrée et laisse ainsi pénétrer le soleil en retenant la chaleur. Ce circuit est également souvent constitué d’une pompe électrique appelée circulateur (7) qui met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l'eau sanitaire du ballon. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation (8) jouant sur les différences de températures : si la sonde du ballon (10) est plus chaude que celle du capteur (9), la régulation coupe le circulateur. Sinon, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l'eau sanitaire du ballon. Ce dispositif n’est pas nécessaire lorsque la circulation est naturelle. Dans ce cas, le ballon est placé plus haut que le capteur et le liquide caloporteur circule grâce à sa différence de densité avec l'eau du ballon. Tant qu'il est plus chaud, donc moins dense qu'elle, il s'élève naturellement. Sur ce principe sont conçus les chauffe-eau solaires "en thermosiphon".
Ce système d’appoint qui complète le chauffage de l’eau sanitaire du ballon peut être électrique ou hydraulique. Dans le cas d’un appoint électrique, soit une résistance est placée à mi-hauteur du ballon solaire, soit un second ballon pourvu d'un réchauffeur électrique est installé. Dans le cas d’un appoint hydraulique, un circuit d’eau est chauffé à l’aide d’une chaudière (12) qui peut fonctionner au gaz, au fioul ou au bois. Il est ensuite relié à un serpentin (11) situé dans le ballon solaire où il cède sa chaleur.
L’eau sanitaire arrive froide du réseau (6) dans le ballon solaire qui est une cuve métallique bien isolée servant de réserve d’eau. Elle est alors réchauffée grâce au fluide caloporteur ayant circulé dans les tubes du capteur solaire avant d’être utilisée en différents points du logement.
Figure 4 : Photo d’un autostockeur Un autostockeur solaire est une installation dans laquelle les fonctions de captage et de stockage sont assurées par le même élément, ce qui en fait le système le plus simple. Le stock d’eau à chauffer se trouve dans une cuve vitrée sur le dessus qui laisse pénétrer le rayonnement solaire. Il a comme avantage son faible coût mais les pertes thermiques nocturnes importantes constituent son principal inconvénient. En France, ce système est donc utilisé dans les DOM-TOM, où la température nocturne extérieure reste élevée.
Figure 5 : Schéma d’un thermosiphon monobloc Avec les thermosiphons monoblocs, l’eau froide pénètre dans la partie basse du capteur. Sous l’effet du rayonnement solaire celle-ci s’échauffe et sa densité diminue. Il en résulte une circulation naturelle qui permet à l’eau froide du ballon de se réchauffer progressivement ; l’eau froide descend dans le capteur solaire tandis que l’eau chauffée remonte dans le ballon. Le principal inconvénient de ce type d’installation est que bien que le ballon de stockage soit isolé, il se situe tout de même à l’extérieur et est donc soumis aux baisses de températures nocturnes. L’autre problème est que ce système avec le ballon de stockage disposé en toiture est peu esthétique.
Figure 6 : Schéma d’un thermosiphon à éléments séparés Le principe de fonctionnement du thermosiphon à élément séparés est le même que celui du thermosiphon monobloc. La différence réside dans le fait qu’avec ce système, seul le capteur est installé en toiture ; le ballon de stockage, pour sa part se situe à l’intérieur de la maison. Les thermosiphons à éléments séparés comportent cependant certaines contraintes car le ballon doit être situé au dessus du capteur, la pente entre les deux éléments doit être régulière et la conduite entre les deux éléments de doit avoir une longueur restreinte.
Figure 7 : Schéma d’un chauffe-eau à circulation forcée Ces chauffe-eau solaires sont également à éléments séparés mais contrairement aux thermosiphons, le ballon de stockage n’a pas besoin d’être situé au dessus du capteur car la circulation de l’eau est assurée à l’aide d’une pompe. Leur principal inconvénient est dû à la nécessité d’un système de régulation et de sondes de mesures.
Dans le cadre du Plan Soleil [2] lancé en 1999, le CSTB a, pour le compte de l’ADEME, d’EDF et de GDF, instrumenté et suivi sur une période de 30 mois, 120 installations d’eau chaude solaire en maison individuelle réparties sur 4 régions administratives métropolitaines. Cette campagne expérimentale a eu pour but de mesurer les performances thermiques réelles de ces chauffe-eau solaires et d'évaluer quantitativement le bénéfice énergétique ainsi que l'impact environnemental de ce programme. Par la suite, une campagne similaire a été lancée en Guadeloupe dans le prolongement de celle effectuée en France métropolitaine. La production d’eau chaude solaire en Guadeloupe diffère sensiblement de la métropole du fait que :
L’objectif de cette étude initiée en 2005 était de mieux connaître les performances réelles des chauffe-eau solaires installés en Guadeloupe en secteur résidentiel ainsi que le comportement des usagers (besoins en eau chaude, profils de puisage) et d’affiner ainsi le dimensionnement de ces installations. Pour atteindre cet objectif, 20 installations équipées de chauffe-eau solaires ont été instrumentées et suivies sur une durée minimum d’un an. Une majorité de ces installations solaires a également fait l’objet d’un suivi plus détaillé sur des périodes plus courtes (de 2 à 3 mois).
Cette étude n’a pas entièrement été conduite par le CSTB pour le compte de l’ADEME. En effet, un contrat de sous-traitance a été établi entre le CSTB et le bureau d’étude Tecsol afin de réaliser cette campagne de suivi de chauffe-eau solaire en Guadeloupe. Le projet s’est par la suite déroulé en 4 phases :
La phase préparatoire a tout d’abord permis de définir en détail les objectifs de l’étude. Les critères de choix des installations ont ensuite été décidés afin d’opérer à la sélection de 20 sites et de contacter les propriétaires pour leur expliquer le sujet et prendre rendez-vous avec eux. C’est le bureau d’étude Tecsol, implanté notamment en Guadeloupe, qui s’est ainsi chargé de la sélection des sites suivant les critères retenus et à partir d’une liste de CESI fournie par l’ADEME. Finalement, la liste du matériel nécessaire à la réalisation des mesures de cette campagne de suivi de CESI a été dressée et un planning prévisionnel a été établi pour cette étude.
La phase de mise en œuvre a consisté à instrumenter les CESI. Le CSTB a préalablement fourni au bureau d’étude Tecsol l’ensemble du matériel de mesure nécessaire et avait à sa charge sa gestion. Précédemment, il avait été décidé que 2 niveaux d’études seraient réalisés :
Il permet principalement de mesurer les performances thermiques des chauffe-eau solaires en Guadeloupe tout en évaluant les bénéfices énergétiques et l’impact environnemental de telles installations. Pour obtenir ces résultats, le volume d’eau chaude puisée ainsi que l’énergie fournie ont été relevés chaque mois. Pour cela, l’installation solaire a été équipée d’un intégrateur d’énergie de type SUPERCAL et a été associée à 2 sondes de températures disposées en entrée et sortie de ballon, un compteur volumétrique avec émetteur à impulsion et un compteur d’énergie intégré avec émetteur à impulsion.
Figure 8 : Compteur volumétrique et énergétique
Parmi les installations instrumentées de niveau 1, 14 ont fait l’objet d’un suivi plus détaillé de niveau 2. Ce niveau d'instrumentation a été mis en place pour affiner les hypothèses de travail nécessaires à l'exploitation de niveau 1, et analyser le comportement des usagers afin de conclure sur le niveau de confort procuré par les installations. Le niveau 2 permet d'enregistrer des mesures à un pas de temps de 5 à 10 minutes et de les stocker. Il permet de connaître les températures d'eau froide et d'eau chaude. Il enregistre également la consommation d'eau chaude sanitaire (ECS) en m3 et en kWh ainsi que l’ensoleillement. Le matériel nécessaire pour les mesures de niveau 2 était constitué d’un ensemble d’acquisition du type RIO PHENIX de la marque NAPAC associé à 2 sondes de température du type PT 100 disposées en applique. Cette centrale d’acquisition récupérait également les impulsions (volume et énergie) issues de l’intégrateur d’énergie installé pour effectuer les mesures de niveau 1. Enfin, l’installation était équipée d’une sonde d’ensoleillement placée dans le plan des capteurs.
La phase de suivi été réalisée par le bureau d’étude et a consisté à effectuer le relevé des mesures sur les sites et à intervenir sur l’installation en cas de pannes du matériel. Les installations de niveau 1 ont fait l’objet d’un suivi sur une durée de 1 an alors que les mesures de niveau 2 ont été effectuées par roulement sur une période de 2 à 3 mois.
La phase de synthèse a consisté à rassembler les relevés et à les analyser pour répondre aux objectifs initiaux et ainsi dégager des conclusions sur les performances réelles des CESI, les bénéfices énergétiques et l’impact environnemental de telles installations ainsi que sur les comportements des usagers en matière d’utilisation d’eau chaude sanitaire.
Les 20 sites sélectionnés ont été choisis à partir d’une liste fournie par l’ADEME. Cet échantillon est représentatif du parc de CESI installé en Guadeloupe et a été déterminé en fonction de divers critères détaillés ci-dessous qui influent sur les performances thermiques réelles des chauffe-eau. Les sites ont ainsi été retenus en fonction :
 Figure 9 : Exemple de précipitations en Guadeloupe en mars 2007 Si le climat en Guadeloupe est considéré comme tropical et humide du fait de sa proximité avec l’équateur et de sa condition insulaire, il se distingue tout de même par une forte variabilité spatiale et temporelle du régime des précipitations. En effet, comme le montre la figure 9, la fréquence des précipitations atmosphériques n’est pas la même sur le plateau de Grande Terre (partie ouest de l’île) et en Basse Terre (partie est). Le relief de Basse Terre crée une barrière naturelle qui retient les nuages alors qu’en Grande Terre, l’absence de montagnes combinée au flux des alizés rendent la région particulièrement sèche comme le montre la carte ci-dessus. L’ensoleillement et donc les performances des systèmes solaires peuvent ainsi varier sensiblement suivant la localisation géographique des capteurs sur l’île. A partir des caractéristiques du climat guadeloupéen et afin de tenir compte des conditions d’ensoleillement et de température, l’île a finalement été divisée en 4 zones et le choix des sites s’est effectué de manière à obtenir un nombre de CESI à peu près équitable dans chacune de ces zones :
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