Suivi et évaluations énergétiques de chauffe-eau solaires individuels en Guadeloupe Projet présenté par Sonia garde
Tableau 4 : Bilans annuels des chauffe-eau
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Tableau 4 : Bilans annuels des chauffe-eau Th = thermosiphon, AS = autostockeur, CF = circulation forcée On constate que le puisage est faible par rapport à la taille des ballons de stockage (en moyenne 26 m3 par an et par foyer, soit 77 litres par jour) mais ramené en litres par jour et par personne à 40 °C, il correspond à une consommation de 59 litres, ce qui tend à montrer que la température de l’eau chaude est élevée. A titre comparatif, cela donnerait une consommation de 29 litres par jour et par personne à 50 °C soit, pour les raisons expliquées précédemment, une valeur inférieure à la consommation en métropole qui a été mesurée à 33 litres. Les valeurs obtenues pour la consommation en ECS à 40 °C ne sont cependant pas entièrement fiables car elles ont été calculées à partir de la température de l’eau froide, or nous ne disposions pas de cette donnée pour l’ensemble des installations ni pour chaque mois. Elles reposent donc sur des extrapolations de mesures par zones climatiques mais même parmi les données disponibles, nous avons pu observer des différences de plusieurs degrés de la température de l’eau froide au cours d’un même mois et à l’intérieure d’une même zone. Ces écarts peuvent donc faire varier de manière significative l’estimation de la consommation en ECS normalisée.
Graphe 1 : Dépendance de la production solaire avec la consommations en ECS La production solaire des installations dépend fortement de la consommation en eau chaude sanitaire des usagers. Les performances médiocres de certains CESI s’expliquent donc principalement par les faibles puisages des usagers. Sur le graphique 1, la différence d’énergie produite entre les chauffe-eau solaires de type autostockeur et thermosiphon est très faible. Des facteurs autres que le type de CESI utilisé pouvant également avoir une influence sur les résultats, on en déduit que les autostockeurs et les thermosiphons ont des performances similaires en Guadeloupe.
Tableau 5 : Economies dues aux installations Les économies réalisées varient de manière importante d’une installation à l’autre que ce soit au niveau du coût ou des rejets de CO2 évités. Ces résultats dépendent fortement de la consommation en ECS du foyer et donc inévitablement du nombre de personnes occupant le logement. En effet, d’une manière générale, plus le nombre d’usagers est élevé, plus ils consomment de l’eau chaude donc plus la production solaire est élevée et plus l’installation est rentable car évite le recours à l’électricité achetée pour chauffer l’eau du ballon. Ainsi, comme le montre le graphe 2, les économies réalisées augmentent avec le nombre d’occupant du logement. 
Graphe 2 : Economies réalisées en fonction du nombre d’usagers Les émissions de CO2 évitées, tout comme les économies réalisées, étant calculées à partir du nombre de kWh électriques non consommés et donc de la production solaire des installations, il est normal de trouver des résultats proportionnels pour chaque CESI entre les économies réalisées et les émissions de CO2 évitées. Le graphique représentant les émissions de CO2 en fonction du nombre d’usagers n’est donc pas présenté ici car il est similaire au graphique 2 et montre une évolution croissante des émissions évitées quand le nombre d’occupants augmente dans le logement. L’écart très important entre les émissions moyennes de CO2 évitées en Guadeloupe et en métropole pour une installation s’explique par le fait que le mode de calcul n’est pas le même. En effet, en Guadeloupe, il a été tenu compte du fait que l’électricité est très majoritairement produite par des centrales thermiques beaucoup plus émettrices de CO2 que les centrales nucléaires utilisées en métropole.
Lors du choix des installations, le critère « localisation géographique » avait été retenu. En effet, les sites avaient été choisis de manière dispersée sur l’île afin de pouvoir étudier les effets du climat sur les performances des CESI. C’est dans cet objectif que le graphique 3 a été réalisé, présentant la productivité solaire des installations en fonction de la consommation en ECS à 40 °C, ramenées par personne selon la zone climatique d’origine. La carte ci-dessous rappelle le découpage qui a été effectué pour partager l’île en 4 zones. 
Figure 12 : Présentation des différentes zones 
Graphe 3 : Productivité en fonction de la consommation en ECS et de la zone d’origine Après étude des conditions climatique de la Guadeloupe, nous avions pu conclure que l’île de Basse Terre était une région beaucoup plus pluvieuse et nuageuse que l’île de Grande Terre, soumise à un temps nettement plus sec. L’ensoleillement devrait donc être meilleur à Grande Terre (Zones 1 et 2) où l’on devrait alors retrouver de meilleures productivités. Le graphique 3 ne donne cependant pas des résultats permettant de tirer telle conclusion. En effet, alors que l’on s’attendait à obtenir de très bons résultats pour la zone 2 située au sud de Grande Terre, les productivités mesurées sont inférieures à celles observées en zones 3 et 4 soit, sur l’île de Basse Terre. Il est possible que les différences de climat et donc d’ensoleillement soient compensées par une température d’eau froide supérieure en Grande Terre qui fait diminuer la valeur de la production solaire et donc de la productivité des installations. De plus, d’autres paramètres pouvant influencer la valeur de la productivité rentrent en compte (l’orientation des capteurs par exemple) et peuvent expliquer le fait que les résultats obtenus ne correspondent pas vraiment aux résultats attendus.
Comme détaillé précédemment, la campagne de niveau 2 a consisté à mesurer toutes les 5 ou 10 minutes suivant les installations, les températures d’eau chaude et d’eau froide, l’ensoleillement, le volume puisé et l’énergie fournie par le capteur solaire pendant une période de 2 à 3 mois. A partir de ces mesures, il est tout d’abord possible d’obtenir des valeurs moyennes mensuelles des consommations en ECS, de la production solaire et des températures d’eau chaude et d’eau froide afin de les comparer aux valeurs mesurées ou calculées au niveau 1.
Les mesures de niveau 2 permettent de réaliser des profils de puisage de l’eau chaude à partir des consommations relevées afin d’étudier le comportement des usagers vis-à-vis de l’utilisation de leur chauffe-eau solaire. Plusieurs études sont donc possibles :
Finalement, à partir des relevés de consommations en ECS et de la température de l’eau chaude mesurée au moment de ces puisages, il est possible vérifier le niveau de confort fourni par ces chauffe-eau solaires non équipés de systèmes d’appoint. On considère que l’eau en sortie de ballon a été suffisamment chauffée lorsqu’elle atteint une température au moins égale à 40 °C. Cette limite instaurée ne signifie cependant pas qu’en dessous de cette température l’eau est ressentie comme froide par les usagers car il faut prendre en compte le fait que la température ambiante en Guadeloupe reste élevée tout au long de l’année et que par conséquent les usagers ne ressentent pas le besoin de puiser de l’eau à une température aussi élevée qu’en métropole. Il a ainsi d’abord été étudié pour chaque installation le pourcentage d’eau chaude consommée à chaque température afin d’établir un profil des températures de puisage et d’isoler le pourcentage des consommations réalisées à une température inférieure à 40 °C. Dans un deuxième temps, l’énergie qu’il aurait fallu apporter à l’aide d’un système d’appoint afin d’atteindre la limite de 40 °C au moment des puisages a été calculée pour chaque mois.
Les mesures de niveau 2 vont fournir des données exploitables sur 12 installations mais au moment de la rédaction de ce rapport, seules 7 sont disponibles.
Le tableau suivant résume les moyennes mensuelles obtenues à partir des mesures des températures d'eau froide de toutes les installations équipées en suivi de niveau 2 :
Tableau 6 : Températures d’eau froide mesurées Les températures d’eau froide moyennes mesurées sont pour leur part nettement supérieures à celles données par Météo France. Ces températures d’eau froide interviennent dans le calcul des consommations d'eau chaude à 40 °C et ainsi, une température utilisée inférieure à la température réelle aurait pour conséquence de diminuer l’estimation des besoins en eau chaude en litres à 40 °C par jour. Il est donc important d’utiliser les valeurs des températures moyennes mensuelles obtenues au niveau 2 pour effectuer les calculs de niveau 1 lorsque nous disposons de mesures et d’utiliser sinon des températures d’eau froide moyennes relevées sur des installations situées dans les mêmes zones climatiques (zones 1 et 2 ou 3 et 4 du tableau ci-dessus) à la place des températures d’eau froide fournies par Météo France qui ne servent qu’à effectuer une première approximation des résultats. Malgré cela, on observe que des écarts de plusieurs degrés peuvent être mesurés au cours d’un même mois et à l’intérieure d’une même zone entraînant des erreurs significatives possibles dans l’évaluation de la consommation en ECS normalisée comme il est mentionné précédemment.
Tableau 7 : Résultats de niveau 2 Tout d’abord, on observe que les températures d’eau chaude relevées sont d’une manière générale assez élevées (excepté pour l’installation n°16) ce qui peut déjà laisser penser que l’absence d’un système d’appoint n’est pas trop préjudiciable. Les consommations en eau chaude enregistrées sont très faibles par rapport à la taille des ballons puisque quelque soit le nombre d’occupants, ils puisent moins de 100 litres d’eau chaude par jour alors qu’ils disposent de ballons ayant une contenance comprise entre 160 et 320 litres. L’ensoleillement est très élevé puisque sur l’ensemble des installations, il dépasse presque quotidiennement les 900 W/m² et régulièrement les 1000 W/m². A titre comparatif, l’ensoleillement moyen est de 150 W/m² en métropole alors que d’après le tableau 7, en faisant la moyenne des résultats mensuels sur toute la période qu’a duré le niveau 2 pour chaque installation, il se situe entre 200 et 330 W/m² en Guadeloupe. Contrairement à ce qui aurait pu être attendu suite à l’étude climatique de la Guadeloupe, nous n’avons pas obtenu de corrélation entre l’ensoleillement mesuré et la zone géographique où se situent les capteurs. En effet, l’ensoleillement ne s’est pas révélé plus élevé en zones 1 et 2 par rapport aux zones 3 et 4, probablement en raison des différences d’orientation et d’inclinaison des capteurs entre eux. Cette observation vient donc justifier les résultats du graphe 3 indiquant que la productivité annuelle n’était pas forcément meilleure dans les zones supposées à fort ensoleillement. 
Graphe 4 : Productivité en fonction de l’ensoleillement (Installation n°1) Le graphique 4 nous permet cependant de voir que la productivité de l’installation ne dépend pas de l’ensoleillement. En effet, dans tous les cas, il semble qu’en Guadeloupe il soit assez élevé pour chauffer l’eau du ballon et qu’un ensoleillement encore accrû n’augmente pas la productivité de façon significative. Finalement, la productivité varie d’un mois sur l’autre pour une même installation. Comme nous avons pu le remarquer grâce à l’étude de niveau 1, sa valeur reste dans l’ensemble relativement faible et dépendante de la consommation en ECS. Le graphique suivant présente pour l’installation n°14 la productivité en fonction de la consommation en ECS chaque mois : 
Graphe 5 : Productivité en fonction de la consommation en ECS (Installation n°14) Le premier objectif du niveau 2 était de comparer les résultats avec ceux obtenus au niveau 1 afin de pouvoir valider les mesures de niveau 1. Dans l’ensemble, on observe que les résultats concordent tout à fait. La comparaison nous a toutefois permis de déceler un problème sur l’installation n°14. En effet, d’après les mesures de niveau 2, les occupants n’avaient effectué aucun puisage entre le 4 juin 2006 et la fin de ce mois. Or, cette absence de puisage était contredite par les relevés de niveau 1. La consommation obtenue grâce au niveau 1 étant stable par rapport aux autres mois, nous avons donc conclu à une défaillance du système de mesure de niveau 2 sur cette période. Sur le graphique 5, la production solaire moyenne et la consommation en ECS journalière exprimées pour le mois de juin ne prennent donc en compte que les 4 premiers jours du mois. En dehors de cette différence de résultats sur l’installation n°14 et des problèmes survenus sur les appareils de mesures mais ayant été pour leur part clairement identifiés par Tecsol lors de la phase de suivi, aucune autre anomalie n’a été révélée par la comparaison des niveaux 1 et 2.
Le fait de mesurer la consommation d’eau chaude des foyers toutes les 10 minutes permet de réaliser des profils de puisage et d’étudier ainsi le comportement des usagers. 
Graphe 6 : Profil de puisage sur une journée (Installation n°17) En prenant l’exemple sur une journée (graphe 6), on observe que cet utilisateur semble puiser de l’ECS principalement le matin entre 6 et 10h et en fin d’après midi. Ce graphe montrant également l’évolution de la température de l’eau chaude au cours de la journée, il apparaît que durant cette journée, certains puisages aient été effectués à des températures proches de 40 °C. Cette limite pouvant parfois être franchie, il sera important par la suite d’étudier la température de l’eau lors de chaque puisage au cours des 3 mois qu’a duré le niveau 2.
Graphe 7 : Répartition des principaux puisages (Installation n°17) Le graphique 7 a été obtenu en ne retenant que les puisages réalisés au moins un jour sur deux à la même heure pendant la période de mesure de niveau 2. Il élimine donc les puisages occasionnels effectués en dehors de ces horaires. Il représente le pourcentage d’eau chaude puisée à chacun de ces horaires par rapport à la consommation moyenne quotidienne de l’installation. On observe que près de 40 % des puisages ont lieu le matin entre 7 et 9h. Ils reprennent ensuite entre 15 et 17h puis 18 et 20h. Ces usagers consomment donc de l’eau chaude principalement le matin puis en fin d’après-midi et début de soirée. Par la suite, il peut être intéressant d’observer si le profil de puisage est constant ou non selon les jours. En effet, il est possible d’imaginer par exemple qu’en semaine les pics de consommation enregistrés n’aient lieu que tôt le matin puis en soirée car le logement n’est pas occupé le reste du temps et que le week-end, ces consommations soient beaucoup plus réparties tout au long de la journée. Le graphe 8 représente donc le profil de puisage en ECS le long de la journée sur les 3 mois mais celui-ci dissocie les différents jours de la semaine afin d’observer d’éventuels changements dans la façon de consommer. 
Graphe 8 : Profil des puisages en fonction du jour (Installation n°17) En semaine, il apparaît que les puisages s’effectuent de manière plutôt similaire d’un jour sur l’autre. Par contre, une vraie différence dans la façon de consommer est observée le dimanche. Contrairement aux jours de semaines où il est possible d’observer de vrais creux indiquant une absence quasi-totale de puisage à ces horaires sur plusieurs mois, le dimanche, la différence entre les creux et les pics de consommation est nettement moins prononcée. Cette configuration peut s’expliquer soit par une consommation faible mais continue sur toute la journée, soit par le fait que les puisages n’ont pas lieu à des horaires fixes d’un dimanche sur l’autre. D’une manière quantitative, il semble également que la consommation soit plus faible en fin de semaine.
Graphe 9 : Consommation en ECS en fonction du jour (Installation n°17) Comme pressenti sur le graphique 8, le graphique 9 confirme qu’il y a bien une diminution des consommation en fin de semaine. La diminution du pic de puisage observé tôt le matin en milieu de semaine n’est pas compensée par une augmentation des consommations en journée en fin de semaine et le week-end. 
Graphe 10 : Consommation journalière en Septembre (Installation n°17) Finalement, ce dernier graphique montre l’irrégularité des consommations en ECS certains jours. Sur un mois, il ne semble pas qu’il y ait une répétitivité des consommations (d’une semaine sur l’autre par exemple). Les résultats déduits du graphique précédent (graphique 9) sont donc probablement à nuancer légèrement et peuvent avoir été amplifiés par une consommation exceptionnelle sur une journée ; le pic du mardi 26 Septembre où le puisage a été multiplié quasiment par 2 par rapport au puisage moyen a probablement, à lui seul, augmenté la consommation moyenne en litre par jour relevée les mardis.
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