Analyse approfondie : Scénarios d’application optimaux du chauffage solaire thermique combiné à l’énergie aérothermique

Le système de chauffage combiné utilisant l'énergie solaire et l'énergie aérothermique est un modèle complémentaire écoénergétique privilégiant le chauffage solaire et bénéficiant d'un apport d'énergie supplémentaire par pompe à chaleur. L'énergie solaire absorbe la chaleur gratuitement, couvrant les besoins de chauffage de base ; la pompe à chaleur aérothermique assure un apport énergétique stable lors des périodes d'ensoleillement insuffisant, par exemple par temps nuageux ou la nuit. Ceci réduit les coûts d'exploitation des pompes à chaleur aérothermiques classiques et compense l'intermittence du chauffage solaire. Les principaux avantages de cette solution combinée sont de faibles émissions de carbone, des coûts d'exploitation réduits et une grande stabilité. Cependant, son application est limitée par des facteurs tels que la surface des capteurs solaires, les conditions d'installation et les conditions climatiques, et elle peut ne pas convenir à toutes les situations.

01  Quels scénarios sont les plus raisonnables sur le plan économique ?

Le système d'énergie solaire thermique combiné à l'énergie aérothermique, malgré un coût initial élevé, peut présenter une plus grande efficacité économique dans les scénarios suivants en raison de son taux de contribution élevé :

1. Bâtiments publics et commerciaux bénéficiant d'importantes subventions à l'investissement

Dans de nombreuses régions, les politiques de subventions à la rénovation énergétique propre offrent un soutien accru aux bâtiments publics tels que les écoles, les hôpitaux et les maisons de retraite. Les subventions peuvent compenser directement le coût initial d'installation du système de chauffage solaire, permettant ainsi de bénéficier plus rapidement des avantages du « combustible gratuit ».

2. Configuration standard pour les nouveaux bâtiments à faible consommation d'énergie

Dans la quête de normes de construction à très faible consommation d'énergie et à consommation d'énergie quasi nulle, l'utilisation de l'énergie solaire thermique est devenue une option technique de référence. La conception intégrée dès les premières étapes permet d'éviter les coûts et les difficultés liés à une installation ultérieure, et l'énergie produite contribue directement à l'objectif de bilan énergétique du bâtiment, avec une valeur supérieure aux simples économies réalisées sur les coûts d'exploitation.

3. Scénarios nécessitant une grande quantité d'eau chaude sanitaire tout au long de l'année

C’est dans ce domaine que la viabilité économique de l’énergie solaire est la plus incontestable. Les hôtels, les piscines, les bains publics et les installations industrielles de production d’eau chaude sanitaire présentent des besoins stables en eau chaude sanitaire tout au long de l’année. Les systèmes solaires fonctionnent en continu et produisent même un surplus de chaleur en été. Dans ces applications, le taux d’utilisation annuel de l’énergie solaire est proche de 100 %, le retour sur investissement est souvent le plus court (généralement de 3 à 6 ans) et son lien avec le chauffage est relativement moins important. La demande de chauffage ne fait qu’accroître le taux d’utilisation des équipements en hiver.

4. Zones de transition où la saison de chauffage chevauche la saison de fort ensoleillement

Au début de l'hiver et au début du printemps dans les régions septentrionales (par exemple en novembre et mars), les températures extérieures restent acceptables et l'ensoleillement est encore important. À cette période, un système d'énergie solaire peut couvrir la quasi-totalité des besoins en chauffage, tandis qu'une pompe à chaleur air-eau n'est activée qu'en cas de grand froid ou de ciel couvert. Dans ces régions, l'énergie solaire prolonge efficacement la période de chauffage gratuit et son intérêt est considérable.

02  Scénarios d'adaptation spécifiques 

(1) Scénarios de chauffage à grande échelle pour les zones industrielles et le chauffage à des fins de production 

Objets applicables :Bâtiments de soutien industriel tels que des ateliers de production, des entrepôts de stockage, des dortoirs pour le personnel et des immeubles de bureaux, particulièrement adaptés aux industries ayant des exigences de température stable telles que l'agroalimentaire, le textile et l'électronique.

Raisons applicables :

1. Charge thermique importante et stable : La surface de chauffage des installations industrielles s’étend généralement de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de mètres carrés, et certains procédés nécessitent un chauffage à basse température (par exemple, le maintien d’une température constante de 20 °C dans les ateliers, le nettoyage à l’eau chaude, etc.). L’association de l’énergie solaire et de l’énergie aérothermique permet de répondre simultanément aux besoins de chauffage et de chauffage des procédés, assurant ainsi une utilisation en cascade de l’énergie.

2. Ressources abondantes sur le site : Les toits des usines, les plafonds des parkings et les espaces ouverts inexploités peuvent tous être équipés de capteurs solaires, de panneaux photovoltaïques ou de modules PVT. Certaines usines peuvent également combiner ces installations avec des abris de voiture photovoltaïques afin de bénéficier du double avantage de la « production d’énergie solaire + chauffage ».

3. Des économies d'énergie importantes : les coûts de l'électricité industrielle sont plus élevés que ceux de l'électricité résidentielle. Le chauffage électrique ou au gaz traditionnel est coûteux. Le système combiné peut réduire considérablement la consommation d'énergie de chauffage.

Solution:Capteurs solaires + énergie aérodynamique, PVT + énergie aérodynamique, solaire thermique + photovoltaïque + énergie aérodynamique et autres systèmes de couplage énergétique.

(II) Projets de tourisme et d’hébergement spécialisés tels que les auberges de tourisme culturel et les parcs de soins de santé

Public cible :Projets touristiques et d'hébergement mettant l'accent sur une image de marque « verte et à faible émission de carbone », tels que les regroupements d'auberges, les bases de soins de santé en forêt et les stations thermales.

Raisons de l'adaptation :

1. Alignement avec le positionnement de la marque : Le positionnement du projet est axé sur les concepts d’« écologie, de protection de l’environnement et de santé », et le système de chauffage à énergie solaire et à air peut servir d’argument de vente principal, véhiculant aux touristes la valeur d’un mode de vie écologique et confortable.

2. Flexibilité des périodes de chauffage : Les besoins en chauffage des auberges et des centres de soins de santé se manifestent principalement la nuit et pendant les vacances. L’énergie solaire peut stocker la chaleur pendant la journée, en s’adaptant aux profils de chauffage horaires, ce qui permet de réduire davantage les coûts d’exploitation.

3. Installation respectueuse de l'environnement : La plupart des projets de résidence sont situés dans les banlieues ou dans des zones pittoresques, avec de bonnes conditions d'éclairage et des dispositions de bâtiments dispersées, qui conviennent à l'installation distribuée de capteurs solaires et ont un degré élevé d'intégration avec le paysage naturel.

Solution:Il est possible d'allier la conception personnalisée des maisons d'hôtes à l'adoption d'une combinaison de capteurs solaires et de pompes à chaleur air-air, en tenant compte à la fois de l'esthétique et de la praticité ; un système intelligent de régulation de la température est également prévu pour permettre un réglage pièce par pièce et réduire le gaspillage d'énergie.

(III) Scénario de chauffage à température constante pour les serres agricoles de plantation et d'élevage

Objets applicables :Les serres de semis, les serres de fleurs, les serres de fruits et légumes de contre-saison, les hangars d'élevage (comme les porcelets, les poulaillers), etc., qui sont des scénarios d'élevage et de plantation sensibles à la température.

Raisons applicables :

1. Adéquation aux besoins de température : Les besoins en chauffage des serres agricoles sont généralement de 5 à 25 °C, ce qui correspond à un besoin de chauffage à température moyenne-basse, et cela correspond parfaitement à la plage de température de chauffage de l'énergie solaire + de l'énergie de l'air.

2. Synchronisation de l'utilisation de la lumière et de la chaleur : Durant la journée, les serres ont besoin de lumière solaire pour la photosynthèse, et les capteurs solaires peuvent simultanément absorber la chaleur pour le chauffage ; lorsque la température chute brutalement la nuit, les pompes à chaleur air-air se mettent en marche pour compenser la perte de chaleur et éviter que les cultures et le bétail ne gèlent.

3. Augmentation des subventions agricoles : De nombreuses régions offrent des subventions spéciales pour les installations agricoles économes en énergie. Le système de chauffage à énergie solaire + air peut bénéficier de subventions combinées pour les machines agricoles et les économies d'énergie, réduisant ainsi l'investissement initial.

Solution:Utilisez des capteurs solaires plans (résistants à la grêle, faciles à nettoyer) ou des capteurs solaires à air, associés à un système de chauffage par pompe à chaleur air-air, pour insuffler directement de l'air chaud dans la serre afin d'améliorer l'efficacité du chauffage ; installez des capteurs de contrôle de température pour obtenir un réglage automatique de la température.

(IV) Scénario de chauffage central urbain

Objets applicables :Nouveaux ensembles résidentiels en ville, projets de rénovation du système de chauffage dans les anciens quartiers résidentiels, particulièrement adaptés aux petites et moyennes villes et aux zones rurales bénéficiant de meilleures conditions d'éclairage.

Raisons applicables :

1. Adaptation à l'échelle du chauffage : Le chauffage urbain centralisé doit répondre aux besoins de chauffage simultanés de nombreux logements et de vastes surfaces. Les capteurs solaires permettent d'étendre la surface de captation de chaleur grâce à une combinaison modulaire, et les pompes à chaleur air-air peuvent ajuster leur puissance de sortie en fonction de la charge de chauffage, s'adaptant ainsi aux demandes de chauffage de différentes échelles.

2. Économies d'énergie et avantages économiques : Le chauffage central est très énergivore. L'énergie solaire, source d'énergie gratuite et propre, peut remplacer une grande partie de l'électricité et du gaz conventionnels. Associée aux performances énergétiques des pompes à chaleur air-air (avec un COP généralement compris entre 3 et 4), elle permet de réduire considérablement les coûts d'exploitation à long terme par rapport aux systèmes de chauffage traditionnels au charbon ou électriques.

3. Exigences politiques et environnementales : Actuellement, les autorités locales encadrent strictement le chauffage au charbon et encouragent activement le chauffage par énergie propre. Le système solaire combiné à une pompe à chaleur air-eau n’émet aucun polluant et est conforme aux objectifs de la double neutralité carbone et aux politiques de protection de l’environnement urbain. Il peut bénéficier de subventions locales spécifiques pour le chauffage par énergie propre et d’aides à la rénovation des quartiers résidentiels anciens.

4. Stabilité et exigences : Le chauffage urbain centralisé exige une grande stabilité du système. En journée, il utilise des capteurs solaires pour couvrir les besoins de chauffage de base. Lors des périodes de faible ensoleillement, comme par temps de pluie, de neige ou la nuit, des pompes à chaleur air-air fournissent rapidement un chauffage d'appoint afin de garantir une température intérieure constante (généralement maintenue entre 8 °C et 22 °C), évitant ainsi les interruptions de chauffage.

Solution:Utiliser des réseaux de capteurs solaires centralisés (tubes sous vide ou capteurs plans EFPC de grande taille, sélectionnés en fonction des conditions d'éclairage locales), associés à des réservoirs d'eau isolés de grande capacité pour stocker la chaleur, et utiliser des pompes à chaleur air-air comme sources de chaleur auxiliaires, raccordées au réseau de chauffage urbain existant ; configurer un système de contrôle centralisé intelligent pour surveiller en temps réel la température, la pression du réseau et le rendement des capteurs solaires, basculer automatiquement entre les modes de chauffage et prendre en charge le comptage par foyer, en tenant compte des économies d'énergie et des besoins individuels des utilisateurs.

03  Caractéristiques clés pour maximiser la contribution de l'énergie solaire

(I) Caractéristiques climatiques : Ensoleillement abondant + Froid persistant

1. Scénario idéal : Régions de haute altitude et de fort ensoleillement (Nord-Ouest, plateau Qinghai-Xizang). Malgré des températures hivernales basses, le climat est ensoleillé avec de nombreuses journées, une faible couverture nuageuse et un fort rayonnement solaire. Les capteurs solaires, même par temps froid et ensoleillé, conservent un rendement thermique élevé, à condition d'être protégés du gel, et peuvent fournir une quantité considérable de chaleur à basse température, réduisant ainsi significativement la charge des pompes à chaleur. Les pertes de chaleur dues aux écarts de température peuvent être compensées par une isolation renforcée.

2. Environnement approprié : Régions aux hivers froids et aux étés chauds, et zones bénéficiant d’un ensoleillement relativement abondant. Par exemple, dans certaines parties du nord de la Chine et dans la région de Huaihai, où l’ensoleillement est suffisant en hiver, l’énergie solaire peut satisfaire les besoins de base en énergie.

3. Scénarios inadaptés : Conditions hivernales froides et humides, zones connaissant de longues périodes de faible ensoleillement. Par exemple, des régions comme le bassin du Sichuan, le Hunan et certaines parties du Guizhou, où le rayonnement solaire en hiver est très insuffisant, ce qui entraîne des taux d’inactivité élevés des systèmes d’énergie solaire et une faible rentabilité.

(II) Caractéristiques architecturales : Adaptation précise des charges thermiques

1. Appariement optimal :

(1) Bâtiments où la demande de chauffage maximale en journée coïncide avec le pic d'ensoleillement. Par exemple : écoles, immeubles de bureaux, ateliers, entrepôts, etc. Ces bâtiments nécessitent un chauffage pendant les périodes d'activité diurne. L'énergie solaire est directement disponible, sans passer par un stockage à long terme et coûteux. Le rendement et le taux de contribution du système sont ainsi optimaux.

(2) Utilisation stable et importante de la chaleur : La surface chauffée des installations industrielles atteint généralement plusieurs milliers, voire plusieurs dizaines de milliers de mètres carrés. Certains procédés nécessitent de la chaleur à basse température (par exemple, le maintien d’une température constante de 20 °C dans les ateliers, le nettoyage à l’eau chaude, etc.). L’association de l’énergie solaire et de l’énergie aérothermique permet de répondre simultanément aux besoins en chauffage et en chaleur de procédé, assurant ainsi une utilisation en cascade de l’énergie.

(3) Utilisation du chauffage toute l'année : La demande en eau chaude sanitaire est importante tout au long de l'année. Le taux d'utilisation annuel de l'énergie solaire est proche de 100 %, ce qui raccourcit considérablement la période de retour sur investissement, et le chauffage hivernal peut encore améliorer l'utilisation des équipements.

2. Idéal pour les zones à forte demande de chaleur de base, comme les piscines à température constante, les bassins d'aquaculture et les serres. Ces lieux doivent maintenir une température relativement stable 24 heures sur 24. La chaleur gratuite du soleil pendant la journée peut être directement injectée pour maintenir la température ou ralentir sa baisse, réduisant ainsi considérablement la consommation d'énergie conventionnelle.

Conclusion: 

Des bâtiments publics à haute efficacité énergétique aux bâtiments basse consommation nouvellement construits, en passant par le chauffage urbain centralisé, les zones industrielles, les hébergements touristiques atypiques, les scénarios de production agricole et les scénarios de demande en eau chaude nécessitant un chauffage stable tout au long de l'année, pourvu qu'ils respectent les caractéristiques essentielles que sont « des conditions d'éclairage appropriées, une charge thermique stable et des ressources suffisantes sur le site », une utilisation maximale de l'énergie solaire peut être atteinte et les coûts d'exploitation du système peuvent être minimisés.

BTE Solar est un fournisseur de solutions complètes spécialisé dans l'application des énergies thermiques propres à tous les secteurs d'activité. L'entreprise se consacre au développement et à l'utilisation de diverses sources d'énergie propre, telles que l'énergie solaire, la géothermie et l'énergie atmosphérique. Elle fournit des services de chauffage, de refroidissement et d'électricité de haute qualité pour le chauffage des bâtiments, l'approvisionnement en chaleur des industries, l'agriculture, l'élevage, le séchage, la construction de nouvelles infrastructures et d'autres applications. Entreprise nationale de taille moyenne à forte croissance, BTE Solar se distingue par son expertise et son esprit d'innovation. Elle emploie 16 % de chercheurs, dont la moitié possède plus de 20 ans d'expérience dans le secteur. BTE Solar détient 117 brevets et solutions clés. L'entreprise dispose de plusieurs plateformes de recherche et développement, notamment l'Académie des sciences de la province du Shandong et la Base de recherche et d'innovation postdoctorale de la province du Shandong. BTE Solar investit continuellement dans la recherche approfondie sur des technologies telles que les systèmes bipolaires (chaleur et électricité), les systèmes de stockage d'énergie intersaisonniers, les systèmes de transport d'énergie et les systèmes intelligents de gestion de l'énergie, contribuant ainsi à l'intégration efficace et au développement rapide du secteur des énergies solaires et thermiques propres.