Le chauffage des piscines de plein air peut avantageusement être assuré par l'énergie solaire. Le procédé est simple et fiable, d'un niveau de technicité faible tant pour la mise en ?uvre que pour la maintenance, c'est l'une des applications du solaire thermique des plus performantes. Néanmoins, la pertinence d'un projet de solarisation d'une piscine de plein air, ne serra démontrée qu'au terme d'une étude de faisabilité, dans laquelle les besoins doivent être déterminés avec une attention particulière.
Le chauffage des piscines de plein air peut avantageusement être assuré par l’énergie solaire. Le principe est simple, il consiste à faire circuler l'eau du bassin dans des capteurs solaires simplifiés de type « absorbeur », également appelés « moquette solaire ».
Principe général
Sur le plan hydraulique, un circuit en PVC pression monté en dérivation en aval de la section de filtration irrigue en eau le champ de capteurs solaires. De façon à permettre un équilibrage hydraulique des capteurs, le réseau est équipé de robinets de réglage en sortie capteur ou auto-équilibré par une boucle de Tichelmann.
La pompe de circulation est commandée par un régulateur différentiel, qui mesure la température en sortie des capteurs et la compare à la température de l’eau à la sortie de la filtration.
La pompe est mise en fonctionnement à partir d'un différentiel de température de quelques degrés (2 à 5 °C), si l'écart de température est inférieur ou égal à 1 °C, la pompe est arrêtée.
L'énergie fournie par le solaire doit toujours être prioritaire, l'appoint assuré par une énergie complémentaire, quand il est nécessaire, ajuste la température de l'eau avant sa réintroduction dans le bassin.
Les traitements d'eau, tels que les dispositifs de correction du pH et de chloration, sont réalisés en aval du circuit dérivé des capteurs solaires et de l’appoint.
Un dispositif de comptage de l’énergie produite par le solaire est à prévoir si le site n’est pas équipé d'un système de Gestion Technique Centralisée (GTC) (voir schéma de principe hydraulique).
Domaines d’application
Quelle que soit la nature de la piscine, publique ou privée, en projet ou existante, il est toujours pertinent d’évaluer la faisabilité de la solarisation d'un bassin de plein air. Pour un projet, la solarisation doit être envisagée dès les premières esquisses de façon à intégrer au mieux la surface de captation et de limiter la distance entre le local technique et le champ de capteurs solaires.
Le concepteur prendra en compte les contraintes techniques et environnementales, telles que la surface nécessaire pour les capteurs, la distance entre les capteurs et le local technique, les ombres portées pendant la saison d’ouverture de la piscine, etc. Une bonne solution consiste à prévoir l'implantation des capteurs solaires, en toiture-terrasse du bâtiment annexe, qui regroupe généralement les vestiaires-sanitaires, les douches, les bureaux et le local technique. Cette disposition permet de réduire d’éventuels masques en prenant de la hauteur et de limiter les liaisons hydrauliques entre les capteurs et le local technique.
D’autre part, les capteurs ne consomment pas de surface au sol, l’entretien est réduit (absence de désherbage) et enfin le risque de dégradation par vandalisme est écarté. La solarisation d'une piscine existante ne nécessite généralement pas de modifications importantes de l’installation hydraulique en place, en revanche, il n’est pas toujours possible d’installer les capteurs en terrasse des bâtiments, il est alors nécessaire de trouver une surface disponible suffisante au sol et de vérifier l'incidence des obstacles environnants (ombres portées).
Besoins énergétiques des bassins de plein air
Une piscine de plein air fonctionne sur une courte période dans l'année, qui se situe généralement entre les mois de mai et octobre, le reste du temps, le circuit solaire doit être vidangé pour éviter le risque de dégradation par le gel.
Le dimensionnement de l'installation solaire passe tout d’abord par la détermination des besoins de la piscine, dont le calcul est délicat compte tenu de la fluctuation de certains paramètres (vent, humidité relative, taux d’occupation...), qui jouent un rôle déterminant dans le calcul des pertes par évaporation.
Les pertes par évaporation représentent en moyenne 50 % des besoins énergétiques d'un bassin de plein air, le reste des pertes sont imputables aux phénomènes de convection, rayonnement et au renouvellement d’eau journalier réglementaire (1/20 du volume). Les pertes par conduction des parois du bassin sont négligeables ainsi que les apports de chaleur transmis à l'eau par le métabolisme
des baigneurs.
Soulignons l’importance des apports solaires directement absorbés par le plan d'eau, qui globalement couvrent la moitié des besoins du bassin.
À titre indicatif, les besoins énergétiques moyens nécessaires pour maintenir l'eau d'un bassin de plein air à une température de 24 °C, moyennement exposé au vent et pour une période d'utilisation du 15 juin au 15 septembre, sont les suivants :
- => 3,5 kWh/m² de plan d'eau (Nord de la France)
- => 1,3 kWh/m² de plan d'eau (Sud de la France)
Soulignons que si la vitesse du vent sur le plan d’eau est multipliée par 2, les besoins augmentent de + 30 % et qu’en élevant de + 1 °C la température de consigne de l'eau (par exemple de 24 °C à 25 °C), les besoins augmentent en moyenne de + 25 % par rapport aux valeurs indiquées ci-dessus.
Le matériel et sa durée de vie
Pour les piscines de plein air, on utilise un capteur de type « absorbeur » sans vitrage et sans isolation appelé plus couramment « moquette solaire ». On trouve habituellement deux types de produits sous la forme de nattes de tubes juxtaposés en matériaux synthétiques. L’un est fabriqué en polypropylène (PP) ; sa durée de vie est de l’ordre de 20 ans. L’autre est un matériau composite E.P.D.M. (terpolymère d'éthylène, de propylène et d’un diène), plus simplement un caoutchouc thermoplastique dont la durée de vie est bien supérieure à celle du polypropylène puisqu’elle peut atteindre 30 ans.
On voit actuellement apparaître sur le marché français un type de capteur déjà bien répandu en Allemagne, construit en acier fin et revêtu d'une couche sélective de chrome noir. Ce matériel présente l’avantage de la double fonction de capteur solaire et d’élément de couverture modulaire ; il s’adapte à tout type de toiture, à faible ou à forte pente, sur rampant plat ou courbe.
L'usage de capteur vitré à effet de serre est techniquement possible mais peu judicieux pour le seul chauffage de l'eau des bassins de plein air, qui ne sont utilisés que quelques mois dans l'année à la belle saison.
Le bon sens conduira le concepteur à choisir un modèle de capteur simplifié, sans couverture ni isolation, qui sera particulièrement bien adapté aux besoins d'une piscine de plein air, dont le niveau de température souhaité est compatible avec celui atteint par l'eau dans les capteurs solaires (25 à 35 °C).
Éléments du dimensionnement
Une solarisation performante implique tout d’abord une bonne maîtrise des pertes énergétiques du bassin et tout particulièrement des pertes par évaporation à la surface du plan d'eau. À cet égard, il convient de prévoir de façon systématique la mise en place d’une couverture sur le plan d’eau, permettant ainsi de réduire les pertes d'énergie par évaporation d’environ 50 %.
Pour les bassins de plein air dont la période de fonctionnement est possible du mois de mai au mois d’octobre, l’inclinaison du champ des capteurs par rapport au sol doit être comprise entre 0 et 30° (orientation Sud pour α = 30°).
Le rapport entre la surface de capteurs et la surface du plan d’eau doit être compris entre 0,5 et 1.
Le rendement de captation (η) peut s'exprimer par la formule simplifiée suivante :
Q η = —— × 100 en % Ei × A
Q : Énergie transférée au fluide (Wh)
Ei : Énergie solaire incidente (Wh/m²)
A : Surface utile des capteurs (m²)
La productivité d'un capteur solaire indique la quantité d’énergie solaire absorbée, par mètre carré de capteur, au cours d’une saison de bain. La productivité d'un mètre carré de capteur simplifié ou « moquette solaire » se situe entre 220 kWh/m² et 350 kWh/m².
L’énergie absorbée par les capteurs est injectée dans le circuit d'eau du bassin à l’aide de la pompe de circulation. Le débit de la pompe doit être déterminé de façon à ne pas trop élever la température à l’intérieur du capteur, ce qui conduit à retenir un débit d’environ 100 litres par m² de capteur solaire.
La pression de service dans le circuit de captage équipé de moquette solaire (EPDM) ne dépasse pas 1 bar. Pour les installations équipées de capteurs en polypropylène et en polyéthylène haute densité, la pression de service peut varier entre 1 et 3 bars suivant la configuration géométrique de l'installation.
Approche économique
Le coût d'une installation solaire comprenant les matériels et la mise en œuvre est de l'ordre de 650 à 850 F/m² de surface de capteur de type « moquette solaire ».
L’adéquation entre les besoins de la piscine et la disponibilité des apports solaires en été conduit généralement à une bonne rentabilité de l'investissement. Le temps de retour brut (TRb) peut toutefois sensiblement varier d'un site à l'autre en fonction des conditions d'utilisation et des contraintes spécifiques du site ; en règle générale, le temps de retour brut se situe autour de 5 ans, mais peut atteindre 8 ou 10 ans.
Pour les piscines solarisées, pour lesquelles on accepte que la température de l'eau du bassin puisse être élevée de quelques degrés au-dessus du point de consigne (1 à 3 degrés), l'appoint assuré par une énergie complémentaire peut dans ce cas ne plus être nécessaire, puisque l’énergie solaire disponible en surplus est stockée dans le bassin, qui joue le rôle de réservoir tampon.
Le taux de couverture des besoins d'une piscine de plein air solarisée varie entre 40 % et 100 % des besoins initiaux.
L’optimum est atteint sur les bassins équipés d'une couverture en complément de l'installation solaire et dont on accepte une dérive de la température de quelques degrés au-dessus du point de consigne.
Impact environnemental
La substitution d'une énergie fossile par l'énergie solaire permet d’éviter le rejet dans l'atmosphère d’une quantité non négligeable de polluants émis par la combustion du gaz ou du fioul.
À titre d’exemple, une piscine de plein air solarisée, située en région parisienne, permet de réduire les émissions de polluants dans l’atmosphère de 11,2 tonnes de CO₂ par an si l’énergie primaire est du gaz, et de 18,4 tonnes de CO₂ par an si c’est du fioul domestique.
Hypothèses : bassin de 300 m³ chauffé à 24 °C du 15 juin au 15 septembre, renouvellement d'eau 22 m³/jour, avec appoint gaz ou fioul, équipé de 210 m² de capteurs type « moquette solaire » et d'une couverture du plan d'eau pour la nuit.
Qualité bactériologique : le traitement des eaux de piscine est incontournable
Dans une piscine, la sueur, les cheveux et peaux mortes, les acides aminés… sont apportés par les baigneurs. À la fin de la journée, l’eau se transforme en un véritable bouillon de culture pour bactéries. La désinfection se révèle indispensable.
En se rendant à la piscine, les baigneurs n’ont qu’un souhait : profiter pleinement des joies de l’eau. Mais voilà. L’eau de piscine est riche en nitrate, en ammoniac ou azote organique apportés par les nageurs. Ce milieu réunit les conditions idéales pour le développement des algues, des bactéries, des champignons. Cette eau non traitée se transforme rapidement en un véritable bouillon de culture. Les algues prolifèrent rapidement et rendent l’eau trouble. Elles constituent un substrat nutritif idéal pour le développement des champignons et bactéries. Ces derniers peuvent nuire à la santé humaine. Il faut donc traiter l’eau.
Le traitement physique de l’eau mis en place dès la construction de la piscine n’est pas suffisant pour obtenir de l’eau pure. Des traitements chimiques complémentaires sont nécessaires. Les plus utilisés sont encore aujourd’hui à base de chlore ou de produits dérivés.
Le chlore et les produits dérivés
Le chlore est le désinfectant classique des piscines. Il ne détruit pas seulement les germes, mais il provoque aussi une oxydation des impuretés organiques qui ne sont pas retenues par le filtre. Le développement de produits chlorés facilite aujourd’hui la manipulation du chlore. Ils apportent un taux de chlore actif élevé, sans résidus, ni influence sur le pH. Cependant, si les produits sont efficaces, le chlore est le seul désinfectant rémanent : l’odeur qu’il produit n’est pas appréciée de tous. Causée par la formation de trichloramine, elle est inéluctable dès que l’on utilise du chlore. Cette molécule irrite la gorge et des précautions sont à prendre pour en limiter les effets (voir encadré).
L’ozone oui, mais...
C’est un désinfectant particulièrement efficace qui peut être produit à partir de l’air. La seule chose à laquelle il faut faire attention, c’est l’absence de trace d’ozone dans l’eau réintroduite dans la piscine. Pour ceci, l’eau traitée doit passer sur un filtre à charbon actif. Cette contrainte limite en fait son application en piscine car elle rend l’équipement plus cher. De plus, l’absence d’ozone dans le bassin implique là encore d’y ajouter une faible dose de chlore ou d’un de ses dérivés, pour compléter le processus de désinfection.
La stérilisation à ultraviolet
Aujourd’hui les appareils sont au point. Installée sur le circuit de filtration de l’eau, en sortie, une batterie de tubes diffuse le rayonnement UV à travers le flux à traiter. Pour être pleinement efficace, le système doit être correctement dimensionné, pour que la totalité du liquide traversant soit mise en contact avec les UV.
Le rayonnement ultraviolet est un désinfectant propre puisqu’il ne met en jeu aucun produit chimique. Il ne forme aucun sous-produit, ce qui est un avantage. Cependant, le manque de rémanence dans le temps impose l’ajout de chlore.
Présenté fin 1997, le procédé Hélios de Comex Technologies est la dernière née des techniques de stérilisation bactériologique. Elle assure une photo-destruction haute énergie efficace qui élimine les micro-organismes présents dans l’eau. Cette méthode ne génère pas d’ozone. Elle ne nécessite pas d’utilisation de solvants, ni de produits chimiques complémentaires, si ce n’est (là encore) un peu de chlore pour assurer la rémanence.
Marie-Odile Mizier
Soit, au bout de 20 ans d’exploitation, un total de 224 tonnes de CO₂ évités pour le gaz et 368 tonnes pour le fioul.
Maintenance et entretien
La maintenance est indispensable pour garantir dans le temps les performances de l’installation solaire et, par conséquent, sa rentabilité financière.
La souscription d’un contrat de maintenance de type « P2 », relatif aux prestations de conduite, de contrôle et d’entretien courant, est nécessaire quand ces prestations ne peuvent être assurées par le service entretien du maître d’ouvrage (régie).
Un contrat de type « P3 » peut être souhaité par le gestionnaire ; dans ce cas, l’exploitant doit inclure dans son contrat le renouvellement des gros équipements défectueux (capteur, pompe…).
Le contrat de maintenance et d’entretien doit être global et comprendre l’ensemble des équipements de la piscine, y compris les équipements spécifiques à l’installation solaire.
En ce qui concerne l’entretien courant de l’installation solaire d’une piscine de plein air, il se résume à une visite annuelle, avant la saison de chauffe, qui consiste à vérifier l’état de surface des capteurs et à leur nettoyage éventuel. Si les capteurs sont posés sur le sol naturel, il sera nécessaire de prévoir un désherbage et un nettoyage plus fréquent.
La visite annuelle comprendra principalement la vérification et le contrôle du bon état et du bon fonctionnement des installations suivantes :
- les capteurs (étanchéité, nettoyage, vidange et remplissage, vieillissement…)
- le circuit hydraulique et les organes de réglage et de sécurité (vannes, clapets, compteurs, tubes, raccords…)
- la régulation et les organes de mesures (sondes, contacts, câblages…)
- l’alimentation électrique et les protections (pompe, câblages…)
Conclusion
Le procédé est simple et fiable, d’un niveau de technicité faible tant pour la mise en œuvre que pour la maintenance ; c’est l’une des applications du solaire thermique les plus performantes. Néanmoins, la pertinence d’un projet de solarisation d’une piscine de plein air ne sera démontrée qu’au terme d’une étude de faisabilité, dans laquelle les besoins doivent être déterminés avec une attention particulière.
Par ailleurs, on constate que les gestionnaires de piscines solarisées tendent à élargir la période d’ouverture au public, en début et fin de saison, en fonction des séquences de belles journées ensoleillées qui sont relativement fréquentes au cours du mois de mai et du mois d’octobre.
