Partie II : Solaire thermique
Chaleur = première source d'utilisation du soleil
Résulte de l'absoption du rayonnement de façon désordonnée
Principe général général du système solaire thermique :
Un collecteur (éventuellement concentrateur) Un absorbeur (généralement surfacique) Un échangeur Un fluide caloporteur (eau, air, etc.) Un ou plusieurs systmes utilisant la chaleur (radiateur, échangeur, stoc!age, etc.)
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Partie II : Solaire thermique
Particularité des systèmes à asse température
"énéralement pas de dispositif de concentration #onctionnement $ basse température %as de cycle thermodynamique comple&e Unité de petite taille pour l'usage direct de la chaleur
!rois "amilles de d e capteurs actuellement
apteurs nonvitrés apteurs vitrés apteurs sous vide
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Partie II : Solaire thermique 1$ %es di""érents types de capteurs solaires thermiques 2$ Per"ormances des capteurs solaires so laires thermiques #$ &utres composants $ %es systèmes solaires ($ )imensionnement )imensionnement *$ &spect en+ironnemental ,$ Conte-te industriel
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II$1 %es di""érents types de capteurs thermiques
apteurs nonvitrés (ou capteurs moquette *)
+ubes noirs accolés en plastique dans lesquels circule l'eau du circuit de filtration
+rs bon rendement $ température ambiante +empérature en sortie peu élevée ( -/) 0ppliqués au chauffage chauffage des piscines 1ote 2 l'usage d'une simple b3che $ bulles permet dé4$ d'économiser la moitié de la puissance de chauffage 5 &utres applications 2
6 7ouche solaire 6 89 dans les pays chauds 6 ouplage possible avec une pompe $ chaleur pour 89 collective (systme Héliopac ) L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
apteurs vitrés
Source : RETScreen
Intér.t du +itrage 2 création d'un effet de serre :a vitre transmet le rayonnement solaire mais pas celui émit par l'absorbeur. :es pertes thermiques par rayonnement et par convection du capteur sont réduites.
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;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
apteurs vitrés Composants
0bsorbeur
ouverture
;mportante pour réduite les pertes =erre =erre voire voire polyca polycarbo rbonat nate e (η > ?) 9imple, double voire triple vitrage pour les sites en climat froid
;solant
#orte absorptivité au rayonnement solaire #aible émissivité #orte conductivité thermique uivre, 0luminium, 0cier
:aine minérale, mousses de polyuréthane
+ubes
#ortement conducteurs de chaleur pour assurer l'évacuation de l'énergie et éviter la surchauffe ino&ydable
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;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
apteurs vitrés /-emple
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;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
apteurs vitrés
Rev@tement sélectif de lAabsorbeur
hromage noir Rev@tement $ lAo&yde dAaluminium pigmenté au nic!el %einture noire
&pplications : eau chaude sanitaire sous tout climat chau""age L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
apteurs sous vide
Beilleur rendement que les précédents +empérature plus élevées en sortie +ubes de C $
%lusieurs systmes différents peuvent se combiner
%our la collection du rayonnement
+ube sous vide simple, absorbeur de type ailette 7ouble tube sous vide $ effet thermos (absorbeur intégré) #ace arrire réfléchissante ou réflecteur e&terne
%our l'évacuation de la chaleur
Fchangeur $ eau simple (serpentin 0GR) Fchangeur $ tubes concentriques aloduc (caloporteur diphasique)
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!ue à e""et 3thermos3
;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
apteurs sous vide
Source : Viessmann
!ue à circulation directe
!ue à caloduc
Source : Viessmann
&pplications : Chau""age solaire eau chaude sanitaire industrie
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Système à ré"lecteur e-terne
;;.< :es différents différents types de capteurs thermiques
ourbes de rendement pour les E types de capteurs
Comparaison des rendements pour les trois types de capteurs à eau en "onction de la température de l'eau en sortie
Source : Outils solaires Note : les capteurs solaire à air seront présentés plus loin L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
II$2 Per"ormances des capteurs solaires thermiques
%rincipe général
Exemple du capteur plan vitré
9chéma thermique détaillé Source : Faiman 200 L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.J %erformances des capteurs solaires thermiques
Hilan thermique simplifié sur l'absorbeur
Hilan thermique simplifié sur l'absorbeur à l'équilire
P u= A⋅ S −U ⋅ T a−T ext 0vec
%u 2 puissance thermique utile (I) 0 2 surface du capteur capteur (mJ) 9 2 Rayonnement incident absorbé (IGm J) U 2 coefficient de pertes thermiques du capteur (IG(m J.K)) +a 2 température de l'absorbeur (K) L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers + 2 température de l'air e&térieur (K)
;;.J %erformances des capteurs solaires thermiques
8&pression du rayonnement solaire absorbé %e rayonnement asoré S
S =G bh⋅
cos i
1cos
1− cos
2
2
⋅bG dh⋅
cos z
⋅d G h⋅⋅
⋅r
0vec i 2 produit transmittance transmi ttance & absorbance * du capteur pour chaque type de rayonnement (direct, diffus, réfléchi) L part du rayonnement réellement absorbée par le capteur. c apteur.
et dépendent de la longueur d'onde, de l'angle d'incidence et des
réfle&ions multiples de chaque rayon au niveau du capteur. ;l n'e&iste pas de moyen simple de les calculer.
%our simplifier, on peut noter 2
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S =G⋅
;;.J %erformances des capteurs solaires thermiques
alcul de la puissance utile Puissance utile en "onction de la température du "luide
5ilan de puissance au contact de l'asoreur
P u= h⋅ T a −T f
Puissance utile
P u= F ⋅ A⋅ S −U ⋅ T f −T ext
F =
h h U ⋅ A
Formule de Hottel$*&iller$.liss #H*.% F : !acteur d"e!!icacité du capteur #$% & : coe!!icient d"éc&an'e t&ermi(ue entre le !luide et l"a)sor)eur #*+,% T ! : Température mo-enne du !luide dans le capteur #,%
6endement du capteur
=
P utile P incidente
d"o/
=
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P u A⋅G
T f −T ext
= F ⋅ −U ⋅
G
;;.J %erformances des capteurs solaires thermiques
aractéristiques standard
/n /urope 78orme /8 12,(9 :
modèle à trois paramètres
0 : oefficient de rendement optique a et a2 2 oefficients de déperditions calofiques des premier et deu&ime ordre
T f − T ext 2 − a 2⋅
T f −T ext
= 0−a 1⋅
G
G
/n rance :
modèle à deu- paramètres
5 : oefficient de rendement optique ; 2 oefficient de déperditions calofiques du premier ordre (IG(mJ.K))
B = F ⋅ ⋅
K = F ⋅U
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T f −T ext / G T f −T ext
= B − K ⋅
G
;;.J %erformances des capteurs solaires thermiques
0ttention 5
Les rendements sont différents selon la surface considérée !
Sur"aces considérées
Sur"ace rute 2 encombrement du capteur Sur"ace d'ou+erture (ou d'entrée) 2 ouverture du capteur $ incidence normale. +ient compte compt e de la présence éventuelle de réflecteurs Sur"ace de l'asoreur (parfois dite active *) 2 9urface d'absorbeur (parfois éclairée
!empérature de stagnation
+empérature ma&imale du fluide $ l'arr@t dans des conditions défavorables " L < IGm J, +e&t L E / et absence de vent :es matériau& sont sélectionnés pour ne pas souffrir de cette température.
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II$# &utres composants
8changeurs de chaleur
5ilan de puissance 2 − T st P échangée = m T ˙ ⋅C p⋅T e −T s= h⋅ T
8fficacité de l'échangeur 2 =
et
alcul du rendement global capteur M échangeur * 2
P échangée P échangeable
=
m ˙ ⋅C p⋅T e −T s m ˙ ⋅C p⋅ T e −T st
=
T e −T s T e −T st
⋅T st T s=1 −⋅T e ⋅
P u= A⋅ F ' ⋅ S −U ⋅ T st −T ext
1
P échangée= ⋅m ˙ ⋅C p⋅T e −T st capt ech = L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
F
F ' =
P u A⋅G
A⋅ F ⋅U 1 ⋅ −1 m ˙ ⋅C p
[
T st −T ext
= F ' ⋅ −U ⋅
G
]
;;.E 0utres composants
Hallon de stoc!age Cas théorique du allon à température uniforme : uniforme :
Chaleur stocale 1s 2 haleur stoc!able sur un cycle (N)
" st = m⋅C p st ⋅ T st
m p 2 apacité thermique du stoc!age (NGK) T st 2 Fcart de température de travail du stoc!age (K)
5ilan thermique sur le stocage %u 2 %uissance utile fournie par le capteur (I) dT st
m⋅C p st ⋅
dt
˙ sut − UA st ⋅ T st −T amb = P u− !
!˙ sut 2 %uissance
soutirée au stoc!age (I)
(U0)st 2 oefficient d'échange global du ballon avec l'ambiance (IGK) T st 2 +empérature du stoc!age (K) T am) 2 +empérature autour du stoc!age (K)
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;;.E 0utres composants
Hallon de stoc!age 8n pratique, le allon n'est pas à température uni"orme : phénomène de strati"ication Bodélisation plus délicate 9i dimensionnement correct, le ballon peut proposer plusieurs températures différentes pour 89 et chauffage $ basse température
Ballon à stratification
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Source : Solaire onnexion SO3
;;.E 0utres composants
Hallon de stoc!age biénergie
4c&an'eur ES
Un circuit solaire Une chaudire d'appoint Résistance électrique de secours
%roduction d'89 4c&an'eur c&audi5re
ircuit solaire
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Ballon solaire bi-énergie Source : Viessmann
;;.E 0utres composants
Ouelques autres composants
Pompe de circulation
9on dimensionnement dépend de 2
:ongueur des tuyau& 7énivellation entre capteur et stoc!age +aille de lAinstallation
luide circulant dans le capteur haleur massique élevée #aible viscosité 0ntigel 2 mélange eau M composé glycolé (éthylne g. ou propylne g.) g.) 1on corrosif %oint dAébullition situé au dessus de la température de stagnation des capteurs 7urée de vie élevée #aible to&icité
>ase d?e-pansion : pour la dilatation du "luide caloporteur
7oit permettre la vidange en cas de surchauffe
Canalisations : acier ou cui+re
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;;.- :es différents systmes solaires
Source : 6a!en
hauffeeau hauffeeau solaire /léments séparés
@onoloc à e""et thermosiphon
Source : 7iordano industries L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
Sc&éma d"un c&au!!e$eau solaire simple
Sc&éma de principe du t&ermosip&on
;;.- :es différents systmes solaires
hauffage
Plancher solaire direct 7PS)9
%as d'échangeur intermédiaire 9toc!age $ basse température réalisé par la masse du plancher 7éphasage par l'inertie thermique du plancher (
Système solaire cominé 7SSC9 : chau""age A /CS
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;;.C 7imensionnement
Hesoins d'eau chaude sanitaire #aible variation saisonnire du besoin 4ournalier 7épendent du comportement et de la présence de l'occupant l' occupant 7emandes courtes et importantes +empérature dAentrée de lAeau lAeau dans le l e systme 2 de - $ J / (dépendant de la localité et de la saison) +empérature dAeau en sortie du systme 2 -C $ P / ircuit en boucle ouverte 5esoin instantané :
B #CS = ˙m⋅C p⋅ T cnsigne−T fride déperd déperditi itins ns des s$st%m s$st%mes es 8a température d"eau !roide n"est pas connue a priori9
%our maison individuelle 2 hauffe8au 9olaire ;ndividuel (89;) %our immeuble 2 hauffeeau solaire collectif
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;;.C 7imensionnement
Hesoins de chauffage
=ariation saisonnire importante 7emande continue +empérature délivrée 2 de E/ $ C/ (dépendant du systme dAémission et des conditions météorologiques) +empérature de retour 2 de JC/ $ -C/ ircuit en boucle fermée
Fvaluation des besoins par calcul
7es déperditions thermiques par les parois (conduction M rayonnement) 7es déperditions thermiques par renouvellement d'air
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;.C 7imensionnement
:a ressource solaire
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;;.C 7imensionnement
8&emple de courbe de charge Qone en pointillés 2 #raction solarisable * des consommations
Source : T9 8et; 200< L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.C 7imensionnement
Rgles de dimensionnement
Définition : « la fraction solaire solaire »
%rincipe 2 le systme solaire thermique permet de diminuer la facture énergétique l e systmes raction solaire (#s)2 fraction des besoins énergétiques couverts par le solaire
s = énergie solaire utile B esoins
=olume du ballon de stoc!age
9i trop petit 2 pas asse de stoc!age 9i trop grand 2 pertes thermiques du ballon Sptimum environ C< litres G m J de capteur 7oit @tre plus volumineu& qu'un ballon traditionnel en raison rais on de l'intermittence de la source d'énergie
%lancher solaire 2
ompromis fraction solaire G aspects économiques G espace disponible pour le capteur
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;;.C 7imensionnement
Rgles de dimensionnement dimensionnement
:e rendement du systmes solaire sol aire dépend de lAensoleillement et de la température e&térieure
Chauffe eau solaire, productiité moenne
Qone 0 (e&. 2 0llemagne) 2 E $ - !IhGm J Qone H (e&. 2 #rance) 2 - $ C !IhGm J Qone (e&. 2 "rce) 2 C $ P !IhGm J #raction solaire plus élevée au sud quAau nord
utils pour le dimensionnement dimensionnement
Béthode S% par calcul mensuel, 9+H
9S:SJ (9+H) Sutil en ligne sur le site tecsol.fr
Bodles de calcul dynamique 2
+R019S: (issu de +R19T9) +rs bientt 2 Bodule 89 solaire de %léiadesMSB#;8
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;;.C 7imensionnement
Srdre de grandeurs (pour la #rance) Chauffe-eau solaire :
5esoins 2 5esoins 2 4D(4 litres d?eau chaude par personne et par Eour ($ ($ C /) J %our - personnes 2 E $ C m de capteur et ballon de J $ E litres raction solaire 2 solaire 2 de (4 à 04 F (selon F (selon la one climatique) Capteur 2 orientation de sudouest $ sudest et inclinaison entre E/ et P/ ;nvestissement 2 pour - $ P mJ de capteur E V $ C - W ++ (ballon solaire seulement) M P W pour ballon biénergie
"st#me solaire combiné aec plancher solaire :
5esoins 2 5esoins 2 dépend des performances du b3timent (de < $ X J !IhGm JGan) < mJ pour V $ < m J de plancher chauffant, soit < $ J m J pour une maison individuelle raction solaire 2 solaire 2 de 2( à *4 F. F. limat idéal 2 froid et ensoleillé (Rhne0lpes, 0lsaceY), pour les autres climats 2 rentabilité assurée au printemps et $ lAautomne Capteur 2 2 orientation de sudouest $ sudest, inclinaison entre E/ et P/ (incliner $ P/ si l'on veut optimiser la performance lAhiver) 8&emple 2 maison avec < mJ de surface chauffée,
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;;.P 0spect environnemental
Béthode de l'0nalyse de ycle de =ie (0=) Normes =SO >0>0 à > 0> Un processus en étapes 1$ )é"inition des oEecti"s
7étermination du produit étudié, de sa fonction 2 le b3timent, avec une durée de +ie , un usage (tertiaire, logement,Y), et un niveau de con confo fort rt et et de sal salub ubrit rité é donn donnés és⇒
$tapes du ccle de ie d%un b&timent L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.P 0spect environnemental
Béthode de l'0nalyse de ycle de =ie (0=) Normes =SO >0>0 à > 0> Un processus en étapes 1$ )é"inition des oEecti"s
2$ In+entaire
Relevé de tous les flu& de matires et dAénergie (en !N ou !g) Re4ets dans lAair, lAeau, le sol 7échets solides
#$ &nalyse des impacts
0grégation des différents flu& flu& pour en déduire les indicateurs indicateurs dAimpacts
%otentiel de réchauffement global Fpuisement des ressources 0cidification des eau&, eutrophisations des cours d'eau 7estruction de la couche d'oone %roduction de déchets to&iques ;mpacts sur la santé etc.
$ Interprétation des résultats et recherche d'améliorations d'améli orations
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;;.P 0spect environnemental
8&emple d'0= de chauffeeau solaire
9ource 2 base de données ]!oinventare de l'8%#Q (Qurich)
Gypothèses de ase
hauffeeau $ éléments séparés apteurs 6 apteurs plans vitrés intégrés en toiture 6 0bsorbeur en aluminium, rev@tement sélectif chromé 6 ouverture 2 double vitrage
Fchangeur incorporé, appoint électrique incorporé #raction solaire 2 -C ? (9uisse ou moitié nord de la #rance)
)eu- cas de "igure : maison indi+iduelle et logement collecti"
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;;.P 0spect environnemental
8&emple d'0= de chauffeeau solaire %es di""érentes étapes du cycle de +ie considérées :
la fabrication des capteurs la fabrication du ballon de stoc!age la fabrication des autres composants (pompe, échangeur, vase d'e&pansion, appoint) le montage et la fabrication des tuyauteries la phase d'utilisation la dépose et le traitement des déchets
:e bouquet * de production product ion électrique européen de <>>- a été considéré pour l'électricité utilisée pour la production des composants.
production thermique hydrocarbures 2 -[? production thermique nucléaire 2 EV? production hydroélectrique 2
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;;.P 0spect environnemental
+emps de retour énergétique du chauffeeau solaire 6aisonnement en énergie primaire
\ypothse sur l'énergie substituée par le solaire 2 ga
Fnergie primaire pour < !Ih de ga 2 <,CP !Ih 8%
\ypothse sur la durée de vie 2 entre
89; 2 !Ih 8%
;nstallation collective 2 P [C !Ih 8%
6ésultats moyens sur la durée de +ie du système
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;;.P 0spect environnemental
+emps de retour énergétique dAun chauffeeau solaire
!emps de 6etour Hnergétique L temps nécessaire pour que le systme produise autant dAénergie primaire que ce qu'il a fallu consommer pour sa fabrication Fnergie annuellement substituée par le solaire 2
+emps de retour 2
89; 2 J P- & <,CP L - <<[,- !Ih 8% ;nstallation collective 2 G -<<[ L E,[ années ;nstallation collective 2 P[C G J EPP L E années
9i durée de vie L J ans, alors économie de 2 89; 2 -,E fois l'énergie primaire nécessaire $ sa fabrication. ;nstallation collective 2 C,P fois l'énergie primaire nécessaire $ sa fabrication.
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;;.P 0spect environnemental
+emps de retour S J dAun dAun chauffeeau solaire
;mpact en SJ des systmes 2
89; 2 < C<- !g S J
;nstallation collective 2 - >CE !g SJ
;mpact dA< !Ih ga en émission de ga $ effet de serre 2 ,J[< !gG!Ih !emps de 6etour C2
89; 2 24( années ;nstallation collective 2 1#( année
9i durée de vie L J ans :e 89; permet dAéviter fois la quantité quantité de ga $ effet de serre émise émise pendant sa fabrication ( 1#0 fois pour lAinstallation collective)
9elon cette étude, < m J de capteur solaire thermique permet dAéviter de re4eter annuellement dans lAatmosphre 124 !g de ga $ effet de serre
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;;.V onte&te industriel
0u niveau européen européen Parc solaire européen 72,9 (données J>)
9urface installée (toutes technologies confondues) 2
EJ,C !mJ %révisions trs inférieures au& ob4ectifs du :ivre Hlanc de la ommission 8uropéenne 2 < !m J en J< -,J millions de m J installés en J> (légre baisse G J[) roissance annuelle J> des surfaces 2 M <- ? (en ( en #rance M<[ ?)
:es technologies installées en J> 2
[V ? 2 apteurs vitrés plan > ? 2 apteurs vitrés sous vide - ? 2 apteurs non vitrés
Principau- industriels européens
0llemands 2 =iessman, 9ch^co, +hermosolar, 9olvis, 9olvis, etc. 0utriche 2 "R881one+8 "R881one+8 (capteurs) #rance 2 lipsol (capteurs), "iordano (hauffeeau)
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;;.V onte&te industriel
%arc solaire européen (U8) de 14 à 2440
=nstallations annuelles en ?9E9@ Suisse #capteurs vitrés%
=nstallations annuelles en France #source : EST=F% L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.V onte&te industriel
:es pays européens les plus équipés
8es pa-s les plus é(uipés en ?9E9 #@ Suisse% #source : EST=F% L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers
;;.V onte&te industriel
onte&tes locau& /n /spagne 2 _digo +écnico de la 8dificaci_n, impose P? d'89 solaire sur les b3timents neufs /n &llemagne 2 9olaire thermique obligatoire dans certaines municipalités (Barburg,...) 0rr@t des subventions au& systmes syst mes solaires depuis mai J< (crise) /n rance 2 démarrage récent (J-) avec les aides publiques (aide 078B8 puis crédits d'impts d'imp ts (C ?)) Solaire thermique oligatoire dans les départements d'utreD@er depuis a+ril 244
%lus d'info 2 ```.estif.org, ```.observer.org ```.observer.org L'énergie solaire et ses applications - EPF - 2010 - S. Thiers