Chauffage et production d'eau chaude panneaux solaires : Principes

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Un Chauffe-eau solaire se compose de capteurs posés sur la partie du toit orienté de préférence côté sud, et d’un ballon de stockage relié aux capteurs par un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce fluide (eau+antigel+agent anticorrosion en règle générale) s’échauffe en circulant dans les capteurs puis descend dans le ballon où, en parcourant un échangeur en forme de serpentin. Le fluide caloporteur cède sa chaleur à l’eau sanitaire, une fois les calories restituées, il repart vers le capteur où il sera à nouveau chauffé.

 

Panneaux et capteurs solaires 

Les panneaux solaires thermiques produisent l'eau chaude sanitaire domestique :

Ces panneaux convertissent l’énergie solaire en chaleur grâce à un système de tubes contenant un liquide caloporteur mélangé avec un antigel qui transporte l’énergie. Ce liquide est chauffé par les rayons calorifiques du soleil, les calories sont diffusées par un échangeur de chaleur afin de chauffer un ballon d’eau chaude pour le stockage.

Les énergies les moins chères sont l'éolien et le solaire, énergie vertueuse par excellence, car abondante et gratuite. Même si la fabrication des panneaux solaires demande de l'énergie pour leur fabrication (énergie grise) donc une émission de CO2 (1), le bilan global est bon.

L’énergie stockée peut être utilisée pour alimenter le bâtiment en eau chaude sanitaire ou contribuer au système de chauffage central (chauffage solaire « basse température » (CES). Pour le chauffage central, ces installations coûtent assez cher, mais fournissent un complément gratuit de 30 %.

En général, elles peuvent s’envisager pour des constructions neuves ou des rénovations lourdes et peuvent servir à chauffer une piscine grâce à un échangeur. Il est toujours recommandé de prévoir un appoint « classique »( électricité, gaz naturel, gaz propane, fioul, etc.), afin de garantir la fabrication d’eau chaude à la bonne température lors des périodes de ciel gris.

 

Rentables et recyclables ?

Oui, les panneaux solaires sont rentables, oui les panneaux sont recyclables

Les panneaux solaires thermiques suivant les régions peuvent produire jusqu'à 80 % de votre eau chaude et sont économiquement les plus rentables. Il faut compter environ 5 ans en moyenne pour les amortir.

Ils se recyclent parfaitement, car les composants de base sont simples beaucoup mieux que votre téléphone portable (seulement 1 % des nombreux composants parfois toxiques recyclés) ou que votre téléviseur à écran plat. 

 


Une pompe électrique met en mouvement le liquide caloporteur lorsqu’il est plus chaud que l’eau du ballon de stockage. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation qui gère les différences de températures : si l’eau du ballon est plus chaude que celle du capteur, la régulation coupe le circulateur. Dans le cas contraire, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l’eau sanitaire du ballon. 
La quantité de chaleur fournie dépend d’une part de l’intensité du rayonnement solaire et d’autre part de l’aptitude du matériel à capter et à transmettre cette chaleur.
Pour les périodes pendant lesquelles le soleil ne suffit pas à porter l’eau sanitaire à une température suffisante,(temps pluvieux ou très nuageux), l’appoint thermique peut être assuré soit par une résistance électrique (thermoplongeur), soit par une chaudière thermique alimentant un second changeur placé dans le ballon.

 

Le soleil peut produire gratuitement jusqu'à 80 % de l'eau chaude sanitaire et 35 % du chauffage d'un bâtiment. Photo Picbleu ®

panneaux_solaires_thermique.jpg

 

Fonctionnement d'un chauffe-eau solaire

Principe de fonctionnement d'un chauffe-eau solaire. Schéma Picbleu ®

 

Fonctionnement d'un chauffe-eau solaire à éléments séparés. Schéma Acqualys.jpeg

 

Le principe du chauffe-eau solaire est très simple : chacun connaît les effets d'un tuyau d'arrosage plein d'eau abandonné au soleil… au bout de quelques heures, la température de l'eau s'élève, plus le tuyau est sombre, plus l'eau est chaude et serait même brûlante si le tuyau était placé sous une vitre. C'est simple, fiable, efficace : le moindre rayon de soleil est une source de calories gratuites et sans rejets dans l'atmosphère.


 Capter l'énergie solaire par les panneaux solaires


 Transporter la chaleur


 Restituer la chaleur


 Stocker l'eau chaude


 Faire circuler le liquide caloporteur


 Pallier l'insuffisance d'ensoleillement

 

En France, l'énergie solaire permet de couvrir environ 60 % à 80 % en moyenne des besoins en eau chaude, ou d'apporter un complément de chauffage. Dessin Picbleu ®

Capteurs solaires. Doc ACQUALYS.jpeg

 

Chauffage solaire

Les systèmes à vidange automatique ne nécessitent ni fluide antigel, ni soupape de sécurité, ni vase d’expansion. Les capteurs placés sur le toit sont remplis d’eau uniquement lorsqu’il y a un ensoleillement suffisant, si le rayonnement est faible les capteurs se vident dans un réservoir.

Ces systèmes ont été développés pour éviter l’utilisation d’un antigel et les surchauffes excessives. Ce système est utile en cas d’absence en été ou pour une résidence secondaire par exemple.

8 panneaux assurant 30 % de l'énergie de chauffage de cette maison, l'été la piscine est réchauffée avec cette énergie gratuite et graduelle. Photo Picbleu

chauffage solaire Portail habitat Picbleu

 

Le chauffage des piscines

L'installation de capteurs solaires synthétiques en polyéthylène rigide ou en tuyaux souples non vitrés peut avantageusement réchauffer l'eau d'une piscine. Les besoins en température ne sont pas élevés ce qui permet une utilisation solaire avec un bon rendement et donc une production de chaleur très économique, de plus cette opération se déroule pendant des périodes favorables.


Ces systèmes sont généralement exempts d'échangeur de chaleur étant donné que l'eau de la piscine circule directement à travers les capteurs, le débit étant assuré soit par la pompe de l'élément de filtration, soit par une pompe additionnelle. Le réseau hydraulique peut se faire en tubes rigides ou souples et ne nécessite pas d'outillage spécifique.
 Les capteurs peuvent être installés en hauteur sur un toit ou posés au sol incliné à 45 °. Les matériaux synthétiques utilisés pour la construction des capteurs résistent au chlore et sont insensibles à la corrosion et au gel. Il est toutefois nécessaire de vidanger les capteurs et le réseau tubulaire en période hivernale (risque de dégradation par le gel).
Le dimensionnement de la surface de capteurs se fait principalement en fonction des dimensions de la piscine, de la différence de température de l'eau du bassin et de l'impact solaire. La surface des capteurs se situe entre 30 et 80 % de la surface du bassin.

 

 

Les systèmes à thermosiphon

Les systèmes à thermosiphon fonctionnent suivant les différences de densité entre fluides chauds et fluides froids. Le fluide chauffé dans le circuit monte, entre dans le ballon de stockage situé au-dessus du capteur, y transfère sa chaleur, et descend ensuite à nouveau dans le capteur par la tuyauterie de retour. 
Les systèmes à thermosiphon sont conçus, soit comme systèmes directs (dans lesquels l’eau potable circule directement dans le capteur), soit comme systèmes indirects, dotés d’un circuit capteur fermé.


Le chauffe-eau solaire à éléments séparés fonctionnant en thermosiphon offre plusieurs avantages : pas de régulation, pas de pompe et de très bonnes performances énergétiques pour un prix réduit. La simplicité de la circulation naturelle et l’absence des pièces mobiles assurent une grande fiabilité du système. Un avantage important est sa possibilité de fonctionner en cas de panne électrique.


L’inconvénient est que le ballon de stockage doit être placé dans une position plus élevée que les capteurs, afin de permettre la montée « naturelle » du fluide caloporteur des capteurs vers le ballon. Ils sont réservés aux régions où les températures ne sont jamais négatives, le gel pouvant occasionner des dégâts.

 

Les systèmes low flow

Ces chauffe-eau fonctionnent avec une quantité réduite de fluide caloporteur. Le débit à travers les capteurs est adapté à la puissance du rayonnement solaire de façon à ce que la température du fluide à la sortie des capteurs soit toujours supérieure de quelques degrés à celle de l’eau sanitaire.

Si les capteurs low flow sont utilisés en liaison avec un ballon de stratification, on peut atteindre des températures d’eau plus élevées dans des conditions de rayonnement faible

 

Les ballons de stockage de l'eau chaude sanitaire solaire

 

L'énergie solaire ne peut pas assurer la totalité de la production d’eau chaude sanitaire, le ballon de stockage est équipé d’un dispositif d’appoint qui prend le relais en cas de besoin et reconstitue le stock d’eau chaude : il peut s’agir d’une résistance (appoint électrique) ou d’un serpentin (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (bois, gaz, fioul) située en aval du ballon. Un second ballon alimenté par l’énergie d’appoint peut aussi être utilisé.

Ballons d'eau chaude sanitaire à stratification

La température de l’eau chaude contenue dans un ballon de stockage se stratifie naturellement (eau chaude en haut). Les ballons « à stratification » renforcent ce phénomène naturel. L'eau chaude venant des capteurs est introduite dans le ballon à une hauteur qui correspond à sa température, et l'eau chaude est puisée dans le ballon suivant la température désirée. 
Dans les ballons à stratification, la partie la plus chaude peut être réservée aux besoins sanitaires, et la partie moins chaude pour le chauffage de la maison en hiver ou la piscine en été. Cette technologie est plutôt réservée aux systèmes solaires combinés (production d'eau chaude sanitaire et chauffage).

 

Production solaire

 

La couverture annuelle solaire des besoins en eau chaude

La couverture solaire moyenne d'une installation d'eau chaude sanitaire : des économies réalisables grâce aux calories gratuites du soleil. Suffisant à fournir à lui seul 100 % de l'eau chaude en été, le chauffe-eau solaire individuel (CESI) assure de manière optimale son préchauffage en demi-saison ou le réchauffage de l'eau de piscine. Un système solaire combiné (SSC) peut en plus fournir l'appoint du chauffage de la maison. La technologie actuelle permet d'excellentes performances sous toutes nos latitudes.

Tout en assurant confort, indépendance et respect de l'environnement, l'énergie solaire permet des économies de 40 à 60 % par an en moyenne sur la facture de chauffage.  Schéma Picbleu ®

Couverture solaire annuelle. Doc ACQUALYS.jpeg

 

Capteurs modèles

a) Capteurs plans

Un capteur solaire comprend une plaque et des tubes métalliques noirs. Ils constituent l’absorbeur, reçoivent le rayonnement solaire et d’échauffent. Un coffret rigide et isolé thermiquement entoure l’absorbeur. Sa partie supérieure, vitrée, reçoit le rayonnement solaire et emmagasine la chaleur comme dans une serre.

 

 

 

 

b) Capteurs à tubes sous vide

Dans les capteurs à tubes sous vide, un tube de verre extérieur est placé autour des absorbeurs intérieurs. Un vide remplit l'espace libre, afin de réduire les déperditions de chaleur par convection ou par conduction thermique, comme dans une bouteille iso thermique.

 

Les capteurs à tubes sous vide atteignent des températures plus élevées que les capteurs plans. L'intensité du vide est d'une importance décisive pour l'interruption du mécanisme de transfert de chaleur. La pression doit être réduite très au-dessous de la pression atmosphérique.

 



Tubes sous vide à flux direct


Le fluide caloporteur passe directement par l'absorbeur dans les tubes sous vide. Ce transfert thermique direct assure un rendement élevé.


Tubes sous vide à caloduc


Le tube de l'absorbeur contient une petite quantité d'eau. Ce liquide est vaporisé sous vide partiel. La vapeur s'élève dans le conduit de l'absorbeur, condense dans le condenseur et retourne sous forme liquide dans l'absorbeur. Ce principe exige une inclinaison minimale de 20 °. Si le condenseur a une température supérieure à la température d'évaporation du fluide dans l'absorbeur, il y a alors vaporisation complète.


Tubes sous vide de type « Sydney » / CPC


Un tube « Sydney » est un tube de verre constitué d’une double paroi évitant une éventuelle perte du vide par la jonction métal/verre. La surface des tubes est directement placée sur le tube de verre intérieur. En raison de la forme arrondie du tube, un réflecteur est nécessaire pour utiliser la totalité de la surface de l'absorbeur.

 

La climatisation solaire

Il existe 2 systèmes de climatisation solaire :

 

 Absorption (absorption liquide)

Grâce à la chaleur fournie par le panneau solaire, un mélange liquide de réfrigérant et d'absorbant (ammoniac/eau, eau/bromure de lithium...) est porté à ébullition dans un désorbeur. Alors que l'absorbant reste en place, le réfrigérant, plus volatil, s'évapore puis se dirige vers le condenseur, où il cède de la chaleur. Après son passage par un détendeur, ce même réfrigérant, revenu à l'état liquide, peut à nouveau se vaporiser en prélevant cette fois de la chaleur dans le milieu ambiant, qu'il rafraîchit. Cette vapeur se retrouve alors aspirée par l'absorbeur, ce dernier étant dans le même temps alimenté par la solution appauvrie en réfrigérant. Ainsi reconstitué dans ses proportions initiales, le mélange est alors pompé jusqu'au désorbeur, puis le cycle recommence.


 Absorption (absorption solide)


L'absorbant solide (P.ex. du silicagel) placé dans deux compartiments identiques jouant alternativement le rôle d'absorbeur et de désorbeur. Après évaporation dans le compartiment 1, puis condensation et à nouveau évaporation, le réfrigérant est adsorbé dans le compartiment 2, maintenu à basse température. Au fur et à mesure que le silicagel du compartiment 1 se libère de son eau, celui du compartiment 2 tend vers la saturation. Pour maintenir et entretenir le processus, il suffit régulièrement d'inverser les caissons et la destination de la chaleur solaire.
Froid évaporatif ou DEC (Dessicant evaporative cooling).

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