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Chauffe-eau solaire
Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captation de l'énergie solaire destiné à fournir partiellement ou totalement de l'Eau Chaude Sanitaire (ECS).
Ce type de chauffage permet habituellement de compléter les types de chauffage de l'eau exploitant d'autres sources énergétiques (électricité, énergies fossiles, biomasse, ...) dans certaines conditions il permet de les remplacer totalement. L'énergie solaire étant parfaitement renouvelable, ce remplacement permet de limiter efficacement les émissions de gaz à effet de serre ou la production de déchets nucléaires, raison pour laquelle l'installation de tels dispositifs est fortement encouragée par de nombreux États et collectivités via la fiscalité, des primes et/ou une obligation d'installation sur les nouvelles constructions.
Part de l'énergie solaire.
La part de l'énergie solaire correspond au taux de couverture solaire, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie fournie par la partie solaire d'une installation et la consommation totale de l'installation.
En Europe de l'Ouest, un chauffe-eau solaire permet de réaliser environ deux tiers (66 %) d'économie sur les besoins en eau chaude, qu'il s'agisse de maisons individuelles (chauffe-eau solaire individuel (CESI)) ou de structures collectives (chauffe-eau solaire collectif (CSC)). Dans les pays du sud méditerranéen,
certains pays d'Asie, les Caraïbes, les chauffe-eau solaires sont habituels ; compte tenu d'un éclairement solaire plus régulier et plus intense, ainsi que d'une température ambiante plus élevée, l'équipement est beaucoup plus simple, fréquemment constitué d'un simple ballon en toiture, non isolé thermiquement, qui fait usage de capteur solaire en même temps que de réservoir d'eau chaude.
Technique des panneaux solaires thermiques
Article détaillé : Capteur solaire thermique.
Il existe principalement trois types de panneaux solaires thermiques :
- les capteurs plans non-vitrés : de l'eau circule dans un absorbeur, généralement noir, ouvert à l'air;
- les capteurs plans vitrés : un fluide caloporteur circule dans un absorbeur, à l'intérieur d'un caisson vitré sur la face exposée au soleil, et isolé sur les autres. Ces capteurs, à la fois simples et performants, peuvent être auto-construits;
- les collecteurs à tubes sous vide : ces capteurs sont plus complexes ; chaque élément est constitué de deux tubes de verre concentriques, isolés par le vide. Le fluide caloporteur circule dans un dispositif placé dans le tube central. La très bonne isolation thermique fournie par le vide limite les déperditions, ce qui permet d'atteindre de plus hautes températures lorsque l'écart de température avec l'extérieur est important, donc notamment en hiver, ou sous des climats froids. Les tubes ont un revêtement interne permettant de capturer plus de 95 % de l'énergie solaire.
Constitution
Un chauffe-eau solaire est constitué de plusieurs organes :
- des panneaux solaires (ou capteurs solaires thermiques) qui captent l'énergie du rayonnement solaire en chauffant un fluide caloporteur (eau ou antigel) dans un circuit primaire. Ce dernier est chargé d'acheminer les calories récupérées jusqu'au circuit secondaire ;
- un réservoir d'eau chaude (ou ballon d'eau chaude) dans lequel un volume d'eau est chauffé par le liquide caloporteur à travers un échangeur thermique, souvent un serpentin de cuivre. Cet organe peut venir aussi en 2 parties: 1 échangeur de chaleur et un réservoir d'eau chaude, ceci peut permettre la réutilisation d'un cumulus
- un dispositif de chauffage d'appoint peut être intégré au réservoir, sous forme d'une résistance électrique ou de liaison à une chaudière à gaz, au fioul ou au bois. Il est utile lorsque l'énergie solaire ne suffit pas aux besoins. L'appoint peut être évité avec une plus grande installation pour pallier les creux ou en adaptant[la façon dont on utilise l'eau chaude.
- un vase d'expansion sur le circuit primaire, assure la sécurité du matériel, il permet de compenser la dilatation thermique du fluide. Il prend la forme d'un petit réservoir métallique ; une soupape de sécurité est impérative dans un circuit fermé, dans le cas où elle ne serait pas intégrée à celui-ci. Un vase d'expansion à l'air libre (simple bidon en plastique) placé au point haut résout les problèmes de dilatation et de sécurité en cas de surchauffe (pas de vidange de fluide caloporteur). le vase d'expansion peut être remplacé directement par l'échangeur de chaleur dans le cas d'un système "drain back" ou auto-vidangeable, donc à pression atmosphérique
- on adjoint un circulateur sur le circuit primaire, une pompe mue par un moteur électrique, lorsqu'il s'agit de matériel en « circulation forcée ».
Autrement si le réservoir est placé plus haut que le panneau solaire, il n'est pas nécessaire d'utiliser une pompe. La circulation de l'eau dans le circuit primaire se fait par thermosiphon si la température de sortie du panneau est assez élevée (par rapport à celle à l'entrée) pour vaincre les pertes de charges dans le système. L'avantage est que la circulation s'arrête pendant la nuit, gardant ainsi l'énergie accumulée dans le ballon pendant la journée.
Trois types d'installations
- La moquette solaire consiste simplement en un tapis de couleur noire posé à plat dans lequel circule l'eau à chauffer, à travers des tuyaux ou rainures. Elle est généralement souple et amovible. On l'utilise quand le volume d'eau requise est faible ou une température basse suffit. Ça peut être efficace en été mais en hiver le rendement est insuffisant. Ce capteur simplifié à l'extrême est donc parfaitement adapté au réchauffage des piscines, ou des douches de camping. Un ballon d'eau noir dans un arbre fait également une bonne douche de camping.
- Le système à circulation par thermosiphon est le plus simple ; basé sur le principe selon lequel l'eau chaude, du fait de sa moindre densité a tendance à monter naturellement, il impose que le réservoir de stockage soit placé à un niveau supérieur par rapport aux capteurs.
Lorsque les capteurs sont exposés au soleil, il s'établit une circulation naturelle : le fluide caloporteur chaud monte vers le réservoir de stockage, cède ses calories avant de revenir dans le bas du capteur. La circulation se poursuit tant que l'eau contenue dans le capteur est plus chaude que l'eau dans le ballon.
Certains petits modèles commerciaux exploitent le système du thermosiphon : de type "monobloc" ou "compact", ils intègrent capteurs et ballon sur la même structure.
Avantages : prix, simplicité, facilité de raccordement.
Inconvénients : Dans le système monobloc, le ballon étant situé à l'extérieur comme les capteurs, subit plus de déperditions (risque de gel). De plus l'ensemble étant assez encombrant il est difficile de l'intégrer à l'habitat (critères esthétiques).
Pour ces raisons, ce système est très répandu dans les zones au climat chaud (Caraïbes, bassin méditerranéen, etc.), et sur toiture horizontale de type terrasse, ou en pose au sol.
Selon la disposition du bâtiment, il est possible de se prémunir des problèmes de gel (et d'esthétique) en montant le ballon à l'intérieur dans les combles (toujours plus haut que les capteurs pour une circulation par thermosiphon), avec les capteurs au bas de la toiture ou sur un mur au sud.
Le grand avantage du thermosiphon est sa fiabilité, sa simplicité technique : pas de pompe, pas de clapet anti-retour, pas de sondes thermiques, ni de régulateur électronique. Le système fonctionne sans électricité, sans aucun autre apport d'énergie que l'énergie solaire (le "moteur" de la circulation du fluide caloporteur étant la différence de température entre le capteur et le ballon).
Par contre, sa réalisation "in situ" réclame du soin : hormis la contrainte des positions relatives des capteurs et du ballon, les diamètres de tuyau du circuit primaire doivent être un peu plus importants pour limiter au maximum les pertes de charge, doivent aussi ne pas être à contre-pente.
- Le système à circulation forcée est plus complexe, mais offre un meilleur rendement. Les températures du capteur et du ballon sont prises en compte par une régulation électronique qui commande la pompe de circulation du fluide caloporteur, celui-ci étant mis en circulation lorsque la température du capteur est supérieure à celle du ballon.
Par rapport au système à thermosiphon, le débit plus élevé du fluide caloporteur assure des températures plus basses dans tout le circuit primaire réduisant ainsi les pertes thermiques, améliorant ainsi le rendement.
Cette configuration offre plus de possibilités quant à l'emplacement du ballon, celui-ci ne devant plus être nécessairement placé au-dessus des capteurs, ce qui permet de s'adapter plus facilement aux contraintes du bâtiment. Le ballon est alors le plus souvent posé à l'emplacement ou en complément du chauffe-eau électrique ou à côté de la chaudière existante pour faciliter l'appoint.
Système d'appoint au chauffage
Le système de chauffage d'appoint est nécessaire pour pouvoir disposer d'eau chaude même pendant les périodes de faible ensoleillement. Il est possible de s'en passer, mais cela conduit à une installation plus importante, principalement d'un réservoir beaucoup plus gros, puisqu'il doit être capable de fournir de l'eau chaude durant des périodes grises. Un système de chauffage d'appoint, de type chaudière à gaz ou électrique, est une solution intéressante d'un point de vue économique.
Il existe alors trois possibilités pour placer ce chauffage d'appoint :
- directement en série à la sortie de l'accumulateur d'eau chaude. Celui-ci se déclenche alors de manière automatique lorsque l'eau à la sortie de l'accumulateur est trop froide. Il faut une grande puissance instantanée pour chauffer l'eau au passage à la demande. Le gaz correspond au mieux à un tel fonctionnement. En effet, avec l'électricité, on arrive très vite à la limite imposée par l'abonnement (Système français de facturation) mais le principe à des avantages en termes de rendement si on place le chauffe-eau instantané au plus près de la consommation.
- avec un échangeur de chaleur secondaire dans l'accumulateur, afin de chauffer l'eau de celui-ci, ce qui évite un fonctionnement intermittent à chaque demande d'eau. Cette solution est cependant interdite dans certains pays (en Espagne par exemple), car elle nuit à l'efficacité de l'apport solaire (celui-ci étant d'autant plus important que l'eau dans le réservoir est froide). Un contrôleur intelligent (sonde) doté d'une minuterie serait souhaitable pour rendre le système autonome.
- avec un échangeur de chaleur associé ou placé dans un deuxième réservoir monté en série avec le premier et alimenté par ce premier. Cette manière de chauffer l'eau par le système d'appoint ne nuit pas à l'efficacité du système de chauffage solaire mais augmente les déperditions par les surfaces plus importantes des réserves ce qui oblige à une légère augmentation de la surface de captage. Dans le cas d'un échangeur de chaleur associé, le deuxième réservoir peut être un bouteille mélangeuse et l'échangeur, un échangeur à plaque.
Positionnement et orientation du chauffe-eau solaire
Le positionnement et l'orientation d'une installation solaire peuvent être plus ou moins difficile à optimiser. La première question étant de savoir si on doit avantager une saison sur une autre.
En général, il faut privilégier la saison froide, car c'est là que le besoin de chaleur est le plus grand. C'est particulièrement vrai pour le chauffage solaire (radiateur) dont on n'a besoin que durant l'hiver.
Par contre l'optimisation d'un chauffe-eau solaire selon une saison est moins importante car l'eau chaude sanitaire est consommée toute l'année. Cependant un chauffe-eau de taille raisonnable, orienté pour le soleil d'hiver arrivera sûrement à fournir de l'eau chaude le reste de l'année.
Dans le cas d'un camping utilisé seulement l'été, une optimisation sur le soleil d'été permet de sous-dimensionner les capteurs au prix d'un apport en hiver doublement réduit par le faible nombre de capteurs, et par la mauvaise optimisation de l'inclinaison.