Solaire Principe production d'eau chaude par capteurs thermiques
Sommaire
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 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.
Capteurs ou panneaux solaires ?
Les capteurs solaires thermiques qui exploitent la chaleur radiative du soleil gratuite produisent l'eau chaude sanitaire domestique, les panneaux solaires produisent de l'électricité en transformant les photons en courant continu. 2 façons complémentaires d'utiliser cette énergie abondante sans taxes et sans rejets que j'appelle énergie facile contrairement à l'énergie fossile dont la combustion tout comme le bois aggrave le climat avec les émissions de gaz (le bois contient 50% de carbone).
Principe chauffe-eau solaire
Le principe de fonctionnement 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.
Fonctionnement des capteurs solaires
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.
Un appoint nécessaire
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.
La chaleur radiative du soleil peut être utilisée de 2 manières différentes :
- Par un capteur solaire thermique dont l'air qui circule s'échauffe au contact d'absorbeurs permet d'assurer un appoint de calories (chauffage)
- Par un capteur solaire thermique chargé d'absorber le flux solaire, le convertir en énergie thermique afin de le transférer à un fluide caloporteur qui circule dans des tubes. Ce principe simple est utilisé pour le chauffe-eau solaire individuel (CESI) destiné à la production d'eau chaude domestique.
Le principe de fonctionnement d'un système de capteurs solaires thermiques est très simple et efficace. Ci-dessous, principe de fonctionnement d'un chauffe-eau solaire à éléments séparés (modèle à circulation forcée). Schéma Picbleu ®
Légende du dispositif solaire
Dispositif de captage (en général placé sur un toit) pour récupérer l'énergie solaire. Le capteur solaire comprend :
- Une plaque et des tubes métalliques noirs qui constituent l'absorbeur. C'est le cœur du « système solaire », qui reçoit le rayonnement solaire et s'échauffe. Un coffre rigide et thermiquement isolé entourant l'absorbeur. Sa partie supérieure, vitrée, laisse pénétrer le soleil et retient la chaleur (effet serre).
- La régulation : La régulation coupe le circulateur si la sonde du ballon (10) est plus chaude que celle du capteur (2), l'ensemble du fonctionnement du chauffe-eau solaire est commandé par un dispositif de régulation (8) jouant sur les différences de températures. Lorsque la température de l'eau chaude sanitaire baisse, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l'eau sanitaire du ballon.
- Régulation de la chaleur. Un thermostat règle la température interne de l'eau chaude sanitaire présente dans le chauffe-eau solaire.
- Retour de l'eau refroidie vers les capteurs solaires. Lorsque l'eau glycolée a restitué les calories accumulées dans le ballon du chauffe-eau elle continue son cycle vers les capteurs solaires.
- Transport de la chaleur. Le circuit primaire (5) étanche et calorifugé, contient de l'eau additionnée d'antigel. Ce liquide s'échauffe en passant dans les tubes du capteur, et se dirige vers un ballon de stockage.
- Restitution de la chaleur. Grâce à un échangeur thermique (serpentin), il cède ses calories solaires à l'eau sanitaire (3) le liquide primaire, refroidi, repart vers le capteur (4), où il est chauffé à nouveau tant que l'ensoleillement reste efficace.
- Circulation du liquide naturelle ou forcée. La circulation du liquide (1) peut être forcée ou naturelle. Soit, la circulation est forcée : une petite pompe électrique, le circulateur (7), met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l'eau sanitaire du ballon. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation (8) jouant sur les différences de températures : si la sonde du ballon (10) est plus chaude que celle du capteur (9), la régulation coupe le circulateur. Sinon, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l'eau sanitaire du ballon. Soit, la circulation est naturelle : le liquide caloporteur circule grâce à sa différence de densité avec l'eau du ballon. Tant qu'il est plus chaud, donc moins dense qu'elle, il s'élève naturellement par thermorégulation. Le ballon doit être placé plus haut que les capteurs. Tous les chauffe-eau solaires « en thermosiphon » sont basés sur ce principe.
- Régulation de la température de l'eau chaude sanitaire. Une régulation coupe le circulateur si la sonde du ballon indique une température élevée de l'eau chaude sanitaire.
- Arrivée d'eau froide d'alimentation. La canalisation d'eau froide de la distribution du réseau est branchée sur le ballon solaire.
- Stockage de l'eau chaude. Le ballon solaire (10) est une cuve métallique bien isolée. Il constitue la réserve d'eau sanitaire. L'eau chaude soutirée est remplacée immédiatement par la même quantité d'eau froide du réseau (9), réchauffée à son tour par le liquide du circuit primaire.
- Chaudière pour pallier l'insuffisance d'ensoleillement. En hiver, en demi-saison, longue période de mauvais temps ou pluie continue, l'énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d'eau chaude. Le ballon 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 :
- Soit d'un échangeur (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (12) (gaz, fioul, bois) située en aval du ballon.
- Soit d'une résistance électrique (appoint électrique), généralement positionnée à mi-hauteur du ballon solaire.
Ces capteurs 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.
Ci-dessous 2 capteurs thermiques. Le soleil peut produire gratuitement jusqu'à 80 % de l'eau chaude sanitaire et 35 % du chauffage d'un bâtiment, mais dans les conditions idéales. Photo Picbleu ®
Energies les moins chères
Les énergies les moins chères sont l'éolien et le solaire, énergies vertueuses par excellence, car abondantes et gratuites.
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.
Ci-dessous panneaux photovoltaïques pour produire de l'électricité. Photo Picbleu
Rentables et recyclables ?
- Oui, les panneaux des capteurs solaires sont rentables,
- oui les panneaux sont recyclables.
- 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.
L'énergie solaire gratuite
Elle ne coûte rien et elle est abondante !
- Les capteurs 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.
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.
Chauffage solaire
Une façon d'exploiter gratuitement pour son chauffage l'énergie solaire abondante et gratuite qui nous vient du ciel.
Production solaire
La couverture annuelle solaire des besoins en eau chaude varie suivant les régions
- 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 ®
Capteurs modèles
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