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 :

1. 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).
2. 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.
3. Régulation de la chaleur. Un thermostat règle la température interne de l'eau chaude sanitaire présente dans le chauffe-eau solaire.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Arrivée d'eau froide d'alimentation. La canalisation d'eau froide de la distribution du réseau est branchée sur le ballon solaire.
10. 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.
11. 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 le solaire et l'éolien domestique dans une moindre mesure, énergies vertueuses par excellence, car abondantes et gratuites.

Plusieurs types de capteurs thermiques existent.