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Les capteurs solaires transforment le rayonnement solaire en chaleur grâce à un absorbeur (un corps noir caractérisé par des propriétés d’absorption très élevées et d’émissivité très basse). L’absorbeur transfère la chaleur à un fluide caloporteur (généralement de l’eau glycolée) circulant au travers de chacun des capteurs.

Lorsque la différence de température entre la sonde capteur (T1) et la sonde en fond de ballon (T2) dépasse quelques degrés, les circulateurs s’enclenchent.

Le fluide caloporteur, circulant dans le circuit primaire, achemine alors l’énergie solaire depuis les capteurs vers le(s) ballon(s) de stockage à travers un échangeur.

Le(s) ballon(s) de stockage accumule(nt) la chaleur produite.

Si nécessaire, une source d’énergie d’appoint porte l’eau préchauffée à la température souhaitée. Celle-ci est alors acheminée vers les points de puisage par la boucle de distribution.

Un dispositif de régulation électronique commande le fonctionnement du système (circulateurs et appoints) selon les conditions d’ensoleillement et la demande en eau chaude.

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Un chauffe-eau solaire est toujours composé de quatre parties :

Le système de charge

Le système de charge comprend les capteurs solaires, la boucle primaire ou solaire et un échangeur de chaleur.

Le système de stockage

Il s’agit généralement d’un ou plusieurs ballon(s) d’eau bien isolé(s) thermiquement. Le stockage permet de différer la demande de puisage par rapport au moment de la production solaire.

Le système d’appoint

Pendant une bonne partie de l’année, un appoint de chaleur est nécessaire pour atteindre la température minimale de la boucle sanitaire (en général 60 °C). Cet appoint de chaleur peut être fourni par un moyen traditionnel de production de chaleur (chaudière, résistance électrique, pompe à chaleur,…).

Le système de décharge

C’est la partie de l’installation qui distribue l’eau chaude sanitaire aux différents points de puisage.

Sous nos climats, la plupart des installations sont conçues avec une boucle fermée sous pression dont la circulation est forcée, mais il existe d’autres types d’installation :

Boucle solaire fermée (indirecte) ou ouverte (directe) ?

Si la boucle est fermée, le fluide qui chauffe dans les capteurs solaires et celui qui arrive aux points de puisages (douches…) sont distincts : l’eau de consommation est indirectement chauffée à travers un échangeur par le fluide caloporteur du circuit solaire.

Dans le cas où la boucle est dite ouverte, l’eau qui circule dans les capteurs est la même que celle qui est consommée aux points de puisage. Ce type de circuit est rarement utilisé en Belgique, notamment à cause des problèmes liés au gel. On le trouve donc plus souvent dans les pays chauds, où les capteurs constituent le seul moyen de chauffage.

Boucle fermée.		Boucle ouverte.

Circulation forcée ou thermosiphon ?

Dans les installations à thermosiphon, le fluide de la boucle solaire circule par convection naturelle (le fluide réchauffé s’élève). Le stockage est en général situé au-dessus des capteurs (à une distance de minimum 50 cm). Chez nous, ce système est difficilement maîtrisable. Il convient nettement mieux aux pays chauds et ensoleillés.

Thermosiphon.		Circulation forcée.

Les installations à circulation forcée sont équipées d’un dispositif de pompage (circulateur) provoquant la circulation forcée du fluide de la boucle solaire. La pompe est activée automatiquement par la régulation qui évalue le moment où la température du fluide à la sortie des capteurs est supérieure à la température de l’eau dans le bas du réservoir de stockage. On distingue dans cette catégorie plusieurs principes suivant le débit imposé au fluide dans le circuit solaire :

• Les installations dites « high flow » : dans ce cas, le débit étant élevé (+/- 40 à 60 litres/heure.m²), on favorise une production d’une grande quantité de fluide avec un delta de température peu élevé.

• Les installations dites « low flow » : dans ce cas, le débit étant faible (+/- 15 à 20 litres/heure.m²), on valorise une plus haute montée en température d’un volume de fluide réduit. Cela permet de travailler avec de plus faibles diamètres de tuyauterie et de faibles puissances de circulateur. Cependant, les pertes thermiques sont augmentées, ce qui diminue le rendement des capteurs. Ce système est généralement utilisé pour les installations de type directe ou encore pour les installations dites « à vidange ».

• Les installations dites « mix flow » : dans ce cas, le débit est variable et ajusté en continu par la régulation afin de garantir à tout moment un delta de température fixé. Ce système est de plus en plus utilisé et permet d’éviter des enclenchements-arrêts fréquents de la pompe. 

Sous pression ou à vidange ?

Les systèmes traditionnels à boucle fermée et à circulation forcée sont généralement « sous pression ». Dans ce type de système, le fluide caloporteur est constamment maintenu à une pression de 1 bar à l’arrêt et de 6 bars en fonctionnement.

Il existe aussi des systèmes « vidangeables ». La différence principale avec les systèmes traditionnels est que lorsque le système ne peut capter d’énergie, les capteurs et les tuyauteries sont vidés et la pompe arrêtée. Le fluide caloporteur est alors recueilli dans un réceptacle fermé. S’ils sont bien conçus, ces systèmes présentent une grande sécurité en cas de gel ou en cas de surchauffe estivale (cela permet d’éviter les montées en températures trop importantes dans le capteur). Ces systèmes permettent ainsi d’éviter une usure accélérée des composants et présentent une grande simplicité de construction puisqu’ils ne nécessitent ni manomètre, ni vase d’expansion, ni purgeur, ni clapet anti-retour (vu que l’installation est vidangée, il n’y a pas de risque de circulation inverse par thermosiphon).

Sous pression.

A vidange.

Il existe deux grandes familles de capteurs : les capteurs plans et les capteurs à tubes « sous vide ».

Capteurs plans

Les capteurs plans opaques

Ce sont les capteurs les plus simples du marché. Ils sont constitués d’un ensemble de tuyaux opaques de couleur foncée qui jouent à la fois le rôle de:

  

1. plaque absorbante qui permet la captation de l’énergie thermique du rayonnement solaire.
2. tuyauterie dans laquelle circule directement le fluide caloporteur (généralement l’eau).

Ils ne possèdent ni isolation ni couvercle transparent. Leur rendement est donc globalement moins bon sauf s’ils sont destinés à des applications estivales à basse température (proche de la température extérieure), par exemple pour les piscines extérieures … Leur simplicité va de pair avec un coût très réduit.

Les capteurs plans vitrés

Il s’agit des capteurs que l’on rencontre le plus souvent ; ils conviennent pour la plupart des applications courantes (ECS, appoint chauffage, piscine…).

Un capteur plan vitré se compose des éléments fondamentaux suivants :

1. Un boîtier qui contient tous les éléments constitutifs fragiles du capteur comme les tubes, la plaque absorbante…
2. un joint d’étanchéité pour empêcher l’eau de pénétrer quand il pleut ;
3. un couvercle transparent qui crée un effet de serre au-dessus de la plaque absorbante : en général un verre trempé dit solaire, présentant une faible teneur en fer pour permettre un haut degré de transmission lumineuse ;
4. une isolation thermique qui réduit la déperdition de chaleur par la face arrière et les côtés du capteur ;
5. une plaque absorbante qui permet la conversion du rayonnement solaire en énergie thermique transportée par le fluide ;
6. les tubes traversés par le fluide caloporteur qui évacue la chaleur jusqu‘à l‘extérieur du capteur ;

Selon les modèles, différents types de réseaux hydrauliques internes aux capteurs existent :

Capteurs à tube sous vide

L’isolation de ce type de capteurs est assurée par le vide. Par facilité de conception, ces capteurs ont toujours une forme cylindrique, d’une longueur d’environ 2 m et d’un diamètre approximatif de 10 cm. Ces capteurs sous vide ont en général un rendement optique (correspondant au rendement de production d’eau chaude à une température égale à celle de l’ambiance) plus faible mais de meilleurs coefficients d’isolation thermique que les capteurs plans.

Ils récupéreront dès lors moins d’énergie à basse température que leurs homologues plans. Plus efficaces pour la production d’eau chaude à température élevée par rapport à l’ambiance extérieure, ils seront principalement utilisés pour des applications comme le chauffage, la climatisation par ab/adsorption ou encore certains process particuliers,…

Il en existe deux grandes familles selon que l’absorbeur se trouve directement sur le verre ou sur une ailette en cuivre.

Les tubes sous vide avec absorbeurs sur ailette en cuivre

L’absorbeur de ce type de capteur est déposé sur une structure en cuivre placée dans le tube. Ce type d’absorbeur sur cuivre possède une meilleure sélectivité que celui déposé sur le verre (et donc procure un rendement optique plus élevé au capteur). L’avantage principal est que l’absorbeur peut être orienté différemment par rapport à son support. Cela peut être avantageux pour des applications en façade par exemple.

C’est l’intérieur du tube (et tout ce qu’il contient) qui est soumis au vide d’air. Bien que le principe soit simple, la fabrication de ces capteurs reste délicate à cause des liaisons verre/métal nécessaires.

Composition des tubes sous vide avec ailette absorbante Un tube en verre  dans lequel on effectue le vide d’air (assurant une isolation optimale) dans lequel se trouvent tous les composants suivants. L’absorbeur posé sur un support en cuivre. Les tubes qui évacuent la chaleur, généralement aussi en cuivre. Ces tuyaux peuvent être disposés de divers manières (soit juxtaposés, soit concentriques). Le système de raccordement permet la rotation des tubes afin d’orienter au mieux l’ailette absorbante.

Il existe aussi plusieurs types de capteurs selon le fluide caloporteur et son mode de circulation:

> Les capteurs à circulation directe

> Les capteurs à caloduc (ou heat pipe)

Dans le cas de capteurs à circulation directe, l’ailette sert de support à un tube en U dans lequel circule le fluide caloporteur.

Le caloduc, lui, est un échangeur qui utilise les mécanismes de changement d’état liquide-gaz d’un fluide placé dans un tube fermé. Le principe est simple : en captant la chaleur absorbée par l’ailette, le fluide s’évapore. Il s’élève alors jusqu’en partie haute et cède sa chaleur en se condensant par contact avec le fluide caloporteur de l’installation qui circule en partie haute. De nouveau à l’état liquide, il retourne alors par gravité en bas du tube.

Pour un fonctionnement correct, ces tubes doivent être installés avec une inclinaison minimale. Ce système permet un remplacement des tubes sans purgeage complet de l’installation.

Les tubes sous vide avec absorbeurs sur support en verre (tube Sydney)

Dans ce cas, le vide est fait entre les deux couches de verre (principe du thermo) qui composent le tube en verre. L’intérieur de la bouteille est donc soumis à la pression atmosphérique. À l’intérieur, l’absorbeur et les tuyauteries évacuent la chaleur du creux atmosphérique central.

Composition des tubes sous vide avec absorbeur sur support en verre Une bouteille de verre à double paroi est employée. Les deux parois sont reliées de manière étanche au niveau du goulot de manière à emprisonner le vide (partie grise dans le schéma). Sa surface externe (2) est laissée transparente. Un absorbeur est posé sur la face intérieure de la bouteille. Des tubes qui évacuent la chaleur sont placés dans le creux atmosphérique central. Des tuyaux sont reliés à l’absorbeur par des profilés semi-circulaires métalliques de transfert de chaleur. Éventuellement et préférablement, des réflecteurs augmentent le rayonnement solaire sur le capteur (on parle alors de tubes CPC pour Compound Parabolic Concentrator).

Les capteurs vont se différencier entre eux par la qualité de l’absorbeur (sa sélectivité) et du verre solaire (rendement optique), ainsi que par celle de l’isolation du capteur. L’ensemble de ces trois propriétés conféreront au capteur des plages de températures privilégiées et par là, les usages pour lesquels il sera mieux adapté.

Ces différences de rendement selon les plages de température de fonctionnement seront à la base du choix du type de capteurs que l’on utilisera. On choisira donc préférablement le capteur qui offre le meilleur rendement pour le régime de température de travail correspondant à l’application voulue.

Les plages de régimes de travail à basse température (correspondant à des delta de températures de travail des capteurs entre 0 et 20 °C) sont essentiellement rencontrées pour le chauffage de piscine. Les déperditions thermiques n’ont pour ces températures que peu d’influence. C’est donc, dans ce cas, le rendement optique du capteur qui sera déterminant. Les capteurs plans (vitrés ou non) seront le choix idéal puisqu’ils offrent des rendements optiques plus élevés pour un prix nettement inférieur.

Pour les régimes à température moyenne (delta de T° de 20° à 100 °C), recherchés pour des applications comme la production d’eau chaude sanitaire ou le chauffage à basse (delta de 60 °C) et moyenne température (delta de 100 °C), les déperditions commencent à prendre le pas sur le rendement optique. Dans ce cas, les capteurs devront posséder outre un bon absorbeur sélectif, une bonne isolation thermique. Pour ces plages, les capteurs à tubes sous vide et les capteurs plans vitrés sont concurrentiels.

Pour les régimes à haute température (nécessaires pour des applications comme des process industriels, chauffage à très haute température, climatisation solaire), c’est l’efficacité de l’isolation qui sera déterminante. Le seul choix réaliste dans ce cas est celui des tubes sous vide.

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Un champ de capteurs doit être composé de capteurs aux propriétés physiques semblables. Plusieurs raisons à cela :

• Eviter les sources d’usure prématurée : des métaux différents peuvent provoquer des couples galvaniques, sources de corrosion interne des capteurs.

• Eviter un problème d’équilibrage hydraulique, problème fréquent de fonctionnement des capteurs : chaque capteur doit posséder des pertes de charge similaires.

Le placement des capteurs doit permettre :

• que la planéité des capteurs soit respectée ;
• de placer vers le bas les orifices d’évacuation des condensats ;
• de résister aux conditions climatiques locales (vent et neige).

Pour le raccordement des panneaux entre eux, différentes configurations sont possibles :

• en série (a) ;
• en parallèle respectant de préférence le principe de Tichelmann (b) ;
• en rangée de capteurs en série (c) ;
• en rangée de capteurs en parallèle (respectant le principe de Tichelmann) (d).
• etc.

Le choix sera fonction de différents éléments :

• La facilité de réglage (équilibrage) ;
• la longueur nécessaire de tuyauterie (coût et pertes thermiques associés) ;
• la configuration de l’espace disponible ;
• le compromis entre l’efficacité des capteurs et la température de sortie.

Le raccordement en série permet une montée en température plus importante au prix de pertes thermiques plus importantes (d’autant plus si l’on travaille avec un faible débit (low flow). De fait, la montée progressive en température au fil des panneaux en série est accompagnée par une diminution du rendement. Un trop grand nombre de capteurs raccordés en série sera donc à éviter. En pratique, 5 à 6 capteurs de taille standard (environ 2 m²) est un maximum.

Énergétiquement parlant, le raccordement en parallèle est donc plus intéressant mais n’est pas toujours réaliste vu les longueurs de tuyauterie nécessaires.

L’équilibrage hydraulique des différents capteurs est un point crucial. Dans la réalité, il est souvent réalisé empiriquement par un jeu de vannes qui ne permet évidemment pas de corriger les erreurs de conception. Il est donc primordial de prendre en compte les pertes de charges liées aux capteurs  pour le dimensionnement des tuyauteries. En pratique, le raccordement en boucle de Tichelmann (longueur de tuyauterie identique quelque soit le capteur ou groupe de capteurs) est souvent préconisé pour les grandes installations. Il permet un équilibrage naturel en imposant des pertes de charges identiques pour chaque capteur/groupe de capteurs.

Selon un rapport du CTSB, on recommande généralement un rapport :

Perte de charge dans les collecteurs / Perte de charge dans les capteurs, le plus faible possible,
et donc un rapport Diamètre interne des collecteurs / Diamètre interne des circuits hydrauliques des capteurs, le plus faible possible également (rapport compris entre 1,6 et 3,3).

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Le circuit primaire (ou circuit de charge solaire) est un circuit fermé composé de tuyauteries, généralement en cuivre, qui relient les capteurs (A) à un échangeur de chaleur (B). Il transporte le fluide caloporteur. Celui-ci peut atteindre des températures allant de -20 °C en cas de gel à des températures très élevées (jusqu’à 200 °C dans les capteurs !). Il est donc impératif que les composants de ce circuit puissent résister à ces changements importants de température !

Exemple de schéma possible pour un circuit primaire (partie en couleur).

Le circuit primaire est généralement muni des composants suivants :

• Une pompe de circulation (1) assurant la circulation du fluide caloporteur dans le circuit.

• Un purgeur (2) manuel permettant d’éliminer l’air en partie haute du circuit lors du remplissage et des entretiens.

• Un clapet anti-retour (3) pour éviter la formation d’un contre-courant de thermocirculation qui déchargerait le ballon de stockage de sa chaleur.

• Plusieurs vannes d’isolement (4) pour isoler les composants principaux du système en cas d’entretien ou de remplacement.

• Un robinet (5) permettant le remplissage et la vidange du circuit en fluide caloporteur.

• Un débitmètre gravimétrique, appareil indiquant le débit du fluide du circuit. Situé sous le circulateur, il permet de régler la vitesse minimale de celui-ci pour assurer un débit minimum dans les capteurs.

• Parfois un système de comptage d’énergie produite est placé. Celui-ci comprend : un débitmètre volumétrique, deux thermomètres sur l’aller et le retour des capteurs et un calculateur intégrateur.

Comme pour toute autre boucle hydraulique où un générateur de chaleur est installé, un dispositif de limitation de pression devra aussi être utilisé. Pour cela, le circuit primaire comporte :

• Une soupape de sécurité (6) munie d’un manomètre destinée à évacuer les surpressions en cas de surchauffe de l’installation. Cette vanne est raccordée à un réservoir de collecte du fluide caloporteur avec antigel pour éviter tout rejet toxique dans le réseau d’égout.

• Un vase d’expansion (7), placé du côté aspiration de la pompe de circulation, chargé d’absorber les différences de volume et de récolter la totalité du fluide caloporteur expulsé des capteurs en cas de surchauffe. Par rapport aux vases d’expansion traditionnels utilisés pour le chauffage, les vases d’expansion solaires doivent supporter des pressions de service maximales plus élevées (de 8 à 10 bar) et possèdent une membrane plus résistante aux hautes températures. Il est parfois judicieux, vu les hautes températures atteintes, de placer un vase tampon en amont afin de ne pas compromettre la longévité du vase d’expansion. Dans le cas d’un système à vidange, on peut omettre le vase d’expansion car le circuit primaire n’est pas mis sous pression, mais il faut prévoir la place pour installer le réservoir à vidange entre le champ de capteurs et le ballon de stockage solaire.

Le fluide caloporteur

Le circuit primaire relatif à l’installation sous pression est totalement rempli d’un fluide caloporteur résistant au gel. On utilise généralement du propylène glycol. Il existe aussi des mélanges complets qui contiennent un agent inhibiteur de corrosion, un agent anti-mousse, un agent anti-algue et un colorant.

Théoriquement, on pourrait également travailler avec de l’eau pure non glycolée dans le cas d’un système à vidange. Actuellement, pour des raisons de sécurité on utilise, même dans ce cas, de plus en plus d’antigel.

Caractéristiques essentielles d’un fluide solaire

• Stable jusqu’à la température de stagnation maximale ;
• Protégé contre le gel ;
• Non corrosif  ;
• Capacité thermique élevée ;
• Viscosité réduite ;
• Prix réduit et disponibilité.

En pratique, on utilise généralement un mélange d’eau et de glycol comme par exemple :

Éthylène glycol (C2H6O2)
Capacité thermique : 2 410 J.kg-1.K-1
Température de fusion : – 13 °C
Température d’ébullition : 198 °C

Polypropylène glycol (C3H8O2)
Capacité thermique: 2 500 J.kg-1.K-1
Température de fusion : – 59 °C
Température d’ébullition : 188 °C

Les conduites

Les matériaux utilisés pour les conduites du circuit solaire doivent résister aux contraintes mécaniques possibles dans le circuit (pression et plage de température en fonctionnement (de – 20 à 150 °C)) et être compatibles avec le fluide et les autres matériaux de l’installation. On utilise principalement des tubes en cuivre, en acier simple ou en acier inoxydable. Les tuyauteries en matière synthétique sont plus que déconseillées, car elles ne sont généralement pas tout-à-fait étanches (surtout à haute température) à l’oxygène qui pénètre alors par diffusion dans le circuit. Le risque de corrosion en est alors augmenté. L’acier galvanisé est lui strictement interdit, car il réagit avec le glycol présent dans le circuit primaire.

Vu les hautes températures auxquelles ces conduites sont soumises, leur isolation ne peut en aucun cas être réalisée au moyen d’un quelconque isolant utilisé pour les applications sanitaires habituelles. Ne résistant qu’à des températures de l’ordre de 110 – 120 °C, le polyuréthane est à proscrire. On utilisera généralement un caoutchouc synthétique en mousse capable de résister à des températures de l’ordre de 150 °C.

L’isolant utilisé pour la boucle solaire doit de plus :

• résister aux U.V. (ou en être protégé) ;
• résister à l’humidité ;
• résister aux attaques des rongeurs et oiseaux ;
• être étanche (au vent et à la pluie).
• Et bien sûr, avoir une épaisseur suffisante ! (au minimum égale au diamètre du tuyau).

Sous ces hautes températures, la dilatation des conduites est aussi un phénomène à prendre en compte, car elle peut induire pour les grandes installations des mouvements importants.
Pour se faire une idée, la dilatation thermique du cuivre est de 1.7 mm/m sous un échauffement de 100 °C. On comprend vite le risque associé à plusieurs dizaines de mètres de tuyauteries !

 

Montage permettant d’absorber la dilatation thermique des tuyauteries.

Le stockage est un élément clé de toute installation solaire thermique. Il permet de pallier au caractère discontinu de l’énergie solaire et à la non-simultanéité de la production et des besoins. En pratique, l’énergie solaire thermique est stockée via l’eau contenue dans un ou plusieurs ballon(s) d’eau accumulateur(s) raccordé(s) en série.

Un matériau résistant

Comme pour tout ballon accumulateur d’eau chaude sanitaire, le principal critère de sélection de matériau du ballon est sa résistance à la corrosion. On utilise généralement des réservoirs en acier inoxydable, ou en acier émaillé voire en cuivre avec anode de protection. Les ballons en acier galvanisé sont déconseillés du fait de leur mauvaise résistance à la corrosion.
Pour les réservoirs à eau morte, n’étant pas sous-pression, on peut envisager des réservoirs en matière synthétique, plus durable puisque non soumis à la corrosion.

Le ballon de stockage à eau solaire doit non seulement répondre à toutes les exigences d’un réservoir d’eau sanitaire classique, mais doit en plus pouvoir résister aux hautes températures auxquelles il pourrait être soumis. La température dans le ballon peut en effet monter jusqu’à 95 °C, d’où la nécessité de prévoir un mitigeur thermostatique sur la boucle de distribution.

Une forme adaptée

Par ailleurs, les ballons solaires sont en général étudiés de manière à favoriser une bonne stratification interne des températures. La stratification est basée sur une variation de masse volumique en fonction de la température : L’eau réchauffée s’élève par thermocirculation et par sa masse volumique moindre s’accumule dans le haut du ballon (phénomène de la poussée d’Archimède). L’eau froide, plus lourde, reste en bas. A chaque puisage, l’eau la plus chaude du ballon est extraite et de l’eau froide du réseau est injectée dans le bas du ballon. La stratification est donc globalement préservée, l’important étant d’éviter tout brassage.

Pour favoriser ce phénomène, le réservoir  est donc préférablement vertical et sa hauteur équivaut généralement à 2-2.5 fois le diamètre. Il existe aussi des dispositifs de charge améliorant la stratification : amenée de l’eau chaude à différentes hauteurs suivant sa température.

Une isolation primordiale

Encore plus que pour un ballon accumulateur classique, outre sa bonne compacité, un ballon solaire doit impérativement être isolé dans son entièreté (10 cm grand minimum) : attention aux parties supérieures et inférieures ainsi qu’aux différents raccords ! La parfaite isolation et une bonne stratification augmenteront indéniablement les performances du système.

Une dimension adaptée

Le volume du stockage dépend du projet envisagé, mais doit être étudié de manière précise. L’enjeu est double :
D’une part, il ne doit pas être trop petit pour ne pas limiter les gains solaires possibles et d’autre part, il ne doit pas être trop grand pour permettre une montée en température suffisante pour que l’eau soit utilisable (idéalement pour pouvoir se passer de l’appoint en été).

Le ballon solaire doit généralement pouvoir stocker l’équivalent de 30 à 40 % d’une journée de consommation d’eau chaude (à 60°) de l’établissement. La capacité fréquente des plus grands ballons est de 5 000 l, mais le recours à plusieurs ballons de stockage est en général déterminé par la place prise par les échangeurs internes de grande puissance. La question de la liaison des multiples ballons est alors posée. Dans bien des cas, on s’orientera alors vers un ballon solaire à eau morte (eau ne servant pas d’eau chaude sanitaire) permettant d’emmagasiner l’énergie solaire sans se préoccuper de la gestion de la légionellose.

N.B. : Le stockage, c’est LE défi de la recherche ! Le jour où l’on arrivera à stocker l’énergie solaire pour de plus longues périodes voire saisons, ce sera sans doute une porte d’entrée vers l’autonomie énergétique. Les recherches actuelles se portent vers des matériaux à changement de phase qui remplaceraient l’eau traditionnelle.

La charge du ballon de stockage s’effectue au moyen d’un échangeur au travers duquel la chaleur du fluide solaire est transférée à l’eau du stockage.
Comme pour toute installation, deux types d’échangeurs peuvent être employés : les échangeurs intégrés au stockage et les échangeurs extérieurs (à plaques) :

Echangeurs intégrés au stockage.	Echangeurs extérieurs au stockage.

À partir de là, différents systèmes de charge sont envisageables : avec échangeur interne (a,b,c,f) ou externe (d,e). Certains systèmes permettent un renforcement de la stratification des températures à l’intérieur du/des ballon(s) par différents dispositifs :

• cheminée interne enrobant l’échangeur solaire et diffusion en fonction des températures (b),
• chargement à hauteur différenciée par vanne trois voies (e),
• chargement à hauteur différenciée par échangeurs multiples (c).

Typiquement, pour les grands systèmes solaires (au-delà de 30 m² de capteurs) des échangeurs de chaleur externes sont souvent utilisés vu les puissances considérables qui entrent en jeu.

La disposition des échangeurs et leur raccordement se fera toujours de manière à :

• Favoriser la stratification correcte des températures à l’intérieur des ballons et le long du circuit de charge : les températures les plus hautes doivent être les plus proches de l’appoint.

• Assurer un rendement optimal des capteurs :
  Les pertes thermiques des capteurs dépendant de la différence de température entre le fluide à l’intérieur des capteurs et la température extérieure, on aura tout intérêt à travailler avec un fluide caloporteur à la température la plus basse possible.

• Permettre à l’échangeur de chauffer un volume d’eau suffisamment grand.

En conséquence, l’échangeur de chaleur solaire intégré au stockage des petits systèmes, sera placé en partie basse du ballon et le retour vers les capteurs sera situé le plus bas possible dans le ballon.

L’échangeur de chaleur relié à l’appoint se trouvera quant à lui dans la partie supérieure du ballon de stockage ou dans un ballon séparé (en série avec le premier) lorsque la quantité d’eau chaude nécessaire sera plus importante.

Démarrage et arrêt du circulateur

Pour les systèmes à circulation forcée, le système de régulation différentielle assure la mise en marche et l’arrêt adéquats de l’installation. Cette gestion de la chauffe solaire est primordiale pour tirer un maximum de profit de l’énergie solaire disponible. Le principe est basé sur la mesure continue de deux températures :

• la température de l’eau chaude en partie basse du ballon de stockage (ou du fluide caloporteur à la sortie de l’échangeur solaire) : T°stockage.

• la température du fluide caloporteur à la sortie des capteurs : T°capteur.

Dès que la différence de température est suffisante, la pompe est mise en marche. Elle s’arrête lorsque l’énergie solaire captée n’est plus suffisante ou n’est plus nécessaire.

En résumé :

• Si T°capteur> T°stockage + ∆T1 : la pompe démarre.
• Si par contre, T°capteur< T°stockage + ∆T2 : la pompe s’arrête.

Il est nécessaire de calibrer précisément ces ∆ de température afin d’optimiser l’énergie solaire récoltée (on évitera les préréglages d’usines !). Le paramétrage doit tenir compte de la configuration de l’installation et principalement de la longueur des conduites et des pertes thermiques liées. On aura évidemment tout intérêt à minimiser ces pertes en plaçant le stockage aussi proche que possible des capteurs, en isolant les conduites et en travaillant à basse température. En pratique, cette perte en ligne peut être estimée en comparant la température au niveau du capteur et la température à l’entrée du ballon en fonctionnement.

Pour éviter des arrêts et des mises en marche successifs (Phénomène de Stop and Go), la température de démarrage devra en outre prendre en compte le refroidissement du capteur lors de l’enclenchement. En effet, l’ensemble du liquide de la boucle solaire plus froid que celui des capteurs provoquera au démarrage une diminution de température du capteur.

Pour le choix de la consigne d’arrêt, on devrait, en plus des pertes thermiques, prendre en compte l’énergie minimum à récolter de sorte à ce que celle-ci soit toujours supérieure à l’énergie primaire nécessaire au fonctionnement de la pompe (consommation électrique multipliée par le facteur de conversion 2,5).

En pratique, on rencontre des ∆T :

• Pour les valeurs de démarrage de : 5 à 7 K.
• Pour les valeurs d’arrêt de : 3 à 4 K.

Température maximale de charge

Tout ballon de stockage possède une température de charge maximale. Le système de régulation doit prendre en compte correctement cette valeur afin de couper le circulateur pour que cette température critique ne soit pas atteinte. Une valeur d’usine est  souvent donnée par défaut pour le système de régulation, mais il serait dommage de se priver de l’énergie solaire gratuite si le ballon de stockage accepte des températures plus élevées (jusqu’à 95 °C). Si la régulation ne possède qu’une sonde de température dans le bas du ballon il faut absolument tenir compte de l’effet de stratification. C’est pour cette raison que les régulations possèdent souvent un préréglage d’usine assez bas (de l’ordre de 70 °C) pour que le haut du ballon n’atteigne pas des températures de plus de 95°C.

Température de sécurité

Lors d’une journée ensoleillée, lorsque l’ensemble du stockage est à température, le circulateur s’arrête mais la température des capteurs continue, elle, à grimper.
La régulation des systèmes à vidange tiendra évidemment compte de cette température de sécurité. À partir de celle-ci, le système s’arrête et le fluide est récupéré dans un réceptacle prévu à cet effet : l’installation se vidange par drainage gravitaire ! Cela permet d’éviter que le fluide n’entre en ébullition (et vieillisse prématurément) et ne détériore les composants de l’installation. C’est l’un des grands avantages de ce système !

Certaines régulations permettent aussi d’empêcher le redémarrage de la pompe au cas où la température du fluide caloporteur est trop élevée (+/- 120 °C), évitant ainsi l’endommagement des composants les plus sensibles.

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Les capteurs solaires ne peuvent à eux seuls satisfaire à tout moment l’entièreté des besoins. Pour assurer la production d’eau chaude, même en période prolongée de non ensoleillement,  un système d’appoint est nécessaire. L’appoint devra pouvoir répondre aux besoins sans intervention solaire et sera, par conséquent, envisagé de manière classique. Différentes configurations sont possibles selon la présence ou non d’un échangeur de chaleur (intégré ou non au stockage) :

 

On distingue principalement quatre cas de figure :

– L’appoint électrique (c) : Dans ce cas, une résistance est directement intégrée au ballon de stockage.

– L’appoint intégré au stockage (a, d, e, f) : L’échangeur se trouvera le plus près possible de l’endroit où s’effectue le puisage dans le(s) ballon(s) et son raccordement respectera la stratification interne des températures (les plus élevées, les plus hautes). Dans un ballon de stockage unique qui rassemble aussi la production solaire, l’échangeur d’appoint se trouvera donc en haut du ballon.

– L’appoint séparé en série (b) : L’appoint (généralement instantané ou semi-instantané) se trouve dans ce cas à l’extérieur du ballon de stockage solaire. L’eau préchauffée par les capteurs solaires est alors directement portée à température (par une chaudière au gaz à condensation par exemple).

– L’appoint mixte : il est bien entendu possible de combiner différents types d’appoint. Par exemple, pour une petite installation, l’idée pourrait être d’éviter le fonctionnement d’une chaudière sol au mazout grâce au recours d’un appoint électrique (mais attention à la régulation de cette résistance !).

 Notons que pour les plus grands systèmes, s’il est intégré au stockage, l’appoint peut se faire via des ballons différents…

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La décharge du ballon de stockage solaire peut se faire de multiples manières.

• Via un système direct (a) : l’eau de stockage est directement l’eau sanitaire.

• Via un échangeur : interne simple (c), plongé dans une cuve de transition (d) ou externe (e) dans le cas où l’eau sanitaire est chauffée instantanément. Le ballon est alors dit à eau morte, car l’eau qu’il contient est une eau de transition et non l’eau sanitaire.

• Via une cuve de transmission (b), principalement pour les petits systèmes combinés avec les systèmes de chauffage : préparation d’un volume réduit d’ECS dans un grand volume d’eau.

Par rapport à une installation classique d’ECS, le circuit d’eau sanitaire comportera en plus un mitigeur thermostatique et un disconnecteur.

Le mitigeur thermostatique permet d’éviter toute brûlure au point de puisage. En été, lorsque l’on bénéficie d’un rayonnement solaire important et que le puisage est réduit, il n’est pas impossible d’atteindre dans le ballon des températures de plus de 60° (maximum toléré pour de l’eau chaude sanitaire). Le mitigeur se chargera de mélanger l’eau du ballon avec de l’eau froide pour que cette température ne soit pas dépassée.

D’autre part, une fuite de liquide caloporteur du circuit primaire au niveau de l’échangeur de chaleur solaire est toujours possible. Pour protéger le réseau de distribution de toute contamination par le fluide solaire, on place un disconnecteur.
Cet équipement à zones de pression différentielle empêche le retour de l’eau sanitaire du ballon de stockage solaire vers le réseau de distribution.

Précisons aussi que vu la toxicité du fluide caloporteur, l’évacuation directe vers les égoûts est interdite. Le disconnecteur, ainsi que les soupapes et robinets de vidange doivent donc être raccordés à des réservoirs de collecte.

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Plus que pour toute installation de production d’eau chaude sanitaire, un regard particulier doit être posé sur la gestion de la légionellose. En effet, les températures atteintes dans un ballon de stockage solaire sont favorables à la prolifération de ces bactéries (de 30 à 40°).
La première solution est le placement d’une pompe de « dé-stratification » via laquelle on portera régulièrement l’ensemble des ballons à une température suffisante. Dans ce cas, un circulateur supplémentaire transfère l’eau à haute température du ballon d’appoint vers le(s) ballon(s) de stockage solaire. Une bonne régulation de cette mesure anti-légionellose, par une horloge, permettra de minimiser la consommation énergétique tout en évitant la contamination : par exemple, une montée en température journalière à 60° ou hebdomadaire à 80°.

Schéma de principe : désinfection thermique par pompe de déstratification.

Une autre solution, souvent à privilégier, est l’utilisation de cuves de transitions (appelés réservoirs à eau « morte ») constituant un circuit fermé indépendant de l’eau sanitaire. L’eau sanitaire est alors réchauffée instantanément via un échangeur interne ou externe au stockage. De cette manière, on évite tout risque de contamination en séparant physiquement les eaux de températures différentes. Ce système permet d’éviter les pertes thermiques liées à la montée soudaine en température, mais implique l’utilisation d’un échangeur supplémentaire.

Installation avec une cuve de transition.