Le solaire thermique
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Utiliser le soleil pour se chauffer est une évidence.
Le faire de manière pratique n'est pas forcément aussi compliqué qu'on ne le pense.
Voici plusieurs moyens d'y parvenir :
Chauffer l'air:
C'est le moyen le plus facile. Dans la plupart des cas on va emprisonner de l'air dans un espace fermé isolé, puis le chauffer au travers une surface transparente.
Il y a plusieurs exemples d'applications possibles:
et la conception bioclimatique en général.
C'est une solution à privilégier si le capteur solaire est très proche voire contre l'espace à chauffer, car c'est une solution techniquement très simple à réaliser.
Mais le problème avec l'air c'est qu'il ne permet de transporter la chaleur sur une grande distance.
Chauffer de l'eau:
Contrairement à l'air l'eau à un très grand pouvoir calorifique, c'est à dire qu'elle peut stocker beaucoup de calories, ce qui permet décaler dans le temps l'apport de chaleur. De plus elle se transporte facilement.
On peut s'en servir dés que le capteur solaire et éloigné de la partie à chauffer.
Ou simplement quand on veut chauffer l'eau chaude sanitaire.
Pour une douche d'été, un simple tuyau noir au sol ou sur un toit suffit à chauffer de l'eau. Plus le tuyau sera long et de diamètre important, plus vous aurez d'eau chaude. Prévoyez tout de même un mitigeur avec une arrivée d'eau froide à la fin, car l'eau peut être très chaude.
Il existe des systèmes de moquettes solaire utilisable pour chauffer l'eau l'été. Notamment pour chauffer des piscines.
Pour un système plus performant voici comment faire:
Les capteurs:
Il existe principalement 2 types de capteurs:
Les capteurs plans:
Les plus simples, il s'agit d'un caisson isolé, à l'intérieur un tuyau en cuivre avec des ailettes dans lesquelles circule l'eau, le tout derrière une vitre.
Ils ont l'avantage d'être fiable, efficace, réalisable en autoconstruction et ils durent très longtemps, plus de 30 ans.
Les tubes sous vides:
Ici le tuyau en cuivre est dans un tube en verre sous vide.
Ils sont plus performants, montent à des températures plus hautes et résistent à des températures plus froides (jusqu'à -20°C avec de l'eau glycolé).
A performance égale, ils prennent moins de surfaces.
Ils sont adaptés aux régions ou le soleil est irréguliers (La Bretagne par exemple), ou en altitude la où il peut geler fort.
Sinon, comme les capteurs sont souvent surdimensionnés en été, ils surchauffent beaucoup, et le liquide du circuit s'échappe à cause de la trop forte pression. Il faut donc en remettre tout les hiver.
Il est à noter qu'il existe des capteurs à tube sous vide de type "Chaussette" Ils sont relativement bon marchés et captent bien la chaleur par basses température. Les principaux pays constructeurs sont la Grèce et la Chine. Correctement inclinés, ils peuvent donner d'excellents résultats en matière de performances thermiques et de durabilité.
La bouilloire solaire (très pratique et efficace) est un bon exemple de mini-capteur sous vide.
Pour savoir quel type de capteur choisir vous pouvez vous reporter à ce graphique:
- L'emplacement des capteurs:
Les capteurs doivent être placés le plus possible orientés plein sud.
En été même les façade Est et Ouest arrive à capter de la chaleur, mais très peu en hiver.
La question de l'inclinaison du capteur est plus complexe.
Pour une meilleur performance, on a intérêt à ce que les rayons du soleil soient le plus perpendiculaires possible au capteur. En particulier en hiver ou l'on le plus besoin de cette chaleur. Or le soleil d'hiver est plus bas sur l'horizon. L'inclinaison optimal se situe donc autours de 65°c par rapport au sol, c'est à dire assez proche de la verticale.
On a donc plutôt intérêt à mettre ses capteur en façade que sur le toit, surtout si la pente du toit est faible. Dans ce cas, il faut faire attention au masque solaire occasionné par le débord de toiture ou la végétation.
L'autre avantage de la pose en façade c'est qu'elle évite la surchauffe des capteurs en été, fréquente sur les capteurs en toiture.
Si on a pas le choix que de poser les capteurs en toiture, il est conseillé de les couvrir en partie ou de les peindre en blanc l'été ( blanc de Meudon, peinture au lait, ou autre peinture qui part facilement).
Capteur en façade
Capteur thermique sur le balcon
Le stockage de la chaleur:
Le solaire direct:
La solution la plus simple est d'utiliser directement cette énergie. Pour cela on va faire passer l'eau chaude qui sort du capteur directement dans des tuyaux puis la faire circuler dans l'unité de stockage, par exemple un plancher chauffant, ou un mur chauffant.
Le problème c'est qu'il est préférable de pouvoir décaler l'apport de chaleur solaire qui se fait le jour, pour qu'il se diffuse la nuit, voir plusieurs jours de suites dans le bâtiment.
Dans ce cas, il faudra un plancher ou un mur avec une grand déphasage et donc une grande capacité de stockage, d'au moins 12 heures voire beaucoup plus. Donc des planchers et murs massif épais: au moins 15 voir 30 cm de matériaux massif.
Il est même possible de réaliser des déphasage sur plusieurs mois, pour utiliser la chaleur de l'été pour l'hiver. Mais il faut de grandes quantités de chaleur par l'intermédiaire de grosses cuves d'eau chaude enterrés d'une contenance de plusieurs dizaines, voire centaines de m3.
Stocker les calories dans de l'eau: Les ballons solaires
C'est la méthode la plus courante pour stocker la chaleur, en particulier pour l'eau chaude sanitaire.
Il s'agit de ballons spéciaux, ils comportent au moins un serpentin dans lequel circule l'eau glycolé en provenance du capteur. Il peut y en avoir un 2ème pour un chauffage d'appoint qui couvrira les jours sans soleil. Cela peut aussi être une résistance électrique d'appoint.
Les ballons vont d'environ 150 à 300 litres pour de l'eau chaude sanitaire et font couramment plus de 1 000 litres dés qu'il s'agit de chauffage solaire.
Les ballons doivent être bien isolés. On peut les sur-isoler même si ce n'est pas toujours évident avec tout les tuyaux qui sortent de partout.
Malgré l'isolation, le ballon solaire peut chauffer beaucoup surtout l'été. A cette période il va donc chauffer la pièce ou il se trouve. Dans le sud de la France, il est donc préférable de ne pas le mettre dans l'habitation. Il est préférable de le mettre dans le garage ou mieux dans les combles plus proche du capteur.
Certains ballons sont fixés directement sur le capteur et posé sur le toit. On a parfois pas le choix par manque de place, mais cela nuira forcément à la performance du ballon en hiver qui se refroidira plus vite la nuit.
Le transport de l'eau chaude:
Tuyauterie:
L'eau en sortie de capteur est très chaude en été, elle peut atteindre les 100°C, surtout avec les tubes sous vides.Entre le capteur et le ballon, il vous faudra donc des tuyaux résistants à de forte température.
Vous avez 2 possibilités:
- Le cuivre.
- Les tubes annelés.
Éviter le PER qui ne supporte pas plus de 90°C.
Il faut absolument isoler les tuyaux pour réduire les pertes thermiques, et réduire le risque de gel en hiver.
Il faut aussi ajouter une certaine proportion de glycol dans l'eau pour éviter le gel. Cela dépend de la région ou vous êtes.
Au niveau de la distance entre le capteur et le ballon, jusqu'à 8 mètres il n'y a pas trop de perte avec des tuyaux isolés. Au delà, il va falloir commencer a augmenter la surface de capteur pour compenser les pertes.
Par contre, il faut absolument réduire au minimum la distance entre le ballon et la source d'utilisation de l'eau chaude sanitaire.
En sortie de ballon sanitaire, la réglementation impose un mitigeur qui évitera que l'eau ne dépasse 60°C.
Thermosiphon ou circulateur?:
Dans la plupart des cas, les kit solaires comportent un circulateur, qui est une pompe qui fait circuler l'eau glycolée du capteur vers le ballon. Il est accompagné d'une régulation électronique avec des sondes de températures qui commande la pompe.
Il est possible de se passer de ce circulateur, à condition que le ballon soit placé au dessus du capteur. Dans ce cas, l'eau en chauffant va monter dans le ballon naturellement par thermosiphon. Quand le capteur refroidira, le thermosiphon s’arrêtera.
Cela permet de se passer du circulateur qui représente un surcoût, une pièce d'usure, et une légère consommation d’énergie électrique qui peut vite devenir critique en site isolé.
Chauffe solaire en thermosiphon
Chauffe solaire avec circulateur
Dans les 2 cas il y aura aussi un vase d'expansion pour stabilisé la pression en fonction de la variation de température.
Et pour bien une soupape qui évacuera l'eau glycolé en cas de surchauffe.
Comment dimensionner son installation?
Pour l'eau chaude sanitaire:
Il dépend de la quantité d'eau chaude dont vous avez besoin, donc du nombre de personnes. Mais aussi du degré d'autonomie dont vous avez besoin. Il est souvent dimensionné pour l'hiver.
Il est assez facile de produire 80% à 90% de son eau chaude, surtout si on adapte sa consommation au temps qu'il fait. En gros, on reporte certains usage de l'eau chaude quand il n'y a pas de soleil.
Vouloir produire les 10 ou 20% restant, c'est à dire ce qui correspond aux périodes ou il y'a plusieurs jours sans soleil, cela demande un sur-dimensionnement de l'installation qui ne vaut en général pas le coup en terme d'investissement.
Le dimensionnement n'est pas le même entre le nord et le sud de la France, mais la différence n'est pas si importante qu'on le crois.
Il y a un optimum à trouver, voici quelques indications.
Dimension du capteur:
Plus la surface de capteur est grande, plus vous pourrez chauffer rapidement l'eau dans votre ballon.
Il faut pouvoir chauffer le volume de votre ballon durant la courte durée d’ensoleillement des jours d'hiver.
On peut faire des calculs compliqué pour savoir quelle est la taille de panneau est de ballon optimum, mais en fait il faut aussi partir des kit standard qui se trouvent dans le commerce.
Pour faire simple:
Un panneau fait environ 2m2:
Pour 3/4 personnes:
- 2m2: largement suffisant l'été, un peu court l'automne et le printemps, et pas assez l'hiver.
- 4m2: On arrive à un optimum. On arrive quasiment à se passer d'appoint électrique, sauf l'hiver ou on est encore un juste . On peut tabler entre 70% à 90% de son eau chaude solaire.
On peut atteindre presque 100% d'autonomie en mettant 6 voir 8m2, mais pas certain que le surcoût en vaille la peine, et surtout attention aux surchauffes l'été.
Il y a des différences en fonction de votre situation géographique , de l'orientation des panneaux, de votre mode de consommation, des équipements connecté à l'eau chaude sanitaire (lave-vaisselle, lave-linge).
Il faudra aussi rajouter des m2 si le capteur est à plus de 8m du ballon.
Dimension du ballon:
Plus le ballon sera gros, plus vous pourrez stocker de chaleur, donc conserver de l'eau chaude un nombre de jours importants malgré l'absence de soleil. Toutefois, il est difficile d'avoir plus de 3 à 4 jours d'autonomie. Un gros ballon, demande aussi une plus grande taille de de capteur.
Pour une famille de 4 personnes, un ballon de 200 litres est un bon début. En hiver vous tiendrez 1 à 2 jours sans soleil.
On peut monter à 300 litres , pour gagner un peu autonomie.
Pour le chauffage solaire:
Le dimensionnement est plus complexe. Il dépend des besoins du bâtiment chauffage, de l'emplacement des capteurs et du degré d'autonomie souhaité.On est sur des surfaces de capteurs de plusieurs dizaines de m2 et des ballons de parfois plusieurs milliers de litres.
Ce type d'installation est intéressante si vous ne pouvez pas faire entrer directement les apports solaires dans le bâtiment, par exemple quand le bâtiment est à l'ombre en hiver, ou de forme complexe. Cela permet d'aller chercher le soleil plus loin et de l'amener dans toutes les pièces.
Il s'agit d'installation complexe et coûteuse, il faut faire appel à un professionnel pour le dimensionnement et simplement pour savoir si ça vaut le coup.
L'appoint:
Il est difficile de faire 100% de son eau chaude solaire et encore plus 100% de son chauffage solaire. Sauf à avoir un habitat passif et une grande capacité stockage.
Pour le chauffage, on peut avoir un ballon à double serpentin que l'on va coupler à une chaudière d'appoint: à bois, a granulé ou d'autres moyens moins écologiques. On peut aussi avoir recours à un simple chauffage à bois d'appoint.
Pour l'eau chaude sanitaire, le moyen le plus courant est d'avoir une résistance électrique d'appoint. Profiter en pour prendre un abonnement d’électricité verte afin d'avoir 100% d’énergie renouvelable pour produire votre eau chaude.
Quand brancher la résistance d'appoint pour l'eau chaude sanitaire?
En été, la résistance électrique d'appoint du chauffe-eau est superflu, il faut la débrancher.En hiver on serait tenter de la mettre pendant les heures creuses, ça n'est pas forcément une bonne idée:
- Si vous utilisez surtout l'eau chaude le matin, ça peut fonctionner. La veille si il a fait beau, le chauffe-eau aura fait le plein, la résistance ne s'allumera pas.
- Si vous utilisez l'eau chaude surtout le soir, ce sera peu efficace. Le soir vous allez décharger le chauffe eau de son chaude. La résistance d'appoint va la chauffer la nuit, et le lendemain si il fait beau, l'eau sera déjà chaude, le solaire sera mal utilisé. Dans ce cas, il vaut mieux programmer la résistance en fin de journée avec une minuterie.
Mais le mieux reste le déclenchement manuel:
- le soir en rentrant vous contrôlez la température du ballon (il faut pour cela avoir une sonde de température dans le ballon avec un thermomètre accessible).
- Si il n'est pas assez chaud et que vous savez que vous allez utiliser de l'eau chaude, vous branchez la résistance. En 1 heure ou 2 vous avez de l'eau chaude. Un système de minuterie peut être pratique.
De cette façon, vous aurait une utilisation optimum de l’énergie solaire.
Vous pouvez aussi faire le choix de n'utiliser de l'eau chaude que quand il y a du soleil et vous passer de résistance. C'est plus ou moins aisé selon les régions. En PACA, le capteur solaire à lui tout seul seul assure 340 jour d'eau chaude par an.
Brancher l’électroménager.
Si vous voulez utiliser au mieux votre eau chaude sanitaire solaire, sachez que vous pouvez brancher certains appareils sur l'eau chaude:
- Le lave vaisselle: Il faut vérifier qu'il supporte en entrée une température de 60°C. Sinon installé un mitigeur qui baissera cette température à 40°C.
- Le lave linge: On doit pouvoir régler la température d'entrée en fonction du programme choisi. Il existe des lave-linges double entrée, sinon on peut aussi installer un mitigeur.
mitigeur
En fonction du temps qu'il a fait et donc de la température du ballon, vous réglez le mitigeur sur eau chaude ou froide.
Autoconstruire son chauffe-eau solaire:
L'autoconstruction d'un chauffe-eau solaire est très technique, et le coût des matériaux n'est pas négligeable. Il n'est pas certain que ça en vaille la peine.
Sauf à le faire avec du matériel de récupération comme un vieux chauffe-eau électrique et un système simple type thermosiphon sans système auxiliaire ni électronique.
Dans cette esprit, vous pouvez trouver sur le site d'Altereco30 un modèle très simple et économique à fabriquer vous même:
Le chauffe eau solaire simpifié (CESS) Le Reportage photo 1er prototype
Et les chauffe-eau thermoynamiques?
Les chauffe-eau thermodynamiques, sont des chauffe-eau électriques qui utilisent une pompe à chaleur air/eau. C'est à dire qu'ils se servent de la température de l'air environnant pour chauffer l'eau, avec en théorie une consommation 3 à 4 fois inférieur à un ballon électrique. A noter que du coup ils refroidissent la pièce ou ils se trouvent. Si c'est l’intérieur du logement, c'est problématique!
C'est donc bien mieux qu'un chauffe-eau électrique, mais vous trouverez des comparatifs qui vous démontreront qu'ils sont aussi économes qu'un chauffe-eau solaire.
En réalité ce n'est pas si simple.
Si vous comparez:
- d'un côté un chauffe-eau solaire couplé tout l'année à une résistance branchée automatiquement sur les heures creuses ( donc qui fonctionne mal comme on l'a vu plus haut).
- un chauffe-eau thermodynamique qui se situe dans l'espace chauffé, donc une pièce à 20°C.
La oui, le chauffe thermodynamique marche mieux.
Mais si les 20°C de la pièce ou se situe le chauffe sont obtenus avec un chauffage électrique, vu que vous refroidissez la pièce, vous allez consommer plus en chauffage. Bref c'est déshabiller Paul pour habiller Jacques. Si vous vous chauffez au bois, ça revient à chauffer l'eau en partie au bois, ma foi pourquoi pas.
Si le chauffe-eau thermodynamique est dans une pièce non chauffé, son rendement baisse, le chauffe eau solaire devient plus intéressant.
Et si vous déclenchez manuellement la résistance électrique du chauffe-eau solaire comme on l'a vu plus haut, le chauffe-eau thermodynamique n'a plus qu'à aller ce rhabiller (avec Jacques!).
Les chauffe-eau thermodynamiques sont certes moins chers que les chauffes-eaux solaire, mais durent aussi beaucoup moins longtemps. C'est une technologie complexe et fragile qui ne peut rivaliser avec la simplicité d'un chauffe-eau solaire. De plus ils contiennent des gaz à très fort effet de serre et à grande durée de vie une fois largués en atmosphère.
Pour aller plus loin:
- Notre formation sur le sujet: Utiliser l'énergie thermique renouvelable : solaire, biomasse, agrocarburant... Les dates sur la page formation.
- APPER Solaire: Une association dans le 04 qui vous conseille et propose du matériel solaire thermique. (Le matériel provient de Solaire-Diffusion, mais vous aurez le conseil et une réduction en passant par APPER).
- Twiza propose aussi désormais de l'achat groupé de solaire thermique à destination des autoconstructeurs.
- Pour vous aider à dimensionner votre installation, vous pouvez vous aider du site CALSOL.