Principe de fonctionnement du solaire thermique
Les capteurs solaires thermiques
La chaleur est récupérée grâce à un fluide (eau + antigel ou air) caloporteur, qui s’échauffe en circulant dans un absorbeur placé sous un vitrage. Celui-ci laisse pénétrer la lumière solaire et minimise les pertes par rayonnement infrarouge de l’absorbeur en utilisant l’effet de serre. Ce vitrage permet en outre de limiter les échanges de chaleur avec l’atmosphère.
Le capteur solaire sera d’autant plus performant que le revêtement de l’absorbeur aura un coefficient d’absorption élevé et un coefficient d’émission faible. Les matériaux qui présentent ces caractéristiques sont dits « sélectifs ». Les performances du capteur sont encore améliorées en isolant la face arrière du module.
Certains fabricants proposent des capteurs pouvant remplir la fonction de toit couvrant, pour une meilleure intégration architecturale.
Le capteur solaire sera d’autant plus performant que le revêtement de l’absorbeur aura un coefficient d’absorption élevé et un coefficient d’émission faible. Les matériaux qui présentent ces caractéristiques sont dits « sélectifs ». Les performances du capteur sont encore améliorées en isolant la face arrière du module.
Certains fabricants proposent des capteurs pouvant remplir la fonction de toit couvrant, pour une meilleure intégration architecturale.
Les différentes utilisations du solaire thermique
Le CESI (Chauffe-eau solaire individuel)
Le chauffe-eau solaire est composé de trois principaux éléments :
– des capteurs thermiques vitrés qui reçoivent le rayonnement solaire,
– un ballon de stockage de l’eau sanitaire,
– un ensemble de régulation.
Le fluide caloporteur, chauffé par le capteur solaire, transfère sa chaleur à l’eau sanitaire du ballon de chauffe grâce à un échangeur. L’eau du ballon de chauffe est transférée à un ballon d’appoint, ou à un système annexe (chaudière, résistance électrique…) qui permet de porter l’eau à la température désirée toute l’année.
Les chauffe-eau solaires sont aujourd’hui d’un bon rapport qualité prix. Ils permettent de satisfaire de 40 à 60 % des besoins journaliers en ECS en moyenne annuelle.
Les systèmes solaires combinés
Ce sont les systèmes portant simultanément sur le chauffage de l’eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux pour l’habitat individuel.
On distingue deux techniques : les planchers solaires directs et les systèmes avec stockage.
L’eau chauffée par les capteurs est acheminée, via un module de transfert blocsol, dans un plancher chauffant basse température. Cette technique utilise des composants classiques : circulateur, vase d’expansion, vannes, purges, régulation…Si l’ensoleillement est insuffisant on fait appel au réseau d’appoint.En été et lorsque les besoins en chauffage sont satisfaits (beau temps), la chaleur produite peut être utilisée pour l’eau chaude sanitaire (ECS) ou le chauffage d’une piscine.Pour fournir un chauffage relativement constant tout au long de la journée, malgré l’intermittence du rayonnement solaire, le PSD® utilise l’inertie et la capacité de stockage de la dalle en béton. D’une épaisseur comprise entre 10 et 15 cm, celle-ci permet de restituer avec un déphasage la chaleur du jour et de « lisser » les apports solaires.
Le chauffage solaire avec stockage
Cette technique consiste à stocker dans un réservoir le liquide chauffé pour l’utiliser en temps utile. Elle est généralement moins performante que le PSD® pour le chauffage. Par contre elle est souvent plus facilement utilisable dans l’habitat existant.
Le dimensionnement des capteurs solaires
Pour calculer la surface de capteurs solaires on procède à un compromis entre les besoins d’été et d’hiver. Une installation peut en effet fournir une part importante des besoins en hiver, mais s’avérer complètement surdimensionnée pour la production d’ECS durant l’été. Il est donc important de réduire l’écart des besoins entre les différentes saisons. Ceci implique une bonne conception du bâtiment, notamment en matière d’isolation et la recherche de débouchés pour la chaleur produite par fort ensoleillement. En général, les installations sont prévues pour couvrir 30 à 70 % des besoins annuels en chauffage et ECS. La surface des capteurs est calculée pour que leur productivité soit de l’ordre de 350 à 400 kWh/an/m² ; elle est en moyenne de 15 m² pour une maison disposant d’un plancher basse température de 100 m².
L’appoint
Prévu pour garantir la totalité des besoins, il peut prendre deux formes. La première, dite séparée, consiste à rajouter sur un plancher chauffant basse température existant, un système PSD® dont la régulation sera indépendante de l’installation d’origine. Le couplage se fait au niveau hydraulique sur le circuit de retour du plancher chauffant. La deuxième solution est dite intégrée : l’énergie d’appoint provient d’une chaudière classique (intégrée au module de transfert blocsol) dont la régulation pilote l’ensemble du système de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire en privilégiant l’apport solaire.
Schéma de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire individuel (CESI)
Schéma de principe d’un CESI
Capter l’énergie solaire
Le capteur solaire (1) comprend :
•une plaque et des tubes métalliques noirs. Ils 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 comme une petite serre.
L’ensemble est en général placé sur un toit.
Le capteur solaire (1) comprend :
•une plaque et des tubes métalliques noirs. Ils 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 comme une petite serre.
L’ensemble est en général placé sur un toit.
Transporter la chaleur
C’est le rôle du circuit primaire(2).
Étanche et calorifugé, il 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.
Restituer la chaleur
Là, grâce à uné changeur 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.
Là, grâce à uné changeur 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.
Stocker l’eau chaude
Le ballon solaire (5) 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 (6), réchauffée à son tour par le liquide du circuit primaire.
Faire circuler le liquide primaire
La circulation du liquide peut être naturelle ou forcée :
dans le premier cas, 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. Sur ce principe sont conçus les chauffe-eau solaires « en thermosiphon »;
dans le second cas, 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.
La circulation du liquide peut être naturelle ou forcée :
dans le premier cas, 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. Sur ce principe sont conçus les chauffe-eau solaires « en thermosiphon »;
dans le second cas, 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.
Pallier l’insuffisance d’ensoleillement
Partout en métropole, on doit faire face à des périodes défavorables (hiver, demi-saison, longue période de mauvais temps). L’énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d’eau chaude. Aussi, 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 :
d’une résistance (appoint électrique), souvent placée à mi-hauteur du ballon solaire ;
d’un serpentin (11) (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (12) (gaz, fioul, bois) située en aval du ballon.
Un second ballon pourvu d’un réchauffeur électrique peut également servir d’appoint.
Partout en métropole, on doit faire face à des périodes défavorables (hiver, demi-saison, longue période de mauvais temps). L’énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d’eau chaude. Aussi, 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 :
d’une résistance (appoint électrique), souvent placée à mi-hauteur du ballon solaire ;
d’un serpentin (11) (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (12) (gaz, fioul, bois) située en aval du ballon.
Un second ballon pourvu d’un réchauffeur électrique peut également servir d’appoint.
