Le solaire thermique

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Le circuit hydraulique

Fonctionnement d’un Chauffe-eau solaire

Un Chauffe-eau solaire se compose de capteurs généralement posé sur un toit orienté 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 le plus souvent) s’échauffe en circulant dans les capteurs puis descend dans le ballon où, en parcourant un échangeur, il cède sa chaleur à l’eau sanitaire. Une fois refroidi, il repart vers le capteur où il sera à nouveau chauffé.
Une pompe électrique met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l’eau du ballon de sqtockage. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation qui joue sur les différences de températures : si l’eau du ballon est plus chaude que celle du capteur, la régulation coupe le circulateur. Sinon, 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. Pour les périodes où le soleil ne suffit pas à chauffer l’eau, l’appoint thermique peut être assuré soit par une résitance électrique (thermoplongeur), soit par la chaudière alimentant un second changeur placé dans le ballon.

Les tuyaux

Les tubes en acier inoxydable, en cuivre, en acier ainsi que les tubes flexibles en acier inoxydable ondulé conviennent bien au circuit capteur. Néanmoins il est indispensable d'éviter la corossion de contact. Tous ces matériaux doivent être résistants à la chaleur, à la pression et au contact du glycol.
Les tubes en acier galvanisé ne sont pas recommandés, en raison des interactions chimiques entre le zinc et le glycol et une résistance insuffisante aux températures élevées.

Le cuivre

Le cuivre est le matériau le plus couramment utilisé pour la distribution de l’eau froide et de l’eau chaude. Il présente une bonne résistance à la corrosion et aux pressions élevées. On trouve deux types de cuivre dans le commerce :

• le cuivre écroui, rigide, commercialisé sous forme de barres de un à cinq mètres. 
• le cuivre recuit, commercialisé sous forme de couronne de conq à cinquante mètres. Malléable, il est surtout utilisé pour les encastrements dans les parois.

Les raccords en cuivre

Pour assembler les tubes, plusieurs solutions sont possibles. La technique la plus courante consiste à assembler les tubes avec des raccords à souder. On peut aussi utiliser divers types de raccords des serrage avec des joints spéciaux ou des raccords en bagues vissées, à joints plats ou toriques.
L’un des avantages du cuivre est que l’on peut le façonner. On peut cintrer les tubes, c.a.d. les courber ou bien réaliser une emboîture pour réunir deux tubes. Cela permet de diminuer substantiellement le nombre de raccords, de soudures et de limiter ainsi les risques de fuite.

Les raccords à souder

Les raccords à souder regroupent les raccords en cuivre, pour assembler des tubes entre eux, et les raccords en laiton. La plupart des raccords en laiton comportent un filetage à l’une de leurs extrémités qui permet la reprise sur un autre matériau (acier par exemple) ou le raccordement à une robinetterie.

Parmi les raccords en cuivre on trouve des coudes à 45 ou 90°, mâle/femelle ou femelle/femelle, des manchons (de type égal ou réduit), des tés (de type égal ou réduit), des chapeaux de gendarme et des sauts de tube (ou clarinettes) permettant de contourner une ou plusieurs canalisations ainsi que des collets battus coudés.

Les raccords en laiton à braser regroupent les manchons, les mamelons, les coudes, les tés, les bouchons de dégorgement, les tés purgeurs, les robinets et les pipes de scellement.

Les assemblages à collets battus
Afin de réaliser des assemblages à collets battus il faut travailler au préalable le tube en cuivre, en effectuant un collet battu. Le collet battu consiste à évaser l’extrémité du tube pour obtenir une collerette qui servira de butée pour l’écrou et d’appui pour le joint. Ce système est adopté principalement pour raccorder les éléments de robinetterie de bâtiment ou deux tubes entre eux.
L'union laiton est l'assemblage qui permet d'assembler deux tubes à ciollets battus. Il est constitué d'un écrou femelle et d'un mâle d'union, chacun étant prisonnier de son tube respectif après réalisation du collet battu. Il existe de nombreux raccords en laiton et pourvus de filetages utilisables avec des collets battus. Il y a des coudes à 90°, des tés, des mamelons, des mamelons réduits, des pipes de distribution (ou nourrice ou distributeur) et des unions laiton. Le passage des écrous et des mâles d'union existe en différents diamètres, pour correspondre au tube à équiper.

Les raccords à visser instantanés
Ces raccords ne necessite aucune soudure ni aucune façonnage des tubes en cuivre. Ils permettent de raccorder deux tubes écroui ou un tube écroui et une robinetterie sanitaire par simple vissage. Leur mise en oeuvre et donc simplifiée au maximum.
Les deux systèmes les plus courants sont le système bicône et le système américain. Un raccord bicône est composé de deux écrous spéciaux (chanfreinés), de deux rondelles coniques (olives) et d'un raccord fileté spécial (mamelon, par exemple). Par serrage les olives s'écrasent contre le tube et l'écrou. Aucaun joint n'est nécessaire. Les olives assurent l'étanchéité et le maintien du tube. Tous ces éléments sont généralement commercialisés ensemble.

Le système américain ou GRIPP comporte un écrou de serrage, une bague crantée et un joint en caoutchouc adaptables sur un raccord fileté. Ce système peut être employé dans toutes les situations nécessitant un collet battu classique. L'étanchéité est assurée par l'écrasement du joint et le maintien du tube par la bague de serrage à griffes. L'écrou doit être fortement serré afin que les griffes de la bague crantée mordent le cuivre. Si on démonte un raccord américain, la bague et le joint doivent être changés avant de le remonter.

Les raccords mixtes
Ces raccords permettent d'assembler des tubes en cuivre avec des tuyaux d'autre nature. Pour raccorder cuivre et acier, il faut toujours respecter l'ordre suivant: les tubes en cuivre doivent être situés en aval des tuyaux en acier. Si le cuivre est situé avant, il se produit un effet d'électrolyse qui peut endommager l'acier.

Le façonnage du cuivre
Les tuyaux en cuivre peuvent être découpés avec une scie à métaux ou un coupe-tube. On peut également cintrer (courber) les tuyaux. Les changements de direction par cintrage évitent les raccords toujours coûteux et permettent d'obtenir des canalisations présentant le minimum de pertes de charges et de fuites. La méthode la plus rapide et la plus précise consiste à utiliser des cintreuses (une par diamètre de tube).

Les emboîtures
Pratiquer une emboîture consiste à élargir l'extrémité d'un tube, afin de pouvoir y emboîter un autre tube de même diamètre. Avec cette technique, une seule soudure est nécessaire (au lieu de deux pour un assemblage par manchon à souder).

La réalisation des soudures
Le brasage, c.a.d. réunir deux pièces métalliques à l'aide d'un métal d'apport dont la température de fusion est inférieure à celle des pièces. On distingue deux types de brassage. Le brasage tendre (soudure à l'étain): le métal d'apport utilisé fond à moins de 450°C, ce qui est le cas de l'étain dont la température de fusion est de 250°C. C'est le plus simple à réaliser. Il permet de réaliser tous les assemblages soudés cuivre/cuivre et laiton/cuivre. Lorsque le métal d'apport refroidit, il assure le maintien de l'assemblage et son étanchéité. La difficulté pour effectuer un bon brasage tendre réside dans la quantité d'étain à déposer. Il n'en faut pas trop ni trop peu. Un excès d'étain provoquerait des coulures à l'intérieur du tube. Un manque d'étain entraînerait un assemblage fragile et sensible aux fuites.

Le brasage fort fait appel à un métal d'apport dont la température de fusion est supérieure à 450°C (alliages à base d'argent ou de cuivre-phosphore).


Fabricants de tuyaux:

Les flexibles

Les flexibles permettent de raccorder rapidement et sans soudure les appareils sanitaires. Ils se composent d’un tuyau en caoutchouc protégé par une tresse en acier. Les flexibles s’adaptent grâce à des raccords filetés mâles ou femelles ou à compression (bicône). Leur résistance à la pression est élevée. Ils sont utilisés pour l’eau chaude et l’eau froide.

Les longuers disponibles dans le commerce vont de 0,30 à 1 m. Leur coût est supérieur à celui des tubes classiques en cuivre ou en PVC, mais leur grande simplicité de mise en œuvre en fait une alternative intéressante.

Pour la pose, il suffit de visser les raccords adéquats, en veillant à ne pas adopter de courbes trop serrées et à ne pas les disposer dans des endroits où ils risqueraient d’être écrasés.

Waterway

Matériaux d'isolation des tuyaux: EPDM, la laine minérale

L'isolation des tuyaux doit résister à des températures de 120 ° C en fonctionnement normal et à de brèves pointes de 150° C ou plus en cas de stagnation. A l'extérieur, l'isolation a beoin, en plus, de protection contre les intempéries, les rayonnement UV et les animaux.

Aeroline - tuyau ondulé en acier inoxydable avec isolation en EPDM et film plastique noir de protection en polyéthylène

Les vannes

a) Vannes à siège (2 ou 3 voies)

b) Electrovannes (2 ou 3 voies)

c) Vannes à secteur (3 ou 4 voies)

Fabricants de vannes:

AC-fix, Afriso-Euro-Index, Barberi, Belimo, Caleffi, Cimm, Elbi, Esbe, FAR Rubinetteria, Giacomini, ICMA, IMT, ITAP, IVR, MFC, Officine Rigamonti, Orkli, Oventrop, Sferatec, Sunex, TA Heimeier, Taconova, Tiemme Raccorderie, Watts Industries


Régulation d'une installation thermique

Les systèmes solaires sont équipés d'un régulateur prenant en charge l'intégralité des commandes. Le régulateur. reçoit des informations traditionnellement transmises par des sondes de température posées en sortie de capteurs ainsi qu'en point bas du ballon de stockage. Au niveau du capteur, la sonde peut être placée sur l'absorbeur ou sur l'un de ses tuyaux, le plus près possible de la sortie vers le ballon de stockage. Dans les régulateurs les plus complexes, on trouve jusqu'à huit sondes de température. Il existe également des régulateurs sans sonde de température.

Dès que la température du capteur dépasse une différence de température définie en fonction du rayonnement solaire, le régulateur met le circulateur un route au sein du circuit solaire. Normalement, une différence de 5 à 10 ° C est paramétrée.
La pompe du circuit solaire est mise à l'arrêt, une fois que la température de consigne en point bas du ballon est atteinte. Mais dans ce cas, le fluide caloporteur stagnant dans les capteurs risque d'être soumis à de trop fortes températures. Dès 120 °C, le liquide peut être détérioré, selon son niveau de pression et la densité d'antigel. Afin d'empêcher l'ébullition du liquide et de limiter les phases de stagnation, les systèmes de régularisation favorisent l'évacuation des calories au niveau du capteur en période nocturne par enclenchement du circulateur.

Le risque de surchauffe est plus élevé pour les systèmes solaires combinés (SSC) que pour les chauffe-eau solaires individuels (CESI). Ces surchauffe résultent généralement d'un soutirage d'eau insuffisant ou d'un surdimensionnement des panneaux solaires.

Modes de fonctionnement des flux dans le circuit capteur

a) Flux "normal" (haut débit)

Le débit s'exprime en litres par secondes et représente une quantité d'eau pour un intervalle de temps donné. Le débit normal s'élève à 40 litres (jusqu'à 80 litres) par heure et par m2 de surface de capteur.

b) Les systèmes faible débit (« low flow »)

Ces chauffe-eau fonctionnent avec une quantité réduite de fluide caloporteur. Le débit à travers les capteurs est adapté à la puissance du rayonnement solaire de façon à ce que la température du fluide à la sortie des capteurs soit toujours supérieure de quelques degrés à celle de l’eau sanitaire. Si les capteurs low flow sont utilisés en liaison avec un ballon de stratification, on peut atteindre des températures d’eau plus élevées dans des conditions de rayonnement faible.

c) Matched-flow

Fabricants de systèmes de régulation: Bluelimesolar, Dolder, Hanazeder, IMC Solar, KT Elektronik, Prozeda, Resol, Seltron, Sonder, Steca, Technische Alternative, TEM, Watt

Resol

Sonder Regulacion

Pompe de circulation

La pompe de circulation assure le transfert de la chaleur du capteur vers le ballon de stockage. Le régulateur déclenche la pompe dès que le panneau solaire et plus chaud que le ballon de stockage. Si l'eau n'est pas assez chaude, le régulateur déclenche la chaudière qui réchauffe la partie supérieurs du ballon. Un groupe de sécurité protège le système contre la surpression.

Charactéristiques souhaitées des pompes de circulation: Les pompes de circulation doivent bien résister à la corrosion. Elles doivent être faciles à maintenir et garantir une longue durée de vie. Un faible coût de fonctionnement et un faible niveau de bruit sont également nécessaires.

Wilo

Grundfos

La pression, c.a.d. la force qui agit sur les tuyauteries s'exprime en bars et se mesure à l'aide d'un manomètre.

Fabricants de pompes solaires: Biral, Calpeda, DAB Pumps, Grundfos, Halm, IMP Pumps, ITT Lowara, Wilo

Mitigeur thermostatique

Un mitigeur thermostatique est installé en amont des postes sanitaires Il permet de régler la température de l'eau chaude sanitaire au point de puisage et de réguler les variations pour assurer une température constante. Il limite ainsi les risques de brûlure.

Fabricants: AC-fix, Barberi, Caleffi, Esbe, FAR Rubinetteria, Giacomini, ICMA, ITAP, MFC, MUT, Orkli, Oventrop, Taconova, Tiemme Raccorderie, Tuxhorn, Watts Industries

Vase d'expansion

La pression du liquide caloporteur qui se dilate au sein du circuit solaire fermé varie en fonction de la température. Plus la température est élevée, plus la pression est élevée. Le vase d'expansion est là pour compenser les différences de volume. Il contient une membrane au milieu. L'un des compartiments comporte un raccordement prévu pour le relier à la partie froide du circuit solaire. L'autre compartiment comporte un coussin d'air qui peut être gonflé à partir d'une soupape. Si le liquide solaire se dilate, il comprime la membrane et fait pression sur l'air compressible. Si le liquide solaire refroidit à nouveau, l'air comprimé se dialte. La pression reste donc quasiment constant dans le circuit solaire. En cas de défaillance du vase d'expansion, la soupape de sécurité s'enclenche. La pression de réponse, à partir de laquelle la soupape de sécurité s'ouvre est normalement à 5 ou 6 bars. Si la soupape de sécurité s'ouvre, elle reste ouverte aussi longtemps que du liquide caloporteur s'écoule du circuit solaire, jusqu'à ce que la pression retombe à la valeur définie.

Fabricants: Barberi, Caleffi, Cimm, Eder, Elbi, Flamco, Global Water Solutions, Ibaiondo, ICMA, Orkli, Oventrop, PAW, Pneumatex, Reflex Winkelmann, TA Heimeier, Varem, Watts Industries, Zilmet

Réceptacle auxiliaire

Un réservoir auxiliaire protège la membrane du vase d'expansion contre les températures très élevées. C'est une cuve de 5 à 10 litres dans laquelle est collectée le liquide caloporteur en surpression. Ce réceptacle doit comporter une étiquette identifiant le fluide, afin de ne pas mélanger des antigels de nature différente. Le réceptacle est installé en série entre le circuit capteur et le vase d'expansion. Il est préférable de prendre une cuve transparente afin de pouvoir constater à quel moment le liquide s'est écoulé de la soupape de sécurité. La soupape de sécurité a pour fonction de protéger le vase d'expansion lorsque le liquide caloporteur n'est plus renouvelé. La température du capteur augmente et la pression dans le circuit grimpe également.

Fabricants: Cimm, Eder, Elbi, Oventrop, Varem, Zilmet

Le fluide caloporteur

Le fluide caloporteur se compose d'eau et d'antigel. Comme antigel on utilise souvent du glycole qui a l'avantage d'être biodégradable et d'avoir une vitesse d'écoulement élevée en cas de fuite. Pour empêcher la corrosion les liquides caloporteur contiennet en général des inhibiteurs de corrosion volatile.

Le glycole a une plus faible résistance à la pression que l'eau et sa conductivité thermique est également plus faible que celle de l'eau. Avec 40% d'antigel, le point de congélation du fluide caloporteur se situe à -22°C et la temprétaure de cristallisation à -26°C.

Fernox

Soumettre le fluide caloporteur à des températures extrêmes entraîne une modification de ses propriétés (pH, volume, pression), pouvant engendrer une perte de rendement ainsi que des dommages sur les capteurs.

Fabricants: Clariant (Antifrogen), Fernox (Solar S1), Fragol (Fragoltherm), Pro Kühlsole (Pekasolar), Sentinel (R100), Tyforop (Tyfocor), Wittig (Glysofor)

Raccordement

a) Raccordement en parallèle selon le principe de Tichelmann

b) Raccordement en parallèle - alternatives à Tichelmann

c) Raccordement en série
La sortie chaude d'un capteur est reliée à l'arrivée froide du capteur suivant. La partie chaude du capteur est appellée "aller". C'est l'endroit où la sonde de température doit être installée. La partie froide du capteur est appellée "retour". C'est le tuyau qui recueille le liquide caloporteur refroidi qui provient de la partie inférieure du ballon de stockage. Il est fortement déconseillé de relier plus de six capteurs.

Principes importantes de l'installation:

- Une pompe de circulation doit toujours être installée entre deux robinets d'arrêt. Cela facilite le remplacement de la pompe en cas de panne, sans que l'eau du circuit se vide.

- Une vanne à clapet anti-retour doit être montée sur les raccordements du ballon de stockage, sauf l'eau froide. La chaleur reste ainsi dans le ballon.

- Un clapet anti-retour doit être installé aux alentours du mélangeur d'eau sanitaire.

- Des robinets de vidange doivent être montés aux endroits les plus profonds des circuits.

- Des purgeurs doivents être placés au point le plus haut du circuit.

Les systèmes à vidange automatique (drainback)

Les systèmes à vidange automatique nécessitent ni fluide antigel, ni soupape de sécurité, ni vase d’expansion. Les capteurs sont remplis d’eau seulement lorsqu’il y a du soleil, et si l’ensoleillement n’est pas suffisant, les capteurs se vident dans un receptacle. Ces systèmes ont été développés pour éviter les surchauffes excessives, en cas d’absence l’été par exemple.
Le point haut de la bouteille de récupération du fluide caloporteur doit être sous le point bas des capteurs et son point bas au-dessus de l'entrée du ballon de stockage. Les liaisons hydrauliques entre le circulateur, les capteurs et la bouteille de récupération du liquide doivent observer une légère pente pour garantir une vidange totale.

Fabricants: Astersa (Espagne), Atmos (Grande-Bretagne), AWB (Pays-Bas), Bulex (Belgique), CD Solar (Italie), Conergy (Suisse), DSP Solar (Espagne), ESE (Belgique), Itho (Pays-Bas), PAW (Allemagne), Rotex (Allemagne), Saunier Duval (France), Solahart (Australie), Solarhot (USA), STI (Allemagne), Tecnisun (France), Vaillant (Allemagne), Viridian (Grande-Bretagne), Wagner (Allemagne), Zen International (Pays-Bas)

Les systèmes à thermosiphon

Les systèmes à thermosiphon se servent des différences de densité entre fluide chaud et le fluide froid. Le fluide chauffé dans le circuit monte, entre dans le ballon de stockage situé au-dessus du capteur, y transfère sa chaleur, et descend ensuite à nouveau dans le capteur par la tuyauterie de retour.

Le chauffe-eau solaire à éléments séparés fonctionnant en thermosiphon offre plusieurs avantages : pas de régulation, pas de pompe et de très bonnes performances énergétiques pour un prix réduit. La simplicité de la circulation naturelle et l’absence des pièces mobiles assurent une grande fiabilité du système qui continue de fonctionner en cas de panne électrique.

L’inconvénient est que le ballon de stockage doit être placé dans une position plus élevée que les capteurs, afin de permettre la montée « naturelle » du fluide caloporteur des capteurs vers le ballon.

Augusta Solar - système à thermosiphon avec tubes sous vide

Promasol

Les systèmes à thermosiphon sont conçus, soit comme systèmes directs (dans lesquels l’eau potable coule directement dans le capteur), soit comme systèmes indirects, dotés d’un circuit capteur fermé. Ils sont surtout adaptés aux régions où les températures ne descendent pas trop bas.

L'installation est très facile sur des maisons à toiture-terasse.

Les forces motrices du thermosiphon sont relativement faibles. Il est donc nécessaire d'avoir des tubes avec des diamètres relativement grands. Les tubes doivent également être les plus courts et les plus rectilignes possible pour réduire les pertes de pression.

Fabricants: Ariston Thermo (Italie), Bipin Engineers (Inde), Bosch (Allemagne), Calpak (Grèce), Chromagen (Israel), Colsol (Brésil), Derya (Turquie), Dimas (Grèce), Emmvee (Inde), Enalter (Brésil), Ezinc-Piac (Turquie), Greenonetec (Autriche), Helional (Grèce), Heliotek (Brésil), Himin (Chine), Ibersolar (Espagne), Kaushal (Inde), Kloben (Italie), Kotak (Inde), Modulo Solar (Mexique), Nobel (Grèce), Ouraset Solar (Turquie), Papaemmanouel (Grèce), Promasol (Espagne), Rand Solar Energy (Israel), Sammler (Grèce), Ser-Gün (Turquie), Shentai Solar (Chine), Sigma (Grèce), Solahart (Australie), Solardome (Afrique du Sud), Solar Dynamic (Barbados), Solar Research Design (Malésie), Sole (Grèce), Solimpeks (Turquie), Soletrol (Brésil), Sunda (Chine), Sunerg (Italie), Sunpower (Chine), Sunset (Allemagne), Suntank (Afrique du Sud), Termicol (Espagne)

Le plancher Solaire Direct (PSD)

Ce système utilise un schéma hydraulique plus simple, mais fait appel à une régulation plus évoluée. Le fluide caloporteur chauffé par les capteurs circule directement dans les tuyaux d'un plnacher chauffant. Noyé dans une dalle de béton de 12 à 15 cm d'épaisseur, voire plus, ce dernier accumule la chaleur et la restitue lentement. un circuit de dérivation permet de produire l'eau chaude sanitaire. en hiver, la majeur partie de l'énergie solaire est dirigée dans la dalle. Comme il n'y a pas d'échangeur entre les capteurs et le PSD, la suppression des intermédiaires augmente le rendement des capteurs. Ils peuvent fournir de l'énergie pour le chauffage même par une froide journée d'hiver ensoleillée. A la mi-saison, une partie est dirigée vers la dalle et le reste sert à l'eau chaude sanitaire. En été, toute l'énergie sert à produire de l'ECS.