Comment ça marche (développement)

Les capteurs 

Fonctionnement (Schéma) Le rayonnement solaire pénètre dans les capteurs à travers un verre et frappe la tôle de l’absorbeur. Etant noire, cette dernière absorbe le rayonnement solaire et le  transforme en chaleur. Le noir n’est pas qu’une simple peinture, mais une couche sélective. La sélectivité empêche qu’une partie de l’énergie absorbée soit émise sous forme d’infrarouge qui traverserait le verre et serait donc perdue. L’absorbeur est placé dans une boîte isolée d’une dizaine de cm de hauteur recouverte d’un verre. La chaleur absorbée reste ainsi à l’intérieur et fait monter la température du capteur. C’est l’effet de serre. Dès que la température du capteur est supérieure de quelques degrés à la température du stock, le circuit solaire transfère la chaleur du capteur vers le stock dont la température va alors monter progressivement.  L’échange de chaleur entre l’absorbeur et le circuit solaire a lieu par l’intermédiaire d’un tuyau replié sur lui-même en forme de serpentin brasé derrière la tôle de couleur noire. Il y circule l’eau du circuit solaire additionnée d’antigel.

Orientation des capteurs Les capteurs doivent être le plus possible orientés vers le sud. La meilleure inclinaison se situe vers 45° quand il s’agit de produire exclusivement de l’ECS et vers 60° pour aussi contribuer au chauffage. Les orientations et inclinaisons défavorables peuvent, jusqu’à un certain point, être compensées par la pose d’une surface additionnelle de capteurs. L’avantage d’un champ solaire dans le terrain est de pouvoir orienter les capteurs au mieux.

Le capteur « Sebasol 2012 » Ce capteur est spécifique à Sebasol. Il ne peut être acheté nulle part. Il ne peut être fabriqué que par les utilisateurs eux- mêmes, autoconstructeurs ou installateurs agréés. Ce capteur fait maison est pourtant doté du label européen Solar Keymark nécessaire à l’obtention des subsides étatiques. Chaque capteur développe une surface absorbante de 1.5 m2 (75 cm x 200 cm). Lorsque la température du capteur est la même que celle de son environnement, il transforme  80% du rayonnement solaire incident en chaleur. C’est excellent!

 

Le stockage de la chaleur

Toute énergie est utile seulement si elle est disponible au moment où on en a besoin. Le stockage de la chaleur permet de l’utiliser en différé, c-à-d au moment où on en a besoin.

Chauffe-eau et accumulateur combiné Dans le cas d’installations produisant exclusivement de l’ECS, le stockage se fait directement dans  dans l’eau qui sera consommée; c’est un chauffe-eau. Dans le cas des installations qui contribuent aussi au chauffage (ECS&ch), le stockage se fait dans un grand volume d’eau morte contenue dans un accumulateur combiné. Ce volume accumule non seulement la chaleur en provenance des capteurs, mais aussi celle qui provient, via une chaudière ou un poêle hydraulique, d‘une autre source de chaleur (mazout, gaz, bois). L’ensemble de cette chaleur accumulée sert alors à alimenter les radiateurs et à chauffer au bain-marie l’ECS contenue dans un boiler de petit volume (150 litres) immergé dans cette eau morte. On le voit, pour une installation ECS&ch l’accu se trouve au carrefour des producteurs et des consommateurs de chaleur. Du printemps à l’automne le solaire thermique fournit suffisamment de chaleur pour les besoins domestiques. Dès lors durant cette période la chaudière est arrêtée.  Schémas

Echangeurs de chaleur La chaleur absorbée par les capteurs est transmise au stock par un/des échangeurs de chaleur. C’est un tuyau en colimaçon plongé dans le volume d’eau du stock. Comme pour un radiateur, plus sa surface d’échange est grande plus la transmission sera effective.

La stratification au service du stockage    Le stockage de la chaleur ne se fait pas à température identique dans tout le contenu du stock. Mais il se fait  par couches (strates) de températures différentes. Ces strates se forment, se placent et se maintiennent selon la température des volumes d’eau qu’on introduit dans le stock ou qu’on y chauffe avec un échangeur de chaleur.

Ces strates se placent les unes au-dessus des autres par températures croissantes. Cela tient à deux propriétés physiques de l’eau: 1° l’eau est thermiquement isolante 2° sa densité diminue lorsque sa température augmente (entre 0 et 4°C c’est le contraire, mais cela ne concerne pas le chauffage). Comme l’eau est termiquement isolante il n’y a que peu d’échange de chaleur entre deux couches de température différentes au départ. Conservant ainsi leur températures respectives leurs densités restent différentes. La couche la plus chaude flotte alors sur la moins chaude.  Cela se passe bien sûr à condition qu’il n’y ait pas de brassage généré par l’eau qui entre et qui sort du stock.

L’exemple le plus connu illustrant la stratification est sans doute celui d’un ordinaire chauffe-eau électrique (boiler). En chauffant son contenu durant la nuit au courant de nuit, tout son volume est chauffé à une température donnée disons à 70°C. Dès qu’on en tire de l’eau chaude celle-ci sort par le haut du boiler, le volume d’eau soutiré est remplacé au fur et à mesure au bas du boiler par de l’eau froide du réseau disons à 15°C.  Cette eau à 15°C ne se mélange pas au au volume à 70°C. Résultat: il y a donc dans le boiler deux strates de températures différentes la plus chaude flottant sur la moins chaude.

Ce phénomène de la stratification est primordial pour le fonctionnement d’une installation solaire thermique. Il permet en effet de stocker dans un même accumulateur de la chaleur à des températures différentes et selon la température à laquelle les capteurs sont parvenu, à un moment donné, à chauffer l’eau.  

La stratification au service du dé-stockage   La stratification est primordiale lorsqu’on utilise la chaleur de l’eau stockée. On peut ainsi idéalement soutirer de la chaleur à la température souhaitée pour  un usage déterminé. Cela est fondamental pour alimenter les radiateurs avec la couche dont la température est la plus proche de celle qui est nécessaire pour qu’ils chauffent assez.

Le circuit solaire

Le circuit solaire relie les capteurs au stock  et transfère la chaleur des capteurs au stock. Il contient un mélange d’eau et d’antigel. Le LCP est chauffé en passant dans le serpentin du capteur et refroidi en transférant sa chaleur au stock par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur en forme de spires et immergé dans l’eau du stock.

Le liquide caloporteur (LCP) tourne dans le circuit par un circulateur commandé par une régulation.  Dès que les capteurs arrivent à une température qui dépasse   celle du stock, d’une valeur appelée « ON » la régulation enclenche le circulateur et le  LCP se met à tourner dans le circuit. La valeur « ON », typiquement de 4°, dépend de la longueur du circuit. L’arrêt du circulateur a lieu lorsque la différence de température n’est plus que de la moitié de « ON ». C’est le « OFF ».

 

La production de chaleur

Influence de la température de l’environnement des capteurs Pourquoi cette influence ? Un corps à température T placé dans un environnement à température inférieure à T se refroidit lui-même à la faveur de l’environnement qui se réchauffe. Il y a perte de chaleur vers l’environnement. Ainsi si la température des capteurs est par exemple de 50° et celle de l’environnement 15°, ils perdent de la chaleur. Cette perte est proportionnelle à la différence entre 50 et 15°. Elle est bien sûr limitée par l’isolation des capteurs, mais il y a perte tout de même. Pour le capteur « Sebasol 2012 » cette perte se situe vers 4W/m2 K. Avec une différence de température de 40° il y donc une perte de 160 Watts. Si les capteurs absorbent une puissance de 280 W, la moitié est perdue vers l’environnement.

Influence de la température de l’eau du stock que les capteurs chauffent Afin de limiter les pertes thermiques des capteurs, il faut diminuer la différence de température entre capteur et environnement. Mais comme c’est la météo qui détermine  la température de l’environnement, il est seulement possible de jouer sur la température de travail des capteurs. Celle-ci dépend bien sûr du rayonnement solaire, mais aussi de la température de l’eau du stock qui est à chauffer. Or celle-ci n’est pas uniforme dans l’ensemble du stock. Il y a donc une manière d’influencer la température de travail des capteurs et donc de limiter les pertes. Si l’eau du stock est à  25°, la température de travail se situera pour une installation bien réglée entre 35 et 45° (soit 10 à 20° de plus). Si la température de l’eau à chauffer est de 50° les capteurs travailleront à une température de 60 à 70°. Avec un environnement à 15° la perte sera de l’ordre du double. Si l’ensoleillement est fort, cela ne porte pas encore trop à conséquence, mais s’il est faible, on aura une production faible voire nulle.

En sachant que le stock est toujours plus chaud en-haut qu’en-bas (l’eau plus chaude flottant sur la moins chaude), il est, au regard de ce qui précède, impératif pour une installation ECS&ch de pouvoir chauffer l’eau du haut ou celle du bas. Ce choix se fait en fonction de l’ensoleillement et des besoins non seulement de chaleur, mais aussi de température. On pratique alors de la stratification active. Une installation conçue en ce sens gère cela d’elle-même de manière simple.

Implication pour le chauffage Pour une installation ECS le bas du stock est en général assez frais, car il y entre de l’eau fraiche du réseau au fur et à mesure que de l’eau chaude est consommée. Ce qui précède porte donc moins à conséquence. Mais pour une installation avec laquelle on contribue aussi au chauffage de l’habitat, il en va du bien-fondé de l’installation. En cela, pour une maison mal isolée une installation ECS&ch ne sert à rien. Pour la chauffer il faut en effet une température de radiateurs élevée. Comme cela implique une température de travail des capteurs élevée, les pertes sont en général de l’ordre des gains. Une installation ECS&ch sera d’autant plus performante que la température de retour des radiateurs est basse. En ce sens, le chauffage au sol est idéal. Mais des radiateurs dimensionnés initialement pour une maison peu isolée font aussi l’affaire, car suite à l’isolation de la maison ils sont surdimensionnés. Il peuvent donc fonctionner avec une eau à température à peine supérieure à celle d’un chauffage au sol.