L’installation ECS (développement)

Le dimensionnement d’une installation ECS

Une installation de 6m2 (4 capteurs)

Le dimensionnement se base sur la consommation annuelle d’eau chaude. Les normes SIA de consommation sont de 50 litres d’eau à 55°  par  jour et par personne (cela représente une énergie de plus de 2 kWh/personne jour). A partir de cette consommation on détermine la surface de capteurs et le volume du chauffe-eau qui doivent être mutuellement adaptés l’un à l’autre. Trop de m2 de capteurs par rapport au volume du chauffe-eau est tout aussi peu optimal qu’un chauffe-eau trop volumineux par rapport à la surface de capteurs.

●  La surface typique de capteurs pour une famille de 4 à 5 personnes est de 6 m2, soit 4 capteurs Sebasol ). Avec un ensoleillement et une consommation normale, cette surface produit assez de chaleur du printemps à l’automne. Une surface plus grande ne produirait pas significativement plus en entre-saison, et en haute saison il y en aurait d’autant de trop. Des installations de 4.5 m2 sont possibles. Mais on assure un peu moins le tuilage beau/temps mauvais temps, et on ne gagne que le prix d’un capteur, car tous les autres composants de l’installation resteront les mêmes. Si l’orientation et l’inclinaison du champ de capteurs n’est pas assez bonne, on peut envisager d’ajouter de la surface. On adapte bien sûr la surface au nombre de personnes qui utilisent de l’ECS. Construire une installations pour 2-3 appartements ne posent aucun problèmes particulier. Pour de grands locatifs on ne fera que du préchauffage de l’ECS, c’est là que le rendement est optimal.

●  Le volume typique d’un chauffe-eau solaire pour une famille de 4 à 5 personnes est de 500 litres (600 litres serait mieux, mais comme c’est moins standard, le prix est sensiblement plus élevé).  Ce volume dépasse largement celui d’un chauffe-eau ordinaire. Cela assure un stock d’eau chaude suffisant pour ne pas en manquer durant les périodes sans soleil. Un chauffe-eau ordinaire n’a pas besoin d’être si  volumineux, car  le stock peut être reconstitué à tout moment avec la chaudière ou le corps de chauffe électrique. Avec un chauffe-eau solaire on peut bien sûr aussi reconstituer le stock à volonté avec de l’énergie non solaire, mais comme c’est ce qu’on veut éviter, il faut attendre que le soleil fasse le job quitte à ce que l’eau ne soit pour un moment plus qu’à 45° au lieu de 55°. Durant la belle saison 500 litres de stock suffisent pour passer les creux d’ensoleillement. Entre saisons on recoure à l’apport complémentaire lorsque  le stock solaire est épuisé et que dans l’immédiat on ne s’attend pas à un ensoleillement suffisant. En hiver, on  régulièrement besoin de l’apport complémentaire, mais le solaire permet de préchauffer l’eau que l’apport complémentaire portera à température ECS.
Il est à noter que par fort ensoleillement la température dans un chauffe-eau solaire peut monter jusqu’à 95°. Cela permet d’y stocker plus de chaleur que si cette température était de quelque 70° comme c’est le cas pour les chauffes-eau ordinaires. Cela augmente la quantité de chaleur qu’on peut stocker et donc aussi le temps où l’on peut tenir sans soleil. Sans cela, il faudrait que le volume du chauffe soit plus grand.

 

Ce qui se passe dans un chauffe-eau ordinaire

Un chauffe-eau ordinaire, aussi appelé boiler, chauffe l’eau pour constituer un stock d’eau chaude afin de pouvoir en puiser à volonté jusqu’à son épuisement. Ce n’est qu’à ce moment qu’on chauffe à nouveau  tout le volume. Le chauffage se fait à l’aide d’un corps de chauffe électrique ou d’un échangeur de chaleur connecté à la chaudière  placé au bas du chauffe-eau pour que tout le volume utile puisse être chauffé *.
L’eau à chauffer entre dans le chauffe-eau par le bas et la chaude en est tirée par le haut. L’inverse n’est pas possible parce que la densité plus grande de l’eau froide fait qu’elle se tient sous la plus chaude. La plus chaude flotte ainsi sur la moins chaude. Il y a deux couches de température différentes qui se superposent. Ce sont des strates. A moins de les brasser, les 2 couches ne se mélangent pas l’une avec l’autre. Cela tient au fait que l’eau est un isolant thermique. Ce qui veut dire que la chaleur passe peu d’une strate à l’autre et donc que la température de chaque strate ne change pratiquement pas. En tirant de l’eau chaude en haut, son niveau inférieur monte alors que le niveau supérieur de la froide monte aussi: leur interface monte. Le fait de pouvoir disposer de volumes d’eau à températures différentes dans un même volume s’appelle la stratification.

Illustration Soit un chauffe eau ordinaire. Il possède en son bas d’un corps de chauffe électrique ou d’un échangeur de chaleur branché sur le système de chauffage de la maison. Le dit chauffe-eau vient de terminé la chauffe de tout son volume de 200 litres à 60°. En cours de journée on y puisse 150 litres. Il reste donc 50 litres à 60° le reste étant rempli d’eau à 18° (température du réseau). Le lendemain, alors que les 50 litres restant ont été puisés, le corps de chauffe ou le sytème de chauffage de la maison chauffe-à nouveau tout le volume à 60°.
*Un chauffe-eau ordinaire ne chauffe donc pas l’eau  juste au moment du soutirage.

Ce qui se passe dans un chauffe-eau solaire 

Un chauffe-eau solaire obéit aux mêmes lois physiques qu’un chauffe-eau ordinaire. Mais comme son ordonnancement est différent ce qui s’y passe est également différent. L’échangeur de chaleur qui se trouve au fond est alimenté en chaleur par les capteurs thermiques et non par une chaudière. Et le corps de chauffe électrique, s’il y en a un, n’est pas au fond, mais dans le tiers supérieur (plus haut est encore mieux (>> nuclear kill). De la sorte le bas du chauffe-eau  ne peut être chauffé qu’avec le solaire. Le bas est réservé au solaire. Cela ne veut pas dire que le haut ne puisse pas être chauffé au solaire. Loin de là !   Mais il ne peut l’être qu’à condition que ce haut ne pas d’office chauffé  par une source non solaire a une température supérieure à laquelle le solaire peut le faire.

●  Lorsque le solaire suffit (c-à-d en été)   Partons d’un chauffe-eau plein d’eau à 60° dont le corps de chauffe électrique est débranché. Il y a du soleil et on tire 150 litres d’un coup. Ces 150 litres sont remplacés au fur à mesure du tirage par de l’eau froide à 18° au bas du chauffe-eau. Il se forme une interface 18/60°. Les capteurs sont à 50°. Ils commencent à chauffer uniformément les 150 litres. Pour les 350 litres à 60° il ne se passe rien. Le ciel se couvre et les capteurs ne sont plus assez chauds pour continuer à chauffer. Les 150 litres restent alors à la température atteinte en fin d’ensoleillement –disons à 40°.  A ce stade, on a donc dans le chauffe-eau 150 litres à 40° et 350 à 60°. Durant le reste de la journée il n’y a plus de soleil, mais on utilise encore 150 litres d’eau chaude supplémentaire. On a alors de bas en haut du chauffe-eau 150 litres à 18° (la température du réseau), une interface 18/40°, 150 litres à 40°, une interface 40/60° et 200 litres à 60°. Le lendemain le soleil est de retour. Les capteurs sont suffisamment chauds pour chauffer l’eau qui  a 18° (il suffit pour cela qu’ils soient à quelques 22°  ** >> ON/OFF). Ils chauffent alors la couche qui est à cette température et lorsque cette dernière atteint la température de la couche qui le jour d’avant avait atteint 40°, cette dernière  va alors, et seulement alors, aussi pouvoir être chauffée au solaire. Vers midi le rayonnement solaire diminue  et n’est plus suffisant *** pour poursuivre le chauffage des 300 litres qui ont atteint – disons 55°. On a alors dans le chauffe-eau 300 litres à 55° et toujours 200 à 60°. Le lendemain on consomme 300 litres d’eau à 55°. Comme il n’y pas de soleil  durant la journée on a le soir 300 litres à 18° et il reste 200 litres à 55°.


**)  Le chauffe-eau solaire chauffe dès que la température des capteurs (T1) dépasse celle  (T2) du bas du chauffe-eau d’une valeur appelée ON. T2 est mesurée par une sonde placée à mi-hauteur de l’échangeur de chaleur.
***)  Le chauffage s’arrête lorsque T1 < T2 + OFF. OFF vaut la moitié de ON.

●  Lorsque le solaire ne suffit pas (c-à-d en hiver)  Pour disposer de l’ECS nécessaire en hiver on n’utilise pas le corps de chauffe électrique écologiquement et financièrement mauvais, mais un 2e échangeur de chaleur placé dans le tiers supérieur du chauffe-eau. La plupart des chauffes-eau solaires en sont dotés d’office. Il permet de chauffer de l’ECS dans la partie haute avec le système de chauffage de la maison (mazout, gaz, bois). Comme ce deuxième échangeur ne chauffe que le haut, le bas reste affecté au solaire. On y fera alors du préchauffage. En hiver le solaire produit donc encore de la chaleur, mais en général pas à une température suffisante pour l’ECS. La différence est fournie par le système de chauffage de la maison. L’eau ainsi préchauffée par le solaire nécessite moins d’apport d’énergie de chauffage pour atteindre la température ECS. Exemple: si le soleil a permis de faire passer dans le bas du chauffe-eau quelque 300 litres d’eau de 13° à 30°, le système de chauffage ne devra alors fournir plus que quelque 6 kWh au lieu de 12 pour porter cette eau à la température minimale de 47° pour l’ECS.

Lorsque le solaire ne suffit pas toujours (c-à-d entre saison)   L’ECS commence souvent à manquer lorsqu’on enclenche le chauffage. De cette façon lorsque le solaire ne produit plus suffisamment d’ECS ou à température insuffisante on peut en général compter sur le brûleur du chauffage comme complément. Si le chauffage n’est pas encore enclenché, on fait une flambée non tant pour chauffer la maison que pour disposer d’ECS ou recourir au corps de chauffe électrique.

Ne suffirait-il pas d’agrandir la surface des capteurs pour ne pas avoir besoin de chauffage complémentaire ? Il n’en est rien!  Un exemple tiré du monde automobile permet de comprendre pourquoi. Si une voiture permet de rouler à la vitesse maximale V, disposer d’une deuxième voiture identique ne permet pas de rouler plus vite que la vitesse V.  En solaire thermique, il faut suffisamment de rayonnement solaire (puissance du moteur) pour atteindre une température (vitesse) donnée. Augmenter la surface de capteurs (nombres de voitures) ne permet pas d’aller au-delà de cette température (vitesse). > physique

Lorsque le solaire ne suffit pas toujours (c-à-d entre saison)   L’ECS commence souvent à manquer lorsqu’on enclenche le chauffage. De cette façon lorsque le solaire ne produit plus suffisamment d’ECS ou à température insuffisante on peut en général compter sur le brûleur du chauffage comme complément. Si le chauffage n’est pas encore enclenché, on fait une flambée non tant pour chauffer la maison que pour disposer d’ECS ou recourir au corps de chauffe électrique.

 

La stratification, comme on le voit ci-dessus, joue un rôle fondamental dans l’utilisation du solaire thermique. Si de prime abord ce phénomène physique n’est pas évident à comprendre, il n’y a pas lieu de s’en inquiéter, car pour une installation construite dans les règles fonctionnera d’elle-même de la bonne manière.

 

Pour avoir de l’ECS à la bonne température et ne pas se brûler  Comme l’eau dans un chauffe eau solaire peut atteindre des températures avoisinant les 100°, il est impératif et légalement obligatoire de poser un mitigeur sur lequel on régle la température de consigne pour tout le réseau d’ECS domestique alimenté par ce mitigeur. Les divers robinets-mitigeurs du réseau (douche, évier, lavabo) pourront encore abaisser cette température, mais celle-ci ne dépassera jamais la valeur de consigne du mitigeur du chauffe-eau, p. ex. 50°. 

 

Le tartre   Les chauffe-eau s’entartrent. C’est connu.  Cela se passe d’autant plus que l’eau est « dure » et que le corps de chauffe ou l’échangeur travaillent à une température nettement plus élevée que la température de l’eau à chauffer. Cela est le cas pour un corps de chauffe électrique. Pour un échangeur solaire la différence de température ne dépasse en principe pas les 20°. Pour l’échangeur d’appoint (celui du haut) cette différence est rarement très grande du fait que l’eau qu’il a à chauffer est en général déjà un peu préchauffée par l’échangeur solaire qui se trouve en-dessous. Le tartre n’est pas un problème pour les chauffe-eau solaires. Il ne se colle pas, sur les échangeurs thermiques, mais tombe au fond. Si nécessaire, le trou d’homme permet de l’évacuer.

 

L’anode  est nécessaire pour les chauffe-eau émaillés. L’émail protège l’acier du chauffe-eau de la rouille, mais l’émail se fait attaquer par l’eau d’autant plus qu’elle est peu calcaire (sic!). Comme l’anode de magnésium se fait attaquer prioritairement elle  protège l’émail.