PowerGreen-SOLAIRE
Développement durable
Des solutions pour le respect de l’environnement pour tous
Solaire Thermique
COMMENT ÇA MARCHE ?
Il y a deux grands principes qui permettent d’utiliser l’énergie du soleil dans le Bâtiment. La première est l’utilisation du solaire passif. Cela consiste à laisser rentrer un maximum les rayons solaires pendant la saison de chauffe afin de profiter des apports gratuits du soleil. La seconde, celle qui sera développée ici, constitue le principe d’utilisation du solaire actif. L’énergie solaire peut être transformée en chaleur par l’intermédiaire d’un fluide (eau ou air) circulant au contact d’une surface qui capte l’énergie solaire. Cette technique permet la production de chaleur pour le chauffage domestique (Système Solaire Combiné), pour l’eau chaude sanitaire (ECS), le chauffage des piscines et le séchage de produits agricoles.
Un français, en moyenne,émet environ 63 tonnes de CO2 par an, dans l’atmosphère. On estime que chaque m2 de capteurs évite l’émission dans l’atmosphère d’environ 150 à 300kg d’équivalent CO2 par an (équivalent pour l’effet de serre). Ainsi avec une famille de 4 personnes en Rhône Alpes, qui installerait 4 m2 de capteurs solaires, pourrait :
• réduire d ‘environ 1 tonne ses émissions de gaz à effet de serre (environ 1/8 des émissions moyennes des français)
• économiser environ 2 000 kWh/an soit environ 200 €uros /an (par rapport à du propane ou de l’électricité).
Ainsi, pour qui souhaite diminuer ses émissions de gaz à effet de serre, réduire ses consommations énergétiques, et faire des économies financières, l’installation d’un chauffe solaire compte parmi les premiers gestes à effectuer.
Les paramètres suivants doivent être pris en compte :
• se baser sur les données climatiques locales
• dimensionner correctement les équipements et assurer une productivité optimale des capteurs en étudiant :
• les besoins en énergie
• la nature de l’énergie d’appoint
• les conditions d’utilisation
• choisir correctement l’implantation des capteurs (attention aux éléments du paysage qui pourraient gêner leur ensoleillement). L’orientation optimale est plein sud à 40°. Toutefois les résultats sont très satisfaisants pour une orientation allant de sud-est à sud-ouest et pour inclinaison allant de 30 à 60 °. Ainsi il est possible d’installer des chauffe-eau solaires en respectant le degrés d’inclinaison des toitures : environ 30°.
CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL
ECONOMISER JUSQU’À 70 % SUR LES BESOINS D’ÉNERGIE POUR LA PRODUCTION D’ EAU CHAUDE
Il se compose de capteurs solaires thermiques posés en toiture, d’un système de circulation et de régulation et d’un ballon de stockage d’eau chaude. Ce système peut-être utilisé indépendamment du système de chauffage avec par exemple une résistance électrique qui sert d’appoint ou avec celui-ci et dans ce cas c’est la chaudière qui sert d’appoint.
Fonctionnement
Schéma de fonctionnement
Source Ademe
• 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. 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 un échangeur thermique (serpentin), il cède ses calories solaires à l’eau sanitaire . 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 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 thermorégulatrice. 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 , 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 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 (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (gaz, fioul, bois) située en aval du ballon. Un second ballon pourvu d’un réchauffeur électrique peut également servir d’appoint.
Pour la production d’ECS, on prévoit de 0,7 à 1,5m2 de capteurs solaires thermiques par habitant et un volume de stockage d’environ 50 litres par m2 de capteurs. La productivité des capteurs atteint 400 à 500kWh/an/m2, en énergie utile. Cette productivité permet de couvrir 50 à 80% des besoins annuels d’eau chaude sanitaire.
L’IMPLANTATION DES CAPTEURS POUR CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL
Leur surface varie entre 3 et 7m2 en fonction des besoins. Leur fonctionnement optimal est obtenu en les fixant le plus possible au sud, avec une inclinaison entre 30 et 60°, le plus près possible du module de transfert afin de minimiser les pertes de distribution. Dans la plupart des cas, un kit chauffe-eau solaire composé de 4 m2 de capteur suffit à couvrir 70% des besoins d’une famille composée de 4 à 5 personnes.
Sur un bâtiment neuf, il est souvent possible de les intégrer dans la toiture du bâtiment. Sur un bâtiment ancien, si la toiture n’est pas correctement orientée, la pose sur châssis est envisageable. Celui-ci peut également être installé sur un bâtiment annexe (garage, abris bois, etc.). Dans tous les cas, les capteurs doivent rester accessibles au cas où une intervention s’avérerait nécessaire (remplacement de la sonde, purge bouchée, ... ).
LES CHAUFFE-EAU À ÉLÉMENTS SÉPARÉS
Fonctionnement : Ces systèmes possèdent une régulation qui enclenche le circulateur dès que l’énergie solaire est suffisante. La performance est ainsi supérieure à celle des thermosiphons. Les capteurs peuvent s’intégrer dans l’architecture du bâtiment et le ballon être situé séparément n’importe où dans le bâtiment, même en dessous des capteurs. Une énergie d’appoint peut être intégrée dans le ballon solaire tout comme en aval de celui-ci. La structure de plomberie et de chauffage ordinaire de ce système correspond à celle d’un système de production classique, et l’entretien est similaire.
LES CHAUFFE-EAU EN THERMOSIPHON
Fonctionnement : Lorsque le ballon de stockage de l’ECS se situe séparément et au dessus des capteurs, le chauffe-eau à convection naturelle (" thermosiphon ") peut être installé. Comme dans le chauffe-eau solaire monobloc, c’est la variation de température obtenue par l’échauffement qui entraîne la mise en mouvement du liquide, alors transféré jusqu’au ballon. Le dimensionnement de ce type d’installation doit être effectué de manière à réduire au maximum les pertes de charges dans le circuit. La mise en circulation du fluide s’effectue en général pour des différences de température (capteur/ballon) de 15°C. Les performances de ce procédé sont relativement réduites en hiver, à cause des fortes déperditions et du faible rendement. L’utilisation du thermosiphon correspond en général à des installations de taille modeste (chauffe-eau solaire individuel de quelques m2).
LES CHAUFFE-EAU SOLAIRES MONOBLOCS
Fonctionnement : ces systèmes sont des ensembles " capteur + ballon " simples et complets qui fonctionnent de manière autonome. Le fluide est échauffé lorsque l’ensoleillement est suffisant. La variation de température obtenue par cet échauffement entraîne la mise en mouvement du liquide, qui est transféré jusqu’au stock situé juste au dessus du capteur. La position du ballon ne permet pas d’intégrer une source d’énergie d’appoint dans ce système (elle devra, si nécessaire, se trouver en aval du monobloc). La grande simplicité du système le rend fiable dans la durée, et diminue son coût d’investissement. Le coût de fonctionnement est nul. Leur utilisation est adaptée aux pays chauds, afin d’éviter les risques de gel. La dimension modeste du monobloc limite sa production à un usage modeste (chauffe-eau solaire individuel de quelques m2).
LE CHAUFFAGE SOLAIRE
CONCEVOIR SA MAISON EN ÉCONOMISANT 50% D’ÉNERGIE POUR LE CHAUFFAGE
Le Système Solaire Combiné (SSC) produit de l’eau chaude sanitaire et du chauffage. Alors que le chauffe -eau solaire fonctionne aussi bien dans les bâtiments individuels que collectifs le chauffage solaire est généralement plus approprié pour l’habitat individuel. Pour le chauffage solaire thermique, un chauffage d’appoint s’avère nécessaire pour assurer le complément. Il peut être relié à l’installation solaire (appoint intégré) ou non (appoint séparé). Les systèmes solaires représentent une économie de 30 à 60% des besoins annuels d’énergie pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire. Il doit bien entendu s’intégrer dans une approche énergétique globale de l’habitat, qui prendra impérativement en compte l’importance de l’isolation.
Un Système Solaire Combiné se compose :
• de capteurs solaires, qui transforment l’énergie du soleil en chaleur. Une maison individuelle nécessite en moyenne une surface de capteurs d’environ 10% à 13 % de la superficie du plancher chauffant. Ces capteurs sont souvent disposés en toiture.
• La chaleur fournit par le soleil par l’intermédiaire des capteurs est stockée dans un réservoir d’eau tampon par le biais d’un échangeur de chaleur. Ce réservoir est généralement appelé ballon tampon. Cette eau ainsi réchauffée est utilisée pour le chauffage des bâtiments à l’aide d’émetteurs.
• des émetteurs basse température, radiateurs ou planchers chauffants, dans laquelle circule le fluide caloporteur chauffé par les capteurs,
• d’un groupe de transfert, qui gère le chauffage du bâtiment, la production d’eau chaude sanitaire et éventuellement le chauffage de l’eau d’une piscine en été.
Le chauffage à appoint intégré : c’est un système de chauffage intégré au système de production de chaleur solaire (chaudière gaz, fioul, chaudière automatique au bois...), qui viendra automatiquement assurer le relais, en cas de déficience du solaire. La chaleur produite par l’appoint sera directement stockée dans le ballon tampon (SSCI) ou dans la dalle (PSD). Ce type de système, plus onéreux en terme d’investissement de départ, offrira un plus grand confort pendant son utilisation du fait de son automaticité.
Le chauffage à appoint séparé : c’est un système de chauffage séparé du système de production de chaleur solaire (poêle, cheminée, convecteur, chaudière à bûches...) qui viendra assurer un complément de chaleur en cas de déficience du solaire. La chaleur produite par cet appoint est indépendante du système de production de chaleur solaire et va permettre d’émettre de la chaleur « localement » dans la maison. Ce type de système, moins onéreux en terme d’investissement de départ, peut s’avérer un peu plus contraignant que l’appoint intégré du fait son caractère non automatique et d’une production de chaleur décentralisée (ex : cheminée).
Dans tous les cas, plus une maison est bien isolée, plus les besoins de chauffage sont faibles, plus la couverture solaire est importante et plus l’investissement dans un Système Solaire Combiné Individuel est rentable.
UN SYSTÈME À PART : LE PLANCHER SOLAIRE DIRECT
La différence fondamentale avec les autres Systèmes Solaires Combinés Individuels réside dans le fait qu’il n’y a pas de stockage de chaleur dans un ballon tampon. C’est la dalle qui va stocker la chaleur captée par les capteurs solaires.
Le fonctionnement des Plancher Solaire Direct (PSD) est relativement simple : le rayonnement solaire est transformé en chaleur par les capteurs solaires. L’eau chaude des capteurs solaires est directement envoyée dans des planchers de 12 à 30 cm d’épaisseur qui la stockent et en réemettent une partie sous forme de rayonnement. Des études récentes ont démontré qu’une épaisseur de dalle de 12 à 15 cm était optimale.
La technique du PSD est développée en France depuis une quinzaine d’années. Elle a été mis au point par l’école supérieure d’ingénieurs de Marseille (ESIM). Le PSD apporte tout le confort souhaitable : chauffage par rayonnement, excellente répartition de la chaleur, basse température du plancher (20 à 25°C). Le PSD est constitué d’un tube noyé dans une dalle de béton dans lequel s’écoule un fluide qui, en circulant, transmet la chaleur à la dalle. Chaque boucle ou nappe est reliée à un collecteur, qui distribue le fluide dans les différentes pièces du bâtiment. Un bon emplacement du collecteur (de manière à avoir des nappes de longueur équivalente) permet d’avoir un système général bien équilibré. Il n’y a pas de ballon de stockage tampon entre les capteurs et le PSD. La suppression des intermédiaires augmente le rendement des capteurs, qui peuvent fournir de l’énergie pour le chauffage même par une froide journée d’hiver ensoleillée. En hiver, la majeure partie de l’énergie solaire est dirigée dans la dalle. A la mi-saison, une partie va dans la dalle et le reste dans l’eau chaude. En été, toute l’énergie solaire sert à produire de l’eau chaude sanitaire. L’installation du PSD est plus particulièrement réservée aux constructions neuves, pour faciliter son installation. Le PSD se pose comme tout autre plancher chauffant, le montage des capteurs est relativement simple et les raccordements hydrauliques entre les différents éléments relèvent de la plomberie traditionnelle. Le dimensionnement des PSD s’effectue par étude thermique, et le calcul doit permettre que :
• la densité des tuyaux soit suffisante pour combler les déperditions de la pièce (à évaluer)
• la température du sol n’excède pas 28°C
• la température du fluide n’excède pas 50°C
• les pertes de charge ne soient pas trop élevées On estime que 1m2 de capteurs permet de chauffer 7à 10m2 de dalle.
La dalle chauffante est un élément à part entière du système de chauffage solaire. Elle assure les rôles d’émission de la chaleur, de déphasage et de réduction des pics de puissance. La face intérieure de la dalle doit être isolée, afin d’éviter les déperditions de chaleur vers le bas. L’isolant utilisé doit résister aux phénomènes de compression. Il est conseillé d’ajouter une couche de polyane (plastique fin) avant de couler la dalle, pour éviter que le béton s’infiltre dans l’isolant. L’importance des propriétés thermiques du béton (conductivité et chaleur massique) joue sur le délais que met la chaleur à être perceptible à la surface du sol. Ainsi, la chaleur emmagasinée au moment le plus chaud de la journée sera restituée dans la soirée, au coucher du soleil.
Une dalle épaisse stockera mieux l’énergie qui y est injectée, mais au détriment de la capacité de régulation de la puissance injectée, notamment lors de l’utilisation de l’appoint. Des études récentes ont démontré qu’une épaisseur de dalle de 12 à 15 cm était optimale.
POUR UNE INSTALLATION RÉUSSIE...
L’inclinaison des panneaux : la hauteur du soleil dans le ciel est différente en été et en hiver. Lorsque l’on fait du chauffage solaire, on cherche à bénéficier d’un maximum de rayonnement solaire en hiver. Ainsi pour les installations de chauffage solaire, il est préférable (lorsque cela est possible) d’approcher les 60° d’inclinaison qui permettent une bonne réception du flux solaire en hiver, et offre une inclinaison suffisante en été pour les simples besoins d’eau chaude sanitaire en évitant les problèmes de « surchauffe ».
Les phénomènes de « surchauffe l’été » : Pour éviter ces phénomènes, il est necessaire de respecter une inclinaison appropriée et veiller à ce que l’installation soit équipée d’une boucle de décharge, d’un grand vase d’expansion suffisamment dimensionné, ou d’une boucle primaire à haute pression, d’un système drainback ou d’un refroidissement nocturne.
La Productivité solaire est le rapport entre la quantité d’énergie solaire produite et la surface de panneaux installée. Pour qu’une installation soit bien dimensionnée, il faut que cette productivité soit la meilleure possible c’est à dire que la surface de panneaux ne soit :
• ni trop faible car dans ce cas là on n’assurait qu’une petite partie des besoins d’ECS.
• ni trop élevé car au-delà d’un certain seuil, augmenter la surface de panneaux n’augmente que très peu la production solaire.
PEUT-ON METTRE EN PLACE UN CHAUFFAGE SOLAIRE DANS DE L’ANCIEN ?
Dans la plupart des cas, la réponse est non. En effet sur une maison ancienne, généralement mal isolée et qui possederait déjà un système de chauffage par radiateurs (classiques), la solution du SSCI n’est pas conseillée. Dans ce cas là, il est préférable de se tourner vers une chaudière automatique au bois qui permet de conserver le système de chauffage (émetteurs de chaleur) en l’état.
En revanche dans le cadre d’une rénovation lourde, la solution solaire pour le chauffage est envisageable :
En revanche dans le cadre d’une rénovation lourde, la solution solaire pour le chauffage est envisageable :
Isoler “bien” : dans un premier temps il est nécessaire d’isoler au maximum sa maison en éradiquant autant que possible les “fuites thermiques”
Chauffer “doux” : comme nous l’avons expliquer ci dessus, il est nécessaire d’utiliser des émetteurs basse température pour avoir un Système Solaire Combiné efficace et rentable. Il est donc possible, après une isolation performante, de mettre en place un système de plancher chauffant ou des radiateurs basse température ou d’utiliser les radiateurs installés initialement qui sont devenus trop puissants : “ils sont surdimensionnés”.
Il est donc possible de faire circuler de l’eau moins chaude pour répondre aux besoins de chauffage de la maison car la surface d’échange de chaleur est dimensionnée pour les besoins avant isolation.
Ainsi dans ce cas et dans ce cas uniquement, il est envisageable d’utiliser le solaire pour répondre à des besoins de chauffage dans de l’ancien.
Il est donc possible de faire circuler de l’eau moins chaude pour répondre aux besoins de chauffage de la maison car la surface d’échange de chaleur est dimensionnée pour les besoins avant isolation.
Ainsi dans ce cas et dans ce cas uniquement, il est envisageable d’utiliser le solaire pour répondre à des besoins de chauffage dans de l’ancien.
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