Les chauffe-eau solaires

Notre planète reçoit quotidiennement un flux extrêmement important d’énergie solaire. Cette énergie gratuite et inépuisable est parfaite pour produire de l’eau chaude sanitaire (ECS)…

En été comme en hiver, sur une surface perpendiculaire au rayonnement, la puissance atteint 1 000 W/m2. Cette performance peut varier en fonction de nombreux paramètres : saisons, angle et orientation du récepteur, intensité et durée du rayonnement, etc. En France, la quantité moyenne d’énergie solaire reçue dans une année est de 1 115 kWh/m2/an.
On comprend aisément qu’il est dommage de ne pas profiter de cette manne d’énergie gratuite inépuisable et non polluante.
Le chauffe-eau solaire, entre autres, permet de profiter de cette énergie en couvrant jusqu’à 70 % des besoins en eau chaude sanitaire d’une famille de 4 personnes ou jusqu’à 40 % des besoins annuels en chauffage et en eau chaude.
De nombreux fabricants proposent ce type d’appareils. Naturellement, leur prix et leur installation est beaucoup plus coûteuse que celle d’un simple chauffe-eau électrique, mais vous ouvre le droit à des subventions de l’ADEME, des régions ainsi que des avantages fiscaux.
Un chauffe-eau solaire se compose de plusieurs éléments : des capteurs, un ballon et un groupe de transfert avec une pompe, divers éléments hydrauliques et une régulation électronique.

Les capteurs placés sur le toit reçoivent directement le rayonnement solaire. Ils sont composés d’un tube en cuivre, en méandres ou en échelle pour multiplier les surfaces d’échange, soudé sur une plaque métallique noire recouverte d’un revêtement sélectif permettant de capter un maximum d’énergie. C’est l’absorbeur. La vitre transparente crée un effet de serre à l’intérieur du capteur. Elle laisse passer le rayonnement solaire visible tout en empêchant les infrarouges émis par l’absorbeur de s’échapper.
Un fluide caloporteur à base d’eau et d’antigel circule dans les tubes de cuivre. Il récupère les calories dans le capteur. Grâce à une pompe de circulation, le circuit forcé transmet l’énergie à un échangeur thermique situé dans le ballon de stockage isolé thermiquement. L’échangeur, souvent constitué d’un serpentin en cuivre est placé dans la partie basse du ballon. Il transmet la chaleur à l’eau sanitaire qui y est stockée.
Généralement intégré au groupe de transfert, un régulateur de température relié à plusieurs sondes optimise la circulation du fluide en fonction de la différence de température du capteur et du ballon.
Malheureusement, le rayonnement solaire est irrégulier et varie selon les heures de la journée et les saisons. Il est donc nécessaire de prévoir une autre énergie pour compenser les baisses de rayonnement et qui servira de relais pour chauffer le ballon. Il peut s’agir d’une chaudière à tout type d’énergie (bois, gaz, fioul, pellets…), d’une pompe à chaleur ou d’une résistance électrique. Dans le cas d’une chaudière, le ballon de stockage est équipé d’un second échangeur en partie haute dans lequel transitera de l’eau chaude provenant de la chaudière. C’est un système à ballon bivalent. La chaudière doit être prévue pour fonctionner avec un ballon solaire. Elle dispose d’une sonde à placer dans le ballon solaire afin de réguler la chauffe.
En plus de l’eau chaude sanitaire, l’énergie procurée par le soleil peut également être utilisée comme appoint au chauffage à eau chaude. Il s’agit alors d’un système SSC (système solaire combiné). Les principales différences par rapport au système précédent sont l’utilisation d’un ballon spécial et l’augmentation du nombre de capteurs. Cependant, il s’agit toujours d’un système à circulation forcée.
Le fluide caloporteur réchauffé par les capteurs aboutit dans un échangeur à plaques ou en serpentin intégré dans le ballon (réservoir tampon). Il y réchauffe ainsi l’eau stockée destinée au circuit de chauffage. L’eau chaude sanitaire est réchauffée dans un second ballon intégré au premier mais sans communication, à la manière de la cuisson au bain-marie. Le circuit d’ECS peut également transiter dans un serpentin en acier inoxydable directement plongé dans le volume de stockage.
L’énergie solaire apporte un appoint au chauffage et l’appareil de chauffage qui est raccordé au ballon (appelé également préparateur mixte) produit l’appoint nécessaire au chauffage ou à l’eau chaude sanitaire. Les fabricants proposent de nombreux systèmes de ballons pour optimiser ce principe de fonctionnement.

Il existe un autre type de chauffe-eau solaire, les chauffe-eau à thermosiphon. Ils sont basés sur le principe de la circulation de l’eau par thermosiphon : l’eau froide étant plus lourde que l’eau chaude, elle se retrouve toujours dans la partie inférieure du récipient. Ces appareils sont donc très simples puisqu’ils n’ont recours à aucun système pour forcer la circulation des fluides. Il suffit de les brancher sur une alimentation d’eau froide pour obtenir de l’eau chaude sanitaire. Il existe des modèles monoblocs où le ballon est fixé directement au-dessus du capteur ou des modèles à éléments séparés : le ballon est indépendant mais doit être installé plus haut que le capteur, de 50 cm au minimum, pour que l’effet de thermosiphon se produise.
Ce type de chauffe-eau peut s’installer sur un toit en pente ou plat, ou sur une terrasse. Il doit alors être fixé sur un châssis. En installation sur un toit, on doit prendre en compte le poids non négligeable de l’ensemble, ainsi que l’aspect esthétique.
Le fluide caloporteur réchauffé par le rayonnement solaire remonte par thermosiphon jusqu’au ballon de stockage où il chauffe l’eau en passant dans un échangeur annulaire collé au ballon. Il peut également s’agir d’un serpentin intégré au ballon. Dans les modèles prévus pour les pays tropicaux, il n’y a pas de fluide caloporteur, c’est l’eau du ballon qui transite par le capteur.
Le ballon peut également être muni d’une résistance électrique d’appoint. Cependant, ce type d’appareil est destiné aux régions chaudes. En effet, le ballon, bien qu’isolé, est situé à l’extérieur. Le soumettre à de basses températures serait pratiquement sans intérêt pour produire de l’eau chaude.

D’après La plomberie © DFTG

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