Un guide complet des types et du fonctionnement des systèmes de chauffage solaire de l'eau

Introduction à la technologie du chauffage solaire de l'eau

Système de chauffage solaire instantané à circulation non motorisée

Composants du système : collecteur à tubes sous vide, réservoir d'eau connectable, support réglable et échangeur de chaleur.

Principe de fonctionnement du système de chauffage solaire instantané à circulation non motorisée : L'eau à l'intérieur du tube sous vide commence à chauffer lorsqu'elle est exposée à la lumière du soleil. À mesure que l'eau chauffe, sa densité diminue et elle circule naturellement vers le réservoir, chauffant ainsi l'eau progressivement. L'eau chauffée est ensuite stockée dans un réservoir isolé avec de la mousse de polyuréthane. L'eau froide à l'intérieur du réservoir circule à travers un canal à soufflet fixe, augmentant la température de l'eau du robinet pressurisée à une température presque identique à celle de l'eau du réservoir (avec une différence de température inférieure à 2 degrés Celsius). Cela permet d'obtenir une eau chaude stable, sous pression et propre.

Système de chauffage solaire de l'eau à circulation naturelle

Un système de chauffage solaire à circulation naturelle utilise la différence de température entre le collecteur et le réservoir d'eau pour créer une tête thermosyphon, qui fait circuler l'eau à travers le système. Simultanément, l'énergie utile récupérée du collecteur est continuellement stockée dans le réservoir en chauffant l'eau.

Pendant le fonctionnement du système, l'eau dans le collecteur est chauffée par le rayonnement solaire, ce qui augmente sa température et diminue sa densité. L'eau chauffée monte progressivement à l'intérieur du collecteur, circulant par le tuyau de circulation supérieur du collecteur vers la partie supérieure du réservoir d'eau. Simultanément, l'eau froide provenant du fond du réservoir de stockage d'eau s'écoule à travers le tuyau de circulation inférieur vers la partie inférieure du collecteur. Au fil du temps, une stratification thermique distincte se forme dans le réservoir de stockage d'eau, la couche supérieure d'eau atteignant d'abord une température utilisable, et cela se poursuit jusqu'à ce que l'ensemble du réservoir soit pleinement utilisable.

Il existe deux méthodes pour obtenir de l'eau chaude. On utilise un réservoir de remplissage, qui remplit d'eau froide le fond du réservoir de stockage, poussant ainsi l'eau chaude de la couche supérieure vers l'extérieur pour être utilisée. Le niveau d'eau est contrôlé par un robinet flottant situé dans le réservoir de remplissage. Cette méthode est parfois appelée la méthode de rechargement. L'autre méthode, sans réservoir de stockage, permet à l'eau chaude de tomber par gravité du fond du réservoir de stockage. Cette méthode est parfois appelée la méthode du menu déroulant.

Système de chauffage solaire à circulation forcée

Un système de chauffage solaire de l'eau à circulation forcée utilise une pompe à eau installée dans la canalisation entre le collecteur et le réservoir de stockage d'eau pour faire circuler l'eau dans le système. Simultanément, l'énergie utile récupérée par le collecteur est stockée dans le réservoir d'eau par chauffage de l'eau.

Pendant le fonctionnement du système, l'activation et la désactivation de la pompe de circulation doivent être contrôlées, sinon l'énergie électrique et l'énergie thermique seront gaspillées. Le contrôle par différentiel de température est généralement la méthode la plus courante, et parfois le contrôle par différentiel de température et le contrôle photovoltaïque sont utilisés simultanément.

Le contrôle de la différence de température utilise la différence de température entre la température de l'eau à la sortie du collecteur et la température de l'eau au fond du réservoir de stockage d'eau pour contrôler le fonctionnement de la pompe de circulation.

Après le lever du soleil le matin, l'eau dans le collecteur est chauffée par le rayonnement solaire, augmentant progressivement sa température. Une fois que la différence de température entre la sortie du collecteur et l'eau au fond du réservoir de stockage atteint une valeur définie (généralement 8-10 ° C), le régulateur de température génère un signal pour démarrer la pompe de circulation, et le système commence à fonctionner. Pendant les périodes de couvert nuageux ou l'après-midi avant le coucher du soleil, l'irradiance solaire diminue, ce qui entraîne une baisse progressive de la température du collecteur. Une fois que la différence de température entre la sortie du collecteur et l'eau au fond du réservoir de stockage atteint une autre valeur définie (généralement 3-4 ° C), le régulateur de température génère un signal pour arrêter la pompe de circulation, et le système cesse de fonctionner.

Systèmes de chauffage solaire de l'eau

Il existe également deux méthodes pour obtenir de l'eau chaude : le débit par le haut et le débit par le bas.

La méthode du flux supérieur consiste à ajouter de l'eau froide (eau du robinet) au fond du réservoir de stockage, ce qui permet d'évacuer l'eau chaude de la couche supérieure pour son utilisation. La méthode du débit descendant repose sur le fait que l'eau chaude tombe de la fondée du réservoir par gravité. Sous circulation forcée, l'eau dans le réservoir est soigneusement mélangée, ce qui empêche une stratification significative de la température. Par conséquent, les méthodes à débit ascendant et à débit descendant fournissent de l'eau chaude dès le départ. Par rapport à la méthode de remplissage par le haut, l'avantage de cette méthode est que le jet d'eau chaude sous pression améliore le confort de l'utilisateur et qu'il n'y a pas besoin de se soucier du remplissage du réservoir d'eau. Cependant, l'inconvénient est que l'eau froide entrant par le bas du réservoir peut se mélanger à l'eau chaude du réservoir. Bien que la méthode de remplissage par le haut ait l'avantage d'empêcher l'eau chaude et l'eau froide de se mélanger, elle présente également l'inconvénient que l'eau chaude tombe par gravité, ce qui affecte le confort de l'utilisateur, et qu'il soit impératif de recharger le réservoir d'eau quotidiennement.

Dans un système de circulation forcée à double circuit, l'échangeur de chaleur peut être soit un échangeur de chaleur à immersion placé à l'intérieur du réservoir d'eau, soit un échangeur de chaleur à plaques placé à l'extérieur du réservoir d'eau. Les échangeurs de chaleur à plaques offrent de nombreux avantages par rapport aux échangeurs de chaleur à immersion : premièrement, les échangeurs de chaleur à plaques ont une plus grande surface de transfert thermique, des gradients de température de transfert thermique plus faibles et un impact moindre sur l'efficacité du système. Deuxièmement, les échangeurs de chaleur à plaques sont placés à l'intérieur de la tuyauterie du système, offrant une plus grande flexibilité et facilitant la conception et l'agencement du système. Troisièmement, les échangeurs de chaleur à plaques sont disponibles dans le commerce et standardisés, ce qui facilite l'assurance qualité et la fiabilité.

Les systèmes à circulation forcée conviennent aux systèmes de chauffage solaire de l'eau de grande, moyenne et petite taille.

Les systèmes de chauffage solaire d'eau à circulation directe chauffent l'eau jusqu'à la température souhaitée en un seul passage à travers le collecteur, l'eau chauffée étant ensuite libérée dans le réservoir de stockage en flux continu.

Pendant le fonctionnement du système, une méthode de décharge à température constante est généralement utilisée pour garantir que l'eau chaude réponde aux exigences des utilisateurs. Le tuyau d'entrée du collecteur est connecté à la conduite d'eau du robinet. L'eau dans le collecteur est chauffée par le rayonnement solaire, augmentant progressivement sa température. Un capteur de température est installé à la sortie du collecteur. Un régulateur de température contrôle l'ouverture d'une vanne électrique installée à l'entrée du collecteur. Ce régulateur de température ajuste le débit d'entrée du collecteur en fonction de la température de sortie du collecteur, maintenant ainsi une température d'eau de sortie constante. La fiabilité de ce système dépend des performances de la vanne électrique à débit variable et du contrôleur.

Pour éviter des exigences strictes concernant la vanne électrique et le contrôleur, certains systèmes installent la vanne électrique à la sortie du collecteur, et la vanne n'a que deux états : ouvert et fermé. Lorsque la température de sortie du collecteur atteint une valeur définie, un régulateur de température ouvre la vanne électrique, permettant à l'eau chaude de s'écouler de la sortie du collecteur vers le réservoir de stockage d'eau. Simultanément, de l'eau froide (eau du robinet) est ajoutée au collecteur jusqu'à ce que la température de sortie du collecteur descende en dessous de la valeur définie. La valve électrique se ferme et le processus se répète. Bien que cette méthode de décharge d'eau à température constante soit relativement simple, en raison de l'hystérésis dans la fermeture de la vanne électrique, la température de l'eau chaude résultante peut être inférieure à la valeur définie.

Un système à circulation directe présente de nombreux avantages : premièrement, comparé aux systèmes à circulation forcée, il ne nécessite pas de pompe à eau ; deuxièmement, comparé aux systèmes de circulation naturelle, le réservoir de stockage d'eau peut être situé à l'intérieur ; Troisièmement, comparé aux systèmes de recirculation, l'eau chaude utilisable est disponible plus tôt chaque jour, et une certaine quantité d'eau chaude utilisable peut être obtenue tant qu'il y a une période de temps clair ; Quatrièmement, il est facile de mettre en œuvre une solution permettant de drainer le système la nuit afin d'éviter le gel en hiver. L'un des inconvénients d'un système à débit direct est qu'il nécessite des vannes électriques à débit variable fiables et des contrôleurs, ce qui complique le système et augmente les coûts d'investissement.

Un système à flux direct est particulièrement adapté aux systèmes solaires de chauffage d'eau à grande échelle.