Systèmes de chauffage solaire de l'eau : Guide complet des types et du fonctionnement

Introduction à la technologie du chauffage solaire de l'eau

Système de chauffage solaire instantané de l'eau à circulation non alimentée

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

Principe de fonctionnement du chauffe-eau solaire instantané à circulation non motorisée : L’eau contenue dans le tube sous vide commence à chauffer sous l’effet du rayonnement solaire. À mesure qu’elle chauffe, sa densité diminue et elle circule naturellement vers le réservoir, où elle se réchauffe progressivement. L’eau chaude est ensuite stockée dans un réservoir isolé par de la mousse de polyuréthane. L’eau froide du réseau circule dans un canal à soufflet fixe à l’intérieur du réservoir, ce qui porte la température de l’eau du robinet sous pression à une valeur quasiment identique à celle de l’eau du réservoir (avec une différence de température inférieure à 2 °C). On obtient ainsi une eau chaude propre, stable et sous pression.

Système de chauffage solaire de l'eau à circulation naturelle

Un système de chauffage solaire d'eau à circulation naturelle exploite la différence de température entre le capteur et le ballon d'eau chaude pour créer une colonne d'air par thermosiphon, qui assure la circulation de l'eau dans le système. Simultanément, l'énergie utile captée par le capteur est stockée en continu dans le ballon pour chauffer l'eau.

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

Il existe deux méthodes pour obtenir de l'eau chaude. La première utilise un vase d'appoint qui remplit le fond du réservoir d'eau chaude avec de l'eau froide, repoussant ainsi l'eau chaude de la couche supérieure. Le niveau d'eau est régulé par un flotteur situé dans le vase d'appoint. Cette méthode est parfois appelée méthode par remplissage. La seconde méthode, sans vase d'appoint, laisse l'eau chaude s'écouler du fond du réservoir par gravité. Cette méthode est parfois appelée méthode par gravité.

Système de chauffage solaire de l'eau à circulation forcée

Un système de chauffe-eau solaire à circulation forcée utilise une pompe à eau installée dans la canalisation entre le capteur et le ballon de stockage pour faire circuler l'eau dans le système. Simultanément, l'énergie utile générée par le capteur est stockée dans le ballon de stockage grâce au chauffage de l'eau.

En fonctionnement, l'activation et la désactivation de la pompe de circulation doivent être contrôlées, faute de quoi l'énergie électrique et thermique est gaspillée. La régulation par différentiel de température est généralement la méthode la plus courante, et il arrive qu'elle soit combinée à une régulation photovoltaïque.

La régulation par différentiel de température utilise la différence de température entre la température de l'eau à la sortie du capteur et la température de l'eau au fond du réservoir de stockage pour contrôler le fonctionnement de la pompe de circulation.

Après le lever du soleil, l'eau du capteur est chauffée par le rayonnement solaire et sa température augmente progressivement. Lorsque l'écart de température entre la sortie du capteur et l'eau au fond du réservoir atteint une valeur prédéfinie (généralement de 8 à 10 °C), le régulateur de température active la pompe de circulation et le système se met en marche. Par temps nuageux ou en fin d'après-midi avant le coucher du soleil, l'ensoleillement diminue, ce qui entraîne une baisse progressive de la température du capteur. Lorsque l'écart de température entre la sortie du capteur et l'eau au fond du réservoir atteint une autre valeur prédéfinie (généralement de 3 à 4 °C), le régulateur de température arrête la pompe de circulation et le système cesse de fonctionner.

Systèmes de chauffage de l'eau solaire

Il existe également deux méthodes pour obtenir de l'eau chaude : par le haut et par goutte-à-goutte.

La méthode à flux supérieur consiste à verser de l'eau froide (eau du robinet) au fond du réservoir, ce qui repousse l'eau chaude vers la surface. La méthode à flux descendant, quant à elle, repose sur la gravité qui fait tomber l'eau chaude du fond du réservoir. Grâce à la circulation forcée, l'eau est parfaitement mélangée, évitant ainsi une stratification thermique importante. Par conséquent, les deux méthodes fournissent de l'eau chaude dès le départ. Comparée à la méthode à flux supérieur, la méthode à flux descendant présente l'avantage d'un jet d'eau chaude sous pression qui améliore le confort de l'utilisateur, et dispense de la nécessité de remplir le réservoir. En revanche, l'eau froide arrivant par le fond peut se mélanger à l'eau chaude. Si la méthode à flux supérieur a l'avantage d'empêcher le mélange des eaux chaudes et froides, elle présente l'inconvénient d'une chute d'eau chaude par gravité qui affecte le confort de l'utilisateur, et impose un remplissage quotidien du réservoir.

Dans un système à double circuit de circulation forcée, l'échangeur de chaleur peut être soit un échangeur à immersion placé dans le réservoir d'eau, soit un échangeur à plaques placé à l'extérieur du réservoir. Les échangeurs à plaques présentent de nombreux avantages par rapport aux échangeurs à immersion : premièrement, ils offrent une surface d'échange thermique plus importante, des gradients de température plus faibles et un impact moindre sur le rendement du système. Deuxièmement, leur placement à l'intérieur de la tuyauterie offre une plus grande flexibilité et facilite la conception et l'agencement du système. Troisièmement, les échangeurs à plaques sont disponibles sur le marché et normalisés, ce qui simplifie 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 chauffe-eau solaires à circulation chauffent l'eau à la température souhaitée en un seul passage à travers le capteur, l'eau chauffée étant ensuite libérée dans le réservoir de stockage en un flux continu.

En fonctionnement, un système de distribution à température constante est généralement utilisé pour garantir que l'eau chaude réponde aux besoins des utilisateurs. Le tuyau d'arrivée d'eau du capteur est raccordé au réseau d'eau courante. L'eau contenue dans le capteur est chauffée par le rayonnement solaire, sa température augmentant progressivement. Une sonde de température est installée à la sortie du capteur. Un régulateur de température commande l'ouverture d'une électrovanne installée à l'entrée du capteur. Ce régulateur ajuste le débit d'eau à l'entrée du capteur en fonction de la température de l'eau à la sortie, maintenant ainsi une température d'eau constante. La fiabilité de ce système repose sur les performances de l'électrovanne à débit variable et du régulateur.

Pour éviter des exigences trop strictes concernant l'électrovanne et le régulateur, certains systèmes installent l'électrovanne à la sortie du capteur. Cette vanne ne possède que deux états : ouverte et fermée. Lorsque la température à la sortie du capteur atteint une valeur prédéfinie, un régulateur de température ouvre l'électrovanne, permettant à l'eau chaude de s'écouler du capteur vers le ballon de stockage. Simultanément, de l'eau froide (eau du robinet) est ajoutée au capteur jusqu'à ce que la température à sa sortie redescende en dessous de la valeur prédéfinie. L'électrovanne se ferme alors et le processus se répète. Bien que cette méthode de distribution d'eau à température constante soit relativement simple, l'hystérésis de la fermeture de l'électrovanne peut entraîner une température d'eau chaude inférieure à la valeur prédéfinie.

Un système à flux direct présente de nombreux avantages : premièrement, contrairement aux systèmes à circulation forcée, il ne nécessite pas de pompe à eau ; deuxièmement, contrairement aux systèmes à circulation naturelle, le réservoir de stockage d'eau peut être installé à l'intérieur ; troisièmement, contrairement aux systèmes à recirculation, l'eau chaude sanitaire est disponible plus tôt chaque jour, et une certaine quantité d'eau chaude sanitaire peut être obtenue par beau temps ; quatrièmement, il est facile de concevoir un système de vidange nocturne pour éviter le gel en hiver. Un inconvénient du système à flux direct est qu'il requiert des vannes et des régulateurs de débit électriques fiables, ce qui complexifie l'installation et augmente l'investissement.

Un système à flux direct convient principalement aux systèmes de chauffage solaire de l'eau à grande échelle.