Chauffe-eau solaire - Définition

Technique des panneaux solaires thermiques

Il existe principalement trois types de panneaux solaires thermiques :

• les capteurs plans non-vitrés : de l'eau circule dans un absorbeur, généralement noir, ouvert à l'air.
• les capteurs plans vitrés : un fluide caloporteur circule dans un absorbeur, à l'intérieur d'un panneau vitré sur l'une de ses faces et isolé sur les autres.
• les collecteurs à tubes sous vide : un fluide caloporteur circule dans plusieurs tubes à double parois sous vide, qui leur garantissent une très bonne isolation thermique. Le vide étant le meilleur isolant connu, celui-ci procure un avantage indéniable en hiver ou sous des climats froids. Les tubes ont un revêtement interne permettant de capturer plus de 95%^{[réf. souhaitée]} de l'énergie solaire.

Système d'appoint au chauffage

Le système de chauffage d'appoint est nécessaire pour pouvoir disposer d'eau chaude même pendant les périodes de faible ensoleillement. Il est possible de s'en passer, mais cela conduit à une installation plus importante, principalement d'un réservoir beaucoup plus gros, puisqu'il doit être capable de fournir de l'eau chaude durant des périodes grises. Un système de chauffage d'appoint, de type chaudière à gaz ou électrique, est une solution intéressante d'un point de vue économique.

Il existe alors trois possibilités pour placer ce chauffage d'appoint :

• directement en série à la sortie de l'accumulateur d'eau chaude. Celui-ci se déclenche alors de manière automatique lorsque l'eau en sortie de l'accumulateur est trop froide. Il faut une grande puissance instantanée pour chauffer l'eau au passage à la demande. Le gaz correspond au mieux à un tel fonctionnement. En effet, avec l'électricité, on arrive très vite à la limite imposée par l'abonnement (Système français de facturation) mais le principe à des avantages en terme de rendement si on place le chauffe-eau instantané au plus près de la consommation.
• avec un échangeur de chaleur secondaire dans l'accumulateur, afin de chauffer l'eau de celui-ci, ce qui évite un fonctionnement intermittent à chaque demande d'eau. Cette solution est cependant interdite dans certains pays (en Espagne par exemple), car elle nuit à l'efficacité de l'apport solaire (celui-ci étant d'autant plus important que l'eau dans le réservoir est froide). Un contrôleur intelligent (sonde) doté d'une minuterie serait souhaitable pour rendre le système autonome.
• avec un échangeur de chaleur placé dans un deuxième réservoir monté en série avec le premier et alimenté par ce premier. Cette manière de chauffer l'eau par le système d'appoint ne nuit pas à l'efficacité du système de chauffage solaire mais augmente les perditions depuis les surfaces plus importantes des réserves ce qui oblige à une légère augmentation de la surface de captage.

Trois types d'installations

• La moquette solaire consiste simplement en un tapis de couleur noire posé à plat dans lequel circule l'eau à chauffer, à travers des tuyaux ou rainures. Elle est généralement souple et amovible. On l'utilise quand le volume d'eau requise est faible ou une température basse suffit. Ça peut être efficace en été mais en hiver le rendement est insuffisant. Ce capteur simplifié à l'extrême est donc parfaitement adapté au réchauffage des piscines, ou des douches de camping. Un ballon d'eau noir dans un arbre fait également une bonne douche de camping.

• Le système à circulation par thermosiphon est le plus simple ; basé sur le principe selon lequel l'eau chaude, du fait de sa moindre densité a tendance à monter naturellement, il impose que le réservoir de stockage soit placé à un niveau supérieur par rapport aux capteurs.

Lorsque les capteurs sont exposés au soleil, il s'établit une circulation naturelle : le fluide caloporteur chaud monte vers le réservoir de stockage, cède ses calories avant de revenir dans le bas du capteur. La circulation se poursuit tant que l'eau contenue dans le capteur est plus chaude que l'eau dans le ballon.

Certains petits modèles commerciaux exploitent le système du thermosiphon : de type "monobloc" ou "compact", ils intègrent capteurs et ballon sur la même structure.

Avantages : prix, simplicité, facilité de raccordement.

Inconvénients : Dans le système monobloc, le ballon étant situé à l'extérieur comme les capteurs, subit plus de déperditions (risque de gel). De plus l'ensemble étant assez encombrant il est difficile de l'intégrer à l'habitat (critères esthétiques).

Pour ces raisons, ce système est très répandu dans les zones au climat chaud (Caraïbes, bassin méditerranéen, etc.), et sur toiture horizontale de type terrasse, ou en pose au sol.

Selon la disposition du bâtiment, il est possible de se prémunir des problèmes de gel (et d'esthétique) en montant le ballon à l'intérieur dans les combles (toujours plus haut que les capteurs pour une circulation par thermosiphon), avec les capteurs en bas de toiture ou sur un mur au sud.

Le grand avantage du thermosiphon est sa fiabilité, sa simplicité technique : pas de pompe, pas de clapet anti-retour, pas de sondes thermiques, ni de régulateur électronique. Le système fonctionne sans électricité, sans aucun autre apport d'énergie que l'énergie solaire (le "moteur" de la circulation du fluide caloporteur étant la différence de température entre le capteur et le ballon).

Par contre, sa réalisation "in situ" réclame du soin : hormis la contrainte des positions relatives des capteurs et du ballon, les diamètres de tuyau du circuit primaire doivent être un peu plus importants pour limiter au maximum les pertes de charge, doivent aussi ne pas être à contre-pente.

• Le système à circulation forcée est plus complexe, mais offre un meilleur rendement. Les températures du capteur et du ballon sont prises en compte par une régulation électronique qui commande la pompe de circulation du fluide caloporteur, celui-ci étant mis en circulation lorsque la température du capteur est supérieure à celle du ballon.

Par rapport au système à thermosiphon, le débit plus élevé du fluide caloporteur assure des températures plus basses dans tout le circuit primaire réduisant ainsi les pertes thermiques, améliorant ainsi le rendement.

Cette configuration offre plus de possibilités quant à l'emplacement du ballon, celui-ci ne devant plus être nécessairement placé au-dessus des capteurs, ce qui permet de s'adapter plus facilement aux contraintes du bâtiment. Le ballon est alors le plus souvent posé à l'emplacement du chauffe-eau électrique ou à côté de la chaudière existante pour faciliter l'appoint.