6.1.3     Utilisation de l’énergie solaire

Cette partie traite non seulement de l’utilisation de l’énergie solaire pour le chauffage mais aussi pour l’approvisionnement en eau chaude.

En Europe centrale, le soleil fournit la plus petite quantité de chaleur quand la demande de chaleur est la plus grande, c’est-à-dire dans les mois de Décembre et Janvier. C’est un facteur déterminant défavorable pour chauffer un bâtiment exclusivement à l’énergie solaire (monovalent). De telles installations ont été effectuées à des fins de recherches, mais jusqu’à maintenant elles n’ont montré qu’un faible rapport avantage/coût. Ainsi dans nos régions climatiques, l’énergie solaire est principalement utilisée en combinaison avec d’autres sources d’énergie (mazout, gaz, bois, électricité, etc.) La devise est : « Le plus de chaleur solaire possible dans les conditions données ». La part de la demande annuelle de chaleur qui devrait être couverte par le soleil dépend de plusieurs facteurs.
Ce niveau de couverture solaire se rapporte à la demande nette d’énergie (après avoir retiré les accroissements de chaleur par rayonnement solaire et les pertes de chaleur internes).

On peut atteindre un niveau de couverture solaire d’environ 50% à l’aide d’une production de chaleur combinée pour le chauffage ambiant et la consommation d’eau chaude dans une maison uni familiale avec une isolation thermique courante. Il est possible d’atteindre des valeurs supérieures à 50%, mais seulement pour des isolations excellentes et pour de très grandes installations, non rentables.

Pour le chauffage de l’eau sanitaire, la couverture solaire en été (avec grandeur de stockage suffisante) est presque à 100%.

Pour de plus grands bâtiments, la couverture dépend de l’utilisation de la chaleur solaire, du climat et du concept général. Ainsi il est possible qu’une couverture solaire très limitée de 5 à 20% corresponde à l’optimum économique.

Les piscines extérieures peuvent être chauffées exclusivement à l’énergie solaire si des restrictions occasionnelles d’utilisations (ex. : par mauvais temps) sont prises en compte.

6.1.3.1  Installation bivalente pour chauffage ambiant et eau chaude

Dans l’installation bivalente (Fig. 6-5), le circuit solaire fournit la plus grande part de la production de chaleur pendant les périodes de transition de l’automne et du printemps. La chaudière est principalement utilisée en hiver et est alors bien chargée.
De cette manière, le circuit solaire et la chaudière opèrent dans une plage de fonctionnement favorable.

Le système conventionnel (B) est complété par la partie solaire (A). La chaleur solaire produite par le capteur (1) est transmise via un système fermé de canalisations, du circuit solaire (2) à l’accumulateur de chaleur (3). Si la température de l’accumulateur de chaleur est insuffisante, la chaudière (4) fournit la chaleur manquante. L’eau chaude chauffée dans l’accumulateur de chaleur circule par les surfaces de chauffe (5) et chauffe aussi indirectement l’eau sanitaire dans les canalisations en acier chromé (6).

Fig 6-5

Exemple d’installation solaire bivalente avec générateur de chaleur conventionnel et système de distribution pour le chauffage ambiant et l’eau chaude.

Cet exemple d’installation montre l’accumulateur de chaleur (3) pas seulement en tant que récipient du fluide eau mais aussi dans sa fonction tout aussi importante d’élément hydraulique découplant entre les circuits du générateur et du consommateur qui coopèrent thermiquement. Ainsi, par exemple, la pompe du circuit solaire peut être activée ou désactivée sans affecter les rapports de pression dans les circuits de la chaudière et du consommateur. De même, l’activation du circuit de la chaudière ne provoquent que des changements de température et non de pression dans l’accumulateur. Et finalement les quantités d’eau variables des circuits du consommateur 5 et 6 n’ont pas d’effet hydraulique sur les deux circuits de production.  Il serait certainement intéressant de dresser le concept hydraulique de ce système sans accumulateur de chaleur. La partie solaire (A) illustrée dans ce schéma revient dans une forme semblable dans beaucoup d’applications. Ses composants principaux sont décrits brièvement ci-dessous.

6.1.3.2  Le capteur solaire comme source de chaleur

Le capteur plat vitré (Fig 6-6) installé en permanence prévaut pour le chauffage ambiant et l’eau chaude. Il est simple à construire, assez peu coûteux, presque sans entretien et s’intègre bien dans la structure du bâtiment. Les capteurs plats existent sous forme de capteurs uniques installés  pour les toits plats et inclinés ou sous forme de champs de capteurs intégrés pour des toits inclinés. En règle générale, le dernier est plus économique et a un rendement plus élevé (moins de pertes annexes) que les capteurs installés.

Fig 6-6

Capteur plat vitré avec boîtier en tôle (1), plaque absorbante (2), vitrage (3) et isolation thermique (4).

Les capteurs plats comprennent une plaque absorbante noire où le rayonnement solaire est transformé en chaleur. La plaque absorbante est traversée par des canaux de refroidissement. Le fluide caloporteur circule dans ces canaux. La plaque absorbante est intégrée dans un boîtier isolé thermiquement et est couverte d’une vitre. Le montage est orienté vers le soleil. Des capteurs de ce type atteignent des températures supérieures à 100°C (c’est leur température la plus élevée) et sont ainsi capables de fournir directement et efficacement des températures de 30 à 70°C nécessaires pour le chauffage et l’eau chaude. Pour le chauffage des piscines, à cause des faibles niveaux de températures nécessaires, les capteurs plats non vitrés sont plus appropriés et plus économiques.

Alors que le rayonnement solaire peut traverser le vitrage sans entraves, le rayonnement thermique retransmis par la plaque absorbante est réfléchi depuis la surface vitrée. Comme il y a aussi de l’air dans le boîtier du capteur qui est chauffée, cet air transmet une partie de la chaleur produite au vitrage. Le verre chauffé, à son tour, transmet la chaleur à l’air extérieur. Ainsi, en utilisant des capteurs plats à une seule vitre, 30 à 40% de l’énergie solaire reçue est perdue. Des expériences ayant recours au double vitrage ont donné des résultats négatifs parce que non seulement ils étaient beaucoup plus chers, mais ils cassaient plus souvent à cause de la dilatation provoquée par la chaleur. On se décida donc pour de grandes surfaces de captage avec un simple vitrage. Valeurs indicatives pour l’énergie annuelle brute fournie par des capteurs plats à simple vitrage en Europe centrale :

400 à 500 kWh/m² à une température moyenne du capteur de 60 °C

500 à 600 kWh/m² à une température moyenne du capteur de 40 °C

Dans des lieux particulièrement ensoleillés, des valeurs jusqu’à 50% plus élevés ont été mesurées.

Les capteurs doivent être capables de résister aux températures de pointe quand ils ne sont pas utilisés. Malgré cela, il faut protéger les capteurs des rayonnements s’ils ne fonctionnent pas pendant de longues périodes. Cela prolonge leur durée de vie.

6.1.3.3  Circuit solaire

Le circuit solaire effectue le transport de la chaleur du capteur à l’accumulateur de chaleur.
Il comprend le système fermé de canalisations, une pompe de circulation avec vannes auxiliaires, un appareil de transfert thermique pour passer la chaleur solaire au système de chauffage et un organe de régulation. Cet organe de régulation active la pompe tant qu’il y a une différence de température suffisamment importante entre le capteur et le lieu de livraison dans l’accumulateur de chaleur. Le moyen de transport est un fluide caloporteur comprenant des substances de protection contre le gel et la corrosion. C’est en général un mélange d’eau et de glycol ou de liquides similaires. Comme le débit est seulement de 20 à 30 litres par heure et par m²  de surface de capteur, des tuyaux et des pompes de circulation d’assez petite taille suffisent.

6.1.3.4  Accumulateur de chaleur

L’accumulateur de chaleur est utilisé pour stocker l’énergie solaire irrégulière de manière à ce que la chaleur soit libérée en fonction des besoins et que la plus grande quantité d’énergie possible soit utilisée.

Auparavant, les accumulateurs étaient souvent bien trop grands. Mais des mesures ont prouvé que de plus petits accumulateurs présentent un meilleur rapport coût-avantage. En outre, une seconde source de chaleur est nécessaire pour de petits accumulateurs.

Comme valeur purement indicative, on peut accepter 50 à 100 litres du volume de l’accumulateur par m² de surface de capteur. Pour des installations avec chauffage ambiant et eau chaude, 100 est plus exacte, alors que 50 correspond plus à des systèmes d’eau chaude uniquement. Par conséquent, dans le cas d’une maison uni familiale, un accumulateur d’eau chaude d’environ 350 à 500 litres ou une combinaison de chauffage et de stockage d’eau chaude d’environ 1000 à 2000 litres seraient nécessaires.

6.1.3.5  Exemples d’installations solaires

Chauffage solaire direct pour des processus industriels ou le préchauffage de l’eau chaude dans un procédé de circulation.

Dans le cas d’une consommation de chaleur qui serait uniforme en permanence, la chaleur solaire peut être directement utilisée « du producteur au consommateur ». Le « commerce intermédiaire » est limité à l’échangeur thermique et au circuit solaire sans vannes motorisées. Les coûts de ce processus diminuent d’un tiers à un quart par rapport aux coûts du capteur. Une telle utilisation directe est ainsi particulièrement économique.

Grandes installations pour le préchauffage de l’eau chaude

Les systèmes ayant une forte consommation d’eau chaude (hôtels, centres sportifs, casernes, etc.) présentent des conditions favorables pour une bonne économie : Pour de grands champs de capteurs, le pourcentage du coût du circuit solaire par rapport au coût général diminue et le rendement est élevé puisque le fonctionnement est dans la zone d’eau froide de 10 à 30°C. Ainsi il n’y a essentiellement pas de surplus de chaleur non utilisé.

Fig 6-7

Grandes installations pour préchauffage solaire de l’eau chaude

Eau chaude avec circuit solaire à gravité

Le fluide caloporteur circule de lui-même tant que la différence de température entre les capteurs et l’accumulateur de chaleur surélevé est suffisamment grande. Sont importants : une section de canalisation environ deux fois plus large que celle utilisé pour les circuits à pompes et l’installation et la connexion de l’échangeur thermique. Le fluide caloporteur doit s’écouler dans l’échangeur thermique du haut vers le bas (spirale verticale ! !).

Ce système est économique pour les petits systèmes car il n’y a pas de pompes ni de régulation. Des mesures indiquent qu’il a presque le même rendement que celui des installations avec circuits à pompes.

Fig 6-8

Eau chaude avec circuit solaire autonome à gravité

6.1.3.6  Rendement net de chaleur après déduction de toutes les pertes

La chaleur utilisable fournie à la sortie de l’accumulateur est déterminée entre autres par les facteurs suivants  :

–  la température de fonctionnement du capteur (à 40°C des capteurs vitrés fournissent 30 à 40% de chaleur utilisable de plus qu’à 60°C)

–  les pertes de chaleur dans les canalisations et dans l’accumulateur (elles sont entre autres déterminées par le temps de séjour de la chaleur dans l’accumulateur)

–  l’accord temporel entre le rayonnement solaire et le besoin de chaleur (l’énergie solaire est-elle principalement utilisée au moment où elle est disponible ?)

Comment une installation solaire fonctionne économiquement, dépend des coûts d’investissement, du rendement net de la chaleur, du prix des autres sources d’énergie, de la durée de vie et des coûts de maintenance de l’installation. Dans tous les cas, les plus grandes installations sont économiques : pour le préchauffage de l’eau, dans des climats ensoleillés et froids, partiellement aussi quand le chauffage ambiant est inclus. L’énergie solaire de capteurs non vitrés est plus économique pour les installations de piscine que l’électricité, le mazout ou le gaz. Si jamais il arrivait que les sources d’énergie non renouvelables comme le pétrole et le gaz coûtent autant qu’elles ne valent, alors la question concernant la rentabilité de l’énergie solaire deviendrait inutile.