Collecteurs plans solaires pour l’eau chaude solaire
Un collecteur plan est un échangeur de chaleur qui convertit l’énergie solaire rayonnante du soleil en énergie thermique en utilisant le célèbre effet de serre. Il collecte, ou capte, l’énergie solaire et utilise cette énergie pour chauffer l’eau dans la maison pour la baignade, le lavage et le chauffage, et peut même être utilisé pour chauffer des piscines extérieures et des bains à remous.
Pour la plupart des applications d’eau chaude résidentielles et commerciales de petite taille, le collecteur plan solaire tend à être plus rentable en raison de sa conception simple, de son coût faible et de son installation relativement plus facile par rapport à d’autres systèmes de chauffage de l’eau. De plus, les collecteurs plans solaires sont tout à fait capables de fournir la quantité nécessaire d’eau chaude à la température requise.
Un collecteur plan solaire se compose généralement d’une grande plaque absorbante de chaleur, qui est souvent une grande feuille de cuivre ou d’aluminium, ces matériaux étant de bons conducteurs de chaleur. Cette plaque est peinte ou gravée chimiquement en noir pour absorber le maximum de rayonnement solaire possible, afin d’optimiser l’efficacité.
Cette surface noire absorbante de chaleur possède plusieurs tubes en cuivre appelés montants, disposés parallèlement et courant le long de la plaque, qui contiennent le fluide de transfert de chaleur, généralement de l’eau.
Ces tubes en cuivre sont soudés directement à la plaque absorbante pour assurer un contact de surface maximal et un transfert de chaleur efficace. La lumière du soleil chauffe la surface absorbante, qui augmente en température. À mesure que la plaque chauffe, cette chaleur est transférée à travers les montants et absorbée par le fluide circulant à l’intérieur des tubes en cuivre, qui est ensuite utilisé par le ménage.
Les tubes et la plaque d’absorption sont enfermés dans une boîte en métal ou en bois isolée, avec une feuille de matériau de vitrage, en verre ou en plastique, à l’avant pour protéger la plaque absorbante enfermée et créer un espace d’air isolant. Ce matériau de vitrage n’absorbe pas de manière significative l’énergie thermique du soleil ; par conséquent, la plupart du rayonnement entrant est reçu par l’absorber noir.
L’espace d’air entre la plaque et le matériau de vitrage piège cette chaleur, empêchant son échappement dans l’atmosphère. À mesure que la plaque absorbante se réchauffe, elle transfère la chaleur au fluide à l’intérieur du collecteur tout en perdant également de la chaleur vers son environnement. Pour minimiser cette perte de chaleur, le bas et les côtés d’un collecteur plan sont isolés avec de la mousse rigide haute température ou une isolation en papier aluminium.
Collecteur Plan Typique
Les collecteurs plans peuvent chauffer le fluide à l’intérieur en utilisant soit la lumière directe soit la lumière indirecte du soleil sous différents angles. Ils fonctionnent également en lumière diffusée, qui domine les jours nuageux, car c’est la chaleur environnante qui est absorbée et non la lumière, contrairement aux cellules photovoltaïques. La température de l’eau circulante dépendra principalement de la période de l’année, de la clarté du ciel et de la rapidité avec laquelle l’eau circule à travers les tuyaux des collecteurs.
Systèmes thermiques solaires directs et indirects
Il existe plusieurs façons de chauffer l’eau pour une utilisation domestique. Les systèmes de chauffage de l’eau solaire qui utilisent des collecteurs solaires plans pour capturer l’énergie du soleil peuvent être classés comme des systèmes directs ou indirects en fonction de la manière dont ils transfèrent la chaleur dans le système. Pour chauffer efficacement votre eau et l’utiliser le jour comme la nuit, vous aurez besoin d’un collecteur solaire pour capter la chaleur et la transférer à l’eau ainsi que d’un réservoir d’eau chaude pour stocker cette eau chaude selon vos besoins.
Système de chauffage solaire thermique direct
Un système de chauffage de l’eau solaire direct, également connu sous le nom de système actif à circuit ouvert, utilise une pompe pour faire circuler l’eau dans le système. L’eau plus froide est pompée directement depuis la maison vers un réservoir d’eau central ou un réservoir d’immersion et passe par le collecteur solaire pour le chauffage. L’eau chaude quitte le collecteur plan et retourne au réservoir dans un circuit continu. De là, l’eau est pompée de nouveau dans la maison sous forme d’eau chaude utilisable.
Une pompe 12 volts à faible tension peut être utilisée, alimentée par une petite cellule photovoltaïque ou un contrôleur électronique, rendant le système plus écologique. Les systèmes directs sont généralement utilisés dans des climats plus chauds où il y a peu de jours froids, ou ils sont vidés en hiver pour empêcher l’eau dans les tuyaux de geler. Des produits chimiques ne peuvent pas être ajoutés à l’eau pour la protection car la même eau qui circule à travers le collecteur plan est utilisée dans la maison.
Dans un système passive de chauffage de l’eau chaude, le système n’utilise pas de pompes ou de mécanismes de contrôle pour transférer la chaleur créée au réservoir de stockage. Au lieu de cela, les systèmes passifs sont appelés “systèmes à circuit ouvert”, qui utilisent la force naturelle de la gravité pour circuler l’eau dans le système. Ce type de système utilise un collecteur solaire plan combiné à un réservoir de stockage monté horizontalement situé juste au-dessus du collecteur.
L’eau chauffée par le soleil monte naturellement par convection à travers les tuyaux des collecteurs solaires et entre dans le réservoir de stockage situé au-dessus. Lorsque l’eau chauffée entre dans le réservoir de stockage, l’eau plus froide est expulsée et descend au fond des collecteurs aidée par la gravité, l’eau froide étant plus dense que l’eau chaude. Ce cycle d’eau chaude montant et d’eau froide descendant est connu sous le nom d’écoulement “thermosiphon”, qui se répète en continu sans aide tant que le soleil brille.
Système de chauffage d’eau thermosyphon
Le système thermosyphon est le type de système de chauffage d’eau solaire le plus courant sur le marché, et la plupart des systèmes de chauffage d’eau solaire passifs directs disponibles commercialement utilisent cette combinaison de collecteur plan monté sur le toit et de réservoir de stockage.
Cependant, des précautions doivent être prises lors de l’installation d’un tel système, car le poids combiné du collecteur solaire, du réservoir de stockage et de l’eau elle-même peut être trop important pour la conception du toit de support.
Lorsque les systèmes de chauffage d’eau solaires passifs sont utilisés pour de plus grands bâtiments que pour des maisons, des entreprises ou des bureaux, il y a souvent plus d’un réservoir de stockage pour l’eau chauffée.
Le système dit de thermosyphon distant fonctionne sur le même principe que le précédent système thermosyphon passif direct, sauf que le réservoir de stockage est situé à l’écart, dans l’espace du toit ou le vide, dispersant le poids sur une plus grande surface et protégeant également le réservoir de stockage des températures froides. Cependant, pour que le processus de thermosiphon fonctionne correctement, la base du réservoir de stockage de l’eau doit être située à au moins 1 à 2 pieds (300 à 500 mm) au-dessus du sommet des collecteurs plans. Cette distance est également connue sous le nom de “hauteur de tête” du système.
Système thermique solaire indirect
Un système d’eau chaude indirect, également connu sous le nom de systèmes à circuit fermé, diffère de l’ancien système thermosyphon en ce qu’il utilise un échangeur de chaleur qui est séparé du collecteur solaire plan pour chauffer l’eau dans le réservoir de stockage.
Les systèmes d’eau chaude indirects sont des systèmes actifs et nécessitent des pompes pour faire circuler le fluide de transfert de chaleur dans le système à circuit fermé du collecteur à l’échangeur de chaleur dans le réservoir. Le système contient une solution antigel, généralement un mélange de glycole/eau à 50 %, dans le circuit primaire fermé au lieu d’eau, qui est chauffée et gardée séparée de l’approvisionnement principal en eau chaude domestique.
Système thermique solaire indirect
L’échangeur de chaleur transfère la chaleur de la solution antigel du collecteur à l’eau située dans le réservoir de stockage. L’échangeur de chaleur peut être soit une bobine en cuivre à l’intérieur de la partie inférieure du réservoir de stockage, soit un échangeur à plaque plate à l’extérieur du réservoir de stockage.
Un des principaux avantages de ce système de chauffage à boucle fermée indirecte est que la solution antigel permet un fonctionnement tout au long de l’année dans les zones où la température descend en dessous du point de congélation, tout en protégeant le système de la corrosion des collecteurs due à la présence d’eau du robinet non traitée contenant des gaz et divers sels dissous.
Le principal avantage d’un système d’eau chaude à circulation forcée indirect est qu’un système de chauffage d’eau domestique existant peut facilement être converti à un chauffage solaire de l’eau simplement en ajoutant un collecteur solaire plan et une seule pompe, car la plupart des maisons utilisent des chaudières à gaz ou à mazout ainsi qu’un réservoir de stockage d’eau chaude avec une bobine d’échangeur de chaleur intégrée.
Le système est également susceptible d’être plus efficace, et le réservoir de stockage d’eau chaude peut être placé n’importe où dans la maison, car il n’a pas besoin d’être plus haut que les collecteurs, comme dans le précédent système passif ou thermosyphon.
Cependant, un inconvénient est que le système à boucle fermée dépend de l’électricité pour la pompe de circulation, ce qui peut être coûteux ou peu fiable. Certains designs utilisent une petite pompe à faible tension et un panneau photovoltaïque à côté du collecteur, rendant le système plus efficace et plus écologique. Pour les installations plus importantes et dans les climats plus froids, les réservoirs d’eau chaude sont intégrés sous le toit des bâtiments, de sorte que le chauffage de l’eau solaire à circulation forcée est la norme.
Dimensionnement d’un collecteur plan solaire
Le dimensionnement d’un collecteur plan solaire pour un système de chauffage de l’eau chaude solaire dépend de la demande en eau chaude. Si la consommation d’eau chaude de la maison ou la température maximale de l’eau est réduite, les besoins en eau chaude peuvent être fournis par un plus petit array solaire qui est facile à installer sur le toit. De plus, les systèmes thermiques plus petits sont moins chers à installer et se rembourseront plus rapidement grâce aux économies d’énergie.
Le dimensionnement d’un système d’énergie thermique solaire dépend bien sûr de vos besoins en eau chaude, de la température et de la consommation, mais des règles générales peuvent être utilisées pour avoir une idée de la taille d’un système.
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Les collecteurs plans solaires varient généralement en taille d’environ 32 pieds carrés (4 x 8 pieds) ou 3 mètres carrés et peuvent peser plus de 200 livres ou 100 kilogrammes chacun. Un pied carré (1000 cm2) chauffe environ deux gallons ou 10 litres d’eau par jour à plus de 70oC. Par conséquent, un seul panneau de 20 à 30 pieds carrés chauffera environ 60 gallons (300 litres) d’eau, ce qui correspond à la taille d’un réservoir de stockage d’eau chaude standard.
En général, vous aurez besoin d’environ 10 à 16 pieds carrés de surface de collecteur plan par personne et d’environ 1.5 à 2.0 gallons de stockage d’eau chaude par pied carré de surface de collecteur. Donc pour une famille de quatre personnes, cela se traduit par 40 à 60 pieds carrés de surface de collecteur et 60 à 120 gallons de stockage. Un système de chauffage de l’eau chaude solaire pour une famille de quatre personnes nécessiterait donc au moins deux collecteurs plans solaires standard d’environ 32 pieds carrés (4 x 8 pieds) chacun.
Résumé du collecteur plan
Bien que les collecteurs plans excellent à collecter l’énergie solaire plus efficacement, les collecteurs d’eau chaude disponibles dans le commerce peuvent parfois être coûteux. Des panneaux plans simples et moins chers peuvent être fabriqués à partir de vieux radiateurs de chauffage central peints en noir ou même d’une bobine de tuyau en plastique ou de tuyau à eau disposée sur le toit, mais l’efficacité de ces systèmes serait très faible.
Les systèmes de chauffage de l’eau solaire domestiques correctement installés sont efficaces et fiables. Les configurations de système peuvent aller de systèmes thermosyphoniques simples s’appuyant sur la gravité à des systèmes à circulation forcée plus complexes nécessitant des pompes, des contrôleurs et des échangeurs de chaleur.
Bien qu’ils aient un coût initial plus élevé qu’un chauffage de l’eau à gaz, à mazout et électrique conventionnel, le solaire thermique réduira considérablement la consommation de combustibles et peut avoir une période de retour sur investissement de moins de 10 ans. Plusieurs types de conception de chauffe-eau solaire et de plans sont actuellement fabriqués par des fournisseurs. Les systèmes et conceptions de chauffage de l’eau adaptés à votre maison ou entreprise dépendront en grande partie du climat régional.
Dans le prochain tutoriel sur le chauffage solaire et l’eau chaude solaire, nous examinerons une autre façon plus efficace de chauffer l’eau à une température beaucoup plus élevée en utilisant de petits collecteurs individuels en cuivre scellés sous vide dans un tube en verre. Ces types de collecteurs sont communément appelés collecteurs à tube évacué, qui deviennent le choix préféré par rapport aux collecteurs plans.