CHAUFFE-EAU SOLAIRE INDIVIDUEL
Le Chauffe-Eau Solaire Individuel ( CESI ) permet de produire généralement entre 50 et 70% de vos besoins annuels en eau chaude sanitaire, et jusqu’à 100% l'été.
L'installation solaire thermique ci-dessous peut se décomposer en 3 circuits :
- le circuit solaire rempli d'eau glycolée
- le circuit d'eau sanitaire
- le circuit d'appoint, rempli d'eau de chauffage
Le CIRCUIT SOLAIRE
Il est rempli d'eau glycolée, afin d'éviter les risques de gel dans les capteurs solaires 10 les nuits d'hiver.
Après avoir absorbé l'énergie solaire dans les capteurs thermiques, l'eau glycolée est emmenée par le circulateur 1 , vers l'échangeur solaire du ballon de stockage, à travers les canalisations.
Dans l'échangeur solaire 12 , l'eau glycolée transmet sa chaleur par conduction, sans mélange, à l'eau sanitaire.
L'échangeur solaire doit toujours se trouver en bas du ballon. En effet, la stratification fait que l'eau stockée dans le ballon sera toujours plus froide en bas. De plus, l'arrivée d'eau froide se trouve également en bas du ballon. Cela permet aux capteurs solaires de fonctionner à la température la plus basse possible, donc d'obtenir un meilleur rendement.
Un vase d'expansion solaire 4 permet d'absorber le volume de dilatation de l'eau glycolée lors de sa montée en température.
Il doit aussi être capable d'absorber le volume d'eau glycolée contenu dans la totalité des capteurs solaires, en cas de vaporisation pendant une période de stagnation.
Le vase d'expansion doit pouvoir être isolé par une vanne avec purge 3 lors du contrôle de sa pression de gonflage. La règlementation exige que cette vanne ne puisse être manipulée qu'avec un outil.
La soupape de sécurité 5 permet d'éviter les risques de surpression en cas de défaillance du vase d'expansion. Les soupapes de sécurité solaires sont souvent tarées à 5 ou 6 bars.
Avoir une pression plus élevée que dans un circuit de chauffage central permet d'obtenir une température d'évaporation plus élevée, donc de limiter les risques de vaporisation de l'eau glycolée dans les capteurs.
Sur un circuit solaire, l'évacuation de la soupape de sécurité doit obligatoirement être relié à un récipient-collecteur 6 . La capacité de ce récipient doit être au moins égale au volume du fluide contenu dans totalité des capteurs solaires. L'eau glycolée ne doit pas être rejetée à l'égout, car nocive pour l'environnement. Elle pourra être récupérée et ré-injectée dans l'installation.
Il est indispensable de mettre un clapet anti-thermosiphon 2 au refoulement de la pompe. Cela évite qu'une circulation par thermosiphon se crée entre le ballon de stockage et les capteurs solaires, la nuit, lorsque l'eau glycolée est plus chaude dans l'échangeur solaire que dans le capteur.
Il est d'usage de mettre un purgeur d'air avec une vanne, en haut de l'installation, au niveau du capteur solaire. Il permet de purger l'air de l'installation lors de son remplissage.
La vanne permet d'isoler le purgeur du reste de l'installation, une fois le remplissage terminé. Sans cela, l'eau glycolée se vaporisant dans le capteur lors des périodes de stagnation pourrait s'échapper par le purgeur.
Le purgeur peut éventuellement être démonté en fin de remplissage, pour être mis à l'abri des conditions extérieures.
Le montage de purgeur d'air est cependant obsolète.
Il est préférable de faire un dégazage initial par circulation extérieure, avec une station de remplissage et de dégazage, et de monter un séparateur d'air 9 .
Le séparateur d'air doit être placé avant le circulateur : la diminution de la pression permet aux microbulles d’air de se développer plus facilement, à cet endroit.
"Automatique", il doit également se trouver en sortie de l'échangeur du ballon, sur le retour capteur, là où il n'y a pas de risque de formation de vapeurs.
Si la purge du séparateur se fait "manuellement", sans risque d'évacuation des vapeurs, il sera plus judicieux de l'installer à l'entrée de l'échangeur, du côté le plus chaud, car l'air se sépare plus facilement de l'eau à haute température.
Pour effectuer un dégazage initial, un groupe de remplissage et de vidange 8 ,
composé de 3 vannes, doit être prévu lors de la conception de l'installation solaire.
Parfois, le débitmètre est intégré à ce composant, sur lequel une des 3 vannes permet alors de régler le débit.
Le débit est en général réglé à 50 litres par heure par mètre carré de capteur.
Pour éviter des déperditions par effet de thermosiphon laminaire à l'intérieure des canalisations, il est également recommandé d'installer une lyre anti-thermosiphon 11 à l'entrée de l'échangeur du ballon de stockage. Le fluide chaud étant plus léger que le fluide froid, le fluide contenu dans l'échangeur ne pourra pas descendre dans la lyre.
La canalisation horizontale basse ne devra pas être calorifugée, afin d'être plus froide et d'augmenter l'efficacité de la lyre.
La membrane du vase d'expansion est généralement conçue pour supporter une température de 70°C. Il faut le placer avant le circulateur, de préférence à l'endroit le plus froid possible.
Lorsque la longueur des canalisations entre les capteurs et le vase n'est pas suffisante
pour contenir tout le fluide contenu dans les capteurs, il est recommandé de rajouter un vase intermédiaire 7 en amont du vase d'expansion.
Cela évite une température excessive dans le vase d'expansion en cas de surchauffe.
La capacité de ce vase intermédiaire doit être égal au volume total de fluide que peuvent contenir les capteurs.
Pour la même raison, le vase d'expansion et sa canalisation de raccordement ne doivent en aucun cas être calorifugés.
Liaisons hydrauliques
Afin de réduire le nombre de soudures et de raccords entre les panneaux solaires et les autres composants du circuit hydraulique, il peut être avantageux d'utiliser des flexibles ondulés en acier inoxydable.
Ces flexibles sont souvent associés à un système de raccordement aussi bien étanche à l'air qu'à l'eau, contrairement aux joints à fibre et aux joints filasses qui peuvent laisser s'infiltrer l'air dans le circuit.
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Le CIRCUIT SANITAIRE
Lors d'un puisage d'ECS, l'eau froide sanitaire arrive dans le ballon d'ECS 1 par le bas et pousse l'eau chaude qui va sortir par le haut du ballon pour aller au robinet.
Le purgeur 2 permet d'évacuer l'air qui pourrait rester prisonnier en haut du ballon.
L'eau froide entrée en bas du ballon va être chauffée par l'échangeur solaire 8 . L'effet de stratification permet à la chaleur de monter en haut du ballon. Cela permet de chauffer tout le volume du ballon, lorsque les apports solaires sont suffisants.
Lorsque les apports solaires sont insuffisants, un autre générateur (chaudière, PAC, etc.. ) fournit la chaleur à l'échangeur d'appoint 9 pour chauffer uniquement le haut du ballon.
L'eau sanitaire peut atteindre 80°C à 90°C dans le ballon.
Le mitigeur thermostatique 3 mélange cette eau chaude avec de l'eau froide afin d'envoyer au robinet de l'eau à seulement 50°C.
Le mitigeur est obligatoire en individuel.
La soupape de sécurité sanitaire 7 permet l'évacuation de l'eau de dilatation lors de la montée en température de l'ECS dans le ballon.
Le clapet anti-retour 6 empêche l'ECS du ballon de venir réchauffer l'eau froide.
Le compteur d'eau 7 permet de relever la consommation d'eau froide sanitaire.
La RÉGULATION SOLAIRE
Pour gérer la régulation du CESI, le régulateur a besoin de connaître deux températures :
- la température du fluide chaud sortant du panneau solaire, Tc
- la température de l’ECS stockée en bas du ballon, Tb .
Il contrôle en continu l'écart entre ces deux températures, appelé " différentiel "
En fonction de la valeur de ce " différentiel ", le régulateur commande la mise en marche ou à l'arrêt de la pompe du circuit solaire.
Différentiel de démarrage ( DD )
Le seuil d'enclenchement de la pompe est appelé " différentiel de démarrage DD ".
Il est généralement réglé entre 5 et 10°C.
Lorsque Tc - Tb est supérieur à DD,
alors le régulateur met en marche la pompe.
L'écart de température Tc - Tb est jugé suffisant pour avoir un bon échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau sanitaire stockée en bas du ballon.
Différentiel d'arrêt ( DA )
Le seuil de déclenchement de la pompe est appelé " différentiel d'arrêt DA ".
Il est généralement réglé entre 2 et 4°C.
Lorsque Tc - Tb est inférieur à DA,
alors le régulateur arrête la pompe.
L'écart de température Tc - Tb est jugé insuffisant pour avoir un bon échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau sanitaire stockée en bas du ballon.
Réglage des différentiels
Ces réglages doivent tenir compte des pertes de chaleur dans les canalisations du circuit solaire entre les capteurs et le ballon.
La valeur des différentiels doit être suffisante pour obtenir un bon échange thermique
L’installation ne doit plus fonctionner lorsque la puissance utile récupéréé dans le ballon est inférieure à la puissance électrique consommée par la pompe solaire.
Généralement, les valeurs de réglage sont comprise :
- entre 5 et 10°C pour le différentiel de démarrage DD
- entre 2 et 4°C pour le différentiel de d'arrêt DA
Il est d'usage de régler DD à 6°C et DA à 3°C pour un CESI,
ou DD à 8°C et DA à 4°C pour une installation solaire collective,
dès qu'il y a un échangeur à plaques.
Un différentiel d'arrêt DA trop faible engendre un retard à l’arrêt le soir, occasionnant des pertes d’énergies :
- puissance utile récupérée inférieure à la puissance électrique consommée par la pompe
- voire pire, fluide arrivant dans l'échangeur du ballon plus froid que l'eau sanitaire qui y est stockée (pertes dans les canalisations) et qui va refroidir le ballon
Un différentiel de démarrage DD trop grand engendre un retard au démarrage le matin et l’énergie solaire ne sera pas récupérée au mieux.
Des valeurs trop proches entre DD et DA ( DD - DA trop faible ) provoquent un phénomène de pompage du circulateur : il va se mettre en marche et à l'arrêt trop souvent, à intervalles de temps trop courts, et s'user rapidement.
Température maximale admissible dans le ballon
Ce paramètre protège le ballon de stockage contre les surchauffes. La température maximale admissible dans le ballon est indiquée par le fabricant.
Si la seule température d'eau prise par le régulateur est celle indiquée par la sonde placée en bas du ballon, il faudra prendre une marge de sécurité. A cause de la stratitication, la température de l'eau en partie haute du ballon est toujours plus élevée que celle mesurée en bas du ballon.
Ce paramètre est généralement réglé à 80°C.
Température maximale capteurs
Ce paramètre protège les composants hydrauliques du circuit solaire contre les surchauffes. Lorsque la température en sortie de capteur dépasse la valeur réglée sur ce paramètre, la pompe solaire est mise à l'arrêt. Il faut absolument éviter que le fluide calporteur puisse circuler à l'état vapeur dans le circuit solaire.
Ce paramètre est généralement réglé à 120°C.
Pour résumer ...
Les régulateurs solaires offrent la possibilité de régler de nombreux paramètres, mais seule la vérification et le réglage de 4 paramètres est indispensable lors de la mise en service et de la maintenance d'un CESI :
1- le différentiel de démarrage (DD)
2- le différentiel d'arrêt (DA)
3- la température maximale admissible dans le ballon
4- la température maximale de sécurité capteurs
Autres paramètres ...
Fonction " anti-gel", fonction "refroidissement nocturne",
Vitesses minimales et maximales de la pompe et ΔT, lors de la présence d'un circulateur à vitesse variable,
etc..
AUTRES CONFIGURATIONS COURANTES
CESI avec appoint intégré électrique
L'échangeur d'appoint peut être remplacé par une résistance électrique
Adaptation CESI à une production ECS par chaudière
Dans l'existant, il faut être capable d'adapter le chauffe-eau solaire à la production d'ECS déjà en place.
Le by-pass avec la vanne bidirectionnelle sont optionnels. Ils permettent de se passer du ballon d'appoint (ou du chauffe-eau électrique), l'été, lorsque la production d'ECS solaire couvre la totalité des besoins.
ATTENTION : La non utilisation du ballon d'appoint l'été nécessite sa montée en température régulière pour éviter le développement de bactéries (légionelles).
De plus, il faudra à minima vider ce ballon à la fin de l'été et éventuellement le nettoyer.
Adaptation CESI à une production ECS par chauffe-eau électrique
Adaptation CESI à une production ECS instantanée
Sur ce système, le rôle du CESI est de préchauffer l'eau sanitaire avant que la chaudière instantanée la porte à la température souhaitée. La modulation de puissance de la chaudière permet d'obtenir cette température de consigne malgré les variations du débit de puisage et de la température de l'eau sanitaire solaire.
Lorsque la température de l'eau est suffisante dans le ballon, le thermostat 1 ordonne à la vanne bidirectionnelle 2 d'aiguiller l'eau chaude directement vers le point de puisage, sans passer par l'échangeur à plaques de la chaudière.
En raison des températures élevées que peut atteindre l'eau dans un ballon solaire, le mitigeur thermostatique 3 est obligatoire pour abaisser la température de l'eau partant aux points de puisage.
N. B. : Avant de raccorder un CESI à une chaudière instantanée, il est indispensable de vérifier auprès du fabricant que ce système est compatible avec sa chaudière.