Installations Solaires Collectives pour l’ECS - Partie 1

Par Hervé SEBASTIA - de la société ATLANTIC GUILLOT

Cette chronique traite des « Installations Solaires Thermiques Collectives Centralisées par capteurs plans vitrés pour la production d'Eau Chaude Sanitaire ». C'est un véritable Guide Technique, à l'attention des concepteurs et installateurs, qui résulte d'un travail intense et dense de l'auteur Hervé SEBASTIA. La synthèse ce travail vous est présentée sous formes de 2 parties.

Une partie 1 qui traite de l'approche théorique liée aux fondamentaux en matière de solaire collectif – Soit cette présente chronique axée sur les aspects conceptuels, complétée par les « réponses techniques à la surchauffe et à la légionellose ».

Et une partie 2 qui paraîtra le mois prochain en février 2012 et où seront développés des cas études pour mettre en avant toute l'importance de la détermination des besoins solaires, le dimensionnement et la sélection des différents composants et accessoires solaires, sans oublier d'aborder la productivité d'une installation solaire …

Le Guide Solaire Partie 1, pdf de 37 pages, est à disposition en fin de ce présent article.

La réglementation thermique 2012 impose aux maisons individuelles d'opter pour un système de production de chauffage ou d'eau chaude sanitaire ayant recourt à une source d'énergies renouvelables. D'autant plus rentables sur les bâtiments collectifs, ces solutions devraient devenir incontournables pour l'accès aux différents paliers réglementaires ou labels. En effet, ces systèmes à fortes efficacités énergétiques et performants en terme de récupération d'énergie renouvelables - et « gratuites » permettent de réduire considérablement la consommation d'énergie primaire.


Les installations Solaires Thermiques Collectives destinées au préchauffage de l'Eau Chaude Sanitaire – poste de consommation d'énergie prépondérant sur la facture énergétique d'un bâtiment performant - en font partie. A ce jour, elles sont souvent prescrites par les bureaux d'études, en neuf ou rénovation. Leur principal intérêt est de faire gagner une part non négligeable d'énergie ; elles devraient connaître un essor encore plus important à l'avenir.

Le soleil est la source d'énergie des capteurs solaires thermiques. Cette ressource est difficilement maîtrisable et très variable. Par ailleurs, la quantité d'énergie récupérée peut ne pas correspondre aux besoins d'eau chaude sanitaire, eux aussi fluctuants et dépendants de l'occupation du bâtiment.

Tout ceci se traduit par des sous ou surproductions d'énergie qui sont à prendre en compte dès les phases de dimensionnement et de conception si on veut éviter les contre références en solaire.

Le but de cet article est donc de rappeler les fondamentaux dans ce domaine afin d'optimiser la productivité et atteindre les performances escomptées d'une installation Solaire Thermique Collective Centralisée par capteurs plans vitrés destinée pour la production d'Eau Chaude Sanitaire.

Avant d'opter pour la décision d'une production d'eau chaude sanitaire à l'aide de l'énergie solaire, il convient de respecter les 4 règles d'or suivantes :

1 – Pertinence des applications

Le bâtiment doit être consommateur d'eau chaude sanitaire avec de préférence des besoins réguliers et continus tout au long de l'année (Cf. schéma I/1).

Schéma I/1 – Secteurs d'activités du moins au plus appropriés au solaire thermique

2 - Implantation des capteurs solaires

Le bâtiment doit pouvoir disposer d'une surface nécessaire à l'implantation et l'exploitation des capteurs solaires. Ces capteurs devront être préférentiellement orientés au sud, avec l'inclinaison requise, et un minimum d'effet de masque. Il faudra s'assurer que le poids des capteurs est supportable par la toiture ou étudier la possibilité de les implanter au sol.


3 – Implantation des ballons solaires et de la station hydraulique

Le bâtiment ou les logements doivent pouvoir disposer d'un local adapté (surface, hauteur sous plafond, mur ou dalle supportant le poids du ballon) pour mettre en place le matériel solaire nécessaire.


4 – Raccordements

Il faut disposer ou prévoir un passage pour les liaisons entre les capteurs, le local technique, et les points de puisage. Pour le suivi à distance des performances de l'installation, il faut prévoir un réseau de communication de type Internet, téléphonique (RTC), ou autres.

Le principe consiste à récupérer l'énergie solaire grâce à un fluide caloporteur qui circule dans les capteurs (1) (Cf. schéma II/1). Par l'intermédiaire d'un échangeur thermique (2), l'énergie est transférée dans le ballon solaire collectif (3) pour préchauffer l'eau de ville.

Dès qu'un soutirage est effectué, l'eau froide vient « pousser » par stratification le « front chaud » du ballon solaire collectif vers le ballon d'appoint. (4)

L'énergie d'appoint vient compléter « la chauffe », si nécessaire, jusqu'à atteindre la température de consigne souhaitée.

Schéma II/1 – SCC appoint par ballon échangeur

Dans ce chapitre, nous allons détailler le rôle, les principales caractéristiques et les spécificités de chacun des principaux composants et accessoires présents sur une production d'eau chaude sanitaire Solaire Collective Centralisée (SCC). Nous commencerons par les capteurs pour finir par la distribution d'eau chaude sanitaire en respectant l'ordre de numérotation que l'on retrouve sur le schéma III/1 ci-dessous.

Schéma III/1 – Schéma de principe SCC avec 2 champs de capteurs

Attention : les composants et accessoires décrits ci-après doivent être spécifiquement adaptés aux systèmes solaires afin de résister au fluide glycolé qui peut atteindre des températures élevées.

Le capteur solaire thermique plan vitré

Pour lui assurer des conditions de fonctionnement optimales, il est important de veiller aux deux points suivants :

1. - le dégazage au sein d'un champ doit pouvoir s'effectuer correctement ;
2. - le débit qui arrive dans un champ doit être réparti d'une façon homogène au sein de chaque capteur.

Pour répondre au point 1, il faut privilégier un raccordement en parallèle des capteurs (Cf. schéma III/2) plutôt que série (Cf. schéma III/3) de façon à éviter les pièges à air.

Pour répondre au point 2, il faut comparer les deux technologies suivantes qui présentent des caractéristiques différentes :

• le capteur méandre est plus « résistant », car le débit nominal qui arrive dans son collecteur ne traverse qu'un seul méandre ou tube d'un diamètre inférieur (Cf. schéma III/4), il a donc plus d'autorité ;
• le capteur échelle est peu « résistant », il a moins d'autorité car le débit nominal arrivant dans son collecteur se répartit ensuite en parallèle dans plusieurs tubes (Cf. schéma III/5). Dans ces derniers, le débit, la vitesse, et les pertes de charge étant faibles, il a peu d'autorité.

Le capteur méandre ayant plus d'autorité, il est moins sensible au déséquilibrage. Il est donc plus adapté au solaire collectif pour former des champs de grande surface.

Pour obtenir une perte de charge raisonnable, un capteur méandre doit fonctionner sous faible débit (low flow).

Avec un débit plus faible, on pourrait penser que la productivité solaire diminue ; ce n'est pas le cas. Ainsi à ce régime hydraulique, le capteur fonctionne avec une température moyenne supérieure - écart de température entrée/sortie plus important - ; ce phénomène est compensé côté ballon solaire avec un échange amélioré : température d'alimentation élevée et montée en température du volume à chauffer importante.

Un autre avantage à plus faible débit, l'investissement des liaisons hydrauliques est réduit car le diamètre de tuyauterie et l'épaisseur d'isolant sont théoriquement plus faibles.

Pour assurer un bon fonctionnement et une productivité optimale avec les capteurs méandres que nous utilisons, les études montrent qu'il faut assurer un débit minimum de 20 l/h.m², en évitant de dépasser les 30 l/h.m².

Pour raccorder plusieurs champs de capteurs, nous préconisons un raccordement en parallèle afin de ne pas cumuler les pertes de charge de chacun d'entre eux (Cf. Schéma III/6).

Schéma III/6 – Champs de capteurs méandre raccordés en parallèle

Encadré 1 : Rappel sur les caractéristiques thermiques d'un capteur plan vitré

Sur le schéma 1/1 ci-dessous, vous retrouverez un exemple qui illustre la variation du rendement global d'un capteur plan vitré en fonction de la différence entre la température moyenne du capteur et la température ambiante, et le niveau d'irradiation reçu. Plus cette différence de température est faible, meilleur sera le rendement.

Schéma 1/1 – Rendement global du capteur plan vitré Atlantic Guillot Solar Plan 230 V

Dans l'Avis Technique d'un capteur solaire délivré par le CSTB, figurent les caractéristiques thermiques (internationales) suivantes, rapportées au m² de superficie d'entrée des capteurs :

• le rendement optique η
• le coefficient de perte (par conduction) du 1er ordre a1 (W/m².K)
• le coefficient de perte (par convection) du 2nd ordre a2 (W/m².K)

Figurent aussi les caractéristiques thermiques suivantes, rapportées au m² de superficie d'entrée des capteurs, qui sont obtenues par linéarisation de la courbe, et utilisables pour application du logiciel SOLO :

• le facteur optique β
• le coefficient de transmission thermique global K (W/m².K)

Sur le schéma 1/2 ci-dessous, vous trouverez, à titre d'exemple, les caractéristiques thermiques d'un capteur vertical de 2,3 m² brut.
Le rendement obtenu dépend de l'irradiation (E), et de la différence de température entre la température moyenne du capteur (T°cap) et la température ambiante qui l'entoure (T°amb).

Schéma 1/2 – Caractéristiques thermiques du capteur Atlantic Guillot Solar Plan 230 V

Les caractéristiques thermiques que vous retrouverez dans l'avis technique sont les suivantes :

• caractéristiques thermiques internationales :
  η = 0,804, a1 = 3,235 W/m².K, a2 = 0,0117 W/m².K

• caractéristiques simplifiées SOLO :
  β = 0,82, K = 4,3 W/m².K

Lorsqu'on souhaite comparer les performances de différents capteurs, il convient donc de bien dissocier les caractéristiques thermiques internationales (η, a1, a2), des caractéristiques thermiques utilisées sous SOLO (β, K). En effet pour ces dernières si vous prenez « a1 » au lieu de « K », vous favoriserez la productivité de l'installation au risque de ne jamais l'atteindre en pratique.

Encadré 2 : Conséquences de l'inclinaison et de l'orientation d'un capteur

Pour étudier ce cas de figure, nous prendrons comme installation solaire de référence celle d'un hôtel 3 étoiles de 45 chambres située à Lyon qui présente les caractéristique suivantes :

- consommation journalière de 3825 litres
- 74 m² brut de capteurs inclinés à 45° plein Sud
- stockage solaire de 4000 litres

Les résultats de l'étude solaire sont indiqués dans le tableau 2/1 ci-dessous.

Tableau 2/1 – Résultats de l'étude solaire de référence inclinaison 45°/orientation Sud

Le tableau 2/2 ci-dessous, nous montre que la productivité annuelle est proche de l'optimum lorsque les capteurs sont orientés plein Sud avec une inclinaison à 45°. Par contre, la perte varie de 4,5 à 6,3 % lorsque les capteurs ont :

• une inclinaison comprise entre + 15° et + 60°
• une orientation comprise entre - 45° et + 45° par rapport au Sud

Sur le terrain les contraintes d'installations font que la position des capteurs pour une récupération solaire optimale n'est pas toujours possible. En restant sur ces plages d'inclinaison et d'orientation, la perte de productivité est raisonnable et ne remet pas forcément en cause la viabilité de l'installation solaire.

Tableau 2/2 – Variation de l'inclinaison et l'orientation d'un capteur

Pour les sites qui ont des besoins ECS plus importants sur la période estivale, il peut être judicieux d'opter pour une inclinaison à 15° car la productivité mensuelle sur les mois de Mai à Juillet est supérieure à l'installation de référence et chute considérablement sur la période hivernale. Pour rester avec un taux de couverture mensuel non supérieur à 85%, la surface de capteur peut être réduite.
Au contraire, pour des sites avec des besoins ECS plus importants sur la période hivernale, l'inclinaison à 60° pourrait être plus appropriée car la productivité est supérieure pour les mois de Novembre à Janvier et chute sensiblement l'été.

Sur le schéma 2/3 ci-dessous, vous retrouverez l'incidence de l'inclinaison et l'orientation des capteurs sur la productivité annuelle. Plus on s'éloigne de l'optimum, plus la perte s'accentue.

Schéma 2/3 – Pertes de performance d'un capteur

Le purgeur (2a) et le séparateur d'air (2b)

Pour qu'une installation solaire puisse fonctionner correctement, elle doit être bien « dégazée ». C'est généralement dans les capteurs, en point haut de l'installation, que l'air est piégé.
Chose absolument à éviter, puisque cela est synonyme de non circulation.

A la mise en service, le dégazage doit s'effectuer en point haut de chaque champ de capteurs à l'aide d'un purgeur (2a).

La mise en service effectuée, chaque purgeur doit pouvoir être isolé à l'aide d'une vanne ¼ de tour, pour éviter d'évacuer du fluide glycolé, en cas de fuite ou de vaporisation.

Vous pourrez trouver aussi dans certaines de nos stations hydrauliques un séparateur d'air (2b), qui fonctionne en continu pour piéger l'air et l'évacuer.



Les vannes d'équilibrage (3a) (3b) (3c)

Les vannes d'équilibrage (Cf. schéma III/7) spécifiques solaires, différentes de celles utilisées en chauffage, doivent résister à de fortes températures et disposer de prises de mesure sécurisées pour éviter de se brûler. Elles peuvent être garanties jusqu'à 5 ans.

Schéma III/7 – Vanne d'équilibrage solaire

Pour un fonctionnement correct de l'installation solaire et l'atteinte d'une performance optimum, il est essentiel d'équilibrer l'installation solaire pour éviter d'avoir de grandes variations de températures entre champs. En effet, avec une régulation solaire par double différentiel, seule la température d'un champ est prise en compte, considérant que la température des autres champs est identique.

Sur le schéma de principe III/1 ci-avant, vous retrouverez les vannes d'équilibrage à prévoir sur une installation solaire. Le rôle de chacune est détaillé ci-après :

- Vanne d'équilibrage générale (3a)
Il faut prévoir une vanne d'équilibrage sur le départ général, côté le plus froid et à proximité des champs de capteurs pour faciliter les réglages. Ses principaux intérêts sont les suivants, elle permet :

• de mesurer et de régler le débit nominal pour obtenir le point de fonctionnement de la pompe solaire et diminuer ainsi sa consommation électrique ;
• de faire travailler les vannes d'équilibrage situées en aval et sur chaque champ sur une plage d'ouverture optimale (> 25%), précise, évitant ainsi leur encrassement prématuré ;
• de gagner un temps non négligeable lors de la mise en service dans le cadre de l'utilisation de la méthode d'équilibrage REGIS.

- Vanne d'équilibrage par champ de capteurs (3b)
Elles permettront de régler et répartir avec précision le débit imposé dans chaque champ sur une plage restreinte en « Low Flow » de 20 à 30 l/h.m².
En leur présence, il ne sera plus nécessaire de créer une boucle de Tichelmann qui est consommatrice de longueurs de tuyauterie supplémentaires (Cuivre + isolation + protection).


- Vanne d'équilibrage côté secondaire (3c)
Les échangeurs à plaques solaires que nous proposons sont définis avec un équidébit entre le primaire et le secondaire. Afin de respecter nos préconisations, une vanne d'équilibrage est nécessaire entre l'échangeur et le ballon solaire.



Les tuyauteries et l'isolation du circuit solaire (4)

Les tuyauteries doivent être soudées, les raccords à visser avec joint plat en fibre haute température doivent être limités au montage des accessoires.
Il est recommandé d'utiliser des tuyauteries en cuivre, et pour les gros diamètres en acier noir.

Pour limiter les pertes de calories « gratuites », il convient de prévoir une isolation résistante aux hautes températures. Sur les tronçons extérieurs, l'isolation doit résister au rayonnement ultraviolet et aux attaques aviaires, elle est donc recouverte d'une protection.

La Norme EN 12977- 2, Tableau A.2 page 24 sur le schéma III/8 ci-dessous, nous indique le diamètre des tuyauteries et l'épaisseur d'isolant minimum à respecter si ces données ne sont pas spécifiées dans le manuel du constructeur ou calculées par le bureau d'études :

Schéma III/8 – Epaisseur de l'isolation en solaire

Les soupapes de sécurité solaire (5a), (5b), (5c)

Cet organe de sécurité est obligatoire. Il doit être raccordé à l'échappement sur un bac de récupération. Son rôle est de protéger tous les organes de l'installation solaire.
Son tarage ou sa pression d'ouverture doit tenir compte de la pression du composant le plus sensible et de la hauteur statique de l'installation.

Les capteurs ne doivent en aucun cas être isolés de la soupape de sécurité solaire (selon la norme EN 12977-2). C'est pour cette raison que sa position dans les stations hydrauliques est normalement après la vanne d'isolement départ vers les capteurs, de façon à toujours être en relation avec des derniers, et du côté le plus froid pour ne pas subir des températures excessives.

Mais sur le terrain, on retrouve au moins deux cas probables d'isolement des champs de capteurs qu'il faut absolument éviter.


1^er cas rencontré : vannes d'équilibrage (3a) et (3b) sur l'entrée froide des capteurs (Cf. schéma de principe III/1)
Lors d'une intervention, si elles sont fermées (position mini) et que la station hydraulique est isolée, les champs de capteurs sont « coupés » de la soupape de sécurité (5a) présente sur le départ de la station.

- Solution : soupape de sécurité secondaire (5b) raccordée à un bac de rétention, située le plus loin possible sur la tuyauterie générale en sortie des champs de capteurs (Cf. schéma III/1).



2^ème cas rencontré : vannes d'isolement sur l'entrée/sortie de chaque champ de capteurs identifiées (A) et (B) sur le schéma III/9 ci-dessous.

Risques identiques au 1er cas, même si les poignées des vannes d'isolement ont été retirées.

- Solution : soupape de sécurité haute température (5c) raccordée à un bac de rétention, pour chaque champ comme représenté sur le schéma III/9 ci-dessous. Sinon déposer les vannes d'isolement présentes.

Schéma III/9 – Position des soupapes de sécurité solaires

Les soupapes (5b) et (5c)étant situées à la sortie des capteurs, du côté le plus chaud, devront résister à des niveaux de températures plus élevés que celles situées dans les stations hydrauliques (5a).



Le vase d'expansion solaire (6a)

Tout manque de pression dans une installation solaire peut se traduire par une mauvaise irrigation des capteurs situés en point haut et risquant d'entraîner une surchauffe.
On choisira de préférence un vase muni d'une vessie en butyle pour réduire le phénomène d'entrée d'air par perméabilité et limiter l'usure liée aux effets mécaniques de la dilatation sur le sertissage, par rapport à un modèle à membrane.
Le rôle du vase d'expansion est de maintenir une pression constante - en compensant la dilation ou la contraction du fluide glycolé qui évolue en fonction de la température - mais pour cela il doit être correctement dimensionné.
La méthode de détermination d'un vase solaire est plus complexe qu'en chauffage. Elle nous donne généralement des volumes supérieurs, et nécessite de connaître les paramètres suivants :

• les caractéristiques du glycol utilisé (températures minimum et maximum d'utilisation, pression de vaporisation, coefficient d'expansion, …) ;
• le volume de fluide glycolé contenu dans les capteurs et le reste de l'installation hydraulique ;
• un volume complémentaire dans le vase prévu pour réceptionner le volume de fluide glycolé contenu dans les capteurs lors des phases de surchauffe ;
• la hauteur statique de l'installation ;
• la pression de tarage de la soupape de sécurité solaire.

Pour régler et contrôler la pression de gonflage du vase, il est indispensable de prévoir en amont une vanne d'isolement et de vidange (6b) .

Pour ne pas dégrader la vessie en butyle, il faut éviter les températures inférieures à 5°C et supérieures à 70°C. Dans le cas d'une installation où le volume de fluide glycolé contenu dans les capteurs est supérieur à celui de leur tuyauterie de raccordement depuis le vase, ce dernier doit être protégé par un réservoir tampon en amont (6c) comme représenté sur le schéma III/10.

Schéma III/10 – Ballon tampon pour vase d'expansion solaire

La station hydraulique (7)

Elle permet le transfert de l'énergie des capteurs vers le ballon solaire, qui est géré par une régulation intégrée. Elle comprend une grande partie des éléments nécessaires au bon fonctionnement et à la sécurité de l'installation. C'est un ensemble compact, livré monté pour un raccordement facilité.

Il existe deux types de station hydraulique :

- celle où l'échangeur à plaques solaire est intégré et raccordé sur un ballon de stockage comme représentée sur le schéma de principe III/1. Elle se sélectionne selon les caractéristiques des pompes (débit / hauteur manométrique) et la puissance de l'échangeur intégré qui limite à une surface maximale de capteurs. Elle est destinée à de grandes comme de petites installations solaires ;

- celle dont l'échangeur solaire (A) est intégré au ballon à serpentin comme représente sur le schéma III/11 ci-dessous ; dans ce cas ce sont les caractéristiques de la pompe (débit / hauteur manométrique) qui permettent de sélectionner la station appropriée. Elle est destinée généralement aux petites et moyennes installations solaires.

Schéma III/11 – Station hydraulique pour ballon solaire avec échangeur intégré

L'échangeur solaire (8)

Comme précisé précédemment qu'il soit intégré au ballon solaire ou à la station hydraulique, il doit être soigneusement sélectionné pour limiter les pertes de performance. Sa surface d'échange est conséquente car il est dimensionné avec une température primaire faible (40°C) - qui correspond à une température sur une année de service - et un pincement de 5°C maximum entre l'entrée primaire et la sortie secondaire. Une soupape de sécurité (9) le protège en cas d'isolement.

Le stockage solaire (10)

• Sélection du stockage solaire

Il faut veiller à sélectionner un ballon qui puisse résister à des températures élevées (≥ 95°C).

Pour assurer une productivité optimum, il faut éviter de sous ou sur dimensionner le volume solaire par rapport à la surface de capteurs installés, il est conseillé de respecter le ratio moyen de 50 litres/m² de capteurs (Cf. Encadré 3). La soupape de sécurité (9a) permet de protéger ce ballon si sa pression maximale de service est inférieure à celle de l'échangeur à plaques solaire (8) .

Dans le schéma III/11 ci-dessous, sont présentés les différents types de stockages solaires que vous pouvez préconiser.

Schéma III/11 – Les différents types de ballons solaires

Ballon type BS …
Le ballon de stockage solaire de type BS associé à un échangeur externe a une capacité nominale qui profite pleinement au stockage solaire. Ce principe est adaptable à tout type d'installation avec de faible comme d'importante surface de capteurs. Un seul échangeur peut alimenter plusieurs ballons de stockage solaires raccordé en série.

Ballon type BS1 …
L'installation peut se simplifier, on peut diminuer la surface au sol et l'investissement, en optant pour un ballon solaire avec échangeur interne de type BS1. Près de 40 m² peuvent être associés à la plus grosse capacité de 2000 litres, et cette surface peut doubler en raccordant deux ballons en parallèle.

Les capacités des ballons BS1 sont limitées à 2000 litres pour conserver un bon compromis capacité/performance.

En effet, le fait qu'à puissance égale le volume occupé par un serpentin est plus important que celui d'un échangeur à plaques, a des conséquences. Pour conserver une bonne efficacité, il faut que le serpentin ne réduise pas de trop le volume solaire disponible, qu'il soit placé au plus bas de la cuve et qu'il occupe une hauteur la plus faible possible afin de baigner dans l'eau la plus froide pour conserver un échange optimum.

Ballon type BS2 ou BS1 + Elect …
Destinés aux installations solaires de petites tailles, les ballons mixtes solaires de type « BS2 ou BS1 + Elec » permettent de gagner davantage en surface au sol et en investissement car l'appoint est intégré.

Mais attention, leur capacité nominale ne correspond pas au volume solaire, ce dernier s'arrête là où commence le volume d'appoint ! On raccordera donc un nombre de capteurs inférieur.

Avec ces ballons, le transfert de l'énergie solaire vers l'énergie d'appoint est continu et s'effectue par stratification naturelle (Cf. schéma III/12, figure B), contrairement à un ballon solaire et un ballon d'appoint séparé où un soutirage est nécessaire (Cf. schéma III/12, figure A). Les ballons mixtes peuvent donc emmagasiner plus d'énergie solaire.

La partie appoint des ballons mixtes doit être prévue pour satisfaire 100% des besoins ECS, sans tenir compte des apports solaires qui sont parfois nuls au cours de la saison (Cf. le chapitre suivant « L'appoint »).

Schéma III/12 – Transfert d'énergie entre un ballon mixte et deux ballons séparés

• Raccordement de plusieurs ballons solaires

Au-delà d'une certaine capacité solaire, ou pour des contraintes de hauteur sous plafond du local technique, le volume solaire journalier ne peut-être contenu dans un seul ballon.


Raccordement des ballons solaires à échangeur externe …

Concernant les ballons de type BS, il convient de les connecter en série, afin de garantir une stratification optimum (Cf. schéma III/13). Cela revient « à empiler » les ballons les uns sur les autres comme s'il n'y en avait qu'un seul. Par principe, quelque soit le nombre de ballons connectés, le ballon où arrive l'eau froide est le plus froid, celui où arrive la sortie de l'échangeur à plaques est le plus chaud.

Le raccordement hydraulique entre les ballons ne doit surtout pas être équipé de clapet anti-retour car dans cette tuyauterie le fluide est amené à circuler dans les deux sens selon si on se trouve dans une phase de charge des ballons ou une phase de soutirage.

Schéma III/13 – SCC avec 2 ballons de stockage solaires

Raccordement des ballons solaires à échangeur interne …

En présence de ballons de type BS1 ou BS2, il est préférable de les connecter en parallèle au niveau primaire et secondaire, afin que les échangeurs solaires situés dans le bas des ballons « baignent » dans l'eau la plus froide possible, optimisant ainsi l'échange (Cf. schéma III/14).

Sur chaque ballon, il faudra prévoir des organes d'équilibrages tant au niveau primaire(A) que secondaire (B) et une soupape de sécurité (C)en cas d'isolement de celui-ci.

Schéma III/14 – SCC avec 2 ballons solaires à échangeur interne

Encadré 3 : Conséquences de la variation du volume de stockage solaire

L'installation solaire dans un hôtel 3 étoiles de 45 chambres situé à Lyon présente les caractéristiques suivantes :

- consommation journalière de 3825 litres
- 74 m² brut de capteurs inclinés à 45° plein Sud

En faisant varier seulement le volume de stockage solaire, on constate sur le schéma 3/1 ci-dessous que l'optimum est atteint vers les 4000 litres, ce qui correspond à un ratio de 54 l/m² de capteurs.

Avec un volume inférieur, on voit la productivité annuelle chuter significativement.
Avec un soutirage bien étalé pendant la période d'ensoleillement, il n'y a pas de risque de surchauffe car son volume ne cesse de se régénérer. Cela peut être différent si le soutirage ne se produit qu'en fin de journée par exemple.

Avec un volume supérieur, la productivité annuelle a tendance à chuter à nouveau, l'investissement n'est pas rentable.


Schéma 3/1 – Variation du volume solaire

L'appoint (11)

Il est raccordé en série avec le stockage solaire, il doit donc résister à des températures élevées.

Dans le cas contraire, il faudra prévoir un mitigeur spécifique solaire sur son entrée d'eau, réglé à la température maximale qu'il peut accepter.

Une soupape de sécurité sanitaire (12) - qui résiste aux températures élevées de sortie des ballons solaires - doit être mise en place sur son entrée eau froide en s'assurant qu'elle ne puisse être isolée de la source de production de chaleur.

Le dimensionnement de l'appoint doit être prévu pour satisfaire 100% des besoins ECS, sans tenir compte des apports solaires qui sont parfois nuls au cours de la saison. Cela consiste à sélectionner un produit dont le rapport volume/puissance permet de satisfaire le besoin d'eau chaude sanitaire le plus contraignant soit :

• en instantané, semi-instantané ou semi accumulé : le débit de pointe et le débit horaire
• en accumulé : un volume correspondant au minimum aux besoins totaux journaliers et une puissance permettant de le réchauffer sur une période définie

Lors d'une intervention sur le volume de stockage solaire, la vanne (13) normalement fermée permet de le by-passer et utiliser ainsi l'appoint en venant directement l'alimenter avec le réseau d'eau froide.

Encadré 4 : Particularité d'un appoint électrique par accumulation

Pour stocker la totalité des besoins d'eau chaude sanitaire journaliers, plusieurs ballons peuvent être nécessaires, il convient alors de prévoir un local technique d'une dimension adaptée.

Afin de garantir une stratification optimum, il est préférable de raccorder les ballons en série. Cela revient « à empiler » les ballons les uns sur les autres comme s'il n'y en avait qu'un seul. Par principe, quelque soit le nombre de ballons connectés, le ballon où arrive l'eau préchauffée solaire est le plus froid, celui où est connecté le départ ECS, est le plus chaud (Cf. schéma 4/1).

Pour combattre les déperditions du bouclage ECS, il est préférable de prévoir un réchauffeur de boucle électrique autonome (A) comme représenté sur le schéma 4/1.

Il permet d'éviter un débit de retour plus froid dans le volume d'appoint au risque de « casser » sa stratification et ne plus assurer les 55°C minimum imposé à sa sortie.

Les vannes (B) normalement fermées permettent de bypasser un ballon d'appoint en cas d'intervention.



Schéma 4/1 – SCC avec 3 ballons d'appoint électrique

Le dimensionnement du volume d'appoint en accumulé doit correspondre au minimum au besoin d'eau chaude sanitaire journalier le plus fort de l'année. En effet, les résistances ne sont pas dimensionnées pour chauffer rapidement jusqu'à la consigne un manque de volume. Dans ce cas là, il est difficile de maintenir les 55°C en continu à la sortie de l'appoint et satisfaire l'arrêté du 30 novembre 2005 (résumé dans le chapitre V ci-après).

Pour éviter ce risque, les ratios de dimensionnement ou méthodes de calculs donnés par les organismes comme Promotelec ou Qualitel peuvent être majorées.

Le mitigeur thermostatique (14)

Sur une installation solaire, la température en sortie du ballon d'appoint peut être élevée (>80°C). Pour éviter tout risque de brûlure, le ou les mitigeurs thermostatiques situés entre l'appoint et les différents points de puisage devront être équipés d'une cartouche thermostatique spécifique solaire pour résister à de hautes températures.


La tuyauterie de distribution ECS (15)

La tuyauterie (15) située à la sortie de l'appoint est généralement en cuivre (ou en acier noir pour les diamètres importants) de façon à pouvoir résister à des températures élevées. Celle située après le mitigeur thermostatique (16) est protégée par la température de consigne de celui-ci. La distribution peut être réalisée en cuivre ou en PER.

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Guide solaire partie 1

Par Hervé SEBASTIA
Hervé SEBASTIA est expert en chauffage, eau chaude sanitaire, et énergies renouvelables concernant le marché du Collectif. Il est chargé de mission nouveaux marchés collectifs au sein du service marketing de la société ATLANTIC GUILLOT – www. atlantic-guillot.fr

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Prochaine Chronique d'Hervé SEBASTIA – Février 2012

Cet article riche en information a été découpé en deux parties. Cette première partie traite de l'approche théorique liée aux fondamentaux en matière de solaire collectif. La seconde partie paraîtra dès le mois prochain sur www.XPair.com. Seront développés des cas études pour mettre en avant toute l'importance de la détermination des besoins solaires, le dimensionnement et la sélection des différents composants et accessoires solaires, sans oublier d'aborder la productivité d'une installation solaire …