Solaire thermique collectif : l'autovidangeable

Par Daniel MUGNIER – Responsable R&D TECSOL SA,
et Edwige GAUTIER– Coordinatrice de projets à ENERPLAN et responsable du programme SOCOL

La technique dite "autovidangeable" est une mise en œuvre de la captation solaire thermique de plus en plus appliquée en France. Cette solution technique possède de nombreux atouts; elle nécessite cependant un certain nombre de précautions dans sa conception, son installation et sa mise en service. En respectant les règles de l’art, l’autovidangeable donne des résultats en termes de performance et fiabilité très élevés, comme c’est le cas pour l’exemple présenté ci-après…

Grâce au programme SOCOL (www.solaire-collectif.fr) et à l’ambitieux plan de filière chaleur solaire collective, de nombreux guides et outils sont disponibles sur le site SOCOL pour réussir un projet en solaire thermique collectif, parmi lesquels une fiche sur l’autovidangeable.

Par ailleurs, toutes les actions menées pour un solaire thermique compétitif et performant en France et en Europe seront développées et débattues lors des prochains Etats généraux de la chaleur solaire. Ce rendez-vous annuel incontournable de la filière est organisé par ENERPLAN, syndicat des professionnels de l'énergie solaire, le 20 octobre 2015 à Nantes, en partenariat avec Atlansun et le soutien de l’ADEME et GrDF.

Cette technique est née en Europe du Nord, où elle s'est développée à l'origine car elle permettait de se passer d’antigel. En France, elle se développe de manière croissante ces dernières années, dans le but de mieux gérer la surchauffe dans les capteurs. Elle est adaptée à tous types d'installations, particulièrement conseillée lorsque l'installation est à usage intermittent.
Les avantages et contraintes de cette technologie sont présentées ci après et peuvent être retrouvées dans une fiche ad hoc disponible sur le site SOCOL dans la rubrique Outils (www.solaire-collectif.fr/fr/les-outils.htm). Le texte de cette fiche a été rédigé grâce à l’apport collaboratif des membres actifs du groupe technique de SOCOL.

1.1 Principe de fonctionnement du solaire autovidangeable
Le circuit primaire contient un liquide caloporteur (eau glycolée ou eau). Ce circuit est sous pression et étanche à l’air.

• Au repos, le fluide caloporteur est dans la partie inférieure de l’installation et les capteurs solaires ne contiennent que de l’air ;
• Au démarrage de l’installation, le système de transfert (pompe de circulation) envoie le fluide caloporteur dans la partie haute de l’installation. Le volume d’air contenu dans les capteurs (et dans les tuyauteries hautes) est chassé par le fluide arrivant vers la partie supérieure de l’installation. Cet air est recueilli dans un réservoir de récupération (un ballon tampon équivalent à un vase d’expansion sans membrane), qui va recevoir et isoler l’air du circuit. Après cette phase d’amorçage de quelques minutes, le système, alors entièrement en fluide dans sa partie opérationnelle, collecte l’énergie solaire pour la transmettre aux systèmes de stockage et de distribution.
• Lorsqu’il n’y a plus d’énergie solaire récupérable (plus d’échange significatif au niveau de l’échangeur), la pompe primaire s’arrête. Par la simple gravité, le liquide caloporteur, jusque là maintenu en circulation en partie haute par la pression dynamique de la pompe, redescend en partie basse : l'air remonte dans les capteurs.

1.2 Fonctionnement de l’autovidangeable en collectif : principe technique

Crédit photo SOCOL

1.3 Points forts du solaire autovidangeable
1. L’autovidangeable simplifie la maintenance préventive :
- Le vase d’expansion : l’autovidangeable permet la suppression de cet organe et sa maintenance associée.
- Le purgeur en point haut (ou séparateur d'air en ligne sur le réseau) : la technique autovidangeable ne nécessite pas la mise en place de purgeurs
- Les clapets anti-retours : une installation autovidangeable ne requiert pas l’emploi de clapets anti-retour.
- La pression du système : l'absence de pression limite l'éventualité de fuites.

2. L’autovidangeable simplifie la maintenance curative:
Le circuit, à l’arrêt, est hors pression, ainsi :
- Une intervention en partie haute de l’installation ne requiert pas la nécessité d’une vidange ou d’une mise hors pression.
- Une intervention en partie basse de l’installation ne requiert pas la nécessité d’une vidange totale de l’installation : un simple isolement du circuit considéré est souvent suffisant pour intervenir.
- Si une vidange de l’installation est nécessaire en maintenance, la remise en fluide se fait le plus souvent «par gravité» sans emploi de pompe ni de protocole de purge.

3. L'autovidangeable permet une maîtrise simple des excédents d'énergie
- Lorsqu’il n'y a plus d'apport solaire récupérable, le fluide caloporteur redescend par gravité : il reste alors au maximum 5% de reliquat de fluide dans les capteurs, donc sujet à vaporisation éventuelle.
- Le système limite la détérioration de l’eau glycolée (polymérisation, etc..). On peut se passer de systèmes de refroidissement ou aérothermes.

Crédit photo SOCOL

• Précautions spécifiques au niveau de la tuyauterie (assurance d'une vidange complète) :
  - pente de 1 à 2% conseillée voire nécessaire (selon fabricant) entre les capteurs et le réservoir « liquide/air », surtout si le circuit est rempli en eau ;
  - niveau bas des capteurs situé au-dessus du point haut du réservoir ;
  - absence de point bas et de siphon entre les capteurs et le réservoir.

• Réservoir de vidange devant être soit « associé » à l’ensemble pompe régulation (donc situé dans la chaufferie), soit « dissocié » et placé entre capteurs et chaufferie (dans la colonne ou sous les capteurs en terrasse) : le positionnement du réservoir est étroitement lié au choix de la pompe, sa position et sa régulation, pour assurer un bon fonctionnement et éviter tout risque de cavitation (voir notice fabricant ou conception BET spécialisé) ;
• Système devant être étanche à l’eau et si possible un maximum étanche à l’air (étanchéité parfaite et totale à l’air complexe dans le temps). Utilisation de raccords coniques métalliques conseillée, soudage parfois recommandé par certains fabricants ;
• Choisir des capteurs vidangeables, les batteries de capteurs devant être pleinement  vidangeables, les capteurs eux-mêmes et les raccords inter-capteurs ne devant autoriser aucune rétention éventuelle de poche de fluide dans leur hydraulique interne à l'arrêt de la pompe (surtout si l’eau est utilisée comme fluide caloporteur). Certains types de capteurs ou certains raccords sont inadaptés (voir fabricants) ;
• Toujours utiliser des joints spécifiques à l’autovidangeable.(qui supportent l'alternance sec/humide).

NB : on peut obtenir une amélioration des performances en cas de remplacement du fluide (glycolé) par de l'eau MAIS ATTENTION au risque de gel : à mettre en œuvre uniquement si assurance d'une parfaite vidangeabilité de toutes les batteries de capteurs solaires.

Dans un prochain article, nous présenterons les spécificités de l’autovidangeable au niveau de la conception, de la mise en œuvre et en termes de mise en service avec une procédure de remplissage à la fois simple mais particulière…

Quelle meilleure façon de montrer l’intérêt de l’autovidangeable que de montrer un exemple concret et réel, mesuré et qui donne satisfaction à son maître d’ouvrage. C’est le cas du Foyer d’accueil médicalisé (F.A.M) des Pardalets à Los Masos (66) près de Perpignan. Depuis quelques années, ses charges liées à ses consommations d’ECS augmentent fortement et proportionnellement aux prix du fioul. Les installations solaires, comme celle des Pardalets, permettent à l'association Joseph Sauvy de maîtriser ses charges grâce à une énergie propre et gratuite.

              Le champ de capteurs des Pardalets                                         Le ballon solaire (© TECSOL)

Voici les détails techniques de cette installation qui a pour vocation de couvrir la moitié des besoins utiles en eau chaude sanitaire de l’établissement :

Source SOCOL

Le schéma hydraulique utilisé est de type autovidangeable (schéma hydraulique disponible et téléchargeable sur le site SOCOL rubrique « Technologies ») avec échangeur séparé et 2 ballons de stockage solaire de 1 000 litres en série.
Le suivi des performances fait l’objet depuis 2014 d’un télésuivi et d’une GRS (Garantie de Résultat Solaire) sur 5 ans, tous deux orchestrés par le bureau d’études TECSOL. La production solaire pour la première année de suivi des performances est de 28% supérieure aux résultats attendus pour la période août 2014 à août 2015.

Bilan télésuivi GRS sur la première année de fonctionnement (© TECSOL)

Et le plus convaincant est l’observation de l’adaptabilité du système en période estivale pour cet établissement qui voit sa consommation d’ECS journalière osciller entre 3000 et 5000 litres par jour à 60°C alors que l’ensoleillement dans les Pyrénées Orientales à cette époque de l’année est particulièrement généreux.
L’autovidangeable permet alors une inégalable flexibilité de la production solaire qui s’adapte totalement aux besoins. Le 28 juillet 2015, l’établissement a consommé 2700 litres en ce début de semaine (un mardi) et les pompes solaires ont fonctionné 9 heures entre10 et 19h.

Profil de température à 10 minutes issus du télésuivi de l’installation solaire (© TECSOL)

Quelques jours plus tard, le mercredi 5 août 2015, alors que l’établissement est passé en mode « congés estivaux » avec une réduction importante du nombre de résidents et une consommation d’eau chaude tombée à 500 litres/jour, le système solaire n’a fonctionné que 5 heures entre 9 et 14h montant les ballons solaires à 85°C dès le milieu de journée.

Profil de température à 10 minutes issus du télésuivi de l’installation solaire (© TECSOL)

Du coup, cette énergie solaire stockée a été utilisée graduellement pour satisfaire les besoins de l’établissement durant les 2 jours suivants quasi sans avoir à redémarrer l’installation solaire et tout en protégeant celle-ci des conséquences de surchauffes du fluide caloporteur. Il apparaît pour cet exemple que la mise en œuvre autovidangeable est une solution très intéressante alors que les besoins en eau chaude des bâtiments sont et seront de plus en plus variables et pour certains dans une logique de baisse irrémédiable. La fiche pratique de cette installation peut être téléchargée sur le site SOCOL.

Enerplan organise, en partenariat avec Atlansun et le soutien de l’ADEME et GrDF, les Etats Généraux de la Chaleur Solaire, mardi 20 octobre 2015 à Nantes, Cité des Congrès.
Les intervenants institutionnels (DGEC, ADEME, USH, Régions…) et professionnels (fabricants, bureaux d'études, installateurs, sociétés de maintenance…) seront nombreux pour informer et débattre à l'occasion de tables rondes, sur les sujets qui animent la filière solaire thermique française aujourd'hui :

• Plan de progrès SOCOL, relancer le marché par la confiance
• Plan de conquête SOCOL, ouvrir de nouveaux marchés
• La chaleur solaire au service de la transition énergétique
• L’innovation au service de la chaleur solaire
• Affichage énergétique des systèmes solaires, application des Directives Ecodesign et Labelling
• Réduire l’empreinte carbone et la dépendance énergétique des territoires
• Le programme de la manifestation est téléchargeable ici :  Programme
• Pour en savoir plus sur cet évènement, écrivez-nous à contact@enerplan.asso.fr
• Pour vous inscrire : Inscription
• NB : un séminaire technique "solaire et PAC" se tiendra le 21 octobre, également à Nantes, organisé par l'INES – CEA Tech en partenariat avec Enerplan : Plus de renseignements

Par Daniel MUGNIER - Responsable R&D TECSOL SA,
et Edwige Gautier - Coordinatrice de projets à ENERPLAN et responsable du programme SOCOL

SOURCES ET LIENS

• www.tecsol.fr
• www.solaire-collectif.fr
• www.ines-solaire.org
• www.enerplan.asso.fr

AUTRE CHRONIQUE de Daniel MUGNIER

• Chaleur solaire collective : relancer le marché par la confiance