Calcul de l’expansion en chauffage, climatisation et installations solaires

Chauffe-eaux solaires avec flux de retour

Le système de flux de retour correspond globalement au système à surpression.

La principale différence est que ce système dispose d'un vase de flux de retour dans lequel le fluide reflue du collecteur dès que la pompe de circulation cesse de fonctionner. Cela empêche le collecteur de geler et de surchauffer.

Ce système est donc très apprécié pour cette raison, mais présente l'inconvénient de nécessiter un espace suffisant pour l'installation du vase. Par ailleurs, une pompe de circulation plus puissante est nécessaire pour récupérer l'eau qui se trouve dans le vase de flux de retour.

Pour cette raison, il est indispensable d'installer le vase de flux de retour le plus près possible du collecteur, mais en dessous du niveau de celui-ci. Toutes les conduites doivent également être placées de manière inclinée pour veiller à ce que l'eau soit intégralement rejetée avec le flux de retour, et que tout l'air soit réellement expulsé du système lors du remplissage de ce dernier. Ce système ne requiert qu'un très petit, voire aucun vase d'expansion, car cette installation dispose d'une bulle d'air qui maintient les changements de volume dans les limites de pression établies.

L'un des avantages de ce système est qu'il peut, si nécessaire, être rempli d'eau distillée, ce qui permet d'utiliser un échangeur de chaleur à paroi simple pour chauffer l'eau domestique. Cela accroît l'efficacité de l'installation.

Installation de chauffe-eau solaire à surpression

Le système le plus fréquemment utilisé en Europe est l'installation de chauffe-eau solaire à surpression, qui est remplie d'un mélange d'eau et de glycol.

Ce mélange convient pour les températures de service élevées des systèmes solaires qui fonctionnent à une pression située entre 3 et 10 bars.

Un système solaire dispose d'un certain nombre de composants qui sont importants pour la sélection du vase d'expansion :

• le collecteur
• la soupape de sécurité
• la pompe de circulation
•  le vase tampon à chaleur/l'échangeur de chaleur

Bien entendu, tous les autres composants sont également importants, mais ils ont une moins grande influence sur la sélection du vase d'expansion.

Le vase d'expansion assure le maintien de la pression

Nous supposons que l'installation est intrinsèquement sûre conformément à la norme DIN 4757-1.

Autrement dit, il s'agit d'une installation complètement scellée qui fonctionne dans toutes les conditions de fonctionnement logiques. À cet égard, le vase d'expansion joue un rôle important pour le maintien de la pression. La pression ne doit pas devenir trop élevée en cas d'arrêt de la circulation au sein du collecteur, mais elle ne doit également pas descendre trop bas lorsque la température extérieure est en dessous du point de congélation. Les fluides contenus dans les systèmes solaires présentent un coefficient d'expansion élevé ; de plus, la température peut facilement varier de 150°C en un an. Un vase d'expansion doit donc être calculé en conséquence.

Le principe de l'installation solaire en question est un système fermé qui est entièrement rempli de liquide. La chaleur présente dans le collecteur est absorbée par le liquide, et est ensuite libérée dans l'échangeur de chaleur du chauffe-eau. Si la chaleur fournie est inférieure ou égale à la chaleur requise, le système fonctionne dans une plage de température d'environ 80 – 100°C. L'expansion et la contraction du liquide sont déterminées dans le champ de fonctionnement par la quantité de rayonnement solaire et par la température présente dans le chauffe-eau.

Dès que le fluide du chauffe-eau a atteint la température désirée, la circulation s'arrête. Le fluide présent dans le collecteur se réchauffe alors, jusqu'à ce qu'il se transforme en vapeur. Le fluide contenu dans une installation solaire est essentiellement composé d'eau et de glycol. Bien que le (propylène) glycol résiste aux températures élevées, il cause des dommages irréparables à la structure à une température de plus de 150°C. Ce dernier peut également avoir un effet agressif sur les composants de l'installation.

C'est pourquoi il est important de maintenir la température en dessous de 150°C.

Pour y parvenir, la pression du système est maintenue extrêmement basse, de sorte que le fluide se transforme en vapeur bien en dessous de cette température. Dès que le collecteur est empli de vapeur, pratiquement toute la chaleur a été transférée, et la température à l'intérieur de l'installation cesse d'augmenter.

Plus la pression est faible, plus la formation de vapeur sera rapide. Ainsi, un mélange d'eau et de glycol dans un rapport 60/40 se transforme en vapeur lorsque la pression du collecteur est de 5 bars, et la température de 160°C. Si la pression du collecteur est d'environ 2,5 bars, le fluide se transforme en vapeur à 140°C.

L'influence du collecteur sur la taille du système d'expansion

Il existe de nombreux modèles de collecteurs, y compris des variantes au sein desquelles le liquide est rapidement contraint de sortir du collecteur au cours de la transformation en vapeur, et d'autres dans lesquelles cette opération s'effectue extrêmement lentement.

Plusieurs schémas généraux de ces types de collecteurs sont représentés sur la droite. Les trois premiers collecteurs sont pourvus d'un raccord de retour en bas, et d'un raccord de circulation en haut. Lors de la transformation en vapeur, le liquide est tout simplement repoussé vers le bas pour que seule une petite quantité de liquide soit transformée en vapeur.

Dans les trois derniers collecteurs, le flux de retour du liquide est entravé par la bulle de vapeur créée au-dessus du collecteur. Cela permet de transformer une très grande quantité de liquide en vapeur, et cette dernière possède un volume beaucoup plus important que le liquide.

Par conséquent, ce volume doit pouvoir être absorbé quelque part au sein de l'installation : le vase d’expansion.

La soupape de sécurité

La soupape de sécurité protège l'installation contre toute pression inadmissible. La pression d'ouverture de la soupape ne doit donc pas être supérieure à la pression admissible des autres composants.

Le vase d'expansion veille à ce que la soupape de sécurité reste toujours fermée, et que la pression maximale dans le collecteur soit limitée. Cela permet d'empêcher que la température du mélange eau/glycol ne devienne trop élevée.

Installations de chauffe-eau solaire pourvues de collecteurs non vitrés

Une autre variante des installations de chauffage solaire à surpression est une installation qui utilise des collecteurs non vitrés. Les collecteurs non vitrés sont utilisés dans des situations où les températures élevées ne sont pas nécessaires ni désirées, comme la régénération de sources provenant de la terre pour les pompes à chaleur, le chauffage de l'eau des piscines, une source de chaleur pour les systèmes de tampon contre la glace ou un pré-chauffage pour l'eau chaude domestique ou l'eau chaude de traitement.

Les avantages et les inconvénients Les collecteurs non vitrés présentent plusieurs avantages : ils offrent un meilleur rendement à de plus faibles températures, ils sont faciles à installer, le liquide du collecteur ne surchauffe pas et l'installation peut être ajoutée sur une construction de toiture ou de façade. Leur inconvénient est que leur efficacité diminue lorsque l'installation est exposée à des éléments météorologiques tels que le vent, et lorsque le système est utilisé pour générer des températures élevées.

Le modèle

Cette installation existe dans différents modèles. Ainsi, il est possible d'opter pour des tuyaux souples en polyéthylène, des échangeurs de chaleur spéciaux fabriqués en polyéthylène, des tuyaux sous la toiture des toits plats, ou encore des tuyaux ou des conduites rigides en dessous de panneaux en aluminium ou en zinc. Enfin, il est également possible d'obtenir des panneaux plein débit en acier inoxydable pourvus d'un revêtement spécial qui absorbe la plus grande quantité de lumière du soleil possible, et qui irradie le moins de chaleur possible. Le choix d'un modèle particulier dépendra de l'efficacité désirée. Par exemple, les panneaux en acier inoxydable présentent un rendement élevé, contrairement aux installations conçues en polyéthylène.

Le matériel d'expansion

En fonction de leur type et de l'endroit où ils sont installés, les collecteurs non vitrés fonctionnent dans une plage de température allant de ±4 à 50°C pendant une opération normale. Ces installations sont calculées comme les installations de chauffage eau chaude normales, en tenant compte de la différence entre la température de remplissage, la température extérieure minimale et l'emplacement du vase d'expansion. Ce vase d'expansion peut être installé en aval de la pompe.