Chauffage solaire thermique des habitations

Part de marché du solaire thermique - Market share of thermal solar technology

Le solaire thermique ne représente qu'un faible pourcentage de 0.04% dans le monde. La surface de panneaux solaires thermiques installée en France en 2006, était de l'ordre de 600.000 m².

Generalités - Generalities

Les systèmes thermiques solaires basse température et de petite échelle peuvent fournir la chaleur pour le chauffage des habitations ou de l'eau chaude sanitaire. Les principaux composants peuvent être installés dans différents types de systèmes incluant toujours une capacité de stockage d'eau chaude.

Small scale, low temperature solar thermal systems can supply heat for heating housings and domestic hot water. The main components can be installed in various kinds of systems, always including a hot water storage capacity.

Le système le plus simple d'eau chaude sanitaire est le thermo-siphon monobloc, aisé à installer et à mettre en fonctionnement. Les systèmes à circulation naturelle (thermi-siphon avec collecteur séparé et zones de stockage) fonctionne sans l'aide d'aide d'une quelconque pompe ou station de contrôle. Les systèmes à circulation forcée sont plus complexes et peuvent également couvrir le domaine du chauffage des locaux. La plupart des systèmes utilisent un appoint de chauffage à partir de biomasse (pellets), de combustile fossile ou d'électricité dans les pays industrialisés, mais dans les pays en développement, les réchauffeurs d'eau solaires sont souvent la seule source d'eau chaude. Dans les régions où le gel peut être un problème, les collecteurs sont généralement protégés par un circuit d'eau sous pression; parée avec des additifs et des échangeurs de chaleur. Une autre technique contre le gel et la surchauffe tout à la fois consiste à vidanger les installations, et l'eau est évacuée par gravitation à partir des collecteurs dès lors qu'apparait un risque quelconque de congélation ou d'ébullition de l'eau.

The simplest type of domestic hot water system is the thermo siphon monobloc, easy to install and get in operations. Natural flow systems (thermo siphon with separate collector and storage areas) work without any need for pumps or control stations. Forced circulation systems are more complex, and can cover also space heating. Most systems use a back-up from biomass (pellets), fossil fuel or electricity in industrialised countries, but a majority of systems in developing countries, solar water heaters are often the sole source of hot water. In areas where freeze might be an issue, the collectors are usually protected using a separate pressurized water circuit with additives and heat exchangers. Another technique against freeze and overheating altogether is drain back systems, where the water is evacuated by gravitation from the collectors if it risks freezing or boiling.

Selon l'endroit, l'eau chaude sanitaire peut représenter une part importante des marchés du gaz naturel ou électrique. Par exemple en Afrique du Sud, le chauffage de l'eau sanitaire compte pour une moyenne de 30-50% dans les factures d'électricité des ménages. Des systèmes appropriés de chauffage solaire de l'eau ont le potentiel d'économiser jusqu'à 70% sur les coûts de chauffage électrique de l'eau et jusqu'à 40% sur le total des coûts d'électricité des ménages (DME, 2002).

Depending on location, sanitary hot water may represent significant share of electric or natural gas markets. For example, in South Africa water heating accounts for an average of 30-50% of household electricity bills.Appropriate solar water heating systems have the potential to save up to 70% on water heating electricity costs and up to 40% on total household electricity costs (DME, 2002).

Principe de fonctionnement - Operating principle

Le rayonnemement de l'énergie solaire est capté, transformé en chaleur, chaleur transmise au fluide caloporteur grâce à un panneau solaire puis stockée dans une capacité tampon. Un système de chauffage d'appoint permet de compenser les fluctuations journalière et annuelle du rayonnement solaire.

Solar energy is collected by solar panels and stored in a buffering tank. An auxiliary heating system compensates up daily and annual fluctuations in solar radiation.

Schéma typique d'un système de production d'eau chaude par chauffage solaire - Typical scheme of a domestic water solar heating system

Les différents types de panneaux solaires thermiques - Various types of solar thermic pannels

Les capteurs non vitrés

Les capteurs non vitrés sont constitués de longs tubes noirs (la couleur qui piège le mieux la chaleur) en plastique ou métal, dans lesquels circule de l’eau. Ils ne sont pas isolés, l’élévation de température obtenue se révèle donc faible : +20 °C par rapport à la température de l’air. Ces capteurs sont utilisés par exemple pour chauffer les piscines. Les capteurs non vitrés représentent 3 % des capteurs installés dans l’Union européenne en 2006.

Les capteurs plans

Les capteurs plans sont composés d’une plaque et de tubes métalliques en cuivre qui constituent l’absorbeur. L’absorbeur reçoit le rayonnement solaire et s’échauffe. Scellé dans un coffre rigide, sa partie supérieure vitrée laisse pénétrer la chaleur et la retient comme dans une serre grâce à l'isolation du caisson. À l’intérieur des tubes métalliques, un liquide caloporteur - de l'eau ou un mélange de monopropylène glycol (antigel) et d'inhibiteurs de corrosion - s’échauffe et se dirige vers un ballon de stockage. La chaleur est ensuite distribuée soit vers le circuit de chauffage, soit vers le circuit d'eau chaude sanitaire.

Avantages / inconvénients :

• Facile à mettre en œuvre, permet une meilleure intégration en toiture,
• Moins cher que les capteurs sous vide,
• Température de chauffe : 50 à 80 °,
• Rendement meilleur l'été.

C’est la solution la mieux adaptée pour produire de l’eau chaude domestique ou chauffer des bâtiments. Les capteurs plans vitrés représentent 89 % de l’ensemble des capteurs installés dans l’Union européenne en 2006, soit 3 millions de mètres carrés.

Les tubes caloporteurs du capteur sont disposés soit en parallèle (grand débit, faible ΔT) soit en serpentin (faible débit, grand ΔT).

Capteur plan vitré à tubes caloporteurs en parallèle	Capteur plan vitré à tube caloporteur  en serpentin
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Les capteurs sous vide

Un capteur solaire sous vide est constitué d'une série de tubes de verre dans lesquels passe un tube collecteur de chaleur. La paroi des tubes est double, comme celle d'une bouteille thermos, et on y fait le vide. A l'intérieur, le tube est recouvert d'une substance qui absorbe les rayons du soleil (nitrure d'aluminium). L'effet thermos obtenu permet d'obtenir un meilleur rendement l'hiver car la chaleur est piégée à l'intérieur du tube grâce à de très faibes pertes par convection.

Avantages / inconvénients:

• Température de chauffe au delà de 100 °C - 120° C,
• Meilleur rendement l'hiver : les panneaux réagissent mieux à un ensoleillement diffus,
• Moins sensible à une exposition imparfaite : les réflecteurs captent la lumière sous des incidences non optimales,
• Plus cher à l'achat que les capteurs plans,
• Technologie aussi employée pour le froid solaire (en laboratoire).

Ces capteurs sont adaptés aux applications industrielles nécessitant de hautes températures (nettoyage d’abattoirs, pasteurisation de conserves, etc.) Les capteurs sous vide représentent 8 % des capteurs installés dans l’Union européenne en 2006.