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Sommaire :

Les chauffe-eau solaires

Les différents types de circulation à l'intérieur d'un chauffe-eau solaire

Les caractéristiques importantes d'un chauffe-eau solaire

Les chauffe-eau solaires


L'énergie solaire est devenue un pilier majeur de la transition vers des solutions énergétiques durables. Parmi les multiples applications de cette ressource renouvelable, les chauffe-eau solaires se distinguent comme une alternative écologique et économique pour la production d'eau chaude sanitaire.

Ces systèmes exploitent le rayonnement solaire pour chauffer l'eau, offrant ainsi une gamme variée de technologies et de configurations adaptées à divers besoins. Des capteurs solaires thermiques aux chauffe-eau à circulation naturelle ou forcée, chaque type présente ses spécificités, avantages et limites, offrant ainsi un éventail de choix pour les consommateurs conscients de l'importance de réduire leur empreinte environnementale tout en optimisant leur confort quotidien. L’installation de chauffe-eau solaires doit tenir compte  de la nature de l’habitation, de l’emplacement, de sa taille, et de la quantité d’eau à chauffer.



Le chauffe-eau solaire individuel CESI


Le chauffe-eau solaire individuel (CESI) est un système destiné à la production d'eau chaude sanitaire grâce à l'énergie solaire. Conçu pour les besoins domestiques, le CESI est installé sur les toits ou les façades des habitations pour capter l'énergie solaire et la convertir en chaleur afin de chauffer l'eau.

Ce dispositif se compose généralement de capteurs solaires thermiques (collecteurs) et d'un ballon de stockage. Les capteurs solaires sont souvent des panneaux vitrés à circulation de fluide caloporteur (comme l'eau ou un mélange glycolé) qui absorbe la chaleur du soleil. Cette chaleur est ensuite transférée vers le ballon de stockage où l'eau froide est chauffée et conservée à une température adéquate pour être utilisée dans les différentes tâches quotidiennes nécessitant de l'eau chaude (douches, cuisine, etc.).
Schéma  chauffe-eau solaire individuel CESILe CESI peut fonctionner en complément d'une source d'énergie conventionnelle (électrique, gaz, etc.) pour pallier les périodes de faible ensoleillement et assurer ainsi un approvisionnement constant en eau chaude. Cependant, son efficacité dépend largement des conditions météorologiques et de l'ensoleillement de la région où il est installé.


Ce type de chauffage solaire est décrit comme la technologie de chauffe-eau la plus robuste et fiable pour les climats méditerranéens et tropicaux.



Le chauffe-eau solaire collectif CESC


Un chauffe-eau solaire collectif (CESC) est un système de chauffage d'eau qui utilise l'énergie solaire pour chauffer l'eau destinée à un usage collectif, tel que dans les immeubles résidentiels, les entreprises, les établissements publics ou les installations industrielles. Contrairement aux chauffe-eau solaires individuels utilisés pour une seule maison, le CESC est conçu pour répondre aux besoins en eau chaude d'un groupe plus important de personnes.


Ce système repose sur des panneaux solaires thermiques installés sur le toit ou dans un espace ouvert, généralement exposé au soleil. Ces panneaux captent l'énergie solaire et utilisent cette énergie pour chauffer un fluide caloporteur (généralement un mélange d'eau et d'antigel) circulant à l'intérieur des capteurs solaires. L'énergie thermique captée par les capteurs solaires est transférée à ce fluide, chauffant ainsi le liquide caloporteur.
Schéma chauffe-eau solaire collectif CESCEnsuite, ce liquide chauffé est acheminé vers un échangeur thermique situé dans un réservoir de stockage d'eau. Là, la chaleur est transférée à l'eau sanitaire proprement dite, chauffant ainsi l'eau qui peut ensuite être utilisée pour les besoins en eau chaude des utilisateurs finaux.

Les CESC sont souvent dimensionnés pour répondre aux besoins en eau chaude d'un grand nombre de personnes, ce qui en fait une solution écologique et économique pour chauffer l'eau dans des environnements collectifs. Ils contribuent à réduire la dépendance aux sources d'énergie non-renouvelables et peuvent être intégrés dans des systèmes de chauffage d'eau existants pour réduire la consommation d'énergie conventionnelle.



Le chauffe-eau solaire collectif individualisé


Un chauffe-eau solaire collectif individualisé est un système de chauffage d'eau qui combine les avantages des systèmes de chauffe-eau solaires collectifs avec la possibilité pour chaque unité de contrôler et de réguler sa propre consommation d'eau chaude.


Contrairement au chauffe-eau solaire collectif standard, où l'eau chaude est produite et stockée pour un usage collectif, le CESI introduit une individualisation de la consommation. Chaque unité ou chaque logement dans un bâtiment collectif équipé d'un CESI dispose de son propre compteur d'eau chaude et d'un système de régulation indépendant.

Le système CESI utilise des panneaux solaires thermiques installés sur le toit ou dans un espace bien exposé au soleil pour capter l'énergie solaire et chauffer un fluide caloporteur. Ce fluide chauffé est ensuite acheminé vers des échangeurs thermiques situés dans des réservoirs de stockage d'eau individuels pour chaque logement ou unité.
Schéma chauffe-eau solaire collectif individualiséChaque utilisateur peut ainsi contrôler sa propre consommation d'eau chaude, et la production d'eau chaude est individualisée pour chaque logement ou unité. Cela permet de mieux réguler la consommation d'énergie et d'eau chaude, en fonction des besoins spécifiques de chaque occupant, tout en bénéficiant des avantages d'un système solaire collectif.

Les CESI offrent une plus grande flexibilité et une meilleure gestion de la consommation d'eau chaude par rapport aux systèmes collectifs traditionnels, tout en continuant à utiliser l'énergie solaire pour réduire la dépendance aux sources d'énergie non-renouvelables et réduire les coûts énergétiques à long terme.

Ce type de système est souvent utilisé dans des immeubles résidentiels collectifs où l'individualisation de la consommation d'eau chaude est souhaitée pour offrir aux occupants un contrôle personnalisé sur leur utilisation d'eau chaude, tout en tirant parti des avantages environnementaux et économiques de l'énergie solaire.



Le chauffe-eau solaire collectif à appoint individuel


Un chauffe-eau solaire collectif à appoint individuel est un système de chauffage de l'eau utilisant l'énergie solaire comme source principale d'énergie pour chauffer l'eau. Contrairement à un chauffe-eau solaire individuel qui est conçu pour un seul foyer, le système collectif est dimensionné pour répondre aux besoins en eau chaude de plusieurs foyers ou utilisateurs, comme dans un immeuble résidentiel, un complexe d'appartements ou un quartier.

Schéma chauffe-eau solaire collectif à appoint individuelL'appoint individuel fait référence à un mécanisme supplémentaire intégré à chaque unité ou logement pour chauffer l'eau lorsque l'énergie solaire disponible n'est pas suffisante pour répondre à la demande. Cette solution individuelle garantit que chaque utilisateur a toujours accès à de l'eau chaude, même si l'énergie solaire seule ne suffit pas à couvrir leurs besoins.

Les différents types de circulation à l'intérieur d'un chauffe-eau solaire



La circulation naturelle


La circulation naturelle au sein d'un chauffe-eau est un processus par lequel l'eau se déplace à travers le système de chauffage sans avoir recours à des pompes ou à une force mécanique externe. Ce système repose sur le principe de la convection thermique, exploitant la différence de densité entre l'eau chaude et l'eau froide pour créer un mouvement naturel.


Voici comment fonctionne généralement la circulation naturelle dans un chauffe-eau :

  1. Collecte de la chaleur : Dans le cas des chauffe-eau solaires ou d'autres systèmes de chauffage à énergie renouvelable, des panneaux solaires ou des capteurs absorbent la chaleur du soleil. Cette chaleur est transférée à un fluide caloporteur (généralement un mélange d'eau et d'antigel) qui circule dans ces capteurs.

  2. Transfert de chaleur à l'eau : Le fluide caloporteur chaud transmet sa chaleur à l'eau du chauffe-eau via un échangeur de chaleur. L'eau froide, stockée dans le réservoir du chauffe-eau, est ainsi chauffée par ce transfert de chaleur.

  3. Phénomène de convection : Lorsque l'eau est chauffée, elle devient moins dense et plus légère. Cette eau chaude monte naturellement vers le haut du réservoir, tandis que l'eau froide, plus dense, descend pour prendre sa place et être à son tour chauffée. Ce processus de convection crée un mouvement continu de l'eau à l'intérieur du réservoir, sans nécessiter de pompes ou de dispositifs mécaniques.

  4. Stockage et utilisation de l'eau chaude : L'eau chaude ainsi stockée peut être utilisée pour les besoins domestiques, comme l'eau chaude pour les douches, les éviers, ou pour d'autres utilisations nécessitant de l'eau chaude.


La circulation naturelle est souvent utilisée dans les systèmes de chauffe-eau solaires pour exploiter l'énergie solaire de manière efficace, sans avoir besoin d'électricité pour alimenter des pompes. Cependant, elle peut également être intégrée dans d'autres types de chauffe-eau pour maximiser l'utilisation de la chaleur naturelle sans dépendre de mécanismes supplémentaires.



La circulation forcée


La circulation forcée dans un chauffe-eau est un système où l'eau est activement déplacée à travers le système à l'aide de pompes ou de mécanismes similaires. Contrairement à la circulation naturelle qui dépend de la convection thermique pour déplacer l'eau, la circulation forcée utilise une source d'énergie externe pour propulser l'eau à travers le système de chauffage.


Voici comment fonctionne généralement la circulation forcée dans un chauffe-eau :

  1. Pompes ou mécanismes de circulation : Un système de pompes est utilisé pour déplacer l'eau à travers les composants du chauffe-eau. Ces pompes peuvent être électriques ou fonctionner grâce à une autre source d'énergie, et elles sont contrôlées pour maintenir un flux constant d'eau à travers le système.

  2. Transfert de chaleur : De la même manière que dans la circulation naturelle, un fluide caloporteur chauffé, généralement par des panneaux solaires ou un autre système de chauffage, transfère sa chaleur à l'eau du réservoir via un échangeur de chaleur.

  3. Forçage du mouvement : Les pompes poussent activement l'eau chauffée à travers le système pour maintenir un flux continu. Cela permet de garantir un transfert de chaleur constant et une distribution uniforme de l'eau chaude dans tout le système.

  4. Stockage et utilisation de l'eau chaude : L'eau ainsi chauffée est stockée dans le réservoir et peut être utilisée selon les besoins domestiques pour l'eau chaude.


La circulation forcée est souvent utilisée dans les systèmes de chauffe-eau solaires où la convection naturelle peut être insuffisante en raison de la configuration du système, des besoins en chauffage plus importants ou pour garantir un contrôle précis du flux d'eau et du processus de chauffage. Elle nécessite cependant l'utilisation d'électricité ou d'une autre source d'énergie pour alimenter les pompes, ce qui peut augmenter la consommation d'énergie par rapport aux systèmes de circulation naturelle.

La circulation forcée au sein d'un chauffe-eau solaire se caractérise par 2 types de systèmes :

  • Thermosiphon ou monobloc : Ce mouvement de fluide est créé par convection naturelle due à une variation de la température et de la densité, induisant à une stratification de l’eau ( eau chaude en haut du réservoir et eau froide en bas du réservoir ). Lorsque le rayonnement solaire frappe le capteur solaire, la température du liquide augmente ainsi sa densité diminue, il devient plus léger et remonte automatiquement dans la partie supérieur du réservoir avant de se dirigé par circulation forcée dans le ballon d’eau chaude. Pour que ce phénomène de stratification de l’eau se produise, il est nécessaire d’avoir un séparation étroite entre les deux éléments principaux du CES ( le capteur et le dispositif de stockage ). Ce type de circulation est plus adapté aux régions à climat doux.

Schéma de thermosiphon ou monobloc

  • CES à éléments séparés : Contrairement à la thermosiphon, la circulation de l'eau se réalise artificiellement à l’aide d’une pompe ou d’un circulateur, basé sur un système de régulation. Ce régulateur permet de contrôler le fonctionnement du CES ainsi que la ou les températures en temps réel afin d’automatiser le démarrage ou l’arrêt de la pompe. Dû aux nombreux éléments mécaniques composant le système, il est très sensible aux zones froides à fort risque de gèle. Pour éviter l’arrêt complet du CES, il n’est pas rare de devoir ajouter un antigel au fluide caloporteur.

Schéma de CES à éléments séparés

Les caractéristiques importantes d'un chauffe-eau solaire



Le système d'échange


Le système d'échange dans un chauffe-eau désigne un mécanisme qui permet le transfert de chaleur d'une source (comme les panneaux solaires, un système de chauffage central, etc.) à l'eau stockée dans le réservoir du chauffe-eau.


Il existe généralement deux types d'échangeurs de chaleur utilisés dans les chauffe-eau :

  • Échangeur de chaleur à plaques : C'est un dispositif constitué de plaques métalliques empilées les unes sur les autres, permettant un transfert efficace de la chaleur entre deux fluides sans qu'ils se mélangent. L'eau stockée dans le réservoir circule d'un côté de l'échangeur de chaleur tandis que le fluide chauffé (comme l'eau chaude provenant des capteurs solaires) circule de l'autre côté. La chaleur se transfère à travers les plaques de l'échangeur, chauffant ainsi l'eau stockée dans le réservoir.

  • Échangeur de chaleur à serpentin : Ce type d'échangeur consiste en un serpentin de tubes métalliques situé à l'intérieur du réservoir d'eau chaude. L'eau provenant de la source de chaleur (par exemple, l'eau chauffée par des panneaux solaires) circule à travers ces tubes, chauffant l'eau stockée dans le réservoir qui entoure le serpentin.


L'objectif principal de ces échangeurs de chaleur est d'assurer un transfert efficace de la chaleur de la source externe vers l'eau stockée dans le réservoir du chauffe-eau. Cela permet de chauffer l'eau pour répondre aux besoins domestiques en eau chaude sanitaire, que ce soit pour la douche, les éviers, la lessive, etc.



Le système d'expansion


Le système d'expansion dans un chauffe-eau fait référence à un dispositif conçu pour gérer les variations de volume de l'eau lorsqu'elle est chauffée. Lorsque l'eau est chauffée, elle se dilate, occupant davantage d'espace. Un système d'expansion est donc nécessaire pour compenser cette augmentation de volume afin d'éviter une pression excessive à l'intérieur du chauffe-eau, ce qui pourrait endommager le système ou créer des fuites.


Il existe principalement deux types de systèmes d'expansion utilisés dans les chauffe-eau :

  • Système d'expansion ouvert : Dans ce système, une partie du réservoir d'eau chaude est réservée à l'expansion de l'eau chauffée. Un petit réservoir ouvert, souvent appelé vase d'expansion, est connecté au chauffe-eau. Lorsque l'eau chauffée se dilate, une partie de celle-ci est dirigée vers ce vase d'expansion où elle peut s'accumuler sans augmenter excessivement la pression à l'intérieur du système. Ce type de système est souvent utilisé dans les chauffe-eau solaires.

  • Système d'expansion fermé : Ce système utilise un dispositif de contrôle de pression, tel qu'un réservoir d'expansion scellé ou un dispositif de dilatation thermique, pour gérer l'expansion de l'eau chauffée sans que cette dernière entre en contact avec l'air extérieur. L'eau chauffée pousse sur un diaphragme ou une membrane flexible à l'intérieur du réservoir d'expansion, comprimant un gaz ou un fluide incompressible. Cela permet de compenser l'augmentation de volume de l'eau sans affecter la pression du système.


Le système d'expansion est crucial pour maintenir la sécurité et l'efficacité du chauffe-eau en évitant des niveaux de pression dangereux à l'intérieur du réservoir. Un bon équilibrage de l'expansion thermique de l'eau est nécessaire pour garantir le bon fonctionnement du chauffe-eau et prévenir les dommages potentiels causés par une pression excessive.



La disposition des composants


La disposition des composants au sein d'un chauffe-eau varie en fonction du type spécifique de chauffe-eau. Cependant, voici une disposition générale des principaux composants que l'on retrouve souvent dans un chauffe-eau domestique :

  1. Réservoir d'eau chaude : C'est le composant principal qui stocke l'eau chauffée pour un usage domestique. Il peut être fabriqué en acier émaillé, en acier inoxydable ou en d'autres matériaux résistants à la corrosion. Le réservoir peut avoir différentes capacités en fonction des besoins en eau chaude de l'utilisateur.

  2. Élément chauffant : Dans les chauffe-eau électriques, un ou plusieurs éléments chauffants sont utilisés pour chauffer l'eau. Ces éléments sont immergés dans l'eau du réservoir et fonctionnent à l'électricité pour produire de la chaleur.

  3. Isolation thermique : Pour minimiser les pertes de chaleur, le réservoir est souvent enveloppé d'une isolation thermique. Cela aide à maintenir l'eau à une température constante, réduisant ainsi la quantité d'énergie nécessaire pour la chauffer.

  4. Échangeur de chaleur : Dans les chauffe-eau solaires ou d'autres systèmes de chauffage à énergie renouvelable, un échangeur de chaleur est utilisé pour transférer la chaleur de la source (par exemple, des capteurs solaires) à l'eau stockée dans le réservoir. Cela peut être un échangeur à plaques ou un serpentin situé à l'intérieur du réservoir.

  5. Système de distribution d'eau : Le chauffe-eau est équipé de conduites pour l'entrée d'eau froide et la sortie d'eau chaude. Ces conduites permettent de distribuer l'eau chauffée vers les points d'utilisation (robinets, douches, etc.) dans la maison.

  6. Dispositif de sécurité et de régulation de température : Les chauffe-eau sont équipés de dispositifs de sécurité tels que des soupapes de sécurité, des thermostats et des dispositifs de coupure en cas de surchauffe pour garantir un fonctionnement sûr et éviter les accidents.


La disposition précise de ces composants peut varier en fonction du type de chauffe-eau (électrique, solaire, à gaz, etc.), de sa capacité, de sa conception spécifique et des normes de sécurité applicables. Certains chauffe-eau peuvent également avoir des composants supplémentaires tels que des systèmes de régulation électronique, des anodes sacrificielles pour prévenir la corrosion, etc.

 

Les systèmes d'appoints


Un système d'appoint au sein d'un chauffe-eau est un dispositif intégré qui fournit une source de chauffage supplémentaire pour l'eau lorsque la source principale de chauffage, telle que l'énergie solaire, n'est pas suffisante pour atteindre la température désirée ou répondre à la demande en eau chaude.


Il existe plusieurs types de systèmes d'appoint dans les chauffe-eau :

  • Résistance électrique : Dans les chauffe-eau électriques, une résistance électrique est utilisée comme système d'appoint. Lorsque la température de l'eau descend en dessous d'un seuil prédéfini ou lorsque la demande en eau chaude est élevée, cette résistance électrique se met en marche pour chauffer l'eau dans le réservoir.

  • Brûleur à gaz ou à fioul : Les chauffe-eau à gaz ou à fioul peuvent être équipés d'un brûleur en tant que système d'appoint. Ce brûleur est activé lorsque la température de l'eau descend en dessous du réglage désiré ou lorsque la source principale de chauffage (comme un chauffe-eau solaire) n'est pas suffisante pour répondre à la demande.

  • Échangeur de chaleur avec une chaudière : Certains chauffe-eau peuvent être connectés à une chaudière centrale pour servir de système d'appoint. Lorsque nécessaire, l'eau de la chaudière peut être utilisée pour chauffer l'eau dans le réservoir du chauffe-eau.


Le système d'appoint assure que l'eau reste à une température désirée et disponible en quantité suffisante, même lorsque la source principale de chauffage ne peut pas fournir toute l'énergie nécessaire. Cela garantit un approvisionnement constant en eau chaude, réduisant ainsi les risques de pénurie d'eau chaude dans les situations où la demande est élevée ou lorsque les conditions climatiques ne permettent pas une utilisation optimale de la source principale de chauffage, comme c'est par exemple souvent le cas pour les chauffe-eau solaires en période de mauvais temps.