Chauffages solaires

Un chauffage solaire est un dispositif qui utilise l'énergie du soleil pour chauffer l'air, l'eau ou d'autres liquides. Il s'agit d'une alternative écologique et rentable aux systèmes de chauffage traditionnels, qui utilisent des combustibles fossiles contribuant à la pollution de l'air et aux émissions de gaz à effet de serre. Cet article présente la conception et le principe de fonctionnement des chauffe-eau solaires et des chauffages d'appoint solaires, les différents types de capteurs solaires, ainsi que les avantages et les inconvénients de l'installation d'un chauffe-eau solaire.

Table des matières

• Chauffe-eau solaire
• Types de capteurs utilisés dans les chauffe-eau solaires
• Chauffage solaire
• Chauffages solaires passifs et actifs
• Avantages du chauffage solaire
• Inconvénients du chauffage solaire
• Applications
• FAQ

Chauffe-eau solaire

Un chauffe-eau solaire est un appareil qui utilise l'énergie solaire pour chauffer l'eau. Les deux parties principales d'un chauffe-eau solaire sont le collecteur (figure 2 étiquetée A) et le réservoir de stockage de l'eau (figure 2 étiquetée G). Le collecteur est relié au réservoir d'eau par divers tuyaux, comme le montre la figure 2. Le capteur solaire est orienté vers le soleil. Il se compose d'un ensemble de matériaux transparents, tels que le verre, qui laissent passer la lumière du soleil. Un antigel respectueux de l'environnement circule dans les tubes du capteur solaire pour transférer l'énergie thermique à l'eau. La chaleur du soleil se transmet à l'eau qui circule dans le capteur solaire.

Le collecteur est équipé d'un tuyau d'entrée qui achemine l'eau froide vers le collecteur et d'un tuyau de sortie qui achemine l'eau chaude du collecteur vers le réservoir d'eau.

Le réservoir de stockage comporte quatre raccords de tuyauterie, comme le montre la figure 2 :

• C : eau froide du réservoir d'eau dans le collecteur solaire/la pompe (pompe dans le cas d'un système actif et collecteur dans le cas d'un système passif).
• D : eau froide provenant d'une source extérieure et s'écoulant dans le réservoir d'eau
• E : eau chaude du capteur solaire dans le réservoir d'eau
• F : sortie d'eau chaude du réservoir d'eau pour diverses applications

Chauffe-eau solaire actif

Les chauffages solaires actifs utilisent des moyens mécaniques pour transférer la chaleur des capteurs solaires à l'eau ou au fluide. Les chauffe-eau solaires actifs sont généralement plus efficaces que les systèmes passifs et conviennent mieux aux besoins importants en eau chaude. Une alimentation électrique externe ou un panneau solaire photovoltaïque alimente la pompe (figure 2 étiquetée B).

Chauffe-eau solaire passif

Un chauffage solaire passif n'utilise pas de pompe pour faire circuler l'eau dans le système. Pour ce faire, le réservoir de stockage doit être installé plus haut que le capteur solaire. En effet, le capteur solaire chauffe l'eau, qui monte ensuite et s'écoule dans le ballon de stockage. La différence de hauteur permet à l'eau de s'écouler dans le système par gravité. En outre, un réservoir d'eau plus haut permet d'éviter les retours d'eau et la contamination du capteur solaire.

1. Le collecteur retient les rayons du soleil et chauffe l'eau contenue dans les tubes qui le traversent. La densité et la masse de l'eau diminuent avec la température. Lorsque l'eau du collecteur est suffisamment chaude, elle passe du collecteur au réservoir d'eau.
2. L'eau chaude occupe la partie supérieure du réservoir, tandis que l'eau froide provenant d'une source extérieure remplit la partie inférieure du réservoir. L'eau froide reste au fond en raison de sa densité plus élevée que celle de l'eau chaude. Le réservoir d'eau est isolé pour éviter le transfert de chaleur vers l'environnement.
3. Le volume du réservoir d'eau est constant. Lorsque l'eau chaude entre dans le réservoir d'eau, la même quantité d'eau froide s'écoule du réservoir d'eau et entre dans le capteur solaire pour être chauffée. Tous les mouvements d'eau dans le système sont contrôlés par les différences de densité entre l'eau chaude et l'eau froide.

Types de capteurs utilisés dans les chauffe-eau solaires

Les chauffe-eau solaires sont décrits en fonction du système de circulation (passif ou actif) et du type de capteur.

• Collecteurs de lots : Les collecteurs discontinus, également appelés systèmes intégrés de captage-stockage (ICS), chauffent et stockent l'eau. Le collecteur discontinu est raccordé à un système d'eau résidentiel. La pression du réseau de distribution d'eau fait circuler l'eau dans le collecteur, de sorte qu'une pompe n'est pas nécessaire. L'eau chauffée s'écoule du collecteur discontinu vers un chauffe-eau. Par conséquent, moins d'énergie est nécessaire pour chauffer l'eau aux niveaux souhaités. En fait, pendant les mois les plus chauds, l'eau provenant du collecteur discontinu peut être suffisamment chaude pour que le chauffe-eau n'ait même pas besoin de fonctionner.
• Collecteurs plats : Un capteur plan est constitué d'une plaque de matériau absorbant la chaleur, généralement du cuivre ou de l'aluminium, qui est peinte ou gravée chimiquement en noir. L'eau s'écoule dans des tuyaux en cuivre, appelés colonnes montantes, qui traversent la plaque dans le sens de la longueur. L'eau froide pénètre dans les tuyaux par le bas et remonte vers le haut au fur et à mesure qu'elle se réchauffe. L'eau chaude s'écoule du collecteur vers un réservoir de stockage. L'assemblage de la plaque plate se trouve dans une boîte isolée et est protégé par du verre trempé.
  • Les capteurs plans vitrés sont des boîtiers isolés et étanches contenant une plaque absorbante sous un ou plusieurs écrans en plastique ou en verre.
  • Les capteurs plans non vitrés sont constitués d'une plaque absorbante foncée en polymère ou en métal, sans enceinte. Ils sont généralement utilisés pour le chauffage solaire des piscines.

• Capteurs solaires à tubes sous vide : Les capteurs à tubes sous vide sont constitués d'un tube en verre ou en métal entouré d'un tube en verre plus grand. La chaleur pénètre par le tube de verre le plus large et réchauffe l'eau dans le tube intérieur. L'espace entre les tubes est un vide, de sorte que la perte de chaleur de l'eau est minime. Les capteurs solaires à tubes sous vide sont les plus efficaces qui soient.

Chauffage solaire

Les chauffages solaires chauffent l'air d'un bâtiment, fournissant ainsi une source de chaleur. Il existe deux types de chauffages solaires : les chauffages passifs et les chauffages actifs. Le fluide de travail peut être un liquide (eau ou solutions antigel comme le propylène glycol non toxique) ou de l'air. En raison des différences de propriétés thermophysiques des fluides, leurs caractéristiques générales de construction peuvent varier, mais le principe de fonctionnement de base reste le même. Les chauffe-eau solaires peuvent également être utilisés avec pour chauffer les bâtiments.

Chauffage solaire passif

Les chauffages solaires passifs utilisent l'ensemble de la maison comme capteur solaire grâce à un positionnement et à une conception stratégiques de la maison et du paysage environnant. Une façon d'y parvenir est d'orienter les fenêtres vers le sud (vers le nord dans l'hémisphère sud), ce qui permet d'absorber au maximum l'énergie thermique du soleil. Il existe de nombreux modèles de chauffages solaires passifs.

• Direct : Une méthode simple pour préserver la chaleur générée par l'énergie solaire consiste à utiliser la masse thermique. Il s'agit de matériaux capables d'absorber et de stocker la chaleur, pour la restituer progressivement au fur et à mesure que le soleil se couche. Les briques, le béton et les carrelages sont des exemples de masse thermique. La chaleur stockée peut être distribuée dans toute la maison par des processus naturels tels que la convection , la conduction et le rayonnement.
• Indirecte : Un mur solaire (figure 5) est une méthode très efficace pour les bâtiments bien isolés, car il exploite la puissance de la convection naturelle pour transférer la chaleur du capteur solaire vers l'intérieur. Le capteur solaire est constitué d'un absorbeur en métal foncé qui absorbe la lumière du soleil et la transforme en chaleur. Il est ensuite transféré à l'air dans la cavité entre l'absorbeur et le matériau de vitrage (figure 5). L'air chaud monte et pénètre dans le bâtiment par une ouverture située près du plafond. En revanche, l'air frais de l'intérieur est aspiré dans le collecteur par une ouverture située près du sol pour remplacer l'air chaud expulsé. Le mur solaire passif est doté d'un mécanisme d'autorégulation qui ajuste ses performances en fonction de la disponibilité et de l'intensité de la lumière du soleil, maximisant la collecte de chaleur pendant les mois d'hiver et la minimisant pendant l'été. L'énergie solaire maximale est recueillie lorsque le soleil est au plus bas dans le ciel, c'est-à-dire en hiver. Au printemps et à l'automne, la chaleur produite est moindre. En été, le soleil étant haut dans le ciel, peu de chaleur, voire aucune, n'est recueillie. Le mur solaire recueille la chaleur pendant la journée. Pendant la nuit, un clapet anti-retour empêche le retour de l'air chaud du bâtiment dans le collecteur. Le mur solaire est donc autorégulé, le système se mettant en marche et s'arrêtant sans qu'il soit nécessaire de s'en préoccuper.
  • Matériaux de collecte : Choisissez des matériaux de vitrage transparents et durables pour les capteurs solaires. Un vitrage trop serré sur un capteur solaire peut provoquer des fissures. Pour éviter cela, on utilise souvent du vitrage ondulé, qui permet au matériau de s'adapter à la dilatation et à la contraction. Le PVC ondulé est populaire pour le vitrage des murs solaires passifs en raison de ses faibles besoins d'entretien. Toutefois, le plastique ondulé renforcé de fibres de verre (FPR) peut nécessiter plus d'entretien, car le revêtement Tedlar utilisé pour protéger les feuilles des dommages causés par les UV doit être réappliqué tous les 3 à 5 ans.

Chauffage solaire actif

Les habitations équipées de systèmes de chauffage solaire actif utilisent des composants mécaniques tels que des ventilateurs, des pompes et des soufflantes pour collecter, stocker et distribuer la chaleur dans toute la maison. Le réseau de capteurs du bâtiment capte l'énergie du soleil et la convertit en chaleur. Le ventilateur est utilisé pour aspirer l'air à travers le capteur solaire. Lorsque l'air traverse le capteur, il est chauffé par l'énergie absorbée par la surface du capteur. L'air chaud est ensuite distribué dans la pièce ou le bâtiment à l'aide d'un système de gaines ou d'un ventilateur.

Le système de distribution est conçu pour répartir uniformément l'air chauffé dans la pièce ou le bâtiment. Pour ce faire, on peut utiliser une série de conduits, de bouches d'aération ou de registres. Le système de distribution est généralement relié au ventilateur, qui pousse l'air chaud à travers le système.

Chauffages solaires passifs et actifs

Il existe trois types de chauffage solaire : passif, actif et une combinaison des deux. Les systèmes passifs dépendent de la convection naturelle et du rayonnement, tandis que les systèmes actifs utilisent des moyens mécaniques ou électriques pour faire circuler la chaleur. Les systèmes passifs sont plus abordables et moins compliqués que les systèmes actifs, mais ils peuvent ne pas convenir aux zones à faible rayonnement solaire. Dans ce cas, les systèmes actifs sont la meilleure option pour moderniser un bâtiment afin d'exploiter l'énergie solaire.

Avantages du chauffage solaire

• Réduction des coûts : Les chauffages solaires ont un coût d'investissement initial plus élevé que les chauffages traditionnels. Cependant, ils peuvent réduire considérablement leurs coûts énergétiques en utilisant l'énergie solaire gratuite au lieu des combustibles fossiles. Ils ont également une durée de vie plus longue que les systèmes de chauffage conventionnels, ce qui réduit encore les coûts d'entretien. Les chauffe-eau solaires sont généralement ceux qui remboursent le plus rapidement leur investissement, en 2 à 4 ans, en fonction de l'utilisation et du combustible remplacé.
• Respectueux de l'environnement : Les chauffages solaires ne produisent pas de gaz à effet de serre ni de pollution atmosphérique, ce qui les rend plus durables et plus respectueux de l'environnement.
• Fiabilité : Les chauffages solaires passifs ne dépendent pas de l'électricité ou du gaz, ce qui les rend plus fiables en cas de coupure de courant ou de pénurie de gaz.
• Polyvalence : Les chauffages solaires peuvent être utilisés dans diverses applications commerciales et domestiques, comme le chauffage des piscines, les usages domestiques et plusieurs processus industriels. Un chauffage solaire portable peut être installé à peu près n'importe où.

Inconvénients du chauffage solaire

Les chauffages solaires peuvent ne pas convenir aux climats avec un temps nuageux prolongé, car ils dépendent de la lumière du soleil pour produire de la chaleur. Ils sont généralement installés dans des climats plus doux où les températures ne descendent pas extrêmement bas, car les tuyaux extérieurs peuvent geler par temps froid. En outre, les chauffages solaires ont un coût initial plus élevé que les systèmes de chauffage traditionnels, mais ils permettent de réaliser des économies d'énergie à long terme.

Applications

La technologie solaire thermique est en constante évolution et de nouvelles applications intérieures et extérieures sont développées chaque jour.

• Chauffage de l'espace : Les chauffages solaires d'appoint peuvent chauffer une pièce et les chauffages solaires d'intérieur peuvent chauffer un bâtiment entier en absorbant la lumière du soleil et en la convertissant en énergie thermique.
• Chauffage de l'eau : Les chauffages solaires pour la maison peuvent chauffer l'eau à usage domestique, par exemple pour les douches ou la lessive.
• Chauffage de la piscine : Les chauffages solaires peuvent chauffer les piscines, ce qui permet une utilisation prolongée pendant les mois les plus froids.
• Chauffage des processus industriels : Les systèmes solaires thermiques peuvent chauffer l'air ou les fluides pour les processus industriels, tels que le séchage des récoltes ou la fabrication.
• La cuisine : Les fours solaires utilisent la chaleur du soleil pour cuire les aliments, éliminant ainsi le besoin d'électricité ou de gaz.
• Séchage : La chaleur solaire permet de sécher les vêtements, les produits agricoles et d'autres biens.

Lisez nos articles sur les planchers radiants, les chauffages électriques infrarouges et les chauffages portatifs pour plus de détails sur le fonctionnement des différents types de chauffages.

FAQ

Qu'est-ce qu'un chauffage solaire ?

Un chauffage solaire est un dispositif qui utilise l'énergie du soleil pour chauffer l'air, l'eau ou d'autres liquides. Ils sont utilisés pour diverses applications, notamment le chauffage des locaux, le chauffage de l'eau et les processus industriels.

Quelles sont les applications des chauffages solaires extérieurs ?

Si vous avez un poulailler, vous pouvez utiliser une lampe chauffante solaire. Un chauffage solaire de camping peut garder votre tente au chaud pendant la nuit. Pour chauffer un hangar, un chauffage solaire pour hangar est une bonne option.

L'énergie solaire peut-elle être utilisée pour le refroidissement ?

Oui, l'énergie solaire thermique peut être utilisée pour alimenter des cycles de réfrigération par absorption afin de fournir un chauffage et un refroidissement solaires dans les bâtiments et d'autres applications.