Capteurs solaires thermiques : chauffage efficace et économique
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Par essence, une installation solaire thermique capte les rayons du soleil pour être utilisé pour la production d'eau chaude sanitaire et l’appoint du chauffage central. L'énergie solaire étant gratuite et écologique, vous ne réalisez pas seulement des économies sur l'énergie fossile. Vous constaterez également que votre investissement dans une installation solaire thermique est rentabilisé en quelques années seulement.
Principe de base et types
Hormis quelques solutions techniques spéciales, on utilise principalement des capteurs dans lesquels circule un fluide caloporteur. Il s'agit généralement d'un mélange d'eau et d'antigel glycol. Le fluide se trouve dans un tube.
Ces capteurs absorbent les rayons du soleil et les transforment en chaleur utilisable. En plus des capteurs, une installation solaire thermique comprend un absorbeur, un circuit solaire et un fluide solaire. Lorsque les rayons frappent les capteurs, cette énergie est transformée en chaleur dans l'absorbeur. Elle est d'abord pompée dans le réservoir tampon ou d'eau chaude sanitaire, puis distribuée via le circuit dans la maison, comme appoint pour le circuit de chauffage ou pour produire de l'eau chaude sanitaire. La chaleur est d'abord transportée vers l'unité de stockage correspondante par le fluide solaire. Dans le réservoir d'ECS, la chaleur atteint ensuite les points de prélèvement, tels que les robinets ou la douche, sous forme d'eau chaude selon les besoins.
On distingue les capteurs à tubes et les capteurs plans. Ces deux types de capteurs ont en commun le fait qu'un absorbeur convertit le rayonnement solaire en chaleur. Un fluide caloporteur absorbe la chaleur et la conduit hors du capteur. Ce processus a lieu dans chaque capteur.
Capteurs à tubes sous vide
En principe, les capteurs à tubes peuvent être différenciés en fonction de leur conception : dans les capteurs à tubes sous vide à flux direct, le fluide caloporteur circule à travers les tuyaux absorbeurs à l'intérieur des tubes. Selon le principe du caloduc, le fluide caloporteur ne circule pas directement dans les tubes. Au lieu de cela, un fluide (généralement de l'eau) s'évapore dans le tube en cuivre sous l'absorbeur. À l'extrémité supérieure des tubes, la vapeur se condense dans le condenseur, l'énergie est ensuite transmise au fluide caloporteur dans le capteur. Les capteurs à caloduc ont pour avantage d’émettre la chaleur de manière sécurisée.
En principe, les capteurs à tubes peuvent être différenciés en fonction de leur conception : dans les capteurs à tubes sous vide à flux direct, le fluide caloporteur circule à travers les tuyaux absorbeurs à l'intérieur des tubes. Selon le principe du caloduc, le fluide caloporteur ne circule pas directement dans les tubes. Au lieu de cela, un fluide (généralement de l'eau) s'évapore dans le tube en cuivre sous l'absorbeur. À l'extrémité supérieure des tubes, la vapeur se condense dans le condenseur, l'énergie est ensuite transmise au fluide caloporteur dans le capteur. Les capteurs à caloduc ont pour avantage d’émettre la chaleur de manière sécurisée.
Capteurs plans
Le tube absorbeur est en forme de méandre afin de garantir un écoulement sûr à travers le capteur. Le tube absorbeur est entièrement soudé dans les coudes et assure ainsi un transfert de chaleur optimal, même sur les bords. La plaque de base est reliée sur son pourtour au cadre du capteur. L'étanchéité du verre est assurée par un matériau d'étanchéité flexible, résistant aux intempéries et aux UV.
Le tube absorbeur est en forme de méandre afin de garantir un écoulement sûr à travers le capteur. Le tube absorbeur est entièrement soudé dans les coudes et assure ainsi un transfert de chaleur optimal, même sur les bords. La plaque de base est reliée sur son pourtour au cadre du capteur. L'étanchéité du verre est assurée par un matériau d'étanchéité flexible, résistant aux intempéries et aux UV.
Options d'application
Vous pouvez utiliser l'énergie solaire pour vos propres besoins de deux manières. Pour plus d'informations sur la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage central d’appoint, consultez les sections suivantes.
Diagramme : production d'eau chaude sanitaire par l’installation solaire thermique
Au cœur de cette solution se trouve le préparateur d'eau chaude sanitaire bivalent. Lorsque le rayonnement solaire est suffisant, le fluide solaire de l'installation solaire thermique réchauffe l'eau du préparateur d'eau chaude via le serpentin inférieur.
Lorsque la température baisse par le prélèvement d'eau chaude, par exemple pour un bain ou une douche, la chaudière se met en marche si nécessaire pour fournir un chauffage supplémentaire via le deuxième circuit. L'installation de capteurs solaires Vitosol de Viessmann est simple grâce aux tuyaux de départ et de retour intégrés, un avantage qui assure également un investissement comparativement faible.
La règle empirique suivante s'applique lors de la conception d'une installation solaire thermique pour une maison individuelle ou jumelée : si la surface des capteurs est orientée entre le sud-est et le sud-ouest, il faut supposer 1,5 mètre carré de capteurs plats ou 1,0 mètre carré de capteurs à tubes pour un réservoir d'une capacité de 100 litres. Les pertes de rendement dues à une orientation ou une inclinaison défavorable peuvent être compensées en augmentant légèrement la surface des capteurs.
Diagramme : production d’ECS et chauffage central d’appoint avec installation solaire thermique
Le fluide solaire chauffé dans les capteurs solaires peut également être utilisé pour porter l'eau de chauffage à température. Pour cela, le circuit de chauffage, via un échangeur de chaleur, utilise l'eau du réservoir solaire qui est chauffée en permanence par les capteurs solaires. L'unité de commande vérifie si la température ambiante requise peut être atteinte. Si la température est inférieure à la valeur de consigne, la chaudière démarre également. Les installations solaires pour la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage central d’appoint ont une surface d'environ un mètre carré pour dix mètres carrés de surface habitable.
Planification et installation
La diversité de conception des capteurs solaires permet de les installer dans presque toutes les structures de bâtiments, aussi bien lors d’une nouvelle construction que d’une rénovation, sur un bâtiment ou à proximité de celui-ci. Les capteurs peuvent être installés sur des toits inclinés, des toits plats et des façades, ou librement sur le terrain. Le capteur et le dispositif de fixation forment une unité statique. Dans sa gamme, Viessmann propose des systèmes complets testés statiquement pour tous les types de toits courants et tous les capteurs, ce qui garantit une sécurité maximale lors de la planification et de l’installation.
Caractéristiques de performances
Le rendement du capteur est une valeur centrale qui doit être prise en considération. Il décrit la proportion du rayonnement solaire qui est convertie en énergie thermique utilisable. Cette valeur est déterminée selon la norme européenne EN 12975 et se trouve dans les fiches techniques des appareils.
Lorsque le rendement des capteurs solaires thermiques est déterminé, les flux d'énergie et donc les pertes de chaleur sont pris en considération. Toute la lumière qui atteint les surfaces ne peut pas être utilisée pour générer de la chaleur (pertes optiques). De plus, une petite partie de la chaleur produite par les capteurs est perdue (pertes thermiques).
Le rendement d'une installation solaire thermique dépend largement des conditions sur place. Les toits orientés au sud, avec une pente de 30 à 40 degrés, donnent des résultats particulièrement bons. Si la surface du toit est orientée vers l'est ou l'ouest, les propriétaires peuvent s'attendre à un rendement inférieur de 20 % pour une pente similaire. L'orientation un peu moins favorable peut être compensée en augmentant la surface des capteurs. Outre l'orientation et l'inclinaison du toit, il est également important qu'il soit suffisamment grand et peu ombragé. Si des maisons voisines, des arbres ou des montagnes projettent une ombre sur la surface du toit pendant de longues périodes au cours d'une année, le rendement solaire diminuera. Les économies réalisées sur les coûts énergétiques seront moindres et le rendement économique diminuera.
Flux d’énergie dans le capteur : A Rayonnement sur le capteur E Chauffage de l’absorbeur par puissance rayonnante
Pertes optiques : B Réflexions sur la vitre C Absorption au niveau de la vitre D Réflexion sur l’absorbeur
Pertes thermiques : F Conduction thermique du matériau du capteur G Rayonnement thermique de l’absorbeur H Convection
Montage sur toiture
Protection contre la surchauffe par coupure de la température ThermProtect
Lorsqu’aucune chaleur n'est extraite du capteur (parce que la pompe est arrêtée et que le fluide caloporteur ne circule plus), le capteur chauffe jusqu'à la température d’arrêt. Le risque de surchauffe est plus élevé lorsque la différence de température par rapport à l'environnement augmente. Des températures d'arrêt de 200 degrés Celsius et plus entraînent des effets indésirables. Dans ce cas, le fluide solaire s'évapore et se dilate rapidement et largement dans le circuit solaire. La charge thermique élevée sur les composants et le fluide caloporteur lui-même provoque des dommages.
Rendements caractéristiques : le risque de surchauffe est plus élevé lorsque la différence de température par rapport à l'environnement augmente. C'est là que les capteurs avec protection contre la surchauffe entrent en jeu.
ThermProtect et principe du caloduc comme protection contre la surchauffe
Viessmann lutte contre ce phénomène avec un revêtement absorbant spécial, ThermProtect. Au fur et à mesure que la température augmente, l'absorbeur dégage de plus en plus de chaleur. Cela augmente les pertes de chaleur du capteur, mais la température du capteur n'augmente que légèrement et la température d'arrêt est nettement inférieure aux valeurs habituelles. Mais comment cela fonctionne-t-il exactement ?
ThermProtect modifie la structure cristalline des capteurs plats, ce qui entraîne également des changements des propriétés optiques, même à des températures de 75 degrés Celsius. Autrement dit, la température interne des capteurs ne peut pas dépasser 145 degrés Celsius. Lorsque les températures redescendent, la structure cristalline revient à son état d'origine.
Les capteurs à tubes sous vide, quant à eux, utilisent le principe du caloduc pour protéger l’installation contre la surchauffe. Lorsque le rayonnement solaire est trop élevé et que la perte de chaleur diminue, la température est coupée par phases. Cela bloque la condensation sur l'échangeur de chaleur. Le fluide caloporteur ne peut plus se liquéfier et la chaleur n'est plus transportée. Le transfert de chaleur ne redémarre pas tant que la température dans le circuit solaire n’a pas baissé.
Économies réalisables avec l'énergie solaire thermique
La production d'eau chaude sanitaire offre un important potentiel d'économies. Sous nos latitudes, les capteurs solaires combinés à un préparateur d'eau chaude représentent l'alternative la plus intéressante au fonctionnement de la chaudière, surtout pendant les mois d'été. Dans une maison individuelle, l'énergie solaire couvre jusqu'à 60 % de l'énergie nécessaire à la production d'eau chaude sanitaire. En combinant la production d'eau chaude sanitaire et d’eau de chauffage, vous économiserez environ 35 % de l'énergie totale nécessaire chaque année. Même au printemps et en automne, vous pouvez souvent éteindre votre chaudière lorsque vous utilisez l'énergie solaire comme appoint de votre chauffage central.
Le tableau suivant illustre les économies réalisables :
* Les valeurs indiquées ont été déterminées par des simulations supposant des profils de ménage standard pour la ville de Potsdam. Maison unifamiliale de 4 personnes (avec chaudière au gaz), surface habitable de 150 mètres carrés et consommation de gaz de 2500 mètres cubes. Coûts de consommation arrondis en utilisant des valeurs standard (EID) Les prix de l'énergie de l'Office fédéral des statistiques ont été utilisés pour le calcul du rendement économique. Coûts d'investissement : Prix catalogue brut Viessmann plus coûts d'installation moyens à l'échelle nationale (pouvant varier individuellement).
Remarque : Nos calculs sont des exemples théoriques basés sur diverses hypothèses et dépendant de certaines conditions générales. Nous n'assumons aucune responsabilité quant à l'exactitude et la transférabilité à des installations réelles. Les coûts réels et les économies possibles peuvent différer et doivent être calculés dans chaque cas individuel en fonction des spécificités du lieu concerné et des conditions générales
Vérification des conditions avant d’acheter une installation solaire thermique
Capteurs à tubes Viessmann
Installation solaire thermique pour les bâtiments commerciaux et industriels
Les installations solaires thermiques présentent un intérêt particulier pour les processus qui nécessitent de la chaleur à un niveau relativement faible. La technologie des capteurs actuellement disponible sur le marché (à l'exception des systèmes à concentration) peut utiliser l’énergie solaire thermique pour fournir une chaleur allant jusqu'à environ 80 degrés Celsius dans toute l'Europe centrale.
Solutions alternatives pour une demande élevée
Dans certains secteurs, la chaleur industrielle à très haute température est indispensable. Il s'agit notamment des industries de fabrication de produits alimentaires, d'engrais et de matériaux de construction, ainsi que des sociétés pharmaceutiques et des hôpitaux. Pour les besoins de chauffage plus importants, Viessmann dispose d'un certain nombre de solutions pour produire de la chaleur, de la vapeur, de l'électricité ou du froid. Les sources d'énergie fossiles comme le fioul et le gaz, ainsi que les énergies renouvelables comme le bois et le biogaz, peuvent être utilisées comme sources d'énergie. Les grandes pompes à chaleur sont les mieux adaptées à la production de chaleur avec l'énergie environnementale. Pour la production simultanée d'électricité et de chaleur, les unités de cogénération fonctionnant au gaz sont le système de prédilection.
