Plancher chauffant à réponse rapide et chauffe-eau solaires


Gilbert Féraud        Barrême 04
gilferaud chez free.fr



Cette présentation concerne une installation montée presque entièrement par moi-même qui ne connaissait absolument rien dans ce domaine. Seul, le plancher chauffant a été fait avec l’aide d’un maçon. La plupart des informations dont j’ai eu besoin ont été récoltées sur le site d’Apper solaire, ou m’ont été transmises par des personnes compétentes en la matière et/ou qui m’ont précédé dans cette démarche. A l’issu de cette installation, je me suis rendu compte que celle-ci pouvait être effectuée par tout « bricoleur » de compétence moyenne, pourvu qu’il prenne le temps de s’informer et de réfléchir. Je dois dire que je suis particulièrement satisfait de cette installation et étonné de l’efficacité de celle-ci, … lorsqu’il y a du soleil, ce qui n’est pas rare dans notre région.
Cette installation n’a rien de très original, sa particularité réside peut-être dans le fait que le plancher chauffant (d’une cuisine) est à faible inertie.


Les objectifs.

Il s’agit ici du chauffage d’un ballon de 300 litres et d’un plancher de cuisine sur une surface de 13.5m2 environ. Ce dernier vient en appoint d’un poêle à bois situé dans le séjour, supposé chauffer l’ensemble de la maison. Celle-ci, à l’origine maison de vacances d’été, n’est que partiellement isolée thermiquement. La cuisine est isolée par l’intérieur et les ouvertures y sont en double vitrage.

Le lieu.

Nous sommes situés à Barrême, dans les Alpes de Haute Provence, à 750m d’altitude, sur un versant est - sud-est assez bien ensoleillé. Cette région se caractérise par un bon ensoleillement mais avec des températures d’hiver basses (-20°/-27° parfois), correspondant généralement à des périodes ensoleillées (haute pression, mistral dominant). Cette situation est donc particulièrement favorable au solaire thermique.



Les panneaux et la maison, photo prise vers l’est

 

L’ensoleillement

Autour du solstice d’hiver du 21 décembre, la durée d'ensoleillement est de 6h30, entre 9h et 15h30.
Au niveau des panneaux solaires, quelques arbres feuillus cachent partiellement le soleil de début d’après-midi en hiver, et des conifères cachent assez fortement le soleil dès 15h.

Masque solaire (clic pour agrandir)


Les capteurs solaires

Les quatre panneaux (capteurs) GM Tinox 1988x1213, couplés deux par deux, correspondent à une surface de l’ordre de 9 m 2 . Ils sont montés en série. Ils sont situés sur le talus au dessus de la maison, à une quinzaine de mètres de celle-ci, et pouvant capter le premier soleil en hiver. Ils sont orientés plein sud et inclinés à 60° afin d’optimiser le rendement d’hiver. Ils s’appuient sur une structure en mélèze fixée sur des plots en béton. Une purge et une sonde située dans un doigt de gant en cuivre (fait maison) sont fixée en sortie des capteurs. En entrée et sortie des capteurs, il existe au moins un mètre de tube de cuivre 20-22mm, afin de minimiser l'effet d'une éventuelle surchauffe sur le tube PER. Ce tube de cuivre est entouré d'un isolant Armaflex D29-13 imprégné en surface d'une solution imperméabilisante et antiUV.


Les tubes entre maison et capteurs, enterrés, sont en PER25, entourés d’une gaine armaflex D28, épaisseur 13mm, noyés dans de la mousse de polyuréthane, le tout dans un tube PVC 120mm.





Vues et coupe de l’isolation des tubes enterrés d’alimentation des capteurs

Le circuit du liquide caloporteur

Le schéma général est donné par la figure suivante:




Les composants principaux sont un vase d’expansion 35 litres, un circulateur Wilo 25/7, une régulation VISION avec 3 sondes, une vanne 3 voies DN25,un clapet anti-retour, et un ballon de 300 litres avec résistance de 2,5 KW. La vanne 3 voies est commandée par un relais industriel Finder 5534 (230vac, 4rt 7a).



Vue générale de l’installation dans la maison
Le remplissage du circuit est effectué à l'aide d'un pulvérisateur de jardinage, sur une entrée prévue en bas du circuit (point de vidange général). La pression est fixée à 2,5 bar, et la pression d'air du vase d'expansion est fixée en conséquence). Le glycol est dilué deux fois seulement à cause de la possibilité de fortes gelées, parfois jusqu'à -25/-27°C. Les tubes de l'intérieur de la maison sont en cuivre, de diamètre 20-22mm pour le circuit général et le circuit ballon, et 14-16mm pour le circuit plancher.



Le plancher chauffant

Le plancher précédent étant déjà au niveau du sol extérieur, sans vide sanitaire, pour des raisons de risque d’humidité en profondeur, nous avons dû opter pour un plancher de faible épaisseur, donc à faible inertie, ce qui n'est généralement pas recommandé pour un chauffage solaire. Nous verrons plus loin que dans le cas d'une cuisine, cette option peut toutefois présenter quelques avantages.



Le tube PER est de diamètre 16mm. Sur une dalle en béton de base, l'isolant d'épaisseur 4cm, en polystyrène extrudé, repose sur un film plastique. Les tubes de PER sont fixés directement sur l'isolant, ce qui n'est pas une solution optimale pour un échange thermique efficace. Le mortier coulé sur l'isolant et noyant les tubes PER contient un adjuvant pour le rendre plus fluide afin de noyer au mieux le tube caloporteur, et a une épaisseur de 5cm. Il faut ajouter l'épaisseur des carreaux:
épaisseur totale = 6-7cm.

Les premiers résultats

Les paramètres de la régulation Vision sont les suivants:
  • Priorité est donnée au chauffage du plancher
  • Température maximale capteurs limitée à 110°C
  • Température maximale sortie de plancher limitée à 40°C
  • Delta T max= 5K, delta T min = 3K
  • Température maximale ballon d'eau chaude limitée à 88°C
  • Delta T max= 7K, delta T min = 3K
  • Vitesse minimum circulateur = 30%
  • Temps de réponse = 120 secondes
Le graphique suivant donne l'évolution de diverses températures au cours d'une journée bien ensoleillée le 16 décembre 2013, donc tout près de l'ensoleillement minimum de l'année, du 21 décembre.



Le soleil apparait sur les panneaux à 8h55 et disparaît, caché par des conifères, à 15h. Aucun nuage n'a caché le soleil dans la journée.

La courbe bleue représente la température extérieure à l'ombre. La température maximale de la journée est de 10°C, la température vers 8h est de -8°C et le zéro est atteint juste avant 11h.

La courbe verte donne ici la température à l'entrée de 4ème et dernier panneau (ils sont en série), et non en sortie, pour une raison technique provisoire. Il faut compter 8 à 10°C supplémentaires en sortie du dernier capteur. 43°C sont déjà atteints lorsque la température extérieure dépasse juste le zéro. La température maximale des capteurs est de 55°C. On remarquera une inflexion de l'augmentation de température vers 11h, lorsque le ballon d'eau chaude commence à être alimenté. Ceci est dû à l'effet combiné d'un échange plus efficace entre fluide caloporteur et eau froide du ballon et d'un diamètre de tube (donc débit) supérieur sur le circuit ballon. L'irrégularité de la descente en température de l'après-midi est due aux conifères qui cachent partiellement le soleil après 15h.

La courbe rouge représente la température de la surface du plancher, mesurée sur les carreaux à l'aide d'un thermomètre infrarouge. La température de départ le matin, de 16°C, est supérieure de 2°C à celle d'un plancher équivalent non chauffé (pièce voisine) et qui est de 14°C. C'est donc une température résiduelle du chauffage solaire de la veille. Cette courbe se caractérise par une faible inertie thermique due à la faible épaisseur de la dalle. La dalle commence à chauffer 40 mn après le début de chauffage des panneaux et atteint 29°C, température maximum prédéterminée par la température maximum imposée en sortie du plancher, vers 13h30. On remarquera le faible déphasage du maximum de température panneaux et plancher. La température reste supérieure à 21°C entre 10h30 et 20h30 (durée 10h pour en ensoleillement de 6h), ce qui reste très confortable pour une cuisine. La température est encore de 20°C vers 22h.

La courbe violette donne la température de l'eau de la base du ballon d'eau chaude. L'alimentation électrique du ballon est coupée. Son chauffage démarre lorsque la température du liquide caloporteur en sortie du plancher atteint les 40°C programmés. Une température maximum de 55°C est atteinte vers 15h. L'irrégularité de cette courbe est due à l'utilisation de l'eau chaude du ballon.

La courbe noire en pointillés donne la température du liquide caloporteur en sortie de plancher. Les fortes fluctuations sont le résultat du fonctionnement alterné du circuit "plancher" et "ballon". A noter que le circuit plancher redémarre lorsque la température du liquide de sortie plancher est de 1,1°C inférieure à la température maximum affichée, ce qui nécessite une bonne isolation du doigt de gant de la sonde de température.

Coût

Le coût total, incluant le plancher chauffant, le ballon d'eau chaude et toute la fourniture de plomberie est d'environ 6000 euros.

Remerciements

Je remercie Pierre Amet pour ses précieux conseils, Gérard Gros pour la construction du plancher, ainsi que Didier et Arnaud.


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