Construction
de l'installation solaire.
1.1.2 Besoin
en eau chaude sanitaire (ECS).
1.2 Dimensionnement
de l'installation solaire.
1.2.1 Simulations
avec CALSOL.
1.2.2 Calcul
de l'inertie thermique de la zone chauffée :
1.2.3 Nécessité d'une cuve de stockage pour le plancher chauffant.
1.3 Choix
des capteurs, ballon, cuve de stock, régulateurs.
2.1 Contraintes d'implantation de l'installation.
2.1.1 Implantation
des capteurs.
2.1.2 Implantation
de la cuve à eau morte.
2.1.3 Implantation
du ballon ECS solaire.
2.2 Tranchée
pour canalisations enterrées.
2.3 Construction
de la cuve de stockage à eau morte.
2.3.2 Assemblage
des échangeurs.
2.3.3 Cuve
de stockage à eau morte.
2.5 Raccordements
au chauffage existant..
2.6 Montage
des panneaux solaires.
2.7 Raccordement
des panneaux et pose des diaphragmes d'équilibrage.
2.8 Montage
CE solaire et raccordements
2.12 Régulateur
thermostatique de vanne 3voies pour sortie échangeur cuve.
3 Mise
au point de l'installation.
3.3.1 Mesures d'équilibrage des panneaux.
3.3.2 Mesures
sur l'échangeur de bas de cuve 1500 litres.
3.4 Mesures
sur échangeur haut de cuve (chauffage plancher).
3.6 Problème
n°1: thermosiphon sur canalisations ballon C.E.
3.7 Problème
n°2: capteurs chauds en pleine nuit .
3.8 Problème
n°3 : entrée d'eau de pluie dans les capteurs.
4.2 Les
difficultés rencontrées.
La consommation totale d'électricité de ma maison est d'environ 8500 kW.h par an, chauffage électrique par plancher, chauffe-eau électrique inclus pour 120m2 et 4 personnes. C'est le résultat d'efforts constants pour éviter les pertes cachées : isolation renforcée de la maison, idem pour le chauffe-eau, éclairages économes en énergie, arrêt des appareils en veille (70W d'économie 24h/24), réfrigérateur et congélateur sur-isolés.
l'étape suivante était tout naturellement l'utilisation d'énergie renouvelable.
Et sur
Le 14 avril 2008, le même jour, j'ai signé une commande pour 3kWcrête de panneaux photovoltaïques pour poser sur le toit , et le soir j'ai envoyé ma commande à l'APPER pour 15m2 de panneaux thermiques pour le chauffage et la production d'eau chaude.
Je ne vise pas l'indépendance énergétique, bien que je ne désespère pas d'y parvenir.
Mais il faut être lucide, et je remercie les gens d'EDF qui font un travail remarquable (il faut le dire). Il est bien agréable de pouvoir compter sur eux pour faire tourner les pompes, et le reste...Beaucoup de pays nous envie notre réseau EDF.
Je décris ici toutes les étapes de réflexion, calculs, montage, tests de l'installation de cette installation solaire thermique.
La consommation est nettement plus forte (35 à 40kW.h par jour) les jours sans soleil.
Elle tombe à 25kW.h par jour environ, voire moins, les jours ensoleillés (chauffage solaire passif).
Il est important de faire ce distinguo pour éviter de dimensionner l'installation avec excès :
Inutile de prévoir 30m2 de capteurs pour surchauffer un jour ensoleillé, et chauffer quand même à l'électricité un jour sans soleil !
Un champ de capteurs qui produirait 25kW.h par jour serait optimal : il couvrirait les besoin en chauffage, et permettrait en demi-saison de fournir aussi de l'eau chaude sanitaire.
Nos besoins en ECS sont de l'ordre de
Ce résultat est une estimation qui me semble même un peu pessimiste : nous ne sommes plus que 4 adultes à la maison ( et 2 à l'avenir), et nous avons été jusqu'à 6 adultes sans problèmes. Même à 10 douches par jour, nous n'avons jamais manqué d'ECS ! Nous n'utilisons jamais la baignoire (que je pense supprimer) et disposons d'un lave-vaisselle.
Tous ces éléments réduisent beaucoup la consommation d'ECS.
Ces simulations permettent de mesurer l'influence de certains paramètres, et si possible de les optimiser. Dans mon cas, différentes simulations m'ont permis de comprendre qu'une forte inclinaison n'est pas un obstacle en soi. Cela entraîne une perte faible en hiver et forte en été, ce qui évite les problèmes de surchauffe.
Un résultat de simulation sur CALSOL :
-plancher chauffant : 130m2 épaisseur 8cm densité 2 ...........................à 21 tonnes
-escalier béton : 5m2 épaisseur pleine moyenne 20cm densité 2 ..............à 2 tonnes
- murs porteurs intérieurs : 62m2 épaisseur 20cm densité 1 (agglos) ...........à 12 tonnes
- cloisons briques creuses : 62m2 épaisseur réelle 4cm densité 2 ..............à 5 tonnes
-plâtre : 175m2 épaisseur 1cm densité 2.......................................... à 4 tonnes
- dalle plafond chambres du bas : 56m2 épaisseur pleine 12,5cm densité 2 à 14 tonnes
Soit un total de 60 tonnes environ.
La chaleur massique de ces matériaux est environ 880 Joules/kg.°C (soit 1/5 de celle de l'eau). l'inertie thermique de la masse chauffée est équivalente à celle de 12 tonnes d'eau.
Cela représente un
besoin de 14kW.h pour élever cette masse de
Il est donc préférable de maintenir une température assez constante, toute baisse importante devant être compensée ensuite.
Premier problème : avec un chauffage solaire, on dispose d'énergie en plein jour, pendant les heures « chaudes », pour ne plus en avoir ensuite pendant la nuit. Le risque est de sur-chauffer le plancher de la maison pendant le jour pour accumuler suffisamment d'énergie pour passer la nuit ! Le transfert vers le reste de la masse de la maison se fait par l'air, et n'est pas instantané.
Pour le plancher chauffant seul, il faut 5kW.h
pour l'élever de
Il est préférable de recourir à une cuve de stockage.
Elle sera à eau morte, avec 2 échangeurs pour 3 raisons :
- la chaudière est située à l'étage en point haut du circuit de chauffage, et il n'y a pas la place d'ajouter un stock volumineux.
- La cuve de stock se retrouve tout « naturellement » au sous-sol : la porte ne fait que 87cm, et je n'ai pas la place de loger 2 ou 3 ballons de 500l. Le plus simple : construire une cuve parallélépipédique , mais elle ne pourra pas résister à la pression. Il faut donc y installer 2 échangeurs.
- Le fluide du circuit de chauffage est un mélange d'eau et de glycol (30%) pour la protection contre la corrosion. Ce fluide sera le même dans le circuit de chauffage central et l'installation solaire, il est aussi anti-gel jusqu'à -10°C environ ( paillettes).
Une cuve de 1500l permet de stocker ( 1,16kW.h /m3.°C x 1,5m3= ) 1,75kW.h par °C.
Pour un plancher à
l'énergie sera stockée pendant les heures de soleil (entre 8h et 15h en hiver): une partie stockée en direct dans le plancher, le complément dans la cuve de stockage. Cette énergie est restituée ensuite par le plancher ( entre 15h et 23h). Le déstockage est effectué pendant la nuit ( de 23h à 7h du matin), avec si besoin un appoint électrique (en tarif de nuit).
Un autre intérêt de la cuve : elle permet d'accumuler de l'énergie, et de la restituer le lendemain s'il fait gris, et en demi-saison, plus besoin de laisser tourner le chauffage électrique « au cas où... ».
Dans chacune des 8 pièces
chauffées, la température est régulée par un
robinet thermostatique en série avec le plancher chauffant. Les
pièces de vie située au rez-de-chaussée sont régulées
à
Pendant la journée de 8h à 15h en hiver, le régulateur de la centrale solaire optimise les échanges entre les panneaux et les 3 éléments de stockage (ECS, cuve stockage chauffage, plancher chauffant) grâce à 3 thermostats différentiels, une butée de température sur chaque élément, et une gestion de priorité.
La température du plancher chauffant doit être
limitée à
Ensuite l'énergie récupérée par les panneaux sera stockée dans la cuve de 1500l.
Après le coucher du soleil, l'inertie thermique de la zone chauffée permet de garder une température agréable jusqu'à 23h sans problème (Auparavant, la chaudière électrique ne fonctionnait qu'en heure de nuit, soit 8h sur 24h seulement, mais les heures les plus froides !).
De 23h à 7h, en heure de nuit, un appoint est apporté par déstockage de l'énergie solaire accumulée dans la cuve de 1500l : le fluide circule dans l'échangeur secondaire (situé en haut de cuve) et s'y réchauffe, puis dans le plancher où il cède sa chaleur. La température en sortie d'échangeur est régulée par une vanne à 3 voies commandée par un thermostat à 3 sondes (T°eau, T°int, T°ext). Lorsque la température de sortie ne respecte plus la consigne du régulateur, la chaudière électrique d'appoint montée en série fournit le complément nécessaire (elle est aussi régulée par un thermostat à 3 sondes).
Pour les journées sans soleil, le fonctionnement reste identique, mais fait davantage appel au chauffage électrique en heure de nuit ; en cas de grand froid sans soleil, on peut aussi passer en marche forcée même en plein jour.
Ce système est très économe car il tient compte de la température extérieure pour moduler la puissance transmise au plancher ; il est aussi très confortable car il anticipe les variations de T°int de la maison en mesurant les variations de T°ext, et en corrigeant T°eau. Les apports en énergie d'appoint sont réduits au strict nécessaire.
Energie nécessaire:
E (kJ) = m(kg) x K (kJ/kg/°C) x DeltaT (°C)
K = 4,185 pour l'eau pure
K = 2,40 pour le glycol pur
DeltaT (ou DT) est
la différence de température entre l'entrée
et la sortie de l'échangeur.
Puissance transmise simplifiée pour un serpentin :
P (kW) = k x pi; x diam tube(m) x long tube(m) x DT(°C)
= 0,5 x Surface échangeur x DT(°C)
k est le coefficient d'échange, et varie en fonction
de nombreux paramètres entre 0,5 et 1
Pour avoir une marge de sécurité, on prendra la valeur la
plus petite soit 0,5.
Enfin le débit massique :
Qm (kg/sec)= P(kW) / ( 4,185 x DT(°C)
)
Chaleur massique eau pure: 1,16kW.h/m3.°C
Chaleur massique glycol pur: 0,66kW.h/m3.°C
Chaleur massique mélange 2/3 eau + 1/3 glycol:
1,00kW.h/m3.°C
Echangeur de sortie de cuve de stockage
vers plancher chauffant :
Débit estimé dans l'échangeur
( et le plancher) : 1000l/h.
Chaleur massique du fluide: 1,00kW.h/m3.°C (2/3
eau + 1/3 glycol)
Puissance maxi demandée : 4kW soit environ
8h de réserve (32kW.h)
Cela donne un DT° de
: 4 / 1,00 =
Calcul échangeur : P (kW) = 0,5 x Surface(m2)
x DT°
C
La surface d'échangeur nécessaire
est de : S = 4 / (0,5 x 4) =
En prévoyant 3,3m2 ( 75m de cuivre d=14mm),
on prend un bon coefficient de sécurité.
Le facteur limitant réellement est le débit
dans l'échangeur, en cas de besoin, on peut utiliser la
vitesse 3 de la pompe de circulation.
Echangeur d'entrée de cuve
de stockage :
Débit estimé dans l'échangeur
(et les panneaux solaires) : 1000 litres/h.
Chaleur massique du fluide (eau): 1,00kW.h/m3.°C
Puissance maxi demandée : 7kW (puissance maxi
des 14m2 de panneaux à midi en hiver).
Cela donne un DT° de
: 7 / 1,00 =
Calcul échangeur : P (kW) = 0,5 x Surface(m2)
x DT°
C => S = P / (0,5 x DT°
C)
La surface d'échangeur nécessaire
est de : S = 7 / (0,5 x 7) = 2,00m2 .
En prévoyant 3,3m2 (75m de cuivre d=14mm),
on prend un bon coefficient de sécurité.
Le facteur limitant réellement est le débit dans l'échangeur : pour augmenter la puissance de l'échangeur, on a intérêt à augmenter le débit de la pompe.
Calcul du nombre de Reynolds dans les échangeurs.
Il est important de le connaître pour savoir si l'écoulement est turbulent ou laminaire. Un écoulement laminaire réduit fortement le coefficient de l'échangeur (jusqu'à -30%).
Le nombre de Reynolds permet de connaître le régime de l'écoulement, en fonction de la vitesse V du fluide, du diamètre hydraulique d, et de la viscosité cinématique du fluide nu; :
Re = 1000.V.d/ nu; ( sans dimension)
Si Re < 2000, l'écoulement est laminaire, le courant utilise surtout le centre du tube, l'échange avec la périphérie n'est pas bon.
Si Re> 4000, l'écoulement est turbulent, le fluide est bien brassé dans le tube.
Entre 2000 et 4000, le régime est instable.
Viscosité cinématique de l'eau :
nu; = 1,05.10e-6 m2/s à
nu; = 0,80.10e-6 m2/s à
nu; = 0,44.10e-6 m2/s à
En mélange à 30% de glycol, la valeur est multipliée par 2 environ.
On prend comme hypothèse un débit de 1000 litres/h dans l'échangeur, soit 277cm3/s. l'échangeur est constitué de 6 tubes 12/14mm en parallèle, soit une section utile de 6,48cm2.
La vitesse d'écoulement est de : 277/6,48 = 42,7cm/s = 0,427m/s.
Re= 1000 . 0,427. 12/1,6 = 3200.
On constate que ce nombre de Reynolds est un peu faible , et qu'il est souhaitable d'augmenter si possible le débit pour améliorer le nombre de Reynolds, passer à coup sûr en régime turbulent et avoir ainsi le meilleur coefficient d'échange.
Il faudra voir comment se comporte l'échangeur pour les différentes vitesses du circulateur .
Ballon ECS : un ballon solaire de 200l à un seul échangeur est suffisant ( Solaire Diffusion via APPER). Placé en série avec l'entrée du ballon électrique existant, il assure un pré-chauffage partiel en hiver et total en été.
Cuve de stockage chauffage : une cuve polyéthylène
de 1500l avec deux échangeurs cuivre de 3,3m2 permet de stocker
35kW.h à
Régulateurs : Pour la centrale solaire, mon choix s'est porté sur un régulateur Solareg II GENIUS plus (Solaire Diffusion via APPER). Il a de multiples configurations d'installations possibles, dont la mienne : un champ de panneau avec trois « ballons » et trois pompes (plancher, cuve à eau morte, ballon ECS). Il est bien pourvu en fonctions de sécurité (anti-gel, protection capteurs, protection installation, etc.).
Pour la régulation de température en sortie échangeur haut de cuve, j'avais une vanne trois voies motorisée à deux positions ( ouvert à droite ou ouvert à gauche). j'ai étudié et construit une carte électronique qui commande le moteur par impulsion (à droite ou à gauche) et transforme la vanne « tout-ou-rien » en vanne proportionnelle asservie à la température de sortie du mélange chaud (retour plancher réchauffé par l'échangeur) /froid (retour-plancher direct).
-Plancher chauffant de 130m2
-Chaudière électrique 2 x 3kW (heures de nuit) avec thermostat indépendant.
-Pompe1 de circulation chauffage permanente la nuit
-Ballon 200l électrique
à
Ajout installation solaire :
-14,4m2 capteurs solaires plans (8 panneaux de 1,8m2) montés inclinés à 85° sur un mur exposé Sud-20°Est.
-Ballon solaire ECS 200l (1 éch. et 1 sonde) monté en série avec ballon électrique existant.
-Cuve réserve chauffage 1500l (2 éch. et 1 sonde) : la sortie de l'échangeur secondaire est régulée par un thermostat à 3 sondes ( eau, plancher, extérieur) pour optimiser le confort et l'économie d'énergie ; elle est en série avec la chaudière d'appoint ( même type de régulation à 3 sondes).
-Pompe 1 pour fonction chauffage plancher solaire direct (jour) et appoint (cuve stockage ou électrique la nuit).
-Pompe 2 pour fonction stockage chauffage .
-Vanne 3 voies bi-stable pour commutation circuits de chauffage solaire (jour) ou appoint (nuit)
-Pompe3 de circulation pour la fonction chauffe-eau solaire
-3 clapets anti-retour
Avantages :
-énergie solaire (jour) et appoint électrique (nuit) indépendants.
- 1500l de réserve
pour le chauffage (~30kW h de réserve à
-400l de stockage eau chaude sanitaire (environ 2 jours d'autonomie sans soleil)
-système à
4 sondes pour optimiser l'utilisation de l'énergie
solaire ( en hiver, le chauffage peut fonctionner seul ou en même
temps que le chauffe-eau)-capteurs noirs presque verticaux à
très bon rendement à basse température, pas de problème
de surchauffe en été
Par contre, en dessous de la maison, un mur de soutènement orienté Sud-15°Est permet de poser une bonne surface de capteurs. Inconvénient : la longueur de canalisation panneaux-chaufferie est de 24m, dont 9m enterrés. Je n'ai pas de meilleur endroit, près de la maison, pour installer le champ de panneaux.
Les arbres situés en contrebas font un peu d'ombre en fin de journée, un bon élagage est prévu d'ici peu.
Les canalisations isolées sont grosses et ne pouvaient pas passer en aérien, la seule solution était de les enterrer. Mais là encore je n'avais qu'un endroit où passer, et encore un drain de la maison me limitait en profondeur. Il a fallu jouer serré....
Avec 24m de longueur, la liaison entre la chaufferie et les panneaux doit être très bien isolée pour limiter les pertes. Elle se décompose comme suit : 9m en sous-sol au départ de la chaufferie, 9m enterrés, et 6m le long du mur de soutènement jusqu'aux panneaux solaires.
j'ai choisi finalement une solution déjà connue et qui m'inspire confiance par la qualité des matériaux utilisés: 2 tubes PER diamètre 25mm dans 2 tubes PVC de 45mm entourés de 40mm de polystyrène extrudé. Ce très bon isolant est imputrescible et n'absorbe pas d'eau. Je l'ai quand même enveloppé d'un film plastique et de feutre routier... j'ai envie que çà dure quelques temps !
Début de l'assemblage d'un tronçon.
j'ai pré assemblé un premier tronçon de 6m tout droit que j'ai mis en place avant de continuer sur place dans la tranchée...
Collage des pièces à la mousse de polyuréthane.
La tranchée n'est pas très profonde ...et ne peut pas l'être plus : les rochers affleurent partout.
Le bloc pré assemblé dans la tranchée.
Raccordement avec la courbe pour éviter l'arrivée dans la porte du sous-sol.
j'ai chauffé les tuyaux en PVC avec un décapeur thermique pour les cintrer en forme.
On voit le tuyau du drain qui affleure dans la tranchée.
l'entrée dans le sous-sol passe dans le mur juste au dessus de la semelle en béton.
La canalisation finie affleure le sol : j'ai coulé une petite couche de béton dessus pour la protéger à cet endroit.
Durée des travaux
: 20 heures étalées du 28 avril au 1er mai 2008.
Chaque serpentin compte 9 spires non jointives (espacement de 10mm) afin de permettre la circulation de l'eau de la cuve autour des tubes de l'échangeur.
Après de longues tergiversations sur la façon de procéder, j'ai conclu en voyant les couronnes de cuivre de 25m bobinées sur deux couches. Les spires externes sont déjà pratiquement au bon diamètre, et j'ai trouvé cette astuce pour éviter de débobiner le tube :
Couper la couronne de 25m bien au milieu : on obtient deux couronnes de 12,5m sur une seule couche. Je prends une couronne de 12,5m que j'utilise comme suit :
Fabrication du gabarit central et formage du premier serpentin.
Le coeur du bobinage
est un colimaçon en aggloméré qui décrit la
première spirale : diamètre 25cm au départ et augmentation
de rayon de 25mm à chaque spire (14mm de cuivre + 10mm de cheville
bois +
Après la première spire, je maintiens l'écartement avec des chevilles en bois de 10mm, le cuivre s'enroule presque tout seul.
Je perce le support pour insérer les chevilles pour la spire suivante, et ainsi de suite...
Un serpentin terminé encore tenu sur le gabarit : il suffit d'enlever les chevilles.
Démarrage d'un nouveau serpentin : on voit bien la forme d'une couronne « brute » qui se prête bien à son futur usage.
Temps nécessaire : 10 heures pour les 12 serpentins, du 10 au 13 Juin 2008.
Raccordement du collecteur central sur le premier serpentin : utilisation de joint Grip.
Raccordement du 3ème serpentin : on voit les tiges noires de 10mm qui entretoisent les serpentins.
Les serpentins sont attachés par des colliers en Rilsan : des tiges de 10mm maintiennent l'écartement entre les serpentin, et les colliers maintiennent l'écartement entre les spires. Il faut attacher en partant du centre (où les 6 serpentins sont bloqués dans le collecteur central).
Détail sur les colliers et tiges entretoises.
Fin de la pose des colliers.
Echangeur fini : pourquoi pas une exposition dans un musée d'art moderne ?
C'est joli, non ?
Raccordement du collecteur externe.
l'ensemble est bien rigide et facile à manipuler (malgré ses 30kg !) grâce à une bonne prise sur la barre diamétrale : détail important au moment de la pose dans la cuve.
Vue de côté : on voit le passage libre entre les couches.
Temps nécessaire : 12 heures pour les 2 échangeurs, du 20 au 23 juin 2008.
j'ai été forcé d'oublier tous les ballons cylindriques du commerce.
Pour utiliser une seule cuve, je n'ai guère eu d'autre choix que les cuves parallélépipédiques en polyéthylène.
j'ai fait le choix d'utiliser des matériaux de qualité pour assurer le résultat et la durée:
-cuve polyéthylène
-échangeur cuivre
-raccords en laiton
Il n'y a aucun risque de corrosion ni sur la cuve elle-même ni sur les échangeurs : c'est un point important pour une installation durable.
La cuve en polyéthylène
de
De plus, elle possède un trou d'homme de 360mm qui facilite l'accès à l'intérieur : pour entrer les échangeurs, une petite trappe supplémentaire de 170 x 320mm est suffisante, et sera facile à reboucher. Il faut penser aussi qu'une découpe fragilise la cuve qui peut s'éventrer au remplissage : un renfort sera nécessaire pour assurer la solidité de la zone découpée. Le modèle choisi n'ayant pas de sortie basse (moins cher, et inutile), il n'y aura aucun trou en dessous du niveau de remplissage : donc pas de risque de fuite !
Toutes ces raisons m'ont fait écarter la possibilité d'utiliser une cuve à fioul en polyéthylène : elle est bien moins chère mais beaucoup moins épaisse ( à volume égal , elle pèse 57kg au lieu de 65kg) , le fioul a une densité de 0,8 . Elle ne possède pas de trou d'homme, ce qui oblige à faire une grosse trappe d'ouverture : elle en serait d'autant plus fragilisée. Et une fois fermée plus de possibilité de visite ! Je n'ai pas envie de prendre ce risque.
La cuve de
Une petite trappe rectangulaire agrandit le passage pour les échangeurs.
Je rentre dans la cuve pour recevoir un échangeur et le mettre en place.
Mon fils me présente l'échangeur au dessus de la trappe : heureusement, il est costaud !
Je cale l'échangeur inférieur à sa place.
Vue intérieure de la cuve : l'échangeur inférieur et son raccordement.
Mise en place de l'échangeur supérieur.
Vue intérieure de la cuve : l'échangeur supérieur est maintenu en place attaché par 5 colliers Rilsan.
Fermeture de la cuve avec une plaque d'epoxy de 4mm boulonnée.
Reste à faire l'étanchéité autour de la trappe et des tuyaux de raccordements.
Pose des sondes bas et haut de cuve dans 2 longs doigts de gant:
Au remplissage, rien n'a bougé, tout est bon !
Temps nécessaire : total 24h du 2 au 16 juillet 2008, dont 8h pour faire la place de la cuve, 4h pour préparer le sol béton, 8h pour mise en place fixation et raccordement des échangeurs.
Les canalisations sont en cuivre de 22mm brasé au cuivre/phosphore, avec de nombreux raccords à visser pour permettre un accès aux circulateurs et un démontage par module, en cas de besoin.
Des raccords à isolation galvanique (comme pour les chauffe-eaux) sont placés sur chaque liaison entre un circulateur et un échangeur : je veux garder les échangeurs isolés entre eux , et du reste de l'installation pour ne courir aucun risque de corrosion par électrolyse.
Liaisons vers plancher en PE, liaisons vers capteurs en PER, liaisons vers CESI en PER : aucun problème de couple électrolytique de ce côté-là.
Raccordement des échangeurs de la cuve avec la chaufferie :
Liaisons vers panneaux à gauche, et chaufferie solaire : vannes, anti-retour, pompes, purgeurs sur liaison C.E..
Purgeurs sur liaisons vers panneaux, tube PER 25mm dans sa gaine.
Les trois vannes de droite permettent d'insérer ou non l'installation solaire sur le retour à la chaudière électrique : en cas de problème, le chauffage d'origine peut être isolé et continuer à fonctionner seul. l'électrovanne 3 voies à gauche assurera la commutation jour/nuit :
Jour = plancher solaire direct,
Nuit = retour chaudière par échangeur haut de cuve de stockage.
On voit deux sondes Pt1000 plaquées sur les tubes cuivre : le contact thermique est assuré par une mousse thermo conductrice. Ces sondes servent à la régulation de la température en sortie échangeur.
Les pattes supérieures sont mises en attente...
Pose du premier panneau
Mais
attention, les raccords réduisent le passage à un hexagone
de 14mm sur plats, soit l'équivalent d'un diamètre
de 15mm. Ce n'est pas un problème en soi, mais cela influe
sur le calcul des diaphragmes d'équilibrage. Qu'est
ce encore ?
l'expérience a montré qu'on ne peut pas monter plus de 4 panneaux en montage « série parallèle » sans avoir de gros problème d'équilibrage : il circule beaucoup plus de liquide dans les panneaux extrêmes que dans ceux du milieu (voir document et logiciel d'Yves GUERN). Avec un groupe de 5 panneaux, celui du centre voit un débit de 1% du total (au lieu de 20%): il ne sert à rien !
Néanmoins, ce logiciel et l'expérience d'Yves ont montré que ce problème est déjà présent sur un groupe de 4 panneaux, et réduit fortement la circulation dans les 2 panneaux centraux.
Exemple : pour un montage à 4 panneaux, avec un débit total de 480litres/heure, on a un débit de 220 litres/heure dans les 2 panneaux d'extrémité et 20 litres/heure dans les 2 panneaux centraux. Expérience vécue par Yves ! Surchauffe au milieu et basse température sur les bords. Très mauvais rendement à coup sûr.
On peut y remédier en disposant des diaphragmes : le logiciel d'Yves en donne la position et le diamètre.
Si on fait un calcul sans tenir compte de la présence des raccords, le logiciel donne un diamètre des diaphragmes de 10mm pour un diamètre des collecteurs de 20mm. Et il donne : diaphragmes = 7,5mm pour collecteurs=15mm.
Comment considérer l'influence des raccords et de la réduction à 15mm qu'ils entraînent ?
Puisque les diaphragmes jouent un rôle déterminant et équilibrent les débits, pourquoi les raccords n'influeraient-ils pas ?
j'ai donc fait le choix de considérer que, puisque tous les raccords sont réduits au diamètre de 15mm, je pose des diaphragmes d'équilibrage de 7,5mm. Cela me semble logique.
A vérifier ....plus tard.
Le raccord côté femelle.
Avec un diaphragme.
l'arrivée d'eau froide est en bas, tube PER bleu.
La sortie chaude est en haut, tube gainé noir, et part vers l'entrée du ballon électrique situé à 50cm à droite.
Le circuit solaire vers la chaufferie et les panneaux est en PER rouge gainé. Il sera sur-isolé par une couche de laine de verre de 45mm.
La plupart des connections sont faites dans une boite de dérivation qui contient également les relais qui commandent le passage Jour/Nuit.
Elle est maintenue serrée sur la sortie d'un groupe de 4 capteurs. On voit sur la photo la bande de mousse thermo conductrice et le fil de cuivre qui tient l'ensemble. Une gaine de mousse isolante est indispensable pour garantir une bonne mesure de la température de sortie des capteurs. Une bande auto collante aluminium protègera des rayons ultra-violets.
Sondes température du plancher chauffant : elle est collée au mastic sur le carrelage dans le salon (derrière le canapé) sous la plinthe, pour être protégée des courants d'air.
Sondes bas et haut de cuve de stockage:
Sonde ballon CE : elle est insérée dans le doigt-de-gant situé à mi-hauteur, prévu à cet effet.
Deux sondes mesurent les températures de retour du plancher chauffant et de la sortie de la vanne mélangeuse (entrée froide et sortie chaude de l'échangeur).
Une troisième mesure la température extérieure pour l'intégrer dans la régulation ; elle est placée sur la façade nord.
C'est un régulateur Solareg II Genius
plus.
Il reçoit 4 sondes Pt1000 :
- T1 : température capteurs
- T2 : température plancher salon
- T3
: température bas de cuve stockage
- T4
: température milieu de ballon C.E.
Il commande les trois pompes de circulation. Chacune d'elles est commandée par un thermostat différentiel, et une gestion de priorité. Des protections anti-surchauffe et anti-gel capteurs sont aussi incorporées.
Ce régulateur gère le stockage et la répartition de l'énergie recueillie par les panneaux solaires.
Il commande les trois pompes qui assurent la circulation du fluide dans les capteurs solaires vers les trois « ballons » de stockage de chaleur de l'installation :
- le plancher chauffant ( T°max = 21° C pendant la période de chauffage)
- la
cuve de stockage chauffage ( T°max =
- le
ballon ECS ( T°max =
Les besoins en énergie évoluent au cours de l'année.
- besoin en ECS est permanent tout au long de l'année
- besoin en chauffage en hiver seulement
La programmation du régulateur doit donc évoluer dans le temps. Pour optimiser le rendement de l'installation, il faut faire fonctionner les capteurs solaires à la plus basse température possible, et donner en toute saison la priorité au ballon de température la plus basse .
La mise en route et l'arrêt du chauffage
se font par modification de la température maximum des « ballon
1» (plancher) et « ballon 2» (cuve stockage
En hiver :
- plancher
chauffant
- cuve
stockage
- ballon ECS
Ce choix permet malgré
tout de préchauffer le ballon ECS jusqu'à
Si on veut arrêter
le chauffage direct du plancher dans la journée (en demie-saison), il
suffit de descendre sa température maximum à 15°C : il
sera chauffé la nuit à partir de la cuve de stockage(et/ou l'appoint électrique).
En été :
- plancher
chauffant
- cuve
stockage
- ballon ECS
Le chauffage est inhibé, et toute l'énergie est disponible pour l'ECS.
N.B. : les fonctions anti-gel ( démarrage à 5°C, arrêt à
j'ai étudié et construit une carte qui mesure trois températures par des sondes Pt1000:
- température retour froid plancher
- température extérieure
- température sortie vanne mélangeuse.
Le contrôleur est un PIC16F876, qui reçoit directement les 3 températures en sortie des interfaces de conditionnement (Pt1000à 0-5V).
Sa fonction est de commander par impulsion « chaud » ou « froid » en fonction du résultat des mesures de température . Il régule pour répondre à l'équation suivante :
Tplancher + Tsortie + 1/3Text = 46°.
Un relais donne l'autorisation de démarrage de la chaudière électrique lorsque le régulateur « décroche », et ne parvient plus à maintenir la température de consigne.
j'ai ajouté 6 purgeurs sur les points haut, et après quelques heures de circulation, il n'y a plus de bulles d'air gênantes ni bruit dans les pompes.
De 7h30 à 11h, le chauffe-eau de 200l est monté
de 23 à
Puis de 11h à 14h, la cuve de 1500l est passée de 28,7° à 38,5°C, soit 17,05kW.h.
Ensuite la température a chuté et ne permettait plus de continuer à chauffer ni le C.E. ni la cuve. En hiver , le régulateur aurait commandé la chauffe du plancher et récupérer encore quelques kW.h , mais hier la température était déjà suffisante.
Cela fait plaisir à voir ! et c'est
encourageant car il me reste à isoler la partie des canalisations
à l'intérieur de la maison, soit 10m aller et 10m
retour dans le sous-sol jusqu'à la chaufferie et la cuve
de 1500l, et encore 2x7m jusqu'au ballon de 200l : les tubes
PER 20/25mm sont sous gaine annelée de 40mm, c'est tout.
Cela occasionne une perte importante quand l'eau circule à
Temp.Retour froid = E1 =
S1 =
S2 =
S3 =
S4 =
Cela traduit un écart de débit assez important, mais ne pose pas un problème majeur dans le fonctionnement. La commande des pompes est proportionnelle au DeltaT, et la vitesse de rotation est réduite (je l'ai observé), le débit est faible. A très faible débit, on risque de passer en régime laminaire dans les panneaux, et l'échange de chaleur est fortement réduit et les pertes des panneaux augmentent.
Il faudra faire un autre test avec les pompes à vitesse constante, ce qui est sûrement mieux .
Ensuite pendant la charge de la cuve :
Temp. Retour froid = E1 =
S1 =
S2 =
S3 =
S4 =
Les écarts sont dans les mêmes proportions. Même conclusion.
Tout bien réfléchi, il est sûrement préférable de faire tourner les pompes à vitesse constante (position 2 /3) . Le débit dans les panneaux sera constant, et il n'y aura pas de risque de changement de régime laminaire/turbulent.... A vérifier.
Il serait bien de mesurer la température devant les panneaux ( avec un thermomètre infra-rouge ..si c'est possible) afin de se rendre compte de la circulation du fluide. A suivre...
Relevé à 11h15:
Temp. Entrée échangeur =
Temp. Sortie échangeur =
Temp. Bas de cuve =
Temp. Entrée panneaux =
l'échangeur est très efficace
: la sortie suit à moins de
A 11h15, Temp. Bas
de cuve =
A 13h10, Temp. Bas
de cuve =
à Puissance équivalente = 4,8kW pendant 1h55mn.
La température d'entrée des panneaux suit de très près la température de la cuve, c'est un bon point pour leur efficacité. C'est la cuve via l'échangeur qui impose sa température aux panneaux.
Dans la nuit, la circulation se fait dans le plancher et le retour chaudière (elle est arrêtée) passe par l'échangeur haut de la cuve. Cela permet d'homogénéiser les températures, et de récupérer les dernières calories de la cuve.
Et très bonne surprise !
Au matin, à 7h :
T extérieure =
T cuisine =
T bas de cuve =
T plancher =
T entrée échangeur =
T sortie échangeur =
l'échangeur fonctionne vraiment bien, même avec de très faibles écarts de température.
Et il est possible de récupérer les
calories même à
Champagne ! Après 6 mois d'attente, le résultat dépasse mes espoirs les plus optimistes.
Mes échangeurs sont presque transparents, et je n'aurai pratiquement pas de pertes supplémentaires dues à leur présence.
Nota Bene : mon plancher chauffant fonctionne
à très basse température, départ
à
Ce régulateur gère le
stockage et la répartition de l'énergie recueillie
par les panneaux solaires.
Il commande les trois pompes qui assurent la
circulation du fluide dans les capteurs solaires vers les trois «
ballons » de stockage de chaleur de l'installation :
le plancher chauffant ( T°max =
21° C pendant la période de chauffage)
la cuve de stockage chauffage (
T°max =
le ballon ECS ( T°max =
Les besoins en énergie évoluent
au cours de l'année.
Le besoin en ECS est permanent tout
au long de l'année, celui en chauffage en hiver seulement.
La programmation du régulateur
doit donc évoluer dans le temps. Pour optimiser le rendement de l'installation, il faut faire fonctionner les capteurs solaires
à la plus basse température possible, et donner en toute
saison la priorité au ballon de température la plus basse
.
La mise en route et l'arrêt
du chauffage se font par modification de la température maximum
des « ballon 1» (plancher) et « ballon 2» (cuve
stockage 1500l).
En hiver :
plancher chauffant
cuve stockage
ballon ECS
Ce choix permet malgré tout
de préchauffer le ballon ECS jusqu'à
Si on veut arrêter le chauffage
direct du plancher dans la journée (en demie-saison), il
suffit de descendre sa température maximum à 15°C : il
sera chauffé la nuit à partir de la cuve de stockage(et/ou l'appoint électrique).
En été :
plancher chauffant
cuve stockage
ballon ECS
Le chauffage est inhibé, et
toute l'énergie est disponible pour l'ECS.
N.B. : les fonctions anti-gel ( démarrage
à 5°C, arrêt à
Le ballon est posé au sol, les canalisations
solaires montent en courbe régulière vers le plafond pour
rejoindre la chaufferie : punition, thermosiphon! Les canalisations sont
chaudes tout le long, et le ballon se refroidit assez vite (
Un clapet anti-retour est pourtant posé sur cette liaison, mais au niveau de la chaufferie : même s'il ferme bien, il peut y avoir un thermosiphon interne dans l'arrivée chaude .
Après visite sur le forum APPER, je vois que ce n'est pas la peine d'essayer une lire anti-thermosiphon qui ne marchera sûrement pas.
Conclusion : Je vais poser un clapet anti-retour à ressort sur l'arrivée solaire chaude du ballon CE . Je raccourcis un peu le ressort pour avoir une très faible force d'appui du clapet et diminuer les pertes de charge. Il n'y aura plus de thermosiphon de ce côté là.
Je vais faire un essai en l'état, car je ne pense pas que la sortie « froide » pose problème. Mais si le tube de sortie froide de l'échangeur descend un peu vers le bas du ballon, il y aura un petit thermosiphon. A vérifier...
Le ballon C.E. ne fait plus thermosiphon, mais il y a encore un peu de chaleur sur la canalisation retour panneaux !
Constat :
La température des
panneaux est de
Cherchez l'erreur.
Avec un thermomètre infrarouge, je mesure les
températures en différents points du tableau hydraulique
: je mesure
Lorsque le chauffage est en position « nuit », avec retour-plancher vers chaudière via l'échangeur haut de cuve, le circuit normal suit les grandes flèches (voir photo ci-dessous):
- Le retour du plancher est en bas (flèches bleues), passe la vanne 3 voies « Jour/Nuit » et part vers l'échangeur haut de la cuve de stockage.
- La sortie de vanne mélangeuse « chaude » (flèches jaunes) , retour vers chaudière électrique.
Conclusion : une circulation « parasite » (flèches oranges) s'établit dans la boucle « panneaux-échangeur bas de cuve » : cette circulation est à l'envers de la normale.
Elle envoie de l'eau à
Le clapet anti-retour à
battant semble ne pas être hermétique : la cuve (
l'effet thermosiphon est-il déclenché et/ou aggravé par un effet d'aspiration ?
Toujours est-il que cela crée des pertes qui pourront être importantes en hiver, ou si la cuve est très chaude. Les kW.h sont précieux !
Solution : mettre un clapet anti-retour à ressort qui empêchera toute circulation parasite lorsque le circulateur en série avec l'échangeur du bas est arrêté.
Remarque : les clapets à battant fonctionnent (grâce au poids du battant) très bien lorsqu'un circulateur tourne et qu'une pression inverse leur est appliquée. Mais sitôt les circulateurs arrêtés, les thermosiphons s'en donnent à coeur joie, et la pression qu'ils génèrent est très faible : les clapets baillent un peu (même avec une pente de 10°) et n'empêchent pas les courants de thermosiphon !
Personnellement, je les ai doublés avec un clapet anti-retour à ressort ! Dommage.
Je conseille donc l'utilisation de clapet à ressort si on craint un thermosiphon.
Bleu : retour froid plancher vers entrée échangeur haut de cuve
Rouge : sortie chaude échangeur haut de cuve
Jaune : sortie vanne mélangeuse vers chaudière électrique.
Orange : circulation parasite tiède échangeur bas vers panneaux.
Vert : circulation parasite retour panneaux vers échangeur bas.
Résultat : Après la pose du clapet anti-retour à ressort, je constate que la circulation parasite d'eau tiède vers les capteurs n'existe plus : la température capteur reste à la température extérieure.
Il faut dire que mes capteurs sont fixés à 85°, plaqués sur un mur de soutènement. Les évents du dessus servent d'entrée d'eau ! Rien à faire. C'est logique : un trou, ce n'est pas étanche !
j'ai immédiatement installé provisoirement une petite bâche plastique qui couvre entièrement le haut des capteurs : la pluie tombe ...mais à côté.
Cela permettra aux capteurs de sécher.
Je réfléchirai ensuite à la meilleure façon de construire un petit haut vent pour abriter définitivement le haut des capteurs.
Après 1semaine de temps sec, l'intérieur des panneaux n'a plus du tout de condensation, la laine de verre a vite séchée avec la chaleur intérieure.
Conclusion : je vais poser un petit haut vent de 25cm de large ( en polycarbonate alvéolaire) en pente au dessus des panneaux. Le haut des panneaux sera à l'abri de la pluie, et je n'aurai plus d'entrée d'eau.
Cela me fait vraiment plaisir de l'avoir réalisé...
l'intérêt le plus évident et immédiat est de produire son énergie de chauffage et eau chaude et son corollaire, la réduction de la facture d'énergie. C'est un gros investissement en argent et en travail, mais à terme, il permettra de réduire les charges.
Techniquement, une installation de ce genre touche beaucoup de domaines : énergie, transferts de chaleur, fluidique, plomberie, électricité, et même électronique. Pour un amateur de « bricolage », plaisir garanti. Personnellement, je me suis bien éclaté, et j'ai appris beaucoup de choses. C'est d'ailleurs pour cette raison que l'installation a été terminée en 6 mois.
Chaufferie solaire avant isolation des canalisations.
Première couche isolante sur la cuve.
Chaufferie solaire terminée.
Champ de capteurs solaires.
Mais quand je dis difficulté, je veux dire surtout que ce sont des points qui demandent d'acquérir des connaissances nouvelles et de passer des heures à réfléchir pour trouver la meilleure solution, le meilleur compromis:
- dimensionnement de l'installation
- élaboration du schéma de l'installation
- choix du montage des panneaux (pb d'équilibrage des flux)
- étude et la fabrication des échangeurs
- les éternels problèmes de plomberie (taille, raccords, dimension...)
- couples électrolytiques (prévention de la corrosion)
- purge de l'installation
- thermosiphons indésirables
- problème de dynamique des fluides: pertes de charge, écoulement laminaire ou turbulent et son impact sur les échanges thermiques (panneaux, échangeurs).
Le plus difficile a été l'élaboration d'un « schéma d'installation simple » qui soit malgré tout performant. Je ne voulais pas faire une usine à gaz impossible à régler, et à utiliser.
l'avenir me dira si j'y ai réussi...
Dans ce type d'installation, mais c'est vrai aussi pour beaucoup d'autres, tout choix est le résultat d'un compromis : il n'y a pas une réponse unique à une question ou un problème.
La plus grosse difficulté est d'optimiser chaque élément en pensant à sa fonction technique, son encombrement, sa fiabilité, sa durabilité, sa facilité de mise en oeuvre, son coût, etc...
C'est ce que j'ai essayé de faire, et j'y ai passé beaucoup d'heures....
j'avais déjà réfléchi à ce sujet depuis bien longtemps, mais je n'avais rien concrétisé : pas facile de démarrer une installation aussi complexe sans aucune aide, seul dans son coin.
Comment dimensionner l'installation ?
Quel type d'installation choisir ?
Quel matériel acheter ? Où ?
Tout cela demande beaucoup d'énergie, et l'aide de l'association et les informations du forum m'ont été très précieuses tout au long de cette réalisation.
Les étapes de l'installation :
Commande des panneaux, ballon, régulateur le 14 Avril.
Pose des canalisations enterrées du 24 avril au 1er Mai ...................................durée 20h.
Formage des serpentins du 10 au 13 Juin...................................................durée 10h
Fabrication des échangeurs 13 au 23 Juin...................................................durée 12h
Montage de la cuve du 2 au 16 Juillet........................................................durée 24h
Vacances du 23 Juillet au 18 Août.
Réalisation régulateur thermostatique pour vanne 3 voies 14 Juil. au 15 Sept .......durée 100h
Montage chaufferie solaire du 20 Août au 15 Septembre.................................durée 24h
Réception du matériel panneaux, ballon, régulateur, accessoires le 16 Septembre....durée 2h
Pose des panneaux du 24 au 26 Septembre..................................................durée 12h
Raccordements hydrauliques panneaux, ballon du 27 septembre au 10 octobre......durée 20h
Mise en eau et vérification étanchéité le 10 Octobre.......................................durée 6h
Première chauffe solaire (pompe branchée « à la main ») le 11 octobre 2008
Pose des purgeurs supplémentaires du 11 au 13 Octobre ..................................durée 4h
Raccordements électrique et sondes centrale régulation du 13 au 18 Octobre.........durée 30h
Isolation cuve stockage et habillage lambris.................................................durée 12h
Installation prête à fonctionner le 18 Octobre 2008.
Premiers vrais essais le 26 Octobre : attente du soleil depuis une semaine !!!!............durée 4h
Isolation des canalisations vers panneaux en sous-sol et cave 30 octobre................durée 4h
Isolation de la chaufferie solaire 1ernovembre...............................................durée 4h
Réflexions, calculs, simulations, études, recherches, etc. du 1er Mars au 1er Nov. ...durée 200h
Le temps passé à réfléchir est énorme, et difficile à chiffrer. Tout n'est pas efficace, mais c'est indispensable pour mener à bien une construction aussi « technique ».
Soit au total 288h de travail et 200h de réflexion ( soir, nuit , vacances, trajet voiture, vélo, etc..) sur 8 mois.
Canalisations enterrées....................................................257 euro;
Canalisations extérieures, fixation, et raccordements panneaux ....266
Chaufferie solaire..........................................................1265
Cuve
8 panneaux peints 1,8m2..................................................1632
Ballon ECS 200l.............................................................451
Régulateur Genius plus......................................................440
Raccords inter panneaux, clapet et purgeur solaires.....................181
Transport......................................................................179
Total...........................................................................5989 euro;.
En gros, le matériel solaire (panneaux, ballon, régulateur) représente 3000 euros, soit 50% du total.
Ensuite, la chaufferie et la cuve sont à égalité avec 1300euro; , 21% du total chacune.
Les canalisations longues (50m aller-retour) et isolées ont coûté 500euro; , 8% du total.
Il faut noter que le matériel spécifiquement « solaire » représente seulement la moitié du total. La plomberie nécessite un matériel onéreux (cuivre, laiton) que j'avais fortement sous-estimé au départ. l'envol du prix du cuivre n'a rien arrangé...
Si l'installation tient ses promesses (ou plutôt, celles que je me suis faites), ce sera un superbe cadeau de Noël, qui durera de nombreuses années.
j'espère que ce compte-rendu pourra vous fournir quelques tuyaux...et il en faut beaucoup ! et vous donnera envie de vous lancer.
Bon courage, et beaucoup de soleil.
Laissons, laissons entrer le soleil.....
_____________________________