Deux champs solaires de 15m2,

système de vidange automatique (drain back),

chauffage  par plancher chauffant,

ECS et chauffage piscine,

régulation Deltasol M.


par Daniel Guinebault 74

daniel_guinebault at hotmail.com

 

 

 

Motivation

 

Depuis de nombreuses années, je souhaitais réaliser une installation solaire pour le chauffage de la maison mais le prix de ce matériel me dissuadait de passer à l’action ; de plus, il n’était pas facile d’obtenir des renseignements intéressants pour « aider » car tout simplement, peu de monde s’intéressait à ce type d’installation et la connaissance restait très limitée sauf pour quelques rares avertis.

 

Et puis un jour, j’ai découvert le site de Pierre, que je remercie, et qui, par son action et la contribution de tous, permet de démocratiser cette connaissance et de rendre ce matériel accessible.

 

Estimation des besoins

 

Pour la petite histoire, le chauffage est assuré par une chaudière fuel à condensation, modèle Microstar de 1983, rendement 104% sur PCI et, avec son brûleur d’origine qui transformait le fuel en gaz, dans une chambre à pyrolyse, je ne consommais que 800 à 900litres par an alors que les hivers étaient souvent plus rigoureux que maintenant.

Ces mesures ont été effectuées sur 8 ans.

Une vue de la flamme du brûleur équipant cette chaudière sur ce site : 

http://pagesperso-orange.fr/alain.mionnet/seagemmicrostar.htm

 

Ça vaut le coup d’œil, observez la couleur de la flamme, n’oubliez pas, c’est une chaudière fuel ; depuis, non seulement nous n’avons pas progressé mais régressé, je parle de la consommation et de la pollution, c’était il y a 26 ans quand même.

 

Ce modèle de brûleur ne se faisant plus (l’entreprise a fait faillite), j’ai adapté un brûleur conventionnel et la consommation a augmenté de 40 à 50%, ce qui est très important même si 10% sont dus au condenseur que j’ai by-passé car il est percé.

L’eau chaude sanitaire n’est pas obtenue par la chaudière.

 

Donc 900litres de fuel donnent un besoin arrondi, en étant large, à 10000 KWh/an pour le chauffage.

La maison de 160m² est équipée d’un plancher chauffant de même surface en PER de 13x16, longueur 850m.

 

Pour le chauffage, la température intérieure de la maison étant de 20°, le logiciel « Calsol » estime la couverture solaire à 66% pour une surface de panneaux de 27m², ça me parait optimiste, mon souhait est d’avoir minimum 50%, je pars donc sur 12 panneaux CLS 2510 soit 27m² de surface d’aperture. Ces panneaux sont commandés chez Apper.

 

Pour l’ECS, 100 l/jour à 55°, je prends un ballon de 350l, à double serpentin, isolation de 75mm de mouse de polyuréthane. Je l’ai commandé en Allemagne.

 

Pour la piscine, volume 50m3, celle-ci disposant d’un abri bas, elle devrait rapidement arriver à température après la saison de chauffage de la maison.

 

Simulation pour le chauffage de la maison et de l’ECS avec le logiciel Calsol :

 

Résultat du logiciel Calsol :

COMPARAISONS

 

-

jan

fév

mars

avr

mai

juin

juil

août

sept

oct

nov

déc

année

IGP (kWh/m²)

49

66

100

113

131

131

144

133

115

86

49

41

1158

T° air (°C)

2.2

4.3

7.2

9.5

13.6

17.4

19.3

19

15.8

10.5

5.5

3.1

10.6

T° eau (°C)

6.4

7.4

8.9

10

12

14

15

15

13

11

8

6.8

10.6

Bes chauf (kWh)

1812

1443

1303

1034

651

256

71

102

414

967

1428

1720

11201

Bes ecs (kWh)

157

138

148

139

137

125

126

126

129

140

146

155

1668

Besoin tot (kWh)

1969

1582

1451

1174

788

381

197

228

543

1107

1574

1876

12869

Apport chauf (kWh)

581

960

1303

1034

651

256

71

102

414

967

646

446

7431

Apport ecs (kWh)

0

0

154

271

372

387

442

424

379

195

0

0

2625

Apport utile (kWh)

581

960

1451

1174

788

381

197

228

543

1107

646

446

8502

Couverture (%)

29.5

60.7

100

100

100

100

100

100

100

100

41

23.8

66.1

 

Stockage des calories (ballon tampon) :

J’ai longtemps hésité entre le PSD et un ballon tampon pour stocker les calories.

Finalement ce sera un ballon tampon car mon plancher chauffant, ne faisant que 7cm d’épaisseur au dessus des tubes, n’est pas selon moi assez épais. Il me semble qu’un ballon de stockage apportera plus de souplesse et de confort.

 

Besoins (dimensionnement du ballon tampon) :

Il est conseillé 80 à 100litres de stockage par m² de panneaux, donc pour 27m², il faut une cuve entre 2 200 et 2 700litres.

J’ai trouvé une cuve inox de diamètre 1.25m, hauteur 2.10m, hum, pas très bon pour la stratification mais avec un plancher chauffant, ce n’est pas très grave. Le volume de cette cuve est de 2 575l soit 2 400l utiles.

 

Cette cuve inox est une ancienne cuve à vin avec un couvercle à ouverture totale ; celui-ci était descendu au niveau du liquide, le joint, de type chambre à air, était gonflé afin que l’air ne rentre pas et ainsi le vin ne s’oxydait pas.

Je l’ai trouvée sur www.leboncoin.fr, dans une ferme en Haute-Normandie, pas vraiment une région vinicole, quoique en Basse-Normandie (voir le site ci-dessous):

 

http://lesgourmandisesdephilippe.zumablog.com/index.php?sujet_id=5300

Là, je m’égare…..

Régulation :

 

Le millénium de Crouzet me plaît bien mais je crains de galérer pour la programmation et les problèmes de transfert de programmes et autres malgré l’aide des uns et des autres.

Mon choix s’oriente donc vers une régulation du commerce. Ce sera une Deltasol M qui permet d’avoir plus de sondes (12) et de relais (9) que la Steca 704.

De plus elle permet de gérer le chauffage avec une sonde extérieure et le pilotage d’une vanne mélangeuse.

 

La régulation devra gérer :

 

-2 champs solaires sud-est et sud-ouest, cela nécessite 2 relais.

-le chauffage solaire de la maison soit 1 relais.

-le chauffage de l’ECS soit 1 relais.

-le chauffage de la piscine soit 1 relais.

-autoriser le fonctionnement de la chaudière lorsque le ballon tampon (2 400l) ne sera pas assez chaud soit 1 relais.

 

Schéma de principe de l’installation :

 

 

Réalisation

 

Contraintes :

1) Voulant absolument utiliser le solaire pour faire du chauffage l’hiver, les panneaux devront être inclinés à 60°.

Le toit ayant une pente de 35°, les panneaux seront posés près du sol, avec un champ sud-est et un champ sud-ouest, n’ayant pas suffisamment de place pour installer 12 panneaux plein sud.

 

2) Voulant absolument que l’installation fonctionne en drain-back, le bas des panneaux devra être au dessus du niveau d’eau du ballon tampon, conséquence, je dois creuser le sous-sol de 1.20m de profondeur pour installer le ballon tampon.

 

3) L’installation devra être la plus simple et la plus fiable possible.

 

4) Les calories solaires ne passeront pas par la chaudière fuel.

 

Implantation des capteurs :

 

            Champ sud-ouest                                                   Champ sud-est

 

Des bandes de papier goudronné, recouvertes d’alu, ont été placées entre les panneaux en alu et le châssis en acier pour éviter le phénomène de couple électrolytique.

 

Supports des panneaux :

 

Ils sont réalisés en tube carré de 40x40x2 d’un seul bloc, pente de 10 à 20mm/m pour les panneaux et de 20mm/m pour les tuyauteries.

 

Chaque champ solaire est composé de 6 panneaux Wunder CLS 2510.

 

 

La tuyauterie aller de chaque champ est en 20x22, le retour en 14x16 sur 500mm environ, afin de créer une accélération pour chasser les bulles d’air ; le reste est en 16x18, le tout en cuivre.

Les circuits sont isolés par de la mousse type armaflex d’épaisseur 19mm achetée en Allemagne à 2.50 €/ml.

 

S1 et E3 sont des diaphragmes installés suivant les préconisations d’Yves (Bouches du Rhône) et son logiciel.

Il y a également un diaphragme à la sortie de chaque champ car les tuyauteries sont asymétriques, contrairement au schéma de principe ci-dessus.

De ce fait, pour équilibrer les températures, j’ai du rajouter un diaphragme percé à 6mm sur le champ sud-ouest et un percé à 9.5mm sur le champ sud-est.

 

Comme décrit par Yves, le diaphragme est simplement un flan, ici en inox, percé d’un trou en son centre pour compenser les pertes de charge et ainsi, avoir des températures de sortie identiques ; je l’ai placé dans les raccords unions (voir photo ci-dessous, le diaphragme inox est à gauche).

 

 

                  Diaphragme

 

Implantation du ballon tampon (ballon tampon inox de 2 575litres, ouverture totale, couvercle étanche avec joint gonflable) :

 

      

 

Maintenant, il s’agit de lui faire de la place, je dois creuser le local technique de 1.20mètres si je veux fonctionner en drain-back.

 

Pour moi, la décision est prise, je creuse et je prépare l’isolant pour recevoir la citerne.

 

L’isolation de la cuve est assurée par de la mousse de polyuréthane, deux épaisseurs de 52 mm pour le fond et le périmètre inférieur, 200mm de laine de verre pour le périmètre supérieure et 400mm sur le dessus.

Les déperditions sont de 1.8° C sur 12 heures avec une température d’eau de 50° C environ et une température ambiante de 8° C.

 

                      

                                                                                   Dessus du ballon tampon

 

Les 2 vannes rouges sur les tuyauteries de départ et retour de l’échangeur vers le plancher chauffant, servent à éventuellement brancher un radiateur de décharge et chauffer la terrasse lors de soirées fraîches.

Sur la droite, les tuyauteries cuivre pour l’évacuation ou le remplissage d’air des panneaux (14x16) et la mise à l’atmosphère du ballon tampon (10x12).

 

Les poutrelles au plafond, c’est pour soutenir la terrasse, le local technique a été fait en dessous, 30m3 à sortir, soit 50 t de terre, pierres et sable à la pelle, pioche et brouette.

 

Echangeur bas du ballon tampon :

En fait, il n’y a pas d’échangeur, l’eau est aspirée en bas du ballon par un tube cuivre de 26x28 et envoyée dans un ou les deux champs solaires suivant les températures.

Le retour se fait par un tube de cuivre de 26x28 percé de trous de diamètre 6mm sur toute la hauteur, lui-même posé à l’intérieur d’une cheminée inox diamètre 153mm percée de trous de diamètre 10mm sur toute la hauteur, fermé en bas. C’est le même principe que Manu25.

Constat : Je n’ai pas de stratification, au mieux, 5° C entre le bas et le haut.

 

1ére modification :

Initialement, j’avais installé un tronc de cône à la base de la cheminée inox de 153mm, voir photo ci-dessous.

Même constat, je n’avais que 5° C de différence entre le haut et le bas du ballon.

Je l’ai démonté principalement à cause du phénomène électrolytique car le tronc de cône était réalisé en tôle galvanisée (voir le résultat du phénomène électrolytique ci-dessous à droite).

 

                      

 

Echangeur supérieur:

Cet échangeur est utilisé pour le transfert des calories vers le plancher chauffant, le ballon ECS et le chauffage de la piscine.

Il est réalisé en cuivre de 16x18, 2 longueurs de 25mètres soit 2.82m².

Le serpentin est fixé sous le couvercle du ballon tampon.

Efficacité : entre la température à la sonde S3 du ballon tampon (haut du ballon) et la sonde S9 (départ plancher chauffant), il y a 2° C de différence, distance entre les 2 points :10 mètres, cuivre en 20x22, circulateur Grundfos UPS 25/40 vitesse 1.

 

                        

 

On peut voir sur la droite du couvercle les 3 raccords inox qui serviront à fixer les tubes cuivre pour le passage des sondes.

Sur l’écran de la régulation, S3 correspond à la température des 2 400l utiles le 12 décembre 2008 soit 41° (température moyenne)-27°(T mini d’utilisation) x 2400lx1.16= 39KWh utiles pour le chauffage de la maison. L’hiver, en dessous de 27°, les calories sont utilisées pour préchauffer l’ECS.

 

                      

Photo de gauche :                                                       Photo de droite :

En avant plan, dispositif de mise à l’atmosphère      Circulateurs pour champs sud-est et sud-

des panneaux et du ballon tampon. En arrière   ouest.

plan, tubes cuivre non isolés : départ et retour

chauffage de la piscine. Tubes verticaux isolés,

sortie et entrée échangeur, départ vers plancher

chauffant et ECS.

 

 

Fonctionnement

 

Collecte des calories :

Lorsque la température dans l’un des champs ou les deux (S1 et S6) est > de 5° C à la température du bas du ballon (S2), la régulation met en fonctionnement le ou les circulateurs.

Le champ sud-ouest met 1,5 min à se remplir et le champ sud-est, plus éloigné, se remplit en 3min environ.

Les relais R1 et R2 de la régulation assurent cette fonction.

Lorsque la température dans l’un des champs ou les deux est > de 3° C seulement à la température du bas du ballon, la régulation arrête le ou les circulateurs.

 

Entre temps, la régulation module la vitesse des circulateurs de 30 à 100% de façon à ce qu’il y ait un delta de 10° C environ entre les panneaux et le bas du ballon et que la température des deux champs soit la plus proche possible.

Il peut très bien y avoir un circulateur qui tourne à 40% et l’autre à 70%, ainsi la température de l’eau des champs est souvent identique sauf lorsque l’un des champs est sur le point de s’arrêter où l’écart peut alors aller jusqu’à 6 à 8° C.

En vitesse 2, le débit varie, suivant le pourcentage, de 300 à 600 l/h par champ.

 

Distribution, utilisation des calories :

 

Fonctionnement chauffage pour le plancher chauffant:

Lorsque la température (l’hiver) à la sonde S3 du ballon tampon est = ou > à 28° C (27° C en demi-saison) et/ou la température dans la pièce de référence est >ou = à 20° C, le brûleur et le circulateur de la chaudière sont désactivés par le relais R9 de la régulation Deltasol M (relais libre de potentiel ou non, au choix).

En parallèle, le relais R6 active le circulateur du même nom, tant que la température dans le ballon tampon est = ou > à 27° C (26° C en demi-saison) et que la température dans la pièce de référence est < à 20° C.

La régulation de la chaudière ferme + ou - la vanne mélangeuse en fonction des paramètres du chauffage (sonde extérieure, sonde d’ambiance), afin d’envoyer, dans le plancher chauffant, les calories solaires strictement nécessaires à la température programmée.

 

.

Vue d’ensemble ballon ECS, chaudière, régulation solaire.

 

    

Régulation de la chaudière fuel                     Température du ballon tampon le 20 mars 2009.

et de la vanne mélangeuse solaire.                  S1 : champ sud-ouest.

                                                                         S2 : bas du ballon tampon 2400l.

                                                                         S3 : haut du ballon tampon 2400l.

 

Fonctionnement chauffage pour l’ECS :

En hiver, priorité au plancher chauffant, mais lorsque la température dans le ballon tampon est = ou < à 27° C, entre 7h et 9heures du matin (avant le lever du soleil) et que la température de l’ECS sonde S3 est < à 24° C, le circulateur et relais R3 sont activés par la régulation, pour préchauffer l’ECS et optimiser l’utilisation des calories solaires.

La température dans le ballon tampon de 2 400litres baisse alors entre 1 et 1,5°C.

En demi-saison et en été, ces paramètres seront modifiés.

Exemple : semaine 12, le soleil étant généreux et assuré, j’ai changé les réglages et l’ECS était chauffée jusqu’à 56° C, la température des 2 400l étant de 59° C en partie haute, lors de la photo.

 

 

 

Photo de gauche :                                Photo de droite :

Ballon ECS 350litres                           Le circulateur Salmson (orange) pour l’ECS.

                                                           La vanne mélangeuse et le circulateur solaires pour le                                                  plancher chauffant, au dessus, clapet anti-retour à                                                                   battant.

 

Fonctionnement chauffage de la piscine :

 

Lors de la réalisation de la piscine, j’ai tout simplement posé, dans le radier, 4 boucles de PER, comme pour un plancher chauffant, longueur 60m chacune, diamètre de 13x16.

 

                 

 

Photo de droite :

Au dessus de la grosse pompe (nage à contre courant de la piscine), on distingue le circulateur, le mitigeur thermostatique et les collecteurs aller et retour avec les 4 boucles en PER de 13x16 pour le chauffage de la piscine.

 

Lorsque la température à la sonde S3 du ballon tampon atteint 65° C et que la température à la sonde S4 est < à 28° C, le relais R4 met en fonctionnement le circulateur tant que la température à la sonde S3 est > à 55° C et à la sonde S4 < à 28° C.

 

Les premiers essais réalisés semaine 12 ont donné de bons résultats en terme d’échange thermique, l’échangeur (les 4x60m de PER de 13x16) a absorbé la production solaire au fur et à mesure). 

 

Deuxième modification :

Au départ, j’avais mis une vanne trois voies pour envoyer les calories solaires soit vers le ballon tampon de 2 400l , soit vers la piscine, mais la différence des pertes de charge entre le circuit du ballon tampon (en direct sans échangeur) et le circuit du radier chauffant de la piscine (240m de PER 13x16) étant trop importante, j’aurai dû installer une vanne motorisée 2 voies plus un relais temporisé sur chacun des circuits de mise à l’atmosphère des champs solaires et la vanne trois voies plutôt sur le retour pour forcer l’eau à passer dans le radier chauffant, ce qui aurait rendu l’installation moins fiable.

C’est pourquoi, on peut apercevoir 2 récipients de 25 l chacun qui servaient à remplir les circuits solaires en cas de démarrage direct vers la piscine.

Aujourd’hui, ils me permettent de voir le niveau d’eau dans le ballon tampon, un peu gros pour cette fonction.

 

Conséquences de la modification:

-         Suppression de la vanne trois voies sur le circuit solaire,

-         Création de 2 piquages sur le circuit à la sortie de l’échangeur,

-         Ajout d’une vanne thermostatique pour limiter la température envoyée dans le radier de la piscine,

-         Ajout d’un circulateur.

 

Notes diverses :

La hauteur d’eau (niveau haut du ballon tampon) au-dessus de l’axe des circulateurs est de 0,85m.

La hauteur entre l’axe des circulateurs et le sommet des panneaux est de 3mètres.

Il n’y a aucune difficulté dans mon cas à remplir les circuits au démarrage même si l’eau en bas du ballon tapon est à 60° C.

Les circulateurs pour les champs solaires sont un Grundfos UPS 25-60 et un Emmeti type shark N° 6/53-180.

 

Résultats

 

Par une belle journée ensoleillée, le 12 décembre 08, la température moyenne de l’eau dans le ballon tampon était de 41° C ; ainsi la chaudière fuel n’a pas fonctionné entre 11 heures du matin et 9h du matin le lendemain.

Le 20 février, température moyenne de l’eau dans le ballon tampon : 47° C soit 62 KWh

Le samedi 29 février, température moyenne de l’eau dans ce même ballon tampon : 55° C soit 76KWh utiles, chauffage de la maison jusqu’au lundi matin 9 heures (pas de soleil le dimanche).

Le 15 mars, 2 400l à 61° C, 350l d’ECS à 56° C, premier chauffage de la piscine…..

 

 

 

 

 

Conclusion

Le solaire, ça marche… même par les journées les plus courtes, au cœur de l’hiver.

 

 

A ne pas faire :

Mettre de l’acier galvanisé avec du cuivre (voir photo du tronc de cône).

Mettre un support de 200mm de longueur, au milieu des panneaux en partie base pour les supporter, le cadre n’est pas assez rigide, préférer un support sur toute la largeur des panneaux.

 

Reste à faire :

Isoler quelques longueurs de tubes.

Habiller les 2 champs solaires pour l’esthétique.

Ecrire le mode d’emploi de l’installation solaire et de la piscine.

 

Coûts

 

12 capteurs CLS 2510 : 4 392 €+181 € de port................................................................ 4 573 €

Régulation Deltasol M + 10 sondes PT 1000........................................................................ 519 €

Ballon tampon inox 2 575L, 600 €+450 € de port.............................................................. 1 050 €

Ballon ECS 350L, double serpentin et résistance thermostatée............................................... 900 €

Tube carré de 40x40x2 pour les supports............................................................................. 350 €

Goulottes électriques 40x60, cloisonnées, 25mètres.............................................................. 119 €

Circulateurs nombre 4 (achat sur Ebay)................................................................................. 250 €

2 mitigeurs thermostatiques ¾ et 1pouce............................................................................... 160 €

Tubes cuivre, vannes, raccords, câbles électriques, divers................................................... 1 740 €

Isolation des tubes cuivre avec mousse type armaflex ép. 19 mm........................................... 240 €

 

TOTAL............................................................................................................................ 9 901 €