Chauffe-eau solaire avec vidange du capteur

Jean-Marc Rosoli
Manosque - Alpes de Haute Provence
contact : jeanmarc.rosoli chez laposte.net

Avant tout, je tiens à remercier l'association Apper Solaire et tous ses membres pour les précieux conseils qu'ils donnent.
Je suis inscrit sur le forum depuis 2007 mais je n'ai jamais participé, c'est pourquoi, j'ai tenu à faire ce descriptif.
N'étant pas designer web, j'ai repris la mise en forme de Jérôme Crochet, qui a présenté son installation en décembre.

Historique du projet

L’idée d’avoir un chauffe-eau solaire a germé dans mon esprit dès la construction de ma maison, en 2001.
Il y a eu deux versions de l’installation, seule, la dernière sera décrite en détails, ici.
Il faut préciser qu’au début du projet, je n’avais pas une idée précise de ce que j’allais faire et ce dont j’avais besoin. Ne soyez donc pas étonné des choix retenus ! Les choix ont surtout été guidés par des opportunités :

• Le ballon de 150 litres vient d’un déstockage, il a un seul échangeur et il n’a pas d’appoint électrique. Il n’est d’ailleurs pas destiné au solaire.
• Le capteur solaire a été acheté sur Ebay, c’est un modèle vertical, comme nous le verrons par la suite, le modèle horizontal aurait été mieux, voire un modèle pour drainback.
• La régulation initiale est de la récupération, l’appareil avait pris la foudre !
• Le circulateur initial a aussi été acheté sur Ebay, à prix très intéressant mais mal adapté car trop puissant. C'était pourtant le plus petit de Wilo.

Tous ces éléments sont restés stockés dans mon garage pendant des années â€¦

Il y a trois ans, j’ai décidé de faire des modifications sur la chaudière à gaz avec un arrêt complet l’été pendant plusieurs semaines. Pour continuer à bénéficier de l’eau chaude, j’ai décidé de mettre en place le chauffe-eau solaire. La première version est une solution classique dite pressurisée à circulation forcée, je me suis inspiré fortement de l’installation décrite par François Kugel à Banon. Je l’ai réalisée en partie avec les éléments que j’avais depuis longtemps, la régulation réparée, j’ai rajouté des liaisons en tubes annelés, de l’isolant thermaflex, une vanne de réglage de chauffage pour diminuer le débit, les éléments de sécurité (vase d’expansion, soupape, manomètre, vanne thermostatique).
L’objectif a été atteint, il y a eu assez d'eau chaude pour les douches de deux personnes pendant l’arrêt de la chaudière jusqu’à mi-octobre ; l’eau n’était pas toujours très chaude, avec des minima à 38 °C, il n’y a pas d’appoint !

J’ai arrêté ensuite le solaire et je suis revenu au gaz. Les deux installations sont pour l'instant indépendantes mais j'ai pensé aux prochaines évolutions.

Dans les modifications de la chaudière, j’ai en particulier renforcé l’isolation de son ballon de stockage et rajouter des lyres anti thermosiphon sur l’échangeur et des conduites descendantes sur les liaisons sanitaires.
L’objectif final est de mettre en série les deux ballons solaire et gaz, l’énergie gagnée en solaire ne doit pas être perdue au niveau du stockage de la chaudière.

L’été dernier, j’ai modifié l’installation pour passer à une solution à vidange du capteur (aussi appelé drainback).
C'est cette installation que je vais décrire en détails, elle est particulière parce que la vidange se fait par pompage.

Description de l'installation

Le capteur solaire thermique

Le capteur solaire n’a pas changé depuis la version précédente, il est fixé sur un socle métallique derrière la maison. Comme on peut le constater, il s’agit d’un modèle vertical monté à l’horizontal. Il est orienté 42° ouest pour être parallèle à la clôture (!) avec une inclinaison de 45°C. Cette orientation convient bien pour l’été et c’était l’objectif initial. Il serait maintenant plus judicieux de l’orienter plein sud et de l’incliner à 60° pour un fonctionnement à l’année. Le support permet aussi cette inclinaison.
Avec cette nouvelle version, j’ai supprimé tous les purgeurs et en particulier celui sur le capteur, ainsi que le té de réglage à l’entrée du capteur.

Pour la sonde température, je l’avais mise dans un doigt de gant en bas à droite du capteur, qui est en réalité le haut du capteur si celui-ci était monté à la verticale ; la mesure n’était pas correcte.
J’ai donc mis des sondes directement dans le capteur, une sur la tuyauterie après l’entrée en bas et une autre sur la tuyauterie avant la sortie en haut. La nouvelle régulation n’utilise que celle du haut. Celle du bas est connectée sur l'ancienne régulation juste pour une lecture de la valeur.
C’est mieux mais ce n’est pas encore bon : à l’arrêt, la température mesurée est plus basse que celle au centre du capteur.
Ce qui me paraît logique puisque le capteur n'est pas monté dans la bonne position.

Le ballon de stockage

Le ballon de stockage est installé dans le garage, c’est bon l’été mais l’hiver, il y fait trop froid. Au départ, le ballon était prévu de l’autre côté du mur dans le cellier mais je n’ai pas eu l’autorisation, la chaudière prenant déjà trop de place !

Le ballon de stockage est équipé comme d’habitude : groupe de sécurité, un vase d’expansion sanitaire (il n’y a pas d’évacuation pour le groupe, ou du moins, elle a été prévue dans le cellier de l’autre côté du mur), un robinet thermostatique avec son clapet anti-retour non visible sur la photo car caché par l'isolant). Sur la sortie haute de l'échangeur, il reste un purgeur devenu inutile pour le drainback et une vanne de vidange/remplissage qu'il faudrait déplacer pour bien faire sur la bas de la lyre anti-thermosiphon pour réaliser une vidange complète, cela permettrait aussi de supprimer les déperditions thermiques au niveau de la vanne, qui est juste à la sortie de l'échangeur du ballon. Pour le remplissage, l'idéal est de le faire au niveau du réservoir de vidange.

Les raccords diélectriques

Il y a des raccords diélectriques sur l’entrée et la sortie de l’eau sanitaire, il s’agit du modèle Atlantic. Le ballon de stockage en acier est relié à la terre, le cuivre et le laiton après les raccords diélectriques non. Pour cela, j’utilise des tubes multicouches qui sont isolants électriques pour relier cette partie de cuivre au reste de l’installation qui est reliée à la terre. Ainsi, on peut mesurer un potentiel par rapport à la terre non nul sur la partie cuivre isolée, qui varie de 0,8 V à 1,2V (le ballon a un dispositif électronique contre la corrosion).
Je n’ai pas mis de raccord diélectrique sur l’échangeur, j'aurais pu isoler le côté cuivre en réalisant les lyres antithermosiphon avec du tube multicouche. J’ai tout de même ajouté un produit anticorrosion-antigel dans le circuit solaire. Est-ce suffisant ? Je ne sais pas.

Il y a un très bon document sur la corrosion galvanique de Jean-Matthieu STRICKER dans la rubrique "En théorie" du site Apper Solaire. Sur ma chaudière, par manque de place, je n'avais pas mis de raccords diélectriques, lire en particulier l'annexe 2 de Jean-Matthieu pour connaître ce qui s'est passé. Ça n'arrive pas que chez les autres !

Les lyres anti-thermosiphon

Il y a deux lyres antithermosiphon, une de chaque côté de l’échangeur.
Dans la première version, je n’avais pas mis de lyre sur la sortie basse de l’échangeur, par contre, il y avait un clapet antithermosiphon et j’ai constaté que la conduite restait chaude jusqu’au clapet, donc des pertes supplémentaires. C’est pourquoi, il y a maintenant deux lyres, par contre, le clapet n’est plus du tout utile, parce que le réservoir de vidange joue un peu le même rôle.

Avec une solution pressurisée à circulation forcée et quand le capteur est au-dessus du ballon de stockage, le clapet anti-thermosiphon est obligatoire. Ce que je n’ai pas compris tout de suite, c’est qu’une lyre fonctionne uniquement s’il y a un bouchon d’eau froide dans sa partie basse.
Ce qui veut dire que la circulation doit s’arrêter suffisamment longtemps dans le circuit solaire pour que le fluide dans le bas de la lyre ait le temps de refroidir. On peut diminuer ce temps en supprimant l’isolant sur le bas de la lyre.
Pour qu’il n’y ait plus de circulation, il y a deux solutions, soit le capteur solaire reste « au chaud », soit c’est le rôle du clapet anti-thermosiphon. D'après ce que j'ai lu sur le forum de l'apper, je pense que seule la deuxième solution est possible, j’allais écrire fiable, ce qui n’est pas vraiment le cas.

Dans le cas de ma chaudière, par manque de place, le clapet n’était pas monté dans la position préconisée par le fabricant. Si bien que quelquefois, il se bloquait et le restait pendant plusieurs jours, le ballon de stockage se refroidissait alors par thermosiphon dans la chaudière située juste au-dessus. J’ai supprimé le clapet et j’ai mis une lyre à chaque extrémité de l’échangeur. Le cas de la chaudière est différent du capteur solaire, tout simplement parce que la chaudière peut rester « au chaud », elle est suffisamment isolée thermiquement pour que le bas des lyres ait le temps de refroidir.
Si maintenant, avant que les lyres n’aient eu le temps de refroidir, je force le refroidissement de la chaudière en envoyant par exemple de l’eau du plancher chauffant, les lyres ne jouent plus leur rôle, le thermosiphon s’amorce immédiatement et la chaudière est réchauffée ...

Pour le chauffe-eau solaire à vidange (du moins le mien), le clapet anti-thermosiphon est inutile et les lyres anti-thermosiphon sont obligatoires.
En effet, lorsque la pompe est arrêtée, le fluide ne peut plus circuler vers le capteur solaire parce qu'il y a une discontinuité du circuit au moins dans le réservoir de vidange et dans le capteur si celui-ci est vide.
Par contre, le fluide peut circuler dans une seule conduite, jusqu'au réservoir de vidange et jusqu'à la pompe. Ce thermosiphon est d'autant plus important que la section de la conduite est grande. Pour éviter cela, en sortant de l'échangeur, les conduites doivent descendre.
En conclusion :

• dans tous les cas, il faut des lyres anti-thermosiphon sur l’entrée et la sortie de l’échangeur pour conserver au maximum les précieuses calories.
• Il faut un clapet anti-thermosiphon si le capteur est plus haut que le ballon de stockage.
• Ce clapet ne sert à rien avec un drainback.

Le réservoir de vidange

Le réservoir de vidange est un chauffe-eau électrique sur évier de 15 litres : l’eau en provenance du capteur rentre par la « sortie » prévue initialement pour l’eau chaude et ressort vers l’échangeur du ballon de stockage par l’ « entrée » initialement prévue pour l’eau froide. J’ai supprimé l’élément chauffant et j’ai ajouté un dispositif pour connaître le niveau d’eau dans le réservoir. Par sécurité, j’ai mis un manomètre et une soupape tarée à 3 bars. Je pense que la soupape est utile seulement si on oublie de fermer la vanne de remplissage ! Au maximum, la pression atteint 0,5 bar en été.
D’ailleurs, l’idéal serait d’avoir un bouchon sur le dessus du réservoir de vidange pour faire un remplissage à pression ambiante et pour ajouter facilement des produits anticorrosion ou antigel, un peu comme sur le circuit de refroidissement d’une voiture.

On peut remarquer plusieurs marques dessinées sur le réservoir de vidange : lors du premier remplissage de l'installation, j'ai rempli presque la totalité du réservoir de vidange, je ne manquais alors pas d'eau, par contre, au démarrage, il fallait chauffer toute cette eau et ça refroidit le ballon (un tout tout tout petit peu !). J'ai diminué la quantité une première fois, puis une deuxième fois jusqu'à tel point que je ne voyais plus le niveau bouger sur ma jauge et pourtant, l'eau pouvait encore circuler. J'ai enfin rajouter un peu d'eau pour que le niveau lorsque le capteur est plein corresponde au niveau bas de ma jauge.
J'ai vu que quelques fabricants de solutions Drainback "mettent" le réservoir de vidange dans l'échangeur, ce qui permet de réduire au maximum l'inertie (l'eau du réservoir de vidange est au moins à la température du ballon de stockage) et de rendre la solution plus compacte.

Les liaisons hydrauliques

Les liaisons entre le ballon de stockage et le capteur solaire sont réalisées en grande partie avec du tube PER 10x12. En partant du capteur, elles descendent, parcourent quelques mètres sous terre, pénètrent dans le garage, remontent le long du mur jusqu’au plafond, parcourent quelques mètres accrochées sous le plafond et redescendent vers le ballon de stockage.
Il y a environ 25 mètres de PER 10x12, soit une contenance de 2 litres auxquels, il faut ajouter 2 litres pour le capteur, soit un total de 4 litres, le réservoir de vidange de 15 litres est donc trop grand.
J’ai remplacé le tube annelé de la première installation par du tube PER qui est lisse à l’intérieur, ce qui facilite la vidange du capteur. Le diamètre extérieur de la gaine du PER 10x12 est aussi très proche de celui du tube annelé, j’ai pu réutiliser l’isolant.
Proche du capteur solaire, j’ai remplacé le PER par des tubes descendants en cuivre sur une longueur de 1,5 mètre environ, le capteur une fois vide peut atteindre une température supérieure à 100°C.
J’ai aussi du cuivre au niveau du ballon de stockage du 12 ou du 14, selon la longueur des chutes disponibles, c’est la seule solution pour réaliser les lyres anti thermosiphon en sortie de l’échangeur du ballon de stockage et la sortie sur le ballon de vidange et que celles-ci gardent leur forme.
Les raccords pour le PER sont à glissement. Les raccords avec le cuivre se font par collier battu, façonné à partir d’une matrice. Il y a quelques raccords laiton soudés à la brasure tendre.
Les tubes de cuivre sont formés avec une vielle arbalète et comme je ne sais pas l’utiliser, les dimensions ne sont jamais celles voulues, je prévois alors des liaisons flexibles avec des flexibles sanitaires pour compenser les écarts !
L’étanchéité se fait par joint (téflon directement sur le capteur et CNK pour les autres) ou avec Uni-Lock de Tangit ou Loctite 55 pour les raccords mécaniques.

La pompe

La pompe pour un drainback devrait être différente des circulateurs classiques. En effet, elle doit être capable en général (bon, ce n’est pas le cas de mon installation) de remplir un ou plusieurs capteurs à des hauteurs importantes, jusqu’à 12 mètres. Par contre, du moins pour un chauffe-eau solaire, les débits restent faibles : 50 à 100 litres / heure par capteur. A Manosque, parmi le tout petit nombre d’installations solaires individuelles existantes, la plupart ont seulement 2 capteurs.
La pompe la mieux adaptée pour un drainback est volumétrique. Quelques fabricants de solutions drainback proposent une telle pompe : Thermo Dynamics (Canada), ESE Solar (Belgique) associé avec Terga (France, Gémenos), PAW Gmbh (Allemagne).

La pompe que j’utilise est le modèle UP4 24V de Marco (Italie) que j’ai acheté chez un revendeur en France. C’est une technologie à engrenages, elle est associée à un moteur à courant continu de 24V. Son débit est de 900 l/min au maximum et sa pression maximale est de 2 bars.
Elle n’est pas du tout destinée au solaire !

• Elle n’est pas faite pour fonctionner en continu à 24 V, je ne l’utilise qu’à basse puissance, sous 4 V (cette tension correspond à un débit de 70 l/h).
• La température du liquide doit rester inférieure à 60°C, c’est un peu juste. En cas de dépassement de cette valeur au niveau de la pompe, il est toujours possible d’arrêter le système et de vidanger le capteur.
• L’étanchéité se fait par un joint à lèvres sur l’axe, ce n'est pas génial pour la fiabilité ; certes, avec le drainback, la pression du fluide reste faible.
• Les engrenages sont en bronze, ils ont toujours été un peu bruyants sans doute à cause d’un petit jeu. Par contre, ils sont faciles à démonter dans le cas où il faudrait les changer pour usure. La taille de l'ensemble est petit.
• Le moteur est à courant continu 24V. L'inconvénient est qu'il est bruyant acoustiquement et électriquement. Les avantages sont nombreux : la tension est faible donc sans danger, il est facile à faire fonctionner bien qu’il ne soit pas possible de connaître sa vitesse réelle. Le moteur de la pompe n’a pas de capteur de vitesse et il est difficile d’en rajouter un. J’ai préféré rajouté un débitmètre (surcoût non négligeable) et je régule la tension fournie au moteur pour maintenir le débit à la bonne valeur.

En conclusion, ce n’est pas la pompe idéale mais elle a quelque chose de particulier, elle est réversible : elle peut donc remplir le capteur et le vider.

La régulation

Pour la carte électronique, j’ai récupéré une carte de développement de Microchip destinée au contrôle d’un moteur BLDC et son bloc d’alimentation 24V. J’ai fait quelques modifications pour utiliser le débitmètre, deux sondes de températures à l’entrée (Tretour) et à la sortie (Taller) de l’échangeur du ballon et la sonde dans le capteur (Tcapteur). Je n’ai pas de lecture directe de la sonde du ballon. J’utilise la sonde sur la sortie de l’échangeur, en bas donc pour connaître la température du ballon (Tballon = Taller), il faut la mettre du bon côté de la lyre sinon on mesure la température ambiante, du moins à l’arrêt !
Actuellement, la carte électronique a deux fonctions : alimenter le moteur de la pompe et assurer la régulation du chauffe-eau (mise en route et arrêt de la pompe). La régulation de base est classique et autonome. Elle est effectuée par la carte de Microchip : le débit est fixé à 70l/h, la pompe se met en route lorsque Tcapteur > Tballon + 20ºC et s’arrête lorsque Tretour-Taller < 1ºC ET Tcapteur < Tballon + 5ºC.

La carte électronique n'assure pas encore de façon autonome le remplissage et la vidange du capteur solaire, ceux-ci doivent être demandés.
En effet, la carte électronique est reliée à un PC par une liaison RS232 et à partir d’un logiciel sous Delphi, je peux choisir le mode de fonctionnement : régulation, remplissage et vidange.

Je n'ai pas encore implémenté ces fonctions dans la régulation, je vais le faire mais je me suis rendu compte qu'il n'est pas souvent nécessaire de vidanger le capteur. En effet :

• dans la première version, il n’y a jamais eu de surchauffe, température maximale dans le ballon de 65°C. Et puis un chauffe-eau solaire bien dimensionné ne doit jamais surchauffer.
• il n’y a pas de risque de gel, j’ai mis un fluide anticorrosion qui joue le rôle aussi d'antigel (à base de glycérine, c’est plus écolo !)

Alors, quand faut-il vidanger le capteur ?

• Par sécurité, lors d’une longue absence.
• Si la température extérieure descend en dessous à -5°C (je n’ai pas trop confiance en mon dosage d'antigel).
• Pour une maintenance au niveau du capteur ou de la pompe.

Quand faut-il remplir ? après une vidange, c'est-à-dire très rarement...

Il faut noter qu'à cause de la remontée du tube dans le réservoir de vidange, il y a un phénomène de vases communicants, les niveaux dans ce tube et dans le réservoir de vidange sont identiques, le capteur ne peut pas se vider par gravité. C'est pourquoi, il faut pomper le fluide dans le capteur pour le vider.

Conclusion

Je n'ai pas mesuré le rendement des deux solutions pressurisée et drainback mais je n'ai jamais lu que l'une des solutions est plus performante que l'autre.
La vidange est rarement utile, du moins dans le cas d'un chauffe-eau.
Ce qui fait l'avantage du drainback, c'est sa simplicité et sa fiabilité : pas de clapet anti-thermosiphon qui se bloque, pas de vase d’expansion à contrôler, remplissage facile par le réservoir de vidange à pression ambiante (ce n’est pas mon cas mais c’est possible), pas de purgeurs à manipuler, le réservoir de vidange peut être incorporé à l'échangeur et la pompe est relativement petite, ce qui permet d'avoir une solution compacte, des liaisons en PER sont faciles à mettre en place…

Je n'ai pas testé ces deux configurations mais ça devrait marcher.

• Pour le premier cas, lorsque le capteur est plein à l'arrêt de la pompe, il reste plein et la vidange par pompage est facilitée par la gravité. C'est le remplissage qui demande plus d'effort.
• Pour le deuxième, lorsque le capteur est vide à l'arrêt de la pompe, il reste vide ; le remplissage est facile, par contre, pour la vidange, la pompe doit lutter contre la gravité. Ça peut marcher si les conduites sont de très faibles sections. A tester ...