1000 W / m² : pourquoi s'en priver ??

par Christian TRILLAUD     Saint Fons 69

trillaud chez gmail.com



J'ai souhaité mettre en œuvre un capteur solaire thermique capable de produire de l'eau chaude sanitaire lorsque le chauffage de la maison n'est plus nécessaire (d'avril/mai à octobre). A cette période,  la chaudière est en veille toute la journée pour produire quelques litres d'eau chaude le soir ...


Je vais donc assembler les éléments suivants :

Le principe utilisé sera le système "drain-back" encore appelé "auto-vidangeable". Le cumulus est ici inversé, dans tous les sens du terme… Tout d'abord, physiquement, la sortie classique est en haut… Ensuite, les 200 L d'eau ne représentent pas l'eau chaude sanitaire (ECS) mais la réserve de calories transportées depuis le capteur.

Pour fabriquer l'eau chaude sanitaire, un serpentin en cuivre est plongé dans cette eau chauffée par le capteur et réchauffe l'eau froide sanitaire (EFS) pour la distribuer dans le réseau lors de l'ouverture d'un robinet.
L'ECS est ainsi créée "à la demande" et ne stagne pas dans le cumulus (mis à part les quelques litres présents dans le serpentin).


Retrouvez l'évolution de ce compte-rendu en ligne sur http://capteursolaire.blogspot.com/


Le capteur solaire

Je pars sur le concept suivant :

L'accumulateur de calories - échangeur



L'eau chaude venant du capteur est dirigée vers le cumulus.

Plutôt que d'acheter un élément relativement couteux comprenant un circuit d'échange, j'ai opté pour la modification d'un cumulus classique.

Diverses opérations :

Récupération des baies vitrées..

baies vitrées destinées à la construction du capteur solaire...



en simple vitrage, dimension 2,50 m x 0,90 m








forcément, ça agrandit l'ex salle de classe....

Récupération du cumulus...



transport du cumulus 200 L dans la voiture.. ça passe juste..


on dirait qu'il y a du tartre... non ?


effectivement, il aurait fallu mettre du Calgon...


La résistance chauffante après un peu de nettoyage.. juste pour la curiosité, car elle ne servira plus...

Achat d'un circulateur

Occasion, 35 euros... j'ai dû le dégripper..
Espérons qu'il fonctionnera correctement...

Réalisation du capteur solaire :



Mes premières brasures à l'argent..

La construction progresse...

Essais sous pression

Travail sur le cumulus.

Découpe de l'isolant pour le passage de la canalisation de sortie froide vers le circulateur

Déroulement de la bobine de recuit

Réalisation du gabarit pour le serpentin.. 

Enroulement au diamètre idoine..

Assez laborieux... mais ça prend forme..

Il ne reste plus qu'à le mettre en forme et à le stabiliser..

Contrairement à ce que je pensais, le serpentin ne pourra pas rentrer même en utilisant les pires subterfuges..


Il ne reste plus qu'à découper la cuve pour faire rentrer le serpentin...

Découpe de l'isolant et de sa protection en tôle..

Décalottage de la partie supérieure, elle sera remise en place ultérieurement.

Découpe de la cuve.. elle est plus épaisse, 1mm d'acier.

Voilà, c'est fait.  L'élément de gauche doit rentrer dans celui de droite

Fixation de la sortie "froide" (qui va vers le capteur)

Essais d'étanchéité de cette connexion.

Stabilisation du serpentin par du fil de cuivre soudé à l'étain..

Essais de mise en place.

Soudure des tuyaux d'arrivée et sortie..

Ca commence à prendre forme...

Le tuyau d'arrivée de l'eau chaude en provenance du capteur est percé de part en part en espérant que la stratification sera optimale par ce procédé...  Le but est de conserver cette stratification (les couches chaudes en haut et les couches plus froide en bas) afin que le rendement soit maximal. Il vaut mieux un ballon qui fait 60°C en bas et 90°C en haut que 75 °C partout (le serpentin termine sa course en haut du ballon). L'eau chaude du capteur arrive par le haut du ballon. Sa température sera maximale en milieu de journée. En fin de journée, les capteurs de température dans le ballon peuvent ordonner une continuation du pompage de l'eau pour apporter des calories au ballon, mais l'eau de retour risque d'être plus froide que celle en surface du ballon (mais plus chaude que celle du fond). L'apporter en haut va refroidir les couches supérieures. La solution serait de l'insérer dans le ballon exactement là où la température du ballon est identique. Concrètement, c'est difficilement possible. Il existe des systèmes de cuves qui présentent 3 entrées et un système de gestion qui ouvre des électrovannes où la température est la plus proche. (peut être plus tard...!!). L'idée est ici de jouer sur la densité de l'eau. Au dessus de 4°C, la densité de l'eau est inversement proportionnelle à sa température. L'eau arrivant par le tuyau troué s'arrêtera et sortira (par les trous) lorsque l'effort pour descendre plus bas sera plus élevé (pour franchir les couches plus froides). Ca reste théorique...

Fils de suspension du serpentin qui seront passés dans le couvercle, une fois celui-ci reposé.

Le haut de la cuve ressoudé : juste 4 points de soudure à l'arc pour la tenu mécanique.. Inutile d'en faire plus car, rappelons-le, le ballon n'est pas sous pression en "Drain-back".  L'étanchéité sera assurée par un cordon de silicone sur le pourtour ainsi que sur les 4 fils de suspension du serpentin. 

Au centre, les deux extrémités en cuivre du serpentin, avec possibilité de visuel sur l'intérieur de la cuve par l'emplacement du support de la résistance, au premier plan, les deux embouts d'origine du cumulus, qui vont maintenant être utilisés pour  la mise à l'air de la cuve (à droite), et pour l'arrivée d'eau chaude en provenance du capteur (à gauche).


Le haut de l'isolation est remis en place puis fixé par de l'adhésif le temps des essais.

Absorbeur du capteur..

Le cuivre ayant une conductibilité thermique largement supérieure à tous les matériaux (doc), j'ai choisi de m'orienter vers une plaque de 2m x 1m en 0.5 mm d'épaisseur pour réaliser l'élément qui recevra les rayons solaires et transmettra les calories vers les tubes dans lesquels circule l'eau..
Le coût de cette plaque est d'environ une centaine d'euros (mars 2010). Pour ma configuration, il était nécessaire de la couper en 2 parties. J'ai heureusement pu le faire chez le marchand grâce à la mise à disposition de sa cisaille.

La plaque découpée

Pour optimiser la conduction de la plaque vers les tubes, j'étais parti initialement sur l'idée d'emboutir la plaque en lui donnant la forme du tube. L'opération s'est révélée être difficilement réalisable....

La puissance nécessaire pour emboutir une plaque sur 90 cm de long est relativement conséquente.... J'ai opté donc pour le brasage à l'étain des tubes sur la plaque.

 Mise en place d'une plaque sous le capteur

Début des brasures


J'ai fait l'erreur au début d'utiliser mon chalumeau pour fondre l'étain.... la flamme est trop petite et concentrée et ça coûte un bras... J'ai fini avec un bruleur butagaz qui chauffait sur une plus large surface, l'apport de l'étain en était facilité et beaucoup plus rapide...
Par ailleurs, la dilatation de la plaque de faible épaisseur la faisait gondoler tellement qu'elle s'éloignait du tube parfois jusqu'à plus de 1 cm, il était impossible de la souder.... Il a fallu user de stratagèmes pour maintenir la plaque "plaquée" sur le tube à souder...

Maintenir en contact plaque et tube pendant la soudure

Plaques soudées sur les 22 tubes

 Peinture en noir de l'ensemble, ce qui absorbera mieux les rayonnements (doc)



La peinture doit être celle prévue pour résister aux hautes températures (prévues pour barbecues, pot échappement etc...)  Deux bombes ont été nécessaires pour couvrir correctement la surface exposée.

Ajustement du chassis du capteur...

Le châssis de la fenêtre récupéré n'est pas assez profond pour accueillir le capteur et son isolation. Il est donc nécessaire de rajouter des éléments en bois :

Mise en place du capteur

Découpe des passages..

Mise en place du cumulus

Il est placé dans une pièce à part (bruit du circulateur + retour d'eau).

Relier les réseaux Eau Froide et Eau Chaude au serpentin.. La vanne de remplissage..

La sortie basse avec le tuyau de niveau, le circulateur, la vanne de purge.

Les tuyaux en PER pour la liaison avec le capteur.

Les essais d'étanchéité.

Fixation du capteur sur le toit...

Monter le châssis sur le toit n'a pas été chose facile.. 65 kg à élever à 3m50 du sol tout seul... il a fallu user de stratagèmes...

Voilà le capteur en place, fixé uniquement par le bas pour l'instant...

Détail de l'étanchéité de la fixation et du passage du tuyau

Passage des fixations hautes..

Étanchéité des fixations hautes..

Les éléments de fixation arrière en attente du complément.

Détail de la descente du tuyau

Capteur mis en place mais pas encore isolé

Isolation du capteur..

J'ai hésité longtemps avant d'opter pour l'insertion de laine de verre vis à vis du risque d'humidité (condensation) à l'intérieur du capteur. Si la laine se mouille, son efficacité est réduite à néant....
Mais rien n'est gravé dans la pierre et si cette solution ne devait pas s'avérer payante, il sera toujours possible d'opter pour un autre isolant.
Derrière le capteur se trouve donc la laine de verre ( 10 cm) puis une plaque de polystyrène extrudé de 3 cm d'épais, puis une plaque de 5 mm de contreplaqué marine protégé par une lasure.

Coupe de l'isolation...

La laine de verre mise en place

Le panneau de bois et le polystyrène sur la laine de verre.

Les deux panneaux arrières sont fixés.

Fixation des jambes de soutien arrières.

L'ensemble fixé.

L'étanchéité de la partie supérieure.

L'ensemble en place et quasiment opérationnel.. Il n'y a plus qu'à attendre le soleil....

Isolation des conduits

Phase finale de l'installation, après avoir vérifié que tout était opérationnel, sans fuite, l'isolation des tuyaux et l'étanchéité des passages de toits..

Le circulateur sera "entouré" d'isolant (laine de verre ?) à postériori, quand la régulation sera finalisée.

Les conduits extérieurs sont entourés de 2 épaisseurs de tuyau polystyrène et étanchéifiés par une bande alu / goudron auto-collante.

Idem pour l'arrivée d'eau

Débit, puissance ???

Le système est entré en fonctionnement (sans régulation pour l'instant) aujourd'hui (samedi 10 avril 2010).
La température de l'eau dans le réservoir était de 17 °C ce matin lors de la mise en route, il était 10H.
Le soleil était présent ce jour, avec un voile nuageux intermittent, la température extérieure est de 18°C.
Il est 16H et la température de l'eau (mesurée en haut de la cuve) est de 37 °C.

Par ailleurs, j'ai mesuré la puissance électrique consommée par le circulateur en vitesse 1 : 40 W
A noter que la vitesse 1 n'est pas suffisante pour élever l'eau jusqu'au capteur solaire lors du démarrage. Il est nécessaire de commuter le circulateur en position 3 le temps que le système s'amorce, on peut alors se remettre en position 1.

Mesure de la puissance consommée par le circulateur.

Essais..

La première journée de chauffe a permis à l'eau de la cuve de passer de 17 °C à 42 °C.
J'ai pris le soir une douche "solaire" un peu fraîche car la température de l'eau ne permettait pas encore de sortir en débit continu à 37 °C. L'eau du ballon est redescendue à 35 °C après cela.

La seconde journée de chauffe a fait passer l'eau de 32 °C (perte de 3 °C pendant la nuit, le ballon n'est pas encore très bien isolé) à 52 °C le soir.
La douche fut beaucoup plus agréable et le régulateur de température du robinet placé sur 37 °C a joué parfaitement son rôle.

Les 2,7 litres d'eau contenus dans le serpentin ( 24 m en diamètre 12 mm) sont forcément à la température de la
cuve..  Mais la température des litres suivants est moins triviale..
Le principe retenu ici est de chauffer l'eau sanitaire à la demande, lors de son passage dans le serpentin immergé dans l'eau de la cuve.


Est-ce que ça marche ? oui...

Cela dépend forcément du débit demandé, de la température de l'eau de la cuve, de la température initiale de l'eau, mais dans les conditions d'essai du jour, c'était concluant....


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