Chauffage solaire d'une maison individuelle : options et schémas d'installation

L'utilisation de l'énergie “verte” fournie par les éléments naturels permet de réduire considérablement les charges de services publics. Par exemple, en installant un chauffage solaire dans une maison individuelle, vous fournirez un fluide caloporteur pratiquement gratuit aux radiateurs basse température et aux systèmes de plancher chauffant. Convenez-en, c'est déjà une économie.

Tout sur les “technologies vertes” est expliqué dans l'article que nous vous proposons. Grâce à notre aide, vous pourrez aisément vous y retrouver parmi les types d'installations solaires, leurs méthodes de montage et leurs spécificités d'exploitation. Vous serez certainement intéressé par l'une des variantes populaires, largement employées dans le monde, mais encore peu demandée chez nous.

Dans l'aperçu proposé à votre attention, les caractéristiques constructives des systèmes sont analysées, les schémas de raccordement sont décrits en détail. Un exemple de calcul du circuit de chauffage solaire est fourni pour évaluer la faisabilité de sa réalisation. Pour aider les bricoleurs, des sélections de photos et des vidéos sont jointes.

Les technologies “vertes” de production de chaleur

En moyenne, 1 m² de surface terrestre reçoit 161 W d'énergie solaire par heure. Bien entendu, à l'équateur, cette valeur sera bien plus élevée que dans les régions polaires. De plus, la densité du rayonnement solaire dépend de la saison.

Dans la région de Moscou, l'intensité du rayonnement solaire en décembre-janvier diffère de celle de mai-juillet de plus de cinq fois. Cependant, les systèmes modernes sont si efficaces qu'ils peuvent fonctionner presque partout sur Terre.

Les systèmes solaires modernes sont capables de fonctionner efficacement par temps nuageux et froid jusqu'à -30 °C

Le problème de l'utilisation de l'énergie du rayonnement solaire avec un rendement maximal est résolu de deux manières : le chauffage direct dans des collecteurs thermiques et les panneaux photovoltaïques solaires. Les panneaux solaires convertissent d'abord l'énergie des rayons solaires en électricité, puis la transmettent via un système spécial aux consommateurs, par exemple à une chaudière électrique.

Les capteurs thermiques, en s'échauffant sous l'action des rayons solaires, chauffent le fluide caloporteur des systèmes de chauffage et d'eau chaude sanitaire.

Les capteurs thermiques existent en plusieurs types, notamment les systèmes ouverts et fermés, les constructions planes et sphériques, les capteurs hémisphériques concentrateurs et bien d'autres variantes. L'énergie thermique obtenue à partir des capteurs solaires est utilisée pour chauffer l'eau chaude sanitaire ou le fluide caloporteur du système de chauffage.

L'industrie produit une large gamme de systèmes de capteurs à intégrer dans un réseau de chauffage indépendant. Cependant, la version la plus simple pour une maison de campagne est facile à réaliser soi-même :

Malgré les progrès évidents dans le développement de solutions pour la collecte, le stockage et l'utilisation de l'énergie solaire, il existe des avantages et des inconvénients.

Utilisation efficace de l'énergie solaire

L'avantage le plus évident de l'utilisation de l'énergie solaire est son accessibilité universelle. En effet, même par temps le plus maussade et nuageux, l'énergie solaire peut être collectée et utilisée.

Deuxième avantage – les émissions nulles. En substance, c'est la forme d'énergie la plus écologique et naturelle. Les panneaux solaires et les collecteurs ne produisent pas de bruit. Dans la plupart des cas, ils sont installés sur les toits des bâtiments, sans occuper l'espace utile du terrain de campagne.

L'efficacité du chauffage solaire sous nos latitudes est assez faibe, ce qui s'explique par un nombre insuffisant de jours ensoleillés pour un fonctionnement régulier du système (+).

Les inconvénients liés à l'utilisation de l'énergie solaire résident dans l'inconstance de l'éclairage. Pendant la nuit, il n'y a rien à collecter, la situation est aggravée par le fait que le pic de la saison de chauffage tombe sur les jours les plus courts de l'année. Il faut surveiller la propreté optique des panneaux, une légère pollution réduit considérablement le rendement.

De plus, on ne peut pas dire que l'exploitation d'un système à énergie solaire soit totalement gratuite, il existe des coûts continus pour l'amortissement de l'équipement, le fonctionnement de la pompe de circulation et de l'électronique de contrôle.

Un inconvénient important du chauffage basé sur l'utilisation de capteurs solaires est l'absence de possibilité de stocker l'énergie thermique. Le schéma ne comprend qu'un vase d'expansion (+).

Capteurs solaires ouverts

Un capteur solaire ouvert représente un système de tubes non protégé contre les influences extérieures, dans lequel circule le fluide caloporteur chauffé directement par le soleil.

Comme fluide caloporteur, on utilise de l'eau, du gaz, de l'air, de l'antigel. Les tubes sont soit fixés sur un panneau porteur en forme de serpentin, soit connectés en rangées parallèles au tuyau de sortie.

Les capteurs solaires de type ouvert ne sont pas en mesure d'assurer le chauffage d'une maison individuelle. En raison de l'absence d'isolation, le caloporteur refroidit rapidement. Ils sont utilisés en été principalement pour chauffer l'eau des douches ou des piscines.

Les capteurs ouverts n'ont généralement aucune isolation. La conception est très simple, donc son coût est faible et elle est souvent fabriquée soi-même.

En raison du manque d'isolation, ils ne conservent pratiquement pas l'énergie solaire obtenue et se caractérisent par un faible rendement. Ils sont principalement utilisés en été pour chauffer l'eau des piscines ou des douches extérieures.

Ils sont installés dans des régions ensoleillées et chaudes, avec de faibles écarts de température entre l'air ambiant et l'eau chauffée. Ils fonctionnent bien uniquement par temps ensoleillé et sans vent.

Le capteur solaire le plus simple, avec un absorbeur constitué d'un rouleau de tubes polymères, fournira de l'eau chauffée dans une maison de campagne pour l'arrosage et les besoins domestiques.

Capteurs solaires tubulaires

Les capteurs solaires tubulaires sont assemblés à partir de tubes individuels dans lesquels circulent de l'eau, du gaz ou de la vapeur. C'est l'une des variétés de systèmes solaires de type ouvert. Cependant, le caloporteur est déjà bien mieux protégé des agressions extérieures, en particulier dans les installations sous vide conçues sur le principe des thermos.

Chaque tube est connecté au système individuellement, en parallèle les uns aux autres. En cas de défaillance d'un tube, il est facile de le remplacer par un neuf. L'ensemble de la structure peut être assemblé directement sur le toit du bâtiment, ce qui facilite grandement l'installation.

Le capteur tubulaire a une structure modulaire. L'élément principal est le tube sous vide, le nombre de tubes varie de 18 à 30, ce qui permet de choisir précisément la puissance du système.

Un avantage majeur des capteurs solaires tubulaires réside dans la forme cylindrique des éléments principaux, grâce à laquelle le rayonnement solaire est capté pendant toute la journée sans avoir recours à des systèmes coûteux de suivi du mouvement du soleil.

Un revêtement multicouche spécial crée une sorte de piège optique pour les rayons solaires. Le schéma montre partiellement la paroi extérieure du tube sous vide qui réfléchit les rayons sur les parois du tube intérieur (+).

Selon la conception des tubes, on distingue les capteurs solaires à ailettes et les capteurs coaxiaux.

Le tube coaxial représente un vase Dewar ou le thermos bien connu. Il est fabriqué à partir de deux ampoules entre lesquelles l'air a été évacué. Sur la surface intérieure de l'ampoule interne, un revêtement hautement sélectif est appliqué, absorbant efficacement l'énergie solaire.

Avec la forme cylindrique du tube, les rayons solaires tombent toujours perpendiculairement à la surface

L'énergie thermique de la couche sélective interne est transférée au caloduc ou à l'échangeur de chaleur interne en plaques d'aluminium. À ce stade, des pertes de chaleur indésirables se produisent.

Le tube à ailettes est un cylindre en verre avec un absorbeur à ailettes inséré à l'intérieur.

Le système tire son nom de l'absorbeur à ailettes qui enserre étroitement le canal thermique en métal conducteur de chaleur.

Pour une bonne isolation thermique, l'air est évacué du tube. Le transfert de chaleur depuis l'absorbeur se fait sans pertes, ce qui rend le rendement des tubes à ailettes plus élevé.

Il existe deux systèmes selon le mode de transfert de chaleur : les systèmes à flux direct et ceux à caloduc (heat pipe). Le caloduc est un récipient scellé contenant un liquide facilement vaporisable.

Comme le liquide facilement vaporisable s'écoule naturellement vers le bas du caloduc, l'angle d'inclinaison minimal est de 20 °C.

À l'intérieur du caloduc se trouve un liquide facilement vaporisable qui capte la chaleur de la paroi interne de l'ampoule ou de l'absorbeur à ailettes. Sous l'effet de la température, le liquide bout et monte sous forme de vapeur. Après que la chaleur a été cédée au fluide caloporteur du chauffage ou de l'eau chaude sanitaire, la vapeur se condense en liquide et redescend.

De l'eau à basse pression est souvent utilisée comme liquide facilement vaporisable. Dans le système à flux direct, on utilise un tube en forme de U dans lequel circule l'eau ou le fluide caloporteur du système de chauffage.

Une moitié du tube en U est destinée au fluide caloporteur froid, l'autre évacue le fluide chauffé. Lors du chauffage, le fluide se dilate et entre dans le réservoir de stockage, assurant une circulation naturelle. Comme dans le cas des systèmes à caloduc, l'angle d'inclinaison minimal doit être d'au moins 20°.

Avec un raccordement à flux direct, la pression dans le système ne peut pas être élevée, car il y a un vide technique à l'intérieur de l'ampoule.

Les systèmes à flux direct sont plus efficaces car ils chauffent directement le fluide caloporteur. Si les systèmes de capteurs solaires sont prévus pour une utilisation toute l'année, on y injecte des antigels spéciaux.

L'utilisation de capteurs solaires tubulaires présente une série d'avantages et d'inconvénients. La structure d'un capteur solaire tubulaire est composée d'éléments identiques, relativement faciles à remplacer.

Avantages :

• faibles pertes de chaleur ;
• capacité de fonctionner à des températures allant jusqu'à -30 °C ;
• rendement efficace tout au long de la journée ;
• bon fonctionnement dans les régions au climat tempéré et froid ;
• faible prise au vent, due à la capacité des systèmes tubulaires à laisser passer les masses d'air ;
• possibilité de produire une température élevée du fluide caloporteur.

Structurellement, la conception tubulaire présente une surface d'ouverture limitée.

Elle présente les inconvénients suivants :

• incapable de s'auto-nettoyer de la neige, de la glace et du givre ;
• coût élevé.

Malgré un coût initial élevé, les capteurs tubulaires s'amortissent plus rapidement. Ils ont une longue durée de vie.

Les capteurs tubulaires sont des installations solaires de type ouvert, ils ne conviennent donc pas pour une utilisation toute l'année dans les systèmes de chauffage (+)

Systèmes plans fermés

Un capteur plan est composé d'un cadre en aluminium, d'une couche absorbante spéciale – l'absorbeur, d'une couverture transparente, d'un tuyau et d'un isolant.

L'absorbeur est en cuivre en feuille noircie, qui présente une conductivité thermique idéale pour la création de systèmes solaires. Lorsque l'absorbeur capte l'énergie solaire, il transmet l'énergie solaire obtenue au fluide caloporteur qui circule dans le système de tubes adjacent à l'absorbeur.

À l'extérieur, le panneau fermé est protégé par une couverture transparente. Elle est en verre trempé résistant aux chocs, avec une bande passante de 0,4 à 1,8 µm. Ce spectre correspond au maximum du rayonnement solaire. Le verre résistant aux chocs offre une bonne protection contre la grêle. À l'arrière, l'ensemble du panneau est bien isolé.

Les capteurs solaires plans se caractérisent par des performances maximales et une conception simple. Leur rendement est amélioré par l'utilisation d'un absorbeur. Ils sont capables de capter le rayonnement solaire diffus et direct.

Parmi les avantages des panneaux plans fermés, on trouve :

• simplicité de conception ;
• bon rendement dans les régions au climat chaud ;
• possibilité d'installation à n'importe quel angle avec des dispositifs de réglage de l'inclinaison ;
• capacité à s'auto-nettoyer de la neige et du givre ;
• prix bas.

Les capteurs solaires plans sont particulièrement avantageux si leur utilisation est prévue dès la phase de conception. La durée de vie des produits de qualité est de 50 ans.

Parmi les inconvénients, on peut citer :

• pertes de chaleur élevées ;
• poids élevé ;
• prise au vent élevée lorsque les panneaux sont inclinés par rapport à l'horizon ;
• limitations de performance lors de variations de température supérieures à 40°C.

Le champ d'application des capteurs fermés est bien plus large que celui des installations solaires ouvertes. En été, ils peuvent satisfaire entièrement les besoins en eau chaude. Les jours frais, non inclus par les services publics dans la période de chauffage, ils peuvent fonctionner à la place des radiateurs à gaz et électriques.

Pour ceux qui souhaitent fabriquer un capteur solaire de leurs propres mains pour le chauffage à la datcha, nous vous proposons de consulter des schémas éprouvés et des instructions de montage étape par étape.

Comparaison des caractéristiques des capteurs solaires

L'indicateur le plus important d'un capteur solaire est son rendement. La performance utile des capteurs solaires de différentes conceptions dépend de la différence de température. De plus, les capteurs plans sont bien moins chers que les capteurs tubulaires.

Les valeurs du rendement dépendent de la qualité de fabrication du capteur solaire. Le but du graphique est de montrer l'efficacité de l'utilisation de différents systèmes en fonction de la différence de température.

Lors du choix d'un capteur solaire, il convient de prêter attention à un certain nombre de paramètres indiquant l'efficacité et la puissance de l'appareil.

Pour les capteurs solaires, il existe plusieurs caractéristiques importantes :

• le coefficient d'adsorption – indique le rapport entre l'énergie absorbée et l'énergie totale ;
• le coefficient d'émission – indique le rapport entre l'énergie transmise et l'énergie absorbée ;
• la surface totale et la surface d'ouverture ;
• le rendement.

La surface d'ouverture est la surface utile du capteur solaire. Pour un capteur plan, la surface d'ouverture est maximale. La surface d'ouverture est égale à la surface de l'absorbeur.

Méthodes de raccordement au système de chauffage

Étant donné que les dispositifs solaires ne peuvent pas fournir un approvisionnement énergétique stable et continu, un système résistant à ces défauts est nécessaire.

Pour la région centrale de la Russie, les dispositifs solaires ne peuvent pas garantir un apport énergétique stable, ils sont donc utilisés comme système supplémentaire. L'intégration dans un système de chauffage et d'eau chaude sanitaire existant diffère pour un capteur solaire et un panneau solaire.

Schéma avec un capteur solaire thermique à eau

En fonction des objectifs d'utilisation du capteur thermique, différents systèmes de raccordement sont utilisés. Il peut y avoir plusieurs options :

1. Option estivale pour l'eau chaude sanitaire
2. Option hivernale pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire

La version estivale est la plus simple et peut même se passer de pompe de circulation, en utilisant la circulation naturelle de l'eau.

L'eau est chauffée dans le capteur solaire et, par dilatation thermique, elle s'écoule dans un réservoir de stockage ou un cumulus. Une circulation naturelle se produit alors : l'eau froide est aspirée du réservoir pour remplacer l'eau chaude.

En hiver, par températures négatives, le chauffage direct de l'eau n'est pas possible. Un antigel spécial circule dans un circuit fermé, assurant le transfert de chaleur du capteur vers l'échangeur de chaleur dans le réservoir.

Comme tout système basé sur la circulation naturelle, il fonctionne peu efficacement, nécessitant le respect des pentes nécessaires. De plus, le réservoir de stockage doit être plus haut que le capteur solaire. Pour que l'eau reste chaude le plus longtemps possible, le réservoir doit être soigneusement isolé.

Si vous voulez vraiment obtenir un fonctionnement optimal du capteur solaire, le schéma de raccordement se complexifiera.

Pour éviter que le capteur ne se transforme en radiateur de refroidissement la nuit, il est nécessaire d'arrêter la circulation de l'eau de force.

Un fluide caloporteur antigel circule dans le système du capteur solaire. La circulation forcée est assurée par une pompe commandée par un contrôleur.

Le contrôleur gère le fonctionnement de la pompe de circulation en se basant sur les relevés d'au moins deux capteurs de température. Le premier capteur mesure la température dans le réservoir de stockage, le second – sur le tuyau d'alimentation en fluide caloporteur chaud du capteur solaire.

Dès que la température dans le réservoir dépasse la température du fluide caloporteur dans le capteur, le contrôleur arrête la pompe de circulation, interrompant la circulation du fluide caloporteur dans le système. À son tour, lorsque la température dans le réservoir de stockage descend en dessous de la valeur définie, la chaudière de chauffage se met en marche.

Une innovation et une alternative efficace aux capteurs solaires à caloporteur sont les systèmes à tubes sous vide, dont nous vous proposons de découvrir le principe de fonctionnement et la conception.

Schéma avec un panneau solaire photovoltaïque

Il serait tentant d'appliquer un schéma de connexion de panneau solaire similaire au réseau électrique, comme cela est réalisé pour un capteur solaire, en accumulant l'énergie reçue pendant la journée. Malheureusement, pour le système d'alimentation électrique d'une maison individuelle, créer une batterie de capacité suffisante est très coûteux. C'est pourquoi le schéma de connexion se présente comme suit.

En cas de baisse de la puissance électrique provenant du panneau solaire, le bloc ATS (automatic transfer switch) assure la connexion des consommateurs au réseau électrique général.

Depuis les panneaux solaires, la charge est envoyée au contrôleur de charge, qui remplit plusieurs fonctions : il assure une recharge constante des batteries et stabilise la tension. Ensuite, le courant électrique est envoyé à l'onduleur, où le courant continu 12V ou 24V est converti en courant alternatif monophasé 220V.

Hélas, nos réseaux électriques ne sont pas conçus pour recevoir de l'énergie ; ils ne peuvent fonctionner que dans un seul sens, de la source au consommateur. Pour cette raison, vous ne pourrez pas vendre l'énergie produite, ni même faire tourner le compteur dans l'autre sens.

L'utilisation de panneaux solaires est avantageuse car ils fournissent une forme d'énergie plus polyvalente, mais ils ne peuvent pas rivaliser en efficacité avec les capteurs solaires. Cependant, ces derniers n'ont pas la capacité de stocker l'énergie contrairement aux panneaux photovoltaïques.

Exemple de calcul de la puissance nécessaire

Lors du calcul de la puissance nécessaire d'un capteur solaire, on commet très souvent l'erreur de se baser sur l'énergie solaire reçue pendant les mois les plus froids de l'année.

Le problème est que, pendant les autres mois de l'année, tout le système surchauffera constamment. La température du fluide caloporteur en sortie du capteur solaire peut atteindre 200°C pour la vapeur ou le gaz, 120°C pour l'antigel, 150°C pour l'eau. Si le fluide caloporteur bout, il s'évaporera partiellement. Par conséquent, il faudra le remplacer.

Les fabricants recommandent de partir des chiffres suivants :

• la couverture de l'eau chaude sanitaire ne doit pas dépasser 70 % ;
• la couverture du système de chauffage ne doit pas dépasser 30 % ;

La chaleur restante nécessaire doit être produite par l'équipement de chauffage standard. Néanmoins, avec ces chiffres, on économise en moyenne environ 40 % par an sur le chauffage et l'eau chaude sanitaire.

La puissance produite par un seul tube d'un système sous vide dépend de la situation géographique. La mesure de l'énergie solaire incidente par an sur 1 m² de sol est appelée insolation.

Connaissant la longueur et le diamètre du tube, on peut calculer l'ouverture – la surface effective d'absorption. Il ne reste plus qu'à appliquer les coefficients d'absorption et d'émission pour calculer la puissance d'un seul tube par an.

Exemple de calcul :

La longueur standard du tube est de 1800 mm, la longueur effective est de 1600 mm. Le diamètre est de 58 mm. L'ouverture – la zone d'ombre créée par le tube. Ainsi, la surface du rectangle d'ombre sera :

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Le rendement d'un tube moyen est de 80 %, l'insolation solaire pour Moscou est d'environ 1170 kWh/m² par an. Ainsi, un tube produira par an :

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Il est nécessaire de noter qu'il s'agit d'un calcul très approximatif. La quantité d'énergie produite dépend de l'orientation de l'installation, de l'angle, de la température moyenne annuelle, etc.

Vous pourrez prendre connaissance de tous les types de sources d'énergie alternatives et de leurs modes d'utilisation dans l'article présenté.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo n°1. Démonstration du fonctionnement d'un capteur solaire en hiver :

Vidéo n°2. Comparaison de différents modèles de capteurs solaires :

Tout au long de sa propre existence, l'humanité consomme chaque année de plus en plus d'énergie. Les tentatives d'utiliser le rayonnement solaire gratuit ont été entreprises depuis longtemps, mais ce n'est que récemment qu'il est devenu possible d'utiliser efficacement le soleil sous nos latitudes. Il ne fait aucun doute que l'avenir appartient aux systèmes solaires.

Souhaitez-vous signaler des caractéristiques intéressantes dans l'organisation du chauffage solaire d'une maison de campagne ou d'une datcha ? Veuillez écrire vos commentaires dans le bloc situé ci-dessous. Vous pouvez également poser une question, laisser une photo démontrant le processus d'assemblage du système, partager des informations utiles.