Groupe Eyrolles, 2008, isbn :

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1 Groupe Eyrolles, 2008, isbn :

2 Réalisation n 4 par Yves Guern 18 m 2 de capteurs plans Ballon tampon de l pour chauffage par radiateurs Eau chaude sanitaire séparée de 600 l Capteurs autovidangeables (drainback) Régulation par un automate programmable industriel 1 Début 2008, il approche les 1 400! La maison, située en Provence, est correctement isolée, du moins pour la partie que j ai agrandie (65 % de la surface) ; elle est d une superficie habitable de 140 m 2, 5 personnes y demeurent Le village où elle se trouve a la réputation d avoir de grandes amplitudes thermiques entre le jour et la nuit : l hiver, s il est courant d avoir des nuits à 15 C, il est relativement rare que la température soit négative à 13 h C est en Provence mais le chauffage est indispensable! La maison était initialement chauffée à l électricité Je suis passé au fioul il y a huit ans pour réduire la facture et améliorer le confort Il s agissait d une installation classique de chauffage central à radiateurs avec eau chaude sanitaire intégrée à la chaudière Le premier plein de la cuve m avait coûté 450 Fin 2005, d une crise du Golfe à l autre, le plein était passé à Il était urgent d agir Je savais que l utilisation de l énergie solaire était très développée en Allemagne Si cela marche là-bas, pourquoi ne pas le faire en Provence, où l ensoleillement est très fort? J ai demandé des devis, mais aucun ne proposait de solution «raisonnable» ; quand je leur parlais de solaire, les plombiers me répondaient pompes à chaleur (air-air en général)! J ai alors découvert le site de Pierre Amet, qui m a permis de débuter dans le solaire Ce qui suit s apparente à un carnet de bord, le texte a été écrit au fur et à mesure de la conception et de l installation Il contient forcément des erreurs ; certaines ont été vues en cours d utilisation, et sont signalées Quelques mots sur l autoconstructeur Àge : 46 ans Formation : ingénieur (physicien) Profession : travaille dans une société développant des instruments de mesures à base d optique et d informatique Intérêts particuliers : le VTT et le bricolage (niveau «averti») En matière de bricolage, apprécie particulièrement le bois (menuiserie, charpente) Lors de l agrandissement de sa maison, s est occupé de tous les corps de métier à l exception de la plomberie Domaine de réticence au départ : la plomberie 102

3 Réalisation Yves Guern En hiver, 13 l par jour (en moyenne sur cinq mois) étaient nécessaires, dont 4 l environ pour l eau chaude sanitaire Il faut donc 90 kwh pour le chauffage soit 0,7 kwh par mètre carré habité Pour 20 m2 de capteurs, nous obtenons environ, par jour, compte tenu des ombres portées, 60 kwh disponibles en décembre, 100 kwh en février, 130 à 140 kwh en été (ces kilowattheures sont ceux disponibles au niveau des capteurs, hors rendement de l installation) Figure 91 Les panneaux solaires sur la pergola L économie visée est de 100 % de l eau chaude sanitaire en été et de 50 % (de manière optimiste) de la consommation hivernale totale, soit l de fioul La dernière livraison de fioul (en février 2006) s élevait à pour l Hors économies liées à l alimentation des lave-linge et lave-vaisselle, on peut donc penser économiser /an Coût de fonctionnement d un circulateur Figure 92 Les panneaux solaires, vus du toit Choix de l installation Après de nombreuses recherches et de multiples calculs, j ai adopté, pour l eau chaude sanitaire, la règle de 1 m2 de capteurs par personne, et j y ai ajouté, pour le chauffage solaire, 10 % de la surface habitable (pourcentage trouvé dans la documentation Dietrisol2 notamment) J obtiens un total de 20 m2, ce qui correspond à la tranche haute des autres calculs faits À l époque, il me semblait que deux capteurs supplémentaires influaient peu sur le coût global du chantier l expérience m incite à modérer cet avis car, pour passer de 6 à 8 panneaux, il faut, par exemple, une pompe 70 % plus puissante pour lutter contre les pertes de charge liées à l augmentation du débit J étais prêt à masquer éventuellement en été, mais cela n a pas été nécessaire jusqu à présent Évaluation des besoins à partir de la consommation de fioul En été, pour l eau chaude sanitaire seule, mon installation consommait 3 l par jour de fioul, soit 30 kwh par jour C est beaucoup Je me suis rendu compte que mon type de chaudière fait que le rendement n est que de 50 % pour l eau chaude sanitaire Cela ramène donc le besoin vrai à 15 kwh, ce qui est plus raisonnable (15 kwh correspondent à 300 l chauffés à une température de 40 C) Le coût de fonctionnement de ce type de matériel est faible : pour 100 W, nous avons 0,1 kw 7 h 350 j 0,1 = 245 kwh 0,1 = 24,5 par an Dimensionnement de l installation Les capteurs sont placés sur un auvent qui sert d abri de voiture, sur deux rangées de 8 m de long, à proximité immédiate de la chaufferie cet élément est loin d être négligeable dans les pertes de charge Ils sont orientés face au sud et inclinés à 60, de façon à augmenter l efficacité l hiver et à limiter la surchauffe en été J ai été séduit par le système de vidange automatique des capteurs (drainback) pour toutes les raisons expliquées en détail p dedietrichthermiquefr 103 Le chauffe_ch9indd 103 6/3/08 8:59:39 PM

4 5 exemples de réalisations Pour le stock, il faut compter 40 à 80 l/m 2 de capteurs, soit 800 à l dans mon installation Il existe des systèmes industriels intégrés très bien faits (Rotex par exemple), mais ils sont composés d un stock important d eau morte et de nombreux échangeurs : cela m a paru trop compliqué La chaudière actuelle, qui n est pas totalement adaptée à cette évolution, est à mi-vie ; j ai donc décidé de séparer les tampons eau chaude sanitaire et chauffage solaire, pour plus de liberté dans le futur Cette séparation s est révélée relativement complexe à mettre au point et j ai douté jusqu à la fin du chantier Le premier hiver est passé, et je peux confirmer que c est une bonne idée a b l autonomie par mauvais temps Je suis très content d avoir suivi ce conseil C est un surdimensionnement qui ne coûte pas cher, encombrant certes, mais qui offre effectivement beaucoup d autonomie Technologie du système autovidangeable (drainback) Drainback est le mot anglais pour système autovidangeable Dans ce type d installation, les panneaux se vident lorsqu il n y a pas de calorie à espérer ou lorsque l on dépasse 100 C Il en existe deux types légèrement différents : le type «Rotex», qui ne comporte pas d échangeur dans le cicuit des panneaux, et le type «classique», qui en comporte un (voir ci-dessous) Mon installation utilise finalement les deux (ce que je n avais pas prévu au départ) Drainback sans échangeur Un système type Rotex se compose d une cuve, de panneaux situés plus haut que la surface libre de la cuve (h min > 0), et d une pompe (ou deux) située en dessous de la surface libre, le plus bas possible pour l amorcer et éviter la cavitation 3 Ce problème de cavitation, qui détruit les pompes, n apparaît pas dans les systèmes solaires «normaux» car la pompe est dans un circuit sous pression Quatre états caractérisent le fonctionnement de ce type de drainback (figure 94) À l arrêt les panneaux sont vides, le tuyau de départ (vers les panneaux) est plein jusqu à la surface libre, celui de retour est vide (figure 94-1) Lorsque la pompe se met en route (parce que le bas du stock est plus froid que le panneau où se situe la sonde), l eau monte et remplit petit à petit les panneaux L air est expulsé par l évent situé sur le tuyau retour À ce moment, la pompe doit vaincre une hauteur manométrique égale à au moins h max À ce stade, elle n a théoriquement pas besoin de le faire avec un gros débit (figure 94-2) L eau a rempli les panneaux et s écoule donc dans le tuyau de retour Au moment où l eau atteint la surface libre, on a presque amorcé un siphon : la pompe n a plus à vaincre que la perte de charge liée au débit, mais plus h max Lorsque h max est important, on met deux pompes en série La deuxième, située au-dessus de la première, n est active que lors du remplissage pour vaincre h max Figure 93 Les stocks de calories a Eau chaude sanitaire 600 l 2 serpentins b Stock chauffage l 3 Formation de bulles d air dans un liquide en dépression Pour le chauffage solaire, il s agit d un tampon drainback de l (voir figure 93) Pour l eau chaude sanitaire, c est un ballon de 600 l environ, classique (sous pression), avec deux serpentins (je n en utilise qu un pour l instant) J avais initialement pensé prendre 300 l, mais Pierre Amet m a conseillé davantage pour avoir de Figure 94 Cycle de remplissage-vidange d un système autovidangeable sans échangeur 104

5 Réalisation Yves Guern Lors de cette phase de remplissage, le tuyau de retour contient de l eau et de l air Si la vitesse de l eau est suffisante, les bulles d air sont poussées vers la cuve Le niveau d eau dans l évent est à ce moment très variable : il dépend de la perte de charge en aval Pour mon installation, l eau monte à plus de 1 m Une fois le système amorcé complètement (1 min environ), cette hauteur devient quasiment nulle La hauteur d eau dans le stock a diminué du volume nécessaire à remplir le circuit (figure 94-3) Lorsque la pompe s arrête, l eau a tendance à vouloir redescendre sous son propre poids L air est aspiré par l évent et remonte dans le tuyau de retour Les panneaux se vident par le tuyau de départ, au travers de la pompe : le compteur tourne à l envers (figure 94-4) Drainback classique avec échangeur Pour pouvoir utiliser un circuit classique (à serpentin), le problème est de trouver de l eau pour remplir les panneaux On rencontre deux montages classiques : l un avec une réserve tampon en série (figure 95-1), 1 2 l autre en parallèle (figure 95-2) Dans les deux cas, le tampon doit être surdimensionné par rapport au volume à remplir La solution en série a probablement l inconvénient d être bruyante et de remélanger en permanence air et eau La solution en parallèle est silencieuse, la réserve peut être installée en aval du serpentin (figure 95) ou en amont (comme dans mon montage, figure 98) Cette méthode évite également d envoyer dans les panneaux de l eau à la température du tampon, température généralement sans grand rapport avec celle du serpentin (ce qui provoque des instabilités de la régulation au démarrage de la pompe) La solution «en parallèle» requiert, côté eau chaude, un système permettant à l air chassé lors de la phase d amorçage d être évacué par l évent On évite ainsi qu il soit entraîné par l eau, et donc circule dans le serpentin puis la pompe Certains systèmes drainback utilisent l eau de ville comme réserve Il n y a pas de stock intermédiaire, le circuit est mis en communication avec le réseau d eau pour remplir les panneaux, puis l eau est jetée à l égout lors de la vidange Cela n est pas écologique a priori, mais en général ces capteurs fonctionnent sur une logique légèrement différente : au lieu de se Figure 95 Fonctionnement d un système autovidangeable avec réserve série (1) ou parallèle (2) vider à chaque arrêt de la pompe, ils ne se vident qu en cas d urgence (trop chaud ou trop froid) Cependant, en hiver, ils se vident au moins une fois par jour pour assurer la protection contre le gel (voir Principaux avantages, ci-après) Principaux avantages Le système présenté ici n est pas que du bricolage : Rotex (Allemagne) propose une version industrialisée de ce concept pour des systèmes individuels C est également une solution très répandue aux États-Unis, même pour des systèmes de chauffages collectifs Il fonctionne sans antigel (du moins à première vue) C est moins cher, plus efficace au niveau des échanges thermiques et le liquide ne subit pas de vieillissement Il ne nécessite pas de purge, pas de vase d expansion, etc La durée de vie et la faible maintenance sont assurées par principe Il n y a que la pompe qui puisse avoir des problèmes Il faut faire attention à la cavitation Le drainback semble plus simple en autoconstruction car ce n est pas un système sous pression, ce qui fait moins peur Mais cela ne change pas grandchose car toute fuite, même minime, doit être réparée faute de quoi l amorçage du système devient problématique On peut chauffer davantage le tampon en été (quasiment à ébullition) C est une réserve à eau morte, il n y a donc pas de problème d entartrage Cependant, elle n est pas complètement morte car il y a un apport en oxygène à chaque remplissage et, dans le cas du montage classique avec tampon en série, cet apport est permanent Il n y a pas d échangeur dans le circuit des capteurs dans les systèmes type 105