Le capteur solaire thermique : un exemple concret Une utilisation possible du soleil est le chauffage de l eau sanitaire, utilisée pour se laver, pour faire la vaisselle ou encore le ménage. Il s agit donc de puiser l énergie solaire pour répondre à nos besoins journaliers en eau chaude. Comment cela fonctionne-t-il? Grâce à l effet de serre, bien utilisé. On va tenter de piéger l énergie du soleil, à l aide de cet effet de serre, dans ce qu on appelle un capteur solaire. Cette chaleur sera alors transmise à l eau de la maison. Le chauffe-eau solaire Comme son nom l indique, le chauffe-eau solaire, est un système qui sert à produire de l eau chaude avec l énergie solaire. Où peut-il être utile? - dans les maisons, les immeubles d habitation : pour chauffer l eau sanitaire (cuisine, salle de bains - dans les piscines publiques, centres sportifs, hôpitaux, hôtels, auberges Bref, dans tout bâtiment où on a régulièrement besoin d eau chaude. APERe asbl - 1/7 - version du 01/03/2005
Prenons le cas du chauffe-eau solaire domestique. A quoi sert-il? A chauffer l eau sanitaire utilisée chaque jour par les habitants d une maison Comment peut-on chauffer l eau sanitaire avec le soleil? o Comment répondre à tout moment aux besoins d eau chaude sanitaire, à la maison, dans l immeuble, ou encore chez le coiffeur? o Quand a-t-on besoin d eau chaude? Et pour quels usages? Matin, midi, soir, à n importe quel moment du jour (ou de la nuit) on veut avoir de l eau chaude au robinet pour pouvoir se laver, faire la vaisselle, nettoyer Observons le système : il se compose des capteurs solaires, d un ballon de stockage, de tuyaux, d une régulation électronique, d une pompe ou d un circulateur. Transformer la lumière du soleil en chaleur et la piéger : le rôle du capteur solaire thermique. La transformation Tout d abord, il faut comprendre qu il est possible transformer la lumière du soleil en chaleur. Le principe est simple. Lorsque un rayon de lumière atteint une surface : une partie de cette énergie est refléchie (la lumière est renvoyée) et une partie est absorbée par la surface, ce qui va la chauffer. Plus une surface est claire, plus elle réfléchit la lumière. Plus elle est sombre, plus elle absorbe la lumière, donc plus elle s échauffe sous l effet de la lumière. Par exemple, un sol recouvert de neige réfléchit tellement bien la lumière du soleil que ça peut même nous éblouir! Et, pour éviter d avoir trop chaud au soleil, il vaut mieux porter des vêtements clairs que de s habiller tout en noir. Le piège Les capteurs solaires thermiques sont fabriqués pour transformer le maximum de lumière en chaleur. La chaleur produite à l intérieur du capteur y est piégée! Dans un capteur solaire thermique, il y a donc une plaque métallique noire. On l appelle l absorbeur. Celui-ci est placé dans un caisson vitré, bien isolé à l arrière et sur les côtés. La vitre laisse passer la lumière puisque elle est transparente. APERe asbl - 2/7 - version du 01/03/2005
La plaque noire, l absorbeur, absorbe la lumière, et s échauffe sous l effet de son exposition à la lumière. La vitre empêche la chaleur de s en aller par le haut. L effet de serre est réalisé. L isolation placée au dos de l absorbeur et sur les bords du caisson empêche la chaleur de s en aller par l arrière ou par les côtés. Grâce au verre et à l isolation, la chaleur est piégée à l intérieur du caisson. Il fait donc bien chaud dans le capteur solaire. Avec une boîte à chaussure, un film transparent, une plaque noire et un peu d isolation, il est donc possible de transformer la lumière du soleil en chaleur et de la piéger dans une boîte. Essayez! ça va chauffer! C est d ailleurs le principe des cuiseurs solaires, où dans la boîte, il n y a plus qu à placer un bon petit repas à cuire ou à réchauffer. Transférer l énergie et la conserver : les rôles du circuit de tuyaux (circuit primaire), de la pompe ou du circulateur, de la régulation électronique et du réservoir de stockage Avec tout ce dispositif, on n a pas encore l eau chaude au robinet! Maintenant qu on a réussi à fabriquer de la chaleur, et que cette chaleur est prisonnière du capteur, sur le toit du bâtiment, il va donc falloir aller la chercher pour l amener là où on en a besoin. Il faut non seulement pouvoir amener cette chaleur à l intérieur de la maison, mais en plus il faut être certain de pouvoir en disposer à tout moment! Et pas seulement à midi! APERe asbl - 3/7 - version du 01/03/2005
On devine bien les moments où le capteur va être efficace : lorsqu il est éclairé, donc jamais la nuit en tous cas! A la maison, l eau chaude, soit, on la puise dans une réserve (un boiler), soit on la chauffe instantanément si on est équipé d une chaudière à gaz instantanée. Pour pouvoir utiliser l énergie solaire jour et nuit, on est obligé de mettre l énergie en réserve. On utilise donc le principe du boiler. Conduire la chaleur vers la réserve Au dos de l absorbeur sont soudés des tuyaux de cuivre. Le métal est un bon conducteur. En faisant circuler un liquide dans les tuyaux soudés à l absorbeur chaud, le liquide devient chaud lui aussi. On va donc profiter de cet effet et se servir du liquide comme d un véhicule de chaleur. Le rôle du liquide, dans le système, est d amener la chaleur du capteur jusqu à la réserve. C est pour cela qu on l appelle le «liquide caloporteur» (transporteur de calories). Le liquide caloporteur (de l eau additionnée d antigel et d antioxydant) circule en boucle dans un circuit fermé, serpente entre le capteur et la réserve. Y a-t-il un pilote dans le système? Qui conduit? Comme tout véhicule, le liquide caloporteur, a lui aussi besoin d énergie pour circuler. La pompe ou le circulateur jouent le même rôle que le moteur d une une voiture. Pour tourner, la pompe ou le circulateur ont besoin d énergie eux aussi, ils fonctionnent à l électricité. Une régulation électronique pour commander la mise en route et l arrêt du système Notons que le véhicule ne peut rien décider tout seul. Il doit recevoir des instructions pour savoir quand et à quelle vitesse il doit circuler et à quel moment il doit s arrêter. Par exemple, la nuit, il ne doit jamais circuler. Il est mis au repos puisque le capteur ne produit pas de chaleur pendant la nuit. C est donc un «pilote automatique», une régulation électronique, qui commande la mise en route ou l arrêt du système. En recevant quelques informations simples (données de température), la régulation électronique commande des actions : marche ou arrêt. Mise en route du circulateur La régulation électronique décide la mise en route quand ça vaut la peine, c est-àdire quand il y a de la chaleur à venir chercher dans le capteur (une petite sonde de température est placée dans le capteur et reliée à la régulation électronique) et que la réserve en a besoin pour être à la bonne température (par exemple 50, il y a également un thermomètre dans le réservoir qui est relié à la régulation électronique). APERe asbl - 4/7 - version du 01/03/2005
Arrêt du circulateur La régulation électronique décide l arrêt quand la réserve est à la bonne température ainsi qu à tous les moments où il y a trop peu de chaleur dans le capteur (la nuit dans tous les cas), soit quand la température du capteur est inférieure à la température de la réserve (dans ces cas-là, si on ne l arrêtait pas, il refroidirait la réserve!). Un réservoir pour conserver la chaleur Le travail des installateurs de chauffe-eau solaires n est pas seulement d aller placer les capteurs solaires sur les toits des bâtiments. Il consiste, pour commencer, à se renseigner le mieux possible sur les quantités d eau chaude qu une famille a l habitude d utiliser chaque jour, pour bien choir la quantité d eau chaude à stocker dans le réservoir. Vous pourriez très bien faire l exercice chez vous: combien de bains par jour, de douches, d éviers remplis pour la vaisselle, de seaux remplis pour le nettoyage ça correspond à combien de litres par jour tout cela? En connaissance de ces données, on peut déterminer s il vaut mieux installer trois, quatre, cinq ou six mètres carrés de capteurs sur le toit. Car ça ne vaut pas la peine d installer dix mètres carrés si on n en n a besoin que de cinq. En effet, la moitié du temps, surtout l été, de la chaleur serait produite pour rien, ne servant à personne. Et au creux de l hiver, lorsqu il y a trop peu de lumière par rapport aux besoins de chaleur pour l eau sanitaire, il y en a trop peu également, en général, pour faire fonctionner cinq, dix ou vingt mètres carrés de capteurs! (on pourrait caricaturer en rappelant que 5x0 = 10x0 = 20x0 = 0!) Les kits standards pour le logement unifamilial Pour un volume de 200 litres, on place 4 m2, pour 250 litres 5 m2, pour 300 litres Le chauffe-eau solaire se combine avec les sources d énergie classiques pour bénéficier d eau chaude en toute saison. Sous nos climats, nos bâtiments doivent être chauffés tout l hiver. En cette saison, les journées sont trop courtes pour permettre de récolter l énergie solaire nécessaire à tous les besoins de chaleur dans nos bâtiments. Alors, l hiver, les capteurs solaires apportent ce qu ils peuvent et le plus grand travail est confié à la chaudière traditionnelle qui fonctionne de toutes façons pour chauffer la maison. C est beaucoup plus pratique, et plus économique aussi. Quand il le faut, les capteurs solaires sont donc relayés par la chaudière, et cela, automatiquement. Il y a des thermomètres placés dans le réservoir d eau chaude APERe asbl - 5/7 - version du 01/03/2005
et dans les capteurs. Si la température de l eau chaude en réserve baisse et que celle à l intérieur des capteurs lui est inférieure, la réserve d eau chaude reçoit alors un appoint d énergie venant de la chaudière. On ne demande pas au chauffe-eau solaire d être capable de chauffer toute l eau dont on a besoin tous les jours de toute l année. Ce qu on lui demande, par souci d économie, c est plutôt de prendre en charge le chauffage d environ la moitié (50 à 60 %) de la quantité d eau consommée sur toute l année. C est ainsi le chauffe-eau solaire diminue fortement le travail de la chaudière, en économisant l énergie électrique, le gaz ou le mazout! Il devient ainsi possible de couper complètement sa chaudière tout l été pour laisser les capteurs solaires travailler seuls en moyenne six mois par an. Nous venons d expliquer la technologie du chauffe-eau solaire. Celle-ci n a pas d autre secret. APERe asbl - 6/7 - version du 01/03/2005
Des millions de capteurs solaires thermiques ont déjà été installés de par le monde. Ils permettent une réelle économie d énergie tout en maintenant le niveau de confort actuel. La région wallonne projette de faire installer ce système dans 50.000 maisons, soit 200.000 m² de panneaux solaires d ici l an 2010. APERe asbl - 7/7 - version du 01/03/2005