Chauffe-eau solaire : fonctionnement, composants et systèmes direct et indirect
Introduction
Le chauffe-eau solaire est un système permettant de produire de l’eau chaude sanitaire grâce à l’énergie solaire.
Contrairement à un chauffe-eau électrique ou à gaz, il utilise principalement un capteur solaire thermique pour récupérer la chaleur provenant du rayonnement solaire.
Cette chaleur peut être transférée directement à l’eau sanitaire ou indirectement par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur et d’un échangeur thermique.
Il existe donc plusieurs architectures de chauffe-eau solaires, notamment :
le système direct ;
le système indirect ou à boucle fermée ;
le système à thermosiphon ;
le système à circulation forcée.
Comprendre ces différentes configurations permet de mieux choisir et dimensionner une installation solaire thermique.
Figure : Schéma d’un système solaire de production d’eau chaude. Source : Strug / Malyszkz, Wikimedia Commons, licence CC BY 2.5.
1. Quels sont les composants d’un chauffe-eau solaire ?
Un chauffe-eau solaire est généralement constitué de plusieurs éléments.
1.1 Le capteur solaire thermique
Le capteur solaire thermique récupère l’énergie du rayonnement solaire et la transforme en chaleur.
Cette chaleur est ensuite transmise soit :
directement à l’eau sanitaire ;
soit à un fluide caloporteur.
Les principaux types de capteurs sont :
les capteurs plans vitrés ;
les capteurs à tubes sous vide.
Il ne faut pas confondre le capteur solaire thermique avec le panneau photovoltaïque.
Un panneau photovoltaïque produit de l’électricité, alors qu’un capteur solaire thermique produit principalement de la chaleur.
1.2 Le ballon de stockage
Le ballon permet de stocker l’eau chaude produite pendant les périodes d’ensoleillement.
L’énergie solaire n’étant pas disponible en permanence, le stockage permet d’utiliser l’eau chaude plusieurs heures après sa production.
Le ballon possède une isolation thermique afin de réduire les pertes de chaleur.
Le fonctionnement général peut être résumé ainsi :
Rayonnement solaire → capteur → chaleur → ballon de stockage
1.3 Les canalisations
Les canalisations assurent le transport de l’eau ou du fluide caloporteur entre le capteur solaire et le ballon.
Elles doivent être correctement isolées afin de limiter les pertes thermiques.
1.4 L’échangeur thermique
Dans un système indirect, l’échangeur thermique permet de transmettre la chaleur du fluide caloporteur à l’eau sanitaire sans que les deux fluides se mélangent.
1.5 La pompe de circulation
Dans les installations à circulation forcée, une pompe assure la circulation du fluide entre le capteur solaire et le ballon.
1.6 Le contrôleur solaire
Le contrôleur commande la pompe en fonction des températures mesurées dans l’installation.
Son objectif est de faire circuler le fluide uniquement lorsqu’un transfert de chaleur utile est possible.
2. Qu’est-ce qu’un chauffe-eau solaire à système direct ?
Dans un système direct, l’eau sanitaire circule directement à travers le capteur solaire.
Elle récupère donc directement l’énergie thermique produite par le capteur.
Le principe est :
Soleil → capteur solaire → eau sanitaire → ballon
Il n’y a pas de fluide caloporteur intermédiaire.
Cette configuration possède l’avantage d’être relativement simple.
3. Pourquoi le chauffage direct est-il généralement plus efficace ?
Le chauffage direct comporte moins d’étapes de transfert thermique.
Dans un système direct :
Capteur → eau
Dans un système indirect :
Capteur → fluide caloporteur → échangeur → eau
À chaque étape de transfert thermique, une partie de l’énergie peut être perdue.
Le chauffage direct peut donc présenter un rendement thermique intéressant.
Cependant, cela ne signifie pas qu’un système direct soit toujours préférable.
Le choix dépend également :
du climat ;
du risque de gel ;
de la qualité de l’eau ;
de l’entartrage ;
de la conception de l’installation ;
de la maintenance.
4. Qu’est-ce qu’un système indirect ou à boucle fermée ?
Dans un chauffe-eau solaire indirect, l’eau sanitaire ne traverse pas le capteur solaire.
Un autre fluide, appelé fluide caloporteur, circule dans le circuit solaire.
Il récupère la chaleur dans le capteur puis la transporte vers le ballon.
Le transfert se fait selon le principe suivant :
Soleil → capteur → fluide caloporteur → échangeur thermique → eau sanitaire
Le fluide caloporteur et l’eau sanitaire ne se mélangent donc pas.
5. Pourquoi parle-t-on de boucle fermée ?
On parle de boucle fermée parce que le fluide caloporteur circule continuellement dans le même circuit.
Il suit approximativement ce parcours :
Capteur → échangeur thermique → capteur
Le fluide :
traverse le capteur ;
absorbe la chaleur ;
arrive dans l’échangeur thermique ;
cède sa chaleur à l’eau du ballon ;
retourne vers le capteur.
Le cycle recommence ensuite.
Le fluide reste donc confiné dans le circuit solaire.
6. Quel est le rôle du fluide caloporteur ?
Le fluide caloporteur transporte la chaleur entre le capteur et le ballon.
Dans certaines installations, on utilise un mélange composé d’eau et de glycol.
Le glycol permet notamment de réduire le risque de gel.
Lorsque la température descend en dessous de 0 °C, l’eau peut geler et provoquer des dégâts dans :
les tubes ;
les raccords ;
le capteur solaire.
L'utilisation d’un fluide antigel permet donc d'améliorer la protection de l’installation.
7. Quel est le rôle de l’échangeur thermique ?
L’échangeur thermique permet de transférer l’énergie thermique entre deux fluides sans les mélanger.
On distingue alors deux circuits.
Circuit primaire
Il contient le fluide caloporteur :
Capteur → fluide caloporteur → échangeur
Circuit secondaire
Il contient l’eau sanitaire stockée dans le ballon.
Le fluide chaud provenant du capteur traverse l’échangeur et cède une partie de sa chaleur à l’eau sanitaire.
Le fluide refroidi retourne ensuite vers le capteur.
8. Quel est le rôle de la pompe de circulation ?
Dans un système à circulation forcée, le mouvement du fluide caloporteur est assuré par une pompe de circulation.
Lorsque la pompe fonctionne :
Capteur → fluide chaud → échangeur → transfert de chaleur
Cependant, la pompe ne doit pas fonctionner continuellement.
Elle doit être commandée en fonction des conditions thermiques du système.
C’est le rôle du contrôleur.
9. Pourquoi le contrôleur arrête-t-il la pompe ?
Le contrôleur compare généralement la température du capteur à celle du ballon.
Supposons que :
Tcapteur > Tballon
Le capteur possède alors suffisamment d’énergie thermique pour chauffer le ballon.
Le contrôleur démarre la pompe :
Capteur chaud → pompe ON → transfert de chaleur vers le ballon
À l’inverse, lorsque :
Tcapteur < Tballon
le capteur est plus froid que le ballon.
Si la pompe continuait à fonctionner, une partie de la chaleur stockée pourrait repartir vers le capteur.
Le contrôleur arrête alors la pompe :
Capteur froid → pompe OFF → conservation de la chaleur dans le ballon
Cette commande permet donc de limiter les pertes thermiques.
10. Commande différentielle de température
Le contrôleur solaire fonctionne souvent grâce à deux sondes de température.
La première mesure :
Tcapteur
La seconde mesure :
Tballon
Le contrôleur calcule alors :
ΔT = Tcapteur − Tballon
Lorsque ΔT dépasse une certaine valeur, la pompe démarre.
Lorsque ΔT devient trop faible, la pompe s’arrête.
On parle de régulation différentielle de température.
Le principe est donc :
ΔT suffisamment grand → pompe ON
ΔT faible → pompe OFF
11. Système direct et système indirect : comparaison
| Caractéristique | Système direct | Système indirect |
|---|---|---|
| Fluide dans le capteur | Eau sanitaire | Fluide caloporteur |
| Échangeur thermique | Non nécessaire | Généralement nécessaire |
| Circuit fermé | Non | Oui |
| Complexité | Faible | Plus élevée |
| Nombre de transferts thermiques | Faible | Plus important |
| Protection contre le gel | Plus difficile | Plus facile avec antigel |
| Pompe | Selon le système | Souvent présente |
Le choix dépend donc des conditions d’utilisation et du climat.
12. Circulation naturelle : le thermosiphon
Certains chauffe-eau solaires fonctionnent sans pompe.
Ils utilisent le phénomène de thermosiphon.
Lorsqu’un fluide est chauffé, sa densité diminue.
Le fluide chaud tend alors à monter tandis que le fluide plus froid descend.
Ce phénomène crée naturellement une circulation.
Le principe est :
Fluide chaud → monte
Fluide froid → descend
Pour qu’un thermosiphon fonctionne correctement, le ballon est généralement placé au-dessus du capteur solaire.
13. Circulation forcée
Dans un système à circulation forcée, le mouvement du fluide est assuré par une pompe.
Le ballon peut alors être installé à un emplacement différent du capteur solaire.
Le système comprend généralement :
un capteur solaire ;
un ballon ;
une pompe ;
un contrôleur ;
des sondes de température ;
un échangeur thermique ;
un circuit de fluide caloporteur.
La circulation forcée offre davantage de flexibilité, mais nécessite une régulation.
14. Schéma simplifié d’un chauffe-eau solaire indirect
Le fonctionnement peut être représenté ainsi :
SOLEIL
↓
CAPTEUR SOLAIRE
↓
Fluide caloporteur chaud
↓
ÉCHANGEUR THERMIQUE
↓
BALLON D’EAU CHAUDE
↓
Le fluide refroidi retourne ensuite vers :
CAPTEUR SOLAIRE
La pompe assure la circulation et le contrôleur décide de son fonctionnement en fonction de la différence de température.
15. Chauffe-eau solaire et appoint énergétique
Lorsque l’ensoleillement est insuffisant, le système solaire peut ne pas atteindre la température souhaitée.
Un système d’appoint peut alors être utilisé.
Il peut s’agir :
d’une résistance électrique ;
d’une chaudière à gaz ;
d’une pompe à chaleur ;
ou d’un autre système de chauffage.
L’énergie solaire assure ainsi une partie importante des besoins, tandis que l’appoint intervient lorsque cela est nécessaire.
Conclusion
Le chauffe-eau solaire utilise le rayonnement solaire pour produire de l’eau chaude sanitaire.
Son fonctionnement repose principalement sur cinq fonctions :
captage → transport → échange → stockage → régulation
Dans un système direct, l’eau sanitaire est chauffée directement dans le capteur.
Dans un système indirect ou à boucle fermée, un fluide caloporteur transporte la chaleur jusqu’à un échangeur thermique.
Dans les installations à circulation forcée, la pompe est commandée par un contrôleur qui compare la température du capteur à celle du ballon.
Lorsque le capteur est suffisamment chaud, la pompe fonctionne.
Lorsque le capteur devient trop froid, la pompe s’arrête afin d’éviter de perdre la chaleur déjà stockée dans le ballon.
La compréhension de ces principes est essentielle pour analyser correctement le fonctionnement et les performances d’une installation solaire thermique.
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