Le chauffe-eau solaire, pour chauffer l'eau et la maison

En un quart d'heure, le soleil diffuse sur la planète un rayonnement suffisant pour fournir à l'humanité la totalité de l'énergie qu'elle consomme en un an! Pourtant notre société fait encore massivement appel aux combustibles fossiles, dans des proportions telles que notre atmosphère ne pourra le supporter longtemps. Or nous savons aujourd'hui qu'une très grande part de nos activités polluantes peut être remplacée par des alternatives peu ou pas du tout polluantes. Le chauffe-eau solaire est l'une de ces alternatives.

Le chauffe-eau solaire est un complément aux chauffe-eau électriques pour permettre aux occupants d'un logement (individuel ou collectif) de couvrir une large part de leurs consommations d'eau chaude sanitaire, grâce à l'énergie solaire. Pour cela, il recourt à la conversion thermique du rayonnement solaire.

Le chauffe-eau solaire peut également être utilisé pour chauffer la maison. Combiné à un système de chauffage radiant à l'eau, ou même à air pulsé, il s'avère très efficace pour réduire la consommation d'énergie et procure une chaleur saine et douce aux habitants du logis.

Le solaire passif

Il est important de différencier les technologies solaire actives de l'utilisation de l'énergie solaire passive. Le solaire actif fonctionne grâce à des appareils et des dispositifs mécaniques qui récupèrent et emmagasinent la chaleur. Le solaire passif est une technique de conception qui favorise l'exposition de la maison aux rayons du soleil tout en protégeant adéquatement les faces exposées aux vents froids et à l'ombre. Une masse thermique composée d'eau ou de pierres est souvent disposée à l'intérieure de la maison. Cette masse emmagasine la chaleur durant la journée pour la relâcher graduellement lorsque le soleil disparaît. 

Le chauffe-eau solaire est donc considéré comme étant un système solaire actif.

Le chauffe-eau solaire présente plusieurs avantages:

• La source est le soleil, énergie gratuite, renouvelable et abondante
• La technologie est mature et offre un rendement supérieur à 80% en été

Le chauffe-eau solaire permet à lui seul de réduire les émissions de CO2 de façon considérable.
Le CO2 (Dioxyde de carbone) est un gaz à effet de serre. En réduisant nos émissions quotidiennes, nous contribuons directement à ralentir le processus de réchauffement de la planète.

Inconvénients

Bien que cette technologie soit mature, offre un rendement supérieur à 80% en été, et possède un très haut rendement contre l’insolation, le chauffe-eau solaire présente plusieurs inconvénients :

• Sur une année un chauffe-eau solaire ne couvre pas tous les besoins en eau chaude (il couvre 40% en moyenne sur une année au Québec)
• Rentabilité : période de retour sur investissement de plus de 75 ans au Québec
• L’été la production est plus élevée que la consommation (énergie perdue)
• Risques de gel et d’endommagements l’hiver
• Beaucoup de maintenance (pièces amovibles qui s’usent (pompes et valves solénoïdes) et remplacement du liquide antigel)
• Problèmes techniques parfois rencontrés : bulles d’air dans le fluide caloporteur qui font baisser le rendement du système, fuite du liquide caloporteur, surchauffes des panneaux l’été qui peuvent endommager le système.

Le fonctionnement du chauffe-eau solaire

Capter l'énergie solaire

Il y a deux types de capteurs solaires (1) : Le capteur plat, et le capteur à tubes sous vide.

• Un capteur plat se compose d'un boîtier rectangulaire peu profond doté d'une « fenêtre » transparente située au-dessus d'une plaque noire au fini mat. La plaque noire est fixée à une série de tubes parallèles ou à un serpentin remplis d'air, d'eau ou d'un autre fluide caloporteur.

• Un capteur à tubes sous vide se compose de plusieurs tubes en verre qui logent un tuyau métallique noir parcouru par un fluide caloporteur. L'espace à l'intérieur du tube de verre est sous vide.

Le capteur solaire est monté, face au sud, sur votre maison ou près de celle-ci. Dès qu'il traverse le vitrage du capteur, le rayonnement solaire frappe un matériau absorbant. Ce matériau convertit le rayonnement solaire en chaleur et le vitrage empêche celle-ci de s'échapper de la même manière que dans une voiture stationnée au soleil dont les fenêtres sont fermées. La température à l'intérieur d'un capteur solaire monté sur le toit de votre maison peut facilement atteindre 150 °C si le fluide caloporteur ne circule pas.

Transporter la chaleur    

C'est le rôle du circuit primaire. Étanche et calorifugé, il contient de l'eau additionnée d'antigel à base de Glycol. Ce liquide s'échauffe en passant dans les tubes du capteur, et se dirige vers un ballon de stockage.

 Restituer la chaleur

Là, grâce à un échangeur thermique (serpentin), il cède ses calories solaires à l'eau sanitaire.
Le liquide primaire, refroidi, repart vers le capteur, où il est chauffé à nouveau tant que l'ensoleillement reste efficace.

Stocker l'eau chaude

Le ballon solaire (2) est une cuve métallique bien isolée. Il constitue la réserve d'eau sanitaire. L'eau chaude soutirée est remplacée immédiatement par la même quantité d'eau froide du réseau, réchauffée à son tour par le liquide du circuit primaire.

Faire circuler le liquide primaire

La circulation du liquide peut être naturelle ou forcée.

• Dans le premier cas, le liquide caloporteur circule grâce à sa différence de densité avec l'eau du ballon. Tant qu'il est plus chaud, donc moins dense qu'elle, il s'élève naturellement par thermorégulation. Le ballon doit être placé plus haut que les capteurs. Sur ce principe sont conçus les chauffe-eau solaires "en thermosiphon" (très rare par climat froid).
• Dans le second cas, une petite pompe électrique, met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l'eau sanitaire du ballon. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation jouant sur les différences de températures : si la sonde du ballon est plus chaude que celle du capteur, la régulation coupe la pompe. Sinon, cette dernière est remise en route et le liquide primaire réchauffe l'eau sanitaire du ballon.

Pallier l'insuffisance d'ensoleillement

Partout en métropole, on doit faire face à des périodes défavorables (hiver, demi-saison, longue période de mauvais temps). L'énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d'eau chaude. Aussi, le ballon est équipé d'un dispositif d'appoint qui prend le relais en cas de besoin, et reconstitue le stock d'eau chaude. Il peut s'agir :

• d'une résistance (appoint électrique), souvent placée à mi-hauteur du ballon d'eau chaude;
• d'un serpentin (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (bois ou granule) située en aval du ballon d’eau chaude. 

Un second ballon pourvu d'un réchauffeur électrique peut également servir d'appoint.

L'installation du chauffe-eau solaire

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, l'installation d'un chauffe-eau solaire n'est pas un jeu d'enfant. Aussi, à moins que vous ne possédiez de solides aptitudes en électricité, en plomberie et en menuiserie, il serait préférable de faire appel à un professionnel qualifié et possédant l'expérience spécifique à la pose du chauffe-eau solaire.

Le capteur se pose de préférence plein sud à une inclinaison optimum annuelle de 40 à 50 degrés sur l'horizontal. La tolérance pour des raisons architecturales : 25 à 30 degrés. Si la pente de votre toit n'est pas orientée plein sud, vous pouvez fixer le capteur sur le mur ou au sol à l'aide d'un châssis spécialement conçu. Vous devez cependant vous assurer qu'aucun des éléments environnants votre domicile ne viendra porter ombrage au capteur durant la journée.

Pour des raisons esthétiques et de sécurité, il vaut mieux choisir un modèle de capteur qui s'intègre à la toiture ou qui se pose bien à plat sur celle-ci. On doit s'assurer que le capteur est fixé de façon robuste : On sous-estime souvent la force du vent.

La distance entre le capteur et le réservoir de stockage doit être la plus réduite possible pour éviter les pertes thermiques dans les canalisations qui doivent être calorifugées. Pour les régions nordiques, on doit s'assurer de protéger le circuit primaire contre le gel en y introduisant un mélange d'eau et d'antigel en guise de liquide caloporteur. Lorsque le choix du liquide à introduire viendra, il conviendra de choisir un antigel à base de Mono propylène glycol car ce dernier est considéré comme non toxique et non polluant.

Le choix du chauffe-eau solaire qui correspond aux besoins

Le chauffe-eau solaire se développe depuis plus de cinquante ans et la majorité des produits disponibles aujourd'hui sont robustes et fiables. Il est conseillé d'opter pour la technologie la plus simple afin d'éviter le bris potentiel de pièces trop fragiles et souvent coûteuses.

Avant de contacter un distributeur d’énergies renouvelables, vous devez déterminer quel type de chauffe-eau solaire comblera vos besoins : Un chauffe-eau solaire saisonnier ou permanent? Tout dépendant de l'utilisation que vous comptez en faire, le type de système et le coût d'acquisition peuvent varier grandement. Le choix d'un système composé de capteurs à tubes sous vide est recommandé pour les régions plus froides. 

Selon le modèle, le capteur solaire peut avoir une efficacité de conversion de plus de 80% en été et 40% en hiver. Cela signifie qu'il transmet au liquide caloporteur, plus de 80% de l'énergie solaire qu'il capte (pour l’été).

Au Québec, selon une étude du Bureau de l’Efficacité et de l’Innovation Énergétique (BEIE), un chauffe-eau solaire permet d’économiser en moyenne 100$ par an, pour un prix d’achat avec l’installation entre 8 000 et 10 000$, installation incluse. Ce prix n'inclus pas le dispositif d'appoint, mais normalement on peut utiliser son chauffe-eau électrique qui occupait la fonction de chauffe-eau principal. Ainsi on économise sur le nouveau système et on évite de reléguer une autre carcasse polluante aux rebuts. 

Des subventions pour le chauffage de l'eau avec le solaire sont disponibles  ( uniquement pour les promoteurs ou les constructeurs de maisons neuves).

Les politiques d'implantation du chauffe-eau solaire varient d'une région à l'autre.

Les chauffe-eau solaires: Guide de l'acheteur
Auteur: Ressources naturelles Canada

LEXIQUE

Caloporteur : Se dit d'un fluide transportant de la chaleur, par extension du sens primitif donné par Robert à ce néologisme : « qui évacue la chaleur d'une machine thermique ».

Calorifuge : Se dit des substances peu conductrices de la chaleur ou du froid (liège, feutre, amiante, soie de verre, coton minéral, etc.), destinées à s'opposer aux déperditions caloriques.

Capteurs solaires : Coffre rigide et vitré à l'intérieur duquel une plaque et des tubes métalliques noirs (absorbeur) reçoivent le rayonnement solaire et chauffent un liquide caloporteur (antigel).

Dispositif d'appoint : Dispositif, système, équipement, etc., qui s'ajoute à un élément principal pour fournir un apport supplémentaire ou pour prendre la relève au moment opportun.

Échangeur thermique : Appareil dans lequel deux fluides de températures différentes circulent dans des enceintes distinctes et transmettent leur chaleur de l'un à l'autre.

Glycols : Série de composés organiques faisant partie des alcools, mais possédant deux groupes oxhydryle (OH, atomes d'oxygène et d'hydrogène) sur des atomes différents de carbone. Le premier membre de la série est l'éthylène glycol, très utilisé comme antigel pour les voitures et comme constituant de nombreux dispersants chimiques actuels.

Régulation : Action de régler automatiquement l'une des grandeurs de sortie d'un système par action sur les grandeurs d'entrée.

Serpentin : Tuyau en spirale placé autour d'une source de chaleur ou de froid, dans le corps d'un réchauffeur ou d'un réfrigérateur, et dans lequel circule un fluide.

Thermosiphon : Circulation naturelle d'un liquide dans une installation du fait de la variation de sa masse volumique en fonction de la température. Dans un chauffe-eau solaire en thermosiphon, le liquide caloporteur réchauffé dans les capteurs solaires se dilate, et, plus léger, monte vers le ballon de stockage. Il est remplacé par le liquide refroidi descendant du ballon.