Les systèmes de chauffe-eau solaires sont conçus pour transférer l' énergie solaire du soleil à l'eau . Trouver le système de chauffe-eau solaire le plus efficace et le plus efficace pour une situation donnée peut être une tâche difficile. Un certain nombre de facteurs clés doivent être pris en compte lors du choix de la configuration système la plus appropriée. Ces facteurs comprennent, dans une large mesure, l'ensoleillement, le climat, les coûts de construction, d'installation et de matériaux, l'emplacement et l'accessibilité du système, la quantité d'eau à chauffer, la fréquence d'utilisation de l'eau chaude, la disponibilité de l'électricité, la disponibilité des matériaux, et le niveau de compétence en construction.
Les classifications de systèmes suivantes sont réparties en trois groupes de deux et un groupe d'un système unique. Ces quatre groupes principaux sont :
- Boucle ouverte vs boucle fermée .
- Actif contre Passif .
- Utilise un échangeur de chaleur vs N'utilise pas d'échangeur de chaleur .
- Système de traitement par lot .
Tout système donné utilise une caractéristique de chaque groupe. Par exemple, un système peut être un système actif en boucle ouverte qui n’utilise pas d’échangeur de chaleur. Ou un autre exemple, un système peut être un système passif en boucle fermée qui utilise un échangeur de chaleur. Certains systèmes sont beaucoup plus faciles à réaliser que d’autres et les personnes ayant une connaissance de base des outils et de la construction peuvent facilement créer un système fonctionnel. Si l'on souhaite créer son propre système, cette variabilité de complexité influencera le type de système choisi.
Le coût est un autre facteur et chaque configuration de système comporte une variété de coûts et d’avantages différents. Les coûts de tout système spécifique peuvent varier considérablement d’un pays à l’autre et d’une région à l’autre. Certaines configurations utilisant certains types d'équipements sont plus efficaces que d'autres dans des situations spécifiques. Les informations suivantes donnent un aperçu approfondi de ces différentes manières de construire des capteurs solaires à eau chaude.
Différents types de capteurs sont également présentés à la fin de cette page ainsi que des exemples de différents systèmes de chauffe-eau solaires courants.
Cette page décrit les différents systèmes utilisés pour chauffer l'eau avec le soleil. Pour une description plus générale de l’eau chaude solaire, visitez la page Eau chaude solaire .
Contenu
Systèmes en boucle ouverte
Open loop means that the water that requires heating flows directly through the hot water solar collector itself. There is no intermediary fluid. See Closed Loop heading below for the one exception to this definition where the water in a closed loop system flows directly through the solar collector. Open Loop systems do not use heat exchangers.
Advantages
Open loop systems are the simplest to design and construct. They generally require the least amount of construction and have the potential to last longer without serious maintenance due to their limited amount of moving parts.
Disadvantages
Open Loop systems are not ideal in areas where the temperatures can drop below freezing. The pipes can freeze causing the liquid water to expand into ice which will rupture the pipes. Before any freezing temperatures, the system must be drained to preserve the pipes. In areas where the temperatures drop below freezing, it is advised to use a closed loop system with a heat exchanger or implement one or more of a variety of techniques to prevent the freezing of the pipes. Preventative measures can come in the form of system drains, either manual or thermostat controlled, or a pump that pushes conventionally heated water through the system during cold weather.The system may also be designed so that the water drains out of the collector by gravity when the circulation pump is not running.
Closed loop systems
Closed loop systems are more complex to make and implement than Open loop systems as they can be used in a wider variety of climates. A closed loop system uses some kind of liquid that has a much lower freezing point than water, yet readily absorbs and releases heat. Antifreeze used in automotive radiators is a good example. This fluid passes through the solar collector, becomes heated, and moves into some type of heat exchanger. See Heat Exchanger Systems below. Due to the nature of Closed loop systems, Heat Exchangers are needed to transfer the heat from the collector to the water. Closed loop systems can also be used in radiant flooring or wall radiator applications to heat an area rather than water.
Advantages
Unlike most Open Loop systems, Closed Loop systems can be used in regions that experience temperatures below freezing. Due to the unique properties of water, pipes can burst when water freezes. This is prevented by using a fluid that has a much lower freezing point than water.
Disadvantages
Closed Loop systems require the use of a heat exchanger. This adds inefficiencies to the system that must be taken into consideration during the design and system sizing stage. Extra materials for the heat exchanger can also raise the cost of a system.
Active systems
Les systèmes actifs sont ceux qui nécessitent une énergie externe pour fonctionner. Généralement cette énergie se présente sous la forme d’une pompe électrique qui pousse le fluide à travers le collecteur. Il n’est pas rare de trouver des pompes solaires comme entrée externe. Le pompage solaire est approprié dans de nombreuses circonstances, car l'eau n'est chauffée et ne doit donc être pompée que lorsque le soleil brille.
Avantages
En raison de la nature de l'hydrologie et de la thermodynamique, le pompage de l'eau à travers les collecteurs remplace le besoin de stocker l'eau chauffée au-dessus des collecteurs, ce qui peut être difficile et restrictif à concevoir (voir Systèmes passifs pour plus d'explications).
Désavantages
L'utilisation d'une pompe nécessite à la fois l'achat d'une pompe, ainsi que le besoin d'une source d'énergie, très probablement de l'électricité , pour alimenter la pompe.
Systèmes passifs
Également connus sous le nom de système thermosiphon, les systèmes solaires de type passif sont ceux qui n’utilisent pas de source d’énergie extérieure. L’énergie solaire passive est un terme qui s’applique à bien plus que simplement l’eau chaude solaire. Par exemple, peindre une piscine en noir pour absorber plus d'énergie, ou installer des fenêtres du côté sud d'une maison (dans l'hémisphère nord) afin de laisser entrer davantage d'énergie solaire sont tous deux considérés comme du solaire passif.
Un chauffe-eau solaire passif doit prendre en compte la physique entourant l’hydrologie et la thermodynamique. Ce type de système utilise un thermosiphon. Un thermosiphon utilise l'énergie du soleil pour déplacer l'eau ou tout autre fluide collecteur dans une direction verticale. Cela se produit lorsqu'un liquide a une température variable, et donc des différences de densité. Étant donné que l’eau la plus chaude se déplace toujours vers le haut, déplaçant ainsi l’eau la plus froide vers le bas, le réservoir de stockage d’eau chaude ou l’échangeur de chaleur doit être situé au-dessus du capteur solaire.
Avantages
Aucune énergie externe n’est nécessaire pour déplacer le liquide dans le système. Moins de pièces mobiles signifie moins de choses à casser.
Désavantages
Si un ballon d'eau chaude ou un échangeur de chaleur est utilisé, il doit être positionné au-dessus du capteur solaire pour que le thermosiphon puisse circuler. Cela peut poser des problèmes car la plupart des systèmes solaires se trouvent sur les toits des maisons. De nombreuses options de conception sont désormais disponibles pour faciliter le stockage de l'eau chaude au-dessus du système.
Systèmes d'échangeurs de chaleur
Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans les régions où les températures sont inférieures au point de congélation. Les échangeurs de chaleur eux-mêmes sont intégrés dans un système en boucle fermée et transfèrent la chaleur recueillie dans le collecteur vers l'alimentation en eau chaude de la maison. Il existe un certain nombre de modèles d'échangeurs de chaleur.
Une conception courante consiste à compléter un chauffe-eau conventionnel en transférant la chaleur du fluide du capteur solaire vers le réservoir d'eau chaude. Les tubes en cuivre sont un bon matériau pour transférer facilement l’énergie thermique d’un liquide.
Un autre style courant d'échangeur de chaleur utilise un baril avec deux lignes de cuivre parallèles. Un tube provient du capteur solaire, entre dans le baril par le haut, tourne en spirale autour du bord du baril, sort du baril par le bas et complète la boucle fermée en retournant au capteur solaire. L’autre tube parallèle au premier est l’alimentation en eau chaude domestique. Il entre dans le baril par le bas, est parallèle au tube collecteur jusqu'au sommet du baril et sort du baril par le haut, avec de l'eau chaude. La chaleur est transférée du fluide chaud du collecteur, à travers le tube en cuivre, et dans l'eau domestique. Le baril peut être isolé à l’extérieur pour augmenter l’efficacité du transfert.
Il existe un certain nombre de fluides différents qui peuvent être utilisés dans le système en boucle fermée. Les liquides suivants sont les plus largement utilisés et les plus facilement disponibles : les mélanges glycol/eau, les huiles d'hydrocarbures, les réfrigérants/antigels automobiles et les silicones. Chacun d’entre eux présente des avantages et des inconvénients. Reportez-vous à ce lien de référence EERE pour en savoir plus. [1]
Avantages
Les échangeurs de chaleur sont utilisés pour plusieurs raisons principales : pour protéger le système contre le gel et comme option pour compléter une autre source de chauffage de l'eau.
Désavantages
Les échangeurs de chaleur ajoutent de la complexité à un système d'eau chaude. Il y a d'autres aspects d'un système qui doivent être conçus et planifiés lors de l'utilisation d'un échangeur de chaleur. Il y a également plus de chances que les choses se cassent ou ne fonctionnent pas correctement en raison des composants ajoutés. Des précautions doivent également être prises pour s'assurer que le fluide collecteur est non toxique ou qu'il y a très peu de risques que le fluide collecteur contamine l'approvisionnement en eau potable en cas de rupture dans le système en boucle fermée.
Systèmes sans échangeur de chaleur
Il s'agit de systèmes dans lesquels l'eau potable à chauffer circule directement à travers le capteur solaire. Ce type de système est un système en boucle ouverte.
Avantages
Voir le systèmeen boucle ouverte
Désavantages
Voir le systèmeen boucle ouverte
Systèmes par lots
Également connus sous le nom de systèmes Breadbox ou Integral Collector-Storage (ICS), ceux-ci comprennent un ou plusieurs réservoirs ou tubes noirs dans une boîte isolée et vitrée. Cela pourrait même être aussi simple que de peindre un réservoir en noir, de le mettre dans une caisse, de l'isoler de tous les côtés sauf celui qui pointe vers le soleil, et de recouvrir ce côté exposé au soleil avec du verre ou du plastique. À mesure que le soleil réchauffe l’eau, elle se dilate et devient moins dense, ce qui encourage l’eau chaude à s’écouler vers le haut du collecteur. De là, il est aspiré dans la maison selon les besoins ou dans un réservoir auxiliaire pour le stockage. Ceux-ci fonctionnent mieux dans les régions où les températures glaciales sont rares. Malgré leurs restrictions climatiques, ils fonctionnent relativement bien ; dans les climats plus froids, ils peuvent être utilisés de façon saisonnière et égouttés avant les durs mois d’hiver.
Collectionneurs
Non émaillé
Vitré
Tube sous vide
Collecteur de lots
voir http://commons.wikimedia.org/wiki/File:BatchSolarHeater.JPG
Exemples
Système actif en boucle fermée
Système actif en boucle ouverte
Système passif en boucle fermée
Système passif en boucle ouverte
Les références
- ^ Département américain de l'énergie. Guide du consommateur EERE : Fluides caloporteurs pour les systèmes de chauffage solaire de l'eau. http://www.eere.energy.gov/consumer/your_home/water_heating/index.cfm/mytopic=12940
http://www.builditsolar.com/Projects/WaterHeating/ISPWH/IPSWH.pdf Téléchargez "Le livre sur le chauffe-eau solaire passif intégral" par David Bainbridge
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