Après être entré dans mon atelier un matin de décembre et avoir senti un froid de 10 degrés, j’ai décidé d’installer un système de chauffage. Compte tenu du coût croissant du propane et des préoccupations environnementales de ma famille concernant l’utilisation de combustibles fossiles non renouvelables, la solution solaire semblait convenir.
Je suis un ingénieur aéronautique à la retraite, mais vous n’avez pas besoin d’une formation similaire pour entreprendre ce projet. En fait, un aérotherme solaire intégré dans une nouvelle construction ou ajouté à un bâtiment existant peut être une solution de chauffage simple et peu coûteuse. En suivant les principes et le plan simples décrits ici, vous pouvez chauffer votre atelier, votre grange ou même votre maison avec la chaleur gratuite du soleil. S’il le fait ici à Bozeman, Mont., Il travaillera certainement où que vous soyez.
J’ai passé en revue de nombreux concepts de capteurs solaires et j’ai décidé d’installer un capteur d’air à thermosiphon sur le mur sud de l’atelier. La conception élégante et simple du thermosiphon utilise uniquement la flottabilité de l’air chauffé pour créer une circulation à travers le collecteur, éliminant ainsi le coût, la maintenance et la consommation d’énergie des ventilateurs, des capteurs et des régulateurs couramment utilisés dans d’autres conceptions de capteurs. Lors d’une journée ensoleillée, dans un climat froid comme le nôtre, ce système simple peut produire de la chaleur équivalente à la combustion de propane d’une valeur d’environ 2 $ (l’équivalent d’environ 3 $ pour le gaz naturel).
Pour minimiser les coûts, j’ai intégré le collecteur dans la structure et utilisé des matériaux facilement disponibles. J’ai coûté environ 350 $ et je ne suis allé à la quincaillerie qu’une seule fois. Je l’ai construit et installé en environ trois jours ouvrables. Suivez les suggestions ci-dessous et vous pourrez peut-être le faire plus rapidement !!
Le collecteur de thermosiphon se compose de plaques de polycarbonate ondulées transparentes fixées à des vis de 2 x 6 pouces. Des panneaux transparents laissent entrer la lumière du soleil et un absorbeur suspendu à l’intérieur du capteur capte l’énergie thermique du soleil. L’air autour de l’absorbeur se réchauffe, se dilate et s’élève en créant un courant de convection. Les ouvertures en haut et en bas du collecteur permettent à l’air de circuler à travers celui-ci. L’air froid pénètre dans les ouvertures inférieures de l’intérieur, chauffe l’absorbeur, monte vers les ouvertures supérieures et retourne à l’intérieur. La circulation de l’air se poursuit tant que le soleil illumine le collecteur.
La nuit, le flux d’air est inversé tandis que l’air dans le collecteur est refroidi à des températures extérieures. De simples vannes d’arrêt sur les ouvertures supérieures arrêtent cette circulation inverse et gardent la chaleur à l’intérieur.
Performance et économie
Les jours d’hiver ensoleillés, le collecteur élève la température interne entre 60 et 75 degrés. Dans ma forêt forestière, il fait 25 à 35 degrés au-dessus de la température extérieure. Pendant la nuit, le bâtiment est généralement refroidi de 8 à 15 degrés au-dessus de la température extérieure. Par temps très nuageux, le collecteur chauffe mal, mais par temps partiellement nuageux ou avec une couverture nuageuse occasionnelle, il fournit une chaleur utile. Il faut généralement environ trois heures à l’atelier pour chauffer de 35 à 65 degrés – une bonne excuse pour dormir! Si vous êtes déterminé à commencer à travailler tôt, vous aurez besoin de plus d’isolation, de plus de chaleur ou d’un choc tôt le matin du chauffage d’appoint.
Assurez-vous d’installer une isolation adéquate et de contrôler les infiltrations d’air. Aucun capteur solaire – ou tout autre type de système de chauffage – ne chauffera efficacement les courants d’air, les zones non isolées. Les murs et le toit de mon atelier de 700 pieds carrés sont isolés au R-19, tout comme de nombreuses maisons.
Selon mes mesures, la puissance thermique par mètre carré du panneau se compare favorablement à la plupart des panneaux commerciaux – à moins d’un dixième du coût! (Voir «Augmentation de chaleur, numéro de départ» à la fin de l’article pour plus de détails.) Notre seule alternative serait de chauffer l’atelier au propane. Bien qu’un appareil de chauffage au propane coûterait un peu moins cher que la construction d’un capteur solaire, payer pour le propane à un taux de cinq dollars par saison de chauffage de cinq mois coûterait de 300 à 400 dollars par an. Une période de retour simple du collecteur est d’un an ou deux sur les coûts de matériel. Je n’avais pas besoin d’un appareil de chauffage de rechange, ce qui représente une économie supplémentaire.
La taille du capteur solaire
Habituellement, plus le collecteur est grand, mieux c’est. La plupart des dépendances subissent d’importantes pertes de chaleur en raison de taux d’infiltration élevés et d’une isolation insuffisante, de sorte que la chaleur générée par un grand collecteur peut être utilisée à bon escient. La plus grande zone de collecte offre une certaine tolérance pour les jours partiellement nuageux et légèrement nuageux. Avec cette conception de collecteur, la surchauffe n’est généralement pas un problème. Vous pouvez simplement fermer les évents supérieurs ou ajouter de la masse thermique, comme des réservoirs d’eau. L’augmentation de la masse de chaleur réduit également les changements de température nocturnes à l’intérieur.
Le temps supplémentaire et les coûts de matériaux sont faibles pour construire un collecteur qui utilise un mur plein sud au lieu d’une partie seulement. Les exceptions à l’utilisation d’un mur complet comprennent les emplacements à climat doux, les bâtiments bien isolés et bien fermés, ou les bâtiments beaucoup plus longs le long de l’axe est-ouest que de l’axe nord-sud. Même si tout le mur sud n’est pas accessible, l’utilisation de la pièce est toujours payante.
Écrous et boulons
Le cadre du collecteur est en bois de taille commune et se compose d’éléments verticaux, d’un seuil inférieur et d’un seuil supérieur. Pour moi, six éléments verticaux mesurant 2 x 6 pouces divisent le collecteur en cinq baies de 4 mètres de large. Le seuil inférieur est 2 x 6 et 2 x 8 est utilisé pour le seuil supérieur. Les parties du cadre du collecteur sont fixées au bâtiment avec des vis d’entraînement qui y sont insérées de l’intérieur.
Le collecteur est vitré avec des panneaux transparents en polycarbonate ondulé Suntuf. Le fabricant applique un revêtement résistant aux ultraviolets sur le côté faisant face au soleil pour prolonger leur durée de vie. J’ai utilisé 10 planches de 26 pouces de large et 8 pieds de haut. Des paires de panneaux se chevauchent et se rejoignent sur une bande de bois verticale de 1 x 1 pouce pour former des panneaux de 4 mètres de large pour chaque baie. Deux éléments horizontaux de 1 x 1 pouce fournissent un support de vitrage supplémentaire.
L’absorbeur, un écran de fenêtre en métal noir, est monté sur des lattes fixées perpendiculairement aux poteaux et sur le haut et le bas de la rainure, approximativement à mi-chemin entre le vitrage et le parement. Après avoir mesuré les performances thermiques avec une, deux et trois couches d’écran, j’ai trouvé que deux couches fonctionnaient mieux. Les ouvertures supérieures et inférieures sont simplement des trous percés à travers l’enveloppe et le revêtement du bâtiment. Des vannes d’arrêt en plastique léger et simples empêchent le reflux par les ouvertures supérieures la nuit.
En été, l’orientation verticale des panneaux et l’angle élevé du soleil minimisent la surchauffe, mais vous devez bloquer les évents supérieurs pour empêcher le capteur de fournir de la chaleur. Je viens de connecter un morceau de carton sur chaque trou de ventilation supérieur, mais vous pouvez installer une porte de ventilation à charnière. Ombrer ou recouvrir les panneaux fonctionnerait également, mais n’est probablement pas nécessaire. Au printemps et en automne, vous pouvez fermer certains évents et en laisser d’autres ouverts pour contrôler la production de chaleur.
Conseils de construction
Mesurez d’abord le mur sud du bâtiment pour déterminer comment vous devrez ajuster la conception du capteur. Portez une attention particulière à la hauteur disponible et à l’espacement du coin. Ensuite, définissez les ouvertures. Éloignez-les des chevilles du mur juste assez pour laisser de la place pour que les cadres verticaux soient éloignés des broches et boulonnés à l’intérieur du bâtiment. Marquez les points de ventilation à l’intérieur et à l’extérieur du bâtiment pour vous assurer qu’il n’y a pas de conflits avec le câblage électrique. Une fois que vous vous êtes assuré que la disposition est correcte, prenez une profonde respiration et coupez les ouvertures.
Coupez le rebord supérieur suffisamment long pour rouler sur les extrémités verticales d’au moins 1 pouce. Inclinez le bord arrière du seuil supérieur de sorte qu’il tombe d’environ 10 degrés lorsqu’il est placé sur le revêtement, pour éviter la pluie. Ensuite, coupez les verticales, à un angle par rapport à leurs sommets afin qu’elles correspondent à la pente du seuil supérieur. Alignez-les et coupez des encoches pour les deux supports de vitrage horizontaux de 1 x 1 pouce.
Ensuite, bien et peignez tout. Vous n’avez pas à repeindre le revêtement qui sera derrière le collecteur, mais peindre une couleur sombre améliorera un peu l’efficacité. Gardez à l’esprit qu’une version en sourdine de cette couleur sera affichée sur l’écran du collecteur, alors assurez-vous qu’elle répond à vos sensibilités esthétiques.
Une fois la peinture durcie, placez les verticales sur le revêtement. Je les ai fixés de l’intérieur à l’aide de tire-fonds de 5 pouces, de rondelles, à travers les revêtements muraux et les parements. Si votre revêtement n’est pas assez solide pour supporter le poids, alignez les verticales avec les vis murales et vissez les vis à retard de l’extérieur à travers elles dans les vis. Assurez-vous que tout est droit, vertical et droit – cela vous fera économiser beaucoup de mots de quatre lettres plus tard.
Fixez maintenant le seuil supérieur et inférieur. Si vous le souhaitez, installez une tôle qui clignote au-dessus du seuil supérieur pour repousser la pluie. Ensuite, fermez le bord du cadre du collecteur avec un mastic silicone. Installez les lattes et accrochez l’absorbeur de moustiquaire. Repliez les bords de l’écran pour s’adapter aux baies d’un peu moins de 48 pouces de large.
Fabriquez vos propres panneaux de vitrage de 4 x 8 pieds en joignant des paires de feuilles ondulées de 26 pouces et 8 pieds. Pliez les planches en une seule ondulation, en appliquant une légère boule de plâtre de silicone entre les feuilles pliées. Renforcez le joint en attachant une bande de bois de 1 x 1 pouce à l’intérieur des vagues pliées à l’aide de vis avec des rondelles EPDM, un caoutchouc synthétique qui résiste à la lumière du soleil et aux températures élevées et basses.
Installez des bandes de vitrage horizontales de 1 x 1 pouce dans les encoches découpées dans le cadre du collecteur. La surface des bandes doit affleurer la surface du cadre. Effectuer le nettoyage, le scellement ou tout autre travail à l’intérieur du cadre du collecteur maintenant. Vous ne pourrez pas entrer à l’intérieur après l’installation du vitrage.
Montez ensuite les panneaux vitrés. Placez des bandes d’étanchéité en mousse sur les appuis supérieurs et inférieurs, en forme pour épouser les contours des tôles ondulées. Réalisez des billes sur le premier jeu de verticales et montez la première partie de la plaque de vitrage. (Vous saurez rapidement à quel point votre cadre est carré.) Fixez les sections de panneau au cadre à l’aide de vis avec des rondelles EPDM. Installez les autres pièces de la même manière. Pliez chaque nouvelle section sur la précédente pour une ondulation, en utilisant un grain de scellement dans le chevauchement.
Pour les volets de valve sur les ouvertures supérieures intérieures, j’ai ouvert le high-tech et utilisé deux sacs à ordures en plastique épais. Avant de les ajouter, fixez un couvercle de quincaillerie en treillis d’un demi-pouce sur chaque évent afin que les aspirateurs n’entrent pas dans l’ouverture. Puis agrafez les rabats le long du bord supérieur de l’évent, juste au-dessus de l’évent.
Variantes de collection
Plusieurs variantes pourraient améliorer les performances du système. Le remplacement du vitrage en polycarbonate à double paroi par une seule feuille ondulée réduirait les pertes de chaleur à travers le vitrage (bien que certaines pertes d’absorption d’énergie se produiront également). Ce type de vitrage, composé de deux feuilles de polycarbonate séparées par des filets de support, simplifie également l’installation, car il nécessite moins de support et ne présente pas de bords ondulés nécessitant une étanchéité. Les bâtiments dans les climats froids bénéficieront le plus de ce changement, qui augmenterait les coûts d’environ 100 $.
Une autre option consiste à alterner les panneaux collecteurs et les fenêtres sur le mur sud. Cette approche permettrait plus de lumière et un gain de chaleur direct à travers les fenêtres, sans éblouissement, grandes pertes et surchauffe qui accompagnent les murs pleins des fenêtres.
Vous pouvez utiliser le même concept pour chauffer votre maison ou votre cabine. Avec un peu de raffinement pour ouvrir les ouvertures avec un mur intérieur, le même design de base peut apporter une chaleur de jour aux espaces de vie. Une mise en garde – Le Code national de la mécanique interdit la circulation d’air climatisé à plus de 120 degrés dans les espaces en bois. Bien que cela ne pose pas de problème pour les dépendances, dans les bâtiments utilisés pour l’habitation humaine, vous pouvez envisager de construire un collecteur avec des cales métalliques au lieu de bois. Par mesure de sécurité supplémentaire, les parties en bois qui entourent directement les sorties peuvent également être recouvertes de tôle.
Lors de la modification de la conception du collecteur, assurez-vous de ne pas enfreindre ces consignes:
- La profondeur du collecteur doit être d’au moins 1/15 de sa hauteur.
- L’absorbeur doit offrir une faible résistance au flux d’air.
- La surface de l’ouverture de ventilation doit représenter au moins 50 pour cent de la section transversale horizontale du capteur.
- Le chemin de l’air à travers le collecteur ne doit pas être obstrué et doit passer sur toute la longueur du collecteur.
Autres façons de construire
Ce collecteur pourrait être construit avec moins de matériaux et des coûts moindres s’il était intégré au mur lors de la construction initiale. Il pourrait également être construit sur la surface extérieure du mur, en omettant la doublure extérieure derrière lui. Cela pourrait économiser jusqu’à 2 $ le pied carré. Pour un aspect plus fini, vous pouvez installer un degré supérieur d’enveloppe dans la zone du collecteur.
Pour une approche plus intégrée, des cavités de coin de mur peuvent être utilisées pour le collecteur lui-même. En utilisant 2 à 6 broches standard à une distance de 24 pouces, les ouvertures d’entrée et de sortie peuvent être construites dans la paroi d’extrémité intérieure, avec l’écran absorbeur placé environ à mi-chemin dans chaque cavité de coin. Le côté collecteur de la paroi d’extrémité intérieure peut être revêtu d’une isolation en mousse de polyisocyanurate, qui résiste à des températures élevées et fournit une valeur R élevée à un coût modeste. La valeur R du mur collecteur isolé serait comparable à la valeur du mur standard. Le verre peut être placé sur des éléments de 2 x 2 pouces qui s’étendent le long du haut et du bas du collecteur et sur chacun des coins verticaux dans la zone du collecteur.
La différence de prix du matériau entre un tel collecteur et un mur conventionnel serait proche de zéro! Avec un grand collecteur, des garde-corps diagonaux ou une paroi intérieure résistante au cisaillement peuvent être nécessaires pour maintenir la résistance au cisaillement du mur. Assurez-vous d’organiser les détails avec votre service de construction.
D’autres approches sont certainement possibles. Si vous en faites un bon, j’aimerais en entendre parler. En attendant, voici votre chaleur et votre confort!
Matériel de collection
Cette liste montre ce que j’ai utilisé et mes coûts et devrait vous aider à déterminer les montants totaux pour votre installation:
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Bois de sciage de 2 « x 6 » (vertical, seuil inférieur) |
68 pi. |
42 $ |
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Matériau 2 « x 8 » (seuil supérieur) |
22 pi |
18 $ |
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Matériau 1 « x 1 » (supports de vitrage) |
130 pi |
15 $ |
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Panneaux ondulés en polycarbonate Suntuf 8 pi x 26 po * |
dix |
160 $ |
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Moule d’étanchéité en mousse * |
40 pieds |
10 $ |
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Vis avec rondelles EPDM * |
200 |
10 $ |
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Écran de fenêtre en métal noir |
4 x 70 pi. |
70 $ |
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Peinture, bobine, restes de vis, tissu de quincaillerie, etc. |
25 $ |
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Film plastique léger (couvercles de ventilation) |
gratuitement |
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Total |
350 $ |
* Votre quincaillerie devra peut-être commander ces produits séparément de Palram Americas.
Pour et contre les capteurs solaires
Avantages:
- Simple (pas besoin de faire beaucoup d’erreurs ou d’être prudent)
- Il est facile à construire et ne nécessite aucune modification de la structure du bâtiment
- Longue durée de vie et faible entretien (jusqu’à présent)
- Coûts de démarrage très bas (moins d’un dixième du coût de la plupart des panneaux commerciaux)
- Bon retour économique sur l’investissement initial
- Il réduit la production de gaz à effet de serre d’environ 1800 £ par an
- La sortie peut être ajustée en ouvrant et en fermant les évents – la sortie d’été peut être réduite à zéro
- Cela n’affecte pas l’utilisation du bâtiment (je peux toujours empiler des choses contre le mur, mais maintenant ce ne sont pas des déchets – c’est de la masse thermique)
- Pas moche (ou du moins pas trop moche!)
Contre:
- Ça fait mal de couper un petit trou dans le mur (mais tu t’en remettras)
- Le bâtiment pourrait nécessiter une masse thermique et une isolation supplémentaires afin que les températures internes ne descendent pas trop la nuit
Obtenir de la chaleur: chiffres courants
Dans un test récent que j’ai effectué à midi, dans des conditions hivernales ensoleillées typiques, le capteur a atteint une élévation de température de 50 à 60 degrés entre les évents inférieurs et supérieurs et une vitesse moyenne de l’air dans le ventilateur supérieur de 110 à 120 pieds / minute. La puissance de pointe était de 25 000 Btu / heure et le gain de chaleur quotidien total était d’environ 130 000 Btu (38 kWh). Cela équivaut à brûler environ 2 litres de propane (environ 4 $) à une efficacité de 70%.
Les estimations du gain de chaleur sont basées sur des mesures de l’élévation de température et de la vitesse de sortie de l’évent. Leur combinaison avec la chaleur spécifique de l’air et la densité de l’air donne la chaleur de sortie du capteur. J’ai estimé le taux de gain de chaleur en utilisant l’équation suivante:
G = A x V x D x (Tu – Tl) x H
G est le taux de gain de chaleur; A est la zone de ventilation; V est la vitesse de l’air à travers l’évent; D est la densité de l’air à la température et à l’altitude dominantes (vous devrez le rechercher); Tu est la température de l’air dans l’ouverture supérieure; Tl est la température de l’air dans l’ouverture inférieure; et H est la chaleur spécifique de l’air (une mesure de la chaleur nécessaire pour élever la température d’un kilogramme d’air d’un degré Fahrenheit; elle varie avec la température et la pression, mais est d’environ 0,24 Btu / lb-F ° dans les conditions quotidiennes).
J’ai mesuré les températures avec quelques thermomètres Taylor à 2 $ d’un magasin de construction. La vitesse de sortie de l’évent a été enregistrée à l’aide d’une éolienne Kestrel. Bien que cette instrumentation puisse ne pas répondre aux normes des laboratoires nationaux de Sandia, je pense qu’elle fournit une évaluation solide des performances des capteurs.
Gary Reysa a travaillé pour Boeing Aircraft. Il vit dans le Montana depuis 2000, où des hivers froids, des factures de chauffage élevées et suffisamment de soleil ont suscité son intérêt pour le chauffage solaire. Il a publié de nombreux autres projets solaires de bricolage sur son site Web Build It Solar.