Pièces et principes de base de la conception du chauffage solaire de l’eau chaude

Le projet de schéma de connexion pour le chauffage solaire de l’eau chaude illustré en haut de la page a été gracieusement fourni par Lennox Industries.

Les chauffe-eau solaires utilisent des énergies renouvelables – la lumière du soleil – collectées dans des capteurs solaires extérieurs au sol ou au sol pour chauffer l’eau circulant par la pompe entre le ballon d’eau chaude et les panneaux.

L’extrémité supérieure d’un simple capteur solaire de chauffe-eau est montrée sur notre photo à gauche. Regardez attentivement et derrière la surface en plastique ondulé, en haut, vous pouvez voir des tuyaux noirs horizontaux qui déplacent l’eau à travers l’extrémité supérieure de ce collecteur.

Les chauffe-eau solaires sont utilisés depuis des décennies, et il est populaire de les utiliser dans des chalets isolés ou des bâtiments hors ligne, et leur utilisation est susceptible d’augmenter dans une grande partie du monde à mesure que les coûts énergétiques continuent d’augmenter.

Le diagramme ci-dessus à gauche (US Department of Energy) explique la connexion active typique d’un chauffe-eau solaire en boucle fermée et montre les éléments de base d’un système d’eau chaude solaire. Le diagramme ci-dessus à droite (U.S.DOE) explique un système de chauffage solaire de l’eau en série passif typique, montrant un collecteur de lots contenant un volume d’eau chaude et situé séparément d’un réservoir d’eau solaire de secours ou d’un réservoir de chauffage d’eau.

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Voici les éléments clés d’un système de chauffage solaire de l’eau chaude:

Nos photos d’un chauffe-eau solaire ci-dessous montrent un chauffe-eau solaire à convection qui est répandu au Mexique. Le réservoir d’eau blanche et le tuyau de chauffage solaire sont initialement remplis d’eau froide.

Alors que le soleil chauffe l’eau dans les tuyaux parallèles du chauffe-eau, l’eau chauffée monte par convection dans les tuyaux et pénètre dans le réservoir tandis que l’eau plus froide du réservoir tombe dans les tuyaux pour un chauffage supplémentaire. L’eau chauffée est pompée à partir d’un tuyau en haut du réservoir, tandis que l’eau froide entrante est acheminée au fond du réservoir.

Ce système chauffe l’eau et la stocke dans le réservoir uniquement par convection naturelle sans avoir besoin d’une pompe. Notre deuxième photo (en bas à droite) montre l’un de ces systèmes installés.

• Un ou plusieurs capteurs solaires ils sont situés là où ils recevront une quantité suffisante (ou maximale) de lumière solaire. Sur notre photo ci-dessous, vous pouvez voir un simple capteur solaire accroché dans la quincaillerie Don Pedro Ferreteria à San Miguel de Allende, au Mexique.

• Échangeur de chaleur: Les capteurs solaires d’eau chaude sont reliés par une boucle de canalisation à un échangeur de chaleur situé à l’intérieur du ballon d’eau chaude situé dans le bâtiment.

  En d’autres termes, une installation d’alimentation en eau domestique auto-chauffante ne circule pas elle-même à travers un capteur solaire, mais est chauffée à l’intérieur du réservoir d’eau par un échangeur de chaleur contenant un liquide (contenant un antigel dans le climat nordique) qui circule. dans les capteurs solaires et à l’intérieur des échangeurs de chaleur.

  Notre photo (à gauche) illustre un échangeur de chaleur sur le toit: un système de capteurs solaires faits de tubes en caoutchouc sur le toit à Guanajuato, au Mexique. Ce système de chauffe-eau solaire produit de l’eau chaude sanitaire pour le lavage et la baignade et pour un bain à remous.

  Le gain solaire sur ce toit était si élevé que les propriétaires ont bloqué une partie du tuyau pour empêcher les températures de l’eau chaude de monter trop haut. Nous incluons des photos supplémentaires de cette installation dans la FAQ trouvée dans la POSTE QUESTION ou COMMENTAIRE.

• Ballon d’eau chaude contient de l’eau chaude sanitaire chauffée par un échangeur de chaleur; le réservoir est alimenté en eau froide entrante et fournit une sortie d’eau chaude aux installations de plomberie du bâtiment.

  Sur notre photo ci-dessous, vous pouvez voir un simple réservoir de chauffe-eau au magasin solaire Don Pedro Ferreteria à San Miguel de Allende, au Mexique.

  Dans les zones où il y a beaucoup de soleil et où l’utilisation de l’eau est plus modeste, un simple collecteur, une pompe, des commandes et un petit réservoir d’eau comme celui que nous montrons ci-dessous conviennent souvent.

• Capteurs de température monté sur le réservoir d’eau ainsi que sur les capteurs solaires, surveille la température de l’eau et communique avec le module régulateur solaire.
• Module régulateur solaire détermine quand il convient de faire circuler l’eau d’un réservoir d’eau chaude à travers des capteurs solaires, empêchant la circulation de l’eau lorsqu’elle est refroidie plutôt que chauffée.
• Pompe de circulation contrôle le module de régulation solaire pour déplacer l’eau entre les capteurs solaires et le ballon d’eau chaude

  . Reportez-vous au Guide de la pompe de circulation de chauffage et du relais de circulation pour plus de détails.

• Vase d’expansion absorbe l’augmentation de pression créée dans le système (fermé) lors du chauffage de l’eau.

  Pour plus de détails, reportez-vous au Guide d’extension du réservoir de chauffage de la chaudière.

• Vanne de réduction de pression et de température Il y a un réservoir d’eau chaude sur la sécurité
• Vanne de purge Sur les capteurs solaires, il est envisagé que le tuyau ne soit pas lié par l’air, purifiant l’air indésirable dans le circuit de circulation d’eau.
• Vanne de trempe ou de mélange il est installé pour mélanger l’eau froide avec la sortie d’eau chaude du ballon d’eau chaude, permettant à plus de chaleur d’être stockée dans le réservoir d’eau sans risque de danger pour les occupants de s’enflammer. Considérez en détail les vannes pour les vannes de revenu ou de mélange

  dans le Guide des vannes mélangeuses et des vannes anti-brûlure

• Chaudière à eau chaude de rechange ils sont généralement alimentés en électricité, gaz, mazout ou autre combustible pour garantir l’existence d’eau chaude adéquate lorsque les conditions météorologiques ne fournissent pas suffisamment d’énergie solaire.

Alors que les coûts énergétiques continuent d’augmenter, le temps de recouvrement des coûts des panneaux solaires et des installations solaires de conduites d’eau chaude continuera de s’améliorer. Un croquis du système de chauffe-eau solaire est une gracieuseté d’Accu-Spect.

Surtout dans les zones qui reçoivent un ensoleillement suffisant, nous devrions nous attendre à augmenter la popularité de ces systèmes.

Ressources du système d’eau chaude solaire

• TEST DE FLÈCHE DE HUIT SYSTÈMES DE CHAUFFAGE D’EAU SOLAIRE [PDF] ETSU S / P3 / 00275 / REP / 2, DTI Pub URN 01/1292, entrepreneur, The Energy Monitoring Company Ltd., C Martin, M Watson, 2001.
  Cette étude compare la quantité d’énergie que huit systèmes de chauffe-eau solaires modernes pourraient produire au cours d’une année moyenne. – L’original est en marche
  http://www.berr.gov.uk/files/file16826.pdf
• MANUEL D’INSTALLATION DU COLLECTEUR D’EAU SOLAIRE Steibel [PDF] systèmes de chauffage solaire de l’eau chaude, https://www.stiebel-eltron-usa.com/products/solar-thermal-hot-water-systems-individual-components récupéré 2020/04/27, source originale: https: // www .stiebel-eltron-usa.com / sites / default / files / pdf / install-sol27.pdf

  Extrait: Avertissement: le réglage d’une température maximale du réservoir supérieure à 140 ° F sur l’unité de commande n’est autorisé qu’avec une vanne de mélange ECS thermostatée. Sinon, il pourrait y avoir un risque de calcaire au site d’extraction.

• Desmex Solar, boul. José Ma. 3649 Morelos, colonel Purísima de Jerez, León, Gto. C.P.37290
  Tél +52 (477) 788 06 00, fax. +52 (477) 771 10 02, e-mail: leon@desmexsolar.com: site Web http://www.desmexsolar.com/ Bureaux supplémentaires en

  San Miguel de Allende, Guanajuato, Mexique – Carretera a Celaya Km. 1, Plaza Alhóndiga Local 14 (1M), Frente a Mega Comercial Mexicana, San Miguel de Allende, Gto. Tél: +52 (415) 150 73 12 e-mail: sanmiguel@desmexsolar.com,

  Guadalajara, Mexique – +52 (33) 3165-2454 e-mail: guadalajara@desmexsolar.com, Monterrey Mexique – Tél. +52 (818) 356 43 30 e-mail: monterrey@desmexsolar.com, et Mexico – Tél. +52 (55) 2643 26 29, fax. +52 (477) 771 10 02 e-mail: mexico@desmexsolar.com

• SERVIETTE SOLAIRE PASSIF VOL. Oui [PDF] Handbook on Passive Solar Introduction to Passive Solar Concepts, dans la version utilisée par l’US Air Force – une version en ligne est disponible sur ce lien, et de l’USAF également sur wbdg.org/ccb/AF/AFH/pshbk_v1.pdf
• MANUEL POUR PASSIVE SOALR VOL. II [PDF] Guide de planification complet Manuel passif pour l’utilisation solaire dans la version utilisée par l’US Air Force – Une version en ligne est disponible sur ce lien, et de l’USAF également sur wbdg.org/ccb/AF/AFH/pshbk_v2.pdf [This is a large PDF file that can take a while to load]
• SERVIETTE SOLAIRE PASSIF VOL. III [PDF] Guide de programmation manuel solaire passif, dans la version utilisée par l’US Air Force – version en ligne disponible sur ce lien, et de l’USAF également sur wbdg.org/ccb/AF/AFH/pshbk_v3.pdf
• Handbook of Passive Solar Design and Construction, Steven Winter Associates (Auteur), Michael J. Crosbie (éditeur), Wiley & Sons, ISBN 978-047118382 ou 0471183083
• DESIGN DE MAISON SOLAIRE PASSIF [PDF] Le département américain de l’Énergie décrit l’utilisation des fenêtres, des murs et des planchers d’une maison pour collecter et stocker l’énergie solaire pour le chauffage en hiver, ainsi que pour repousser la chaleur solaire par temps chaud.
• Solar Water Heating: A Comprehensive Guide to Solar Water and Space Heating Systems (Mother Earth News Wiser Living Series), Bob Ramlow, Benjamin Nusz, ISBN13: 9780865715615
  L’eau de chauffage solaire est presque aussi vieille que l’humanité elle-même et est fabriquée partout dans le monde. Pourtant, il existe exceptionnellement peu de ressources sur le sujet en Amérique du Nord.

  Le chauffage solaire de l’eau comble cette lacune. Il passe en revue l’histoire des systèmes de chauffage solaire de l’eau et de l’espace de la préhistoire à nos jours, puis présente les bases du chauffage solaire de l’eau, y compris une introduction aux systèmes modernes d’énergie solaire, aux économies d’énergie et à l’économie d’énergie. S’appuyant sur l’expérience de l’auteur en tant qu’installateur de ces systèmes, le livre comprend:

  * Types de capteurs solaires, systèmes solaires de chauffage de l’eau et des locaux et systèmes de chauffage solaire de piscine, y compris leurs avantages et inconvénients
  * Composants du système, leur installation, fonctionnement et maintenance
  * Taille et position du système
  * Sélectionnez le système approprié.

  Parce que les gens sont souvent exclus par des coûts élevés, le livre se concentre spécifiquement sur les aspects financiers des systèmes solaires de chauffage de l’eau ou des espaces, montrant clairement que ces systèmes peuvent économiser des coûts importants à long terme. Bien illustré, le livre est conçu pour une lecture large, des curieux aux étudiants ou aux professionnels.

• CHAUFFE-EAU SOLAIRES [PDF] Un article du Département américain de l’énergie sur les chauffe-eau solaires produisant de l’eau domestique pour le chauffage des maisons explique le fonctionnement des chauffe-eau solaires. La chaleur solaire pour les piscines est également discutée.
• Échangeurs de chaleur pour systèmes de chauffe-eau solaires [PDF] Les États-Unis décrivent les types de méthodes d’échange de chaleur d’un chauffe-eau solaire entre le soleil et l’alimentation en eau chaude d’un bâtiment
• MILIEUX DE TRANSFERT THERMIQUE POUR SYSTÈMES DE CHAUFFAGE D’EAU SOLAIRES [PDF] Le DOE américain décrit les types de fluides sélectionnés pour le transfert de chaleur entre un capteur solaire et l’eau chaude dans les réservoirs de construction. Ceux-ci incluent l’air, l’eau, l’eau avec des mélanges de glycol d’antigel (requis lors de l’utilisation de systèmes d’eau chaude solaire dans des climats glaciaux), des huiles et des réfrigérants d’hydrocarbures ou des silicones de transfert de chaleur.
• ENTRETIEN ET RÉPARATION DU CHAUFFAGE SOLAIRE DE L’EAU [PDF] USA DOE
• PROTECTION DE LA FAIBLESSE DES EAUX FAIBLES [PDF] USA DOE, en utilisant un mélange d’antigel dans des chauffe-eau solaires (ou d’autres fluides caloporteurs résistants au gel) ainsi que des tuyaux pour permettre la décharge du capteur solaire et du système de tuyauterie.
• Détartrage et corrosion dans les systèmes de chauffe-eau solaires [PDF] US DOE – www.energysavers.gov/your_home/water_heating/index.cfm/mytopic=12850 est le site Web US DOE de base pour ces articles
• SYSTÈMES DE CHAUFFAGE RADIANTS [PDF] USA DOE
• Voir RÉFÉRENCES ci-dessous

Commentaires du lecteur et questions et réponses

Question:
quel est le système de sécurité le plus efficace pour l’eau solaire chaude?

Le système solaire que j’apprécie a un élément chauffant de rechange, au milieu du réservoir. Je m’attends à l’utiliser beaucoup la nuit, donc j’étais aussi un système électrique efficace.

La conception d’un réservoir d’alimentation avec un élément en haut et en bas, sur un réservoir traditionnel, serait-elle plus efficace et alimentée en eau plus chaude qu’un seul élément, avec un élément chauffant à réglage moyen? – dan@dudden.com

Réponse:

Une question intéressante Dan. Je ne sais pas – dans la mesure où une source faisant autorité pourrait être citée sans autre recherche. Mais cela peut vous aider à comprendre le rôle des éléments chauffants doubles dans les chauffe-eau électriques.

L’élément inférieur chauffe toute l’eau du réservoir, à partir de l’entrée d’eau froide (l’eau froide est généralement dirigée vers le fond du réservoir au moyen d’un tuyau). L’élément supérieur amplifie la température finale de l’eau chaude sortant du ballon.

Nous devons tous deux lire quelques descriptions détaillées du fonctionnement des chauffe-eau électriques à deux éléments. D’après mon expérience avec les modèles que j’ai testés et réparés, les deux éléments fonctionnent en même temps.

Si nous trouvons un seul réservoir électrique pour chauffer l’eau, je pense que c’est probablement parce que c’est un assez petit réservoir.

Il vaut peut-être mieux choisir une taille de réservoir qui convient à vos besoins afin de ne pas chauffer plus d’eau chaude que vous n’en avez besoin, en utilisant une minuterie pour éteindre les radiateurs électriques lorsque vous n’en avez pas besoin ou en avez besoin, et en choisissant une chaudière avec des notes énergétiques élevées.

Question: Plaque thermique avec tuyaux profondément en béton?

Les supports de construction actuels ici en Écosse exigent que j’installe une dalle thermique d’au moins 125 mm d’épaisseur comme plancher dans la base de la maison. Je ne pouvais pas voir l’intérêt de simplement me pencher au soleil par la fenêtre pour la réchauffer, alors je me suis installé sous les tuyaux de chauffage au sol.

La dalle a une épaisseur de 250 mm, les tuyaux sont à 200 mm sous la surface, il y a 170 mm de «travée royale» entre la membrane / le sous-sol et les bords sont isolés avec du Kingspan de 5 mm.

J’ai l’intention de monter un panneau solaire avec de l’eau chaude pour chauffer lentement, peut-être pendant quelques jours, le panneau, avec l’intention de le chauffer, pas un radiateur, disent-ils à partir du système de chaudière.

Je vois dans de nombreux messages sur ce site que mes tuyaux sont trop profonds pour un système de radiateur, chauffé par une chaudière, mais je pense que ce chauffage au sol devrait fournir une source de chaleur très stable pour garder la pièce au chaud toute la nuit ou les jours sombres (beaucoup de ceux en Écosse)
Commentaires s’il vous plaît.

Réponse:

Lee, mon expérience est que les tuyaux profondément dans la plaque ne fonctionnent pas bien – ce qui se reflète dans les documents des experts en radiation de chauffage. Il y a deux problèmes avec le transfert de chaleur:

1. perte de chaleur dans le sol qui dépasse le flux de chaleur vers le haut dans l’espace occupé – SOUMETTRE cela à une très bonne isolation entre la plaque inférieure et le sol, résultant en un énorme dissipateur de chaleur qui prend beaucoup de temps à chauffer mais envoie finalement de la chaleur; (Si cela fonctionne dans ce cas, faites-le nous savoir.)

2. résistance au transfert de chaleur dans le sens ascendant provoqué par l’épaisseur du béton.

Bref, je ne suis pas optimiste. Pouvez-vous me dire la valeur R d’une isolation Kingspan de 170 mm? Vous avez également isolé le périmètre de la planche?

Pour plus de détails techniques sur l’installation de tuyaux de chauffage de toutes sortes dans des dalles de béton, consultez ces articles:

Panneaux solaires passifs: ISOLATION FAIBLE, SOLAIRE PASSIF

Conception de rayonnement des sols chauds Articles

Suivi des lecteurs:

La valeur de R est de 5 100 M2.k / w. Aux bords, elle est de 50 mm de la même plage de spécifications. La dalle de plancher est emmêlée dans le mur de fondation et au-dessus du niveau du sol.

Rien n’est perdu en cas d’échec, seulement 70 £ pour un tuyau de cloison. Vous devrez monter un radiateur conventionnel au mur et connecter le panneau au réservoir d’eau chaude si la chaleur tombe sous terre. Pensez-vous que la chaleur augmenterait à travers un solide, comme elle le fait à travers un gaz ou un liquide?

Mon objectif est d’aider au stockage de chaleur en apportant de la chaleur par le bas, je veux que le processus soit lent (sans éviter ça avec des tuyaux en profondeur hein).

Si la réflexion peut être meilleure au milieu, mais après l’usure initiale des assiettes, la chaleur est presque libre, cela peut ne prendre qu’un peu plus.
Merci pour le commentaire, ils vous feront savoir si cela fonctionne, cela ne fonctionnera probablement pas avant 18 mois environ.

Réponse:

Lee,

Nous devons discuter des détails de certaines de vos questions avec l’ingénieur en transfert de chaleur; mais en général, divers solides conduisent la chaleur à différentes vitesses, et les solides n’auront pas de courants internes ou de déplacements qui se produisent dans les liquides ou les gaz. La chaleur est transférée à travers une mer solide ou moins au même taux dans toutes les directions, avec une variation de débit lorsqu’un côté du solide est en contact avec ou exposé à des conditions ou températures différentes de l’autre.

À mon avis, la chaleur descend à travers une dalle de béton non isolée dans un sol (généralement plus froid) à un rythme plus rapide que la chaleur qui sera transférée à l’air (généralement plus chaud) dans le bâtiment au-dessus à travers la dalle de béton non isolée.

Dans l’article précité RADIANT HEAT HEAT pamystics à éviter, nous avons dû abandonner le système de rayonnement de plancher de chaleur interne. Des tests ont confirmé qu’il est tout simplement impossible de chauffer un bâtiment – la vitesse de la chaleur qui pénètre dans le sol sous la dalle (pas uniformément isolée, pas assez d’isolation et des tuyaux trop profonds dans la dalle) a toujours dépassé le mouvement de chaleur dans le bâtiment.

Nous avons gardé la petite chaudière installée pour chauffer ce bâtiment et avons envisagé de placer un caloduc à air finement posé sous la nouvelle couche de carreaux sur l’installation d’origine.

Mais parce que nous (et les constructeurs autrement grossiers) avons fait du bon travail pour construire l’isolation des murs et du toit, nous avons constaté que nous pouvions chauffer le bâtiment (petite cabine) avec seulement quelques radiateurs électriques + un peu de gain solaire à travers les fenêtres et les lucarnes) dans le froid, mais peut-être pas la température la plus froide (nord du Minnesota).

Votre plancher stockera la chaleur solaire passive de l’exposition au soleil, mais je doute que le système de tuyaux fonctionne à perte nette.

Question: Est-il normal que les panneaux solaires d’eau chaude soient vides ou s’effondrent?

Les tapis solaires devraient-ils s’effondrer lorsque [the solar heating system] est éteint?

Et c’est [the solar hot water heating system] censé être à la fois un système ouvert ou un système fermé? – L.S. 22/01/2014

Réponse:

Vous posez des questions sur l’eau chaude solaire ou les systèmes de chauffage solaire qui utilisent un mélange d’eau et d’antigel. De nombreux types de capteurs solaires comprennent des tubes en caoutchouc attachés dans des nattes ou des tubes flexibles qui sont alimentés aux deux extrémités par un tube rigide connecté connecté à la tuyauterie d’entrée et de sortie du système.

Selon le fabricant, ces tapis de bain sont assez rigides et auraient la même apparence avec ou sans écoulement d’eau, tandis que d’autres, faits de pièces en plastique ou en caoutchouc plus souples, peuvent fondre s’ils ne sont pas sous pression d’eau.
Dans les deux cas, le système reste plein d’eau, pas d’air, lorsque le système est activé.

Les extrémités des panneaux d’eau chaude avec de l’eau solaire montrés sur mes photos un peu plus haut, sont installés sur le toit à Guanajuato, au Mexique, et sont utilisés pour fournir de l’eau chaude pour le ménage et pour chauffer le spa ou le bain à remous. Ceci est un tapis rigide, il ne « s’effondre » pas lorsque l’eau ne circule pas

. En fait, il y a tellement de gains solaires sur ce toit que les propriétaires ont bloqué une partie du tuyau du capteur solaire pour empêcher l’eau de surchauffer. Mes photos ne montrent pas de soupape de sécurité de décompression installée sur la canalisation pour évacuer l’eau en cas de pression dangereuse ou excessive. Sur cette photo, vous pouvez voir les tuyaux du chauffe-eau solaire, la soupape de commande et la soupape de sécurité de décompression.

Mais dans des conditions climatiques glaciales et pour certaines applications de chauffage qui chauffent de l’eau pour une utilisation directe, c’est là que l’antigel n’est pas utilisé dans un système de chauffage solaire. drainage lorsqu’il est éteint par temps glacial, pour éviter le gel.

La conception de la décharge solaire sera en effet presque vide d’eau dans cet état: des commandes et des vannes d’air supplémentaires sont installées sur ces systèmes pour permettre à l’air d’entrer ou permettre à l’air de s’échapper au besoin pour éviter le gel.

J’espère qu’avec ces détails, si vous n’obtenez pas une réponse complète à votre question, vous pourrez demander à nouveau avec plus d’informations.

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