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Chauffage solaire de l’eau – Wikipedia

Utilisation de la lumière du soleil pour chauffer l’eau à l’aide d’un capteur solaire thermique

Des collecteurs solaires installés en Espagne

Chauffage solaire de l’eau (SWH) est la conversion de la lumière solaire en chaleur pour chauffer l’eau à l’aide d’un capteur solaire thermique. Différentes configurations sont disponibles à différents prix pour fournir des solutions dans différents climats et latitudes. Les SWH sont largement utilisés pour les applications résidentielles et certaines applications industrielles.[1]

Le capteur solaire fait chauffer le fluide de travail qui passe dans le système de stockage pour une utilisation ultérieure. Les SWH sont actifs (pompés) et passifs (convection). Ils utilisent uniquement de l’eau ou à la fois de l’eau et du fluide de travail. Ils sont chauffés directement ou à travers des miroirs pour concentrer la lumière. Ils agissent indépendamment ou comme hybrides avec des radiateurs électriques ou à gaz.[2] Dans les grandes installations, les miroirs peuvent concentrer la lumière du soleil dans un collecteur plus petit.

En 2017, la capacité calorifique mondiale de l’eau chaude solaire est de 472 GW, et le marché est dominé par la Chine, les États-Unis et la Turquie.[3]

La Barbade, l’Autriche, Chypre, Israël et la Grèce sont les principaux pays en termes de capacité par habitant.[3]

histoire[[[[Éditer]

Annonce pour Chauffe-eau solaire datant de 1902

Les registres des capteurs solaires aux États-Unis remontent à avant 1900,[4] dans lequel un réservoir peint en noir monté sur le toit a été installé. En 1896, Clarence Kemp de Baltimore a stocké le réservoir dans une boîte en bois, créant le premier « chauffe-eau en série » connu aujourd’hui. Frank Shuman a construit la première centrale solaire thermique au monde à Maadi, en Égypte, en utilisant une auge parabolique pour faire fonctionner un moteur de 45 à 52 kilowatts (60 à 70 chevaux) qui pompait 23 000 gallons (6 000 gallons américains) d’eau par minute à partir du Nil dans les champs de coton adjacents.

Des capteurs solaires plats pour le chauffage de l’eau ont été utilisés en Floride et en Californie du Sud dans les années 1920. L’intérêt a augmenté en Amérique du Nord après 1960, mais surtout après la crise pétrolière de 1973.

L’énergie solaire est utilisée en Australie, au Canada, en Chine, en Allemagne, en Inde, en Israël, au Japon, au Portugal, en Roumanie, en Espagne, au Royaume-Uni et aux États-Unis.

méditerranéen[[[[Éditer]

Israël, Chypre et la Grèce sont par habitant des chefs de file dans l’utilisation de systèmes de chauffage solaire de l’eau qui soutiennent 30% à 40% des foyers.[5]

Les systèmes solaires carrelés ont été perfectionnés et largement utilisés en Israël. Dans les années 1950, faute de carburant, le gouvernement a interdit le chauffage de l’eau entre 22h00 et 6h00. Levi Yissar a construit le premier prototype de chauffe-eau solaire israélien et en 1953, il a lancé NerYah, le premier fabricant commercial israélien de chauffe-eau solaire.[6] Les chauffe-eau solaires ont été utilisés par 20% de la population jusqu’en 1967. Après la crise énergétique des années 1970, Israël a exigé en 1980 l’installation de chauffe-eau solaires dans toutes les nouvelles maisons (à l’exception des hautes tours avec une surface de toit insuffisante).[7] En conséquence, Israël est devenu un leader mondial dans l’utilisation de l’énergie solaire par habitant avec 85% des ménages utilisant des systèmes solaires thermiques (3% de la consommation nationale d’énergie primaire),[8] on estime qu’il permettra au pays d’économiser 2 millions de barils (320 000 m)3) huiles par an.[9]

En 2005, l’Espagne est devenue le premier pays au monde à exiger l’installation de production d’énergie photovoltaïque dans les nouveaux bâtiments, et le deuxième (après Israël) à exiger l’installation de systèmes de chauffe-eau solaires.[10]

Asie[[[[Éditer]

Nouvelles installations solaires d’eau chaude en 2007 dans le monde

Après 1960, les systèmes ont été mis sur le marché au Japon.[4]

L’Australie a divers règlements d’État et d’État pour l’énergie solaire thermique à partir du MRET en 1997.[11][12][13]

Les systèmes de chauffe-eau solaires sont populaires en Chine, où les modèles de base commencent à environ 1500 yuans (235 $), soit environ 80% de moins que dans les pays occidentaux pour une certaine taille de collecteur. Au moins 30 millions de ménages chinois en ont un. La popularité est due aux tuyaux évacués efficaces qui permettent aux chauffages de fonctionner même sous un ciel gris et à des températures bien en dessous de zéro.[14]

Exigences de conception[[[[Éditer]

Le type, la complexité et la taille d’un système de chauffe-eau solaire sont principalement déterminés par:

  • Changements de température ambiante et de rayonnement solaire entre l’été et l’hiver
  • Changements de température ambiante pendant le cycle de jour et de nuit
  • Possibilité de surchauffe ou de congélation de l’eau potable ou des collecteurs

Les exigences minimales du système sont généralement déterminées par la quantité ou la température d’eau chaude requise pendant l’hiver, lorsque la température de sortie et d’eau dans le système sont généralement à leur plus bas. La puissance maximale du système est déterminée par la nécessité d’éviter que l’eau du système ne devienne trop chaude.

Protection contre le gel[[[[Éditer]

Les mesures de protection contre le gel empêchent d’endommager le système en raison de la propagation du liquide de transmission du gel. Les systèmes de vidange drainent le fluide de transmission du système lorsque la pompe est arrêtée. De nombreux systèmes indirects utilisent de l’antigel (par exemple, du propylène glycol) dans un fluide caloporteur.

Dans certains systèmes directs, les capteurs peuvent être séchés à la main lorsque le gel est prévu. Cette approche est courante dans les climats climatiques où les températures de congélation ne se produisent pas fréquemment, mais peut être moins fiable qu’un système automatisé car elle dépend de l’opérateur.

Le troisième type de protection contre le gel est la résistance au gel, où les conduites d’eau à basse pression en caoutchouc silicone se dilatent simplement pour geler. L’un de ces capteurs est désormais accrédité en Europe pour une clé solaire.

Protection contre la surchauffe[[[[Éditer]

Si l’eau chaude n’est pas utilisée pendant un jour ou deux, le liquide dans les collecteurs et le stockage peut atteindre des températures élevées dans tous les systèmes sans vidange. Lorsque le réservoir de vidange dans le système de vidange atteint la température souhaitée, les pompes s’arrêtent, mettant fin au processus de chauffage et empêchant ainsi le réservoir de surchauffer.

Certains systèmes actifs refroidissent intentionnellement l’eau du réservoir en faisant circuler de l’eau chaude à travers le collecteur à un moment où il y a peu de soleil ou la nuit, perdant ainsi de la chaleur. Il est plus efficace dans la plomberie directe ou thermique et est presque inefficace dans les systèmes utilisant des collecteurs de tuyaux sous vide, en raison de son isolation supérieure. Tout type de collecteur peut encore surchauffer. Les systèmes solaires thermiques à haute pression reposent en fin de compte sur le fonctionnement des vannes de réduction de température et de pression. Les radiateurs soufflants ouverts à basse pression ont des commandes de sécurité plus simples et plus fiables, généralement un évent ouvert.

Les systèmes[[[[Éditer]

Les conceptions simples comprennent une simple boîte en verre isolée avec un absorbeur solaire plat en tôle, fixée à des tubes en cuivre pour un échangeur de chaleur et une couleur foncée, ou un ensemble de tubes en métal entourés d’un cylindre en verre évacué (presque sous vide). Dans les cas industriels, un miroir parabolique peut concentrer la lumière du soleil sur un tube. La chaleur est stockée dans un ballon d’eau chaude. Le volume de ce réservoir doit être plus important avec des systèmes de chauffage solaire pour compenser les intempéries[[[[une clarification est nécessaire] et en raison de la température finale optimale pour le capteur solaire[[[[une clarification est nécessaire] il est inférieur à un chauffe-eau à immersion ou à combustion conventionnel. Le fluide de transfert de chaleur (HTF) pour l’absorbeur peut être de l’eau, mais le plus souvent (au moins dans les systèmes actifs), il s’agit d’une boucle séparée de fluide contenant de l’antigel, et l’inhibiteur de corrosion fournit de la chaleur au réservoir via un échangeur de chaleur (généralement une bobine de tube d’échangeur de chaleur en cuivre à l’intérieur du réservoir). ). Le cuivre est un composant important dans les systèmes de chauffage et de refroidissement solaires thermiques en raison de sa conductivité thermique élevée, de sa résistance à la corrosion dans l’atmosphère et à l’eau, de l’étanchéité et du collage par brasage et de sa résistance mécanique. Le cuivre est utilisé à la fois dans les récepteurs et les circuits primaires (tuyaux et échangeurs de chaleur pour les réservoirs d’eau).[15]

Un autre concept de maintenance réduite est le «retour d’entraînement». Aucun givrage requis; Au lieu de cela, tous les pipelines sont inclinés pour attirer l’eau dans le réservoir. Le réservoir n’est pas sous pression et fonctionne sous pression atmosphérique. Dès que la pompe est arrêtée, le débit est inversé et les tuyaux sont vidés avant le gel.

Comment fonctionne un système d’eau chaude solaire

Les installations solaires thermiques résidentielles sont divisées en deux groupes: les systèmes passifs (parfois appelés «compacts») et actifs (parfois appelés «pompés»). Les deux comprennent généralement une source d’énergie auxiliaire (élément de chauffage électrique ou connexion à un système de chauffage central au gaz ou au fioul) qui est activée lorsque l’eau dans le réservoir tombe en dessous de la température minimale définie, garantissant que l’eau chaude est toujours disponible. Combinaison du chauffage solaire de l’eau et de la chaleur de retour des cheminées en bois[16] peut permettre au système d’eau chaude de fonctionner toute l’année dans des climats plus froids sans que le système de chauffage solaire de l’eau supplémentaire soit rempli de combustibles fossiles ou d’électricité.

Lorsque le chauffage solaire de l’eau et un système de chauffage central à eau chaude sont utilisés, la chaleur solaire sera concentrée dans un réservoir de préchauffage alimenté au réservoir chauffé par le chauffage central, ou l’échangeur solaire remplacera l’élément chauffant inférieur et l’élément supérieur restera pour fournir de la chaleur supplémentaire. Cependant, le besoin principal de chauffage central est la nuit et en hiver lorsque le gain solaire est plus faible. Par conséquent, le chauffage solaire de l’eau pour le lavage et la baignade est souvent une meilleure application que le chauffage central car l’offre et la demande correspondent mieux. Dans de nombreux climats, un système d’eau chaude solaire peut fournir jusqu’à 85% de l’énergie d’eau chaude sanitaire. Cela peut inclure des systèmes solaires thermiques domestiques à concentration non électrique. Dans de nombreux pays d’Europe du Nord, les systèmes combinés d’eau chaude et de chauffage des locaux (systèmes solaires combinés) sont utilisés pour fournir 15 à 25% de l’énergie nécessaire au chauffage domestique. Combiné au stockage, le chauffage solaire à grande échelle peut fournir 50 à 97% de la consommation annuelle de chaleur pour le chauffage urbain.[17][18]

Transfert de chaleur[[[[Éditer]

Directement[[[[Éditer]

Systèmes directs: (A) Système CHS passif avec réservoir au-dessus du collecteur. (B) Le système actif avec pompe et régulateur est entraîné par un panneau photovoltaïque.

Directement ou boucle ouverte les systèmes font circuler l’eau potable à travers les collecteurs. Ils sont relativement bon marché. Les inconvénients incluent:

  • Ils offrent peu ou pas de protection contre la surchauffe, sauf s’ils ont une pompe d’exportation de chaleur.
  • Ils offrent peu ou pas de protection contre le gel, sauf si les capteurs sont résistants au gel.
  • Les collecteurs collectent le tartre dans les zones d’eau dure à moins qu’un adoucisseur d’échange d’ions ne soit utilisé.

L’avènement des conceptions résistantes au gel a élargi le marché du SWH aux climats plus froids. Dans des conditions de gel, les modèles antérieurs ont été endommagés lorsque l’eau s’est transformée en glace, cassant un ou plusieurs composants.

Indirectement[[[[Éditer]

Indirectement ou boucle fermée les systèmes utilisent un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur du «fluide caloporteur» (HTF) à l’eau potable. Le HTF le plus courant est un mélange antigel / eau qui utilise généralement du propylène glycol non toxique. Après chauffage dans les panneaux, le HTF se rend à l’échangeur de chaleur, où sa chaleur est transférée à l’eau potable. Les systèmes indirects offrent une protection contre le gel et généralement une protection contre la surchauffe.

Conduire[[[[Éditer]

Passif[[[[Éditer]

Passif les systèmes reposent sur une convection ou un caloduc pour faire circuler le fluide de travail. Les systèmes passifs coûtent moins cher et nécessitent peu ou pas d’entretien, mais sont moins efficaces. La surchauffe et le gel sont les principales préoccupations.

actif[[[[Éditer]

actif les systèmes utilisent une ou plusieurs pompes pour faire circuler l’eau et / ou le chauffage. Cela permet une gamme beaucoup plus large de configurations système.

Les systèmes de pompage sont plus chers à l’achat et à l’exploitation. Cependant, ils fonctionnent avec une plus grande efficacité et peuvent être contrôlés plus facilement.

Les systèmes actifs ont des contrôleurs avec des fonctionnalités telles que l’interaction avec le chauffage d’appoint électrique ou au gaz, le calcul et l’enregistrement des économies d’énergie, les fonctions de sécurité, l’accès à distance et des affichages informatifs.

Systèmes directs passifs[[[[Éditer]

Système de stockage collecteur intégré (ICS)

Une stockage collecteur intégré (ICS ou chauffage en série) un réservoir est utilisé qui agit à la fois comme un entrepôt et comme un collecteur. Les poêles chauffants sont de minces réservoirs rectangulaires avec le côté vitré face au soleil à midi. Ils sont plus simples et moins chers que les collecteurs de plaques et de tuyaux, mais peuvent nécessiter une fixation s’ils sont placés sur le toit (pour supporter 400 à 700 lb d’eau), souffrent de pertes de chaleur importantes la nuit, le côté face au soleil est généralement non isolé et ne convient que dans les climats tempérés.

UNE accumulation de chaleur par convection (CHS) est similaire au système ICS, sauf que le réservoir et le collecteur sont physiquement séparés, et le transfert entre les deux entraînements se fait par convection. Les systèmes CHS utilisent généralement des plaques plates standard ou des collecteurs de tuyaux sous vide. Le réservoir de stockage doit être situé au-dessus du collecteur pour que la convection fonctionne correctement. Le principal avantage des systèmes CHS par rapport aux systèmes ICS est que les pertes de chaleur sont largement évitées, car le réservoir peut être complètement isolé. Parce que les panneaux sont situés sous le réservoir, la perte de chaleur ne provoque pas de convection, car l’eau froide reste à la partie la plus basse du système.

Systèmes indirects actifs[[[[Éditer]

Antigel sous pression les systèmes utilisent un mélange d’antigel (presque toujours du propylène glycol faiblement toxique) et un mélange d’eau pour le HTF pour éviter les dommages dus au gel.

Bien qu’efficaces pour prévenir les dommages causés par le gel, les systèmes antigel présentent des inconvénients:

  • Si le HTF est surchauffé, le glycol se décompose en acide, puis ne protège pas du gel et commence à dissoudre les composants de la boucle solaire.
  • Les systèmes sans réservoirs de vidange doivent circuler avec du HTF – quelle que soit la température du réservoir – pour éviter que le HTF ne se détériore. Des températures excessives dans le réservoir provoquent une accumulation accrue de calcaire et de sédiments, des brûlures graves possibles si le durcissement n’est pas installé et s’il est utilisé pour le stockage, une éventuelle défaillance du thermostat.
  • Le HTG glycol / eau doit être remplacé tous les 3 à 8 ans, en fonction des températures qu’ils ont connues.
  • Certaines juridictions exigent des échangeurs de chaleur à double paroi plus chers, même si le propylène glycol est faiblement toxique.
  • Bien que le HTF contienne du glycol pour empêcher le gel, il fait circuler l’eau chaude du réservoir vers les collecteurs à basse température (par exemple en dessous de 4 ° C), provoquant une perte de chaleur importante.

UNE système de drainage est un système indirect actif, où le HTF (généralement de l’eau pure) circule à travers un collecteur entraîné par une pompe. Les tuyaux collecteurs ne sont pas sous pression et comprennent un réservoir de vidange ouvert, qui est situé dans un espace climatisé ou semi-climatisé. Le HTF reste dans le réservoir de vidange à moins que la pompe ne fonctionne pas et y retourne (collecteur vide) lorsque la pompe est arrêtée. Le système collecteur, y compris la tuyauterie, doit être pompé par gravité dans le réservoir de vidange. Les systèmes de drainage ne sont pas soumis au gel ou à la surchauffe. La pompe ne fonctionne que lorsqu’elle est adaptée à la collecte de chaleur, mais pas pour protéger le HTF, augmentant ainsi l’efficacité et réduisant les coûts de pompage.[19]

Fais le toi-même[[[[Éditer]

Les plans des systèmes de chauffe-eau solaires sont disponibles en ligne.[20] Les systèmes DIY SWH sont généralement moins chers que les systèmes commerciaux et sont utilisés à la fois dans le monde développé et en développement.[21]

Comparaison[[[[Éditer]

Composants[[[[Éditer]

Collectionneur[[[[Éditer]

Les capteurs solaires thermiques introduisent et retiennent la chaleur du soleil et l’utilisent pour chauffer des liquides.[23] Deux principes physiques importants régissent la technologie des capteurs solaires thermiques:

  • Tout objet chaud revient à l’équilibre thermique avec l’environnement, en raison de la perte de chaleur due à la conduction, à la convection et au rayonnement.[24] L’efficacité (la part d’énergie thermique retenue dans une période de temps prédéterminée) est directement liée aux pertes de chaleur de la surface du collecteur. La convection et le rayonnement sont les principales sources de perte de chaleur. L’isolation thermique est utilisée pour ralentir la perte de chaleur d’un objet chaud. Cela suit la deuxième loi de la thermodynamique («effet d’équilibre»).
  • La chaleur est perdue plus rapidement si la différence de température entre l’objet chaud et son environnement est plus grande. La perte de chaleur est principalement régulée par le gradient thermique entre la surface du capteur et la température ambiante. La conduction, la convection et le rayonnement ont lieu plus rapidement lors de grands gradients thermiques[24] (delta-t effet).

Capteur solaire thermique avec tuiles, vu du niveau du toit

Assiette plate[[[[Éditer]

Les collecteurs à plaques plates sont une extension de l’idée de placer le collecteur dans une boîte en forme de four avec le verre directement face au soleil.[1] La plupart des collecteurs à plaques plates ont deux tuyaux horizontaux en haut et en bas, appelés en-têtes, et des tuyaux verticaux beaucoup plus petits les reliant, appelés en-têtes. Les curseurs sont soudés (ou connectés de manière similaire) avec de fines nervures absorbantes. Le fluide caloporteur (eau ou mélange eau / antigel) est pompé du réservoir d’eau chaude ou de l’échangeur de chaleur dans le collecteur inférieur du collecteur et il entraîne les coussinets, collectant la chaleur du stylo absorbeur, puis sortant du collecteur à l’extérieur du collecteur supérieur. Les collecteurs à plaque plate en serpentin sont un peu différents de cette conception en « harpe » et utilisent à la place un seul tube qui monte et descend le collecteur. Cependant, comme ils ne peuvent pas drainer l’eau correctement, les collecteurs à plaques plates en serpentin ne peuvent pas être utilisés dans les systèmes de drainage.

Le type de verre utilisé dans les collecteurs à plaques plates est presque toujours en verre trempé à faible teneur en fer. Un tel verre peut résister à une grêle importante sans se fissurer, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles les plaques rétractables plates sont considérées comme les types de collecteurs les plus durables.

Les collecteurs non émaillés ou moulés sont similaires aux collecteurs à plaques plates, sauf qu’ils ne sont pas isolés thermiquement ou physiquement protégés par une plaque de verre. Par conséquent, ces types de capteurs sont beaucoup moins efficaces lorsque la température de l’eau dépasse la température de l’air ambiant. Pour les applications de chauffage de piscine, l’eau qui est chauffée est souvent plus froide que la température de l’environnement de la toiture, point auquel le manque d’isolation thermique permet d’extraire de la chaleur supplémentaire du milieu environnant.[25]

Tuyau évacué[[[[Éditer]

Chauffe-eau solaire tubulaire évacué sur le toit

Les collecteurs sous vide (ETC) sont un moyen de réduire les pertes de chaleur,[1] inhérent aux assiettes plates. Comme les pertes de chaleur dues à la convection ne peuvent pas dépasser le vide, elles forment un mécanisme d’isolation efficace qui retient la chaleur dans les tuyaux collecteurs.[26] Du fait que deux feuilles de verre plates ne sont généralement pas assez résistantes pour résister à un vide, un vide est créé entre les deux tubes concentriques. Il est courant que les conduites d’eau dans l’ETC soient entourées de deux tubes de verre concentriques séparés par le vide qui transmettent la chaleur du soleil (pour chauffer les tubes), mais cela limite les pertes de chaleur. Le tube intérieur est doublé d’un absorbeur thermique.[27] La durée de vie du vide varie d’un capteur à l’autre, de 5 ans à 15 ans.

Les collecteurs à plaque plate sont généralement plus efficaces que l’ETC par temps ensoleillé. Cependant, la consommation d’énergie des collecteurs à plaques plates est légèrement plus réduite que celle de l’ETC dans des conditions nuageuses ou extrêmement froides.[1] La plupart des ETC sont faits de verre inflammable susceptible de battre et aucune particule de la taille d’une balle de golf n’est obtenue. Les ETC en « verre de coke », qui a une teinte verte, sont plus résistants et moins susceptibles de perdre du vide, mais l’efficacité est légèrement réduite en raison d’une transparence réduite. Les ETC peuvent collecter l’énergie du soleil toute la journée à de petits angles en raison de leur forme tubulaire.[28]

Pompe[[[[Éditer]

Pompe PV[[[[Éditer]

Une façon d’alimenter un système actif consiste à utiliser un panneau photovoltaïque (PV). Pour garantir des performances et une longévité correctes de la pompe, la pompe (CC) et la carte PV doivent être adaptées en conséquence. Bien que la pompe photovoltaïque ne fonctionne pas la nuit, le contrôleur doit s’assurer que la pompe ne fonctionne pas lorsque le soleil se lève, mais l’eau du collecteur n’est pas assez chaude.

Les pompes PV offrent les avantages suivants:

  • Installation et maintenance plus faciles / moins chères
  • Une production PV excessive peut être utilisée pour utiliser l’électricité dans le ménage ou la remettre dans le réseau.
  • Il peut dégeler l’espace de vie.[29]
  • Cela peut fonctionner pendant une panne de courant.
  • Évitez la consommation de carbone en utilisant des pompes fonctionnant sur secteur.

Pompe à bulles[[[[Éditer]

Séparateur de bulles dans un système de pompe à bulles

La pompe à bulles (également connue sous le nom de pompe à geyser) convient aux plaques plates ainsi qu’aux systèmes de tuyaux sous vide. Dans un système de pompe à bulles, un circuit HTF fermé est sous pression réduite, ce qui fait bouillir le liquide à basse température pendant que le soleil le chauffe. Les bulles de vapeur forment un geyser, provoquant un écoulement vers le haut. Les bulles se séparent du liquide chaud et se condensent au point le plus haut du circuit, après quoi le liquide descend vers l’échangeur de chaleur provoqué par la différence de niveau de liquide.[30][31][32] Le HTF atteint généralement l’échangeur de chaleur à 70 ° C et retourne à la pompe de circulation à 50 ° C. Le pompage commence généralement à environ 50 ° C et augmente à mesure que le soleil se lève jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint.

Manette[[[[Éditer]

UNE régulateur différentiel sentir les différences de température entre l’eau sortant du capteur solaire et l’eau dans le réservoir près de l’échangeur de chaleur. Le contrôleur démarre la pompe lorsque l’eau dans le collecteur est environ 8-10 ° C plus chaude que l’eau dans le réservoir, et l’arrête lorsque la différence de température atteint 3 à 5 ° C.Cela garantit que l’eau stockée chauffe toujours lorsque la pompe est en marche et empêche une mise en marche et un arrêt excessifs. arrêt de la pompe. (Dans les systèmes directs, la pompe peut être démarrée avec une différence d’environ 4 ° C car ils n’ont pas d’échangeur de chaleur.)

Réservoir[[[[Éditer]

Le collecteur le plus simple est un réservoir d’eau en métal dans un endroit ensoleillé. Le soleil chauffe le réservoir. C’est ainsi que les premiers systèmes ont fonctionné.[4] Un tel réglage serait inefficace en raison de l’effet d’équilibre: dès que le réservoir et l’eau commencent à chauffer, la chaleur obtenue est perdue dans l’environnement et cela continue jusqu’à ce que l’eau dans le réservoir atteigne la température ambiante. L’enjeu est de limiter les pertes de chaleur.

  • Le réservoir peut être situé plus bas que le collecteur, ce qui permet plus de liberté dans la conception du système et permet l’utilisation des réservoirs existants.
  • Le réservoir peut être masqué.
  • Le réservoir de stockage peut être placé dans un espace climatisé ou semi-climatisé, ce qui réduit les pertes de chaleur.
  • Des réservoirs de drainage peuvent être utilisés.

Réservoir isolé[[[[Éditer]

Les collecteurs ICS ou par lots réduisent les pertes de chaleur en isolant thermiquement le réservoir.[1][33] Ceci est réalisé en plaçant le réservoir dans une boîte avec un couvercle en verre qui permet à la chaleur du soleil d’atteindre le réservoir d’eau.[34] Les autres parois de la boîte sont isolées thermiquement, ce qui réduit la convection et le rayonnement.[35] La boîte peut également avoir une surface réfléchissante à l’intérieur. Cela reflète la chaleur perdue du réservoir vers le réservoir. D’une manière simple, un chauffe-eau solaire ICS pourrait être considéré comme un réservoir d’eau qui est enfermé dans un type de «four» qui retient la chaleur du soleil ainsi que la chaleur de l’eau dans le réservoir. L’utilisation d’une boîte n’élimine pas la perte de chaleur du réservoir vers l’environnement, mais réduit considérablement cette perte.

Les collecteurs ICS standard ont une caractéristique qui limite sévèrement l’efficacité du collecteur: petit rapport surface / volume.[36] Étant donné que la quantité de chaleur qu’un réservoir peut absorber du soleil dépend en grande partie de la surface du réservoir qui est directement exposée au soleil, il s’ensuit que la taille de la surface définit le degré auquel l’eau peut chauffer le soleil. Les objets cylindriques tels qu’un réservoir dans un collecteur ICS ont un rapport surface / volume intrinsèquement faible. Les collecteurs tentent d’augmenter ce ratio pour un chauffage efficace de l’eau. Les variantes de cette conception de base incluent des collecteurs qui combinent des réservoirs d’eau plus petits et la technologie des tubes en verre sous vide, un type de système ICS connu sous le nom de collecteur sous vide (ETB).[1]

Applications[[[[Éditer]

Tuyau évacué[[[[Éditer]

Les ETSC peuvent être plus utiles que d’autres capteurs solaires pendant la saison d’hiver. Les ETC peuvent être utilisés pour les besoins de chauffage et de refroidissement dans des industries telles que les produits pharmaceutiques et les médicaments, le papier, le cuir et les textiles, ainsi que pour les maisons d’habitation, les hôpitaux, les maisons de soins infirmiers, les hôtels, les piscines, etc.

L’ETC peut fonctionner à différentes températures de moyennes à élevées pour l’eau chaude solaire, la piscine, la climatisation et le poêle solaire.

La plage de températures de fonctionnement plus longue d’ETC (jusqu’à 200 ° C) les rend adaptés aux applications industrielles telles que la génération de vapeur, le moteur thermique et le séchage au soleil.

Piscines[[[[Éditer]

Réchauffeur solaire de piscine

Des systèmes de couverture de piscine flottants et des STC séparés sont utilisés pour chauffer la piscine.

Les systèmes de couverture de piscine, qu’ils soient en panneaux durs ou flottants, agissent comme isolants et réduisent les pertes de chaleur. Une grande perte de chaleur se produit par évaporation et l’utilisation d’un couvercle ralentit l’évaporation.

Les STC pour l’utilisation de l’eau dans la piscine qui sont constamment utilisés sont souvent en plastique. L’eau de la piscine est légèrement corrosive à cause du chlore. L’eau circule à travers les plaques à l’aide d’un filtre de piscine existant ou d’une pompe supplémentaire. Dans les environnements doux, les collecteurs en plastique non vitrés sont plus efficaces en tant que système direct. Dans les environnements froids ou venteux, des tuyaux sous vide ou des plaques plates de configuration indirecte sont utilisés avec l’échangeur de chaleur. Cela réduit la corrosion. Un régulateur de température différentielle assez simple est utilisé pour diriger l’eau vers les plaques ou les échangeurs de chaleur en tournant la vanne ou en contrôlant la pompe. Une fois que l’eau de la piscine atteint la température souhaitée, une vanne de dérivation est utilisée pour renvoyer l’eau directement dans la piscine sans chauffage.[37] De nombreux systèmes sont configurés comme des systèmes de drainage où l’eau s’écoule dans la piscine lorsque la pompe à eau est arrêtée.

Les plaques collectrices sont généralement placées sur un toit à proximité ou placées sur un sol avec une poutre incurvée. En raison de la faible différence de température entre l’air et l’eau, les dalles sont souvent formées comme collecteurs ou collecteurs à plaques plates non vitrées. La règle générale simple pour la surface de dalle requise est de 50% de la surface de la piscine.[37] C’est pour les zones où les piscines ne sont utilisées que pendant la saison estivale. L’ajout de capteurs solaires à une piscine extérieure normale, dans les climats froids, peut généralement prolonger l’utilisation confortable de la piscine pendant des mois ou plus si une couverture de piscine isolante est utilisée.[25] Lorsqu’ils ont une couverture de 100%, la plupart des systèmes d’eau chaude solaire sont capables de chauffer une piscine à partir de seulement 4 ° C pour une piscine exposée au vent, jusqu’à 10 ° C pour une piscine protégée contre le vent, qui est couverte en permanence par une couverture de piscine solaire.[38]

Un programme d’analyse actif de l’énergie solaire peut être utilisé pour optimiser un système de chauffage solaire de piscine avant sa construction.

Production d’énergie[[[[Éditer]

Blanchisserie en Californie avec des tuiles avec de l’eau chaude pour se laver

La quantité de chaleur fournie par un système de chauffe-eau solaire dépend principalement de la quantité de chaleur que le soleil fournit à un endroit particulier (insolation). Sous les tropiques, l’insolation est relativement élevée, par ex. 7 kWh / m² par jour par rapport à par ex. 3,2 kWh / m² par jour dans les zones tempérées. Même à la même latitude, l’insolation moyenne peut varier considérablement d’un endroit à l’autre en raison des différences dans les conditions météorologiques locales et la quantité de nuages. Des calculatrices sont disponibles pour estimer l’insolation quelque part.[39][40][41]

Voici un tableau qui donne des indications approximatives des spécifications et de l’énergie que l’on peut attendre d’un système de chauffe-eau solaire qui comprend environ 2 m2 surfaces d’absorption du collecteur, démontrant deux tuyaux évacués et trois plaques plates du système de chauffe-eau solaire. Des données de certification ou des chiffres calculés à partir de ces données sont utilisés. Les deux dernières rangées fournissent des estimations de la production d’énergie quotidienne (kWh / jour) pour les scénarios tropicaux et tempérés. Ces estimations concernent le chauffage de l’eau à 50 ° C au-dessus de la température ambiante.

Dans la plupart des systèmes de chauffe-eau solaires, l’énergie de sortie augmente linéairement avec la surface du capteur.[42]

Production d’énergie quotidienne (kW)e.h) cinq systèmes solaires thermiques. Les systèmes de tuyaux d’évacuation utilisés sous les deux ont 20 tuyaux.
La technologie Assiette plate Assiette plate Assiette plate ETC ETC
Configuration Directement actif Thermosiphon Indirectement actif Indirectement actif Directement actif
Taille totale (m2) 2,49 1,98 1,87 2,85 2,97
Taille de l’absorbeur (m2) 2.21 1,98 1,72 2,85 2,96
Efficacité maximale 0,68 0,74 0,61 0,57 0,46
Production d’énergie (kWh / jour):
– Isolation 3,2 kWh / m2/ jour (modéré)
par exemple. Zurich, Suisse
5.3 3.9 3.3 4.8 4,0
– Isolation 6,5 kWh / m2/ jour (tropical)
par exemple. Phoenix, États-Unis
11,2 8.8 7.1 9,9 8.4

Les données sont assez similaires entre les capteurs ci-dessus, ce qui donne environ 4 kWh / jour dans les climats tempérés et environ 8 kWh / jour dans les climats tropicaux lors de l’utilisation d’un capteur de 2 m2 absorbeur. Dans le scénario modéré, cela suffit pour chauffer 200 litres d’eau d’environ 17 ° C. Dans le scénario tropical, un chauffage équivalent serait d’environ 33 ° C. De nombreux systèmes à thermosiphon ont une production d’énergie comparable à des systèmes actifs équivalents. L’efficacité des collecteurs de tuyaux sous vide est légèrement inférieure à celle des plaques collectrices plates car les absorbeurs sont plus étroits que les tuyaux et les tuyaux ont un espace entre eux, ce qui se traduit par un pourcentage significativement plus élevé de la surface totale du collecteur inactif. Quelques méthodes de comparaison[43] calculer l’efficacité des collecteurs de tuyaux évacués en fonction de la surface réelle de l’absorbeur plutôt que de l’espace occupé, comme indiqué dans le tableau ci-dessus. L’efficacité diminue à des températures plus élevées.

Dans les endroits ensoleillés et chauds, où la protection contre le gel n’est pas requise, un chauffe-eau solaire ICS (de type discontinu) peut être rentable.[35]

Aux latitudes plus élevées, les exigences de conception par temps froid contribuent à la complexité et au coût du système.
Ça augmente initiale mais pas les coûts du cycle de vie. Par conséquent, le plus gros problème est la grande consommation financière initiale des systèmes de chauffe-eau solaires.[44] Le remboursement de ce coût peut prendre des années.[45]

La période de récupération est plus longue dans les environnements tempérés.[46]

Budući da je solarna energija besplatna, operativni troškovi su mali.
Na većim širinama, solarni grijači mogu biti manje učinkoviti zbog niže insolacije, što može zahtijevati veće i / ili sustave sa dvostrukim grijanjem.[46] U nekim zemljama podsticaji vlade mogu biti značajni.

Cost factors (positive and negative) include:

  • Price of solar water heater (more complex systems are more expensive)
  • Efficacité
  • Installation cost
  • Electricity used for pumping
  • Price of water heating fuel (e.g. gas or electricity) saved per kWh
  • Amount of water heating fuel used
  • Initial and/or recurring government subsidy
  • Maintenance cost (e.g. antifreeze or pump replacements)
  • Savings in maintenance of conventional (electric/gas/oil) water heating system

Payback times can vary greatly due to regional sun, extra cost due to frost protection needs of collectors, household hot water use etc.
For instance in central and southern Florida the payback period could easily be 7 years or less rather than the 12.6 years indicated on the chart for the U.S.[47]

The payback period is shorter given greater insolation. However, even in temperate areas, solar water heating is cost effective. The payback period for photovoltaic systems has historically been much longer.[46] Costs and payback period are shorter if no complementary/backup system is required.[45] thus extending the payback period of such a system.

Subsidies[[[[edit]

Australia operates a system of Renewable Energy Credits, based on national renewable energy targets.[51]

The Toronto Solar Neighbourhoods Initiative offers subsidies for the purchase of solar water heating units.[61]

Energy footprint and life cycle assessment[[[[edit]

[[[[edit]

The source of electricity in an active SWH system determines the extent to which a system contributes to atmospheric carbon during operation. Active solar thermal systems that use mains electricity to pump the fluid through the panels are called ‘low carbon solar’. In most systems the pumping reduces the energy savings by about 8% and the carbon savings of the solar by about 20%.[62] However, low power pumps operate with 1-20W.[63][64] Assuming a solar collector panel delivering 4 kWh/day and a pump running intermittently from mains electricity for a total of 6 hours during a 12-hour sunny day, the potentially negative effect of such a pump can be reduced to about 3% of the heat produced.

However, PV-powered active solar thermal systems typically use a 5–30 W PV panel and a small, low power diaphragm pump or centrifugal pump to circulate the water. This reduces the operational carbon and energy footprint.

Alternative non-electrical pumping systems may employ thermal expansion and phase changes of liquids and gases.

Life cycle energy assessment[[[[edit]

Recognised standards can be used to deliver robust and quantitative life cycle assessments (LCA). LCA considers the financial and environmental costs of acquisition of raw materials, manufacturing, transport, using, servicing and disposal of the equipment. Elements include:

  • Financial costs and gains
  • Energy consumption
  • CO2 and other emissions

In terms of energy consumption, some 60% goes into the tank, with 30% towards the collector[65] (thermosiphon flat plate in this case). In Italy,[66] some 11 giga-joules of electricity are used in producing SWH equipment, with about 35% goes toward the tank, with another 35% towards the collector. The main energy-related impact is emissions. The energy used in manufacturing is recovered within the first 2–3 years of use (in southern Europe).

By contrast the energy payback time in the UK is reported as only 2 years. This figure was for a direct system, retrofitted to an existing water store, PV pumped, freeze tolerant and of 2.8 sqm aperture. For comparison, a PV installation took around 5 years to reach energy payback, according to the same comparative study.[67]

In terms of CO2 emissions, a large fraction of the emissions saved is dependent on the degree to which gas or electricity is used to supplement the sun. Using the Eco-indicator 99 points system as a yardstick (i.e. the yearly environmental load of an average European inhabitant) in Greece,[65] a purely gas-driven system may have fewer emissions than a solar system. This calculation assumes that the solar system produces about half of the hot water requirements of a household. But because methane (CH4) emissions from the natural gas fuel cycle[68] dwarf the greenhouse impact of CO2, the net greenhouse emissions (CO2e) from gas-driven systems are vastly greater than for solar heaters, especially if supplemental electricity is also from carbon-free generation.[[[[citation needed]

A test system in Italy produced about 700 kg of CO2, considering all the components of manufacture, use and disposal. Maintenance was identified as an emissions-costly activity when the heat transfer fluid (glycol-based) was replaced. However, the emissions cost was recovered within about two years of use of the equipment.[66]

In Australia, life cycle emissions were also recovered. The tested SWH system had about 20% of the impact of an electrical water heater and half that of a gas water heater.[45]

Analysing their lower impact retrofit freeze-tolerant solar water heating system, Allen et al. (qv) reported a production CO2 impact of 337 kg, which is around half the environmental impact reported in the Ardente et al. (qv) study.

System specification and installation[[[[edit]

  • Most SWH installations require backup heating.
  • The amount of hot water consumed each day must be replaced and heated. In a solar-only system, consuming a high fraction of the water in the reservoir implies significant reservoir temperature variations. The larger the reservoir the smaller the daily temperature variation.
  • SWH systems offer significant scale economies in collector and tank costs.[65] Thus the most economically efficient scale meets 100% of the heating needs of the application.
  • Direct systems (and some indirect systems using heat exchangers) can be retrofitted to existing stores.
  • Equipment components must be insulated to achieve full system benefits. The installation of efficient insulation significantly reduces heat loss.
  • The most efficient PV pumps start slowly in low light levels, so they may cause a small amount of unwanted circulation while the collector is cold. The controller must prevent stored hot water from this cooling effect.
  • Evacuated tube collector arrays can be adjusted by removing/adding tubes or their heat pipes, allowing customization during/after installation.
  • Above 45 degrees latitude, roof mounted sun-facing collectors tend to outproduce wall-mounted collectors. However, arrays of wall-mounted steep collectors can sometimes produce more useful energy because gains in used energy in winter can offset the loss of unused (excess) energy in summer.

Standards[[[[edit]

L’Europe [[[[edit]

  • EN 806: Specifications for installations inside buildings conveying water for human consumption. General.
  • EN 1717: Protection against pollution of potable water in water installations and general requerements of devices to prevent pollution by backflow.
  • EN 60335: Specification for safety of household and similar electrical appliances. (2–21)
  • UNE 94002:2005 Thermal solar systems for domestic hot water production. Calculation method for heat demand.

United States[[[[edit]

  • OG-300: OG-300 Certification of Solar Water Heating Systems.[69]

Canada[[[[edit]

Australie[[[[edit]

  • Renewable Energy (Electricity) Act 2000
  • Renewable Energy (Electricity) (Large-scale Generation Shortfall Charge) Act 2000
  • Renewable Energy (Electricity) (Small-scale Technology Shortfall Charge) Act 2010
  • Renewable Energy (Electricity) Regulations 2001
  • Renewable Energy (Electricity) Regulations 2001 – STC Calculation Methodology for Solar Water Heaters and Air Source Heat Pump Water Heaters
  • Renewable Energy (Electricity) Amendment (Transitional Provision) Regulations 2010
  • Renewable Energy (Electricity) Amendment (Transitional Provisions) Regulations 2009

All relevant participants of the Large-scale Renewable Energy Target and Small-scale Renewable Energy Scheme must comply with the above Acts.[70]

Worldwide use[[[[edit]

L’Europe [[[[edit]

Solar thermal heating in European Union (MWth)[78][79][80]
# Country 2008 2009 2010[73] 2011 2012 2013
1 Allemagne 7,766 9,036 9,831 10,496 11,416 12,055
2 L’Autriche 2,268 3,031 3,227 2,792 3,448 3,538
3 Grèce 2,708 2,853 2,855 2,861 2,885 2,915
4 Italie 1,124 1,410 1,753 2,152 2,380 2,590
5 Espagne 988 1,306 1,543 1,659 2,075 2,238
6 France 1,137 1,287 1,470 1,277 1,691 1,802
7 Pologne 254 357 459 637 848 1,040
8 le Portugal 223 395 526 547 677 717
9 République Tchèque 116 148 216 265 625 681
10 Suisse 416 538 627
11 Les Pays-Bas 254 285 313 332 605 616
12 Danemark 293 339 379 409 499 550
13 Chypre 485 490 491 499 486 476
14 Royaume-Uni 270 333 374 460 455 475
15 Belgique 188 204 230 226 334 374
16 Suède 202 217 227 236 337 342
17 Irlande 52 85 106 111 177 196
18 Slovénie 96 111 116 123 142 148
19 Hongrie 18 59 105 120 125 137
20 Slovaquie 67 73 84 100 108 113
21 Romania * 66 80 73 74 93 110
22 Bulgaria * 22 56 74 81 58 59
23 Malta* 25 29 32 36 34 35
24 Finland * 18 20 23 23 30 33
25 Luxembourg * 16 19 22 25 23 27
26 Estonia* 1 1 1 3 10 12
27 Latvia * 1 1 1 3 10 12
28 Lithuania * 1 2 2 3 6 8
Total EU27+Sw (GWth) 19,08 21,60 23.49 25.55 29.66 31.39
* = estimation, F = France as a whole

See also[[[[edit]

References[[[[edit]

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External links[[[[edit]


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