Chauffe-eau solaire en thermosiphon

Sommaire

Qu’est qu’un chauffe-eau solaire thermosiphon ?

C’est un chauffe-eau solaire dans lequel la circulation du fluide caloporteur est assurée par la différence de densité entre le fluide froid et le fluide chaud.
Le fluide qui se réchauffe dans le panneau tend à monter car il est plus léger que le reste du fluide. Il essaie donc de sortir du panneau pas sa sortie haute. On relie cette sortie haute à l’entrée haute de l’échangeur du ballon. Lorsqu’il y pénètre, le fluide se refroidit au contact de l’eau du ballon qu’il réchauffe et redescend vers le bas du ballon (où arrive l’eau froide) en se refroidissant de plus en plus. Il sort par le bas de l’échangeur du ballon et rejoint le bas du panneau.

Pour fonctionner, les installations de chauffe-eau solaire thermosiphon, dépourvues de pompe, doivent être relativement compactes. La liaison solaire (le tuyau d’antigel et la manière dont il est installé) doit favoriser le phénomène de thermosiphon : plus on crée rapidement une colonne chaude (hauteur du panneau plus du tuyau chaud sortant du haut du panneau) importante, plus le thermosiphon démarrera vite et fonctionnera bien. De même, le retour froid au panneau doit descendre continûment jusqu’à l’entrée basse du panneau solaire. Et le diamètre de la liaison doit être ‘confortable’ pour limiter le frottement du fluide caloporteur avec les parois.

Le chauffe-eau solaire thermosiphon monobloc

Ces installations,économiques, sont très répandus dans les pays chauds, comme les Départements et Régions d’Outre-Mer

C’est un système très compact et très efficace. Il peut être installé au sol ou sur toit terrasse, mais aussi sur une toiture en tuile ou en ardoise.

Dans tous les cas d’installation en toiture, il faudra s’assurer que la charpente est correctement dimensionnée pour supporter le poids du système.

D’un point de vue esthétique, on tentera de le positionner en limitant l’impact visuel, mais on est contraint par la distance : un réseau d’eau sanitaire trop long engendre du gaspillage d’eau et des pertes d’énergie.

Ces solutions sont généralement fournies avec des ballons horizontaux, dont la stratification est moins bonne que dans les ballons verticaux. Utilisés principalement dans des régions chaudes, ils sont aussi moins bien isolés.
Les ballons horizontaux sont généralement des ballons à double enveloppe, c’est à dire que le fluide caloporteur passe entre le ballon d’eau sanitaire et une deuxième ‘enveloppe métallique’, ce qui procure une bonne surface d’échange.
Du fait de leur conception , il sont aussi plus fragiles et on doit faire attention à ne jamais avoir de circuit de caloporteur sous pression lorsqu’on coupe l’arrivée d’eau sanitaire.
Il convient par exemple dans des cabanons, des résidences de loisir.

Points de conception

Un tel chauffe-eau doit être installé à proximité de l’habitation :

d’une part pour disposer d’eau chaude rapidement à l’utilisation,
d’autre part pour éviter d’avoir à isoler un réseau d’eau chaude et un réseau d’eau froide (contre le gel) trop longs.
L’ensemble des éléments d’un chauffe-eau thermosiphon monobloc est à l’extérieur.
Le ballon horizontal conçu à cet effet est équipé d’une jaquette en acier laqué ou en aluminium. Cependant, le ballon horizontal fourni ne dispose pas d’une isolation excellente. Il faut donc éviter d’y faire l’appoint de température . On pourra par exemple l’utiliser en préchauffage d’un ballon existant.
La liaison panneau/ballon fournie est elle aussi conçue pour résister à ces conditions.
Outre les précautions annoncées précédemment, il faudra se prémunir contre :
- l’action des UV : les connexions fournies sont prévues pour cela, lors de l’installation, il faut prendre des précautions pour le réseau d’amenée et de retour d’eau sanitaire.
- Les possibilités de gel : normalement, un chauffe-eau thermosiphon monobloc ne devrait pas être installé dans une zone soumise au gel. Si c’était le cas, il faudrait être extrêmement prudent au niveau de l’isolation des réseaux d’eau sanitaire en extérieur. En particulier, les pièces telles que soupapes et clapets seront particulièrement vulnérables au gel, ainsi que les tuyaux métalliques.

Ce sont néanmoins des produits très bon marché et rapides à installer (à deux personnes généralement pour positionner le ballon sur son support).

Voici un exemple de kit chauffe-au solaire thermosiphon monobloc

Dans les régions soumises au gel, on lui préférera la variante à éléments séparés.

Le chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés

Les chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés peuvent être équipés de ballon d’eau chaude horizontaux ou verticaux.

Système à ballon horizontal

On retiendra les ballons horizontaux dans les cas où l’on est très contraint par la place.
En effet, un ballon horizontal procure une moins bonne stratification de l’eau chaude, c’est à dire que l’on a plus rapidement de l’eau moins chaude au robinet car l’arrivée d’eau froide n’est pas très loin des points de puisage.
D’autre part, la mise en route de l’appoint contrarie le fonctionnement du circuit solaire, il y a donc lieu de faire fonctionner l’appoint hors des heures ensoleillées.

Chauffe eau thermosiphon à ballon vertical

Les ballons procurent le même confort que dans une installation classique à circulation forcée.
Le principe de fonctionnement est le même que pour les chauffe-eau monobloc. Dans cette version, on place le ballon à l’intérieur de la maison. Il est donc protégé des températures extérieures : l’eau sanitaire ne sort pas de l’habitation (pas de risque de gel particulier), et on limite énormément les pertes d’énergie en hiver.

Ce genre d’installation impose que le panneau soit adossé à la maison, pour que la liaison puisse se faire avec une pente continue.

Par rapport à une installation à un ballon horizontal, on bénéficie de la meilleure stratification du ballon vertical. On peut aussi bénéficier d’un échangeur séparé pour faire un appoint hydraulique par poêle bouilleur, chaudière bois ou autre, voire même PAC.

C’est la version de chauffe-eau thermosiphon la plus utilisée en métropole, du moins chez nos clients. Elle est très adaptées aux habitations de petite taille en raison de la facilité à placer le ballon à la fois à proximité des panneaux et à proximité des points d’utilisation.

Voici un exemple de kit chauffe-eau thermosiphon à élément séparés et à ballon vertical.

Points de conception :

Pour les chauffe-eau à éléments séparés, les précautions à prendre sont classiques et communes aux chauffe-eau à circulation forcée.

Les éléments doivent résister à :

une fluide caloporteur présentant généralement une concentration importante de glycol MPG antigel,
des températures qui peuvent être élevées en été : plus de 95°. En particulier les isolants ou les liaisons isolées et les joints doivent être compatibles à ces conditions.
Des agressions diverses pour les éléments situés en extérieur ;
- les rayonnements UV : les isolants au moins doivent être protégés par une gaine anti-UV
- Le chapardage de mousse par les animaux : les gaines des isolants doivent résister aux becs des oiseaux
- les fils de sondes doivent être bien fixées

Variante

Les systèmes présentés ici sont adaptés aux climats tempérés et peuvent résister à des périodes de gel léger : c’est un fluide antigel qui circule entre les panneaux et le ballon. Ils sont bien sûr à proscrire en montagne.

Dans les régions non soumises au gel, ou peut procéder de manière plus simple en faisant circuler directement l’eau sanitaire du ballon au panneau, sans l’intermédiaire d’un échangeur. Cette solution présente l’avantage d’être moins onéreuse : on peut utiliser n’importe quel ballon sans échangeur du commerce. Elle est aussi plus efficace puisque qu’on ne passe pas par un échangeur (qui ne transfère jamais la totalité de l’énergie qu’il collecte dans le panneau) mais on transfère directement l’eau chaude.

Son principal inconvénient : en se réchauffant dans le panneau, l’eau relargue son calcaire dans les drains et les bouche progressivement. Des produits, onéreux, existent pour déboucher les panneaux.

Pratiquement, on constate pour cette raison un abandon progressif de cette solution.

Un peu d'histoire

Les systèmes de chauffage d’eau solaire existent depuis longtemps et sous des formes très simples : on voyait encore dans les années 1950 des bidons peints en noir, sur les toits de cabanons en Corse, qui fournissaient de l’eau chaude.

Dans les années 80, le camping de Tarifa dans le Sud de l’Espagne faisait circuler l’eau des douche dans un tuyau Plymouth qui circulait dans une vingtaine de mètres carrés de caissons vitrés. Les premiers à prendre une douche en rentrant de la plage avaient une eau brûlante !

Un de mes voisins a déroulé un tuyau de Plymouth dans son champ et réchauffe sa piscine en y faisant circuler l’eau. Cela fonctionne bien !

Ces solutions rudimentaires ont été depuis largement améliorées.