LA TECHNOLOGIE DES CESI Chauffe-eau solaire individuel (CESI) Version 01 janvier 2011 3

LA TECHNOLOGIE DES CESI

Chauffe-eau solaire individuel (CESI)Version 01 janvier 2011

3

2CESI – Chap.3 – La technologie des CESI

LES DIFFERENTS TYPES DE CHAUFFE- EAU SOLAIRE INDIVIDUEL

3.1

Point N°2 de la CHARTRE QUALISOL - Préconiser des matériels solaires bénéficiant de mécanismes de Certification reconnus à l'échelle européenne (CSTBat, Solar Keymark, …), et être le relais des informations de l'Association Qualit’EnR et des organismes publics,


Tous ces différents systèmes sont actuellement éligibles aux primes publiques “Chauffe-Eau Solaire Individuel” ainsi qu’au crédit d’impôt.

R

Il existe deux familles de systèmes CESI

Monobloc Éléments séparésauto vidangeable Sous pression

Circulation forcée circulation naturelle(Thermosiphon)

nota: l’appoint peut-être INTERNE ou EXERNE au ballon de stockage du CESI.

Les différents types de CESI

R


Vue en coupe

Chauffe-eau thermosiphon monobloc



GIO

RDAN

O

CALP

AK

CALP

AK

SUN

MAS

TER



EFS

ECSChauffe-eau thermosiphon à éléments séparés



Chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés

E.ZI

NC



Chauffe-eau solaire constitué d’éléments séparés, dit à circulation forcée

EFS

ECS

R



Chauffe-eau auto-vidangeable, à circulation forcée

R

Il existe plusieurs techniques d’auto-vidangeable

La réserve est située dans l’échangeur de gros diamètre.

La réserve est séparée et située au dessus de l’échangeur.

Nota : il existe des systèmes avec circulateur toujours immergé et des systèmes avec pompe volumétrique hors du fluide avec une hauteur d’aspiration.

Bouteille derécupérationNiveau d’eau

à l’arrêt

R

ZONE HORS GELZONE HORS GEL



Chauffe-eau solaire auto vidangeable constitué d’éléments séparés, dit à circulation forcée

ROTE

X


Echangeur sanitaire

R

ZONE HORS GEL

La réserve est constituée par le volume total du ballon. La

production d’eau chaude étant assurée par un serpentin noyé.


Un système solaire thermique est constitué de trois partiesSystème compact intégré

Schéma : les principaux composants

Capteurs solaires

Pompe decirculation

Zone de captage Zone de transfert Zone de stockage

Régulation

EFS

ECSVers appoint

Échangeur

Ballon de

stockageR

Vase d’expansion

Bidon de récupération

Clapet anti retour

Soupape de sécurité


LES CAPTEURS SOLAIRES THERMIQUES3.2

Captage Transfert Stockage Appoint Distribution


• Simples et économiques

• Métalliques ou en matériau de synthèse

• Destinés au chauffage des piscines

• Peuvent produite l’ECS dans les pays chauds

Technologie : Capteur non vitré


Réduire les pertes Augmenter les gains solaires Réduire les échanges par

convection avec l’extérieur Créer un effet de serre

Technologie : Capteur plan vitré

1. Le coffre 2. Joint d’étanchéité3. Couvercle transparent4. Isolant thermique5. Plaque absorbante6. Tubes


Technologie : Capteur sous vide

Composition :une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de Ødans chaque tube: absorbeurvide (<10-3 Pa) pour éviter les pertes de l’absorbeurtraitement sélectif de l’absorbeur pas d’isolation thermique ou de coffre de protection


Les tubes doivent être totalement hermétiques(Tout tube non hermétique doit être changé pour préserver la

performance de l’ensemble du capteur)

Couche argentée de baryum (blanc au contact de l’air)



Une diversité de techniquesPrincipes de conception pour le vide :

Le tube sous vide complet

Le tube sous vide à effet “Thermos”

Principes d’échange de chaleur :Circulation directe du liquide caloporteur

Effet « Caloduc »



Absorbeurs plats pouvant être orientés permettant ainsi de compléter l’inclinaison du toit.

Ces tubes peuvent être placés verticalement ou horizontalement

Capteurs sous vide avec absorbeur à ailette et tubes cuivre concentriques pour la circulation du caloporteur.

Modèle : - Tube sous vide complet

- Circulation directe du liquide caloporteur


VIES

SMAN

N

VIESSMANN


Collecteur isolé

Condenseur du caloduc

Circulation du caloporteur

Tube acier étanche

Absorbeur

Liquide descendant

Tube sous vide

Les tubes sont obligatoirement inclinés pour le fonctionnement du principe « caloduc »

(Évaporation – Condensation)


Modèle : - Tube sous vide complet

- Echange de chaleur à effet « Caloduc »

THERMOMAX


VAILLANT

WAGNER & Co

Modèle : - Tube sous vide à effet thermos

- Circulation directe du liquide caloporteur



Miroir en inox placé derrière les tubes afin d’améliorer l’efficacité.

Rayonnement direct

Rayonnement direct en oblique

Rayonnement diffus


Modèle : - Tube sous vide à effet thermos

- Echange de chaleur à effet « Caloduc »

SUNGEOGET


Bilan thermique simplifié

Bilan thermique des capteurs

Rendement

Déperditions

Comparaison



Irradiance

Réflexion du vitrage

Puissance utilePertes thermiques

Pertes thermiques

Irradiance en WattRéflexion du vitrage en %Pertes thermiques par convection

et conduction en Watt

Puissance utile en Watt

Le capteur plan


E [W/m2]

T1

T2

Les anciens Avis Techniques donnent : a2 = 0

η0 : facteur optique, donnés par les avis techniques

H : irradiance solaire en W/m²

S : surface des absorbeurs en m²

a1 et a2 : déperditions du capteur, donnés par les avis techniques

ΔT : Tm – Text

Tm : température moyenne du capteur = (T1 + T2 ) / 2

Text : température extérieure

Rendement du capteur :

H

T a2

H

T a1 2

0




700 W

413 W

59.0700

3004.0

700

3018.378.0

2

η0 : 0.78

H : 700 W/m²

a1 : 3.18

a2 : 0.04

Tm : (T1 + T2 ) / 2 soit (40+50) / 2 = 45 °C

Text : 15 °C

ΔT : Tm – Text : 45 – 15 = 30 °C



700 W

322 W

63.0700

2504.0

700

2518.378.0

2

Tm : (T1 + T2 ) / 2 soit (40+50) / 2 = 45 °C

ΔT : Tm – Text : 45 – 20 = 25 °C

Influence de la température extérieure :

700 W

441 W

Température extérieure : 0°CTempérature extérieure : 20°C

46.0700

4504.0

700

4518.378.0

2

Tm : (T1 + T2 ) / 2 soit (40+50) / 2 = 45 °C

ΔT : Tm – Text : 45 – 0 = 45 °C


Courbes de rendement, ramené à la surface d’entrée, de capteurs solaires thermiques pour un ensoleillement de 1000 W/m².

Utilisation piscine Utilisation CESI & SSC Utilisation climatisation

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Tm - Tex en °C

Ren

dem

ent

Capteur moquette Capteur plan peu performantCapteur plan moyennement performant

Capteur plan très performant.Capteur sous vide

Choix de la technologie des capteurs


Températures de stagnation dans les différents capteursCapteur souple, genre moquette 60°Capteur plan vitré caisson ventilé 170/180°CCapteur plan vitré caisson hermétique 200/230°CCapteur sous vide 250/300°C

Ces températures très élevées sont dangereuses : Lors du montage et au remplissage de l’installation, couvrir les capteurs en cas

d’ensoleillementEn fonctionnement, utiliser les protections contre les surchauffes proposées

par les constructeurs

Performances des capteurs


LA BOUCLE DE TRANSFERT3.3


R


La soupape de sécurité : son fonctionnement

Soupape/Mano : Elle est placée sur le circuit primaire

(capteurs/échangeur ballon) La soupape est chargée d’évacuer d’éventuelles

surpressions Se référer aux notices techniques proposées par

les fabricants pour le tarage. Elle est toujours raccordée à un bac de récupération de fluide

Le manomètre : Il indique, en bar, la pression dans le circuit

primaire. Elle nécessite de se référer aux notices techniques proposées par les fabricants. Il est normal de constater une élévation de pression lorsque le circuit primaire est chaud


Le circulateur permet la circulation du liquide caloporteur entre les capteurs et l’échangeur du ballon Il est commandé par la régulation solaire

Le circulateur fait partie du kit fourni par le fabricant. La majorité des fabricants fournissent des circulateurs à puissance variable 3 positions avec un tableau de choix sur la position à adopter lors de la mise en route du CESI. Cette position est définie en fonction des longueurs aller retour de raccordement des capteurs au ballon, du diamètre du tube utilisé et de la surface de capteurs installés

Par prudence, pour éviter toute détérioration due à la chaleur, on placera le circulateur en amont des capteurs : l’eau y sera moins chaude

Éviter de disposer le circulateur au point bas de l’installation afin que les saletés s’y accumulant ne le détériorent pas

Le circulateur : son fonctionnement


Le circulateurLes circulateurs sont dimensionnées pour vaincre les pertes de charge

du circuit sous la vitesse de circulation maximale autorisée par l’implantation du circuit hydraulique.

Les débits de fluide couramment utilisés varient de 40 à 70 l/h par m² de capteur solaire.

De nombreux fabricants proposent des débits variables gérés par la régulation solaire, raccordée sur un circulateur standard acceptant un fonctionnement par alimentation séquentielle.– Fonctionnement en « matched flow » (débit variable)

Le circulateur : son fonctionnement


Dans le cas d’un CESI à circulation forcée, le clapet anti retour est indispensable

lorsque le ballon de stockage est disposé au même niveau ou en dessous des capteurs car bien que les tuyaux soient de petits diamètres, en l’absence d’un clapet anti-retour, un thermosiphon pourra se déclencher la nuit en sens inverse et provoquer un refroidissement intempestif du ballon de stockage.

Son rôle: créer une résistance suffisante pour empêcher le thermosiphon de s’amorcer

Le clapet anti-retour : son fonctionnement

un défaut du clapet entraîne une circulation par thermosiphon qui est la cause de pertes thermiques


Le groupe hydraulique est équipé d’un clapet anti-thermosiphon

Vanne ouverteClapet opérationnel

Vanne mi-ouverteClapet désactivé

Vanne ferméeClapet désactivé

Le clapet anti-retour : son fonctionnement

Un clapet anti-thermosiphon ne doit pas faire oublier la bonne pratique des lyres


LE VASE D’EXPANSIONElément de sécurité indispensable dans une installation de capteurs

solaires dont les rôles sont :– Maintenir la pression dans le circuit,– Compenser la rétractation,– Absorber la dilatation,– Absorber l’évaporation.

Le tube d’expansion doit être raccordé directement au circuit hydraulique primaire sans organes de coupure totale ou partiel

Doit absorber la dilatation du liquide dans le réseau lors de la montée en température de l’installation solaire.

Le vase d’expansion : son fonctionnement


Fonctionnement du vase d’expansion fermé :

PgPg

PrPr

PfPfPf

• Etat du vase à la livraison :

• Etat du vase au remplissage :

• Etat du vase en condition de dilatation maximale :


Volume de dilatation (fluide de l’installation)

Volume de gonflage (azote)

Valve de pré gonflage

récipient

membrane

Orifice de raccordement

Vase à membrane


Vase à vessie

Eau

Azote

VessiePf

Vase à membrane

Eau en contact avec la paroi

Azote

La plus part des vases sont constitués d’une membrane élastique séparant les phases gazeuse (azote) et liquide (eau). On en distingue deux grands types du point de vue de leur construction :

On rencontre de plus en plus de vases à vessie car leur conception limite les risquesde fuite d’azote et la corrosion (pas de contact direct avec la paroi)



Vase sur socle de 80 à 1 000 litres

CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLESPression de service 4 bar Pression d'épreuve 10 barTempérature d'utilisation -20°C / +140°CRésiste aux additifs antigel jusqu’à 50 %

Vase chauffageVase solaire

CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLESPression de service 4 bar Pression d'épreuve 6 barTempérature d'utilisation -10°C / +95°C

Vase sanitaire


CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLESPression de service 3/4 bar Pression d'épreuve 10 barTempérature d'utilisation 10°C/+65°C


Aux points hauts de l’installation, l’air risque de s’accumuler, gênant ainsi la circulation de l’eau. On voit dans la figure suivante que l’air fait coupure dans le circuit :

Il faut prévoir une évacuation de l’air à chaque point haut On préfère l’utilisation de purgeur manuel en sortie de capteurs (risque de

vapeur). Si l’on utilise un purgeur automatique à la sortie des capteurs, alors il devra être de qualité tel qu’il supporte les hautes températures

Air

Eau

Privilégier les purgeurs manuels en point haut des capteurs

Purgeur et dégazeur : rôle et fonctionnement



Purgeur manuel avec report en local technique.Il peut être confectionné une

bouteille de purge (Tuyau en cuivre diamètre 50 mm par exemple) au point haut de l’installation avec un report capillaire en cuivre diamètre 4 mm muni d’une vanne dans le local technique

Capteur

Vanne en local

technique

Tube cuivre de 4x6

Bouteille de purge


Purgeur automatique et bouteille de purge.

3-39Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques


Montage sur le départ (chaud) Actif uniquement lors de la mise en service et de la maintenance Protection parfaite contre les intempéries Recommandée dans le cas de plusieurs champs de capteurs Pas indispensable si le remplissage du circuit solaire est réalisé à

l’aide d’une station de remplissage

vis de purge

séparateur d'air

coquille de protection

Isolant



Dégazeur sur la conduite




Canalisations en cuivre ou en inox Ne jamais utiliser du tube PER ou multicouche.

Risque de dégradation rapide avec les températures !

Flexibles inox, doubles, isolés, avec câble pour la sonde capteurs. DN 12, 16, 20, 25,

32, 40. Au détail ou en couronne de 15, 20, 25 ou 30 mètres …

Ne pas utiliser à la fois dans un circuit du cuivre et de l’acier galvanisé : électrolyse et dégradation du circuit par corrosion assurées !!!

Les conduites de liaisons : différents types


Réduire les pertes de distributionEpaisseur 19mmRésistant aux UV en extérieurProtection mécanique si nécessaire

Les conduites de liaisons : l’isolation

DiamètreEmission des canalisations en W/m

ECS à 55°C – air ambiant à 15°CNon calorifugées Mal calorifugées Bien calorifugées

DN15 36 16 8DN20 46 17 9DN25 57 19 10DN32 72 23 11


Protection contre le gel

Comme pour tous les circuits de fluide en plein air, il faut prévoir une protection contre le gel, pour éviter de faire éclater le capteur et les conduites en hiver

Il est important d’utiliser un antigel de qualité alimentaire (exemple : mélange à base de mono propylène glycol : MPG) destiné aux installations de chauffage (et non à base d’éthylène). L’antigel est fourni par le fabricant de CESI et ne doit être en aucun cas rejeté à l’égout

Dans tous les cas, le mélange eau-antigel doit être aussi homogène que possible, sinon l’antigel risquera de s’accumuler dans certains endroits : bien brasser l’eau et l’antigel avant de faire le plein

WATERLINE

0 0

PROPYLENE GLYCOL

ETHYLENE GLYCOL

-10

-10

-20

-20

-30

-30

-40

-50

0

-10

-20

-30

-40

-40

1.15

1.20

1.25

1.30

- +

Le réfractomètre et les différentes échelles de mesures existantes dans l’appareil


Produit concentré antigel et anticorrosion pour installations d’énergie solaire.

Liquide Caloporteur – sans nitrite.

Fluide spécial à base de glycol.

• Aspect liquide limpide, incolore

• Point d’ébullition > 150° C

• Point de congélation < - 50° C

• Densité à 20°C 1.054 – 1058 g/cm3

• pH 7.5 – 8.5

Vieillissement précoce du produit au dessus de 170°C ou 280°C.

Antigel différent suivant capteur plan ou sous vide.

Protection des installations solaires minimum -25°C (à voir suivant la zone géographique).

Contrôle régulier du produit : limpidité, protection au froid et pH.

Protection contre le gel


LA RÉGULATION : SON FONCTIONNEMENT ET LES RÉGLAGES

3.4


Régulation

La chaleur doit aller des CAPTEURS au STOCKAGE et non l'inverse.

La mise en route et l'arrêt de la circulation sont effectués par un REGULATEUR qui mesure constamment : Tc : température en sortie des capteurs

Tb : température en bas de ballon

Un comparateur intégré au régulateur calcule la valeur correspondant à l’écart de température

Tc - Tb (température sortie capteur – température bas du ballon) : T.

Capteur solaire

R

Circulateur

Ballonde

stockageRégulation

Eau froide

Eau chaudeTc

Tb


La valeur calculée DT est alors comparée aux différentiels d’arrêt et de démarrage :Le circulateur démarre lorsque T = Tc - Tb > DD = différentiel de démarrageLe circulateur s’arrête lorsque T = Tc - Tb < DA = différentiel d'arrêt

Les valeurs de DD et DA sont réglables par l’installateur. Certaines régulations déterminent le DA

Régulation

Capteur solaire

Circulateur

Ballonde

stockage

Régulation

Eau froide

Eau chaudeTc

Tb

R


Marche 100%

Arrêt 0 %

Etat du Circulateur

T°capteur

DD = T°ballon + 8°C

DA = T°ballon + 4°C

T°ballon

1

2

4

3

20

25

30

35

40

45

50

55

08:00 09:00 10:00 11:00Heure

Tem

pé

ratu

re [

°C]

1

2

4

3

Régulation à débit constant


Marche 100%

Arrêt 0 %

Etat du Circulateur

T°capteur

DD = T°ballon + 8°C

DA = T°ballon + 4°C

T°ballon

1

2

4

3

20

30

35

40

45

50

55

08:00 09:00 10:00 11:00Heure

Tem

pé

ratu

re [

°C]

1

2

3

Régulation à débit variable

1

2


T° sécurité pour le stockage

T° maxi pour la sécurité du capteur

REFROIDISSEMENT NOCTURNE

140°

120°

95°

75°

T(°C)

Marche

arrêtPROTECTION CAPTEUR PROTECTION BALLON

T° maxi acceptée pour le stockage

T° pour la protection du fluide

Vaporisation dans le capteur

Régulation

Quelques particularités :


Régulation

Compléter les phrases suivantes, en tenant compte que le différentiel d’arrêt DA= 3 °C et que le différentiel de démarrage DD = 8 °C :

Le circulateur se met en marche lorsque Tb=30°C et Tc = ……°CLa pompe s’arrête lorsque Tc=35°C et Tb= ……°CLe matin, le ballon est à 48°C et le capteur à 55°C, que se

passe-t-il ?Le ballon est à 77°C (sonde2), le capteur à 92°C, la pompe ne

tourne pas; pourquoi ?


Régulation


Il est recommandé, d’enduire la sonde d’une pâte thermique Et de la protéger

des intempéries (UV)Des rongeurs (extérieur et intérieur)

Sonde à plongeur avec doigt de gant :meilleure précisionvérifier le libre passage du fluide

Doc. Constructeur

Circuit hydrauliqueSonde de températeur

Capteur solaire

La sonde chaude doit être impérativement dans le capteur

Sortie capteur


LE STOCKAGE D’EAU CHAUDE SANITAIRE

3.5



Caractéristiques principales :

Le volume prendra en compte le caractère discontinu de la ressource

Limiter les pertes au maximum par une très bonne isolation

Favoriser la stratificationÉchangeur secondaire thermique ou électrique ayant

de bonnes performances

Stockage


Ballon simpleAvec échangeur externe

Ballon un échangeur Ballon multi échangeurs

Ballon double enveloppe

Ballon avec résistance électrique

Source schémas : SOLARPRAXIS

Stockage

Il existe plusieurs grandes classes de technologie de ballon de stockage :

60CESI – Chap.3 – La technologie des CESI 3-25

Importance de l'isolation d'un accumulateur:

Stockage

Pertes énergétiques en kWh/an pour un fonctionnement annuel :

Pour un isolant de 4cm d’épaisseur : env. 1174 kWh




Protection cathodique contre la corrosionAnode au magnésium sacrificielle

– L'anode devra être remplacée lorsque son usure dépasse 60 %.– Un contrôle de l’anode est obligatoire tous les 2 ans.

Anode électronique en titane (ACI)– Fonctionne avec une alimentation électrique qu’il ne faut, en principe, jamais

remplacer

Protection contre les corrosions


Sécurité vis à vis du risque légionelles Les prescriptions relatives à la prévention du risque de développement des légionelles dans

les installations de production d'eau chaude sanitaire : – Pour un volume de stockage de l’eau chaude sanitaire supérieur ou égal à 400 L (ballon final seul), la

température de l’eau au point de mise en distribution doit être au minimum de 55°C ou être portée à un niveau suffisamment élevé au moins une fois par 24 h (Voir l’arrêté du 30 novembre 2005).

– Lorsque le volume entre le point de mise en distribution et le point de puisage le plus éloigné est supérieur à 3 litres, la température de l’eau en circulation doit être au minimum de 50°C en tout point du système de distribution.

Les prescriptions de l’arrêté ne s’applique pas à la sortie du ballon de préchauffage.

Protection contre les légionelles


Lors du fonctionnement normal du chauffe-eau, la montée en température provoque une expansion du volume d'eau contenu dans le chauffe-eau.

• Cette eau s'écoule par l'orifice de décharge qui est raccordé à une vidange.

• Ce petit écoulement est normal, mais d'une part c'est un gaspillage, et d'autre part risque de créer une érosion du siège de la soupape, accélérant le débit de fuite.

Il est possible de remédier à cet inconvénient dû à un phénomène purement physique par la pose d'un vase d'expansion sanitaire.

Ce vase est toujours posé sur l’entrée d’eau froide, entre le groupe de sécurité et le ballon.

Le groupe de sécurité


un vase d’expansion sanitaire Permet de réaliser au moins 5 à 20 m3 d’économie d’eau par an Supprimer les pertes d’eau

Ses caractéristiques fonctionnelles:– Pré gonflage 3 bar– Pression maxi 8 bars– Température maxi 80°C

(Doc. Pneum

atex)Le vase d’expansion sanitaire

Tableau de détermination du vase sanitaire à installerCalcul fait avec un réducteur de pression réglé à 3 bars

Volume du chauffe-eau 60°C 70°C 80°C

50 L 1 x 5 l 1 x 5 l 1 x 5 l

75 L 1 x 5 l 1 x 5 l 1 x 5 l

100 L 1 x 5 l 1 x 5 l 1 x 8 l

150 L 1 x 8 l 1 x 8 l 1 x 12 l

200 L 1 x 12 l 1 x 12 l 1 x 18 l

300 L 1 x 12 l 1 x 18 l 1 x 25 l

500 L 1 x 18 l 1 x 25 l 2 x 18 l


Le limiteur de température

Réglage et abaissement de la température au plus prêt possible du point d’utilisation.

Organe de protection individuelle (clapet anti-retour, stop flux).Plage de réglage : 25-55 °CTempérature maximale à l'entrée : 110 °CPression différentielle maxi (ΔpV) : 5 bar

Conformément à la nouvelle norme européenne EN1717 (protection contre la pollution de l’eau potable dans les installations d’eau et exigences générales des dispositifs pour empêcher la pollution par retour d’eau), les limiteurs thermostatiques doivent être équipés de clapets anti-retour homologués.

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