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PENTA PROJECT ENERGIES RENOUVELABLES MODULES DE FORMATION CONTINUE Avec le soutien de MODULE « CAPTEURS SOLAIRES » COURS DE BASE M 31.1, Edition 2009

MODULE « CAPTEURS SOLAIRES »

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Avec le soutien de

MODULE « CAPTEURS SOLAIRES »COURS DE BASE M 31.1, Edition 2009

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Avec le soutien de par Partenaires

Agence des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique (AEE)Association suisse des entrepreneurs poêliers-fumistes et carreleurs (SPC)Association suisse des maîtres professionnels des installations du bâtiment (SFCV)Association suisse des maîtres ramoneurs (ASMR)Association suisse des professionnels de l’énergie solaire (Swissolar)Association suisse du froid (ASF)Association suisse et liechtensteinoise de la technique du bâtiment (suissetec)Association suisse Toitures et Façades (ASTF)Chauffages au bois Suisse (FSIB); Energie-bois SuisseGroupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur (GSP)Haute Ecole spécialisée de Lucerne, Département Technique et ArchitectureOffice féderal de l‘énergie (OFEN)Société suisse des ingénieurs en technique du bâtiment (SICC)Société suisse pour la géothermie (SSG)Union suisse des installateurs-électriciens (USIE)Union suisse des professionnels de la technique sanitaire et chauffage (USTSC)Union suisse des sociétés d’ingénieurs-conseils (usic)

Penta Project, c/o CPMB, Les Longues Raies 11, 2013 Colombier, tél. 032 843 48 00, fax 032 843 48 [email protected], www.pentaproject.ch

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Table des matières1 Notions de base 21.1 Structure du cours 21.2 Energie – Pourquoi l’énergie solaire? 31.3 Le rayonnement solaire 31.3.1 Variation saisonnière, variation diurne 41.3.2 Orientation et inclinaison des champs de capteurs 51.3.3 L’horizon 61.4 Les différentes manières d’utiliser l’énergie solaire 61.5 Utilisation thermique de l’énergie solaire: les faits 71.5.1 Stockage et températures de fonctionnement 71.5.2 Le chauffage d’appoint 81.5.3 Les limites de l’énergie solaire 81.6 De quoi une installation solaire thermique est-elle faite? 81.6.1 Schéma 8

2 Les composants des installations solaires thermiques 102.1 Le capteur solaire 102.1.1 Mode de fonctionnement et construction d’un capteur solaire 102.1.2 Les capteurs à tubes sous vide 122.1.3 A chaque situation son capteur 152.1.4 Apport solaire, essai de performance, essai de qualité, essais étrangers 162.1.5 Le calcul de l’apport solaire 172.1.6 L’emplacement des capteurs 172.2 L’accumulateur 192.2.1 Stratificationdel’accumulateur 192.2.2 Pertes thermiques de l’accumulateur 202.2.3 Construction d’un chauffe-eau 212.2.4 L’accumulateur du chauffage – L’accumulateur combiné 222.2.5 La charge de l’accumulateur par l’énergie solaire 232.2.6 Echangeurs de chaleur immergés 232.2.7 Echangeurs de chaleur externes – Dimensionnement 242.2.8 Dimensionnement de l’accumulateur 252.3 Le circuit de captage 262.3.1 Choix des tubes 272.3.2 Le groupe hydraulique 282.3.3 Le vase d’expansion 292.3.4 Les purgeurs 302.3.5 Installations à capteurs vidangeables – Drain-back – Steam-back 302.3.6 Le caloporteur – Remplissage du circuit de captage 322.4 Le régulateur solaire 332.4.1 Les fonctions 342.4.2 Les différents types d’installations – Exigences 352.5 Les autres composants 352.5.1 Le mitigeur thermostatique 35

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1 Notions de base

1.1 Structure du cours1ère partie: Cours de base Sujets traités:• Lesbasesphysiquesdel’énergiesolaire• Lesrapportsentrelesdifférentscomposantsdel’installation• Installationssimples• L’essentieldudimensionnement• Lesprincipauxaspectsdumontage

2ème partie: Cours de perfectionnementSe basant sur le cours de base, ce second cours est surtout destiné au perfectionnement. Les sujets suivants y sont traités:

• Notionsdebase:compléments• Installationspluscomplexes• Approfondissementdudimensionnement• L’intégrationauxinstallationstraditionnellesdubâtiment• Exercicesavecexemplesconcrets• Estimationetcalculdel’apportsolaire

Il est recommandé de suivre les deux cours. La documentation est divisée en chapitres qui présentent les textes relatifs au cours de base et au cours de perfectionnement.

Ouvrage de référenceBien que le temps consacré au cours soit limité, vous y apprendrez l’essentiel et le plus important. Les deux cours vous donneront les bases, sans pour autant faire de vous un expert en matière d’énergie solaire. En Suisse, l’ouvrage de référence de l’énergie solaire, et par conséquent aussi du so-laire thermique, c‘est le Classeur solaire de Swissolar. Le cours s’y réfère constamment. Les participants au cours sont donc priés de se procurer cet ouvrage au plus tôt.

UnitésEn tant que professionnels, nous utilisons dans le présent cours les unités suivantes et leurs multiples et sous-multiples:

Puissance Irradiance solaire sur la Terre W/m²

Travail/énergie Irradiance solaire cumulée pendant une certaine période kWh/m²

Exemples L’irradiance solaire maximum en Suisse est de l’ordre de 1‘000 W/m²L’irradiation solaire moyenne annuelle sur une surface horizontale à Lucerne est de l’ordre de 1‘100 kWh/m²a

Le Classeur solaire de Swisso-lar est l’ouvrage de référence recommandé. La documen-tation s’y réfère à plusieurs reprises.

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1.2 Energie – Pourquoi l’énergie solaire?Si l’énergie est le moteur de l’humanité, l’énergie solaire en est le centre vital. Sans soleil, aucune vie n’est possible sur Terre. L’énergie solaire ne pollue pas, elle est inépuisable et ne produit pas de déchets. Utiliser l’énergie solaire permet d’épargner des ressources précieuses. L’énergie solaire est gratuite. La techniquede l’énergie solaire représenteundéfipour les professionnels des installations sanitaires et du chauffage.

Le Soleil

Diamètre: 1’392 ’000 km (109 fois le diamètre de la Terre)

Volume: 1,412 x 1018 km3 1’304’000 fois le volume de la Terre)

Surface: 6,09 x 1012 km2 (11’918 fois la surface de la Terre)

Température superficielle: 5’512 °C

Espérance de vie: plus de 10 milliards d’années

1.3 Le rayonnement solaire Le Soleil est plus qu’une source de lumière pour la Terre. Il conditionne presquetouteslesformesdeviesurnotreplanète.C’estpourquoiilinfluencenotre vie sociale et le cours de nos journées depuis des millénaires. De mé-moire d’homme, l’astre central de notre système planétaire a toujours joué un rôle culturel important en tant que symbole de la vie sur notre planète.

Le Soleil envoie des quantités gigantesques d’énergie dans l’espace et en particulier dans la direction de la Terre. Son rayonnement est de l’ordre d’environ 60’000 kW par m2 de surface solaire. Donc, 20 m2 correspondent déjà à la puissance d’une centrale électrique moderne de grandes dimen-sions. Bien que la puissance moyenne du rayonnement atteignant la surface terrestre ne soit plus qu’une fraction de cette valeur initiale, elle s’élève quand même à environ 1000 W/m2. Il s’agit ici de l’irradiance globale. On distingue en outre le rayonnement direct, par ciel clair, et le rayonnement diffus, par ciel couvert.

L’irradiance solaire cumulée sur une année donne les valeurs suivantes de l’irradiation:

• Plateausuisse 1120kWh/m2a dont env. 50 % de rayonnement diffus• Alpes 1320kWh/m2a dont env. 40 % de rayonnement diffus• SuddesAlpes 1380kWh/m2a dont env. 35 % de rayonnement diffus

Fig. 1: Le Soleil, qui est à l’ori-gine de toute vie sur la Terre. (Source: NASA)

L’énergie solaire crée des em-plois intéressants.

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Mes notes:

1.3.1 Variation saisonnière, variation diurne Le rayonnement solaire n’est pas distribué uniformément, ni sur l’année, ni surlajournée.Lesfigures2et3indiquentsadistributionsurl’année(variationsaisonnière) et au cours d’une journée d’été (variation diurne).

0

20

40

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kW

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janv fév mars avr mai juin juil août sept oct nov déc

Variation saisonnière

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Irrad

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W/m

2

00.00h

02.00h

04.00h

06.00h

08.00h

10.00h

12.00h

14.00h

16.00h

18.00h

20.00h

22.00h

00.00h

Heure

Fig. 2: Variation saisonnière de l’irradiation globale

Fig. 3: Variation diurne de l’irradiance globale

(d‘hiver)

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1.3.2 Orientation et inclinaison des champs de capteurs En principe, toute installation qui utilise l’énergie solaire devrait être orientée autant que possible vers le sud. Tout écart entraîne une diminution de l’apport solaire, lequel dépend de l’inclinaison et du type de capteur, ainsi que du genre d’utilisation (eau chaude sanitaire ou complément au chauffage). Voir lafigure4ci-dessous.

L’angle d’incidence du rayonnement solaire varie en cours d’année, à cause del’inclinaisondel’axederotationdelaTerresursonorbite.Lafigure5illustre ces rapports.

Pourprofiteraumieuxdurayonnementsolaireincident,lasurfaceréceptricedevrait être aussi perpendiculaire que possible à la direction des rayons, ce qui n’est évidemment pas possible puisque la position du Soleil varie (comme indiqué ci-dessus).

printemps-automne

hiver

été

surface plane horizontale

inclinaison du capteur19

,5 °

43 °

66,5

°

hauteurdu soleilà midi

Fig. 5: Angle d’incidence du rayonnement solaire en fonc-tion des saisons.

Important: Les capteurs dont la production hivernale est particulièrement importante pour l’utilisateur doi-vent avoir une forte inclinaison.

Fig. 4: Effet de l’inclinaison et de l’orientation du capteur sur son apport solaire.

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1.3.3 L’horizon Il va de soi que les rayons du soleil doivent pouvoir atteindre le champ de capteurs sans encombre. Des montagnes, des arbres, mais aussi des éléments de construction en saillie sur la toiture peuvent être un obstacle. Un horizon libre est donc un élément important, qui doit être contrôlé.

• Plusl’écartestgrandparrapportausud,plusl’horizonestimportant.

• Orienterleschampsdecapteursautantquepossibleverslesud.

• Pluslatoitureestinclinée,moinsons’écarteradusud.

• Pluslescapteurssontinclinés,plusleurapportsolairehivernal est important.

• Laneigetombéesurlescapteursdoitpouvoirglisser.

• L’horizondoitêtreaussidégagéquepossible.

1.4 Les différentes manières d’utiliser l’énergie solaire Utilisation active de l’énergie solaireOn parle d’utilisation active de l’énergie solaire quand celle-ci est mise en œuvre à l’aide d’équipements ou d’installations. On distingue l’utilisation active, l’utilisation passive, l’utilisation thermique et l’utilisation photovoltaïque.

Mise en œuvre de la chaleur solaire• Utilisationdel’énergiesolairepourlaproductiondechaleurdestinéeà

l’eau chaude sanitaire et comme complément au chauffage. En règle générale,cettechaleursertàl’approvisionnementdubâtimentsurlequell’installation se trouve.

• Refroidissementsolaire• Séchagedufoinengrange(chauffageàairchaud)• Centrales héliothermiquesdans les régionsà fort ensoleillement.On

construit de plus en plus souvent de telles centrales électriques dans lesquel-les le rayonnement solaire porte des liquides à ébullition, la vapeur ainsi produite alimentant ensuite des turbines qui entraînent des générateurs.

Fig. 6: La trajectoire du soleil dans le ciel. (Source: A. Mützenberg)

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Utilisation photovoltaïque • Ils’agitdelaconversiondirectedurayonnementsolaireenélectricité.

Utilisation passive de l’énergie solaire• L’architecturesolaireapourbutdetirerpartidurayonnementsolairepour

chauffer des locaux, autant que possible sans apport d‘énergie d‘appoint niauxiliaire.Lesbesoinsenchaleurpourlechauffaged’unbâtimentpeu-vent ainsi être réduits de manière considérable, voire même extrême.

• Onpeutaussioptimiserl’éclairagenatureldeslocauxenlaissantpénétrerla lumière solaire de manière adéquate.

1.5 Utilisation thermique de l’énergie solaire: les faits

1.5.1 Stockage et températures de fonctionnement L’exploitation de l’énergie solaire par voie thermique vise à produire de la chaleur qui sera utilisée directement sous forme d’eau chaude sanitaire et/ou apportera une contribution au chauffage. Vu que cette chaleur n’est pas produite et utilisée au même moment, il faut la stocker temporairement dans un réservoir.

Ce stockage est très important pour exploiter avec succès une installation solairethermique.Enparticulier,unaccumulateurtroppetitgâchevite leplaisir d’avoir une installation toute neuve lorsque l’apport possible en été ne peut pas être entièrement utilisé. Ou, encore pire, lorsqu’il faut constam-ment utiliser l’appoint, même en été – pour préparer l’eau chaude sanitaire, alors que l’ensoleillement est le meilleur que l’on puisse souhaiter. Mais des accumulateurs trop grands ne valent pas mieux, car ils rendent l’installation trop lente et la font fonctionner à des températures trop basses, ce qui met aussi l’appoint à contribution alors qu’on pourrait s’en passer.

Une installation solaire est composée de divers composants qui tous perdent une partie de la chaleur produite, que ce soit pendant le fonctionnement ou lors du stockage. Plus la température à l’intérieur des équipements augmente par rapport à la température ambiante, plus les pertes aug-mentent elles aussi. Une isolation sans faille et de bonne qualité permet, certes, de réduire ces pertes, mais elle ne les élimine pas pour autant. Il importe de toujours choisir le système qui conduit à la température de tra-vail la plus basse possible pour l’utilisation prévue, ce qui permet d’utiliser aumieux l’énergie solaire incidente. La figure 7 illustre ces rapports.

Avec des accumulateurs trop petits, le chauffage d’appoint doit constamment être utilisé, même en été.

Des accumulateurs trop grands ralentissent les installations et entraînent des températures d’utilisation trop basses.

Une isolation thermique sans faille peut réduire les pertes de chaleur.

Fig. 7: Courbe de rendement d’un capteur en fonction de sa température de fonctionnement.

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Etant donné qu’une température de fonctionnement plus basse améliore la performance d’une installation solaire, des systèmes de chauffage à basse température devraient être prévus dans toute construction nouvelle.

1.5.2 Le chauffage d’appointDansnotrepays,l’énergiesolairenesuffitpasàproduiredel’eauchaudependant toute l’année. Il faut donc pouvoir compléter avec de l’énergie dite d’appoint,depréférenceàl’aidedel’installationdechauffagedontlebâti-ment est équipé.

1.5.3 Les limites de l’énergie solaireL’énergie solaire peut grandement contribuer à couvrir les besoins en énergie thermiqued’unbâtiment.

Important: Il est tout à fait contrindiqué d’utiliser de l’énergie solaire pour couvrir lesdéperditionsd’uneenveloppedebâtimentinefficace.Danscecas, il faut prendre d’autres mesures.

Le Soleil est la source d’énergie la plus importante qui soit.•Le rayonnement solaire incident varie aussi bien au cours de la jour-•née qu’au cours de l’année.Jusqu’à son utilisation, la chaleur produite à l’aide du soleil doit être •stockée.En Suisse, les installations solaires thermiques ont besoin d’un chauf-•fage d’appoint.Nepasutiliserl’énergiesolairepourchaufferunbâtimentdont•l’enveloppen’estpassuffisammentisolée!

Mes notes:

1.6 De quoi une installation solaire thermique est-elle faite?

1.6.1 SchémaLes capteurs solaires absorbent le rayonnement solaire qu’ils convertissent en chaleur, laquelle passe à son tour à un agent caloporteur. Ce liquide circule, à l’aide d’une pompe, à travers un ensemble de tubes jusqu’à l’accumulateur solaire où il réchauffe l’eau que celui-ci contient, et se refroidit avant de retourner vers les capteurs. Tant qu’il y a de la chaleur utilisable dans les capteurs, le régulateur fait fonctionner la pompe. En l’absence de rayonnement solaire, surtout en hiver, l’énergie d’appoint fournit la chaleur qui manque.

Pour l’appoint, préférer l’installation de chauffage dont le bâtiment est équipé.

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Les installations solaires thermiques peuvent être intégrées assez facilement à des installations de chauffage et d’eau chaude sanitaire existantes.

Le schéma d’une installation solaire devrait être dessiné d’après les con-ventions suivantes:

• Lescapteursserontplacésenhautàgauche,inclinésà45°.• L’accumulateurseraplacéàladroitedescapteurs,décaléverslebas

par rapport à ceux-ci.• Lesélémentsducircuitdecaptageserontplacésendessousducapteur,

à gauche de l’accumulateur.• Leséléments du chauffaged’appoint et de la distributionde chaleur

seront placés à droite de l’accumulateur.

Fig. 8: Schéma de principe d’un chauffe-eau solaire

1 Capteur solaire2 Circuit de captage3 Pompe de circulation4 Vase d’expansion5 Régulation6 Accumulateur7 Echangeur de chaleur8 Vanne mélangeuse9 Energie d’appoint

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2 Les composants des installations solaires thermiques

2.1 Le capteur solaireLe capteur solaire fait le lien entre le rayonnement solaire incident et le consommateurdechaleur.Ilapourtâchedeconvertirleplusefficacementpossible la lumière solaire en chaleur.

L’absorbeur, de couleur foncée, est le cœur du capteur; il s’échauffe sous l’action du rayonnement solaire. Il comprend un ensemble de tubes qui permettent de transporter, par le biais d’un caloporteur, la chaleur produite. Toutefois, ce n’est pas toute cette chaleur qui suit ce cheminement, car il y a diverses pertes par convection, conduction et rayonnement thermique. Le capteurdoitêtrepourvud’uneisolationthermiqueafinderéduirecespertes.En général, de la laine minérale est appliquée derrière le capteur et sur ses côtés, tandis qu’un vitrage de couverture est appliqué sur l’avant. Lorsqu’il s’agit de capteurs tubulaires, c’est le vide qui enveloppe les tubes qui forme uneisolationthermique(trèsefficace).

Le capteur plan avec couverture est le type de capteur le plus utilisé.

Il existe aussi des capteurs plans qui concentrent le rayonnement solaire à l’aidedeplusieursréflecteurscylindro-paraboliquesetleprojettentsurunabsorbeur cylindrique. Aujourd’hui, pratiquement tous les capteurs sous vide sont de forme tubulaire.

2.1.1 Mode de fonctionnement et construction d’un capteur solaire Le rayonnement solaire pénètre à travers la couverture transparente (2). Celle-ciprésenteunestructurefine,surlafaceintérieurecommesurlafaceextérieure,afindeprévenirtoutéblouissementparréflexion.

Lerayonnementsolairetoucheensuitel’absorbeur(1)dontlaréflexionn’estquedequelquespourcent,cequisignifiequecerayonnementestabsorbéet converti en chaleur. Le vitrage du capteur empêche également que le ventquisoufflen’emporteunepartiedelachaleur.C’estdanslestubesdel’absorbeur que celle-ci est emportée.

Fig. 9:Section d’un capteur plan(Classeur solaire - chapitre 5.4.1)

1 Absorbeur à revêtement sélectif

2 Couverture3 Cadre4 Tube collecteur5 Manchon de caoutchouc6 Cornière de recouvrement7 Profilés de caoutchouc pour

l’appui et l’étanchéité du vitrage8 Ouverture pour l’aération9 Isolation thermique latérale10 Dos du capteur11 Isolation du dos

ObjectifConvertir le rayonnement so-laire en chaleur, avec un maxi-mum d’efficacité.

Réduire autant que possible les pertes par convection, conduc-tion et rayonnement thermique.

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Les pertes par conduction à travers le dos du capteur et ses côtés sont limitées par la présence de l’isolation thermique (9,11).

Le cadre (3) doit être conçu de manière à pouvoir résister pendant 30 an-néesd’exploitationàtouteslesconditionsdifficilesauxquellesestexposéun toit, en particulier aux températures élevées, aux variations de tempé-rature, aux tempêtes, à la pluie, à la grêle, à la neige et à un rayonnement UV intense.

Les composants suivants d’un capteur méritent une attention particulière.

Les absorbeursAujourd’hui, les absorbeurs sont fabriqués presque exclusivement avec du cuivre ou de l’aluminium. La face de l’absorbeur exposée au soleil est recou-verted’unecoucheabsorbantesélective,cedernieradjectifsignifiantquel’absorption(α)durayonnementsolaireestaussigrandequepossibletandisquelerayonnementthermique(émissivitéε)del’absorbeurchaudestlimitéautant que faire se peut. Les couches absorbantes non sélectives reperdent par rayonnement thermique une bonne partie de la chaleur produite dans l’absorbeur; actuellement, elles ne sont pratiquement plus utilisées dans la construction des capteurs.

.

Le verre solaireLa transparence énergétique du verre solaire (> 90 %) est supérieure à celle du verre à vitre normal (< 85 %), ce qui est surtout dû au fait que le verre solaire contient moins de fer. Depuis peu, la transparence énergétique est encoreamélioréegrâceàunecouchedéposéeensurfacequiajoutejusqu’à3 % de transparence au rayonnement.

La surface d’un verre solaire de bonne qualité est structurée de manière à augmenter la transparence énergétique, tout en lui donnant un bon aspect esthétique.

Lesverressolairessonttrempésafind’enaugmenterlarésistance.Si levitrage devait malgré tout céder, il se casserait en d’innombrables petits morceaux, comme un verre de sécurité.

Le cadre du capteurToutes les parties du capteur sont insérées dans son cadre. Les raccorde-ments à l’absorbeur traversent le cadre. Ces passages et la monture du vitrageducapteur(5)doiventêtreabsolumentétanchesafind’empêcherlapénétrationdel’eaudepluiedanslecapteur.Desorificesd’aération(8)sontpercésdanslecadreducapteurafind’équilibrerlapressiondel’airetd’éliminer la condensation.

Le verre solaire est structuré et trempé.

Toutes les parties du capteur sont insérées dans son cadre.

Fig. 10 à gauche: absorbeur à serpentin (Source: Conergy)

Fig. 10 à droite: absorbeur en forme de claire-voie

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Mes notes:

2.1.2 Les capteurs à tubes sous videLe vide représente une excellente isolation. Toute perte de chaleur par con-vectionestpratiquementsupprimée.Cespropriétéssontmisesàprofitdansles capteurs à tubes sous vide. Les pertes thermiques de ces capteurs sont nettement moindres. Après les mauvaises expériences faites par le passé avec les capteurs plans sous vide, pratiquement tous les capteurs sous vide sont aujourd’hui des capteurs à tubes.

Il y a trois types de construction principaux.

Tubes sous vide à caloduc, avec absorbeur métalliqueLa chaleur est transportée dans le tube caloduc par un circuit interne sous vide partiel; l’eau pure que le caloduc contient en général s’évapore dans la partie inférieure, puis se condense à la surface du condenseur, transfé-rant ainsi au caloporteur du circuit de captage la chaleur dégagée par la condensation.

Important: les capteurs à caloduc doivent être montés avec une inclinaison d’au moins 20°. Ils ne doivent pas être posés à plat.

Mes notes:

Fig. 12: Tubes caloducs (Classeur solaire - chapitre 5.4.1)

1 Capteur à tubes sous vide avec tube caloduc

2 Absorbeur avec tube caloduc3 Condenseur4 Fluide de travail pour cap-

teur à tubes sous vide, sous forme de vapeur

5 Fluide de travail pour capteur à tubes sous vide, en voie de condensation > liquide

6 Collecteur, transfert de la chaleur au fluide caloporteur du circuit de captage

7 L’inclinaison minimum des capteurs à tube caloduc est fournie par le fabricant, en général 20° au moins.

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Tubes sous vide parcourus par le liquide, avec absorbeur métalliqueLe caloporteur du circuit de captage circule directement dans le tube sous vide, en général à travers un tube double concentrique. Contrairement aux tubes à caloduc, ce type de capteur peut être posé à plat, ce qui est souvent demandé par les architectes pour les toitures plates.

1 Absorbeur métallique à revêtement sélectif

2 Tube de verre dans lequel la pression résiduelle du vide poussé est généralement infé-rieure à 1x10-4 mbar.

3 Absorbeur de gaz résiduels ou getter, d’après son appellation anglaise. C’est une subs-tance chimique qui forme - sous l’effet de la chaleur - un miroir métallique dans le tube de verre sous vide. Ce « miroir de getter » absorbe les gaz résiduels dans le capteur, maintenant ainsi la pression au bas niveau voulu.

4 Ressortdefixationdel’absorbeur

5 Boîtier collecteur avec isolation thermique

6 Joint verre-métal

7 Tube coaxial pour le caloporteur (qui pénètre par le tube interne et ressort par le tube externe).

8 Conduite aller du circuit de captage (caloporteur chaud)

9 Conduite retour du circuit de captage (caloporteur froid)

10 Tube d’équilibrage hydraulique selon Tichelmann

Les tubes à caloduc et les tubes sous vide parcourus par le liquide ont en commun que des parties métalliques doivent traverser les tubes de verre. Pour que les tubes sous vide puissent conserver leurs propriétés isolantes, le passage doit être conçu de manière à rester parfaitement étanche aux gaz sur le long terme. Malheureusement, de nombreux produits commer-cialisés présentent des pertes de vide après quelques années déjà. Ces capteurs qui ont perdu leur vide sont moins performants que de simples capteurs plans.

Fig. 13: Section d‘un capteur à tubes sous vide avec absorbeur métallique. (Classeur solaire - chapitre 5.4.1)

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Doubles tubes sous vide (tubes Dewar, Sidney ou China)Dans ce type de construction, deux tubes de verre sont fondus ensemble pour éviter le risque de perte du vide que pourrait présenter un joint verre-métal. Le vide est fait dans l’espace séparant les deux cylindres de verre, comme dans un thermos. Cette construction offre une sécurité bien meilleure contre toute perte de vide. Le plus souvent, l’absorbeur est déposé sur la face externe du tube intérieur, directement sur le verre. C’est par l’intermédiaire d’une tôle métallique placée contre le tube de verre intérieur que la chaleur est conduite vers les tubes dans lesquels circule le caloporteur.

1 Revêtement sélectif de l’absorbeur déposé directement sur le tube de verre intérieur

2 Tube de verre extérieur

3 Tubes de l’échangeur de chaleur, contenant un caloporteur ayant pour fonction d’extraire la chaleur des tubes de verre

4 Tôles conductrices de la chaleur, qui font partie de l’échangeur ayant pour fonction d’extraire la chaleur des tubes de verre

5 Boîtier collecteur avec isolation thermique

6 Vide poussé entre les tubes de verre intérieur et extérieur

7 Absorbeur de gaz résiduels (getter) servant à absorber, si besoin est, tout gaz de l’enceinte vide du capteur

8 Tubes collecteurs servant à raccorder plusieurs tubes en parallèle (p. ex.6,10ou15pièces)afind’enfaireunmodule

9 Tube d’équilibrage hydraulique selon Tichelmann

Points importants concernant les capteurs à tubes sous videEn général, les capteurs à tubes sous vide sont plus chers. Surtout les tubes sous vide à caloduc et ceux parcourus directement par le liquide peuvent atteindre des températures nettement supérieures à celles des capteurs plans, ce qui peut être – dans certaines circonstances – avantageux pour la chaleur industrielle.

Certains capteurs à tubes sous vide sont munis de miroirs intérieurs ou extérieurs dans le but d’en augmenter le rendement. Les tubes sous vide à miroirs extérieurs sont appelés « tubes sous vide CPC ».

Fig. 14: Section d’un capteur à double tube sous vide (Cap-teurs Dewar, tubes « China »)(Classeur solaire - chapitre 5.4.1)

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A cause de leur rendement élevé en hiver, les capteurs sous vide sont sou-vent utilisés en montagne, où l’ensoleillement est bon.

Mais comme aucune chaleur n’est transportée de l’intérieur vers la surface extérieure du verre, la neige ne fond pas et a du mal à glisser, contrairement à ce qui se passe avec les capteurs plans. Il faut donc les installer avec uneinclinaisonsuffisanteoufaireensortequ’ilsoitpossibled’atteindrelescapteurs pour les débarrasser manuellement de la neige.

2.1.3 A chaque situation son capteurNousavonsdéjàtraitédescapteursplansetdescapteursàtubessousvide.La plage couverte par la température de fonctionnement constitue le critère principal. Voici maintenant les principaux domaines d’application et les tem-pératures de stagnation typiques pour une irradiance solaire maximum.

Capteurs plans avec couverture, à absorbeur sélectif; température de fonctionnement: de 20 à 80 °C:• Installationspourlapréparationdel’eauchaudesanitaire• Installations combinées eau chaude sanitaire et complément au chauffage• Installationscombinéeseauchaudesanitaire,complémentauchauffage

et chauffage de piscine• Températuredestagnation:de170à210°C

Capteurs plans sans couverture, à absorbeur sélectif; température de fonctionnement: de 20 à 60 °C: • Installationspourlapréparationdel’eauchaudesanitaire• Installationspourlechauffagedel’eaudespiscines• Températuredestagnation:de100à110°Cenviron

Capteurs à doubles tubes sous vide; température de fonctionne-ment: de 20 à 150 °C: • Installationspourlapréparationdel’eauchaudesanitaire• Installations combinées eau chaude sanitaire et complément au chauffage• Installationscombinéeseauchaudesanitaire,complémentauchauffage

et chauffage de piscine• Températuredestagnation:de220à250°C

Capteurs à tubes sous vide, à caloduc ou parcourus par le liquide caloporteur; température de fonctionnement: de 20 à 150 °C • Installationspourlapréparationdel’eauchaudesanitaire• Installations combinées eau chaude sanitaire et complément au chauffage• Installationscombinéeseauchaudesanitaire,complémentauchauffage

et chauffage de piscine• Chaleurindustrielleàhautetempérature,jusqu’à150°C• Températuredestagnation:de250à350°C

Important L’apport solaire des tubes sous vide est important en hiver, mais ces tubes ont tendance à surchauffer en été.

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Capteurs sans couverture, en matière plastique; température de fonc-tionnement: de 20 à 35 °C: • Uniquementpourlesinstallationsdechauffagedel’eaudespiscinesde

plein air• Températuredestagnation:80°Cenviron

Mes notes:

2.1.4 Apport solaire, essai de performance, essai de qualité, essais étrangersPour pouvoir choisir le bon capteur, il faut connaître ses performances dans son domaine d’application entier. C’est dans ce but que la performance ther-miqueetlaqualitédescapteurssonttestéesetcertifiées,selonlesnormesISO9806-1etISO9806-2,ouleurpendanteuropéenEN12975-2.

Au cours de l’essai de performance thermique, on mesure l’apport solaire des capteurs sur toute la gamme de températures. Les résultats de ces me-sures trouvent place dans les données des logiciels de simulation servant à calculer l’apport solaire des installations, comme par exemple Polysun.

Différence de température réduite x=(TM-TA)/G [m2K/W]

TM = température moyenne du capteur TA = température ambiante G = irradiance hémisphérique (dans le plan du capteur)

Fig. 15: Courbes caractéris-tiques de rendement de diffé-rents types de capteurs

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En outre, lors de l’essai de qualité, l’aptitude fonctionnelle de la plupart des capteurs est testée: ils doivent pouvoir résister à des conditions de fonction-nementdifficilespendant30annéesouplus.Cetessaiapporteaussiuneréponse à la question toujours répétée de la résistance à la grêle. Celle-ci esttestéeàl’aided’unebilled’aciersuspendueàunpendule,qui,lâchéedans des conditions précises, vient heurter la couverture du capteur.

La plupart des capteurs en vente sur le marché suisse sont testés à l’Institut de technique solaire SPF de Rapperswil. Les résultats sont publiés dans la rubrique « Rapports de test » du site Internet du SPF.

Un de ces procès-verbaux d’essais est donné en annexe.

Ces essais peuvent être également effectués par des instituts étrangers accrédités.

2.1.5 Le calcul de l’apport solaireLe dimensionnement des capteurs, et principalement de la surface de captage, dépend du but de l’installation, de l’apport solaire désiré et du taux de couverture solaire visé dans le cas particulier. Dans ce cours, le dimensionnement sera étudié séparément pour chaque type d’installation. L’apport solaire – la chaleur produite par les capteurs pendant une période donnée – sera déterminé à l’aide de tableaux, par la méthode BWE ou par des simulations.

Méthode basée sur des tableaux de valeursOn connaît les valeurs indicatives de l’apport solaire dans différentes situa-tions; on peut donc les utiliser pour le dimensionnement.

Méthode de l’énergie thermique utilisable (méthode BWE)Cette méthode présente l’avantage, par rapport à l’utilisation des tableaux de valeurs décrite ci-dessus, d’être basée sur des valeurs mensuelles de l’apport solaire du modèle de capteur prévu. Ceci permet de prévoir ap-proximativement la variation saisonnière de l’apport solaire. Ce calcul tient compte de l’inclinaison et de l’orientation des capteurs, en plus des valeurs des paramètres fournies par le test de performance. On trouve les valeurs de l’énergie thermique utilisable dans le CD d’information du SPF; elles peuvent aussi être demandées au fabricant (voir également l’Annexe de ce cours, au chapitre 4).

Calcul à l’aide de logiciels de simulationEn Suisse, c’est le logiciel Polysun 3.3 ou 4.2 qui est préféré. Conçu spé-cialement pour les concepteurs, c’est un outil important pour le calcul, la simulation et l’optimisation des installations, surtout lorsque celles-ci sont grandes et complexes. La même page Internet renseigne sur les cours de formation.

2.1.6 L’emplacement des capteursEnrèglegénérale,lescapteurssontplacéssurlestoitsdesbâtiments.Leplus souvent, cette position est la meilleure parce qu’elle utilise au mieux une surface libre et parce que, se trouvant en hauteur, cette surface est moins sujette à l’ombre portée des objets étrangers.

Eviter tout ombrage dû à des objets étrangers.

Le dimensionnement dépend du but de l’installation, de l’apport solaire désiré et du taux de couverture solaire visé dans le cas particulier.

Méthodes de calcul de l’apport solaire:

- tableaux de valeurs indica-tives

- méthode BWE- calcul avec Polysun 3 et 4

Renseignements et vente: www.solarcampus.ch

Téléchargement: www.solarenergy.ch

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Installation sur une toiture à pans inclinésDans les plupart des cas, les capteurs sont intégrés aux toitures à pans inclinés, dans le sens que la couverture existante est enlevée pour faire place aux capteurs; ceux-ci sont posés avec un cadre recouvrant leur bord, afindegarantirl’étanchéité.Esthétiquement,celadonned’excellentesso-lutions. La pose n’est possible que sur des couvertures en éléments plats imbriqués ayant une pente supérieure à 20°. Si ces conditions ne sont pas remplies, les capteurs doivent être installés sur la toiture à pans inclinés au lieu d’être intégrés à celle-ci. On veillera à leur donner une inclinaison d’au moins 20°.

Installation sur toiture plateSur les toitures plates, les capteurs doivent être montés sur des supports de montage (consoles), livrés avec les capteurs. Les modèles courants corres-pondent aux inclinaisons suivantes: 30°, 45° et 60°. Les capteurs installés surdes toituresplatespeuvent rarementêtre reliésetfixésà lasurfacehorizontale sous-jacente. Il faut faire particulièrement attention à la stabilité faceauvent.Faireappelaufournisseurdanstous lescas!Observer lanorme SIA qui traite de la résistance au vent.

Le capteur convertit le rayonnement solaire incident en chaleur.•Les capteurs doivent être construits pour pouvoir fonctionner en plein •air pendant 30 ans.N’utiliserquedescapteursayantpasséavecsuccèslesessaisde•qualité et de performance.A chaque situation son capteur.•L’apport solaire – la chaleur produite par les capteurs – peut être •estimé ou calculé.Il existe des logiciels de calcul, comme Polysun.•

Mes notes:

Fig. 16 A gauche: toiture à pans inclinésA droite: toiture plate

Autres emplacements possibles: montage en façade ou dans le terrain, indépendamment du bâtiment

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2.2 L’accumulateurL’accumulateurdechaleurreprésenteuncoûtimportantetinfluencecon-sidérablement l’apport solaire. Lors de la conception de l’installation, il faut donc tenir compte des caractéristiques de l’accumulateur, telles que ses dimensions, son volume et son type.

Dimensions de l’accumulateurLes dimensions et la géométrie de l’accumulateur dépendent de l’énergie à stocker, de la température d’utilisation et de la place disponible.

Pertes de l’accumulateurLes pertes de l’accumulateur devraient être limitées autant que possible. Deux petits accumulateurs ont ensemble des pertes plus grandes qu’un seul grand accumulateur.

Accumulateur de série – Modèle spécialEn général, les produits standard construits en série sont moins chers et plus rapidement disponibles. Malgré cela et surtout en ce qui concerne les grandes installations, on utilise souvent des modèles faits sur mesure.

2.2.1 Stratification de l’accumulateur Dans sa partie supérieure, l’accumulateur doit fournir de l’eau chaude. Au contraire, dans sa partie inférieure, l’eau doit être aussi froide que possible afindepouvoirtirerunmaximumdechaleurduchampdecapteurs,àtraversl‘échangeur de chaleur, augmentant ainsi l’apport solaire. L’accumulateur doitdoncêtrestratifié.Vuqu’uncapteurpeutproduiredestempératurestrèsélevées au cours d’une journée, des mesures doivent être prises, selon les conditionsdumoment,afindemaintenircettestratification:

Introduction de la chaleur produite par les capteurs à différentes hauteurs dans l’accumulateurCe système permet d’introduire de la chaleur dans l’accumulateur à au moins deux hauteurs différentes. En effet, si la chaleur – même quand la conduite venant du champ de capteurs est très chaude – est toujours dirigée vers la partieinférieuredel’accumulateur,lastratificationestperturbéeparl’eauchauffée qui se déplace vers le haut.

Dispositif de charge individuelle des couchesOn trouve sur le marché de nombreux dispositifs permettant de charger individuellement les différentes couches. La plupart ont pour but d’amener l’eau qui entre dans l’accumulateur vers la couche de même densité, ce qui correspond également à la même température.

Sil’accumulateurestaurepos,lastratifications’établitd’elle-même,parsuitedes différences de densité. Elle est favorisée par une forme « élancée et mince » de l’accumulateur (rapport diamètre/hauteur: 1 sur au moins 1,8). Mais elle est perturbée par les facteurs suivants:

• Introductionetprélèvementdel’eaudansl’accumulateur• Vitessed’écoulementélevéeauxpointsd’entréedansl’accumulateur• Brassageinutileducontenudel’accumulateur(dépendduschémahy-

draulique)• Dans certaines circonstances, des échangeurs de chaleur immergés peu-

vent provoquer un brassage considérable du contenu de l’accumulateur.

Une bonne stratification en température est très impor-tante pour les accumulateurs solaires.

Grâce à l’accumulateur de chaleur, le décalage temporel entre l’offre et la demande de chaleur n’a que peu d’effet sur la performance de l’installation.

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2.2.2 Pertes thermiques de l’accumulateur

IsolationL’isolation thermiquede l’accumulateur doit être sans faille aucune.Afind’éviter toute circulation d’air, il est très important que l’isolation adhère bien à la paroi de l’accumulateur et que la housse externe soit étanche à l’air.

Epaisseur d’isolationL’épaisseur minimum de l’isolation dépend de la qualité du matériau isolant. Elle est prescrite par la législation et doit être respectée par le fournisseur:

Epaisseur minimum de l'isolation thermiqueVolume de l'accumulateur λ >0,03 W/m K λ <0,03 W/m K- jusqu'à 400 l 100 mm 80 mm- de 400 à 2000 l 120 mm 100 mm- à partir de 2000 l 160 mm 160 mm

Afindeperdre lemoins de chaleur possible, tous les raccordements etraccords de l’accumulateur doivent être isolés et munis d’un siphon ther-mique. Lorsque des vis de rappel sont utilisées pour raccorder les condui-tes, l’isolation devrait être démontable. Utiliser par exemple des coques de moussealvéolaireflexible(Armaflex,Tubolit,etc.).

Lorsque les circuits hydrauliques sont à l’arrêt, la circulation à contre-courant à l’intérieur d’une conduite peut être bloquée grâce à l’installation d’unsiphon thermique sur les raccordements de l’accumulateur, ce qui réduit considérablement les pertes de chaleur. La hauteur du siphon dépend de la conductivité thermique de la paroi du tube. Les tubes en cuivre ou en acier nécessitent un siphon plus grand que ceux en acier inoxydable ou en matière plastique composite; toutefois, le minimum est de 7 cm.

Fig. 18: Thermographie de l‘accumulateur

Fig. 17: Mauvais exemples: raccordement et bouchon non isolés.

Les raccords non isolés peu-vent causer des pertes ther-miques considérables.

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Mes notes:

2.2.3 Construction d’un chauffe-eau Les chauffe-eau à accumulation sont produits en série et existent dans le commerce avec ou sans échangeur de chaleur immergé (acier avec revête-ment en émail ou en matière plastique; acier au chrome-nickel). Il faut éviter d’utiliser les accumulateurs et les échangeurs de chaleur revêtus d’une matière plastique.

Fig. 20:Structure d’un chauffe-eau

à gauche:1 échangeur de chaleur pour la charge par l’énergie solaire 1 échangeur de chaleur pour le chauffage d’appoint

à droite:1 échangeur de chaleur pour la charge par l’énergie solaire Pas d’échangeur de chaleur pour le chauffage d’appoint

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2.2.4 L’accumulateur du chauffage – L’accumulateur combiné Chaque fois qu’une installation solaire est prévue pour apporter un com-plément au chauffage, cette même installation doit également préparer l’eau chaude sanitaire. C’est dans ce but qu’a été créé l’accumulateur combiné. Il s’agit d’un accumulateur stockant à la fois l’eau chaude sanitaire et l’eau dechauffage.Lerecoursàunaccumulateurdecetypesimplifielapartietechnique des installations.En général, les accumulateurs combinés ont besoin de niveaux de tempé-rature différents pour l’eau chaude sanitaire et pour le chauffage. La gestion des transferts de chaleur a lieu selon le principe suivant: charge de haut en bas, décharge de bas en haut. Voir également le cours de perfectionnement 2.3.1. Le positionnement des raccordements pour amener et prélever l’eau chaude sanitaire et l’eau de chauffage est extrêmement important.

Fig. 21:Accumulateur combiné «Jenni» pour eau chaude sanitaire et chauffage, avec échangeur solaire.

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2.2.5 La charge de l’accumulateur par l’énergie solaire

1 Accumulateur2 Echangeur de chaleur3 Pompe de circulation4 Champ de capteurs

1 Accumulateur2 Echangeur de chaleur

inférieur3 Echangeur de chaleur

supérieur4 Vanne de commutation à

trois voies5 Pompe de circulation6 Champ de capteurs

1 Accumulateur2 Echangeur de chaleur

externe3 Pompe de circulation du

circuit secondaire4 Pompe de circulation du

circuit de captage (circuit primaire)

5 Champ de capteurs

2.2.6 Echangeurs de chaleur immergésLeséchangeursdechaleurimmergéssimplifientlatechniqued’installation.Dans le domaine des chauffe-eau, on trouve des échangeurs équipés de tubes lisses ou de tubes à ailettes. Pour obtenir une bonne performance des échangeurs avec tube en spirale, il convient de les monter avec leur axe placé verticalement.

Dimensionnement de l’échangeur à tube lisse 15 % de la surface des capteursDimensionnement de l’échangeur à tube à ailettes 25 % de la surface des capteurs

Fig. 23:Charge avec stratification par deux échangeurs de chaleur immergés(Classeur solaire - chapitre 5.3.4)

Fig. 24:Charge par un échangeur de chaleur externe(Classeur solaire - chapitre 5.3.4)

Fig. 22:Charge par un échangeur de chaleur immergé (Classeur solaire - chapitre 5.3.4)

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Echangeurs de chaleur à tube à ailettesAujourd’hui, ces échangeurs ne jouent plus qu’un rôle secondaire. Dans les installations d’eau chaude sanitaire, ils ont tendance à s’entartrer fortement à cause de l’espace réduit entre les ailettes.

Echangeurs de chaleur à tube lisseCes échangeurs ont beaucoup moins tendance à s’entartrer. Ils ont même un effet autonettoyant marqué. Le calcaire qui se dépose ne peut pas adhérer et se détache du tube lisse sous l’effet des variations de la température.

Des systèmes plus coûteux pour la préparation de l’eau chaude sanitaire ou pour l’apport d’un complément au chauffage prévoient deux échangeurs de chaleur pour le transfert de la chaleur solaire. Il devient ainsi possible d’enclencher moinssouventlechauffaged’appoint(chargeavecstratification).

La perte de charge d’un échangeur de chaleur ne devrait pas dépasser 15 kPa. C’est pourquoi les échangeurs de grandes dimensions sont à double spirale. Mais au-delà de 6 m2 de surface d’échange, il devient nécessaire d’utiliser des échangeurs externes, car il n’est pratiquement plus possible de construire des échangeurs immergés de cette taille.

2.2.7 Echangeurs de chaleur externes – Dimensionnement Les échangeurs de chaleur externes sont surtout utilisés dans les installa-tions de grandes dimensions, dans lesquelles la surface d’échange obtenue avecdeséchangeursdechaleuràfaisceaudetubesestinsuffisante,oualors quand il s’agit de transformer ou d’adapter une installation existante. En général, ce sont des échangeurs à plaques. Dimensionner ce genre d’échangeur n’est pas simple et demande de l’expérience. Le calcul devrait être effectué avec la collaboration du fournisseur.

Important: L’utilisation d’échangeurs de chaleur à plaques brasées dans des installations solaires destinées à la production d’eau chaude sanitaire est risquée, car les hautes températures présentes peuvent provoquer un entartrage tel que la circulation de liquide peut en être complètement bloquée. Dans ce cas, il n’est plus possible d’enlever le calcaire. C’est pourquoi il faut prévoir un échangeur de rechange ou un ensemble de vannes permettant de détartrer sans devoir démonter. Les fournisseurs proposent ce genre de solution. Plus coûteux, les échangeurs de chaleur vissés peuvent être démontés et nettoyés de leur calcaire, même si celui-ci les bloque com-plètement (ce qui est tout à fait recommandé si l’eau contient beaucoup de calcaire et de sédiments).

Fig. 25:Dispositif de rinçage pour le détartrage de l’échangeur

Important: Lors du raccordement de l’échangeur de chaleur, il faut prévoir un siphon thermique et un purgeur manuel à l’entrée (côté chaud, en haut).

Les échangeurs de chaleur vissés peuvent toujours être nettoyés

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2.2.8 Dimensionnement de l’accumulateur L’accumulateur est dimensionné en fonction des objectifs de l’installation et de la surface de capteurs installée.

La relation entre le volume de l’accumulateur et la surface de capteurs est extrêmement importante. Les règles à observer sont différentes selon qu’il s’agit d’un chauffe-eau solaire ou d’une installation combinée conçue pour l’eau chaude et un complément au chauffage.

Volume de l’accumulateur d’un chauffe-eau solaireLe volume total de l’accumulateur est la somme du volume de préchauffage (chauffé à l’énergie solaire) et du volume maintenu en température (qui peut être chauffé par l’énergie d’appoint). En ce qui concerne les petites installations, il est vivement recommandé de choisir un volume de préchauf-fageassezgrandpourquelachaleursolaireaccumuléesuffiseàcouvrirlesbesoins en eau chaude du jour suivant si le ciel est couvert ce jour-là.

Valeurs indicatives du volume de préchauffageVolume de préchauffagepour des installations prévues pour jusqu’à 20 personnes

au moins 50 l par m2 de surface de capteurs

pour des installations prévues pour 20 à 100 personnes

40 l par m2 de surface de capteurs

pour des installations prévues pour plus de 100 personnes

30 l par m2 de surface de capteurs

Volume maintenu en températureLe volume maintenu en température dépend de la disponibilité de l’énergie d’appoint. Il doit couvrir les besoins d’une journée au maximum, y compris les pertes. Si l’énergie d’appoint est disponible plus d’une fois par jour, le volume disponible peut être réduit en conséquence.

Mes notes:

Volume d’un accumulateur combinéLe volume de l’accumulateur est choisi principalement de manière à permettre la fourniture d’un maximum d’énergie solaire au cours d’une saison. Un volume troppetitréduitlacapacitéetlaflexibilité,unvolumetropgrandaugmentelespertes et l’espace nécessaire. En été, les accumulateurs combinés ont tendance à surchauffer, ce qui oblige à choisir des accumulateurs plus grands.

Volume total minimum nécessaireVolume totalpour les installations ayant une surface de cap-teurs jusqu’à 15 m2

>100 l/m2 de surface de capteurs

pour les installations ayant une surface de cap-teurs de plus de 15 m2

>130 l/m2 de surface de capteurs

Le volume total est la somme du volume de préchauffage et du volume maintenu en tempé-rature.

Le volume total minimum né-cessaire dépend de la surface de capteurs installée.

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Dans les installations vidangeables, cette valeur peut être choisie plus petite si les directives du fournisseur le permettent.

Les accumulateurs permettent d’emmagasiner la chaleur disponible •en attendant qu’elle soit utilisée.Le stockage de la chaleur permet une meilleure utilisation de la •chaleur solaire disponible.Dansunaccumulateur,ilesttrèsimportantquelastratificationreste•intacte.Du point de vue de la construction, on distingue les chauffe-eau et les •accumulateurs combinés.La chaleur est transmise à l’aide d’échangeurs de chaleur immergés •et/ou externes.Les accumulateurs doivent être dimensionnés correctement, c’est-à-•dire qu’ils ne doivent être ni trop petits, ni trop grands.

2.3 Le circuit de captageLa chaleur produite par les capteurs est transportée vers l’accumulateur à travers lecircuitdecaptage.Lafigure26présentelescomposantsdececircuit.

Il existe sur le marché diverses solutions spéciales pour les composants du circuit de captage, lesquels doivent être prévus et utilisés selon les directives du fournisseur.

Les composants du circuit de captage sont décrits plus en détail au chapi-tre 5.3.2 du Classeur solaire. Les fournisseurs aussi se feront un plaisir de transmettre les renseignements nécessaires.

Fig. 26:Schéma de principe d’une installation d’eau chaude sani-taire

1 Capteur solaire2 Circuit de captage3 Pompe de circulation4 Vase d’expansion5 Régulation6 Accumulateur7 Echangeur de chaleur8 Mitigeur thermostatique9 Energie d’appoint

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2.3.1 Choix des tubesLes tubes, les raccords et les joints doivent pouvoir supporter les tempéra-tures que l’on rencontre dans un circuit de captage, qui peuvent dépasser 150 °C:

• Acausedeleurfaiblerésistancethermique,lestubesenmatièreplastiquesont inadaptés.

• Lestubesetlarobinetteriezinguésnedoiventpasêtreutilisés,carleglycol utilisé comme antigel dans le circuit de captage attaque le zinc.

• Lesraccordssertisdoiventêtreexpressémentautorisésparlefournisseuravant d’être utilisés. Il existe dans le commerce des O-ring spéciaux pour divers produits utilisés en technique solaire.

• L’extérieurdestubesnoirsdoitêtreprotégécontrelacorrosion.

Il faut tenir compte de la dilatation thermique des conduites. C’est surtout dans les installations de grandes dimensions que les dilatations doivent être calculées et qu’il faut prévoir les coudes de dilatation nécessaires et lespointsfixescorrespondants.

Les dimensions des tubes doivent être correctement déterminées/calcu-lées. Un diamètre trop grand cause des pertes thermiques inutiles. De plus, purgerl’installationestalorsdifficile,voireimpossible.Al’opposé,untubetrop petit cause une perte de charge trop importante, ce qui provoque une consommation excessive et inutile d’énergie par la pompe. De manière in-dicative, la vitesse d’écoulement dans le circuit de captage d’une installation ayant 20 m2 de capteurs au plus doit se situer entre 0,6 et 1 m/s. Dans les installations plus grandes, on choisira les tubes d’après les directives des fournisseurs.

Actuellement dans les petites installations jusqu’à 20 m2, on n’utilise presque plusquedesconduitescompactes,flexibles,isoléesthermiquementenusine,aveccâbledesondedetempératureintégré.Lesfournisseursdonnentlespertes de charge pour ce type de conduites qui peuvent être soit en cuivre doux, soit, pour les grandes installations, en acier inoxydable (tube ondulé flexible).

L’isolation thermique des tubes doit être choisie, elle aussi, en fonction des températures prévues. Les isolations PIR et Tubolit sont inadaptées. En général, on utilise des coques de laine minérale ou des produits en mousse élastomère(AeroflexouArmaflex).

Fig. 27:Section d’une conduite com-pacte isolée thermiquement(Source: Armaflex)

Important: Purger des tubes ondulés est extrêmement difficile. Eviter surtout et toujours de les placer à l’horizontale.

Important: Vitesse d’écoulement située entre 0,6 et 1 m/s

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Les conduites compactes placées à l’extérieur doivent être protégées par un tube métallique ou en matière plastique résistant aux intempéries. Un troudoitêtrepercéauxendroitslesplusbasafind’éviterquel’eaudefuiteoudecondensationéventuellen’atteignel’intérieurdubâtiment.Lestubesondulés en aluminium à plusieurs couches offrent une grande protection et sont faciles à monter.

Pour le dimensionnement des conduites, on se reportera au chapitre 2.3.7 du cours de perfectionnement.

2.3.2 Le groupe hydraulique Il est recommandé d’utiliser les groupes hydrauliques que l’on trouve dans le commerce, sauf pour les installations compactes. Ces groupes sont com-posés des éléments suivants:

Pompe solaire: assure le débit nécessaireDébitmètre: possibilité de contrôle du débitVannes d’arrêt: permettent de démonter des parties de

l’installation pour assurer l’entretienManomètre: sert à surveiller la pression de service de

l’installationSoupape de sécurité: protège les composants de l’installation contre

toute surpressionThermomètres: indiquent les températures de la partie chaude

et de la partie froide du circuit de captageClapet anti-retour: empêche toute circulation en sens inverse (par

gravité) lorsque la pompe est arrêtéeRobinetterie de remplissage permet le rinçage forcé du circuit, effectué àet de rinçage: l’aide d’une pompe supplémentaire, avec con-

tournement de la robinetterie du groupeCollecteur d’impuretés: intercepte les impuretés en suspension dans

le circuit; est indispensable surtout dans les installations de grandes dimensions.

Fig. 28: Tubes de protection flexibles pour conduites com-pactes montées à l’extérieur

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2.3.3 Le vase d’expansionLes vases d’expansion, connus en technique de chauffage, sont utilisés également dans les circuits solaires non aérés. Ils ont pour fonction prin-cipale de compenser les variations du volume du caloporteur causées par les changements de température. Dans les circuits non aérés et pour différentes raisons, il est aussi possible que le caloporteur s’évapore dans le capteur et dans certaines parties du circuit de captage. Dans ces cas, le vase d’expansion doit aussi pouvoir absorber le volume refoulé par cette évaporation.

Les règles de l’art de la technique de chauffage commandent de placer le vase d’expansion côté aspiration de la pompe. Pourtant, c’est un fait que plusieurs constructeurs parmi les plus importants proposent des groupes hydrauliques avec un raccordement pour le vase d’expansion situé sur le côté froid du circuit de captage, côté refoulement de la pompe, au-dessus de celle-ci et du clapet anti-retour. Cette technique peut être utilisée sans inconvénient dans les installations ne dépassant pas 20 m2 de surface de capteurs, c’est-à-dire dans la majorité des cas, à condition qu’aucun purgeur automatique n’ait été installé dans la partie du circuit en dépression.

Points importants et dimensionnement

• Lesvasesd’expansiondoiventêtrechoisisenfonctiondelapressiond’ouverture de la soupape de sécurité.

• Afind’éviterl’échauffementduvased’expansion,letubequil’alimentedoit être placé verticalement et dirigé vers le bas. Dans les grandes ins-tallations, il convient de poser un vase intermédiaire.

• Lepréréglagedelapressiondel’airduvased’expansiondoitêtrecorrect.En règle générale, cette pression correspond à une colonne d’eau égale à la hauteur de l’installation plus 3 mètres; en divisant cette valeur par 10, on obtient la pression de préréglage exprimée en bar.

• Utiliserdepréférencedesvasesd’expansionsolaires.• Levased’expansiondoitêtreprévupourpouvoirabsorberlesvolumes

déplacés suivants: - 100 % du contenu des capteurs - 100 % du volume des conduites du côté chaud du circuit de captage - 10 % du reste du contenu du circuit - 5-10 % du volume nominal du vase d’expansion

(volume de réserve pour une purge future suite à de petites fuites)

Important: En cas d’utilisation de pom-pes volumétriques, veiller à assurer le retour libre au vase d’expansion, par un contourne-ment de la pompe.

Fig. 29: Groupe hydraulique du circuit de captage avec régula-tion intégrée et raccord pour le vase d‘expansion.

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L’écart entre la plus petite valeur de la pression dans le circuit et la pression d’ouverture de la soupape de sécurité est déterminant pour le dimensionne-ment du vase.

Le dimensionnement du vase d’expansion peut être effectué à l’aide du ta-bleau ci-après. Ce dernier est valable pour les soupapes de sécurité ayant une pression d’ouverture de 3 bar (voir annexe).

D’autrestableauxdoiventêtreconsultésencasdemodificationdelapres-sion d’ouverture.

Exemple:Avec une hauteur d’installation de 8.0 m et un volume refoulé de 50 litres à absorber, le vase d’expansion doit avoir un volume total de 140 litres.

2.3.4 Les purgeurs Des purgeurs doivent être installés au moins au point le plus élevé du circuit et au raccordement de la conduite venant des capteurs, à l’entrée de l’accumulateur, c.-à-d. à l’endroit où la conduite est munie d’un siphon thermique. Ceci facilite le remplissage complet de l’installation. D’autres purgeurs sont nécessaires selon le tracé de la conduite. Les installations de grandes dimensions ont besoin en outre de bouteilles d’air.

2.3.5 Installations à capteurs vidangeables – Drain-back – Steam-backEnfindecompte,lesinstallationsàcapteursvidangeablessedistinguentdes installations traditionnelles presque uniquement par la construction de ceux-ci. Elles ont été développées aux Pays-Bas pour répondre à une règlementation imposant deux échangeurs de chaleur entre le circuit d’eau glycolée et l’eau potable, protégeant du même coup les installations et les personnes contre la surchauffe. La protection contre la surchauffe est traitée en détail dans le chapitre 5.3.9 du Classeur solaire. Dans le cadre du présent cours, la protection contre la surchauffe est traitée en détail dans le cours de perfectionnement. La pompe solaire s’arrête lorsque la température Tmax désirée est atteinte dans l’accumulateur, et celui-ci ne reçoit alors plus de chaleur. On distingue deux types de vidange des capteurs.

8 1.31.1 52.4

140

á

Fig. 30:Dimensionnement du vase d’expansion pour une soupape de sécurité réglée sur 3 bar.

La soupape de sécurité ne doit pas s’ouvrir tout de suite, même en cas de refoulement du contenu entier du champ de capteurs. Tenir compte de la pression d’ouverture lors du dimensionnement.

Important: Ne pas utiliser de purgeurs au-tomatiques. Tenir compte des instructions du fabricant.

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Installations à capteurs vidangeables vers l’intérieur – Drain-back – Backbox (vidange par gravité)Sous l’effet de la pression hydrostatique dans le circuit, le caloporteur quitte les capteurs et est recueilli dans un récipient placé en général sur le côté chaud du circuit, à l’entrée de l’accumulateur. Pour que cela soit possible, les conditions suivantes doivent être remplies:

• N’utiliserquedescapteursavecabsorbeurssanssiphon(absorbeursenforme de claire-voie ou serpentins ascendants).

• Neplaceraucunclapetanti-retourdanslesgroupeshydrauliques.• Afinquel’airpuisseretournerdanslecapteuraprèsledéclenchement

de la pompe, la conduite qui se trouve entre le récipient recueillant le caloporteur et le point le plus élevé du champ de capteurs ne doit pas avoir de pente contraire.

• Ultérieurement, lapompedoitpouvoir remplirànouveau lecircuitdecaptage(contrôlersahauteurmanométriqueaveclefournisseur!).

1 Accumulateur2 Echangeur de chaleur3 Récipient drain-back re-

cueillant le caloporteur4 Pompe de circulation5 Champ de capteurs

Presque toutes les installations à capteurs vidangeables commercialisées sont remplies avec un mélange antigel (2.3.6). Plusieurs fabricants le pro-posent, sous différentes marques.

Installations vidangeables par la vapeur – Steam-back La différence par rapport aux autres installations vidangeables se trouve dans la construction du récipient recueillant le caloporteur. La conduite de retour (vers le capteur) est introduite dans le récipient de récupération du liquide refoulé de telle manière qu’il n’y a aucune différence de pression hydrostatique. En comparaison avec l’installation drain-back, l’installation steam-back ne se vide que lorsqu’il y a formation de vapeur dans le capteur. Pour ce faire, les conditions suivantes doivent être remplies:

• N’utiliserquedescapteursmunisde tubecollecteuret/oude raccor-dement situés au bas du capteur, ce qui permet une vidange rapide et complète lorsque l’installation part en stagnation.

• Neplaceraucunclapetanti-retourdanslesgroupeshydrauliques.• Lespompesvolumétriquesontbesoind’unbypasspourpermettrelepas-

sage du caloporteur en cas de stagnation. Le liquide ne peut pas traverser la pompe en sens inverse. Après la recondensation du caloporteur dans les capteurs, le circuit est de nouveau rempli et prêt à fonctionner.

Fig. 31: Installation drain-back avec vidange par gravité

Attention: Les pompes volumétriques ont besoin d’un bypass pour per-mettre le passage du calopor-teur en cas de stagnation. Le liquide ne peut pas traverser la pompe en sens inverse.

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1 Accumulateur2 Echangeur de chaleur3 Vanne du bypass4 Pompe de circulation5 Récipient de récupéra-

tion du liquide refoulé6 Section d’équilibrage de

la perte de charge7 Champ de capteurs

Avantages des installations vidangeables:• Fonctionnementsimplifiédel’installationsolaire,surtoutpendantlasaison

chaude.• La plupart des composants de l’installation sont protégés contre la

surchauffe.• Danslesinstallationsvidangeablesdutypedrain-back,lacirculationdu

caloporteur par gravité, qui, après l’arrêt de la pompe, dans une installa-tion non vidangeable, renvoie aux capteurs une partie de la chaleur de l’accumulateur et provoque ainsi des pertes, est impossible.

Désavantages des installations vidangeables: • Lecontenuantigelducircuitdecaptageestsensibleàlachaleur.Ce

mélange doit faire l’objet d’un entretien plus important.• Les capteurs peuvent être exposés de manière prolongée à des températures

très élevées et à de fortes variations de température. Ils doivent pouvoir supporter cette sollicitation supplémentaire pendant plus de 30 ans.

Il y a longtemps déjà que des efforts sont faits dans le but de faire fonctionner des installations vidangeables exclusivement avec de l’eau, sans antigel, mais aucune solution simple et sûre n’a été trouvée à ce jour. Il existe quel-ques produits commercialisés qui fonctionnent correctement.

2.3.6 Le caloporteur – Remplissage du circuit de captageLe liquide caloporteur a pour fonction de transporter la chaleur du capteur versl’échangeurdechaleur.Normalement,l’eauseraitpourcelalemeilleurchoix. Dans les installations solaires courantes, le caloporteur doit en plus remplir les fonctions suivantes:

• Protectioncontrelegel• Protectioncontrelacorrosion• Elévationdupointd’ébullition En Suisse, nous utilisons généralement des mélanges d’eau et de glycol. Ce dernier est soit de l’éthylène glycol, soit du propylène glycol, dont il existe plusieurs fabricants.

Fig. 32:Installation vidangeable par la vapeur: vidange uniquement en cas de formation de vapeur dans le capteur

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Ethylène glycolCe type de glycol a les propriétés physiques les plus intéressantes de tous les caloporteurs utilisés couramment dans les installations solaires ther-miques. Son désavantage est sa toxicité, car il fait partie de la classe de toxicité 4. L’éthylène glycol peut néanmoins être utilisé sans problème dans les installations solaires.

Propylène glycolLes propriétés physiques du propylène glycol sont un peu moins favorables que celles de l’éthylène glycol. Mais le propylène glycol n’est pas toxique.

ToxicologieLes deux types de glycol utilisés dans le solaire contiennent des inhibiteurs de corrosion, lesquels peuvent également être toxiques. Il existe des ca-loporteurs absolument non toxiques, mais ils sont plus chers.

Proportions du mélangeLes proportions du mélange doivent être telles que le caloporteur ne puisse pas geler, même lorsque la température extérieure atteint sa valeur la plus basse. Cette valeur doit être choisie avec le fournisseur. L’eau utilisée pour le mélange doit toujours être déminéralisée. Si, après remplissage du circuit, il reste du caloporteur mélangé, celui-ci ne doit pas être évacué à l’égout. Le mieux est d’étiqueter ce reste et de le conserver pour les travaux d’entretien futur sur l’installation.

Le type de produit et les proportions du mélange doivent pouvoir être lus directement sur l’installation et dans la documentation de l’exploitant.

Dans un circuit de captage, la chaleur est transportée des capteurs •vers l’accumulateur.Dans un circuit de captage, la température peut dépasser 150 °C.•On choisira des matériaux appropriés pour les conduites, les rac-•cords et les isolations.On utilisera des groupes hydrauliques adaptés au solaire.•On dimensionnera correctement la pompe, les conduites et les vases •d’expansion.On placera judicieusement les purgeurs et n’utilisera que des pur-•geurs manuels.

2.4 Le régulateur solaire Le régulateur solaire veille au bon fonctionnement de l’installation. Les pompes de circulation sont mises en marche ou arrêtées et les vannes sont régléesen fonctiondescritèresfixéspour l’installation concernée. Il estfondamental que le régulateur soit simple à utiliser et ses fonctions faciles àcontrôler.Lestempératuresmesuréesdevraientêtreaffichées,cequiestavantageux pour l’exploitant et pour le personnel d’entretien.

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2.4.1 Les fonctionsTous les systèmes courants ont besoin d’une ou même de plusieurs diffé-rences de température mesurées. Une installation standard (c.-à-d. un champ de capteurs et un accumulateur à un échangeur de chaleur) nécessite deux sondes de température, une sur le capteur situé à la sortie du champ (partie chaude) et l’autre dans l’accumulateur.

La sonde du capteur devrait être appliquée contre l’absorbeur (ce qui n’est paspossibleavecdescapteursàtubessousvide).Commesoncâble,elledoit pouvoir supporter des températures pouvant atteindre 200 °C.

La sonde de l’accumulateur est vissée dans un embout prévu à cet effet dans un doigt de gant de l’accumulateur. La hauteur de positionnement optimum se situe à mi-hauteur de l’échangeur solaire ou plus bas, mais pas plus cependant que la conduite de retour aux capteurs (côté froid), selon la puissance de l’échangeur de chaleur et sa construction.

Attention: Si l’accumulateur est en acier inoxydable, les doigts de gant doi-vent l’être aussi.

Fonction: La pompe solaire se met en marche lorsque la température de la sonde du champ de capteurs est plus élevée que celle de l’accumulateur.

On suivra les directives du fournisseur ou du fabricant lors du réglage du régulateur solaire.

Mes notes:

Autres fonctions de la régulation dans une installation solaire:

• Protectiondel’installation• Protectioncontrelasurchauffe• Surveillancedel’installation• Mesuredel’apportsolaire• Commandeduchauffaged’appoint

Fig. 33:À gauche: régulateur solaireAu milieu: sonde à immersion À droite: doigt de gant

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Fig. 34:Les principaux schémas hy-drauliques pour lesquels une régulation solaire a été conçue.

2.4.2 Les différents types d’installations – Exigences En matière de régulation solaire, il existe des produits qui peuvent être utilisés dans une trentaine de systèmes hydrauliques. Ceci dépasse bien évidemmentlecadredelaprésenteformation.Nousneprésentonsdoncici que les 4 principaux systèmes.

2.5 Les autres composants

2.5.1 Le mitigeur thermostatique Au cours de la saison chaude, les températures présentes dans un chauffe-eausolairesontplusélevéesquedansunchauffe-eautraditionnel.Afindeprotéger lesutilisateurs(surtout lesenfantsenbas-âgeet lespersonnesâgées)contrelesbrûlures,ilestabsolumentnécessaired’installerunmitigeurthermostatique. La délivrance de la déclaration de garantie pour installation solaire est subordonnée à l‘installation d‘un mitigeur thermostatique.

Fig. 36:Mitigeur thermostatique avec schéma

Mes notes:

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Avec le soutien de par Partenaires: Agence des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique (AEE); Association suisse des entre-preneurs poêliers-fumistes et carreleurs (SPC); Association suisse des maîtres professionnels des installations du bâtiment (SFCV); Associa-tion suisse des maîtres ramoneurs (ASMR); Association suisse des professionnels de l’énergie solaire (Swissolar); ssociation suisse du froid (ASF); Association suisse et liechtensteinoise de la technique du bâtiment (suissetec); Association suisse Toitures et Façades (ASTF);Chauffages au bois Suisse (FSIB); Energie-bois Suisse; Groupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur (GSP); Haute Ecole spécialisée de Lucerne, Département Technique et Architecture; Office féderal de l‘énergie (OFEN); Société suisse des ingénieurs en technique du bâtiment (SICC); Société suisse pour la géothermie (SSG); Union suisse des installateurs-électriciens (USIE); Union suisse des professionnels de la technique sanitaire et chauffage (USTSC); Union suisse des sociétés d’ingénieurs-conseils (usic)

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