LA TECHNOLOGIE DES CESI

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

2. Point N°2 de la CHARTRE QUALISOL - Préconiser des matériels solaires bénéficiant de mécanismes de Certification reconnus à l'échelle européenne (CSTBat, SolarKeymark, …), et être le relais des informations de l'Association Qualit’EnR et des organismes publics, 3.1 LES DIFFERENTS TYPES DE CHAUFFE- EAU SOLAIRE INDIVIDUEL

3. Les différents types de CESI Il existe deux familles de systèmes CESI Circulation forcée circulation naturelle (Thermosiphon) auto vidangeable Sous pression Monobloc Éléments séparés R R nota: l’appoint peut-être INTERNE ou EXERNE au ballon de stockage du CESI. Tous ces différents systèmes sont actuellement éligibles aux primes publiques “Chauffe-Eau Solaire Individuel” ainsi qu’au crédit d’impôt.

4. Les différents types de CESI • Chauffe-eau thermosiphon monobloc Vue en coupe

5. Les différents types de CESI GIORDANO CALPAK CALPAK SUNMASTER

6. ECS EFS Les différents types de CESI • Chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés

7. Les différents types de CESI • Chauffe-eau thermosiphon à éléments séparés E.ZINC

8. Les différents types de CESI • Chauffe-eau solaire constitué d’éléments séparés, dit à circulation forcée ECS R EFS

9. R Les différents types de CESI • Chauffe-eau auto-vidangeable, à circulation forcée Il existe plusieurs techniques d’auto-vidangeable La réserve est séparée et située au dessus de l’échangeur. La réserve est située dans l’échangeur de gros diamètre. ZONE HORS GEL ZONE HORS GEL R Bouteille de récupération Niveau d’eau à l’arrêt Nota : il existe des systèmes avec circulateur toujours immergé et des systèmes avec pompe volumétrique hors du fluide avec une hauteur d’aspiration.

10. Les différents types de CESI La réserve est constituée par le volume total du ballon. La production d’eau chaude étant assurée par un serpentin noyé. Echangeur sanitaire R ROTEX • Chauffe-eau solaire auto vidangeable constitué d’éléments séparés, dit à circulation forcée ZONE HORS GEL

11. Schéma : les principaux composants • Un système solaire thermique est constitué de trois parties Système compact intégré Zone de captage Zone de transfert Zone de stockage ECS Vers appoint Ballon de stockage Régulation R Échangeur Clapet anti retour Capteurs solaires Soupape de sécurité Pompe de circulation Vase d’expansion Bidon de récupération EFS

12. Captage Transfert Stockage Appoint Distribution 3.2 LES CAPTEURS SOLAIRES THERMIQUES

13. Technologie : Capteur non vitré • Simples et économiques • Métalliques ou en matériau de synthèse • Destinés au chauffage des piscines • Peuvent produite l’ECS dans les pays chauds

14. Technologie : Capteur plan vitré • Réduire les pertes • Augmenter les gains solaires • Réduire les échanges par convection avec l’extérieur • Créer un effet de serre Le coffre Joint d’étanchéité Couvercle transparent Isolant thermique Plaque absorbante Tubes

15. Technologie : Capteur sous vide • Composition : • une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de Ø • dans chaque tube: absorbeur • vide (<10-3 Pa) pour éviter les pertes de l’absorbeur • traitement sélectif de l’absorbeur • pas d’isolation thermique ou de coffre de protection

16. Technologie : Capteur sous vide • 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)

17. Technologie : Capteur sous vide Une diversité de techniques • Principes 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 »

18. Technologie : Capteur sous vide Modèle : - Tube sous vide complet - Circulation directe du liquide caloporteur Capteurs sous vide avec absorbeur à ailette et tubes cuivre concentriques pour la circulation du caloporteur. VIESSMANN Absorbeurs plats pouvant être orientés permettant ainsi de compléter l’inclinaison du toit. Ces tubes peuvent être placés verticalement ou horizontalement VIESSMANN

19. Technologie : Capteur sous vide Modèle : - Tube sous vide complet - Echange de chaleur à effet « Caloduc » Les tubes sont obligatoirement inclinés pour le fonctionnement du principe « caloduc » (Évaporation – Condensation) Collecteur isolé Condenseur du caloduc Circulation du caloporteur Tube acier étanche Absorbeur Liquide descendant Tube sous vide THERMOMAX

20. Technologie : Capteur sous vide Modèle : - Tube sous vide à effet thermos - Circulation directe du liquide caloporteur VAILLANT WAGNER & Co

21. Technologie : Capteur sous vide Modèle : - Tube sous vide à effet thermos - Echange de chaleur à effet « Caloduc » Rayonnement direct Rayonnement direct en oblique SUNGEOGET Miroir en inox placé derrière les tubes afin d’améliorer l’efficacité. Rayonnement diffus

22. Bilan thermique simplifié Bilan thermique des capteurs Rendement Déperditions Comparaison

23. Bilan thermique simplifié • Le capteur plan Puissance utile Pertes thermiques Réflexion du vitrage Irradiance Pertes thermiques Irradiance en Watt Réflexion du vitrage en % Pertes thermiques par convection et conduction en Watt Puissance utile en Watt

24. T2 E[W/m2] T1 Bilan thermique simplifié • Rendement du capteur : 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 Les anciens Avis Techniques donnent : a2 = 0

25. Bilan thermique simplifié 413 W 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

26. Bilan thermique simplifié • Influence de la température extérieure : 322 W 441 W 700 W 700 W Température extérieure : 20°C Température extérieure : 0°C Tm : (T1 + T2 ) / 2 soit (40+50) / 2 = 45 °C ΔT : Tm – Text : 45 – 0 = 45 °C Tm : (T1 + T2 ) / 2 soit (40+50) / 2 = 45 °C ΔT : Tm – Text : 45 – 20 = 25 °C

27. Choix de la technologie des capteurs • 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 Capteur sous vide Capteur plan très performant. Capteur plan moyennement performant Capteur moquette Capteur plan peu performant

28. Performances des capteurs • Températures de stagnation dans les différents capteurs • Capteur souple, genre moquette 60° • Capteur plan vitré caisson ventilé 170/180°C • Capteur plan vitré caisson hermétique 200/230°C • Capteur 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’ensoleillement • En fonctionnement, utiliser les protections contre les surchauffes proposées par les constructeurs

29. R Captage Transfert Stockage Appoint Distribution 3.3 LA BOUCLE DE TRANSFERT

30. 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

31. Le circulateur : son fonctionnement • 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

32. Le circulateur : son fonctionnement • Le circulateur • Les 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)

33. Le clapet anti-retour : 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 un défaut du clapet entraîne une circulation par thermosiphon qui est la cause de pertes thermiques

34. Le clapet anti-retour : son fonctionnement • Le groupe hydraulique est équipé d’un clapet anti-thermosiphon • Un clapet anti-thermosiphon ne doit pas faire oublier la bonne pratique des lyres Vanne ouverte Clapet opérationnel Vanne mi-ouverte Clapet désactivé Vanne fermée Clapet désactivé

35. Le vase d’expansion : son fonctionnement • LE VASE D’EXPANSION • Elément 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.

36. Le vase d’expansion : son fonctionnement • Fonctionnement du vase d’expansion fermé : • Etat du vase à la livraison : • Etat du vase au remplissage : Volume de dilatation (fluide de l’installation) Orifice de raccordement membrane • Etat du vase en condition de dilatation maximale : Volume de gonflage (azote) récipient Vase à membrane Valve de pré gonflage

37. P f Le vase d’expansion : son fonctionnement • 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 à vessie Vase à membrane Azote Eau en contact avec la paroi Eau Azote Vessie

38. Le vase d’expansion : son fonctionnement Vase chauffage Vase solaire CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES Pression de service 4 bar Pression d'épreuve 6 bar Température d'utilisation -10°C / +95°C Vase sur socle de 80 à 1 000 litres CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES Pression de service 4 bar Pression d'épreuve 10 bar Température d'utilisation -20°C / +140°C Résiste aux additifs antigel jusqu’à 50 % CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES Pression de service 3/4 bar Pression d'épreuve 10 bar Température d'utilisation 10°C/+65°C Vase sanitaire

39. Purgeur et dégazeur : rôle et fonctionnement • 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 Privilégier les purgeurs manuels en point haut des capteurs

40. 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 Bouteille de purge Capteur Tube cuivre de 4x6 Vanne en local technique

41. Purgeur et dégazeur : rôle et fonctionnement • Purgeur automatique et bouteille de purge. vis de purge séparateur d'air coquille de protection Isolant • 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 Composants et sous-systèmes des installations solaires thermiques 3-39

42. Purgeur et dégazeur : rôle et fonctionnement • Dégazeur sur la conduite

43. Purgeur et dégazeur : rôle et fonctionnement

44. Les conduites de liaisons : différents types • 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 !!!

45. Les conduites de liaisons : l’isolation • Réduire les pertes de distribution • Epaisseur 19mm • Résistant aux UV en extérieur • Protection mécanique si nécessaire

46. - + 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 -50 -40 -40 -30 -30 1.30 -40 -20 1.25 -20 1.20 -30 -10 1.15 -20 -10 -10 PROPYLENE GLYCOL ETHYLENE GLYCOL 0 0 0 Le réfractomètre et les différentes échelles de mesures existantes dans l’appareil WATERLINE

47. Protection contre le gel • 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.

48. 3.4 La régulation : son fonctionnement et les réglages

49. 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. Eau chaude Tc Ballon de stockage R Régulation Capteur solaire Tb Circulateur Eau froide

50. La valeur calculée DT est alors comparée aux différentiels d’arrêt et de démarrage : Le circulateur démarre lorsque T = Tc - Tb > DD = différentiel de démarrage Le 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 Eau chaude Tc Ballon de stockage R Régulation Capteur solaire Tb Circulateur Eau froide