Les technologies

Les fondammentaux du solaire thermique collectif

L’énergie solaire thermique concerne la production de chaleur, elle se distingue du photovoltaïque qui permet de produire de l’électricité.

Traditionnellement, la production de chaleur solaire collective, est réalisée de façon simple au travers des capteurs et d’un circuit hydraulique, comportant un ou plusieurs ballons pour stocker les calories solaires, généralement dans le but de produire de l'eau chaude sanitaire. A partir de deux types de circuit primaire, différents schémas hydrauliques existent. L’ADEME exige de recourir à six schémas de référence retenus par la profession au travers SOCOL, pour bénéficier du Fonds Chaleur.

Au-delà des applications traditionnelles, des technologies "émergentes" sont également à prendre en compte (par exemples : panneaux« hybrides PVTh », systèmes associant capteurs solaires et pompe à chaleur ou "PAC solaires"… ). Ces solutions techniques, considérées comme innovantes, sont soutenues par l'ADEME au titre des Nouvelles Technologies Emergentes (NTE).

Afin d'accompagner les professionnels dans la conception d'une installation de production de chaleur solaire collective, SOCOL a élaboré un document support, regroupant un certain nombre de schémas d'installations solaires "de référence". Ces schémas sont classés par nature et accompagnés de commentaires visant à rappeler les bonnes pratiques de conception. Cette "schémathèque SOCOL" reprend des schémas de principe généraux, détaillant les points importants et notamment le mode de transfert des calories solaires à l’eau sanitaire. Elle ne se veut pas exhaustive et est appelée à évoluer dans le temps.

SOMMAIRE

a) Le captage

b) Les applications techniques


a) Le captage

  • Les types de circuits capteurs (ou primaire)

Systèmes sous pression ou auto-vidangeables, deux types de circuit primaire :

  • les systèmes sous pression ou pressurisés
  • les systèmes auto-vidangeables (ou drain back / gravitaire)

En système pressurisé, comme en auto-vidangeable, le circuit primaire peut être relié au(x) ballon(s) solaire(s) soit par un échangeur noyé soit par un échangeur externe. Les schémas types (voir schémathèque SOCOL) sont identiques dans les deux techniques qui ne différent que sur la partie primaire.

Les systèmes "sous pression" ou "pressurisés" représentent la majorité des installations réalisées actuellement. Ce type de schéma peut être adapté à tout type d'installations où la consommation est régulière et continue. Dans ce type de configuration, le circuit est rempli de liquide/fluide. Le système est mis sous pression pour éviter d’atteindre la température de vaporisation du liquide. Les efforts liés à la dilatation du liquide sont compensés par un vase d’expansion soigneusement dimensionné pour absorber les montées en températures liées au solaire.

Cette technologie est possible en utilisant des capteurs plans vitrés ou sous vide pour les technologies "traditionnelles" et certains capteurs atmosphériques (cas des PAC Solaires).

Les systèmes auto-vidangeables ("drain back" ou "gravitaires"),  en progression, sont particulièrement adaptés aux installations à la consommation d'eau chaude sanitaire intermittente. Dans cette configuration et par rapport à un système sous pression, le système d'expansion "classique" est remplacé par un réservoir fermé, étanche à l’air, qui permet de réceptionner le fluide lorsque la pompe primaire s'arrête alors que l’air remonte dans les capteurs. C'est le circuit primaire qui assure les effets de dilatation du fluide primaire. En fonctionnement le volume d’air contenu dans les capteurs est poussé et stocké dans ce réservoir.

ATTENTION : La technologie de l'auto-vidangeable est possible en utilisant des capteurs plans vitrés prévus à cet effet par le fabricant (tous les capteurs plans vitrés ne sont pas auto-vidangeables !).
Accéder au schéma en version PDF

 

  • les capteurs

Il existe trois types de capteurs :

  • Les capteurs plans vitrés
  • les capteurs sous vide
  • les capteurs non vitrés (ou "moquette" ou "atmosphériques")

 

Les capteurs plans vitrés

 

Les capteurs sous vides

 

Les capteurs moquettes ou atmosphériques

Ces capteurs sont employés pour le chauffage de l’eau des piscines (dans ce cas, le solaire thermique permet de chauffer directement l'eau du bassin) ou l'alimentation des PAC Solaires.

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b) Les applications techniques

Solutions techniques "éprouvées", validées par le Fonds Chaleur :

  • le CESC

L’installation solaire collective comprend le plus souvent un échangeur externe entre le circuit capteurs (circuit primaire) et le circuit eau chaude. Parfois, cet échangeur peut être "noyé" dans le ballon (le plus souvent pour les installations de taille réduite).
Le chauffe-eau solaire collectif centralisé (CESC) propose une production et un stockage centralisés de l'eau chaude sanitaire. L'appoint à la production solaire se fait également de façon centralisée dans la chaufferie.
Le CESC est constitué de quatre éléments principaux :

  1. La boucle solaire primaire qui comprend le capteur solaire et l’échangeur
  2. La Régulation
  3. Le ou les ballons de stockage solaire
  4. L'appoint

Lien vers les schémas de principes: CESC 1 - CESC 2 - CESC 3 - CESC 4

  • L'Eau Morte ou Eau Technique

Ce type de configuration est une application de base qui évite tout stockage (même provisoire) d’eau chaude sanitaire à température inférieure à 50° C. Les calories solaires ne sont plus stockées dans un ballon d’eau sanitaire, mais dans un ballon intermédiaire d’eau de chauffage « dite eau morte ».
Les calories de ces ballons sont alors retransmises à l’eau sanitaire au travers d’un échangeur externe.
Ce type de configuration est principalement adapté aux établissements de santé car il propose une réponse totalement sécurisée au risque de légionnelle. Cependant, il occasionne une dégradation de la performance du système solaire en ajoutant un échangeur supplémentaire par rapport à une configuration standard.

Lien vers les schémas de principes : ET1 - ET2

 

Technologies innovantes et "hybrides" (Nouvelles Technologies Emergentes)

  • le CESCI et CESCAI

Le chauffage de l'eau sanitaire : une production solaire toujours collective mais plusieurs schémas pour l’appoint
Les deux variantes au CESC sont le CESCI et le CESCAI :

  • Le chauffe-eau solaire collectif à appoints individualisés (CESCAI) présente une production et un stockage solaires centralisés. L’énergie solaire permet de préchauffer l’eau sanitaire qui est ensuite distribuée dans les logements. Dans chaque logement, un appoint assure le complément à la préparation d’eau chaude sanitaire.
  • Le chauffe-eau solaire collectif individualisé (CESCI) présente une production centralisée et un stockage solaire décentralisé dans chaque logement. L’énergie solaire est distribuée dans les logements, avec un stockage où l’appoint assure le complément à la préparation d’eau chaude sanitaire.

Ces deux typologies d'installations sont répertoriées dans la schémathèque SOCOL mais ne sont actuellement pas sélectionnées par l'ADEME dans le cadre du Fonds Chaleur.

Lien vers les schémas de principes : CESCI - CESCAI

  • Les PAC solaires
  • Les SSC
  • Les capteurs hybrides
  • Le froid solaire

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Faire du froid et du chauffage avec la chaleur du soleil

Ces dernières années, une demande de confort accrue face à des températures estivales élevées ont conduit à un fort développement de la climatisation dans les bâtiments tertiaires. Simultanément, les techniques passives ou semi actives, semblent avoir été oubliées dans un grand nombre de bâtiments récents.

Ce fort développement de la climatisation est responsable d'une surconsommation électrique menant à des rejets de gaz à effet de serre importants.

Le concept de rafraîchissement solaire constitue une alternative fiable et éprouvée qui contribue à la préservation de l'environnement.

Alors pourquoi rafraîchir avec l'énergie du soleil ?

  • Car la corrélation entre les besoins de rafraîchissement et la ressource solaire permet de réduire les pics de consommations et soulager le réseau électrique tout en faisant des économies d'énergie primaire ;
  • Car les fluides frigorigènes utilisés n’ont pas d’impact environnemental ;
  • Car l’absence de compresseur limite la pollution sonore et augmente la durée de vie des installations tout en limitant la maintenance ;
  • Car l’installation produit initialement du chaud pouvant être utilisé pour le chauffage et/ou la production d’eau chaude sanitaire ; l’énergie solaire captée est ainsi valorisée tout au long de l’année.

Le principe : le solaire comme source de chaleur

En rafraîchissement solaire thermique, l’énergie solaire est utilisée pour transmettre de la chaleur à un système de production :

  • Les systèmes dits « fermé », en eau, utilisent une machine à sorption (ABsorption ou Adsorption) qui ne contient aucun fluide frigorigène et qui transforme par un procédé physique la chaleur en froid. L’eau glacée doit alors être distribuée dans le bâtiment.
  • Les systèmes dits « ouvert », à air, utilisent des centrales de traitement d’air équipées de roues à dessication. L’air est directement réchauffé, refroidit, humidifié ou déshumidifié.

Les procédés avec machine à sorption sont les plus répandus. Une centaine d’installation sont aujourd’hui en fonctionnement en Europe et une vingtaine de fabriquant proposent des solutions allant de 10kWfroid à plusieurs centaines de kW. Les capteurs à utiliser pour ces procédés doivent avoir de bonne performance à partir de 60°C, il faut donc privilégier les capteurs plans haute performance ou les capteurs à tubes sous vide. De nombreux fournisseurs européens proposent là aussi des produits adaptés.

(c) GICB Banyuls

 

Retrouvez une présentation plus précise de cette technologie et des applications possibles sur la page "Le froid solaire".

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Les réseaux de chaleurs solaires

Actuellement, les réseaux de chaleur intégrant une contribution solaire thermique, plus communément appelés Solar District Heating (SDH) au niveau européen, connaissent un développement important, notamment au Danemark, mais également en Autriche où un programme a été initié pour équiper plus de 100 réseaux à horizon 2020, avec une volonté de développer l’industrie nationale.

En 2012, AMORCE a ouvert un groupe de travail sur l’intégration du solaire thermique dans les réseaux de chaleur. Ce groupe est ouvert à tous dans le cadre du programme européen Solar District Heating Plus (SDH+), qui implique 18 partenaires de 13 pays européens.

La France compte trois partenaires dans ce consortium : AMORCE, CEA-INES et TECSOL.

Télécharger la "Plaquette de présentation - SDh+"

En octobre 2011, AMORCE a fait un point sur l’avancement de la filière solaire thermique sur réseaux de chaleur avec un zoom sur quelques installations existantes en Europe ou en projet en France.

Par ailleurs, l'ADEME finance le programme SMART GRID Solaire Thermique.

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