Installation Solaire thermique chauffage et ECS en Ardèche Méridionale

J'ai terminé la construction de ma maison en 2001 à St Germain, petit village de 500 âmes dans le sud de l'Ardèche. Le climat y est très contrasté: des températures descendant à -15°C en hiver et frôlant les 40°C les journées de canicule, beaucoup de vent (la vallée du Rhône n'est qu'à 15Kms), de longues semaines d'automne pluvieuses mais malgré tout un Soleil très généreux.


L'équipement de chauffage est constitué d'une chaudière fioul avec ballon de production d'eau chaude sanitaire (ECS) intégré de 90l et d'un plancher chauffant sur toute la surface habitable de la maison (125m2).


Le matériel solaire:

6 capteurs plans GM2510 Tinox et un ballon double serpentin de 350 litres du groupement d'achat APPER. Le reste vient de différentes grandes surfaces de bricolage, de grossistes pour les profilés acier du support capteurs et les tuyaux PER de liaison, et d'un peu de récup.

Le budget total est de moins de 3000€.

Je voulais, avant tout, avoir une installation la plus simple possible.

J'avais envisagé de séparer la partie production d'eau chaude sanitaire de la partie chauffage et d'installer deux ballons de stockage, un de 350l pour l'ECS et un de 1000l pour le chauffage. 

Après un rapide calcul je me suis rendu compte que ma chape de plancher chauffant (125m2 x 12cms) avait une capacité thermique équivalente à 6000l d'eau. 

J'ai alors décidé de réaliser un pseudo PSD (plancher solaire direct). Je dis pseudo parce qu'en général les capteurs, dans ce type d'installation, sont reliés directement au plancher chauffant ce qui m'obligeait à remplir tous les circuits d'antigel, soit 35l pour le circuit primaire et 120l environ pour le plancher: solution qui ne me paraissait ni écologique ni économique. Il me fallait séparer les deux circuits.

Comme prévu, ce branchement simplifié a une puissance de sortie très limitée tout simplement parce que dans ce type de ballon le serpentin haut est étudié pour recevoir de l'énergie (d'une chaudière par exemple) et non pour en donner.
Les deux serpentins étant positionnés l'un sur l'autre la stratification est perturbée par le refroidissement du haut du ballon. On a la formation de couches d'eau froide en haut et chaude en bas qui ont du mal à se mélanger. Les capteurs fonctionnent alors à haute température ce qui fait terriblement chuter leur rendement.

Pour soutirer suffisamment d'énergie il me fallait faire chauffer l'ECS jusqu'à 60°C, puis démarrer le circulateur du circuit secondaire. La température de l'eau du départ plancher chauffant chutait très rapidement pour se stabiliser vers 25°C. Un débit de circulation plus important baissait encore cette température, montrant bien que la puissance de transfert était limitée. Par une belle journée d'hiver ensoleillée, on sentait très bien ce phénomène: Vers 14h le fluide caloporteur en sortie de capteurs était à 60/70°C et l'eau en sortie de serpentin supérieur plafonnait à 28°C.

De plus ce branchement ne me permettait pas d'avoir de l'eau chaude et du chauffage.

Cela m'a permis malgré tout, en dix mois, de mieux appréhender les modifications et améliorations à apporter à l'installation.

Circuit ECS: 

Eau froide bas du ballon solaire > eau chaude solaire haut du ballon > bas du ballon intégré dans la chaudière fioul > haut du ballon chaudière sortie ECS. Lave linge et Lave vaisselle branché sur l'eau chaude.


Tous les circuits sont branchés en série. Il n'y a aucune (électro-) vannes, simplement deux circulateurs à commander. Le fluide venant des capteurs passe d'abord par le serpentin bas du ballon ECS. Il passe ensuite par le circulateur puis l'échangeur à plaques et retour capteurs.
Si je ne veux faire que de l'eau chaude, à mi-saison ou en été par exemple, il me suffit de ne pas mettre en route le circulateur chauffage.

Pour transférer les précieuses calories vers le plancher chauffant les deux circulateurs fonctionnent en même temps. La faible surface d'échange du serpentin du ballon ECS (1,2m2) ne récupère qu'une petite partie de l'énergie aux faibles températures nécessaires pour garder un bon rendement des capteurs. L'ECS est simplement préchauffée et fait office de tampon très limité en cas de passages nuageux.

Le plus gros du "travail" est fait par l'échangeur. 

Le rendement des capteurs est proportionnel au deltaT température extérieure/température sortie fluide mais est aussi proportionnel à la puissance solaire reçue. En démarrant les deux circulateurs vers 9h30 le matin, l'eau du plancher chauffant monte doucement en température et maintien un rendement constant. Le passage du circulateur en vitesse plus élevée ne change pas beaucoup la température de sortie de l'échangeur mais augmente l'énergie récupérée. 

Contrairement à ma première expérience où le "contact" entrée/sortie se faisait par un distance "isolante" d'eau (conductivité thermique ~= 0,6 W/m.K), avec l'échangeur à plaques (conductivité thermique de l'inox ~= 40 W/m.K, soit 60 fois plus que l'eau) le transfert est beaucoup plus rapide et efficace. Le principal défaut est que ce modèle d'échangeur, prévu pour réchauffer de l'ECS en instantané dans une chaudière gaz, a des pertes de charges trop élevées aux débits importants rencontrés dans les installations de chauffage solaire.

Améliorations 2008: