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Zak Vetter a contribué à cet article, qui est initialement paru dans le magazine Home Energy. Il est reproduit avec son autorisation.

Bien avant en 1978, j’ai installé mon premier système de chauffage solaire de l’eau. J’ai continué avec le solaire thermique, en installant de nouveaux systèmes jusqu’à l’expiration des crédits d’impôt en 1986, et j’ai maintenu presque tous les systèmes locaux en état de marche pendant des années après cela. Il est devenu douloureusement évident pour moi que la simplicité est essentielle pour la durabilité et la longévité de tout système solaire thermique. Les systèmes complexes meurent jeunes. À l’époque, le Saint Graal du solaire thermique était de trouver un système qui coûte 1 000 dollars, ce que personne n’a jamais vraiment réussi à faire. De nos jours, vous vous attendez à payer 6 000 à 10 000 dollars pour un système solaire à eau chaude, installé.

Mon ami Martin Holladay a publié un article en mars 2012, intitulé « Le solaire thermique est mort ». Il a suscité beaucoup de discussions avec cet article, y compris quelques dissidences, alors il a publié un autre article en décembre 2014, intitulé « Le solaire thermique est vraiment, vraiment mort. » Martin a examiné les prix du solaire thermique et les a comparés à l’utilisation du PV et d’un chauffe-eau à pompe à chaleur pour faire le même travail. Après avoir fait le calcul, le PV et une pompe à chaleur semblaient battre le solaire thermique pour le chauffage de l’eau.

Mais souvent la réponse que vous obtenez dépend de vos hypothèses, et en concevant et en construisant ce système, nous avons choisi de remettre en question certaines de ces hypothèses communément admises. D’une part, les chauffe-eau à pompe à chaleur sont assez récents pour que nous ne sachions pas vraiment combien de temps ils dureront. D’autre part, il y a de grands avantages à installer un système qui, bien qu’il ne soit pas protégé contre le gel, ne sera pas endommagé par le gel. Ce sont des raisons pour continuer à explorer comment faire fonctionner le solaire thermique simple.

Le projet

Entrez Zak Vetter. Zak m’a demandé d’aider à concevoir et à installer un système solaire d’eau chaude pour sa maison près de Carmel, en Californie. Il s’agit d’un système monté sur le toit d’un bâtiment qui combine espace de vie et magasin. Il avait établi un ensemble simple d’objectifs pour le projet :

• Réduire considérablement ou éliminer le besoin d’énergie hors site pour fournir toute l’eau chaude désirée.
• Construire un système qui fonctionne bien dans des conditions moins qu’idéales. Cela signifie que même par temps nuageux, la plupart (voire la totalité) de la demande d’eau chaude est satisfaite par l’énergie solaire collectée et stockée dans le système.
• Construire un système qui ne nécessite pratiquement aucun entretien.

Je n’avais jamais travaillé avec une liste aussi exigeante. De nombreuses hypothèses entrent dans la conception et la construction d’un système solaire thermique traditionnel, et celles-ci ont été remises en question par les objectifs de Zak. Voici quelques-unes des hypothèses à partir desquelles nous travaillons généralement :

• Le solaire peut fournir, au mieux, 75% de votre chauffage de l’eau.
• Avec la protection contre le gel, le solaire est complexe.
• La surchauffe est un gros problème pour le solaire.
• L’installation du solaire thermique est délicate.
• Les systèmes solaires thermiques nécessitent un entretien annuel.

Les règles de conception impliquent également des hypothèses :

• Nous voulons les capteurs les plus efficaces.
• Dimensionner un système pour l’hiver entraînera une surchauffe en été.
• La tuyauterie parallèle rassemble le plus de Btu.
• Les réservoirs de stockage ne devraient pas être surdimensionnés car cela créera des problèmes de stagnation.
• La protection contre le gel dicte la conception du système.

Il est clair que les objectifs de Zak ne correspondaient pas aux hypothèses standard. Mais je suis content qu’il ait défié les conventions, parce qu’en fin de compte, nous avons construit un système qui coûte moins cher et qui fonctionne mieux que n’importe quel système solaire thermique que je connais. Le système a coûté environ 4 000 dollars et fournit 95 % des besoins annuels en eau chaude de la famille de Zak. Quelqu’un d’habile de ses mains pourrait faire le même travail pour environ 3 000 $, s’il construisait ses propres collecteurs.

Les collecteurs

Voici le raisonnement qui nous a menés là. Vouloir des collecteurs efficaces nous aurait obligés à construire un système plus complexe et plus cher, pour éviter le gel et la surchauffe. Donc à la place, nous avons utilisé des collecteurs vraiment inefficaces ! Ce ne sont que des bobines de tube de polyéthylène de ¾ de pouce sous un vitrage acrylique (voir image n°2, ci-dessous).

Il n’y a pas d’isolation dans les collecteurs, ils ne peuvent donc pas surchauffer et ne risquent pas d’être endommagés par le gel. La température maximale que nous avons mesurée en été sans débit d’eau est de 170°F dans les collecteurs, et ils ont gelé de nombreuses fois sans problème. Ce type de capteur a été testé à San Jose, en Californie, pendant 16 ans et aucun problème n’est apparu. Il s’agit essentiellement de collecteurs de piscine, modifiés pour produire de l’eau chaude sanitaire simplement en ajoutant un vitrage. Ils sont fabriqués commercialement par Gull Industries à San Jose, en Californie.

Chaque serpentin mesure 26 pieds carrés. Un autre avantage de l’utilisation de collecteurs  » inefficaces  » est que nous avons éliminé la nécessité de faire passer des tuyaux en cuivre vers et depuis ceux-ci, en faisant passer des tuyaux PEX à la place. Avec les capteurs traditionnels en cuivre, qui peuvent stagner sous le soleil d’été jusqu’à 400°F, les tubes PEX fondraient assez vite. Mais nous avons pu utiliser des tuyaux en polyéthylène et en PEX pour presque tout, ce qui a encore simplifié le travail (voir image 3, ci-dessous). Nous avons délibérément surdimensionné le système, afin qu’il puisse naviguer pendant les périodes sans soleil et récupérer rapidement lorsque le soleil revient.

Le réservoir

Le réservoir était une autre considération. Normalement, avec tout réservoir doublé de verre (presque tous les chauffages de type réservoir aux États-Unis sont doublés de verre), vous voulez retourner le volume du réservoir quotidiennement pour éviter les problèmes de stagnation et d’odeur. Il s’avère que l’anode fournie avec tous les réservoirs vitrifiés génère de l’hydrogène, que certaines bactéries apprécient particulièrement. Nous avons contourné ce problème en installant un réservoir Marathon de 105 gallons de Rheem (voir image 4, ci-dessous). Il s’agit d’un réservoir non métallique qui ne nécessite pas d’anode, de sorte que l’eau ne vieillit pas et n’est pas contaminée par un renouvellement lent. L’avantage d’un tel stockage est que le système peut continuer à fournir de l’eau chaude pendant les jours sans soleil.

Un autre avantage du réservoir Marathon est son isolation. Il a 3 pouces de mousse, et la littérature dit qu’il ne perd que 5°F en 24 heures. Notre enregistrement de données suggère que c’est plutôt 6-8°F dans notre situation, mais quand même, pas mal. L’isolation était une autre chose avec laquelle nous avons joué.

L’isolation des tuyaux est rarement vraiment épaisse, mais garder la perte de chaleur vers le bas augmente la fraction solaire réelle et réduit la quantité d’énergie d’appoint nécessaire. Nous avons donc décidé de doubler l’isolation chaque fois que possible.

C’est un tuyau PEX de ¾ de pouce avec deux couches d’isolation, pour une épaisseur totale de paroi de 1½ pouce. Il ressemble à un seul gros tuyau une fois installé.

Les chauffe-eau solaires sont normalement conçus comme des systèmes à un ou deux réservoirs. Un seul réservoir est mieux, si vous pouvez le faire fonctionner, car il y a moins d’équipement à partir duquel perdre de la chaleur. De nos jours, cela n’est possible qu’avec un appoint électrique. Nous avons donc déconnecté l’élément inférieur de notre réservoir unique et utilisé uniquement l’élément supérieur comme appoint. Cela empêche la source de chaleur électrique d’entrer en concurrence avec la source solaire. Nous l’avons câblé à 120 volts plutôt qu’à 240, il n’y avait donc pas besoin de faire autre chose que de le brancher. Il faut certes 4 fois plus de temps pour chauffer à la moitié du voltage, mais Zak voulait un bon test du solaire. Le système a été installé en novembre 2014, et il n’a pas encore utilisé la sauvegarde !

Le contrôleur

Le système est géré simplement avec un contrôleur solaire Goldline GL-30 disponible dans le commerce (voir image n°5, ci-dessous). Il mesure la température au niveau du capteur solaire et au fond du réservoir. Il compare les deux et, lorsque le capteur est suffisamment chaud, il met en marche la pompe. La commande dispose de réglages pour affiner ce point de consigne. Heureusement, nous n’avons pas besoin de la commande qui protège contre le gel ou la surchauffe.

Le système a été simple à installer. Si vous regardez juste le temps d’installation, cela n’a pris que six heures-personnes, ce qui est très rapide. Dans le bon vieux temps, une installation rapide nécessitait trois gars et une longue journée, soit environ 24 heures-personnes. Ce système a été installé si rapidement pour plusieurs raisons :

• Nous avons utilisé des tubes en PEX et en polyéthylène.
• Nous avons assemblé les raccords exposés avec des raccords à pousser Sharkbite.
• Le fabricant des capteurs nous a fourni une station de contrôle préconstruite.
• Les capteurs ont été installés sur le toit en utilisant un seul boulon central.
• Nous avions un accès facile au dessous du toit.
• Les capteurs sont quelque peu flexibles et légers.
• Le réservoir de 105 gallons est léger et facile à déplacer.

Performance du système

La performance jusqu’à présent a été bonne. Nous avons enregistré des données à plusieurs points du système afin de comprendre comment il fonctionne.

Le terme fraction solaire est utilisé pour indiquer le pourcentage de l’eau chaude d’une personne qui est chauffée par le soleil. Pour bien faire, la détermination de la fraction solaire impliquerait de mesurer la consommation totale d’eau chaude et de soustraire la partie du chauffage de l’eau qui n’est pas fournie par le soleil.

Nous avons plutôt choisi de simplement remarquer quand l’eau chauffée par le soleil était assez chaude pour prendre une douche. Si l’eau stockée est autour de 105°F, elle est bonne pour la douche. Lorsque nous disons que le système produit 95% de l’eau chaude, cela signifie que Zak obtient une température acceptable pour la douche 95% du temps. C’est une façon rapide et non mathématique de comprendre le fonctionnement général du système. Si nous prenions des mesures précises pour déterminer la fraction solaire, elle serait probablement supérieure à 95 %. Mais parce que nous considérons que tout ce qui est inférieur à 105°F est inadéquat, nous ne prenons pas le crédit de l’eau qui n’est pas tout à fait assez chaude, mais qui est certainement bien au-dessus de la température de l’eau souterraine.

Le graphique de l’image #6, ci-dessous, montre le système pendant les premiers jours du printemps, lorsque le système apporte une contribution admirable à l’approvisionnement en eau chaude de la maison.

Le graphique de l’image #7 montre le système à son pire. Les barres verticales jaunes représentent les périodes d’ensoleillement, et les barres verticales bleues les périodes de nuit. Entre le 21 et le 22, vous verrez même de la pluie ! Mais notez comment quelques heures de soleil hivernal le 23 font grimper le réservoir de près de 20°F.

Les deux autres graphiques, présentés dans l’Image #8, illustrent les différences entre décembre et mars. Dans ces graphiques, nous avons mesuré les sorties de chaque collecteur pour voir si les quatre fournissaient une sortie utile. Il s’avère que les deux premiers collecteurs ont recueilli plus de Btu, mais les deux seconds collecteurs ont chacun fait monter la température plus haut, donc ils ont vraiment aidé – en particulier pendant les périodes les plus froides de l’année.

La pertinence de cette conception

Il y a clairement des limites sur les endroits où ce genre de système peut être installé avec succès. Si ces collecteurs sont couverts de neige, ils pourraient ne pas trop bien fonctionner, il serait donc logique d’éviter les zones qui restent en dessous du point de congélation pendant de longues périodes. Mais comme il n’y a pas de tuyauterie métallique dans ce système, il peut résister à un gel occasionnel. Et si les crédits d’impôt sont la principale motivation pour installer un chauffe-eau solaire, ce système ne fera pas l’affaire, car il n’est pas encore certifié par la Solar Rating and Certification Corporation. Pourtant, ce système devrait coûter moins cher que la plupart des autres systèmes, même sans le bénéfice des crédits d’impôt.

C’est clairement une bonne chose d’apporter de nouvelles perspectives au chauffage solaire de l’eau. En remettant intelligemment en question les vieilles idées et en utilisant des matériaux et du matériel plus récents – comme le réservoir Marathon, la tuyauterie PEX et les capteurs en polyéthylène – Zak nous a poussés à faire mieux que ce que j’avais cru possible.

Larry Weingarten a été élevé sur la péninsule de Monterey en Californie et a travaillé à son compte pendant la majeure partie de sa vie professionnelle. Il a obtenu sa licence d’entrepreneur général en 1982. Larry a écrit des articles sur le chauffage de l’eau et l’énergie pour diverses revues spécialisées ; il a enseigné sur ces sujets pour PG&E, California State Parks, Affordable Comfort et d’autres ; et il a récemment participé à la création de DVD sur ces sujets et d’autres encore. En 2006, il a terminé la construction d’une maison hors réseau ; conçue pour être très efficace, confortable et peu coûteuse, elle a été la 13e maison à répondre au 1000 Home Challenge, une compétition pour la création de maisons superefficaces. Il aime les chats.

Zak Vetter a contribué à cet article. Il a également été élevé sur la côte de Monterey, et travaille à son compte depuis plus de dix ans, réparant et enseignant sur les ordinateurs. Depuis 2008, Zak s’est familiarisé avec le vaste monde de l’efficacité énergétique tout en améliorant sa propre propriété. Le système d’eau solaire présenté dans cet article a été inspiré par une visite à la maison hors réseau de Larry, qui a démontré tout ce qui était possible avec l’énergie solaire.