Tutorial de Low-tech Lab | Catégories : Habitat, Eau, Énergie
Capturing solar energy for domestic hot water or high-efficiency heating
Capturing solar energy for domestic hot water or high-efficiency heating
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Solar panels are very efficient to take advantage of solar radiation. In our latitudes the sun is dispensed up to 1000 Watts per m². With photovoltaic panels we can capture 200 W / m², with thermal it rises to 800W / m², four times more! Solar panels are much more profitable than photovoltaic panels and much less expensive. The solution "home made" Eric Lafond offers us reach easily 500W / m² for a cost of 15 € per m².
This [1] will allow you to know the solar power you can expect to receive depending on the geographical position and of the season.
Solar thermal panels are particularly interesting for domestic hot water production. In this case they are called solar water heater.
For a two people household, you can expect 3 to 4m2 (32 to 43 sq foot) of solar thermal panels to cover 90% of the hot water needs during the year. The hot water tank will take over during the cloudy days. If there are more inhabitants, therefore more water being consumed, you need to increase the size of the solar panels. For example, 6m2 (64,5 sq foot) for 6 people.
The complete system Eric is presenting, which includes home-made panels, supply pipes, coolant, solar balloon, circulator, and a regulator is profitable in two to three years. The panels installed at his house are in their eighteenth year.
These thermal panels are designed in the same way as those of the market : an insulator and a glass window holds a solar collector traversed by a heat transfer fluid in between them. In this situation, the solar collector is the grid one can find at the back of a fridge. Insulation is provided by the doors of that same refrigerator. The glass is collected on double glazing windows. You will find many fridges in landfills or recycling areas, the double-glazing windows usually clutter the glassmakers.
A big thank to Riké, who shared with us his know-how, from his 20 years of experience in the world of energy, and to the members of the Grand Moulin collective who welcome us to the training they organized, particularly to Karine, Sylvain and Pascal. Thanks also to Jean-Loup for the accompaniment on the cutting of the glass and the solders, and to all the other volunteers of the participative building site for their help.
The thermal solar panels that we are creating will have to be installed direcly facing the south, ideally forming an angle of 60° with the horizon, (or on the outside wall, vertically at 90°, if the former is not possible). Rooftop usage of these panels is much less efficient in the winter and causes overheating in the summer (more details in the installation phase).
To maximize the effectiveness of the thermic solar energy, it is necessary to minimize the inertia in the light uptake and to maximize it in the storage or the diffusion. The panels work as soon as there is a sunbeam thanks to their low inertia. The heat is kept for a long time with its great volume and its good insulation.
The pipes of the refrigerator rack have a small diameter (0,15 inches), there is so a low volume of heat transfer fluid to heat in the panel. This low inertia allows to increase fastly the temperature as soon as there is a sunbeam between two clouds and then to heat the hot water balloon. The more the diameter of the pipes increases, the more it needs time to heat a great volume of fluid and the less the system is performant.
So that the panels temperature increases as fast as possible, the volume between the insulating and the glass need to be as little as possible. Then, the thickness of the panel has to be limited, in the limit that the grid doesn't touch nor the bottom neither the glass. Otherwise, it will lose its calories by conduction with the other elements.
The temperatures can exceed 302°F inside the panel, it is then needed to use materials resistant to heat and to UV radiations. It is impossible to use sticks or paints with solvents which don't resist to UV radiations. Here, we use putty PU and acrylic paint. For a good longevity, it is also needed to use rot-proof local wood.
Les nuits d’hiver, il peut faire très froid à l’intérieur du panneau. Les différents matériaux, isolant, métal, bois et verre vont se dilater différemment entre la nuit d’hiver et le plein soleil estival. Les joints qui les unissent doivent être épais pour absorber la déformation, s’ils ne le sont pas assez ils vont s’arracher, on dit qu’ils délaminent.
La particularité et l’ingéniosité de ces panneaux solaires thermiques est d’utiliser des grilles de réfrigérateurs. Mais attention, toutes les grilles ne sont pas bonnes et il faut les utiliser dans le bon sens ! Les grilles doivent être munies d’ailettes de refroidissement et peintes en noires (voir photo). Elles ne doivent pas être en acier galvanisé, la peinture ne tiendra pas dessus. De même, certains réfrigérateurs sont équipés de tuyaux reliés par des fils métalliques, la surface apparente de ces grilles n’est pas suffisante, elles ne sont pas intéressantes pour cet usage.
Les bonnes grilles ont un sens de montage, les ailettes, comparables à des persiennes, doivent capter le soleil. Dans un sens le soleil passera à travers, c’est le mauvais, dans l’autre sens elle capteront les rayons, c’est le bon ! Elles doivent être perpendiculaires aux rayons du soleil.
Astuce : prendre la grille et la lever entre le soleil et soi-même, dans un sens les rayons vont passer et pas dans l’autre.
Les grilles de réfrigérateurs sont parcourues par un fluide frigorifique, nocif pour l’environnement, l’effet de serre et la couche d’ozone. En France les gaz frigorifiques doivent être récupérés. Il existe cependant des dérogations pour les équipements contenant moins de 3 kg de fluide et ce jusqu’en 2025. Les installations domestiques (réfrigérateur et climatiseur) sont donc dégazées avant de poursuivre leur cheminement de revalorisation. On peut donc ouvrir le circuit sans trop mauvaise conscience.
Attention, vous allez faire quelque chose et cela peut comporter des risques.
Les informations et conseils donnés dans ce tutoriel viennent notamment d'atelier fait en commun et ne sont ni parfaits ou exhaustifs. Si vous n'avez pas certains outils ou que vous ne vous sentez pas compétent, n'hésitez pas à demander autour de vous pour être aidé. Pensez à bien porter vos équipements de sécurité, à bricoler dans des espaces aérés et ne vous mettez pas en danger. Soyez précautionneux dans l'action, posé et calme, et bien sûr critique vis à vis des éventuelles fausses bonnes idées que vous pourriez avoir (« ça ira bien comme ça ... »).
Bonne réalisation !
Les réfrigérateurs sont nombreux dans les déchèteries, il faut identifier ceux qui ont les grilles adéquates (voir Avant-propos – Grille) et de la plus grande dimension possible.
Les portes de réfrigérateurs sont remplies de mousses isolantes. En les récupérant et en les assemblant elles forment l’arrière du panneau. Elles doivent être plates (et non pas bombées), ce n’est pas grave s’il y a un chanfrein sur les bords, il sera comblé avec du mastic.
Dans l’idéal, les panneaux doivent faire entre 1,5 et 2m², s’ils sont plus gros ils seront lourd et donc plus complexes à installer. Le verre risque de se casser si les panneaux se déforment. S’ils sont plus petits il faudra augmenter le nombre de panneaux, donc plus de travail.
Il faut rassembler des grilles de taille similaire de dimension légèrement inférieure aux portes. Pour un panneau d’environ 2m² il faut en général 3 à 4 grilles pour 2 ou 3 portes. Dans notre cas nous avons 3 grilles et 3 portes.
Les portes de réfrigérateur forment la structure du panneau et en sont l’isolant. Elles seront collées côte à côté, dans la hauteur. La différence d’épaisseur des portes n’importe pas, on les aligne sur la face avant, intérieure au panneau.
Attention : La mise en œuvre du polyuréthane entraîne des risques : il est toxique par inhalation, réactif, irritant et très volatil. A manipuler dans un espace aéré avec des équipements de protection. Une fois polymérisés (c'est-à-dire après la stratification), les produits finis sont physiologiquement inactifs.
Cette étape consiste à relier le capteurs solaires (grille de réfrigérateur) au circuit du fluide caloporteur via deux nourrices (tubes en cuivres). Les nourrices doivent avoir un diamètre égal à la somme des diamètres des tuyaux qu’elles alimentent, en plus clair, dans notre cas, 3 tuyaux de 3mm de diamètre intérieur, il faut une nourrice d’au moins 9mm de diamètre intérieur.
Les nourrices peuvent être sur le haut ou le bas du cadre, cela ne change rien au bon fonctionnement du panneau. A adapter en fonction de l'installation de chacun.
Pour concentrer la chaleur sur les grilles, elles ne doivent pas être en contact direct avec la tôle des portes. Elles sont espacées grâce à des entretoises en liège. Le liège est imputrescible et résiste bien aux hautes températures.
Pour créer un effet de serre et limiter la convection entre la grille et l’extérieur les panneaux vont être fermés par une vitre. Les verriers se débarrassent des vieilles fenêtres, particulièrement des doubles-vitrages, en leur demandant gentiment on peut les récupérer gratuitement. Dans l’idéal, il faut une épaisseur de vitre de 4mm pour des panneaux verticaux et de 5mm pour des panneaux inclinés, davantage soumis à la grêle et aux intempéries. Ce n’est pas la peine d’avoir des verres plus épais, cela réduit leur performance.
En fonction des besoins en eau chaude et de la puissance d’ensoleillement il faudra probablement plusieurs panneaux solaires thermiques. Pour faire des panneaux supplémentaires il faut reprendre les étapes précédentes. Cependant, à l’inverse du panneau borgne, les nourrices doivent être traversantes, c’est-à-dire que les deux tuyaux en cuivre, d’eau chaude et d’eau froide, doivent dépasser en bas du cadre de chaque côté. Le diamètre doit augmenter de 2mm dans chaque panneau supplémentaire : 12mm pour le panneau borgne, 14 dans le second, 16 dans le troisième, etc. Il faut faire attention à bien raccorder les nourrices d’eau chaude entre elle et de même pour l’eau froide.
Pour capter un maximum d’énergie solaire, de calories, le ou les panneaux solaires doivent être perpendiculaire aux rayons du soleil pour deux raisons :
Les panneaux solaires sont rarement mobiles et leur angle est donc fixé à l’installation. La puissance solaire est beaucoup plus forte en été qu’en hiver, sans parler de la durée des journées. L’énergie solaire est au moins trois fois plus importante en été qu’en hiver (voir tutoriel l'énergie dans l'habitat), les panneaux sont donc dimensionnés et orientés pour la période la plus critique : l’hiver.
En plein hiver, en France, le soleil a un zénith à 30° avec l’horizon, c’est sa hauteur maximum. En été, sous ces mêmes latitudes, il monte à 60°. Dans l’idéal, les panneaux seront installés avec un angle de 60° à l’horizon, plein Sud. Sinon, pour limiter les pertes, on peut les mettre à la verticale contre un mur, c’est plus intéressant et moins dangereux que sur les toits.
L’été, la puissance solaire étant beaucoup plus importante, l’angle importe peu, les panneaux seront vite très chauds, voire trop. Un ombrage est intéressant pour limiter la surchauffe, une casquette sur un panneau à la verticale fait très bien l’affaire.
Les panneaux solaires thermiques doivent être positionnés au plus près du ballon d’eau chaude pour minimiser les pertes de chaleur.
Les panneaux doivent être reliés à un ballon échangeur. En plus de la résistance électrique standard, un échangeur fait passer le liquide caloporteur dans le ballon pour transférer la chaleur des panneaux à l'eau sanitaire. On trouve ces ballons échangeurs en magasin de bricolage. Ils coûtent 15 à 30% plus cher que les ballons 100% électriques mais seront très rapidement rentabilisés. Sinon, quelques bons tutos permettent de les faire soi-même à partir d'un ballon classique.
Le système doit être équipé d’un régulateur et d’un circulateur. Dans notre cas le circulateur s’allume quand la température des panneaux est 10°C supérieure à celle du ballon, elle se coupe quand cette différence est inférieure à 5°C. Cela permet de ne pas refroidir le ballon la nuit ou quand le soleil se fait timide. Le ballon est également muni d’un vase d’expansion pour absorber la dilatation du fluide caloporteur les jours de grand soleil. Ces éléments sont en général fournis avec les ballons échangeurs solaires. On peut aussi les réaliser par soi-même.
Il est conseillé d'utiliser un liquide caloporteur alimentaire dans le circuit. S'il est utilisé l'hiver il doit être antigel, sinon il faut vidanger le système.
Il est possible d’utiliser le même système de panneaux solaires thermiques en chauffage basse température. Le fluide caloporteur des panneaux est envoyé directement dans le réseau de tuyaux chauffant dans le sol ou les murs. Cependant, en solaire, le chauffage est bien moins évident que l’eau chaude sanitaire. En effet, pour le chauffage, on va demander un maximum d’énergie quand elle est le moins disponible : en hiver, alors que le besoin en eau chaude sanitaire s’étale sur toute l’année. De plus l’énergie nécessaire au chauffage de la maison est 6 fois supérieure à celle de l’eau chaude (voir tutoriel l'énergie dans l'habitat), il faudra donc 6 fois plus de panneaux pour le chauffage que pour l’eau chaude.
En exemple, selon les années, Riké couvre 10 à 30% de ses besoins en chauffage avec 14m² de panneaux alors qu’il dépasse les 90% de couverture avec 6m² de panneaux dédiés à chauffer son ballon de 350 litres eau chaude.
Une solution de chauffage solaire plus simple à mettre en œuvre a été documentée en février, c’est un convecteur solaire, imaginé par Guy Isabel.
Pour les jours froids, un Poelito, poêle de masse à très haut rendement, est également documenté, grâce au travail de Vital Bies et de David Mercereau. Il est possible d’y ajouter un bouilleur pour chauffer l’eau chaude sanitaire. C’est le partenaire idéal des journées sans soleil !
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