Douche solaire à partir de 2 radiateurs

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Tutorial de avatarLow Tech Developer | Categories : Water, Energy, Hygiene

Introduction

Qui n'a pas rêvé de se laver avec une douche solaire ? Le soleil représente une source abondante et facilement disponible d'énergie. Lors de la super semaine de L'Ouvre Boîte à St Lézin en 2021, nous avons construit une douche solaire en extérieur. Un grand bravo à l'association Un pas de côté et à Papy Palette pour leurs réalisations !


Le chauffe eau solaire présentée ici est réalisé à partir de deux radiateurs simple paroi de 1m² chacun, d'un cadre, d'un ballon de 80L avec échangeur et d'une douche. Le chantier a duré 5 jours (1 pour le corps de chauffe et 4 pour la plomberie). La plomberie est décidément la partie la plus complexe de ce tutoriel !

Les étapes du projet :


Réfléchir

  • Réfléchir et planifier le chantier
  • Choisir son corps de chauffe, son ballon et sa tuyauterie
  • Réfléchir au circuit d'eau, identifier les raccords
  • Positionner géographiquement le corps de chauffe et la douche


Fabriquer la douche solaire

  • Récupérer les matériaux
  • Nettoyer et peindre les radiateurs
  • Réaliser le cadre des radiateurs
  • Mettre en place les circuits d'eau
  • Réaliser un test d'étanchéité
  • Fabriquer la douche
  • Fabriquer le support pour porter le corps de chauffe


Utilisation régulière

  • Vidangez le circuit l'hiver
  • Si le circuit fermé baisse en pression, branchez le circuit du réseau pour remonter en pression.
  • Si la pression de l'un des circuits baisse rapidement, une fuite est présente, il faut refaire la filasse.

Materials

Pour le cadre du corps de chauffe

planche OSB, Poutre, planches, vis à bois, tasseaux

2 radiateurs simple paroi,

structure transparente pouvant être attachée au cadre (plexiglas, verre ou fenêtre)

matériaux réfléchissant et isolant (couverture de survie avec isolant ou cache vitre pour voiture), scotch alu

Eau et vinaigre pour nettoyer les radiateurs


Pour la cabine de douche

2 grandes cuves plastiques

Vis métal, Rivet, colle pour fixer les deux cuves

Planches, Vis à bois, colle à bois pour la porte

Robinet


Pour le circuit d'eau

Ballon avec échangeur de 80L

Tuyau d'arrosage, tuyau PER

bobine, réducteur, mamelon, vannes, thermomètre, raccord

Joint caoutchouc, graisse + filasse, serflex

Tools

Pour le cadre du corps de chauffe

Scie circulaire pour les découpes dans la longueur

Scie radiale pour les découpes dans la largeur

Visseuse, perceuse, mèche plate bois de 22 mm

serre-joint, mètre, équerre, crayon bois

Entonnoir


Pour la cabine de douche

Meuleuse avec disque métal (et plastique), Visseuse

Scie circulaire pour les découpes dans la longueur

Scie radiale pour les découpes dans la largeur

Papier à poncer

Pistolet à joint

Chalumeau, brosse métal

pince à rivet


Pour le circuit d'eau

Découpe tube

Clé à molette, pince multi-prise

Step 1 - Les systèmes existants pour le ballon, la tuyauterie, les raccordements, le corps de chauffe et la cabine de douche

Comment réchauffer l'eau ? Soit avec de l'électricité, et il s'agit d'un ballon électrique, soit avec une source de chaleur, et on utilisera un ballon avec échangeur.


Ballon électrique

Le ballon électrique est un réservoir d'eau avec un seul circuit d'eau. L'eau entre dans le ballon, est chauffé par une résistance électrique et ressort du ballon. Ce système est utilisable uniquement sur une période festival en extérieur (risque de gel en hiver).


Ballon avec échangeur

Le ballon avec échangeur avec un ballon avec deux circuits d'eau. Il permet de transférer la chaleur d’un fluide à un autre sans que ceux-ci ne se mélangent. Dans un ballon, il prend la forme d’un serpentin où le fluide circulant dedans vient réchauffer l’ECS (Eau Chaude Sanitaire) présente dans le ballon.


Dans le cas de notre douche solaire, voici les circuits d'eau :

circuit ouvert : réseau, eau froide -> douche, eau froide

circuit ouvert : réseau, eau froide-> ballon, échangeur -> douche, eau chaude

circuit fermé : chauffe eau solaire, eau chaude -> ballon, échangeur -> eau froide -> chauffe eau solaire, eau chaude


Avec ce système, le circuit récupérant l’énergie solaire dans le panneau est indépendant du circuit d’ECS. Ainsi l’eau de la douche ne passe pas dans le panneau. Comme les circuits sont indépendants, l'eau du circuit fermé peut être glycolé.


Fonctionnement en hiver ?

Lorsque l'eau gèle, elle se fige et gagne en volume, ce qui peut endommager le réseau. Afin de pallier à ce problème, il faut utiliser un fluide avec une température de solidification inférieure à la température extérieure.

Un exemple est l'eau glycolée, il s'agit d'une eau à laquelle on a ajouté un pourcentage de glycol (par exemple 20%) afin que cette eau ne puisse geler. L'eau glycolé ne peut pas être utilisé avec le ballon électrique, car il ne faut pas se doucher avec de l'eau glycolé. En revanche, il est possible d'avoir de l'eau glycolé dans le ballon avec échangeur (circuit fermé).

Seul le système avec de l'eau glycolé (et donc le ballon avec échangeur) peut être utilisé toute l’année à l’extérieur.


Raccordements et les différents types de tuyauterie

La Plomberie ! Un vaste chantier, et sûrement la plus grande difficulté de ce tutoriel. Afin de s'assurer de l'étanchéité du circuit, il convient de bien se renseigner. Vous trouverez dans les images ci contre des informations sur les raccordements possibles et les différents types de tuyauterie.


Les corps de chauffe

Pour réchauffer l'eau, tous les moyens sont bons ! L'essentiel étant de ne jamais dépasser les 80°C (afin d'éviter la formation de vapeur), et d'avoir une source suffisante d'énergie. Voici une liste d'idées :

  • solaire, avec un simple tuyau de jardin peint en noir (mais les pertes thermiques sont importantes)
  • solaire, peindre le ballon en noir et fabriquer un cadre en bois sur le ballon (utile pour un besoin plus important)
  • solaire, utiliser le circuit de refroidissement d'un réfrigérateur (non utilisé car il faut géré un fluide polluant)
  • thermique, avec les fumées d'un feu (utile pour l'hiver, non utilisé car notre usage est pour l'été)


La partie transparente du corps de chauffe

Si l'on réalise un corps de chauffe solaire avec un coffrage étanche, un matériau transparent est nécessaire. Idéalement, la partie transparente est mobile, facile à enlever et à remettre. Voici une liste d'idées pour la partie transparente du corps de chauffe :

  • une fenêtre, conseillé si la fenêtre possède un système d'accroche permettant de s'ouvrir et de se fermer facilement
  • une vitre dans un cadre de bois avec des charnières, sera souvent nécessaire de couper la vitre
  • du plexiglas, facile à couper et léger


La cabine de douche

  • pas de cabine de douche !
  • cabine en bois
  • cabine en bois avec isolation
  • cabine avec des cuves en plastique


Step 2 - Les choix techniques et les explications

Comment choisir la bonne tuyauterie et le bon ballon ? Comment identifier les raccordements ?


Le choix du ballon

Nous avons choisit de réaliser un ballon avec échangeur, afin d'utiliser l'énergie du soleil (d'où l'intérêt de ce tutoriel !). Ce ballon a été acheté d'occasion sur 'Le bon coin'. Il est également possible d'utiliser ce ballon l'hiver. Notre douche sera uniquement utilisée l'été, elle peut donc être en extérieur et non isolée. Il faudra donc purger le circuit l'hiver.


Le choix de la tuyauterie

Pour la tuyauterie, nous avons choisit

- des tuyaux de jardin et des tuyaux PER, le tuyau de jardin est flexible et peu cher, le tuyau PER est non flexible et peu cher.

- des embouts, des té, des bouchons en laiton, car moins cher

- pour les raccordements, si l'embout est plat, on utilise un joint en caoutchouc, sinon, on utilise de la filasse avec de la graisse. Si le joint en caoutchouc ne donne pas satisfaction, on utilise de la filasse avec de la graisse.


Le corps de chauffe

Notre besoin est de prendre 4 douches en extérieur durant l'été. Nous avons donc opté pour deux radiateurs simple parois en série.


La cabine de douche

Ici, nous avons avons choisit de réaliser une douche à partir de deux cuves en plastique pour sa rapidité de réalisation.

Step 3 - Corps de chauffe : Préparer les radiateurs

- Poncer avec un outil rotatif les radiateurs pour enlever la rouille.

- Nettoyer l'intérieur des deux radiateurs avec du vinaigre et de l'eau chaude

- Peindre avec une bombe noir ou avec de la peinture noir mate antirouille

Step 4 - Corps de chauffe : Cadre radiateur, OSB

Fonctionnement

Le but du cadre est d'emprisonner l'air chaud. En effet, si tout se passe bien, la température au sein du cadre va grimper. L'intérêt du coffrage est de minimiser l'échange d'énergie entre le radiateur et l'extérieur. Le cadre doit donc être isolé et étanche.


Actions !

Nous avons réalisés un cadre de 2,1m par 1m ????

- Prendre une planche d'OSB, (ou lier deux planches d'OSB et les lier)

- Placer deux radiateurs sur l'OSB et prendre les mesures. Pour les dimensions du cadre, prévoir une distance de 10 cm entre les radiateurs et les poutres, ainsi qu'une distance de 15cm entre les deux radiateurs.

- Prendre des poutres, les couper à bonne dimension avec une scie à onglet. Les planches horizontales doivent prendre les sommets, afin d'éviter l'infiltration d'eau en cas de pluie.

- Couper la planche d'OSB avec une scie circulaire.

Step 5 - Corps de chauffe : Coffrage radiateur, isolant

- Vissez les poutres à l'OSB

- Ajoutez une isolation par le fond avec des agrafes et du scotch aluminium

- Ajoutez et fixez éventuellement des planches de façon à faire tenir correctement la fenêtre


Pour l'isolation, nous avons choisit un isolant pour pare-brise de voiture. Nous les avons coupés au cutter, puis attaché avec du scotch aluminium. Le scotch aluminium est le meilleur scotch pour résister à l'humidité. le radiateur ne peut se poser directement sur l'isolant, car il y a un risque de condensation de l'humidité

Step 6 - Corps de chauffe : Coffrage radiateur

Cadre du corps de chauffe

- Fixer des petits tasseaux sur l'isolant, les radiateurs se poseront sur l'isolant.

- Poser les radiateurs en les liant avec des raccords xxxxxxx
- Ajouter éventuellement des planches sur les bords, afin de pouvoir poser la fenêtre.

- Percer le cadre avec une mèche plate bois de 22 mm pour installer les raccords de plomberie

- Ajouter les tuyaux de jardin avec les éléments suivants :

Réducteur M20/27 M15/21 -> Raccord Tuyau M15/21


Autrement dit : un mamelon mâle laiton 20/27 mm et 15/21 mm, puis un raccord mâle 15/21 tuyau d'arrosage

Test d'étanchéité

Avant d'aller plus loin dans la fabrication, il faut réaliser un test d'étanchéité !

- Poser l'installation en extérieur, brancher l'installation sur le réseau, faites couler l'eau à travers le radiateur pour vider l'air à l'intérieur

- Puis fermer la vanne afin de mettre le circuit sous pression pendant 2h. L'idée est de détecter les fuites rapides ou lentes.

- Si certains raccords fuient, refaire la filasse.


Fabrication du support pour le corps de chauffe

Le corps de chauffe doit pouvoir se poser sur une surface avec un angle de 45°.


Step 7 - Eau : Présentation du circuit d'eau à partir du ballon

Fonctionnement générale

La douche doit être alimentée en eau froide et en eau chaude. Le réseau fournit un eau froide a une pression de 3 bar. Le circuit est composé de trois circuits d'eau.

circuit ouvert EFS : réseau, eau froide -> douche, eau froide

circuit ouvert ECS : réseau, eau froide -> ballon -> douche, eau chaude

circuit fermé thermosiphon : chauffe eau solaire, eau chaude -> ballon -> eau froide -> chauffe eau solaire, eau chaude


Le circuit d'eau fermé fonctionne par thermosiphon. L'eau se réchauffe avec le soleil, qui gagne légèrement en volume. Cet augmentation de volume va engendrer un courant, c'est le mécanisme du thermosiphon.

Il est possible d'ajouter une pompe hydraulique pour faire circuler l'eau.


Pour que le mécanisme de thermosiphon fonctionne, le trajet parcouru par l'eau en sorti du corps de chauffe doit toujours être ascendant (ou montant). Il ne peut y avoir de coude ou de circuit descendant, car cela induirait une perte de charge importante, alors que le débit est faible.


Le branchement du ballon à échangeur

Lorsque l'on récupère le ballon, il possède plusieurs orifices. Lorsque l'on récupère le ballon, celui-ci possède quatre orifices. Comment attribuer les circuits d'eau sur le ballon ?

- un petit orifice à sa base de taille courte (le trou n'est pas profond, car il y a un coude)

- un petit orifice à sa base de taille longue

- un grand orifice à sa base

- un grand orifice en hauteur


Le circuit avec un diamètre supérieure est utilisé pour le circuit avec le débit le plus faible. En effet, nous disposons de deux circuits, l'un fonctionnant avec la pression du réseau (3 bar), l'autre fonctionnant par le mécanisme de thermosiphon. La pression engendrée par le mécanisme de thermosiphon est très faible, il faut donc lui donner toutes ses chances ! Et pour cela, le circuit fermé aura le droit d'avoir le plus grand des diamètres :)

Step 8 - Eau : Les points importants et les astuces pour le circuit d'eau

Points importants

Le vase d'expansion permet de gérer la différence de volume, il se positionne à l’endroit le plus froid du système, car la différence de volume sera la plus faible.


La groupe de sécurité est conçue pour évacuer du fluide en cas de surpression. On installera un groupe de sécurité à un point froid pour chacun des circuits sortant du ballon.


On installera une vanne au point le plus bas, afin de pouvoir évacuer l'eau.

Il est possible d'augmenter la pression du circuit fermé en le branchant sur le réseau


Les trucs et astuces

  • Isoler les circuits d'eau chaude avec ...
  • Installer un chauffe eau instantané (fonctionnement électrique) pour les aléas climatiques et le confort utilisateur
  • Installer une vanne entre chaque élément du circuit (ballon, corps de chauffe, réseau, douche) afin d'isoler une éventuelle fuite.
  • Ajouter un thermomètre avant et après le corps de chauffe, afin de s'assurer du fonctionnement de la douche.
  • Vous pouvez estimer le volume d'eau du circuit avec une bouteille d'eau. Le volume intérieur de notre radiateur est de 4L, celui du circuit fermé est de 10L.

Step 9 - Eau : Comment choisir les tuyaux et les raccordements ?

- Faire un schéma du système et des éléments importants (douche, réseau, corps de chauffe, vase d'expansion, soupape de sécurité, thermomètre)

- Identifier les raccords de chaque système

- réfléchir aux pièces permettant de raccorder les éléments


Astuces : il est utile de faire des marques sur le ballon pour ne pas se tromper de circuit (ECF, EFS, thermosiphon chaud, thermosiphon froid). Utiliser un tuyau rouge pour l'eau chaude, un tuyau bleu pour l'eau froide

Pour les raccordements, soit l'embout est plat, et je peux utiliser un joint en caoutchouc. Sinon j'utilise de la filasse avec de la graisse. Avec le joint en caoutchouc, je dois serrer jusqu'au bout.

Pour la filasse, je commence par étaler la graisse, puis j'enroule la filasse dans le sens du filetage. Idéalement, il faut mettre plus de filetage sur la fin. Avec ce procédé, je ne dois pas pouvoir serrer jusqu'au bout, car dans ce cas, le filetage n'est pas bon

Si le joint en caoutchouc ne donne pas satisfaction, on utilise de la filasse avec de la graisse, qui est plus robuste.


Si un raccord est présent, on peut l’enlever avec un chalumeau, sinon, on le remet avec une pâte à joint

Step 10 - Douche : Découpe

Ici nous avons réalisés une douche à partir de deux grandes cuves plastique. Le cerclage métallique permet la rigidité de la structure sur le long terme.

- Couper le cerclage métallique à la meuleuse de façon à avoir une porte

- Couper la cuve de façon à avoir une porte, et de pouvoir être debout dans la douche

Step 11 - Douche : Lier les deux cages métalliques

- Lier les deux cages métalliques avec des vis pour le métal

- Lier les deux cuves en plastique avec de la colle

- Maintenir les deux cuves en plastique avec des pinces.

Step 12 - Douche : poser des rivets

- Percer à intervalle régulier à l'intérieur de la douche

- Poser des rivets


Step 13 - Douche : Comprendre la porte d'entrée

Comment réaliser le cadre, ainsi que la porte de la douche ?


Sous l'effet de l'humidité, le bois va naturellement se déformer et changer de couleur. Avoir du bois en extérieur, il est préférables d'utiliser l'une des options suivantes :

  • soit on utilise du bois traité
  • soit on laisse le bois subir plusieurs averses, celui-ci va se courber légèrement et changer de couleur
  • soit on utilise une technique japonaise : brûler le bois au chalumeau puis enlever les cendres avec une brosse métallique. Le bois va développer une résistance à la pluie.

Dans notre cas, nous avons préférés utiliser la troisième technique.


Comment réaliser le cadre de la porte ?

Prendre 3 planches et les visser ensemble

colle, puis vis à bois

Step 14 - Douche : Fabriquer la porte d'entrée

Comment réaliser la porte ?

Prendre des planches et les visser ensemble

Récupérer les chutes de la cuve plastique des cabine




Step 15 - Positionnement : Savoir où se lève et se couche le soleil

Première image

Posée à plat et orientée, cette carte donne les positions de lever (à l'Est) et coucher (à l'Ouest) du soleil autour du 21 de chaque mois. Les positions extrêmes correspondant logiquement aux solstices d'été et d'hiver, la direction médiane aux équinoxes de printemps et d'automne.


Deuxième image

La carte indique l'inclinaison du soleil à midi pour chaque mois de l'année.

Angle minimum au solstice d'hiver (-+21 déc.)

Angle maximum au solstice d'été (+-21 juin).

Cet direction est calculée pour la France (latitude 50° Nord). L'angle doit être augmenté de 5° par 800 km lorsque l'on descend au Sud jusqu'à l'équateur (Soleil au plus haut) et soustrait de 5° par 800 km si l'on voyage vers le Nord.


Troisième image

Dans une journée, l'angle h reste le même. Ainsi l'inclinaison du corps de chauffe par rapport au sol peut rester le même dans la journée


Step 16 - Positionnement : Positionnement des éléments

Créer le support pour maintenir le radiateur avec 2 planches aux bonnes dimensions


Position du corps de chauffe

Évaluer la hauteur des arbres et des maisons avec le théorème de Pythagore


Orientation du panneau

orientation sud : on maximise la quantité d'énergie assimilée par le panneau

orientation est : on profite des premiers rayons de soleil

orientation sud-est : compromis entre les deux configurations


Inclinaison du panneau

Quel inclinaison choisir pour le corps de chauffe ? Un angle de 45° entre le sol et l'orientation du panneau est conseillé.


Positionnement de la douche

La douche va générer de l'eau, il faut généralement la surélever, afin de faciliter l'écoulement de l'eau. Une phytoépuration peut être installé pour traiter l'eau

Step 17 - Retour d'expérience

Après réflexion, il ne faut surtout pas utilisé du faux bois pour l'extérieur. L'OSB et le médium 30 sont donc à proscrire. Pour éviter l'infiltration d'eau dans le cadre en bois, nous aurions pu installer un couvercle en aluminium.

Le tuyau de jardin ne résiste pas bien dans le temps, il faut privilégier l'inox solaire.

Notes and references

Fonctionnement du thermosiphon

https://fr.wikipedia.org/wiki/Thermosiphon


Eclowtech, animateur atelier de fabrication de douche solaire (corps de chauffe + cabine)

https://eclowtech.fr/


Savoir ou se lève et se couche le soleil

http://www.photos-depot.com/compas.htm

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