Comment construire un chauffe-eau solaire passif

Comment fonctionne un chauffe-eau solaire ? Découvrez les différents types de chauffe-eau solaires. Réduisez votre dépendance aux émissions de combustibles fossiles en construisant un chauffe-eau solaire passif.

Quelques principes et considérations de base régissent la conception, l'installation, l'utilisation et l'entretien des réchauffeurs discontinus. Les IPSWH sont appelés chauffe-lots car le cœur du système est le "lot" d'eau stockée dans le(s) réservoir(s). La conception de base du réchauffeur discontinu est basée sur un réservoir ou une série de tuyaux ou de réservoirs de grand diamètre. Le réservoir est peint en noir mat ou recouvert d'une surface sélective qui absorbe facilement la chaleur solaire et la transfère à l'eau stockée à l'intérieur. Pour augmenter la collecte de chaleur et réduire les pertes de chaleur, le réservoir est enfermé dans une boîte isotherme recouverte sur le côté sud ou sur le dessus d'un matériau de vitrage.

Dans le chauffe-eau standard, l'eau froide pénètre dans le réservoir de collecte solaire par une entrée latérale près du bas ou par un "tube plongeur" ​​qui entre en haut et évacue l'eau froide près du bas. L'eau chauffée sort par une sortie près du sommet où l'eau est la plus chaude, puis se déplace vers un chauffage conventionnel d'appoint (alimenté au gaz, à l'électricité ou au bois) où elle est chauffée jusqu'à la température souhaitée. Les réchauffeurs discontinus utilisent la pression de la conduite d'eau pour la circulation, éliminant ainsi le besoin de pompes et de commandes coûteuses. Pendant les mois d'été, ou lorsqu'il fait chaud et ensoleillé toute l'année, le chauffage d'appoint peut souvent être éteint et contourné, le chauffage par lots fournissant tous vos besoins en eau chaude. À Davis, en Californie, mon chauffe-eau à trois réservoirs a fourni toute notre eau chaude pendant neuf mois.

La température relativement basse du collecteur minimise la dilatation et la contraction des composants, réduisant ainsi l'usure. La masse d'eau dans le système aide à le protéger du gel et des températures extrêmement élevées qui peuvent endommager les matériaux, ce qui prolonge la durée de vie du système. Des recherches en Europe suggèrent que jusqu'à 20% de l'eau du collecteur peut geler sans endommager le réservoir, mais gardez à l'esprit que les tuyaux sont toujours à risque à moins qu'ils ne soient protégés ou drainés.

Pour le bricoleur à la recherche d'un système de chauffe-eau solaire peu coûteux et facile à construire, le chauffe-eau solaire passif intégral (IPSWH, prononcé ips-wah) est un rêve devenu réalité. Tout ce dont vous avez besoin pour construire ce chauffe-eau terre-à-terre est un réservoir de chauffe-eau électrique mis au rebut, une boîte en contreplaqué isolée faite maison pour abriter le réservoir, une feuille ou deux de verre à vitre usagé ou de plastique transparent, quelques raccords de plomberie courants, certains tuyau et un peu d'isolant. Ajoutez quelques heures satisfaisantes de mesure, de réflexion, de sciage, de martelage, de peinture et de tournage, et vous aurez un approvisionnement continu en eau chaude, fourni pratiquement gratuitement par cette sympathique fournaise dans le ciel (le seul réacteur nucléaire sûr , à 93 millions de kilomètres).

Tout d'abord, passons en revue les bases du chauffage solaire pour les nouvelles recrues du monde merveilleux des énergies renouvelables. Il existe deux types de base de chauffe-eau solaires, actifs et passifs. Les systèmes actifs dépendent de l'alimentation externe pour faire fonctionner les pompes afin de faire circuler la chaleur qu'elles recueillent ; les configurations passives ne le font pas. Les systèmes passifs peuvent être moins efficaces à un moment donné, mais ils sont beaucoup plus fiables et coûtent moins cher par unité de chaleur captée. Les chauffe-eau solaires passifs intégraux, également appelés chauffe-eau discontinus, sont les plus simples des systèmes passifs, et leur fiabilité et leur indépendance vis-à-vis de l'alimentation externe conduisent à une production à long terme à un coût très faible. Je connais un système à Davis, en Californie, qui a fonctionné pendant 30 ans à un coût par équivalent kilowattheure d'environ un centime.

Les réchauffeurs discontinus sont connus depuis longtemps comme le meilleur choix dans les climats chauds ou pour une utilisation saisonnière dans les régions plus froides, et des travaux récents avec des matériaux et des conceptions améliorés suggèrent qu'ils peuvent également être le meilleur choix même dans les régions plus froides. Pour les applications construites par le propriétaire, ils surpassent leurs concurrents à plaque plate et à tube sous vide à presque tous les égards, y compris la fiabilité et la facilité d'installation. Ils ont un excellent potentiel de rénovation et sont idéaux pour une gamme d'applications agricoles et commerciales, fournissant de l'eau chaude ou tiède à faible coût pour le lavage ou le préchauffage pour des utilisations à des températures plus élevées.

Maintenant que vous connaissez les bases, examinons cinq des nombreux types de réchauffeurs de lots utilisés aujourd'hui.

La douche solaire est vraiment un chauffe-eau à petite échelle, une conception classique utilisant du plastique transparent et noir pour créer un chauffe-eau solaire portable et étonnamment efficace. L'eau est placée dans le sac puis disposée avec le côté clair face au soleil. En une heure, l'eau commence à se réchauffer, offrant une délicieuse douche même par temps frais si le soleil est radieux. Je les utilise depuis des années en camping et je suis toujours impressionné par leur efficacité.

Le réchauffeur discontinu à réservoir unique est souvent surnommé un réchauffeur "boîte à pain", car certains d'entre eux ressemblent beaucoup à une boîte à pain surdimensionnée à l'ancienne. Dans l'ensemble, c'est probablement le plus économique et le moins compliqué des chauffe-eau permanents à construire, ne nécessitant que des matériaux facilement acquis et des compétences de base en construction. Pour la boîte à pain "écono-modèle", un réservoir de chauffe-eau électrique standard récupéré est logé dans une boîte en contreplaqué isolée ou une vieille coque de réfrigérateur ou de congélateur. Un matériau de vitrage (généralement du verre, de la fibre de verre ou du plastique moulé résistant aux hautes températures) recouvre la boîte.

L'eau entrante entre dans la boîte à pain près du bas du réservoir, et l'eau chauffée par le soleil est tirée près du haut et acheminée vers l'unité de secours dans la maison. Une boîte à pain orientée horizontalement est plus facile à construire et moins visible qu'une verticale, mais l'inclinaison du réservoir augmente la stratification de l'eau et améliore l'angle solaire, ce qui entraîne des températures plus élevées.

Le réchauffeur vertical à trois réservoirs est similaire mais augmente les performances avec plus de stockage et de zone de collecte. Pour le triple réservoir, trois réservoirs centraux de chauffe-eau sont enfermés dans une grande boîte bien isolée. Le matériau de vitrage recouvre le côté sud et le dessus de la boîte. Un couvercle isolé ou un couvercle déroulant pourrait être installé pour améliorer la rétention de la chaleur, mais je n'ai jamais trouvé cela nécessaire. Les trois réservoirs sont raccordés en série, le réservoir central (donc le mieux isolé) servant de dernier étage avant l'évacuation de l'eau chauffée.

La plus grande surface de collecte, la stratification thermique améliorée causée par la position inclinée et le raccordement en série offrent un meilleur chauffage que la plus petite boîte à pain horizontale à réservoir unique. Pour tester l'efficacité du chauffe-eau à trois réservoirs, j'en ai installé et surveillé un pendant une année complète chez moi dans le centre-nord de la Californie et j'ai découvert qu'il fournissait 70 % de l'eau chaude de ma famille !

Un chauffe-eau pour serre peut être la meilleure option pour la performance et la protection contre le gel dans les climats plus froids ou pendant les mois d'hiver. Presque toutes les configurations peuvent être utilisées à l'intérieur de votre espace solaire ou de votre serre. Habituellement, le chauffe-eau solaire est placé près du sommet du toit de la serre pour profiter de l'air le plus chaud et de la meilleure exposition au soleil (voir l'illustration de la galerie). Pour une efficacité maximale et une protection contre le gel dans les climats froids, une boîte vitrée isolée peut être souhaitable. Isolez vos tuyaux si l'espace solaire devient froid la nuit.

Un chauffe-eau intégré au bâtiment est intégré dans le grenier ou un mur orienté au sud, où le réservoir est plus facilement protégé contre le gel. Les tuyaux peuvent fonctionner dans un espace chauffé. Lorsqu'il est temps de refaire la toiture, il n'est pas nécessaire de retirer et de remplacer l'appareil de chauffage. (C'est à ce moment que de nombreux systèmes solaires sont mis au rebut, même s'ils fonctionnent toujours.) Une boîte isolée est créée dans le grenier avec un puits de lumière en verre. Un bac de vidange peut être une bonne idée pour minimiser les risques de fuite. Assurez-vous que vous pouvez facilement atteindre l'appareil de chauffage pour les réparations ou le remplacement si nécessaire.

Si les spécifications et l'installation de votre appareil de chauffage respectent ces six commandements, il fonctionnera admirablement et fournira de l'eau chauffée par l'énergie solaire peu coûteuse, quelle que soit la conception spécifique que vous choisirez.

1. Localisez votre appareil de chauffage pour une exposition solaire maximale. Trouvez un emplacement ensoleillé et orienté au sud, de préférence à proximité du chauffage d'appoint pour minimiser la distance de tuyauterie. Vous devrez peut-être faire quelques calculs pour vous assurer que votre capteur solaire sera exposé au soleil lorsque vous voulez de l'eau chaude, mais le placement et l'orientation de l'altitude et de l'azimut du soleil ou de la lune pendant une journée sont les considérations les plus importantes. Rappelez-vous que le soleil est haut en été, bas en hiver.

Ensuite, déterminez où votre appareil de chauffage sera installé - toit, plate-forme, mur ou sol - en gardant à l'esprit qu'un système rempli de 90 gallons à trois réservoirs peut peser plus de 800 livres lorsqu'il est plein d'eau. Pour la plupart des applications, il est préférable de garder un grand chauffe-eau solaire au sol ou sur une plate-forme spécialement construite. Une installation sur toiture peut être placée au-dessus d'un mur porteur ou d'une section de toiture renforcée. Le montage au sol est plus facile et élimine le problème de poids.

2. Rendez le collecteur et le(s) réservoir(s) de stockage aussi efficaces que possible. Tout d'abord, décidez du type de réservoir(s) que vous utiliserez pour votre appareil de chauffage. Les réservoirs sont disponibles dans une grande variété de formes et de tailles, mais les cylindres longs et minces sont les plus efficaces (ils ont le plus grand rapport surface/volume d'eau). Les noyaux de chauffe-eau électriques usagés sont les moins chers et les plus faciles à obtenir. Examinez "l'anode sacrificielle", une tige en métal à faible résistance à la corrosion qui est insérée dans le réservoir par le haut pour attirer les éléments corrosifs dans l'eau. Remplacez-le si une corrosion importante et/ou une consommation est évidente. Un nouveau ne coûte que quelques dollars et il augmentera de manière mesurable la longévité de votre système. Vérifiez soigneusement les fuites et n'utilisez jamais un réservoir dont vous avez des doutes. Brossez-le et peignez-le avec de la peinture noire mate résistante à la rouille, ou appliquez un revêtement de surface sélectif si vous en avez les moyens.

Si vous préférez de nouveaux réservoirs, vous pouvez commander des noyaux de chauffe-eau électriques émaillés - moins l'élément chauffant, l'isolation extérieure et le couvercle en tôle. Des réservoirs en acier inoxydable peuvent également être disponibles dans certaines régions. (Voir "Sources solaires" ci-dessous.)

3. Assurez-vous que votre système retiendra la chaleur. Il existe un certain nombre d'options pour le vitrage du haut et du mur orienté au sud de votre unité, y compris le verre à simple et double vitrage ou la fibre de verre et les plastiques conçus pour une exposition solaire prolongée. Dans la plupart des cas, vous devez utiliser deux couches de votre matériau de vitrage choisi avec un espace d'air entre elles pour assurer une rétention maximale de la chaleur. Le verre est généralement un vitrage approprié pour les appareils de chauffage construits par le propriétaire, à moins que vous ne receviez une forte grêle. Le polycarbonate à double paroi est une alternative robuste. Assurez-vous de flasher soigneusement le vitrage pour éviter les fuites et de calfeutrer et sceller les vitres pour éviter la condensation, ce qui peut limiter la capture d'énergie.

4. Dimensionnez votre appareil de chauffage de manière appropriée. Pour déterminer la taille dont vous avez besoin, prévoyez 30 gallons d'eau chaude par personne dans votre foyer (une famille soucieuse de la conservation pourrait se débrouiller avec seulement 10 gallons par personne). En fonction de votre environnement et du vitrage, vous voudrez prévoir 1 à 2,5 gallons d'eau par pied carré de vitrage comme ratio général pour un bon chauffage. Un rapport eau/vitrage plus petit accélère considérablement le gain de chaleur, mais peut augmenter le risque de gel. Si vous ne pouvez pas atteindre l'idéal, ne vous découragez pas. Un système plus petit fournira toujours un préchauffage solaire économique de l'eau et conservera l'énergie non renouvelable et l'argent. Les systèmes discontinus avec des réservoirs relativement petits et des enceintes simples sont courants, et beaucoup fonctionnent encore bien après 30 ans, longtemps après la disparition de la plupart des systèmes plus complexes.

5. Effectuez une connexion efficace et résistante au gel au système de secours. Minimisez les longueurs de tuyau et isolez soigneusement le tuyau à l'aide d'un isolant en mousse ou en fibre de verre avec une gaine en aluminium. Construisez-le pour durer - si vous n'utilisez que de la mousse, il se décomposera en quelques années. Cela peut prendre jusqu'à 72 heures à 12 degrés pour geler un réservoir de chauffe-eau exposé, mais les tuyaux sont beaucoup plus vulnérables. En cas de gel bref, vous pouvez laisser l'eau chaude légèrement allumée pour empêcher les tuyaux de geler. Dans les climats hivernaux très froids, vidangez le réservoir collecteur et les tuyaux à l'automne.

Configurez le système de sorte que vous puissiez éteindre le chauffage d'appoint et faire couler l'eau chaude solaire directement aux utilisateurs, et ainsi vous pouvez contourner le système d'eau solaire si vous voulez le vider et l'arrêter en hiver. Assurez-vous que les connexions sont approuvées par le code du bâtiment. Après avoir terminé le système de plomberie, purgez l'air du réservoir à travers le bouchon à vis en haut du réservoir jusqu'à ce que le système soit plein d'eau.

6. Construisez votre système pour durer. Utilisez les meilleurs matériaux que vous pouvez vous permettre ou grappiller, et prenez soin de la construction de votre unité. Cela devrait fonctionner pendant 20 à 30 ans, donc ça vaut la peine de le faire correctement. Soyez prudent : assurez-vous que les supports de réservoir sont suffisamment solides pour supporter la charge qu'ils transporteront et obtenez de l'aide pour déplacer les réservoirs en toute sécurité. Si vous construisez un appareil de chauffage haute performance, envisagez d'ajouter une vanne de régulation près du chauffage d'appoint afin que personne ne se brûle sous la douche.

Si vous utilisez des réservoirs et des raccords galvanisés avec des tubes en cuivre, assurez-vous que les deux métaux sont séparés par des raccords diélectriques non conducteurs appropriés pour éviter une corrosion accélérée. J'ai eu de la chance en utilisant des tubes en cuivre, des connexions diélectriques en plastique et des raccords galvanisés sur mes réservoirs.

Le seul inconvénient des chauffages par lots est la baisse des températures tôt le matin en raison de la perte de chaleur nocturne - pas un problème pour les personnes qui aiment se doucher avant d'aller se coucher, mais un facteur de «réveil» accru pour ceux qui prennent des douches tôt le matin. .

Des recherches plus récentes ont montré que nous pouvons réduire le refroidissement nocturne de plusieurs façons. La stratégie la plus efficace est un ensemble de couvercles isolés qui sont fermés la nuit et relevés pendant la journée, avec des dessous réfléchissants qui captent et dirigent l'énergie solaire supplémentaire vers les réservoirs. Mais cela peut être difficile à faire fonctionner à moins que le système ne soit monté au sol. Des couvercles automatiques pourraient également être fabriqués à l'aide de poussoirs thermiques couramment utilisés pour ventiler les serres. Si un couvercle est possible, c'est une bonne idée : il est facile de faire en sorte qu'un couvercle à charnière isolé serve à la fois de réflecteur lorsqu'il est relevé dans sa position diurne, et améliore ainsi l'efficacité. Les réflecteurs peuvent prolonger la saison jusqu'à l'automne et lui permettre de commencer plus tôt au printemps.

Une méthode plus simple pour minimiser les pertes de chaleur repose sur un revêtement de surface sélectif ultramoderne et spécial, comme la peinture Thurmalox. Une boîte de peinture en aérosol suffisante pour recouvrir 50 pieds carrés coûte moins de 20 $.

La négligence de votre chauffage d'appoint conventionnel peut entraîner des factures de chauffage d'eau inutilement élevées, malgré le chauffe-eau solaire ! Quatre formes courantes de négligence sont l'isolation inadéquate de la pièce dans laquelle se trouve le chauffe-eau conventionnel ; ne pas isoler suffisamment le réservoir (des "couvertures thermiques" peu coûteuses et faciles à installer peuvent être ajoutées en quelques minutes); maintenir un réglage de température inutilement élevé (parfois la faute d'un mauvais thermostat); et permettant aux sédiments de s'accumuler au fond du réservoir, isolant l'eau de la source de chaleur (vidangez les sédiments du réservoir une fois par an).

Vérifiez votre chauffage d'appoint lorsque vous installez votre chauffage solaire. En fait, même si votre unité solaire n'est qu'un rêve pour le moment, il est logique de régler votre chauffe-eau conventionnel dès maintenant. S'il arrive en fin de vie, envisagez de le remplacer par un chauffe-eau flash ou "à la demande" qui chauffe l'eau uniquement lorsque cela est nécessaire. Les consommateurs des pays européens ont compris depuis longtemps qu'il n'était pas logique de garder 30 ou 60 gallons d'eau chaude pendant les heures où personne n'en avait besoin.

Les chauffe-eau solaires passifs sont rentables dans une large gamme de climats, mais sont plus faciles à construire et à utiliser dans les climats chauds. Cette technologie offre au bricoleur soucieux de l'énergie une alternative intéressante à l'eau chaude coûteuse et à la dépendance énergétique conventionnelle.

L'une des meilleures façons de commencer est avec un groupe d'amis. Construisez ensemble une série de chauffe-eau et faites-en un projet amusant, partageant le travail et l'expertise. Quelqu'un aura les outils et les compétences en plomberie; quelqu'un d'autre, les compétences et les outils de menuiserie. Le bon sens combiné du groupe permettra de faire le travail rapidement et en toute sécurité.

Si vous n'êtes pas un bricoleur, il existe de nombreux chauffe-eau solaires commerciaux efficaces disponibles pour pratiquement n'importe quel endroit dans le monde. Dans les régions plus froides, un système de thermosiphon est souvent un bon choix. La protection contre le gel peut impliquer un antigel liquide avec des échangeurs de chaleur, un drain de retour ou d'autres systèmes pour éviter les dommages dus au gel. De nombreux produits utilisent désormais des collecteurs à tubes sous vide pour chauffer l'eau, qui monte ensuite dans un réservoir de stockage bien isolé.

Bien sûr, vous n'avez pas à me croire sur parole. Regardez autour de vous, lisez, magasinez et, le plus important, construisez pour vous-même. Je pense que vous arriverez à la même conclusion que j'ai faite il y a des années, à savoir que les chauffe-eau solaires passifs intégraux constituent la méthode la plus économique, la plus efficace et la plus terre-à-terre de réchauffement de l'eau sous le soleil.

Les principes utilisés dans les chauffe-eau discontinus modernes sont les mêmes que ceux appliqués pour la première fois au chauffage solaire de l'eau il y a plus de 100 ans. Robber's Roost, la cachette de Butch Cassidy dans l'Utah dans les années 1880, comprendrait encore les restes d'un chauffe-eau solaire passif : un grand bidon noir rempli d'eau et placé au soleil. Le premier chauffe-eau solaire commercial, breveté en 1891 par Clarence Kemp, utilisait quatre réservoirs d'eau cylindriques logés dans une boîte en pin recouverte de verre à simple vitrage. En 1900, plus de 1 600 de ces unités étaient utilisées aux États-Unis. En 1898, Frank Walker, de Pasadena, en Californie, a déposé une demande de brevet sur une conception améliorée. Le modèle de Walker était encastré dans le toit, au lieu d'être exposé sur le toit comme les radiateurs de Kemp. L'unité Walker incorporait également des connexions à un poêle à bois avec un réservoir de chauffage d'eau pour le chauffage d'appoint, le précurseur direct de l'application de chauffage par lots la plus courante d'aujourd'hui : un préchauffeur solaire alimentant un chauffe-eau standard dans la maison.

Malgré le succès de ces premiers appareils de chauffage, ils ont progressivement disparu à mesure que le pétrole, l'électricité et le gaz naturel devenaient disponibles. Ces nouvelles sources d'énergie apparemment bon marché ont entraîné des coûts élevés en termes de dommages environnementaux, de santé humaine, de réchauffement climatique et de dommages à l'habitat - mais ces coûts ont été, et sont toujours, ignorés.

Heureusement, ces nouveaux développements énergétiques n'ont pas complètement stoppé la recherche sur le chauffage solaire de l'eau. À l'Université de Californie à Davis, en 1936, FA Brooks a testé plusieurs modèles de chauffe-eau et a démontré que les chauffe-eau solaires de type réservoir pouvaient produire des températures d'eau supérieures à 120 degrés. Il a également découvert que les réservoirs verticaux placés sur une pente fournissaient de l'eau plus chaude que les unités horizontales. Brooks a conclu que les chauffe-eau par lots pouvaient produire de l'eau chaude à un coût constamment inférieur à celui des systèmes solaires à plaques plates.

Matériaux de source solaire

David A. Bainbridge a reçu le prestigieux Passive Solar Pioneer Award de l'American Solar Energy Society en 2004. Il est professeur associé à l'Alliant International University de San Diego.