L'énergie solaire et l'eau : le capteur solaire aquasolaire

Le soleil, premier responsable de la sécheresse, va-t-il être mis systématiquement à contribution pour restituer à certaines contrées menacées l'eau qu'il leur a enlevée, et qui existe, là, dans le sol, en nappes situées suivant les lieux entre 10 et 100 m de profondeur ou entre 200 et 1000 mètres ?

Et l'énergie solaire sera-t-elle une énergie d’appoint pour certaines contrées industrialisées qui sont confrontées avec le problème du coût de leur énergie ?

Des chiffres ont été cités : l'énergie produite et consommée par l'homme à partir de combustibles traditionnels représenterait 7 milliards d’équivalents tonnes/charbon ; l’énergie solaire, si elle pouvait être entièrement captée et transformée représenterait, paraît-il, 65 000 milliards d’équivalents tonnes/charbon... Près de 10 000 fois plus !

Pour saluer et encourager ceux qui se sont déjà constitués les pionniers de cette nouvelle aventure, nous présentons deux premières réalisations industrielles récemment consacrées dans le domaine de l'énergie solaire et l’EAU :

• — le capteur solaire « AQUASOLAIRE » de la Société Aquatic S.A. pour réchauffage de l'eau de piscine ;
• — les « pompes solaires » à eau de la SOF.RE.TE.S. : Société Française d'Études Thermiques et d’Énergie Solaire.

Le capteur solaire « Aquasolaire » ©

par ,

Directeur commercial de la Société AQUATIC

L'obstacle technique le plus important pour appréhender l’énergie solaire, c'est que l'on ne sait pas encore la stocker pour la restituer et la transformer au moment opportun.

Dans le cas du simple réchauffage de l'eau d'une piscine, il en va différemment car une fois la piscine en service, elle est prête à recevoir l’énergie à tout moment, sans nécessité de stockage ou accumulation intermédiaire.

Le bassin et sa masse d'eau peuvent jouer en permanence le rôle d’une véritable batterie de chauffage et la grande inertie qu’elle présente devient un avantage important : il suffit de mettre l'eau de la piscine en mouvement par l’intermédiaire de l'appareillage de filtration qui équipe toute piscine, pour réaliser une circulation constante de l'eau réchauffée.

LE CAPITAL SOLEIL EN FRANCE

Le soleil brille pour tout le monde, et partout en France ; le chauffage solaire est partout possible dans la période d'utilisation de la piscine de plein air. Certes, la surface des capteurs solaires nécessaires dans le Bassin Parisien sera plus grande que celle à prévoir dans les régions méditerranéennes. Dans le cas d'une piscine utilisée toute l'année, on comprendra aussi que le chauffage solaire doit être considéré comme une installation d’appoint, génératrice d'importantes économies d’énergie.

Des observations expérimentales réalisées sur une période d’au moins vingt années permettent de situer les durées d’ensoleillement dans les moyennes suivantes :

Durée moyenne d’ensoleillement (en heures)

À noter que, compte tenu de la position fixe des panneaux du capteur solaire, seules 8 heures par jour sont utilisables, et il faut affecter ces chiffres mensuels d’un coefficient de correction :

• – de 0,66 pour la période d’équinoxe (jour 12 h, nuit 12 h) ;
• – de 0,50 pour la période de solstice (jour 16 h, nuit 8 h).

On a déterminé par ailleurs l’apport calorifique reçu au sol sur une surface de 1 m² et par jour, en k/calories, ce qui sera la puissance de base reçue par m² de capteur solaire.

Apport calorifique par m² de capteur solaire et par jour, en k/calories

Et sur le mois complet, l'apport mensuel utile peut être estimé à :

Apport calorifique utile, par m² de capteur solaire et par mois, en k/calories

CONCEPTION DU CAPTEUR SOLAIRE

Lorsque les rayons infra-rouges émis par le soleil parviennent sur terre en même temps que la lumière solaire, leur longueur d’onde est environ de 4 microns. Au contact d'une surface, cette longueur d’onde croît, et l'allongement s’accompagne d'un dégagement d’énergie.

Dans un capteur protégé par sa vitre, le rayon infra-rouge traverse facilement la vitre, vient buter sur la surface noire et mate du capteur, s’allonge et ne peut plus que très difficilement traverser à nouveau la vitre en retour. C'est à ce moment que se produit, pour l’essentiel, le dégagement d’énergie.

On obtient entre le capteur et sa protection de verre ce que l'on appelle « l'effet de serre », phénomène identique à celui qu'on peut observer dans une voiture laissée au soleil, même par grand froid.

Un capteur solaire, c’est évidemment « une serre très améliorée ». On a réglé par des études appropriées la distance entre le verre et l'écran noir, on a réduit toutes les déperditions extérieures possibles par un calorifugeage des parties non exposées aux rayons infrarouges, et on a veillé à l'étanchéité : toutes ces dispositions assurant le rendement calorifique le plus élevé.

FONCTIONNEMENT DE L’INSTALLATION « AQUASOLAIRE »

Appliquée à une piscine, l'énergie solaire nécessite une installation bi-directionnelle :

• — un circuit capteur dit circuit « primaire »,
• — un circuit dans lequel circule l’eau de la piscine qui traverse un échangeur, ce circuit est dit « secondaire ».

La batterie de capteurs solaires sera judicieusement disposée et orientée au sol, sur une toiture, une terrasse, devant un bouquet d’arbres ou dissimulée derrière un massif de fleurs. Elle reçoit le rayonnement solaire qu’elle transforme immédiatement en énergie calorique. Les calories récupérées sur les capteurs par l’eau circulant dans ces capteurs sont véhiculées vers l’échangeur à haut rendement sur un serpentin en cuivre intérieur à l'appareil.

L’échange calorique est réalisé lorsque l'eau de la piscine, mise en mouvement par le groupe moto-pompe de l'appareil de filtration, circule dans l’échangeur et autour du serpentin et y prélève au passage les calories véhiculées par le fluide-capteur.

L’ensemble de l’installation AQUASOLAIRE est commandé par un système de régulation thermostatique afin d’éviter d’éventuels refroidissements de l’échangeur par les capteurs lorsque l’installation se trouve par exemple être en service en dehors des heures d’ensoleillement. Il est également possible de prévoir un chauffage d’appoint électrique régulé, afin de pallier les insuffisances passagères d’ensoleillement.

À propos du fonctionnement d’un capteur solaire, il faut comprendre que celui-ci ne cherche pas à réaliser un chauffage à la température ambiante du soleil, mais qu’il permet l'utilisation directe du rayonnement infra-rouge émis par le soleil. C’est ce rayonnement seul qui permet d’atteindre de hautes températures.

Il est par exemple courant de placer un bidon d’eau au soleil. L'eau peut alors atteindre une température de 40°, voire 50° en plein été. Or la température atteinte dans les capteurs peut atteindre et dépasser les 100 ° centigrades.

MATERIELS ET INSTALLATION

« AQUASOLAIRE » est construit selon les procédés S.O.F.E.E.

Capteur

Un bac rectangulaire de 3 m × 1 m (profondeur 15 cm) réalisé en polyester armé et isolé thermiquement par polyuréthane soutient un réservoir extra-plat de couleur noire, en tôle d’acier, revêtu de peinture sélective.

Un vitrage externe recouvre tout un côté du capteur.

Le capteur doit être disposé sur une aire ensoleillée, au sol, sur terrasse ou sur toiture, à orientation « plein sud » et inclinaison à 35 degrés.

Échangeur

Réservoir en tôle d’acier, revêtement intérieur en polyester, serpentin à ailettes en cuivre pur.

Il peut être placé en sous-sol, par exemple, à l’extérieur avec ou sans abri, et même enterré. Ses dimensions sont : diamètre 700 mm — hauteur hors tout 1 900 mm. Seule varie la dimension du serpentin qui est fonction des puissances caloriques escomptées. Le circuit primaire, avec vase d’expansion sous pression d’azote, est mis en mouvement par un circulateur et relie les capteurs au serpentin de l’échangeur.

Le circuit secondaire est pris en dérivation sur le réseau filtration de la piscine dont l’eau — filtrée au préalable — traverse l’échangeur et s’y réchauffe avant d’être refoulée vers le bassin.

Le constructeur se charge de la réalisation complète de l’installation et en assure la mise en service.

Ce type d’installation peut généralement s’adapter — après étude d’implantation — à toute piscine déjà existante.

Garanties

Le passage direct de l’eau de la piscine dans les capteurs entraînerait immanquablement colmatage, corrosion et destruction rapide des appareils, ce qui rendrait toute garantie illusoire.

Par contre, l’installation proposée par le constructeur utilise simultanément capteurs et échangeur, ce qui élimine les graves inconvénients notés plus haut.

Les matériels — capteurs et échangeur — bénéficient d’une garantie totale de 10 années.

Exemples de calculs d’installations « Aquasolaire » fournis par la société Aquatic S.A.

Une piscine de 12 m × 6 m — surface : 72 m²

Apport calorifique pour maintien en température, région parisienne, au mois d’avril : 350 cal/h/m² de plan d’eau.

Nombre d’heures de chauffage : 8 h.

Soit : 2 800 cal/h × 72 m² = 201 600 cal/jour.

Apport calorifique pour premier réchauffage, région parisienne :  
eau froide 12 °C à porter à 22 °C, soit ∆t 10° :  
120 m³ × ∆t 10 = 1 200 000 cal.

Pertes pendant le réchauffage estimées à 10 %, soit 1 320 000 cal.

Temps de réchauffage : 1 semaine d’ensoleillement continu

1 320 000  
──────── = 220 000 cal/jour  
      6

La moyenne reçue par la région parisienne en flux solaire utile sur 1 capteur de 1 m² est de 4 128 cal/jour.

Surface de capteurs :

220 000  
─────── = 53 m²  
 4 128

Il faut donc installer 17 capteurs de 3 m² chacun.

Pour le maintien en juin, juillet et août, il aurait suffi de :

250 cal/m² × 8 h × 72 m²  
────────────────────── = 33 m², soit 11 capteurs.  
          5 160

Tableau des surfaces de capteurs pour une piscine de 12 m × 6 m selon les régions :

a) Déperditions m²/jour (à 23°-24°)

b) Nombre de capteurs solaires à installer pour la piscine de 12 × 6

2 400 × 72 = 172 800

Exemple : 172 800 ÷ 5 160 = 31 m², soit 11 capteurs de 3 m² pour un bassin de 12 × 6 situé dans la région méditerranéenne.

Il ressort de ces chiffres qu'il y a surpuissance en été, quelle que soit la région, cette surpuissance pouvant être récupérée pour produire de l'eau chaude sanitaire destinée à une douche ou un ensemble sanitaire.

TABLEAU DE CALCUL DES CAPTEURS PAR PISCINES ET PAR RÉGIONS

Ce tableau est établi pour des capteurs orientés plein sud, inclinaison à 35 degrés — chauffage d’avril à octobre.

Il doit être corrigé en fonction :a) de l'altitude du lieu ;b) de l'orientation ;c) de l'inclinaison ;d) de toutes circonstances locales : ombres portées, courant froid, micro-climat, etc.

CONCLUSION

Le prix d’achat d'une installation de chauffage solaire est pour l’instant relativement plus élevé que celui d’un chauffage de type traditionnel. Mais il est important, pour apprécier les chiffres à leur juste valeur, de considérer que le coût de l’énergie est nul et qu’il en sera toujours de même. En faisant l’acquisition d’une installation de réchauffage d’eau par utilisation de l’énergie solaire, le propriétaire d’une piscine sait qu’il va installer une fois pour toutes, et pour une durée illimitée, un chauffage définitivement gratuit.