La réalisation du tube technique

Voici le dernier élément à réaliser : le tube technique.

Vue générale du tube
Plusieurs fonctions sont réalisées par le tube de stratification.

Le tube technique a plusieurs fonctions :

  1. il permet la connexion des conduites solaires en liaison avec les capteurs ;
  2. il supporte la sonde de température du ballon ;
  3. il permet le remplissage de la cuve ;
  4. il permet d’aspirer l’eau en bas de la cuve ;
  5. grâce à sa forme, il distribue dans la cuve l’eau réchauffée à la bonne hauteur pour respecter la stratification.

Pour économiser de l’énergie (c’est notre avenir !), il faut respecter trois conditions, la stratification en fait partie :

Première condition : il faut réduire les pertes, il faut donc une cuve bien isolée : la plupart des chauffe-eau n’est pas assez isolé, je renvoie le lecteur vers ce document publié par l’association Apper Solaire, qui explique tout bien… Pourquoi ne pas isoler davantage les cuves ? Non certainement pour une raison économique, le surcoût serait vite amorti pour les économies de fonctionnement mais plutôt à cause du manque de place ! En effet, pour améliorer l’isolation de la cuve, soit on choisit un isolant plus performant, soit on augmente l’épaisseur. L’isolant habituellement utilisé est du polyuréthane qui est déjà très performant, certains isolants sont meilleurs mais ils sont hors de prix. Vous remarquerez que les chauffe-eau ont en général un diamètre de 61 cm, ce qui permet de les passer par toutes les portes et de les installer dans un placard de 60 cm de profondeur. Si on augmente l’épaisseur de l’isolant, les dimensions du chauffe-eau augmentent et son encombrement devient une contrainte pour son installation.

Deuxième condition : il faut conserver la stratification dans la cuve ; dans le cas contraire, si de l’eau entrante vient refroidir l’eau chaude, il sera nécessaire de réchauffer prématurément cette eau refroidie. L’eau entrante peut être soit l’eau sanitaire, soit l’eau solaire. Dans le cas du SolRtech, l’eau sanitaire parcourt un échangeur, elle ne peut donc pas brasser l’eau de la cuve. Par contre, l’eau technique (solaire) est aspirée dans le bas de la cuve où elle est la plus froide, ensuite réchauffée dans les capteurs solaires, elle revient dans la cuve ; si elle arrive simplement par le haut de la cuve et si elle est plus froide que l’eau stockée dans le haut de la cuve (cela est possible si l’apport solaire est faible, par exemple, en hiver), l’eau chaude est refroidie et il faut donc la réchauffer par un apport d’énergie supplémentaire.

Troisième condition : pour avoir de l’eau chaude économique, il faut utiliser une énergie thermique gratuite ! Il n’y en a pas beaucoup qui arrive directement chez nous et non polluante !

Le SolRtech doit respecter ces 3 conditions :

  • l’isolation, ce n’est pas encore parfait, peut mieux faire !
  • le solaire, c’est gratuit, non polluant, livré à domicile sans frais et sans pollution, c’est bon !
  • la stratification, c’est bon pour l’eau sanitaire mais que faire pour l’eau technique ?

Il existe une multitude de solutions plus ou moins complexes, je ne rentrerais pas dans les détails ici, il existe pour cela de nombreuses études sur le sujet, comme d’habitude voir le site de l’Apper Solaire.

La solution retenue ici est un tube de stratification. Il s’agit simplement d’un tube PVC de diamètre 100 mm percé à intervalles réguliers de trous.

La particularité est la forme des trous :

Forme des trous dans le tube de stratification
Les trous dans le tube ont une forme particulière.

Lorsque l’eau venant des capteurs solaires pénètre dans le tube de stratification par le haut, elle va descendre jusqu’à la strate de la cuve qui aura la même température. La forme des trous favorise la descente de l’eau et l’empêche de sortir directement dans la cuve.

Ces trous sont réalisés à l’aide d’un tube en cuivre chauffé par un décapeur thermique : tout d’abord, je réalise une fente avec une scie ; ensuite, je chauffe un bout de tube de cuivre de 22 mm de diamètre ; puis j’appuie ce tube chauffé juste au-dessus de la fente pour faire la forme.

Les trous sont répartis par 2 sur des rangés espacées de 5 cm et en quinconce.

Un tube est fixé à l’intérieur du tube de stratification :

Vue du tube d'aspiration
Le tube d’aspiration à l’intérieur du tube de stratification.

Il permet à la pompe d’aspirer l’eau au fond de la cuve, là où elle est la plus froide. Il est percé d’un trou à sa base pour l’aspiration : ce trou permet l’aspiration uniquement en dehors du tube de stratification : cela empêche d’aspirer directement l’eau venant des capteurs solaires, ainsi que les saletés qui se déposent dans le fond du tube de stratification. A noter que pour empêcher la pompe d’aspirer les dépôts dans le fond de la cuve, le tuyau d’aspiration de la pompe s’arrêtera à mi-hauteur de la cuve.

Trou d'aspiration sur le bas du tube de stratification
Le trou sur le tube aspire uniquement en dehors du tube de stratification.

Au sommet du tube de stratification, une réduction percée de trous supplémentaires permet de faire plusieurs raccordements :

Vue du sommet du tube de stratification
Tous les raccordements se font sur le raccord en PVC au sommet du tube de stratification.

Le doigt de gant recevra la sonde de température du ballon. Il est constitué d’un tube de cuivre de 8 mm, le diamètre intérieur de 6 mm convient bien pour y insérer une sonde de température.

L’étape suivante est l’assemblage des différents éléments.

 

L’échangeur en photos

Comme des photos sont souvent plus explicites que de longs discours, voici quelques prises de vue de l’échangeur.

Vue de l'échangeur complet
Vue de l’échangeur complet

Comme on peut le voir sur la photo ci-dessus, l’échangeur est constitué de :

  • quatre tubes (sur la photo, on ne peut voir que les deux de devant) percés de trous pour le passage du tuyau en inox annelé ;
  • deux tubes pour le guidage du tuyau en inox annelé lors de son entrée et sa sortie de l’échangeur, on peut voir qu’ils se prolongent au-dessus de l’échangeur, ainsi ils traverseront le couvercle du ballon ;
  • quatre disques (2 en haut et 2 en bas) qui maintiennent les tubes.
  • huit tiges filetées en acier inoxydable, qui relient tous les disques.
Vue du haut de l'échangeur
Vue du haut de l’échangeur
  • Le tuyau en inox annelé est guidé par un tube pour sa sortie, l’eau chaude sortira à cet endroit.
  • Les tiges filetées en acier inoxydable lient ensemble les deux disques d’en haut et se prolongent vers le bas de l’échangeur où elles lieront les deux disques du bas.

 

Vue du bas de l'échangeur
Vue du bas de l’échangeur

La photo du bas de l’échangeur permet de faire plusieurs remarques :

  • le tuyau en inox annelé descend dans un tube jusqu’au bas de l’échangeur, c’est par là que l’eau froide passe  et ensuite monte progressivement en se réchauffant, ce tube sert de guide mais aussi isole le tuyau du fluide contenu dans le ballon ;
  • l’échangeur repose sur quatre pieds qui sont le prolongement des tubes qui soutiennent le tuyau en inox annelé, ces pieds doivent reposer sur le fond de la cuve ;
  • les deux tubes qui guident le tuyau en inox annelé vers l’entrée et la sortie de l’échangeur sont plus courts : le fond de la cuve est légèrement bombé ;
  • le trou le plus en bas dans les tubes pour le passage du tuyau en inox annelé a un niveau différent suivant le tube : si sur le tube 1, il est à X mm, sur le tube 2, il sera à X+(D+e) / 4 où D est le diamètre du trou de passage et e est l’espacement entre les spires, sur le tube 3, ce niveau sera X + 2 x (D+e) / 4 et enfin sur le tube 4, il sera de X + 3 x (D+e) / 4 ; par exemple, si le trou a un diamètre D = 32 mm (pour un tuyau inox annelé de diamètre de 25 mm en interne), si l’espacement entre chaque spire e est de 4 mm, on pourra percer le premier trou sur le tube 1 à X = 80 mm, sur le tube 2 à 89 mm, sur le tube 3 à 98 mm et sur le tube 4 à 107 mm.
Assemblage tube avec disque
Détails de l’assemblage d’un tube avec les disques

Cette photo permet de voir en détails l’assemblage d’un tube et des deux disques, les commentaires sont valables pour tous les tubes, l’illustration montre un tube vu en bas mais c’est exactement la même chose en haut. :

  • deux encoches sont pratiqués sur le tube de part et d’autre, elles ont une largeur d’au moins 3 mm, c’est-à-dire l’épaisseur des disques ;
  • le disque placé vers l’intérieur de l’échangeur (ici, celui du dessus) est muni d’une découpe qui va permettre de coulisser dans les encoches du tube ;
  • le disque le plus extérieur de l’échangeur (ici, celui de dessous) est percé d’un trou légèrement plus grand (51 mm) que le diamètre du tube (50 mm), il peut ainsi glisser le long du tube jusqu’en butée avec le disque précédent ;
  • les deux disques sont fixés ensembles par deux tiges filetées et des rondelles et écrous de part et d’autre des disques.
déatils assemblage tube en haut
Détails de l’assemblage d’un tube et des disques sur le haut de l’échangeur

Voilà l’échangeur est presque terminé.

Il reste à mettre sur l’entrée et la sortie du tuyau en inox annelé des raccords. J’ai utilisé des raccords mécaniques achetés chez Solaire Diffusion. C’est très pratique et facile à mettre sans un outillage spécifique.

J’ai testé l’échangeur sous une pression de 15 bars et je n’ai constaté aucune fuite sur ces raccords.

Prochain article : la réalisation du tube technique …

 

La réalisation de l’échangeur en détails

Dans cet article, je vais détailler une façon de réaliser l’échangeur.

Cet échangeur est placé dans une cuve isolée et baigne ainsi dans le fluide caloporteur chauffé par le capteur solaire. Il est parcouru par l’eau sanitaire qui est froide à l’entrée de l’échangeur et sera chaude à sa sortie.

La façon la plus simple pour réaliser cet échangeur est d’utiliser un long tuyau, disposé à partir du fond de la cuve et qui monte en spirale vers son sommet : l’eau sanitaire froide parcourt ce long tuyau de bas en haut et se réchauffe progressivement. Le fluide caloporteur est donc refroidi aussi de bas en haut, c’est un avantage car l’eau est d’autant plus lourde qu’elle est froide, le fluide refroidi reste donc en bas et il n’y a pas de mélange avec le fluide plus chaud qui se trouve plus haut dans la cuve ; on a dit que le fluide est stratifié.

Dans tous les cumulus électriques, c’est le même phénomène qui est utilisé pour avoir de l’eau chaude à température constante : l’eau froide pénètre par le bas du réservoir et l’eau chaude sort par le haut. Il est vrai que l’on voit sur la plupart des cumulus l’entrée et la sortie placées en dessous ; en réalité, pour la sortie d’eau chaude, il y a un tuyau qui se prolonge jusqu’au sommet du cumulus. Ainsi, l’eau se refroidit par le bas et comme elle est plus lourde, elle ne se mélange pas avec l’eau plus chaude qui est plus légère et qui reste donc au-dessus.

Cela reste de la théorie parce qu’en pratique, il y a un autre phénomène qui intervient, c’est la vitesse de l’eau froide qui entre dans le cumulus et que, si elle est importante (lorsqu’on ouvre plusieurs robinets d’eau chaude en même temps, par exemple), l’eau froide vient brasser l’eau chaude stockée et il n’y a plus stratification, l’eau chaude qui sort du cumulus est moins chaude.

Dans le SolRTech, l’eau sanitaire ne se mélange pas avec le fluide stocké dans le ballon, il n’y a donc pas de brassage et l’eau chaude doit sortir à température constante.

Le tuyau pour réaliser l’échangeur est réalisé en acier inoxydable annelé. Il est possible d’utiliser du tube en cuivre recuit. L’avantage de l’inox annelé est sa flexibilité, ce qui permet de réaliser facilement les spires de l’échangeur. Par contre, à la différence du cuivre, l’inox annelé ne garde pas sa mise en forme.

Il faut donc réaliser un support pour maintenir le tuyau en forme.

Ce support doit résister à la corrosion puisqu’il est plongé dans de l’eau, il ne doit pas absorber l’eau et il doit garder ces propriétés mécaniques même à des températures élevées de 80°C.

Le matériau retenu est le polypropylène, il répond à tous ces critères.

N’essayez pas le PVC, ce dernier ne résiste pas à la chaleur et votre support sous le poids de l’échangeur et l’eau que celui-ci contient va se déformer et s’affaisser. Je l’ai vérifié ! Alors inutile de perdre du temps avec le PVC.

A la différence du PVC, le polypropylène est plus difficile à trouver et il se colle très difficilement.

l'échangeur nu sans l'inox annelé
vue de l’échangeur assemblé

L’assemblage se fera de façon mécanique. Les supports qui maintiennent le tuyau sont réalisés dans du tube en polypropylène de diamètre 50 et les plaques qui maintiennent ces tubes sont du polypropylène d’épaisseur 3 mm.

La principale difficulté est de trouvé ce matériau. Il faut savoir que le tube polypropylène est très utilisé en Europe et en particulier en Allemagne pour les réseaux d’eaux froide et chaude, il peut résister à des pressions de 10 bars à 95°C.

En France, vous pouvez l’acheter par exemple chez Tub Concept. Le site est bien fait pour la promotion de ce matériau et vous y trouverez de nombreuses informations sur ses propriétés et comment l’assembler en plomberie.

Les plaques en polypropylène de 3 mm d’épaisseur peuvent se trouver par exemple chez Radiospares.

Pour l’assemblage mécanique, le principe est le suivant :

  • chaque tube en polypropylène est muni de deux encoches (de 3 mm de
    Assemblage échangeur 1° étape
    Grâce à leurs encoches, les tubes peuvent coulisser dans les ouvertures pratiquées dans les disques.

    large) à chaque extrémité ;

  • quatre larges encoches sont pratiqués dans deux disques en polypropylène de 3 mm d’épaisseur ;
  • grâce à leurs encoches, les tubes viennent coulisser dans celles des disques ;
  • deux autres disques en polypropylène de 3 mm d’épaisseur viennent maintenir les tubes dans leur position finale ;
  • des tiges filetées en acier inoxydable viennent solidariser les disques ensemble.
Assemblage échangeur 2°partie
Deux autres disques viennent bloquer les tubes.
Détails de l'échangeur
Les disques sont maintenus par des tiges filetées.

Voici donc les différentes pièces qui constituent le support de l’échangeur :

vue pièces de l'échangeur
Les différentes pièces constituant le support de l’échangeur.
  • deux disques en polypropylène d’épaisseur 3 mm, dans lesquels sont réalisées quatre ouvertures pour le maintien des tubes (voir figure ci-contre), 8 trous de 5,5 mm pour les tiges filetées et le perçage d’un trou central de 110 mm pour le passage du tube technique ;
  • deux disques en polypropylène d’épaisseur 3 mm, percés de 6 trous de 51 mm de diamètre (pour guider les tubes), de 8 trous de 5,5 mm de diamètre (pour le passage des tiges filetées) et d’un trou central de 110 mm (pour le passage du tube technique) ;
  • quatre tubes usinées pour le passage du tuyau en inox annelé ;
  • deux autres tubes pour le maintien du tuyau en inox annelé lors de son entrée et sa sortie de l’échangeur ;
  • 8 tiges filetées en acier inoxydable de 5 mm de diamètre, 32 rondelles et écrous en acier inoxydable pour la fixation des disques entre eux.

En pratique,

  • pour découper les disques et les trous centraux, j’ai utilisé une défonceuse avec un guide fait maison ;
  • pour réaliser les perçages de 51 mm, la scie cloche de 51 mm marche bien ;
  • les trous de passage du tuyau en inox annelé dans le tube en
    Détails perçages dans le tube
    Détails des passages pour le tuyau en inox et d’une des quatre encoches sur le tube.

    polypropylène sont percés avec un foret à étages de 32 mm monté sur une perceuse colonne (32 mm convient bien pour tuyau de 25 mm interne), l’ouverture est terminée à la scie à onglet. On notera deux points : 1. le trou n’a pas besoin d’être centré, au contraire, il vaut mieux le décaler vers l’extérieur pour conserver le maximum de matière, 2. l’ouverture est plus étroite que le trou pour maintenir le tuyau ;

  • les encoches sur les tubes sont pratiquées avec une scie circulaire, la largeur de la lame est proche des 3 mm et il est facile de régler la profondeur de coupe donc de l’encoche. Il y a quatre encoches par tube (2 de part et d’autre en bas et en haut du tube).

Une astuce : pour percer aux bons endroits, j’imprime à l’échelle 1 mon

Gabarit collé
Gabarit de perçage imprimé sur une feuille autocollante A4 et collé sur un tube pour perçage et découpe.

gabarit de perçage sur des feuilles autocollantes A4 et je les colle soit sur ma plaque de polypropylène, soit sur mon tube.

Une fois les différentes pièces usinées, l’assemblage se fait selon le principe décrit précédemment.

Dans le prochain article, je vous montrerai des photos de l’échangeur fini, cela permettra de mieux comprendre l’assemblage et se sera plus clair qu’un long discours.

A suivre …

Réalisation du deuxième élément : l’échangeur

Dans les 3 articles précédents, nous avons vu comment réaliser sans un gros investissement la cuve de stockage du SolRTech. Je rappelle que le SolRTech est une dénomination que j’ai inventée et qui désigne les chauffe-eau solaires dont les particularités sont les suivantes :

  • le fluide caloporteur est de l’eau uniquement ;
  • ce fluide est à la pression atmosphérique ;
  • les capteurs solaires se vidangent ;
  • l’eau chaude sanitaire n’est pas stockée et est produite de façon instantanée ;
  • le débit du fluide caloporteur (l’eau, donc) est ajusté pour obtenir le meilleur rendement.

Ces particularités permettent de réaliser un ballon de stockage, simple comme nous l’avons vu précédemment : une cuve en matière plastique, PEHD ou polypropylène convient parfaitement :

  • elle résiste suffisamment à la chaleur et cela d’autant mieux qu’il n’y a pas de pression, et comme les capteurs se vidangent, la température du fluide peut être facilement contrôlée ;
  • elle résiste aussi parfaitement à la corrosion de l’eau, ce qui simplifie grandement la structure du ballon : l’ électrode sacrificielle ou électronique qui protège le ballon en acier contre la corrosion est donc inutile ; il en est de même de l’émaillage ou de la vitrification d’une cuve qui serait en acier ; sans oublier, les raccords diélectriques que l’on « oublie » sur les entrées – sorties du ballon en acier sur le circuit primaire (c’est-à-dire celui qui va aux capteurs solaires). J’invite le lecteur à aller lire le document sur le site « Apper Solaire » intitulé « Préconisations d’installation d’un ballon ECS face à la corrosion galvanique ».

J’en profite pour rappeler d’autres simplifications que permet le SolRTech :

  • Le fluide caloporteur est à la pression atmosphérique, le manomètre, le vase d’expansion et la soupape de sécurité sont inutiles, il faut préciser que ces deux derniers éléments sont à l’origine de nombreuses pannes et nécessitent ainsi un entretien régulier.
  • Encore un avantage du fluide à la pression atmosphérique, le remplissage du ballon se fait simplement par le dessus, l’eau potable du réseau n’est pas en contact avec l’eau stockée, il est impossible de contaminer l’eau potable avec l’eau stockée, le disconnecteur qui joue en général ce rôle est maintenant superflu.
  • Une évidence mais il faut tout de même le dire, puisque le fluide est simplement de l’eau, il est inutile de contrôler l’antigel ou l’additif anti-corrosion et de les changer régulièrement.
  • Les capteurs se vidangent automatiquement et ils se remplissent aussi automatiquement, donc sans intervention humaine, il n’y a plus besoin de purgeur manuel sur le toit, heureusement ! parce qu’à chaque démarrage du chauffe-eau solaire, s’il fallait monter sur le toit… Il faut préciser que sur une installation classique, donc non SolRTech, il faut un dispositif pour supprimer l’air du circuit primaire : un purgeur manuel ou automatique (plus pratique mais moins fiable) sur le toit, ou un « dégazeur » plus pratique car placé près du chauffe-eau solaire mais aussi beaucoup plus cher.

Il y a d’autres avantages ou simplifications que nous verrons lors de la réalisation des autres éléments du SolRTech.

Passons à présent à la réalisation de l’échangeur.

Le ballon isolé décrit précédemment sert à stocker l’eau (le fluide caloporteur) chauffé par le soleil à travers les capteurs. Le but d’un chauffe-eau solaire est de chauffer l’eau sanitaire. Dans le SolRTech, cela se fait grâce à un échangeur. Celui-ci est très grand parce qu’il doit permettre de chauffer l’eau froide sanitaire de façon instantanée : l’eau froide pénètre dans l’échangeur par le bas et le parcourt de bas en haut et se réchauffe progressivement pour sortir chaude en haut de l’échangeur. Un mitigeur thermostatique permet de limiter la température de l’eau à une température raisonnable (pour éviter les brûlures).

Les fabricants de SolRTech réalisent cet échangeur avec un tuyau en inox annelé, nous allons faire de même.

Vue de l'échangeur final
L’échangeur réalisé

Sur la photo ci-dessus, on peut voir que l’échangeur est composé de :

  • un long tuyau en inox annelé, dans lequel va circuler l’eau sanitaire pour se réchauffer ;
  • un support pour maintenir le tuyau  en inox ;
  • l’entrée et la sortie de l’échangeur par le dessus du ballon pour éviter ainsi de percer le ballon.

Dans la suite, je vais décrire la solution que j’ai réalisée, l’objectif n’est pas de vous donner une solution « clef en main » mais de vous donner des idées de réalisation et d’essayer de vous convaincre que le SolRTech peut être réalisé simplement et sans un gros investissement.

Pour connaître les dimensions du tuyau en inox annelé à utiliser, une fois encore, je vous renvoie vers le site de l’Apper solaire avec un très bon article : Echangeurs instantanés ECS en inox annelé par Ramses.

Vous y verrez que selon le débit désiré, la longueur du tube chez le fabricant Rotex peut varier de 28 à 38 mètres avec un diamètre interne de 25 mm.

Chez un autre fabricant BySun (Spécifications du ballon EasyTub ), cette longueur atteint 42 mètres (pour un volume d’échangeur de 27,5 litres).

Comme vous pouvez le constater, la longueur de tube est très importante, ainsi que le volume de l’échangeur de 20 à 30 litres. Si le tuyau inox annelé est léger, une fois rempli d’eau, il peut peser jusqu’à 30 kg.

Il faut donc prévoir un support costaud surtout dans de l’eau très chaude.

Dans le prochain article, je décrirai une manière de réaliser le support de l’échangeur…

L’isolation du réservoir, suite…

Avant d’assembler le fût et le caisson isolant, il reste une étape à faire : il faut réaliser les perçages dans le couvercle.

Le couvercle fourni avec le fût est bien conçu et solide, par contre, il est à l’origine fixé par un cerclage métallique. Celui-ci ne peut pas être ré-utiliser à cause de l’isolation de la cuve.

détails de la fixation du couvercle
Fixation du couvercle

Le couvercle est donc fixé par huit boulons répartis régulièrement sur le pourtour du fût.

Pour cela, des trous sont percés à la fois sur les pourtours du fût et du couvercle, les trous du fûts sont taraudés au diamètre de 8.

Il faut aussi réaliser des perçages sur le dessus du couvercle :

 

Vue perçages dans le couvercle
Perçages nécessaires dans le couvercle
  • il y a les deux nécessaires pour l’entrée et la sortie de l’échangeur, qui permet d’avoir l’eau chaude produite instantanée ;
  • il y a celui pour le tube technique central : ce tube permet de rassembler la plupart des fonctions et ainsi de n’avoir qu’un seul perçage.

 

Une fois, le couvercle percé, il est fixé sur le fût avec les 8 boulons.

Le fût est ensuite entouré d’un film étirable, le même que celui utilisé en cuisine pour recouvrir les aliments, ceci pour deux raisons :

  1. Pour maintenir le fût dans le caisson, nous allons injecté de la mousse de polyuréthane, le film empêchera de salir le couvercle, de colmater les boulons de fixation et l’attache du tuyau du trop plein.
  2. Il faut aussi penser au recyclage du produit, le film permettra de séparer facilement le caisson en mousse polyuréthane et le fût en PEHD. D’ailleurs, tous les éléments du ballon peuvent être facilement séparés et triés.
vue du fût entouré de son film alimentaire
silence, on filme !

Il reste ensuite à insérer le fût dans le caisson, à fixer le tuyau du trop plein et de remplir le fût avec l’eau par un des perçages dans le couvercle pour lester l’ensemble.

remplissage du fût avec de l'eau
Le fût est lesté avec de l’eau, le tuyau transparent permet de rejeter à l’égout le trop plein d’eau.
vue du fût dans le caisson
le fût est inséré dans le caisson

 

 

 

 

 

 

 

Des trous sont réalisés régulièrement au niveau des encoches, ce qui permet d’injecter la mousse de polyuréthane. Ces trous sont immédiatement bouchés avec du ruban adhésif, la mousse doit gonfler à l’intérieur… et les trous seront bouchés proprement par la mousse.

Voilà le réservoir (bien) isolé est terminé.

Prochaine étape : la réalisation de l’échangeur d’eau sanitaire …

Réalisation d’un SolRTech : l’isolant.

Le réservoir décrit dans l’article précédent doit être isolé afin que l’eau réchauffée et stockée à l’intérieur ne se refroidisse pas trop vite.

En général, l’isolation des ballons de stockage est réalisé en mousse de polyuréthane, c’est un isolant très performant, ce qui permet d’obtenir un bon résultat avec une épaisseur faible.

Le polyuréthane offre un autre avantage, c’est sa rigidité : c’est pour cela qu’il est injecté dans les caissons des portes sectionnelles de garage, il sert à l’isolation mais aussi à renforcer les parois en acier qui sont très fines.

Dans notre ballon de stockage, le polyuréthane aura aussi ce rôle de renforcer la résistance du réservoir et empêchera la déformation de ce dernier surtout à haute température (80°C).

Dans l’industrie, cette isolation est réalisée en injectant de la mousse polyuréthane autour de la cuve avec une machine spéciale.

Pour un auto-constructeur, il n’est pas rentable d’acheter une telle machine. Nous allons donc utiliser des plaques de polyuréthane.

Il est facile de trouver des plaques d’épaisseur 60 mm dans les magasins de bricolage, celles que je vais utiliser ont des dimensions de 1200 x 600 mm. Il faut savoir que 60 mm sont bien supérieurs à ce que l’on trouve dans le commerce, les cumulus électriques les mieux isolés ont une épaisseur d’isolant de 45 mm, en général.

Comme une photo est plus parlante qu’un long discours, voici donc une illustration du caisson isolant à réaliser.

Vue du caisson isolant réalisé avec des plaques de plyuréthane
Le caisson isolant

Le dessus a une forme de polygone à 9 côtés. Pourquoi avoir choisi 9 côtés ? Parce que 360° divisés par 9, puis par 2 donne 20° et l’inclinaison de la lame de la scie circulaire est graduée de 5 en 5 !

 

 

 

 

Une plaque de polyuréthane n’est pas assez large pour faire le tour, il faut donc en coller plusieurs bout à bout. Leurs bords ont une forme « bouvetée », ce qui permet de les emboiter facilement.

 

vue assemblage des plaques de polyuréthane
Assemblage de quatre plaques

Il est important de les coller ensemble pour obtenir une seule plaque rigide. La colle que je préfère dans ce cas est celle pour bois extérieur à base de polyuréthane. Elle a une prise lente, ce qui laisse le temps d’assembler les plaques et elle a l’avantage de gonfler un peu pour boucher les espaces ; aussi, il est important de maintenir les plaques par un ruban adhésif pendant l’expansion.

colles bois extérieur
deux exemples de colle pour bois extérieur à base de PU

Voici deux exemples de colles pratiques pour le collage des plaques entre elles.

Il en existe sans doute d’autres mais celles-ci sont vendues dans des grandes enseignes de bricolage.

 

 

 

 

Vue encoches dans la plaque
Encoches réalisées dans la plaque de polyuréthane.

Pour pouvoir « enrouler » la plaque autour du réservoir cylindrique, il faut réaliser des encoches. Pour cela, j’utilise une scie circulaire avec un guide de découpe (pour découper droit !) ; la scie circulaire permet de régler précisément l’inclinaison de la lame et de réaliser ainsi les encoches. Ici, l’inclinaison est de 20°, ce qui est à l’origine du ennéagone. Il faut aussi bien régler la profondeur de découpe afin de découper l’isolant et non le revêtement inférieur de la plaque, ainsi les secteurs de la plaque sont liés ensemble par ce revêtement.

La découpe avec la scie fait beaucoup de poussière, donc se protéger avec un masque et des lunettes et utiliser un aspirateur connecté directement à la scie circulaire.

Vue finale du caisson
Collage final du caisson

Il faut ensuite « rouler » la plaque, rajouter un fond découpé dans une plaque de polyuréthane de 60 mm et injecter de la mousse expansive de polyuréthane dans les espaces des encoches après avoir maintenu l’ensemble avec deux sangles.

N’oubliez pas auparavant de vérifier que le fût rentre bien dans le caisson isolant !

Il ne faut pas oublier de découper le dessus du caisson de la même façon que le fond. Il servira plus tard pour isoler le dessus du ballon.

Ainsi, le réservoir sera complètement isolé.

Voilà le caisson terminé.

A suivre, l’assemblage du fût et du caisson isolant.

 

Un ballon de stockage simple

Dans un précédent article sur les avantages du SolRTech, j’ai indiqué que le ballon de stockage est simple à réaliser et ne demande pas un gros investissement : il est inutile d’avoir une chaudronnerie pour le réaliser. Et pour le prouver, je vous propose de réaliser ce nouveau type de ballon. Vous trouverez dans les articles suivants un exemple de réalisation d’un ballon de stockage, ici il s’agit d’une petite capacité mais le principe reste valable pour de plus grande contenance.

chauffe-eau_complet1
Vue d’ensemble des éléments présents dans le SolRTech

Le ballon de stockage est composé de plusieurs éléments :

  • un réservoir qui va contenir l’eau qui va parcourir les panneaux solaires thermiques et stocker ainsi l’énergie solaire ;
  • un isolant qui va empêcher cette eau chauffée de se refroidir (trop vite) ;
  • un tube de « stratification » qui va permettre d’extraire l’eau au bas du réservoir et une fois chauffée dans les panneaux solaires de la déverser à nouveau dans ce réservoir ;
  • un échangeur qui va permettre de chauffer l’eau sanitaire de façon instantanée, afin de prendre une douche bien chaude.

Commençons dans cet article par décrire le réservoir.

Le réservoir est constitué d’un fût en PEHD. J’ai choisi un modèle avec une grande ouverture, ce qui permettra d’insérer facilement l’échangeur.

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Fût de 120 litres en PEHD

Ce genre de fût est utilisé pour le stockage et le transport de denrées alimentaires. Il est fourni avec un couvercle qui permet de fermer le fût de façon hermétique.

Le PEHD est une matière plastique, le polyéthylène haute densité. A la différence des ballons en acier, il ne rouille pas, ne conduit pas le courant électrique, c’est un bon isolant thermique, il est étanche, il n’absorbe pas l’eau et il résiste assez bien à la chaleur, il ne faudra pas dépasser les 80°C pour l’eau de stockage, le PEHD garde ses propriétés mécaniques jusqu’à 90°C.

C’est une bonne solution pour l’auto-constructeur :

  • elle est disponible facilement et à un prix très intéressant ;
  • elle existe dans différentes capacités, jusqu’à 220 litres ;
  • elle est moulée en une seule pièce, ce qui permet d’avoir une étanchéité pérenne dans le temps.

Une capacité de 220 litres peut paraître faible, en comparaison avec l’offre des fabricants, qui proposent en général un ballon de 300 litres.

Pourquoi ne pas envisager plutôt deux ballons de petite capacité (150 litres par exemple) ?

Dans une habitation, il est parfois trop contraignant ou impossible de rassembler tous les points de puisage d’eau chaude. La production d’eau chaude peut se trouver alors loin de certains points. Ce qui occasionne deux types de gaspillage :

  • au niveau de l’eau, il faut la faire couler un long moment avant que l’eau chaude soit là, n’oublions pas que l’eau potable est aussi très chère ;
  • au niveau des pertes énergétiques, il y a celles dues à la longueur de la conduite, l’énergie qui a été nécessaire pour chauffer l’eau qui restera dans la conduite à la fin et qui ne sera pas utilisée, cette eau a été remplacée dans le ballon par de l’eau froide qu’il faudra chauffer…

Pour réduire ces pertes, il existe bien la solution de la boucle sanitaire, l’eau est disponible instantanément mais les pertes énergétiques sont encore plus importantes, l’eau chaude se refroidissant dans la boucle.

La seule solution raisonnable est d’avoir des productions d’eau chaude au plus près des points de puisage. C’est facile à faire avec des cumulus électriques mais impossible avec une chaudière.

Le problème est que le cumulus électrique coûte cher à l’usage.

Un SolRTech d’une capacité de 150 litres est très compact, du moins autant qu’un cumulus électrique, il peut donc être plus facilement installé près du point de puisage.

Si le ballon de 300 litres est associé avec deux capteurs solaires, les SolRTech de 150 litres pourraient être alimentés chacun par un capteur.

Certes, il y aurait un surcoût dû à l’achat des deux solRTech (au lieu d’un seul) mais le confort et les économies à l’usage seraient importants. C’est une idée à retenir.

Pour être complet, il faut savoir que les solutions commerciales sont réalisées en polypropylène ; c’est une matière plastique plus résistante à la chaleur que le PEHD. Nous reviendrons sur le polypropylène lors de la réalisation de l’échangeur, son support est réalisé avec cette matière.

Comme écrit précédemment, le réservoir est moulé en une seule pièce pour une bonne étanchéité, il est donc inutile de faire des trous dedans ! Toutes les sorties se feront par le dessus au niveau du couvercle.

Il y a tout de même un trou sur la partie supérieure, qui sert de trop plein et d’évent : en effet, l’intérieur du réservoir doit rester à la pression atmosphérique.

A suivre… l’isolation du ballon.

 

 

Le SolRLife, l’automatisme pour chauffe-eau SolRTech

Nous avons vu dans l’article précédent qu’il n’existe pas d’automatisme adapté pour les chauffe-eau solaires à cuve technique à eau à pression atmosphérique à vidange des capteurs solaires. Comme c’est un peu long à écrire, nous avons appelé ce type de chauffe-eau, « SolRTech ».

Chez SysMotem, nous avons conçu un automatisme spécifiquement pour le SolRTech, nous l’avons nommé pour la suite « SolRLife », c’est lui qui donne « vie » au SolRTech !

Le SolRLife est un seul produit, la régulation, la pompe et son moteur électrique n’en font qu’un. Ce point est important pour pouvoir appliquer la sysmotique. N’oublions pas que SysMotem est spécialisé en sysmotique…

Cela signifie qu’il y a un seul  calculateur pour la régulation et le contrôle du moteur de la pompe. Il est donc possible d’utiliser facilement les données du contrôle du moteur pour optimiser le fonctionnement de la régulation et du chauffe-eau et celle du régulateur pour piloter correctement la pompe.

Tout d’abord, la pompe a été conçue pour des débits faibles (moins de 300l/h) et des hauteurs de refoulement importantes (plus de 12 m). Elle a donc une taille réduite et une consommation très faible.

Sa technologie lui permet d’être auto-amorçante, ce qui signifie qu’elle peut être placée au-dessus de la cuve technique, elle est donc facilement accessible et son entretien est facilité.

Elle est équipée d’un moteur à courant continu sans balai (BLDC en anglais) séparé de la turbine : ce qui accroît sa durée de vie et permet sa réparation plus facilement. Ce moteur est à très basse tension (12V), il peut donc être alimenté à partir d’un panneau photovoltaïque pour un chauffe-eau autonome ou sur batterie en cas de panne de courant.

La turbine de la pompe est accessible et entièrement démontable pour le remplacement des pièces d’usure, l’objectif est d’atteindre la même durée de vie que les capteurs et la cuve, c’est-à-dire au moins 20 ans.

De même, la carte électronique du SolRLife a été conçue pour durer. Pour cela, entre autre, nous avons choisi une alimentation externe, plus facile à remplacer. Ainsi, la plupart des composants « moins » fiables (par exemple, les condensateurs électrolytiques) sont tous réunis sur cette alimentation externe.

Ensuite, le SolRLife va améliorer le fonctionnement du chauffe-eau :

  • il effectue le remplissage des capteurs solaires et contrôle que tout se passe correctement,
  • il module le débit de la pompe de 0 à 100 %,
  • même à l’arrêt, il maintient les capteurs pleins dans l’attente d’un meilleur ensoleillement, comme le ferait un chauffe-eau solaire pressurisé,
  • il effectue et contrôle la vidange des capteurs solaires en cas de surchauffe ou de risque de gel.

Enfin, le SolRLife ne nécessite aucun réglage puisqu’il n’est conçu que pour le SoLTech. Il ajuste aussi le débit de la pompe pour tirer le maximum de puissance des capteurs solaires.

 

 

L’automatisme du chauffe-eau SolRTech

Si les cuves et les capteurs solaires proposés par les fabricants sont bien conçus et il n’y a rien à redire, je pense qu’il n’en est pas de même pour l’automatisme.

Par automatisme, j’entends la régulation ET les différents éléments qu’elle contrôle, comme la pompe, l’appoint, les sondes de température…

Le chauffe-eau nommé ici SolRTech est très particulier en comparaison avec les autres systèmes que ce soit les autres installations solaires, de chauffage ou de refroidissement.

Rappelons les particularités d’un chauffe-eau solaire SolRTech :

  • le fluide caloporteur est seulement de l’eau ;
  • ce fluide est à la pression atmosphérique ;
  • il faut pouvoir vider les capteurs automatiquement ;
  • il faut pouvoir remplir les capteurs automatiquement ;
  • le fluide doit circuler lentement, 20 à 50 litres par m² de capteurs, soit 300 litres au maximum pour 6 m².

Il n’existe pas actuellement d’automatisme capable de répondre à ces contraintes.

Pour mon premier chauffe-eau solaire, un système classique sous pression avec un fluide avec antigel (avec moins de contraintes pour l’automatisme), la pompe centrifuge était trop puissante bien que ce soit le plus petit modèle du fabricant ; il avait fallu rajouter un té de réglage pour réduire le débit. Il faut donc faire consommer davantage la pompe pour la faire ralentir, une aberration.

Le problème est aujourd’hui en partie résolu grâce au remplacement du moteur électrique des pompes centrifuges par une nouvelle technologie plus performante avec un contrôleur électronique et qui permet de faire varier de façon optimum la vitesse de la pompe. Il est donc possible de ralentir la pompe pour obtenir le bon débit et de diminuer par conséquent la consommation de la pompe.

Il reste cependant un problème, le débit est constant même si l’ensoleillement change, ce qui oblige la pompe à marcher par intermittence lors de faible ensoleillement et ce qui a pour conséquence de laisser refroidir l’eau des conduites pendant les arrêts. C’est pourquoi, les fabricants de pompes ont rajouter une sorte de bus de communication pour que la régulation envoie des ordres de vitesse à la pompe. La régulation est alors plus complexe, ce qui s’ajoute à la complexité du contrôleur interne à la pompe.

Un seul fabricant a pensé à faire communiquer la pompe vers la régulation et transmettre la vitesse réelle de la pompe. C’est bien mais pour que cela marche de façon optimum, il faut que la régulation soit appariée parfaitement avec le contrôleur de la pompe, ceci afin que la régulation interprète le comportement de la pompe.

Ne serait-il pas alors plus simple que la régulation et le contrôleur de la pompe ne fassent qu’un seul produit ?

Avec le chauffe-eau SolRTech, le fluide est à pression atmosphérique, ce n’est pas nouveau dans le monde des installations de chauffage : à la différence du SolRTech,soit ces installations n’avaient pas de pompe (le fluide circulait par thermosiphon), soit elles avaient un vase d’expansion ouvert placé à une grande hauteur par rapport à la pompe. Dans le cas du SolRTech, le vase d’expansion ouvert, c’est la cuve, qui est presque à la même hauteur que la pompe. En conséquence, la pompe se met à « caviter », c’est-à-dire que de l’air se forme au niveau de la turbine, dans le meilleur des cas, cela détériore la turbine, au pire cela empêche le fluide de circuler et détruit la pompe.

Les fabricants de pompes centrifuges ont alors conçu de nouvelles turbines pour limiter la cavitation mais cela reste insuffisant. Alors les fabricants de chauffe-eau solaires ont essayé de placer la pompe au plus bas de la cuve pour avoir un « maximum » de hauteur d’eau…

Mais malheureusement, une autre caractéristique du SolRTech vient en partie anéantir ces efforts : pour remplir les capteurs solaires qui peuvent être à une hauteur de 12 m, la pompe centrifuge doit tourner très vite, ce qui a pour conséquence de favoriser la cavitation de la pompe !

Une autre conséquence de tourner très vite est que le débit devient très important une fois les capteurs remplis, la température de ces derniers chute alors rapidement et la régulation coupe la pompe et comme les capteurs se vident par gravité, les voilà à nouveau vides. Il ne reste plus qu’à recommencer dès que la température des capteurs sera remontée. Encore une aberration.

Vous l’aurez compris, l’automatisme du SolRTech est constitué d’éléments, régulation et pompe qui n’ont pas été conçus pour cette application. Cela marche mais non de façon satisfaisante pour un produit grand public et surtout, il serait possible de faire beaucoup mieux…

Dans le prochain article, je décrirai le SolRLife, l’automatisme spécifiquement conçu pour les chauffe-eau SolRTech.

 

Les avantages du chauffe-eau solaire SolRTech

Nous allons aborder les avantages du chauffe-eau solaire SolRTech.

Les avantages par rapport aux autres solutions solaires sont nombreux, on peut néanmoins les résumer en trois mots : simplicité, compacité, peu d’entretien.


La simplicité

Comme vu dans l’article précédent, le fonctionnement est simple mais cela reste valable pour tous les chauffe-eau solaires, la complexité se trouve dans le fonctionnement du soleil et non dans l’installation solaire.

Il y a très peu d’éléments : une cuve et son échangeur sanitaire, un automatisme, des liaisons hydrauliques et bien sûr des capteurs solaires. Il n’y a pas tous les éléments de sécurité ou nécessaires habituellement présents sur un chauffe-eau solaire classique : en effet, il n’y a pas de purgeur, ni de soupape de sécurité, ni de vase d’expansion, ni de clapet anti-retour, ni de réglage de débit, ni de disconnecteur, ni de manomètre. Tous ces éléments en moins font que le SolRTech est aussi plus fiable.

La simplicité se retrouve aussi dans l’assemblage de la cuve : ici, il est inutile d’avoir une chaudronnerie pour réaliser la cuve, celle-ci est constituée de plusieurs éléments facile à assembler et nécessite peu d’investissement :

L’enveloppe interne est réalisée en matière « plastique », polypropylène ou polyéthylène, il n’y a pas besoin de traitement supplémentaire, ce matériau est résistant naturellement à la corrosion. L’idéal est que cette enveloppe soit moulée en une seule pièce, ce qui garantit une étanchéité durable. La plastique peut être de la matière recyclée, l’eau sanitaire ne sera jamais en contact avec cette matière. Avec cette enveloppe « plastique », la cuve est aussi plus légère qu’un ballon en acier.

Autour de cette enveloppe interne, il y a un isolant thermique en mousse de polyuréthane ; cet isolant contribue bien sûr aux économies d’énergie et également à la rigidité de la cuve.

Un habillage est ensuite ajouté pour l’esthétique.

L’échangeur sanitaire est facilement inséré par le haut de la cuve, en effet, le haut de la cuve est un simple couvercle, il n’a pas besoin d’être étanche à la pression puisqu’il n’y aura pas de pression. Cela signifie aussi qu’il sera facile d’accéder à l’échangeur pour sa maintenance ou son remplacement.

L’échangeur est réalisé en tuyau annelé en inox : ce matériau permet une mise en forme simple de l’échangeur et ne nécessite aucun traitement supplémentaire puisqu’il est naturellement résistant à la corrosion. Et puisque l’échangeur n’est pas solidaire de la cuve, il pourra être facilement séparé de la cuve pour être recyclé.

La simplicité est ici synonyme d’éco-conception: un produit plus léger, durable, facilement réparable, pouvant être recyclé plus facilement, économe en énergie lors de sa fabrication et de son transport… Comme sa fabrication ne nécessite pas de gros investissements et de grosse infrastructure, la cuve pourrait être fabriquée dans de petites unités locales uniformément réparties dans le pays, ce qui réduirait encore l’impact du transport.

La simplicité se retrouve aussi dans l’utilisation et dans l’entretien et ici synonyme d’hygiène, de santé. En effet, dans un ballon classique, il y a accumulation de calcaire, de boue et de corrosion où peuvent se développer des bactéries nuisibles pour notre santé. Les fabricants de ces solutions classiques ont rajouté des dispositifs pour améliorer l’hygiène dans les ballons : vitrification de l’intérieur, électrode en magnésium ou en titane pilotée électroniquement pour empêcher la corrosion, élévation de la température à intervalle régulier mais ce que ces fabricants ne font pas, c’est le nettoyage régulier de l’intérieur du ballon, c’est-à-dire enlever le calcaire et les boues accumulés. Et vous, le faites vous ?

Avec la production d’eau chaude instantanée, tous ces dispositifs supplémentaires et le nettoyage du ballon sont maintenant inutiles. L’eau chaude sanitaire reste potable.


La compacité

Quand on voit des photos d’installations solaires, la première chose qui frappe, c’est la place que ça occupe, en général, il faut une pièce dédiée pour le chauffe-eau solaire ! Et pourtant, à la différence d’une chaudière ou d’un chauffe-eau thermodynamique, la production de chaleur se fait à 150 millions de km de notre maison et les capteurs solaires sont sur le toit, c’est-à-dire hors partie habitable. Dans l’habitat, il n’y a donc que le ballon de stockage, qui ne devrait pas occuper plus de place qu’un cumulus électrique de même contenance !

La simplicité du SolRTech et en particulier, la suppression de certains éléments vont permettre de réduire l’encombrement du chauffe-eau. Tout peut être intégré dans la cuve ou au-dessus.

La compacité est encore accrue par l’utilisation d’un automatisme dédié spécifiquement pour ce type de chauffe-eau. Le circulateur habituellement utilisé est surdimensionné pour cette application. Nous reviendrons sur ce point dans le prochain article.


Le peu d’entretien

Nous avons déjà vu qu’il n’y a pas de nettoyage à faire du ballon puisque l’eau sanitaire n’y est pas stockée.

Les capteurs solaires ont une durée de vie supérieure à 20 ans et n’ont pas besoin d’entretien. Leur durée de vie est rallongée par le fonctionnement du SolRTech : il n’y a pas d’antigel, il n’y a donc pas de dosage à faire correctement ou à contrôler régulièrement, il n’y a pas de risque de gel ; il n’y a pas de risque de surchauffe et de surpression dans les capteurs.

La cuve du SolRTech est insensible à la corrosion, donc ne nécessite aucun entretien.

L’automatisme a été conçu pour durer longtemps mais comme il est difficile d’atteindre la durée de vie des capteurs solaires et de la cuve, tout a été fait pour que les pièces d’usure puissent être changées facilement et à moindre coût. Je consacrerai un article entier sur ce point parce qu’il est très important ; aujourd’hui, les automatismes présents dans les chauffe-eau solaires ne sont pas du tout réparables ou très difficilement.

L’objectif est de limiter l’entretien régulier du SolRTech à deux interventions :

  1. rajouter de l’eau dans la cuve, ce n’est pas plus difficile que de remplir le bac de son évier ;
  2. manœuvrer chaque mois le groupe de sécurité, je sais, on ne le fait pas, il faut dire que pour un cumulus, il faut se mettre en quatre pattes pour atteindre la vanne du groupe ; sur le SolRTech, vous pourrez le faire en restant debout ! Alors, plus d’excuses.

Voici 3 fabricants qui fournissent ce type de chauffe-eau :

  1. le plus connu, Rotex, qui fait maintenant partie du groupe mondialement connu Daikin, fabricant des pompes thermodynamiques ;
  2. Héliofrance, fabricant français ;
  3. Bysun, fabricant local (près de chez moi).

Si vous fabriquez de telle cuves, n’hésitez pas à le signaler en laissant un commentaire, vous êtes sans doute mon prochain client !

 

Passons maintenant aux inconvénients…

Il n’y a pas d’automatisme adapté pour ce type de chauffe-eau solaire.

SysMotem apporte des solutions pour remédier à ces inconvénients.

La suite au prochain article…