La régulation solaire au cœur d'un système solaire thermique

Contrôler l'efficacité et le rendement

L'utilisation d'un système solaire thermique permet d'économiser près de 50% des coûts de l'eau chaude et, pour une famille de quatre personnes, d'économiser facilement 300 kg de CO₂ par an. Pour obtenir le rendement maximal d'une installation, il est important que les différentes parties de l'installation fonctionnent correctement ensemble. C'est le système de régulation solaire qui s'en charge, en jouant à la fois un rôle de coordination et de supervision, en surveillant les fonctions et la sécurité du système, mais aussi en contrôlant le rendement prévu.

Principe du système solaire thermique

Un système de chauffage solaire chauffe l'eau à l'aide de l'énergie solaire. Ses principaux composants sont: un (ou plusieurs) capteur(s) solaire(s), l'unité de régulation solaire, un réservoir de stockage et un chauffage d'appoint. Le capteur solaire convertit le rayonnement électromagnétique du soleil en énergie thermique. Grâce à un échangeur de chaleur, cette énergie réchauffe le fluide caloporteur qui fait de même avec l'eau du réservoir de stockage. Si cette eau n'est pas assez chaude, elle est chauffée à nouveau par le réchauffeur.

L'utilisation d'un système de chauffage solaire réduit de près de la moitié les coûts de l'eau chaude, ce qui permet d'économiser du gaz et donc de l'argent. En outre, la quantité de CO₂ émise est considérablement réduite: pour un ménage de quatre personnes, cela représente une économie annuelle de 330 kg.

Concept de régulation

Pour tirer le meilleur parti d'un système solaire thermique, il est important que les composants fonctionnent correctement et soient bien coordonnés afin que la chaleur solaire puisse être utilisée efficacement et que l'énergie soit gérée aussi efficacement que possible. Cette tâche est effectuée par le système de régulation solaire contrôlé par microprocesseur. C'est le centre de contrôle du système: une commande intelligente et autonome capable de définir un concept de contrôle optimal sur la base de tous les paramètres entrants. Cela comprend:

• l'adaptation du (des) capteur(s) solaire(s) et de la (des) chaudière(s)/ballon(s);
• le réglage de la température d'ECS souhaitée sur la base du profil de consommation des utilisateurs;
• le contrôle de la pompe de circulation;
• la mise en route du post-chauffage si nécessaire;
• le fonctionnement sûr de l'installation.

Le choix d'un système de régulation solaire est déterminé par le type de système qui doit être contrôlé. Il n'y a pas de solution universelle. Il peut s'agir d'un système double ou d'une installation avec un chauffe-eau bivalent ou un chauffe-eau solaire:

• Système avec un ballon d'eau chaude bivalent ou un ballon solaire: ici, l'eau du ballon ECS est chauffée par les échangeurs de chaleur inférieurs. Lorsque la température baisse, la chaudière fournit un chauffage supplémentaire via le deuxième échangeur de chaleur. Si la température est toujours inférieure au point de consigne, le système met également en marche la chaudière.
• Système double: un tel système est capable à la fois de chauffer l'eau potable et de soutenir le chauffage central. Dans ce cas, le système de chauffage central utilise l'eau chauffée dans un réservoir tampon via un échangeur de chaleur. La chaudière doit être capable de supporter une température d'entrée d'au moins 85 degrés.

Un autre facteur influençant le choix d'un système de régulation solaire est de savoir s'il s'agit d'un système de pression, d'un système de retour ou d'un thermosiphon:

• Système de pression: en plein soleil, le fluide caloporteur atteint rapidement des températures supérieures à 100 °C. Afin d'absorber la pression supplémentaire qui est alors créée, un vase d'expansion doit être installé entre la pompe et le capteur solaire.
• Système de vidange: lorsque la pompe est arrêtée, le glycol s'écoule des collecteurs et des tuyaux dans le réservoir de retour. Lorsque la pompe est mise en marche, les tuyaux et les collecteurs sont remplis de fluide. L'air de l'installation absorbera l'expansion dans ce réglage.
• Thermosiphon: ce système fonctionne sur la base de la convection, le flux de chaleur via un gaz ou un liquide. Le fluide chaud monte tandis que le fluide froid descend, c'est pourquoi la chaudière doit toujours être placée au-dessus du collecteur. Le système est économe en énergie - la convection rend inutile la présence d'une pompe - et sans usure (pas de pièces rotatives).

Mise en service

Lorsque le système est rempli hydrauliquement et prêt à fonctionner, le régulateur solaire peut être connecté à l'alimentation électrique. La condition préalable est qu'il doit être possible de l'isoler du réseau par un disjoncteur conforme aux normes d'installation. En outre, il faut s'assurer que le régulateur est installé dans un endroit suffisamment sec, que l'appareil n'est pas exposé à l'électricité statique ou à un champ magnétique et que le câble d'alimentation et les câbles des capteurs sont connectés séparément. Les réglages du régulateur liés au système dépendent du schéma hydraulique sélectionné pour le système de chauffage solaire: chauffage de l'eau chaude sanitaire, soutien au chauffage et/ou chauffage de la piscine.

Lorsque la tension est mise sous tension, le contrôleur commence la phase d'initialisation. Cela se fait à l'aide d'un menu de mise en service qui donne un aperçu des canaux de réglage les plus importants. Une fois la phase d'initialisation terminée, la commande passe en mode automatique. Le système de chauffage solaire fonctionnera normalement de manière optimale avec le réglage d'usine du régulateur et ne doit donc pas être modifié. Si l'installation est réalisée conformément aux instructions du fabricant, l'installation solaire fonctionnera en toute sécurité dans des conditions normales; le système de régulation solaire le surveille activement.

Surveillance

Un système de régulation solaire surveille le fonctionnement d'une installation solaire de deux manières: en effectuant des tests de fonctionnement sur les différents composants et/ou en mesurant le rendement. Ces tests de fonction sont possibles si le contrôleur peut activer la fonction, mais la fonction doit également être appropriée pour cela. Voici quelques exemples de tests fonctionnels

• Le contrôle de la température: En général, le contrôleur compare la température du collecteur avec celle du réservoir de stockage à l'aide des capteurs qu'il contient. Dès que la différence de température dépasse la valeur prédéfinie, la pompe se met en marche et le fluide solaire transporte la chaleur du capteur vers le ballon de stockage. La pompe est régulée en vitesse pour assurer un débit de circulation optimal en fonction de la différence de température mesurée. Le point d'arrêt de la pompe est sélectionné dès que la différence de température devient trop faible.
• Contrôle de la perte d'énergie: S'il n'y a pas de transfert d'énergie du capteur au ballon en raison d'un manque de circulation, le système de régulation solaire est en mesure de déterminer la cause sur la base des données disponibles, par exemple une pompe de circuit solaire (primaire) défectueuse, une interruption de la tension d'alimentation de la pompe, des problèmes hydrauliques dus à l'air, à des fuites et/ou à l'encrassement, des vannes mal réglées ou un endommagement / encrassement de l'échangeur de chaleur.
• Contrôle de la fonction de refroidissement et de re-refroidissement: Normalement, la pompe s'arrête dès que la température de consigne du cylindre est atteinte. Si la fonction de refroidissement du collecteur est activée et que la température du collecteur atteint la valeur maximale réglée, la pompe est mise en marche à la température maximale réglée du ballon (réglage de base: 95 °C). De cette façon, la surchauffe des collecteurs peut être retardée. Le soir, la pompe continue de fonctionner avec un refroidissement actif du système (fonction de refroidissement par l'arrière) jusqu'à ce que le cylindre se soit à nouveau refroidi.

Mesure du rendement

Les mesures de rendement via un système de régulation solaire fournissent généralement des estimations réalistes plutôt que des valeurs réellement fiables. Pour cette dernière, il faut à la fois le débit correct et la différence de température. Si la mesure a lieu dans le circuit primaire, les différences de viscosité et de capacité thermique de l'eau et du mélange eau-glycol doivent être prises en compte. Dans les installations qui utilisent un échangeur de chaleur externe, il est conseillé d'effectuer les mesures dans le circuit secondaire.

Les systèmes modernes de régulation solaire ne se contentent pas de garantir le bon fonctionnement, mais surveillent et sécurisent les composants et fonctions de l'installation

La lecture des valeurs peut varier d'un affichage (graphique) du rendement quotidien et total à un affichage via Bluetooth ou WiFi. La lecture des valeurs via un portail web est également possible: les données sont alors envoyées à une base de données centrale qui peut être consultée de n'importe où et permet de comparer les systèmes.

Fonctions de surveillance et de sécurité

Les systèmes modernes de régulation solaire ne se contentent pas de garantir le bon fonctionnement de l'installation, mais surveillent et sécurisent les composants et fonctions les plus importants. En voici quelques exemples:

• Protection contre la surchauffe: Si la température au niveau du capteur du cylindre atteint la température maximale définie pour le cylindre - généralement 60 °C - la pompe s'arrête.
• Blocage du post-chauffage: la température de post-chauffage est réduite à des moments prédéfinis afin de tirer le meilleur parti de la chaleur solaire.
• Détection de défauts dans le câble du capteur: Un tel défaut peut être causé, par exemple, par un 'dommage par rongement'. Ceci est enregistré par le contrôleur comme une résistance de zéro ou d'infini, ou une température infiniment basse ou haute aux entrées du capteur. Comme les valeurs mesurées ne correspondent pas aux valeurs limites préprogrammées, la commande génère un message d'erreur.
• Désinfection thermique: Pour des raisons d'hygiène - prévention des légionelles - l'eau chaude est chauffée à 60 °C une fois par jour. Il s'agit de la partie inférieure du réservoir de stockage bivalent ou du réservoir de stockage préréglé (solaire) utilisé. La position des capteurs doit être telle que l'ensemble du cylindre atteigne la température requise.
• Protection contre le gel: La fonction de protection contre le gel active le circuit entre le collecteur et le réservoir pour protéger le fluide contre le gel ou le 'gonflement' si la température de protection contre le gel réglée n'est plus atteinte. Si la température de la protection antigel est dépassée de 1 °C, le circuit est désactivé.
• Autocontrôle de la régulation: Un système de régulation solaire comprend plusieurs circuits. Leur bon fonctionnement est contrôlé par la commande elle-même. Si l'un de ces circuits tombe en panne, un message d'erreur est généré.

Les réglages ci-dessus doivent être activés sous la responsabilité d'un installateur lors de la mise en service du système.

Stratégies de contrôle

Dans les systèmes solaires avec plusieurs chaudières ou consommateurs, la tâche du système de contrôle est de mesurer et de combiner les différentes différences de température. Différentes stratégies de contrôle peuvent être utilisées à cet effet:

• Régulation avec une pompe de dérivation: La fonction de dérivation garantit que lorsque la charge du cylindre est activée, le fluide froid et caloporteur retourne au collecteur par une dérivation sans passer par le cylindre. La charge ne commence que lorsque le tuyau d'alimentation est suffisamment chaud. Les conditions de mise en marche peuvent être réglées individuellement.
• Régulation avec un capteur de rayonnement: Cette régulation diffère de celle avec une pompe de dérivation car elle ne fonctionne pas avec un capteur de température, mais avec un capteur de rayonnement qui mesure l'intensité solaire. Lorsque le seuil fixé est dépassé, la pompe de dérivation est mise en marche.
• Contrôle de l'efficacité: Pour une efficacité optimale, travaillez toujours dans la plage où le rendement est le plus élevé. Dans une installation comportant deux chaudières qui sont réchauffées tout au long de l'année, la commande doit donc toujours assurer le chauffage de la chaudière dont la température est la plus basse. Un tel concept est utilisé, par exemple, dans deux maisons partageant un système solaire.
• Régulation par priorité: Si deux appareils sont raccordés au capteur solaire, par exemple un ballon et un système de chauffage de piscine sans réchauffage classique, le système est réglé de manière à ce que le ballon soit chauffé en priorité. Ce n'est que lorsque le ballon a atteint sa température de consigne que le système solaire commence à chauffer la piscine.

Merci à Belsolar, Remeha et Wolf.