Ecole Supérieure de Technologie – Salé

Département : Génie Urbain et Environnement

Filière : Licence Professionnelle (EEAB)
« Efficience Energétique et Acoustique du Bâtiment »
Cours Solaire Thermique à Basse Température
(Chauffe-eau Solaires)
Pr Najma LAAROUSSI
 Energies Renouvelables : Solaire
Thermique
Sommaire
1 Notions de cosmologie et d’astronomie ......................................................................................... 4
1.1 Unités astronomiques ............................................................................................................. 4
1.2 Notre galaxie ........................................................................................................................... 4
1.3 Le système solaire ................................................................................................................... 4
1.4 Le soleil .................................................................................................................................... 5
1.5 Paramètres de la position du soleil ......................................................................................... 6
1.5.1 Déclinaison ...................................................................................................................... 6
1.6 Mouvement du soleil............................................................................................................... 8
1.7 Mouvement apparent du Soleil: hauteur et azimut................................................................ 8
1.8 Positionnement d’un capteur solaire ...................................................................................... 9
1.9 Ombrage .................................................................................................................................. 9
2 Rayonnement Solaire au sol ......................................................................................................... 10
2.1 Notations des rayonnements au sol...................................................................................... 11
2.2 Irradiation globale moyenne journalière kWh/m2 ............................................................... 12
2.3 Mesure du rayonnement solaire ........................................................................................... 12
3 Les installations Solaires Basses températures ............................................................................. 13
3.1 Rappel de Calorimétrie .......................................................................................................... 13
3.2 Typologie des installations .................................................................................................... 14
3.2.1 Installation à thermosiphon .......................................................................................... 14
3.2.2 Installation à thermosiphon : à circuit ouvert ............................................................... 16
3.2.3 Installation à thermosiphon : à circuit fermé ................................................................ 17
3.2.4 Installation à circulation forcée ..................................................................................... 17
3.2.5 Composantes de base ................................................................................................... 18
3.2.6 Implantation .................................................................................................................. 18
4 Dimensionnement ......................................................................................................................... 18
4.1 Les éléments d’une installation ............................................................................................. 19
4.1.1 Le capteur ...................................................................................................................... 19
4.1.2 Les Capteurs plans vitrés ............................................................................................... 20
4.1.3 Le Capteur sous vide: à caloduc .................................................................................... 20
4.1.4 Le capteur à tube sous vide à effet "Thermos" ............................................................. 22
4.1.5 Les capteurs sous vide à concentration ........................................................................ 22
4.2 Le capteur plan vitré.............................................................................................................. 22
4.2.1 Fonction et exigence de la couverture transparente .................................................... 23
4.2.2 Fonction et exigence de l’absorbeur ............................................................................. 23
4.3 Différents types d’absorbeurs ............................................................................................... 25
4.3.1 Fonction et exigence de l’isolant ................................................................................... 26
4.3.2 Fonction et exigence du collecteur ............................................................................... 26
4.3.3 Fonction et exigence du fluide caloporteur pour installations à circuit fermé ............. 26
4.3.4 Fonction et exigence du cadre et du support ............................................................... 27
4.3.5 Fonction et exigence du circuit hydraulique et ses éléments ....................................... 28
4.3.6 Fonction et exigence du circuit hydraulique primaire et ses éléments ........................ 28
4.3.7 Différents type de raccords ........................................................................................... 29
4.3.8 Exigence de la tuyauterie .............................................................................................. 29
4.3.9 Isolation des conduites .................................................................................................. 29
4.3.10 Les exigences communes .............................................................................................. 30
4.3.11 Choix de Raccord entre tuyauterie................................................................................ 30
4.3.12 Fonction et exigence du circuit hydraulique secondaire et ses éléments .................... 31
4.4 Contrôle et régulation ........................................................................................................... 39
5 Calcul des performances thermiques des capteurs plans vitrés : ................................................. 42
1 Notions de cosmologie et d’astronomie
1.1 Unités astronomiques
l'unité astronomique UA qui correspond à la distance Terre-Soleil:1 UA=149 597 870 km
Le demi grand axe de l'orbite de la Terre autour du Soleil, 149 597 870 km, fut la définition originale
de l’unité Astronomique (UA).
L'année-lumière AL correspond à la distance parcourue par la lumière en une année. Sachant que la
lumière se déplace à environ 300 000 km/s, l'année-lumière vaut approximativement 9,5 mille
milliards de kilomètres.
1 AL = 63 240 UA= 9460.73 milliard de km

Figure 1
Le parsec pc égal à la distance d'un astre dont la parallaxe est de 1 seconde d'arc:
1 pc = 3,26 AL
Un degré est subdivisé en 60 minutes d’arc (symbole ′), elles-mêmes divisées en 60 secondes d’arc
(symbole ″).
1″ = 0,000 277…°
1″ = 0,000 277…°
1 pc = 3,26 AL

Figure 2

1.2 Notre galaxie

L'Univers est composé de galaxies regroupées en amas. L'un de ces amas galactiques, appelé l'amas
local contient la Galaxie (avec un grand G) ou Voie Lactée c'est Notre galaxie.
Elle est composée d'une centaine de milliard d'étoiles dont l'une d'entre elles est le Soleil pour une
masse totale évaluée de l'ordre de 750 à 1 000 milliards de masse solaire.
Le soleil est une gigantesque sphère de gaz, dont le rayon est égal à 109 fois le rayon de la Terre (696
000 Km). Le Soleil a environ 8 600 pc = 28036 AL=265.241 million milliard de Km du centre de la voie
lactée.
Notre Galaxie tourne autour du centre galactique avec une vitesse d'environ 250 km/s =900 000
km/het en fait le tour en 230 millions d'années.

Figure 3
La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une
majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situe le Système solaire (et donc la Terre).

1.3 Le système solaire

Il y a environ 5 millions d'années, le système solaire s'étend sur 15 milliards de km.

Figure 4
La Terre tourne d'est en ouest autour de son axe des pôles (incliné d'environ 23° 26' par rapport au
plan de l'écliptique) en 23 h 56' 04'' (jour sidéral). Ce dernier se mesure par rapport aux étoiles. Le
jour solaire a une durée légèrement différente, variable tout au long de l'année. En effet, la rotation
de la Terre est ici mesurée par rapport au Soleil (période écoulée entre deux passages consécutifs du
Soleil au méridien local) et comme l'orbite terrestre n'est pas circulaire mais elliptique et que l'axe
des pôles est incliné sur le plan de l'écliptique, le jour solaire est en moyenne plus long que le jour
sidéral de 4 mn environ. Sur l'ensemble de l'année, on compte un jour solaire de plus que de jours
sidéraux. De ce fait, pour les besoins de la vie quotidienne, on "rattrape" en quelque sorte ce "retard"
en définissant un jour civil de 24 heures précises et en ajoutant un jour à l'année civile (année
bissextile).
La rotation de la Terre entraîne la succession des jours et des nuits sur chaque point du globe.

Figure 5

1.4 Le soleil

Notre soleil: Symbole astronomique et astrologique :

 • (Sol en latin, Helios en grec)
99 % de la masse du système solaire et
environ 330 000 fois celle de la terre
• le noyau:
centre du soleil la température plus de
15,5 milliards de degrés
la pression un milliard d'atmosphères
• La photosphère:
300 Km;
4500 K,
pression 0.01 bar

Figure 6
La photosphère est une partie externe de l’étoile qui produit entre autres la lumière visible. Elle est
plus ou moins étendue : de moins de 0,1 % du rayon pour les étoiles naines, soit quelques centaines
de kilomètres ; à quelques dizaines de pourcent du rayon de l’étoile pour les plus géantes, ce qui leur
donnerait un contour flou contrairement au Soleil aux bords nets.
Au-delà de la photosphère la structure du Soleil est généralement connue sous le nom d’Atmosphère
solaire. Elle comprend trois zones principales : la chromosphère, la couronne et l’héliosphère.

Caractéristique valeur
du soleil

masse 1,989.10 30kg

diamètre 1,392.109m

masse 1410 kg/m3

volumique
moyenne
puissance 3,83. l026 W
rayonnée
température 5770 K
superficielle
Tableau 1

1.5 Paramètres de la position du soleil

1.5.1 Déclinaison
La déclinaison d'un astre est l'angle que fait la direction de l'astre avec le plan équatorial céleste
(parallèle au plan équatorial terrestre). Dans le cas des étoiles cet angle varie peu d'une année sur
l'autre ; variation faible due au mouvement de précession. Par contre la déclinaison du Soleil varie de
jour en jour sauf au voisinage des solstices (latin : sol = Soleil et stare = s'arrêter).
La déclinaison  est l’angle que fait le soleil au maximum de sa course (midi solaire) par rapport au
plan équatorial.Formule de Desmond Fletcher pour le calcul de  :
 n est le jour de l’année

Figure 7
Note
21 juin correspond à 172ème jour de l’année.
20 mars correspond au 79ème jour de l’année.
21 Septembre correspond au 264 ème jour de l’année.
Sur le schéma réalisé dans le plan méridien, Il suffit donc de placer les différents dispositifs sur
donc à midi solaire, il est facile de constater un plan incliné sur le plan horizontal d'un angle
que : X=h-et 90° = h -  + L correspondant au complément de la latitude.
avec :
h : hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon, à
midi solaire
: déclinaison du Soleil, le jour de la mesure,
L : latitude du lieu.
Donc X = 90 – L

Figure 8

Cette déclinaison  vaut -23,45° le 21 décembre et +23,45° le 21 juin. La déclinaison est nulle aux
équinoxes (21 mars et 21 septembre), maximale au solstice d’été (21 juin) et minimale au solstice
d’hiver (21 décembre).

Figure 9
L'axe de rotation de la terre est incliné par rapport au plan de l'écliptique (plan dans lequel la Terre se
déplace autour du soleil). La déclinaison est l'angle entre le plan de l'équateur et la direction terre -
soleil. Elle varie entre 23 ° 27 ' au solstice d'été à - 23 ° 27 ' au solstice d'hiver, de manière sinusoïdale.

1.6 Mouvement du soleil

Figure 10

Au solstice d’été, vers 21 La déclinaison du soleil Après avoir atteint la valeur de - La déclinaison du soleil
juin, la déclinaison du diminue jusqu’à une 23,5°, la déclinaison du soleil augmente ensuite jusqu’à
soleil est maximale et valeur minimale de - augmente de nouveau. Vers le sa valeur maximale de
égale = 23,5°. Passée 23,5°, vers le 21 21mars, la déclinaison du soleil est 23,5°, au solstice d’été
cette date, sa déclinaison décembre. C’est le de nouveau égale à 0°C. Le soleil vers 21 juin
diminue. solstice d’hiver. est sur l’équateur céleste, à la
position du point vernal. C’est
l’équinoxe du printemps.
La position du Soleil sur la sphère céleste varie au cours de l’année : sa déclinaison et son ascension
droite changent. Pendant un peu plus de la moitié, sa déclinaison est positive : le soleil est dans
l’hémisphère nord.

1.7 Mouvement apparent du Soleil : hauteur et azimut

On sait que c’est la Terre qui tourne autour du Soleil. Mais pour nous, qui sommes sur la Terre, c'est
le Soleil que nous voyons tourner autour de la Terre d'est en ouest. C'est ce qu'on appelle la course
apparente du Soleil. Celle-ci varie au cours des saisons. Elle varie d'autant plus que la latitude du lieu
d'observation est élevée.

Figure 11

- L’azimut a : c’est l’angle que fait la direction de la projection du Soleil sur le plan horizontal avec la
direction Sud, cet angle étant orienté positivement vers l’Ouest.
- La hauteur h: du Soleil : c’est l’angle que fait la direction du Soleil avec sa projection sur un plan
horizontal.
 Figure 12

Figure 13

1.8 Positionnement d’un capteur solaire

Figure 14

1.9 Ombrage
Il faut faire attention à l’ombre portée par une rangée de capteurs sur la suivante.
- La distance nécessaire entre les diverses rangées dépend de la hauteur des capteurs, de leur pente
et de la hauteur minimale du soleil prise en compte pour les calculs
- En général on évitera toute ombre pour une hauteur du soleil supérieure à 20-25° (hauteur du soleil
le 21 décembre à midi: 19°).
Clinomètre : appareil pour la mesure d’ombrage.
Ombre porté :

Capteur
H



D=H.Cotg() d=h.cotg()=b.sin ().cotg()

Figure 15

2 Rayonnement Solaire au sol

Figure 16

 Le rayonnement direct:

C’est celui qui traverse l’atmosphère sans subir de modifications.

 Le rayonnement diffus:

C’est la part provenant de toute la voûte céleste. Ce rayonnement est dû à l’absorption et à la

diffusion d’une partie du rayonnement solaire par l’atmosphère et à sa réflexion par les nuages. Il n’a
pas de direction privilégiée.

 Le rayonnement solaire réfléchi par l’albédo du sol:

C’est le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou par des objets se trouvant à sa surface. Il peut être
important lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige). Le Coefficient de réflexion du
sol est appelé l'ALBEDO et noté .
 Figure 17

Remarque:

Dans la suite le calcul du rayonnement réfléchi sera intégré dans celui du rayonnement diffus.
Autrement dit l'appellation diffus désignera le rayonnement diffus plus le réfléchi.

2.1 Notations des rayonnements au sol

Tableau 2
Remarque:
L'irradiation peut être exprimée dans les unités suivantes:
Wh.m-2/durée, kWh.m-2/durée, MJ.m-2/durée, cal.cm-2/ durée et en heure de soleil maximum
1kWh/(m2 · j) = 1 heure de soleil maximum = 1000Wh/(m2/j) = 3,6 MJ/(m2 · j ) = 86 cal/(cm2 · j)
( M= Méga; j= jour, J=joule).

2.2 Irradiation globale moyenne journalière kWh/m2

Figure 18

2.3 Mesure du rayonnement solaire

Les pyranomètres

Les pyranomètres délivrent une tension directement proportionnelle à l'irradiation globale. Cette
tension provient d'une thermopile dont la partie supérieure s'échauffe par exposition à l'irradiation
solaire alors que la partie inférieure protégée de cette irradiation sert de référence.
Si on ajoute bande métallique pour masquer le soleil et supprime la composante directe du
rayonnement incident on mesure le rayonnement diffus.
Si le pyranomètres est horizontal la partie réfléchie n’est ma mesurée.

Le pyrhéliomètre

Le pyrhéliomètre mesure la composante directe du rayonnement solaire. Il a besoin d'un "suiveur

solaire" et d'un collimateur pour maintenir en permanence le disque solaire focalisé et masquer le
reste de la voûte céleste. Le capteur est une pile thermoélectrique.
Exemple
 Figure 19
La puissance maximale atteinte en hiver est équivalente à celle qu'on peut obtenir en été. Dans
l'exemple, présenté, un peu plus de 800 W/m² au midi solaire. Aux équinoxes, cette puissance est
plus élevée sur un plan incliné d'un angle égal à la latitude du lieu, car l'angle d'incidence au midi
solaire est nul et le rayonnement solaire arrive perpendiculairement sur le plan.
Ce qui change entre l'été et l'hiver n'est donc pars la puissance maximale, mais la durée du jour.

Figure 20
La carte ci-dessus montre les valeurs annuelles moyennes de l’irradiation globale, en kWh/m².
L'énergie solaire disponible diffère d'une zone géographique à l'autre, mais aussi au fil de l'année.

3 Les installations Solaires Basses températures

Figure 21

3.1 Rappel de Calorimétrie

• Capacité calorifique
 La capacité calorifique ou chaleur spécifique c(J/K) d’un matériau mesure la quantité
d'énergie qu'il faut lui transférer pour modifier sa température d’un degré. La capacité calorifique est
une grandeur intrinsèque du matériau et dépend de la température.
• Chaleur spécifique
On appelle chaleur spécifique C(J/kg K) ou chaleur massique, la capacité calorifique par unité
de masse d’une substance ou d’un système homogène.
Par ailleurs chaque substance possède une chaleur spécifique à volume constant cv et une chaleur
spécifique à pression constante cp.
Or les solides et les liquides peuvent être considérés comme incompressibles et par conséquent elle
ne dépend que de la température d’où (cp=cv).
Sous l’effet de la quantité de chaleur sensible la température initiale du matériau T1 passe à la
température finale T2. Si cette chaleur est absorbée alors T2> T1 et si elle et cédée alors T2<T1 .
T2
La quantité de chaleur mise en jeu est donc : Q  m  c(T ) dT
T1
Dans le cas où la chaleur spécifique est indépendante de la température : Q  m.c(T2  T1 )

3.2 Typologie des installations

Deux grandes classes d'installations d'eau chaude sanitaire :
 Thermosiphon
 Circulation forcée

3.2.1 Installation à thermosiphon

Le principe du thermosiphon est utilisé dans les installations de chauffage solaire. Le déplacement du
fluide caloporteur, entre le capteur solaire et le ballon d'eau-chaude, s'effectue uniquement grâce à
la convection, l'eau la plus froide revenant "naturellement" au point le plus bas, le cycle peu donc
reprendre.
Le fluide chauffé, se dilatent donc deviennent moins dense et montent. Le fluide refroidi se
contractent gagnent en densité et plongent.

Figure 22
 Figure 23

Avantages

►Econome : ne fait appel à un circulateur ni au

système de régulation.
►économe en énergie (Pas de consommation
électrique).
►Simple d'utilisation.

Inconvénients :

►Installation délicate
►Ballon installé au-dessus des capteurs solaires

Figure 24
 Figure 25

3.2.2 Installation à thermosiphon : à circuit ouvert

Figure 26
3.2.3 Installation à thermosiphon : à circuit fermé

Figure 27

3.2.4 Installation à circulation forcée

Avantage :

 L'installation moins délicate

 Le réservoir peut être installé n'importe
où dans le bâtiment.

Inconvénients:

 Consommation d'électricité
 Installation plus complexe, il faut
disposer les sondes, brancher
correctement la centrale de régulation.
 Installation plus cher
Figure 28

Figure 29
 Figure 30

3.2.5 Composantes de base

• Le capteur
• l'accumulateur
• les Tuyauteries ·
• Le vase d'expansion ·
• Le Purgeur
• Les soupapes
• Clapet anti retour

Figure 31

3.2.6 Implantation
On peut l’implanter sur un toit, une terrasse ou sur le sol. Les capteurs solaires peuvent être installés
sur le toit terrasse d’un immeuble ou sur un emplacement réservé au sol. Dans tous les cas, cet
emplacement doit être dégagé vers le Sud sans ombres portées par des arbres ou d’autres bâtiments
pendant toute l’année.

Figure 32

4 Dimensionnement
Le dimensionnement de ce type d'installations doit être effectué de manières à réduire au maximum
les pertes de charges dans le circuit. La mise en circulation du fluide s'effectue en général pour des
différences de températures (capteur/ballon) de l'ordre de 15°C, ce qui fait que les performances de
ces procédés sont relativement réduites en hiver (fortes déperditions, mauvais rendement).
Le thermosiphon est en principe utilisé pour des installations de taille modeste (chauffe-eau solaire
individuel de quelques m²).

Figure 32

Figure 33

4.1 Les éléments d’une installation

4.1.1 Le capteur
Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour le chauffage et/ou pour produire de l'eau chaude
sanitaire (ECS) dans un chauffe-eau solaire. Il consiste généralement en un coffre rigide et vitré à
l'intérieur duquel une plaque et des tubes métalliques noirs (absorbeur) reçoivent le rayonnement
solaire et chauffent un liquide caloporteur (antigel).
Pour le chauffage de l'eau, trois modèles de capteurs sont couramment utilisés à savoir:
 • Capteurs plans vitré : Conseillés pour des températures moyennes de l'eau (30-80°C)
• Capteurs à tubes sous vide : Recommandés pour les hautes températures de l'eau (plus de
70°C)
• Capteurs non vitrés : Utilisés pour des températures basses de l'eau (moins de 40°C).
De nombreuses autres innovations techniques ont permis d'augmenter le rendement des
panneaux thermiques, telles que :
 Des vitres traitées pour empêcher le rayonnement, qui laissent passer jusqu'à 95% de la
lumière grâce à leur faible teneur en oxyde de fer
 Des tubes transparents "sous vide" pour éviter les déperditions thermiques convectives de
l'absorbeur
 Des assemblages tubes-ailettes parfaitement solidaires réalisés par soudure aux ultra-sons.

4.1.2 Les Capteurs plans vitrés

Les capteurs plans, dans lesquels le fluide passe dans un serpentin sous une vitre ; ils sont peu
coûteux, fonctionnent avec un bon rendement, mais seulement pendant l’été.

Figure 34

4.1.3 Le Capteur sous vide: à caloduc

Les collecteurs à tubes sous vides ou capteurs à tubes sous vide, dans lesquels le fluide caloporteur
circule à l'intérieur d'un double tube sous vide; le vide étant un isolant presque parfait, ils
fonctionnent aussi bien en été qu'en hiver, mais sont aussi plus onéreux.
L'échange de chaleur a lieu suivant un mécanisme naturel d'évaporation et de condensation d'un
fluide. Cet instrument d'échange thermique est appelé un caloduc. Le caloduc est en contact avec
l'absorbeur, il permet de transmettre la chaleur captée hors du tube pour chauffer un fluide dans le
collecteur.
 Figure 35

Cette technique a été développée il y a une trentaine d'années afin d'améliorer les performances
d'un capteur plan. En effet, la conception de l'absorbeur et les tuyaux de circulation du fluide
caloporteur sont comme un capteur plan. Sauf, l'ensemble est suffisamment étroit pour être glissé à
l'intérieur d'un tube en verre. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé
hermétiquement. Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons
verre/métal nécessaires pour la circulation du fluide caloporteur.

Figure 36

La différence avec le capteur à circulation directe est que l'échange de chaleur a lieu suivant un
mécanisme naturel d'évaporation et de condensation d'un fluide. Cet instrument d'échange
thermique est appelé un caloduc. Le caloduc est en contact avec l'absorbeur, il permet de
transmettre la chaleur captée hors du tube pour chauffer un fluide dans le collecteur.
4.1.4 Le capteur à tube sous vide à effet "Thermos"

Figure 37
L’absorbeur n'est pas dans le tube, mais glissé dans l'espace interne d'un tube double enveloppe en
verre. Ainsi, la soudure verre-métal, toujours délicate, est évitée. Le tube intérieur comporte le
revêtement sélectif. Ce type de capteur est majoritairement fabriqué et installé en Chine.

4.1.5 Les capteurs sous vide à concentration

Les capteurs sous vide à concentration combinent l'effet de concentration des miroirs paraboliques
(CPC = compound parabolic concentrator) avec des capteurs sous vide permettant d'obtenir des
hautes températures avec des surfaces de captage réduites.

Figure 38

4.2 Le capteur plan vitré

1. Boitier Figure 39 8 .Collecteur

2. joint d'étanchéité 9. Orifice de condensation (le risque de
3. Couverture transparente condensation réduit la transmitivité et favorise
4. Isolant thermique la corrosion des éléments métalliques.
5. plaque absorbante L'utilisation d'un orifice permet de drainer l'eau
6. tube de circulation d'eau de condensation).
7. entrée d'eau froide ou sortie d'eau chaude

4.2.1 Fonction et exigence de la couverture transparente

► Fonction : protection+ effet de serre

La plus grande partie de l'énergie émise par le soleil est sous forme de rayonnement dont les
longueurs d'onde correspondent à la lumière visible. Le verre ou les plastiques utilisés sur les
capteurs plans vitrés sont transparents dans cette tranche de longueurs d'onde. Ils laissent donc
passer une grande partie de l'énergie. Par contre ils sont opaques aux ultra-violets (on ne bronze pas
derrière une vitre) et retiennent une grande partie des infrarouges que l'absorbeur émet lors de son
échauffement. La chaleur dégagée par ce dernier reste emprisonnée dans l'enceinte du capteur.
C'est le phénomène d'effet de serre.
►Caractéristiques

- Les couvertures transparentes habituelles sont pour la plupart en verre mais on peut aussi trouver
des produits de synthèse tels que le polycarbonate, le polyméthacrylate ou Ie polyester armé.
- Les caractéristiques optiques comme le degré de transmission solaire * (86% pour le verre
ordinaire et 91% pour le verre pauvre en oxyde de fer).
- Traitées pour obtenir une faible teneur en oxyde de fer afin d’empêcher le rayonnement. Les
vitrages sont aussi recouverts d'une couche antireflet. Aujourd'hui le facteur de transmitivité peut
atteindre jusqu' à 95% .

Tableau 3

*: le facteur de transmission solaire,  la masse volumique, Cp: la chaleur massique, : la

conductivité thermique et kd : le coefficient de dilatation thermique.

4.2.2 Fonction et exigence de l’absorbeur

Fonction : Absorption de la chaleur

 Figure 40
Caractéristiques : cuivre, acier ou aluminium.
Augmenter la partie absorbée du rayonnement solaire incident et diminuer la partie émise.
Le critère de choix d'un absorbeur est sa Se sélectivité définit par : *
se 
4
Avec E= T ,

* : Coefficient d’absorption
 : Coefficient d’émissivité
= 5.67 10-8w/m2.K4 est la constante de Boltzmann

Tableau 4

Tableau 5
Pour améliorer le rendement des capteurs, les absorbeurs sont recouverts d'un revêtement sélectif
pour l'absorption et l'émission. Ces revêtements sont de couleur noire afin d'absorber le
rayonnement solaire au maximum (coefficient d'absorption proche de 1) et leur état de surface est
tel qu'ils piègent les rayonnements infra-rouges qui sont émis lors de l'échauffement. Le coefficient
d'émissivité est alors beaucoup plus faible que pour une peinture noire classique, et le rendement du
capteur est nettement meilleur. Généralement ces revêtements utilisent des oxydes de nickel ou de
chrome, voire de titane.

Les principaux traitements sélectifs sur le marché :

- Alanod : Mirotherm ( = 0.95, = 0.05) sur aluminium : Allemagne.
- Alanod (anciennement Interpane) : Sunselect (= 0.95, = 0.05) sur cuivre : Allemagne.
- ChromeCoat (= 0.95, = 0.10) sur cuivre : Danemark.
- MTI Krosol : (= 0.96, = 0.12) sur cuivre : Etats Unis.
- Tinox : Classic ( = 0.95, = 0.05) sur cuivre : Allemagne.
- Sunstrip : (= 0.96, = 0.07) sur aluminium : Suède.

Tableau 6

4.3 Différents types d’absorbeurs

Absorbeur classique : tubes soudés directement contre l’absorbeur

Figure 41

L’absorbeur à coussin : deux tôles en acier ou en acier inoxydable, soudées l’une à l’autre. Le liquide
caloporteur circule dans l’espace aménagé entre les tôles.

Figure 42
4.3.1 Fonction et exigence de l’isolant
La fonction de l’isolant est l’isolation thermique avec des caractéristiques :

Figure 43

Tableau 7

4.3.2 Fonction et exigence du collecteur

Fonction : circulation et collection et conduite de l’eau chaude vers le ballon de stockage
Caractéristiques :
 Les conduites et les raccords doivent supporter des températures élevées 120°c-160°c
 Le réseau de tuyauterie doit aussi supporter des niveaux de pressions élevés du réseau d’eau
et de la pression maximal atteignable dans le circuit.
Les matériaux utilisés doivent être compatibles avec le fluide caloporteur.
Remarque :
Dans le cas d'une installation avec échangeur, Il ne faut jamais utiliser les tubes galvanisés, car le
zinc réagit avec le mélange eau-glycol et provoque l’apparition de boues ainsi que des problèmes
de corrosion.

4.3.3 Fonction et exigence du fluide caloporteur pour installations à circuit fermé

Fonction : Transfert de chaleur vers l’eau via l’échangeur
Caractéristiques et exigences :
 Figure 44
 En raison des risques de gel l’hiver, le fluide caloporteur utilisé est un mélange d’eau et
d’antigel.
 Point de congélation adapté aux conditions climatiques locales ou répondant aux
recommandations du fabricant des capteurs.
 Point d’ébullition élevé : plus de 140°C à 3 bar pour une proportion de 50% d’antigel.
 Bonne stabilité chimique.
 Grande capacité calorifique.
 doit être Non toxique.
 Doit contenir en proportion suffisante des inhibiteurs de corrosion.
 Choix
Les types d’antigel les plus courants sont :
 l’éthylène glycol :
 le propylène glycol : qui est non toxique, est recommandé pour l’utilisation dans les
installations solaires.
Plus la proportion d’antigel est élevée, meilleure est la protection antigel et plus élevé est le point
d’ébullition.

4.3.4 Fonction et exigence du cadre et du support

Figure 45
  Le support doit résister aux intempéries extérieures, aux contraintes intérieures et aux chocs.
tout en étant le plus léger possible. Pour les capteurs intégrés en toiture et bien protégé le
support peut être en bois.
 Les cadres doivent à la fois maintenir les liaisons mécaniques entre les différents éléments du
chauffe-eau solaire et assurer leur liaison permanente .Ils doivent êtres rigides pour
supporter le poids du capteur et du ballon de stockage
 Pour résister à la corrosion, on a recourt à des profilés en fer galvanisé ou en d'aluminium.
Les profilés d'acier ordinaire peint sont à éviter.
 Les organes de fixation (vis, écrous, rondelles, tiges filetées, goujons) seront recouverts d'une
protection anti-corrosion, au minimum galvanisées et de préférence nickelée, cadmiée ou
tout en acier inoxydable.

4.3.5 Fonction et exigence du circuit hydraulique et ses éléments

Le circuit hydraulique sert à véhiculer l'eau chaude depuis le capteur jusqu'à l'utilisateur. Il est
subdivisé en trois parties :
• Le circuit primaire en amont de l'échangeur
• Le circuit comprenant l'échangeur et le réservoir
• Le circuit de consommation en aval du réservoir

Figure 46

4.3.6 Fonction et exigence du circuit hydraulique primaire et ses éléments

Raccord entre les capteurs

Figure 47

Fonction :
 Assurer le raccordement entre les capteurs solaires d’un même champ.
 Assurer le raccordement d’un champ de capteurs aux conduites aller/retour du circuit.
Exigences :
  Résistance à une température de service pouvant varier entre -10°C (température ambiante
extérieure en hiver) et +160°C (température de stagnation en été si le circuit solaire est à
l’arrêt).
 Résistance à la pression maximale atteignable dans l’installation

4.3.7 Différents type de raccords

Tuyau en silicone
Plusieurs fabricants de capteurs proposent un tuyau en silicone renforcé de gaine textile. Ce tuyau
est fixé à l’aide de brides de serrage à la sortie et à l’entrée du capteur.
Raccords en cuivre
Il est possible de connecter certains types de capteurs entre eux à l’aide de tubes et raccords en
cuivre. Les raccords sont vissés (systèmes à bague de serrage), ou brasés.
Flexibles en acier inoxydable
Les raccords à soufflet flexible en acier inoxydable conviennent très bien. S’ils sont équipés de vis
de rappel avec joint plat, on veillera à utiliser une qualité de joint résistant à des températures de
pointe de 200 °C.

Figure 48

4.3.8 Exigence de la tuyauterie

 Les matériaux couramment utilisés sont le cuivre, l'acier, l'inox et le polyéthylène réticulé
 les matériaux synthétiques sont à déconseiller si les capteurs choisis peuvent atteindre plus
de 90ºC.
 Le circuit hydraulique doit être le plus court et le plus simple possible. Pour un
thermosiphon, le diamètre interne des tuyaux de liaison sera de 22 mm. Cette section sera
augmentée si le circuit est plus long.
 Si la section des tuyauteries est trop large, l'eau circulera librement, mais lentement
diminuant ainsi les performances
 les pertes de charge sont provoquées par la longueur des tuyaux et les singularités, comme
les coudes, les raccordements de tubes de sections différentes ou la présence d’accessoires
divers de réglage ou de sécurité.
 Si les pertes de charge sont trop importantes, l'eau risque de ne plus circuler en particulier
pour un système à thermosiphon.
 Pour le thermosiphon le point médian de l'échangeur dans le ballon ou du ballon doit être au
moins 1 mètre plus élevé que le point médian des capteurs.

4.3.9 Isolation des conduites

• Fonction
Limiter les pertes thermiques des conduites de liaison du circuit
• Exigences
Afin d’être efficace et durable, l’isolation doit répondre aux exigences suivantes :
– Résistance à la température :
Le matériau isolant doit résister à une brève montée en température dans les conduites, jusqu’à
160°C. La température maximum à prendre en compte est de 120°C pour un capteur plan vitré.
– Résistance aux conditions atmosphériques : Rayons UV, humidité…
• Choix
Tous les matériaux résistants aux exigences mentionnées ci-dessus, en particulier :
– coquilles en laine de verre ;
– certaines mousses organiques.

Figure 49

4.3.10 Les exigences communes

Les exigences ci-dessous sont valables pour les conduites, les raccords et en général tous les
composants du circuit :
 Résistance à une température dans le circuit pouvant varier entre un minimum de -10°C
(température extérieure en hiver dans certaines zones du Maroc) et des pointes à +160°C
(température atteinte juste après une remise en fonction du circuit solaire après une
interruption accidentelle en été).
 Résistance à la pression maximale atteignable dans l’installation
 Les matériaux doivent être compatibles avec le fluide caloporteur.
Choix
Les matériaux couramment utilisés pour les tubes sont le fer noir, soudés ou sans soudure et les
tubes de cuivre, en rouleaux ou en barres.
Dans le choix des matériaux il faut tenir compte de la nature de l’absorbeur du capteur :
 absorbeurs en cuivre : les conduites peuvent être en cuivre ou en fer noir ;
 absorbeurs en acier inoxydable : on peut utiliser du cuivre, du fer noir, de l’acier inoxydable,
absorbeurs en aluminium : les conduites doivent être en fer noir. Ne pas utiliser de tubes
cuivre.

Il ne faut jamais utiliser des tubes galvanisés :

Car le zinc réagit avec le mélange eau-glycol et provoque l’apparition de boues ainsi que des
problèmes de corrosion.
 Les tubes en matière synthétique habituellement utilisés dans les installations de
chauffage et sanitaires ne conviennent pas :
 Car ces matériaux ne résistent pas aux hautes températures atteintes dans le circuit lors de
fort ensoleillement ou lors d’arrêt inopiné du circulateur (panne de courant).

4.3.11 Choix de Raccord entre tuyauterie

Dans le cas du fer noir, on peut utiliser :
 des soudures ;
 des brasures ;
  des raccords à visser ;
 des raccords à sertir.
Conseil
 Pour les raccords à visser il faut utiliser de la filasse
 L’emploi du glycol dans les conduites accroît les risques de fuite. Pour cette raison les joints
devront être particulièrement soignés.
 L’utilisation de rubans en téflon ou de colles est déconseillée.
 Pour les tubes en cuivre on peut utiliser plusieurs types de brasures. Celles-ci doivent résister
à la température maximale que le système peut atteindre.

4.3.12 Fonction et exigence du circuit hydraulique secondaire et ses éléments

Figure 50

 Fonction
Regroupe la robinetterie du circuit solaire.
 Exigences
Pour la tuyauterie et les raccords, les
exigences sont les mêmes que celles du
circuit primaire
 Choix
Le groupe hydraulique peut être assemblé
sur le chantier par l’installateur ou livré
préfabriqué par le fournisseur des
capteurs.

Figure 50
Vannes d’arrêt, de remplissage et de purge
• Fonction
– Permettre le remplissage et la purge du circuit
– Faciliter l’entretien éventuel.
– Permettre la vidange du circuit
• Exigences
– Etanchéité totale.
– Pour les vannes d’arrêt : faibles pertes de
charge.
• Choix
– Vannes d’arrêt à bille à passage intégral.
– Vannes d’arrêt à glissières (si étanches !).
– Robinets de vidange équipés de capes
étanches.

Figure 51

Soupape de sécurité
• Fonction
Evite une éventuelle surpression dans le circuit
provoquée par une erreur de manipulation ou
une surchauffe des capteurs.
• Exigences
– La pression d’ouverture doit être adaptée au
composant le plus faible du circuit.
– La soupape doit être raccordée à un récipient.
Le liquide qui s’écoulerait lors de l’ouverture de
la soupape est ainsi récupéré.
Le volume du bac à poser à la sortie de la
soupape doit correspondre au contenu des
capteurs.
• Choix
Les soupapes usuelles que l’on trouve sur le Figure 52
marché conviennent parfaitement bien.

Manomètre

• Fonction
Indique la pression du circuit et permet son contrôle.
• Exigences
Le manomètre doit comporter une aiguille ou une zone de repère pour la pression minimale
nécessaire au bon fonctionnement du circuit.
• Choix
On peut utiliser les manomètres usuels. La plage de mesure doit être plus grande que la pression
effective d’ouverture de la soupape de sécurité. En pratique une plage de 0 à 4 bar suffit.
 Figure 53

Clapet anti retour (soupape de retenue)

De nuit, le capteur est plus froid que le bas de l’accumulateur ; pour éviter de
décharger ce dernier par un effet thermosiphon dans les conduites, il est
nécessaire de monter un Clapet anti retour dans le circuit des capteurs.
• Fonction
Empêche la circulation inverse par thermosiphon dans le circuit solaire
lorsque le chauffe-eau est à une température supérieure à celle des capteurs.
Cette circulation est à éviter car elle engendre le refroidissement de
l’accumulateur.
• Exigences : Faibles perte de charge
• Choix
 Modèle à ressort utilisable dans toutes les positions de montage.
 Modèle à clapet mobile. N’est pas utilisable pour un montage en
position verticale si la partie mobile se trouve en partie inférieure

Figure 54

Débitmètre
• Fonction
Indique le débit du circuit. Il sert à:
-- régler le débit correct du circuit lors de la mise en service
– contrôler l’absence d’air dans le circuit, grâce à la
visualisation du liquide caloporteur
– contrôler périodiquement le bon débit dans le circuit
– associé aux thermomètres, permet un calcul de la puissance
captée.
– certains modèles font également office de vanne d’arrêt. Figure 54
• Exigences
– Possibilité de nettoyage de l’indicateur.
• Choix
On peut utiliser un débitmètre usuel.

Figure 55

Thermomètres
• Fonction
Ils permettent la mesure des températures :
– de la conduite d’arrivée des capteurs ;
– de la conduite de retour aux capteurs.
Ils sont utiles :
– pour le contrôle du fonctionnement de l’installation ;
– associé au débitmètre, ils permettent un calcul de la
puissance captée.
• Exigences
– Echelle 0 - 120°C.
• Choix
Afin d’obtenir une précision suffisante, il faut utiliser des
thermomètres avec douille plongeante. Les thermomètres
appliques réagissent plus lentement à des variations de
température et sont moins précis.

Figure 56
Circulateur (pompe)
• Fonction
Véhiculer le liquide caloporteur du circuit capteur.
• Choix
Les circulateurs standards de la technique du chauffage résistant
à une température de 120°C. Le circulateur doit être installé sur
la conduite de retour aux capteurs. Certains modèles de
circulateurs peuvent être équipés d’un purgeur automatique et
font office de dégazeur pour l’air restant éventuellement dans le
circuit après le remplissage. Il est également possible d’utiliser
des circulateurs alimentés en courant par des cellules
photovoltaïques.

Le circulateur ne doit être enclenché que lorsque le capteur est

plus chaud que la partie inférieure de l’accumulateur. Ceci afin
que la chaleur passe toujours du capteur vers l’accumulateur, et
Figure 57
jamais de l’accumulateur vers le capteur.
 Figure 59

Figure 58

Vase d’expansion
• Fonction
Le vase d’expansion absorbe l’augmentation de volume du
fluide caloporteur lorsque ce dernier s’échauffe.
• Exigences
Le vase devra être raccordé sur la conduite de retour aux
capteurs afin de le protéger contre les hautes
températures atteignables dans le circuit. Il doit être placé
avant le circulateur (sur l’aspiration).
• Choix
Les vases sous pression usuels employés dans les
installations de chauffage conviennent à condition que le
matériau de la membrane intérieure résiste aux hautes
températures et à l’antigel.

Figure 60
Le vase d’expansion est divisé en deux parties par la membrane
intérieure :
d’un côté le liquide du circuit, de l’autre l’azote du vase.
Etats du vase d’expansion :
1. Lorsque le circuit hydraulique est vide la pression d’azote
comprime la membrane contre les parois du vase.
2. La pression de remplissage du circuit hydraulique comprime la
membrane du vase à l’état froid et le vase est partiellement
rempli de liquide : c’est le volume initial au remplissage.
3. Lorsque le liquide du circuit s’échauffe, son volume augmente
et comprime fortement la membrane qui absorbe ainsi la
dilatation.
4. Quand la température redescend, le volume de liquide
diminue et le coussin d’azote repousse la membrane.

Figure 61

L'échangeur de chaleur
 Fonction
L’échangeur de chaleur permet de transférer la chaleur
du circuit solaire, rempli d’antigel, au circuit secondaire
d’eau sanitaire.
On distingue deux types d’échangeurs :
 Echangeur immergé :
Généralement utilisé pour des surfaces de capteurs
jusqu’à 30 m2.
Remarques
l'échangeur doit être le plus bas possible dans le ballon et
l'échangeur d'appoint dans la seule partie supérieure du
ballon

Figure 62
  Echangeur immergé à ailettes

Cet échangeur immergé est réalisé en tube de cuivre

muni d’ailettes, étamé à l’extérieur. Il est monté sur
une flasque soudée au chauffe-eau. Pour éviter des
corrosions à la cuve, l’échangeur doit être monté de
manière à être isolé électriquement du chauffe-eau et
des conduites de raccordement du circuit hydraulique.
Pour cela, il est nécessaire de l’équiper de manchons
isolants lors de son montage sur la flasque et d’installer
des raccords spéciaux entre l’échangeur et les
conduites.

• Avantages :
Coût réduit, faible encombrement, démontable pour le
détartrage.

Inconvénient :
L’entartrage éventuel des ailettes provoque une
forte diminution de l’échange thermique.

Figure 63

 Echangeur immergé à tube lisse

Il est constitué d’un tube enroulé, en acier inoxydable ou en
acier émaillé.
Deux types de montage sont employés :
a. Monté sur le couvercle d’une flasque soudée à la cuve.
b. Fixé, en forme de spirale, à proximité des parois de la cuve.
• Avantage :
Les tubes lisses sont moins sensibles au tartre car la diminution
de la puissance d’échange due à l’entartrage est progressive,
contrairement aux tubes à ailettes où la diminution est subite.
• Inconvénients :
Les échangeurs en acier inoxydable sont chers. Il n’est pas
facile de détartrer mécaniquement les échangeurs fixes.
• Remarque
l'échangeur doit être le plus bas possible dans le ballon et
l'échangeur d'appoint dans la seule partie supérieure du ballon
Figure 64
Echangeur externe
Pour des raisons de coûts, ce type d’échangeur n’est en principe pas utilisé dans le cas de petites
installations.
L’échangeur externe est indiqué dans les grandes installations solaires dépassant 30 m2 de capteurs
environ ou bien lorsque l’on désire chauffer plusieurs cuves en Parallèle. On utilise des échangeurs à
faisceau de tubes, et plus fréquemment des échangeurs à plaques. Les modèles à plaques sont brasés
et indémontables ou assemblés par tiges boulonnées.
 Figure 65
Avantage :
 Coût réduit, faible encombrement.
 Les échangeurs à plaques boulonnés peuvent être
démontés pour le détartrage
 Un seul échangeur externe permet de charger plusieurs
accumulateurs en parallèle.
 Un échangeur externe peut chauffer le bas de la cuve, ainsi
toute la capacité de stockage est utilisée.
Inconvénients :
 Les échangeurs externes nécessitent un circulateur pour le
circuit secondaire.
 Les échangeurs à plaques brasés ne peuvent être détartrés
que chimiquement.
Figure 66

Ballon de stockage : Accumulateur

• Il est d’une cuve bien isolée contenant de

l’eau sanitaire ou de l’eau du circuit chauffage
• La cuve est protégée contre la corrosion par
un émaillage et une anode au magnésium ou
à courant imposé.

Figure 67
Purgeur

Fonction
Permet d’évacuer l’air du circuit
– Les purgeurs de capteurs situés en toiture inclinée seront
ramenés à l’intérieur du bâtiment avec une conduite de faible
diamètre (fer 3/8” ou cuivre 6/8).
• Choix
Les purgeurs automatiques sont déconseillés à
proximité des capteurs. En effet, le purgeur automatique
laisse s’échapper la vapeur qui peut se former dans les
capteurs en cas d’arrêt du circulateur lors de fort
ensoleillement.
Il est impératif d'installer des purgeurs (manuels) à la sortie
du champ de capteurs au point haut du circuit.
Conseil de montage

Figure 68 Figure 69

Soupape de sécurité

• Fonction
• Les soupapes de sécurité sont utilisées
contre la surpression dans le circuit

Figure 71
Figure 70

4.4 Contrôle et régulation

• Fonction
La régulation est constituée d'un thermostat différentiel qui relève la température du champ de
capteurs et la température de la partie basse du ballon (au-dessus de l'échangeur). La régulation a
pour fonction de faire fonctionner le circulateur lorsque les capteurs peuvent fournir de la chaleur et
de l’arrêter dans le cas contraire.
• Exigences
 Précision suffisante : l’erreur additionnée des composants ne doit pas excéder 3 degrés.
 Les seuils d’arrêt et de déclenchement du circulateur doivent pouvoir être réglés
séparément.
 Lampe témoin déclenchement du circulateur.
 Un indicateur digital intégré pour les températures mesurées par les sondes capteurs et
chauffe-eau est utile.
 Résistance de la sonde capteur aux hautes températures (jusqu’à 200°C), et à l’humidité
 L’emplacement et le montage des sondes doit être correct.

• Montage : échangeur intégré • Montage : échangeur externe

Figure 72 Figure 73
Fonctionnement
 Les températures de référence sont mesurées à l’aide de sondes placées l’une à la sortie du
champ capteurs et l'autre en bas du ballon.
 Les sondes transmettent un signal électrique qui est fonction de la température mesurée. Les
sondes sont raccordées à un régulateur qui compare les valeurs mesurées entre elles ;
 Le circulateur solaire fonctionne dès que la différence de température entre les capteurs et
l’accumulateur est plus élevée que le seuil déclenchement défini, Il est arrêté si cette
différence de température est inférieure du seuil d’arrêt défini.
 Des seuils d’arrêt et déclenchement différenciés permettent d’éviter le bouclage. La
différence entre les deux seuils s’appelle l’hystérèse.
 Le seuil de déclenchement doit toujours être réglé plus haut que le seuil d’arrêt.
Par exemple seuil déclenchement à t1=t2+7 °C et d’arrêt t1=t2+2°C.
t1: température de sortie du capteur et t2: température de stockage.

Les régulations pour les installations avec un échangeur externe comportent en plus un relais
temporisé ou un deuxième régulateur par températures différentielles pour la commande du
circulateur secondaire Les installations solaires plus complexes comportent plusieurs régulateurs et
différentes logiques permettant d’optimiser le fonctionnement et de choisir les priorités de charge.

Figure 74 : Schéma de la régulation

Figure 75 : Appareils de régulation

Les sondes :

Les sondes de température peuvent êtres :

 Des résistances métalliques (platine ou nickel). La résistance électrique qui augmente
proportionnellement à la température ;
 Des thermistances. La résistance électrique diminue fortement lorsque la température
augmente.
 Figure 76
Type de Montage des capteurs

Figure 77

5 Calcul des performances thermiques des capteurs plans vitrés :

Un capteur solaire plan destiné à la production d’eau chaude sanitaire est composé :
 Un panneau noir appelé absorbeur, pourvu d’un réseau de tubulaires dans lesquels circulent un
fluide caloporteur.
 Une couverture généralement en verre simple ou double pour réduire les pertes vers l’avant de
l’absorbeur par rayonnement et par convection.
 Un boîtier contenant le tout et dont les parois sont tapissées d’une couche isolante.
On se propose de calculer les bilans de l’absorbeur et de la vitre à l’équilibre quand la circulation
du fluide caloporteur est interrompue.
► On suppose qu’il n’y a pas de pertes thermiques par le fond du boitier.
► On suppose le capteur infini pour pouvoir négliger les effets de bord
► On suppose que la vitre et l’absorbeur sont isothermes aux températures respectives Tv et Tp.
 Les bilans thermiques, en régime permanent, de l’absorbeur à la température Tp et de la vitre à la
température Tv, porterons sur l’unité de surface.

Figure 78

Figure 79

Figure 80
 a) Expression simplifié du rendement instantané dans les conditions stationnaires en fonction
de la température de l’absorbeur

Ciel : Tc

Air : Ta

Vitre : Tv

Absorbeur : Tp

e Isolant : Ti

Air : Ta

Figure 81

Une partie de l'énergie solaire absorbée par le capteur est utilisée pour chauffer le fluide
caloporteur, c’est l’énergie utile Qu. Or le capteur est le siège de perte de chaleur principalement par
convection et rayonnement vers le milieu extérieur.
Bilan de la face avant :
La face avant est constituée de la vitre, de l’absorbeur et de l’air entre les deux. Les échanges de
chaleur sont :
Flux rayonné de l’absorbeur vers la vitre :
𝑄2 = 𝑆. 𝜎. 𝜀𝑣 (𝑇𝑝4 − 𝑇𝑣4 ) = 𝑆. ℎ𝑟11 (𝑇𝑃 − 𝑇𝑉 ) Avec 𝜎 = 5,67. 10−8 𝑊/𝑚2 𝑘 4

 Flux par convection de l’absorbeur vers la vitre

𝑄3 = 𝑆. ℎ𝑐1𝑣 (𝑇𝑝 − 𝑇𝑣 )

 Flux rayonné de la vitre vers le ciel

𝑄4 = 𝑆. 𝜎. 𝜀𝑣 (𝑇𝑣4 − 𝑇𝑐4 ) = 𝑆. ℎ𝑟22 (𝑇𝑣 − 𝑇𝑎 )

 Flux par convection de la vitre vers l’extérieur

𝑄5 = 𝑆. ℎ𝑐𝑣𝑎 (𝑇𝑣 − 𝑇𝑎 )

Soit R1 la résistance thermique entre l’absorbeur et la vitre. Cette résistance représente les deux
résistances thermiques en parallèle l’une par rayonnement relative à Q2 et l’autre convection relative
à Q3. Soit

S. Tp  Tv 
Q2  Q3  Q  S.hr . Tp  Tv   S.hc 1v Tp  Tv   S  hc 1v  hr  T  T  
p v
11 11
R1
De la même manière, soit R2 la résistance thermique entre la vitre et le ciel. Cette résistance
représente les deux résistances thermiques en parallèle l’une en rayonnement relative à Q4 et l’autre
par convection relative à Q5

Soit :

S. Tv  Ta 
Q4  Q5  Q '  S.hr Tv  Ta   S.hcva Tv  Ta   S  hr  hcva . Tv  Ta  
22 22
R2

En considérant la conservation du flux, Q  Q '  Qav , on a

S. Tp  Tv  Qav .R1 

Qav   Tp  Tv  
R1 S  Qav .  R1  R2  S. Tp  Ta  S. Tp  Ta 
  Tp  Ta   Qav  
S. Tv  Ta  Qav .R2  S  R1  R2  Rav
Qav   Tv  Ta 
R2 S 
Bilan de la face arrière

De point de vue perte vers l’extérieur, la face arrière est composée de la plaque absorbante et de
l’isolant. Les échanges de chaleur sont :

 Chaleur par conduction à travers l’isolant d’épaisseur e et de conductivité thermique 

S.
. Tp  Ti   ' . Tp  Ti 
S
Q6 
e R1

 Chaleur par convection de l’isolant vers l’air

′ (𝑇
𝑄7 = 𝑆. ℎ𝑐𝑣 𝑖 − 𝑇𝑎 )

 Chaleur par rayonnement de l’isolant vers l’air

𝑄8 = 𝑆. ℎ𝑟′ (𝑇𝑖 − 𝑇𝑎 )

En sommant Q7 et Q8 :

Q78  Q7  Q8  S.(h 'cv  h 'r ). Ti  Ta   S.

T
i
 Ta 
'
R2

Comme pour la face avant, la conservation du flux Q6  Q78  Qar donne

 . Tp  Ta   . Tp  Ta 
S S
Qar 
R 1  R 2 
' '
Rar

Remarque : la résistance R '2 est négligeable devant R'1 puisque la température de la face arrière est
généralement égale à la température ambiante.

La chaleur totale perdue vers l’extérieur est :

S. Tp  Ta  S. Tp  Ta   S. T  T  1  S. Tp  Ta 

Qa  Qav  Qar 
Rav

Rar
 p  R
a

1
Rar

R
 U.S. Tp  Ta 
 av 
Les deux résistances Rav et Rar sont en parallèle. Leurs résistance équivalente est telle que

1 1 1
U  
R Rav Rar

U est le coefficient d’échange global (la conductance globale ou coefficient de perte) en W/K.m²

Figure 82
 Figure 83

En régime permanent le rendement instantané est

Qu Q*  Qa S.G*( ,  ). v p  Qa U.S.(Tp  Ta )

     v p 
S.G*( ,  ) S.G*( ,  ) S.G*( ,  ) S.G*( ,  )
Soit

(Tp  Ta ) (T  T )
   v p  U.  0  U. p a
G*( ,  ) G*( ,  )
Avec

0   v p est le rendement optique du capteur

Exemple

transmission vitrage  0,95 facteur optique  0,855

absorption absorbeur  0,9 X 0,06m².K/W

coefficient de pertes U 4W/K.m² pertes optiques 1- 14,5%

température absorbeur Tp 20°C pertes thermiques 24,0%

température extérieure Ta 10°C rendement  61,5%

irradiation (W/m²) G* 600W/m²

 b) expression simplifiée du rendement instantané dans les conditions stationnaires selon
l’approche européenne

Selon les standards européens (NF P50-501), la température de l’absorbeur approchée par la
température moyenne du fluide caloporteur prise égale à Tm  Te  Ts  / 2

Avec Tela température d’entrée de l’eau froide et Ts la température de sortie de l’eau chaude.

Le rendement s’écrit alors :

(Tm  Ta ) (T  T )
   v p  U.  0  U. m a
G*( ,  ) G*( ,  )
La puissance utile captée par un capteur de surface S est donc

Ou bien par unité de surface de capteur

.G*( , )  G*( , ). v p  U.(T  Ta )

Dans les expressions précédentes les échanges radiatifs ont été linéarisés ce qui peut aboutir
à une variation linéaire du rendement en fonction de l’écart des températures Tp  Ta ou Tm  Ta
. Or afin de mieux prendre en compte les pertes non linéaires la nouvelle norme européenne
(EN 12975-2) introduit dans l’expression du rendement un deux ième termes non linéaires.

a1 et a2 : coefficients de déperditions thermiques (W/m².K et W/m².K²)

 Figure 84

𝑇𝑚 − 𝑇𝑎
𝑥=[ ]
𝐺 ∗ (𝛽, 𝛾)

Pour un ensoleillement constant et une température ambiante constante, les courbes de rendement
montrent que les performances des capteurs baissent lorsque l’écart entre la température moyenne
et la température extérieur est grand. Ceci est dû aux déperditions thermiques qui augmentent
linéairement avec la température pour les pertes par convection et par conduction et à la puissance
4 pour les pertes par rayonnement.
 Tableau 8
c) seuil de démarrage
Le seuil d’irradiation minimale nécessaire pour que le rendement du capteur soit positif, c'est-à-dire
qu'il puisse fournir de l’eau à la sortie à une température supérieure à celle à l’entrée, est selon la
norme NF P50-501.

(Tm  Ta )
  0  U. 0
G*s ( ,  )

Soit

U
G*s ( ,  )  .(Tm  Ta )
0
Et selon la nouvelle norme EN 12975-2
On voit que le seuil de l’irradiation qui permet le démarrage du capteur est d'autant plus bas que le
facteur optique est élevé et que les pertes thermiques sont faibles. Dans ce sens les capteurs sous -
vide démarrent plus rapidement que les capteurs plans.

Figure 85

d) température de stagnation

Nous avons vu plus la température de fonctionnement (Tm ou Tp) augmente, plus le

rendement diminue. La température de stagnation est la température pour laquelle le
rendement est nul. Elle est atteinte lorsqu’il n’y a plus de circulation du fluide dans le circuit.

Soit :

(T m  Ta ) 0G* ( ,  )
  0  U. *  0  T m  Ta 
G ( ,  ) U

Ou bien selon la nouvelle norme

Soit

a1  a12  4.0 .a2 .G *   ,  

Tm   Ta
2.a2
 La température de stagnation est d'autant plus élevée que l'irradiation est importante, la
température extérieure élevée et le capteur performant.

Figure 85

Exemple

Rendement optique 0 0,75

coefficient de pertes a1 1,25 W/K.m²

coefficient de pertes a2 0,0094 W/m².K²

irradiation G 1000 W/m²

température extérieure Ta 25 °C

température de moyenne Tm 40 °C

e) expression simplifiée du rendement instantané dans les conditions stationnaires en

fonction de la température d’entrée du fluide caloporteur : Approche ISO
Dans l’expression précédente le rendement instantanée dans les conditions stationnaires dépend de
la température de l’absorbeur supposé isotherme. Or cette température est difficilement accessible.
Dans l’approche ISO on préfère exprimer ce rendement en fonction de la température d’entrée de
l’eau froide Te ou de la température moyenne Tm de l’eau froide à l’entrée et de l’eau chaude à la
sortie. Pour cela on définit alors un facteur F comme le rapport entre la puissance utile réellement
délivrée par le capteur et la puissance utile qu’il aurait délivrée si le fluide à la température Te ou Tm
était à la température de l’absorbeur.

S.G*( ,  ). v p  U.S.(Tp  Ta )

F Si on se base sur la température Te
S.G*( ,  ). v p  U.S.(Te  Ta )
 S.G*( ,  ). v p  U.S.(Tp  Ta )
et F' Si on se base sur la température Tm
S.G*( ,  ). v p  U.S.(Tm  Ta )

Le rendement s’exprime ainsi en fonction de F par :

 S.G*( ,  ). v p  U.S.(Te  Ta ) F .U.(Te  Ta )

  F.   F . v p 
S.G*( ,  ) G*( ,  )
Si on se base sur la température moyenne Tm, nous aurons :

F ' .U.(Tm  Ta )
  F ' . v p 
G*( ,  )

Ainsi pour un capteur idéale F  1 ou F '  1

Théoriquement la valeur de 1 est possible si le fluide circule à un débit tel que la température ne
varie que très peu et que la transmission de chaleur entre l’absorbeur et le fluide est si élevée que la
différence de température entre la surface d'absorbeur et le fluide est négligeables. Par ailleurs le
facteur F dépend du fluide caloporteur, du débit du fluide et des caractéristiques du collecteur

La puissance utile captée par un capteur de surface S est donc :

.S.G*( , )  F.S. G*( ,  ). v p  U.(Te  Ta )  mf c f Ts  Tf 

Ou bien par unité de surface de capteur :

.G*( , )  F. G*( ,  ). v p  U.(Te  Ta )

Les quantités F . v p et F.U sont caractéristique à chaque capteur. Ils font l’objet de Protocol
expérimental bien précis spécifié par les normes de test des capteurs. Chaque fabriquant est tenu à
fournir ces valeurs. Pour les capteurs vitrés ou à tubes sous vide, F . v p
F.U sont indépendants
et

du vent. Les valeurs génériques pour les capteurs vitrés sont : F . v p = 0,68 et F.U = 4,90

(W/m2)/°C. Pour les capteurs à tubes sous vide, les valeurs génériques sont F . v p = 0,58 et F.U =
0,7 (W/m2)/°C

f) rendement moyen

Dans la pratique, lors des test des capteurs, le rendement est mesurée sur un intervalle de
temps (t1,t2). Selon les normes cet intervalle est de l’ordre de 15 à 20 mn.
 t2

 m c T
f f 2f
 T1 f dt
 t1
t2

 S.G*( , )
t1

t2

 Q dt
u

 t2
t1

S. G*( ,  )dt

t1

G*( ,  ) est l’éclairement global reçu par le capteur en W/m2

g) Bilan global
Si nous considérons depuis sa mise en service, une partie de l’énergie sera stockée dans le système
lui-même, le bilan global du capteur est

dq
S.G*( ,  ). v p  Qu  Qa 
dt

dq
est le taux de l’énergie stockée dans le système.
dt
(𝑇𝑖4 − 𝑇𝑗4 ) = (𝑇𝑖 − 𝑇𝑗 ) × (𝑇𝑖3 + 𝑇𝑖 𝑇𝑗2 + 𝑇𝑗 𝑇𝑖2 + 𝑇𝑗3 ) ≈ 4 × ∆𝑇 × 𝑇𝑚3

Conclusion
Un chauffe-eau solaire assure une partie de nos besoins en eau chaude sanitaire et dans
certains cas de notre chauffage. Nous pouvons réduire notre facture d'électricité totale
jusqu'à 15 %. De plus, il s'agit d'un chauffe-eau écologique : il permet d'éviter à peu près le
rejet de 720 kg de CO2 par an.