Capteurs solaires

Il est possible de produire de la chaleur via des capteurs solaires situés en extérieur.

Deux fluides caloporteurs peuvent être chauffés aux fins de transporter la chaleur captée : l’air et l’eau.

Capteurs à air

On les appelle des capteurs aérothermiques. Divers appareillages sont disponibles, ils sont tous basés sur un même principe : le soleil chauffe un support enfermé derrière une vitre.

L’air chauffé au contact de la plaque de fond est évacué pour être exploité aux fins de chauffage de l’intérieur de l‘habitat, soit par insufflation directe, soit au travers d’un échangeur thermique qui permet de réchauffer l’air ou l’eau d’un circuit secondaire. Une prise d’air basse permet le renouvellement d’air.

Capteurs à eau

Le principe général est de capter le rayonnement solaire sur un support auquel est fixé un circuit primaire rempli d’un fluide calorigène.

Les calories ainsi captées sont transportées jusqu’à un système de stockage sous forme d’un réservoir d’eau (cf § dédié ci-après), ou, via un circuit primaire, directement, dans des murs massifs.

Avec le premier système, la chaleur est stockée aux fins d’une utilisation ultérieure en fonction des besoins.

Avec le deuxième système, la chaleur est directement transmise à la masse des matériaux. Ces derniers assurent eux mêmes la fonction de stockage et restitution lente.

Il existe deux types de panneaux de captation du rayonnement : les capteurs plans et les capteurs sous vide.

La version “plan” est la plus simple, la plus fiable, la moins onéreuse, la moins coûteuse en énergie grise et en ressource, mais aussi celle au rendement le plus faible.

Celle à capteurs sous vides (ampoules) a un rendement plus élevé mais sa technique plus complexe la rend beaucoup plus coûteuse.

Attendu que l’énergie de base, le soleil, est gratuite, il suffit, dans le cas du choix de la version plane, d’installer un ou deux panneaux supplémentaires pour compenser.

Chaudières à hydrogène

Le chauffage par chaudière à hydrogène s’apparente à une cogénération.

Le cœur du système est une pile à combustible.

Sommairement, l’oxydation de l’hydrogène par combinaison avec l’oxygène de l’air permet de produire de l’eau, de la chaleur et de l’électricité. Cette dernière est soit utilisée en autoconsommation, soit injectée dans le réseau électrique général. L’eau est rejetée et la chaleur sert à produire de l’air chaud ou de l’eau chaude.

Ces équipements sont encore très peu utilisés en france, ils sont par contre assez répandus au Japon : contre-coup de l’accident nucléaire de Fukushima ?

Nul doute qu’il s’agit d’une technologie qui va, petit à petit, faire sa place sur le marché. Sera-t-elle pertinente à l’usage individuel ou faudra-t-il la réserver à l’alimentation de réseaux de Chaleur à Distance (CAD) (voir § dédié ci-après)? L’avenir nous le dira.

Stockage de chaleur

Il ne s’agit pas, à proprement parler, d’un système de production de chaleur, donc de chaudière. Nous plaçons malgré tout ces équipements dans cet article car, à l’identique d’une chaudière, c’est un point de départ pour la distribution de la chaleur.

Appareil de stockage de chaleur

Ce stockage peut s’envisager sous diverses formes et via divers matériaux. Cependant l’eau étant facile à transporter et à stocker et, dans le même temps, ayant une chaleur spécifique très élevée, donc une grande capacité de stockage de chaleur, c’est, et de très loin, la matière la plus utilisée à cet usage .

Des réservoirs ont été développés à cet effet. Ils contiennent un gros volume d’eau, pas moins de 500 litres, et cela peut aller beaucoup plus loin : plusieurs milliers de litres. Deux limites fixent les contenus maximaux : la capacité de chauffage du volume en question (plus le volume est important, plus il faudra de calories pour atteindre la chaleur de stockage idéale : elle doit impérativement être supérieure à la température d’utilisation du fluide calorigène de distribution de la chaleur) et le volume disponible pour installer ce ou ces réservoirs.

L’eau du réservoir, destinée à l’accumulation de la chaleur, peut être chauffée en organisant une circulation directe entre le récipient lui-même et la ou les sources de production de chaleur (panneaux solaires, chaudière, fourneau-bouilleur), ou via un serpentin dit réseau primaire qui permet de faire monter en température l’eau du réservoir par transfert via un fluide calorigène. Ce circuit primaire fonctionne en boucle.

D’autres circuits, dits secondaires, permettent de puiser les calories dans le volume d’eau chaude.

Il peut n’y avoir qu’un serpentin. Nous en conseillons deux : l’un pour l’usage de chauffage, l’autre pour l’Eau Chaude Sanitaire.

Cet équipement permet d’éviter les variations de chauffage liées aux pics ou absence d’ensoleillement dans le cadre d’un système solaire. Il permet aussi, en cas de couplage avec une chaudière ou un fourneau-bouilleur d’utiliser ces appareils de façon très pertinente : une chauffe de temps à autre, quand les calories du réservoir ont été consommées.

En cas de chauffage avec du bois bûche, ce principe permet d’employer l’appareil de combustion à pleine puissance, assurant ainsi une meilleure combustion, donc un meilleur rendement mais aussi une moindre pollution (cf § ci-après sur les fourneaux-bouilleurs).

Cette combustion emballée permet, en quelques heures, de produire de l’eau chaude en quantité suffisante pour de nombreuses heures, 24, 36, 48 … 72. Tout dépend de la taille de la réserve, de la température de cette réserve et des besoins pour chauffer. En tout cas c’est un excellent moyen de chauffer au bois bûche en échappant à la contrainte d’une surveillance et une alimentation continues !

Si deux sources de chauffe sont utilisées, dont une solaire, ce système permet de s’affranchir des aléas de l’ensoleillement et, en période d’inter-saison, de ne faire que très peu appel au chauffage avec une chaudière.

Nous tenons d’ailleurs à rappeler ici que, l’hiver, il fait très froid lorsque les nuits sont étoilées et que, si les nuits sont étoilées, les jours sont ensoleillés. Ainsi, une telle installation permet de chauffer la nuit en puisant des calories dans le réservoir et, le jour, de recharger ledit réservoir en calories gratuitement fournies par le soleil.

C’est tout bénéfice sur toute la ligne !

Réseaux de Chaleur à Distance

Comme pour le stockage de chaleur, nous classons les réseaux CAD ici car, en cas de recours à ce système, c’est bien là qu’on vient puiser les calories.

Le principe est que de la chaleur est produite par une très grosse unité collective de chauffage. Elle est véhiculée dans un réseau de transport, un peu à l’image du transport de la chaleur d’un chauffage central via des tuyaux installés en boucle et dans lesquels les radiateurs puisent leur chaleur.

Des calories sont puisées sur ce circuit primaire grâce à un échangeur et, via un circuit secondaire, sont distribuées dans l’habitat là où c’est nécessaire.

Un des plus anciens réseaux CAD de France se situe à Grenoble. Il y a été mis en place dès le début des années 1960 et a trouvé son envol à l’occasion des jeux olympiques d’hiver qui s’y sont tenus en 1968. Il compte, en 2019, 170 km de réseau alimentés par cinq unités de chauffage.

La production actuelle des calories, en amont, est généralement assurée par des chaudières de très grosse puissance, alimentées soit au bois, soit au gaz.

Il serait possible aussi d’envisager la récupération d’énergie fatale (voir § ci-après) en provenance du refroidissement de data-centers ou la récupération de “fuites” issues d’installation industrielles ou autre. Dans le contexte actuel, il nous semble aberrant de ne pas “récupérer” la chaleur dissipée en pure perte de certains centres d’incinération et/ou du refroidissement des centrales nucléaires (voire la ferme aux crocodiles à Pierrelatte dans la Drôme, également Civaux dans la Vienne, comme quoi !) … Vaste programme qui pourrait, à lui seul, justifier de plusieurs articles !

Systèmes mixtes

Cette catégorie concerne les appareils qui cumulent deux fonctions.

Fourneau bouilleur

Celui-ci produit de la chaleur en partie captée pour produire de l’eau chaude, l’autre partie étant diffusée sur le lieu même, par convection et/ou rayonnement.

Ce type d’équipement a largement été utilisé autrefois dans les campagnes, alimenté en bois bûche.

A l’époque, les maisons n’étaient pas isolées, pas étanches, tant l’habitat globalement que spécifiquement les menuiseries. Ces dernières étaient à simple vitrage et, globalement, les besoins en production de chaleur pour compenser les pertes de calories étaient énormes.

Il fallait donc un appareil en capacité de brûler beaucoup de bois et de fournir de la chaleur en continu.

La maîtrise de la combustion était très imparfaite et la répartition de la chaleur entre le rayonnement direct de l’appareil et la capacité dédiée à la production d’eau chaude pour distribution des calories ailleurs était, elle aussi, très mal maîtrisée.

La chaleur restituée indirectement l’était via un réseau de radiateurs à eau, eux-mêmes de forte puissance et le tout fonctionnait souvent en thermosiphon, ce qui, imposait des canalisations de forte section.

En résumé : gros appareil, de forte puissance, qui consommait beaucoup de bois, qu’il fallait alimenter régulièrement, qui générait une température très élevée à sa proximité et permettait de chauffer très moyennement les autres pièces.

Ajoutons à celà la nécessité de ramoner souvent, tant l’appareil lui-même que le conduit à fumée, la corvée de bois considérable, tant pour le produire que pour amener quotidiennement la quantité nécessaire pour la journée, et le côté salissant de ces opérations. Forcément, ceux qui ont en tête ce type de souvenir n’ont guère envie de faire le choix d’une telle solution.

Ce serait comme si, sous prétexte qu’on avait un peu les mêmes soucis avec les chauffe-eau d’antan, appareils eux aussi au bois, on n’avait pas pris en compte que des chaudières, y compris au bois, produisent désormais de l’eau chaude sans tous ces inconvénients !

Alors, où en est-on aujourd’hui de ces systèmes ?

Les habitats sont désormais beaucoup plus performants au plan de la thermie et de l’étanchéité au vent, la combustion est beaucoup mieux maîtrisée, il est possible d’alimenter ce type d’appareil avec des pellets et on sait stocker la chaleur.

Toutes ces améliorations cumulées donnent un bon coup de jeune à ce qui peut encore, pour certains, paraître une solution d’autrefois.

En tout cas elle peut répondre à beaucoup de besoins et, à ce titre, nous la considérons au contraire comme une solution très pertinente.

La récupération d’une partie de la chaleur dégagée lors d’un compostage.

Le compostage de matière végétale, bien mené, dégage de la chaleur.

La technique phare ici est dite « de Jean Pain », du nom de son développeur.

Sur le papier, ça semble formidable. Dans la réalité, ce génial inventeur était forestier et, à ce titre, disposait de beaucoup de matière première à composter.

Le principe est de stocker des résidus de bois, les entasser et les arroser pour qu’ils compostent. Cette transformation fait monter le cœur du tas à plus de 70°, une chaleur qu’il est possible de récupérer.

Ce système fonctionne, c’est certain… à condition de disposer de suffisamment de matière première.

Ceci n’est pas le cas du commun des mortels et c’est là une limite qui semble difficile à surmonter. Composter des rejets ménagers est une chose, en tirer de la chaleur à une échelle suffisante en est une autre !

Vers des solutions multiples combinées

Chaudières à cogénération

Comme son nom l’indique, la cogénération génère deux sources de profit dont, sinon ce ne serait pas une chaudière, de la chaleur.

A moteur à combustion interne

Nous les avons déjà décrites ici dans l’article dédié à la production de chaleur à distribuer, § dédié à la biomasse méthanisée.

Pile à combustible

Nous avons déjà décrit son principe dans cet article (sous l’appellation “chaudière à hydrogène”) en la classant ci-avant dans les chaudières produisant exclusivement de la chaleur car c’est ainsi que certains fabricants la présentent. Nous préférons cependant l’imaginer en tant que chaudière à cogénération puisque, non seulement elle produit de la chaleur mais aussi de l’électricité (cf § dédié ci-avant).

Attendu que nous en sommes aux débuts de l’exploitation de cette technologie, à l’image des fabricants, il y a de quoi hésiter sur sa classification.

A moteur Sterling

Une telle chaudière a pour cœur un moteur Sterling (dit aussi à combustion externe). Celui-ci est mis en chauffe grâce à une énergie (qui peut être du bois, du gaz, du soleil…). Une fois en marche, il entraîne une génératrice, laquelle produit de l’électricité.

L’énergie chaleur diffusée et non consommée pour l’entraînement du moteur est récupérée en tant que chaleur qui pourra être utilisée à d’autres fins, dont le chauffage.

Par exemple, le pouvoir énergétique du bois en pellets est d’environ 5 kWh au kg.

Avec un rendement correct, une chaudière permettra, lors d’une combustion directe, de tirer réellement 4,5 à 4,8 kWh/kg de chaleur.

La machine Sunmachine (probablement le modèle le plus abouti mis sur le marché, et dont malheureusement la production et la commercialisation ont été arrêtées vers 2010) avait un rendement qui réellement permettait de sortir 1,5 kWh d’électricité et un peu plus de 3,1 kWh de chaleur.

Ce type de machines est peu répandu. Elles sont délicates à gérer, coûteuses à l’achat et probablement mal adaptées à l’usage individuel. Quelques essais de pénétration du marché se sont mal soldés. Les fabricants ont, à ce jour et à notre connaissance, soit arrêté leur production, soit disparu corps et âme.

N’en reste pas moins que le principe est connu et que, si cette technologie ne semble pas adaptée à l’usage individuel, elle serait probablement beaucoup plus pertinente pour de grosses installations alimentant des Réseaux CAD (voire ci-avant).

VMC thermodynamique

Ces machines sont elles aussi assez difficilement classables.

Il s’agit de VMC double flux auxquelles a été ajouté une pompe à chaleur.

Le rendement de cette dernière, de type air/air – dans la configuration de ces machines – est très stable, donc elle ne connaît pas de chute de rendement du fait de la baisse éventuelle de température extérieure.

En effet, le gaz capte ses calories après détente dans l’air rejeté par la VMC, à la sortie du circuit d’extraction, donc à température stable.

Les faibles capacités de ce type d’équipement les destinent aux habitats très performants thermiquement, sinon elles sont plus un chauffage de base, lequel devra être soutenu par d’autres moyens en cas de besoin.

Elles seront plus détaillées dans un futur article.

Energie fatale

L’énergie fatale ou chaleur fatale est la chaleur résiduelle issue d’un procédé et non utilisée par celui-ci, par exemple la chaleur perdue par les parois d’un four au lieu d’être exploitée pour la cuisson d’aliments.

Il peut sembler intéressant de récupérer toute chaleur ainsi perdue… sauf si cette récupération consomme plus qu’elle permet d’économiser.

Un peu d’explication par l’exemple (nous l’avons abordé ici dans le cadre d’articles dédiés au renouvellement d’air et, plus spécifiquement, pour l’usage des VMC double-flux) :

– Une VMC simple flux rejette à l’extérieur de l’air chaud, sans en récupérer les calories et, via des prises d’air, en provoque le remplacement par l’introduction dans l’habitat d’air extérieur, éventuellement froid, entre autres l’hiver.

Qui n’a pas entendu : “Ça fait partir la chaleur et entrer de l’air froid qu’il va falloir chauffer, pourquoi ne pas la récupérer ?” Dans l’absolu et en lecture simple, imparable !

Sauf que les calculs que nous avons faits démontrent que, rien qu’au plan consommation d’énergie pour leur fonctionnement et de consommables (filtres) pour qu’elles restent efficaces, les VMC double flux consomment plus qu’elles ne font économiser !

Si, au-delà de l’aspect financier à l’exploitation, on se penche sur les coûts d’énergie grise et de matière consommées pour sa production et son installation, alors, indéniablement, une VMC double flux est aussi une totale aberration aux plans consommation de ressources et impacts climatiques, donc elle perd sur toute la ligne.

Certains envisagent aussi de récupérer la chaleur fatale engendrée par l’évacuation des eaux usées chaudes : vidanges des lave-linge et lave-vaisselle, rejets des eaux des douches…

Comme pour l’air chaud, il semble intéressant de récupérer cette énergie, sauf que, si nous en faisions l’étude poussée, il est fort probable que, comme pour les VMC DF, nous arriverions aux mêmes constats !

Il faudra bien, un jour, prendre en compte non pas la seule énergie utilisée pour le fonctionnement d’un système, mais aussi ce que ce système aura nécessité en énergie et ressources diverses pour sa fabrication, son entretien et son recyclage en fin de vie