Chauffe-eau solaire : optimiser la régulation thermique et la sécurité avec Cotherm

Introduction

Les coûts de l’énergie, l’indépendance énergétique et la fiabilité des systèmes sont devenus des enjeux majeurs pour le marché européen. Face à ces défis, les fabricants et les propriétaires de bâtiments recherchent de plus en plus des solutions permettant de mieux exploiter les énergies renouvelables, tout en garantissant confort et sécurité.

Dans ce contexte, le défi de notre client était à maximiser l’utilisation de l’énergie solaire gratuite, à éviter les déclenchements intempestifs des dispositifs de sécurité lors des périodes de fort ensoleillement et à activer le chauffage d’appoint uniquement lorsque cela était nécessaire.

Tendances du marché

Les récentes fluctuations des prix du pétrole et du gaz accélèrent la recherche de solutions de chauffage permettant de réduire la dépendance aux énergies fossiles. En Parallèle, les technologies de chauffage utilisant les énergies renouvelables connaissent un essor important en Europe. Les pompes à chaleur se développent rapidement, tandis que le solaire thermique reste une solution pertinente pour produire de l’eau chaude sanitaire à partir d’une énergie renouvelable.

L’objectif est de plus en plus clair : exploiter les énergies renouvelables dès qu’elles sont disponibles, tout en garantissant confort, fiabilité et sécurité.

Pour répondre efficacement à ces enjeux, il est essentiel de comprendre comment l’énergie solaire est captée, stockée et complétée par une source de chauffage d’appoint lorsque cela est nécessaire.

Comment fonctionne un chauffe-eau solaire à thermosiphon ?

Les capteurs solaires thermiques récupèrent l’énergie du rayonnement solaire et transfèrent cette chaleur, par l’intermédiaire d’un échangeur, à l’eau stockée dans un ballon d’eau chaude. Ce ballon permet d’accumuler l’énergie thermique et de gérer le décalage entre les périodes de production de chaleur et les besoins en eau chaude. La surface des capteurs et la capacité du ballon dépendent des besoins en eau chaude et de l’ensoleillement disponible.

Ce système ne nécessite aucune pompe de circulation. L’eau circule naturellement grâce à un phénomène thermodynamique appelé thermosiphon

Le principe du thermosiphon repose sur la différence de densité entre l’eau chaude et l’eau froide. L’eau froide, plus dense, a tendance à descendre, tandis que l’eau chaude, moins dense, remonte naturellement. Cette différence provoque un mouvement de circulation appelé convection thermique, qui permet la circulation naturelle de l’eau.

C’est pourquoi le capteur solaire est toujours installé en dessous du ballon de stockage. L’eau froide du ballon descend vers le capteur par une conduite. En se réchauffant dans le capteur, l’eau remonte naturellement vers le ballon, poussée par l’arrivée d’eau plus froide. Ce cycle entre le ballon, les conduites et le capteur se poursuit jusqu’à atteindre une température d’équilibre. L’utilisateur peut ensuite puiser l’eau chaude dans la partie supérieure du ballon.

Lorsque l’ensoleillement est suffisant, ce système peut couvrir une part importante des besoins en eau chaude sans recourir aux sources de chauffage conventionnelles. Cependant, la disponibilité de l’énergie solaire varie en fonction des conditions météorologiques, des saisons et de la consommation d’eau chaude.

C’est pourquoi de nombreux systèmes de stockage solaire intègrent une résistance électrique d’appoint, permettant de maintenir l’eau à la température souhaitée lorsque l’énergie solaire seule est insuffisante.

Une régulation thermique fiable devient donc essentielle pour :

• Maintenir l’eau à la température souhaitée.
• Piloter la résistance électrique d’appoint.
• Éviter toute consommation d’énergie inutile.
• Protéger le système contre les surchauffes.
• Garantir une disponibilité constante de l’eau chaude.

La solution d’appoint proposée par Cotherm

Les solutions de régulation thermique Cotherm peuvent être intégrées aux systèmes de stockage d’eau chaude solaire afin de piloter le chauffage électrique d’appoint. Le thermostat TUS de Cotherm permet de répondre simultanément à deux besoins : assurer la régulation de la température et garantir la sécurité thermique du système.

Chiffres clés du projet

• Température de régulation : 65 °C
• Température de sécurité : 115 °C
• Volume du projet : 300 000 unités par an
• Durée du projet : 6 mois

Les étapes du projet

1. Définition du niveau de confort thermique souhaité.
2. Simulation du fonctionnement des dispositifs de sécurité du ballon à haute température.
3. Préréglage du thermostat TUS à partir de simulations CFD (Computational Fluid Dynamics, ou mécanique des fluides numérique).
4. Sélection de chauffe-eau pour les essais et réalisation de tests en conditions réelles.
5. Lancement du processus de production en série.

Le thermostat surveille la température de l’eau et pilote la résistance électrique lorsqu’un apport d’énergie supplémentaire est nécessaire. En parallèle, une fonction de sécurité intégrée protège le système contre les surchauffes anormales. La température de sécurité est volontairement réglée à un niveau élevé afin d’éviter les déclenchements intempestifs lors du fonctionnement normal du système, en tenant compte du fait que la température de l’eau dans le ballon peut atteindre jusqu’à 115 °C.

Les thermostats filaires, TUS de Cotherm offrent ainsi aux fabricants une solution compacte associant régulation de température, sécurité thermique et facilité d’intégration aux résistances électriques immergées, grâce à une fixation directe par vissage sur l’élément chauffant (comme illustré sur l’image ci-dessous).

Pour les fabricants de chauffe-eau solaires, de ballons de stockage d’énergie renouvelable ou de systèmes hybrides de production d’eau chaude, Cotherm propose des solutions de régulation thermique conçues pour associer efficacité énergétique, sécurité et fiabilité de la production d’eau chaude sanitaire.

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