Un système direct (en boucle ouverte) fait circuler l'eau potable elle-même dans les capteurs. Un système indirect (en boucle fermée) fait circuler un mélange de propylène glycol dans les capteurs et transmet la chaleur par un serpentin dans le ballon. L'indirect est la norme partout où il y a du gel ou une eau dure : un mélange à 40 % de glycol protège la boucle jusqu'à environ −20 °C, au prix de quelques pour cent de rendement.
Quelle est la différence entre circulation solaire directe et indirecte ?
La différence tient à ce qui circule dans le capteur. Dans un système direct, dit aussi en boucle ouverte, l'eau potable qui sort du robinet est pompée vers le toit, chauffée dans l'absorbeur et renvoyée au ballon. Dans un système indirect en boucle fermée, le circuit des capteurs est une boucle étanche d'eau mélangée à du propylène glycol ; il ne touche jamais l'eau potable et cède sa chaleur par un échangeur à serpentin situé à l'intérieur du ballon.
Tout le reste découle de ce seul choix. Les systèmes directs sont plus simples et légèrement plus efficaces, puisqu'il n'y a pas d'échangeur entre le soleil et le ballon. Les systèmes indirects tolèrent le gel, l'eau dure et la stagnation, ce qui explique qu'ils dominent tous les marchés européens situés au nord de la limite de culture de l'olivier.
Quand un système direct est-il le bon choix ?
Sous les climats sans gel avec une eau douce, et surtout pour des installations à bas coût ou de grand volume. Le Département de l'Énergie des États-Unis est explicite sur le partage : circulation directe pour les climats sans gel, indirecte lorsqu'un fluide caloporteur et un échangeur de chaleur sont nécessaires. Sans échangeur à traverser, un système direct délivre la chaleur du capteur directement dans le ballon : le capteur fonctionne donc quelques degrés plus froid et, de ce fait, avec un rendement supérieur de quelques pour cent, un gain réel que rend visible la courbe de rendement du capteur.
Les risques sont tout aussi clairs. Un seul gel sévère peut fendre un absorbeur ; une eau de dureté supérieure à environ 200 mg/L entartre les canaux de l'absorbeur aux 60–80 °C que le capteur atteint chaque jour ; et tout le circuit véhicule de l'eau potable, de sorte que chaque composant doit être agréé pour l'eau potable.
Quand faut-il un système indirect ?
Chaque fois que le capteur peut descendre sous 0 °C, que l'eau du réseau est dure ou agressive, ou que le système peut entrer en stagnation. En Europe centrale, c'est pratiquement toujours le cas. La boucle de glycol est petite, généralement 20 à 60 litres : elle peut donc être dosée, testée et remplacée comme un consommable, tandis que l'eau potable reste dans le ballon.
Les systèmes indirects permettent aussi de supporter sans dommage la stagnation. Lorsque le ballon est plein et que le circulateur s'arrête, le fluide du capteur bout et est refoulé dans le vase d'expansion ; une boucle bien conçue se remplit simplement à nouveau et redémarre en refroidissant. Faites cela avec de l'eau potable dans un système en boucle ouverte, et vous obtenez du tartre, de la corrosion et un problème d'hygiène.
Direct, indirect ou autovidangeable : la comparaison
| Direct (boucle ouverte) | Indirect (boucle fermée) | Autovidangeable (drain-back) | |
|---|---|---|---|
| Fluide dans le capteur | Eau potable | Eau + 33 à 45 % de propylène glycol | Eau (ou glycol), vidangée à l'arrêt |
| Protection antigel | Aucune | Jusqu'à environ −20 °C avec un mélange à 40 % | Absolue : le capteur est vide au repos |
| Tolérance à l'eau dure | Faible au-delà de ~200 mg/L | Totale | Totale |
| Perte de l'échangeur | Aucune | 3 à 8 % du rendement | Faible |
| Entretien | Détartrage | Test du fluide tous les 2 ans, remplacement tous les 5 à 8 ans | Test du fluide, plus contrôle de la pente |
| Marché typique | Méditerranée, Moyen-Orient, tropiques | Europe centrale et du Nord | Europe centrale, autoconstructeurs |
Et le système autovidangeable, comme troisième option ?
Un système autovidangeable est le compromis élégant : la boucle des capteurs se vide dans un petit réservoir chaque fois que le circulateur s'arrête, de sorte que l'absorbeur est à sec, donc insensible au gel et à l'ébullition, la nuit, lors d'une coupure de courant et pendant la stagnation. Le prix à payer est la rigueur. Chaque tuyau doit retomber en continu vers le réservoir avec une pente de 2 à 4 %, le circulateur doit être assez puissant pour remonter le fluide jusqu'au toit à chaque démarrage, et le capteur doit être certifié apte au fonctionnement en autovidange.
Qu'exige chaque option du ballon ?
Les systèmes directs ont besoin d'un ballon lui-même agréé pour l'eau potable et, idéalement, protégé contre le tartre. Les systèmes indirects ont besoin d'une surface d'échange suffisante : prévoyez environ 0,15 à 0,2 m² de serpentin par m² de surface d'entrée du capteur, placé dans le tiers inférieur du ballon pour rencontrer l'eau la plus froide et préserver la stratification. Un serpentin sous-dimensionné est la raison la plus fréquente pour laquelle un champ de capteurs correctement dimensionné sous-performe : la chaleur est produite mais ne peut pas entrer assez vite dans l'eau, de sorte que le capteur fonctionne à haute température et que son rendement baisse.
Solimpeks construit des systèmes indirects à circulation forcée pour les marchés européens soumis au gel et des chauffe-eau à thermosiphon TSM pour les marchés à climat chaud : le TSM chauffe l'eau sanitaire par un échangeur en AISI 316L au lieu de la faire passer dans le capteur, et c'est la spécification du ballon, plus que le capteur, qui change le plus d'un cas à l'autre.
Questions fréquentes
Un chauffe-eau solaire direct est-il plus efficace qu'un indirect ?
Légèrement. Supprimer l'échangeur permet au capteur de fonctionner quelques degrés plus froid pour la même température de ballon, ce qui représente généralement 3 à 8 % du rendement annuel. Cet avantage disparaît dès la première nuit de gel sous un climat soumis au gel, ce qui explique que les systèmes indirects soient la norme en Europe centrale et du Nord.
Puis-je convertir un système direct en système indirect ?
Oui, mais cela implique généralement de changer le ballon. La conversion exige un ballon avec serpentin solaire (ou un échangeur à plaques externe avec un second circulateur), un vase d'expansion fermé dimensionné pour la stagnation et une charge de glycol. En pratique, la plupart des conversions ont lieu lorsque le ballon est de toute façon remplacé.
Quelle concentration de glycol un système indirect doit-il utiliser ?
Du propylène glycol de qualité solaire à 33–45 % en volume, qui assure une protection antigel d'environ −15 °C à −25 °C. N'utilisez jamais d'éthylène glycol automobile : il est toxique, et sa formulation d'inhibiteurs n'est pas conçu pour les plus de 150 °C qu'atteint un capteur en stagnation.
Les tubes sous vide changent-ils le choix entre direct et indirect ?
Ils le renforcent. Les tubes sous vide atteignent des températures de stagnation plus élevées que les capteurs plans : le fluide est donc plus sollicité, et de l'eau potable dans l'absorbeur est une moins bonne idée. Presque tous les systèmes à tubes vendus dans les régions soumises au gel sont indirects.