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Solaire thermique :  capteurs plans ou capteurs à tubes sous vide ?
Les capteurs tubulaires sous vide peuvent être installés verticalement et emmagasinent suffisamment d’énergie. - © ©Viessmann

Solaire thermique : capteurs plans ou capteurs à tubes sous vide ?

F.S. |  le 12/03/2010  |  Technique

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Le débat entre les deux principales technologies, capteurs plans ou capteurs à tubes sous vide, fait rage, chacune d'entre elles ayant ses avantages, mais aussi ses faiblesses.

Si chaque fabricant a ses particularités, deux grandes technologies de capteurs se distinguent. La plus courante dans l'habitat est le capteur plan (capteur vitré ou non) à circulation de liquide. Constitué d'un coffre en aluminium, acier galvanisé ou matériau de synthèse, il comprend une grille hydraulique composée de collecteurs et de tubes, dans lesquels circule un fluide caloporteur. Ils sont recouverts d'une surface sombre sélective avec un traitement spécifique destiné à gagner un maximum d'énergie sans en perdre par émissivité : c'est l'absorbeur. En fond de coffre se trouve un isolant thermique . Le tout est placé sous une vitre. « Les capteurs ventilés, pourvus d'orifices permettant d'évacuer la buée qui se crée le matin, représentent 90 à 95 % du marché des capteurs plans en France, souligne Joseph Colantuono, directeur produits chauffage de Buderus, car ils présentent un excellent rapport qualité/prix. Ceux que nous proposons sont constitués de fibre de verre renforcé. Les capteurs étanches contiennent un gaz rare, en l'occurrence de l'argon pour nos produits, entre la vitre et l'absorbeur pour améliorer la transmission du rayonnement, diminuer les pertes par convection et éviter la condensation. Ils sont donc performants dès les premiers rayons du soleil. »
Les capteurs à tubes sous vide sont constitués de tubes transparents généralement en verre, comportant un espace vide d'air entre la paroi extérieure de chaque tube et son absorbeur. Le vide joue alors le rôle d'isolant. « Nous vendons davantage de capteurs sous vide tout simplement parce qu'ils sont plus performants, affirme Denise Dhenin, responsable communication de Frisquet. Et le prix n'est pas un problème pour nos clients. » Ils sont en effet plus chers, mais aussi plus efficaces car, du fait de leur circonférence, ils peuvent capter davantage de rayonnement solaire , sauf quand ils sont installés en façade. En outre, les tubes peuvent être orientés individuellement de plus ou moins 30°. Ces capteurs ont en revanche l'inconvénient de s'intégrer moins facilement en toiture. « Par ailleurs, à performance égale, les capteurs sous vide permettent une réduction de l'absorbeur d'un tiers par rapport aux plans, ajoute Jurgen Zeimet, chef produit solaire chez Chaffoteaux & Maury. On aura donc besoin de 3 m² de capteurs là où il en faudrait 4 avec des plans. »

Des nuances technologiques

Il existe plusieurs technologies de capteurs sous vide. Dans une première technologie, on trouve deux tubes concentriques. La face extérieure du tube intérieur est recouverte d'une surface sélective qui joue le rôle de l'absorbeur et transmet l'énergie à la grille hydraulique par un conducteur thermique . Une deuxième technologie comporte un seul tube en verre sous vide. « Il s'agit d'un seul tube fermé contenant un absorbeur plan revêtu d'une surface sélective transmettant l'énergie à la grille hydraulique », indique Franck Cheutin, chargé d'évaluation au CSTB. « L'absorbeur est une ailette en aluminium ou en cuivre. » La circulation hydraulique est dite soit en « direct flow » soit à caloduc. Si les capteurs sous vide « direct flow » ne présentent pas de contrainte d'inclinaison, ce n'est pas le cas pour la technologie des caloducs : il faut un minimum de 20°. En effet ces caloducs fonctionnent par gravité. Ils comprennent un évaporateur situé dans le tube sous vide et un condenseur au contact du collecteur. Le fluide dans le caloduc étant à faible pression le caloduc peut fonctionner à partir de températures comprises entre 30 et 40°. Quand la température est suffisante dans le tube (environ 35 °C), l'eau qui est en bas s'échauffe, s'évapore et monte vers le condenseur. Le fluide caloporteur passant sur le condenseur prélève les calories ainsi l'eau redevient liquide repartant vers l'évaporateur et le cycle thermodynamique continue. « En phase liquide, l'eau étant contenue dans un volume réduit, on s'approche d'une basse pression, précise Pierre Daras, de Sungeoget. La température de changement de phase étant alors abaissée, on a besoin d'une moindre température dans le tube pour obtenir ce fonctionnement : de l'ordre de 50 °C au lieu de 180 °C dans les autres capteurs sous vide. La température au condenseur sera alors entre 120 et 130 °C. »
Car si les capteurs sous vide sont appréciés en Europe du fait de leur capacité à monter en température, dans nos contrées, cela peut être un inconvénient. « Nos capteurs sont étudiés pour éviter ce problème, affirme Jurgen Zeimet (Chaffoteaux & Maury). Ils comportent un revêtement sélectif sur les deux faces, ce qui est intéressant car les méthodes de calcul ne prennent pas en compte l'énergie absorbée par en dessous. »

Pas de capteur sans système

Pour certains, les performances des capteurs plans et à tubes sous vide se valent. « Quand on regarde les produits du marché, on ne constate pas vraiment d'avantages techniques pour les tubes ! estime Pierre Philippe, responsable technique de Rotex pour la France. On voit juste un rendement du capteur en lui-même légèrement supérieur en hiver, mais qui ne se reflète pas sur l'année en globalité. Nous n'en proposons donc pas. »
D'autant que Rotex a cherché à augmenter les performances de ses capteurs en choisissant un système d'autovidange. « Le fluide qui entre dans le capteur est de l'eau du robinet, qui a une capacité calorifique supérieure de 20 à 30 % au glycol. Quand il n'est pas possible de récupérer l'énergie solaire , les pompes s'arrêtent et une vidange naturelle s'opère par gravitation. Mais pour que celle-ci s'opère bien, il faut une inclinaison d'au moins 2 % dans le capteur, du point bas au point haut du ballon. » Une technologie également adoptée par AO Smith, qui propose des modules « drainback » à monter directement sous les collecteurs de ses capteurs.
Si les technologies des capteurs en eux-mêmes évoluent peu, les industriels travaillent sur les durées de stockage, les revêtements ou encore sur une meilleure circulation du fluide. « Mais nous cherchons surtout à réaliser des économies d'échelle pour rendre ces systèmes moins chers et plus accessibles à la masse », commente Joseph Colantuono (Buderus). Une stratégie partagée par Chaffoteaux & Maury, qui lance une nouvelle gamme, de surface réduite, pour un prix environ 12 % inférieur à ses autres gammes. « On récupère un peu moins d'énergie, concède Jurgen Zeimet. Mais les autres éléments tels que la partie hydraulique, le ballon et la régulation jouent également largement. » Tous s'accordent en effet à dire que ce n'est pas parce qu'on dispose d'un capteur efficace que l'installation sera performante. Ils mettent donc davantage en avant leurs systèmes complets, appoint compris, que les capteurs seuls.

Paru dans Le Journal du Chauffage et du Sanitaire n° 165 du 01/10/2009

Le capteur plan produit du chauffage et de l’eau chaude sanitaire (ECS).
Le capteur plan produit du chauffage et de l’eau chaude sanitaire (ECS). - © © Clipsol
Deux technologies de thermosiphons

Outre les CESI à circulation forcée et les SSC, la famille des procédés solaires compte également les chauffe-eau solaires compacts à thermosiphon, à capteurs plans. Une première technologie consiste à faire entrer l'eau froide dans le ballon (situé à l'horizontale en haut du capteur). L'eau froide étant plus dense que l'eau chaude, celle-ci circule naturellement entre le bas du capteur et le ballon.
Pour cette technologie le domaine d'emploi de l'Avis Technique ne vise que les DOM-TOM. En effet, s'il gèle dehors, et comme les tubes sont de faible diamètre, il y a des risques de détérioration du capteur.
Une autre technologie de même principe consiste à utliser un ballon pourvu d'un échangeur afin d'utiliser un liquide caloporteur antigel.
Un autre produit devrait bientôt apparaître : un thermosiphon avec capteurs sous vide, déjà utilisé à la Réunion.

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