Chauffer sa piscine grâce aux panneaux solaires, astucieux et pratique

Ce qui suit est un article très complet sur un système de chauffage solaire de piscine bricolé situé en Toscane, en Italie. Il a été conçu et mis en place par Ken Gordon, d’Écosse. Toute demande de renseignements peut être adressée à Ken à l’adresse suivante

Merci beaucoup d’avoir rédigé cet excellent rapport et de l’avoir mis à la disposition de tous.

Résultats (extraits des emails)

Le résultat a été un succès exceptionnel ; la température de l’eau à notre arrivée était de 19°C le 1er juin. Il a fallu deux jours pour installer les capteurs, et aujourd’hui, nos amis nous ont rapporté que la température de la piscine est maintenant de 28°C et en augmentation – une amélioration agréable ! A midi aujourd’hui, avec une température ambiante de 34°C à l’ombre, le gain solaire était de 13,5 kW !

Introduction


Ce système de chauffage solaire a été installé au début du mois de juin sur une piscine à Barga, dans le nord de la Toscane. Les panneaux solaires ont été fabriqués à partir de tuyaux et de raccords standard en polyéthylène ordinaire et montés sur des cadres en contreplaqué et en bois. Le coût total du projet (hors main-d’œuvre) était de l’ordre d’un dixième d’un système commercial de taille similaire.

L’article suivant décrit comment le projet a été conçu et assemblé.

Photo 1 – La piscine à Barga, en Toscane

Conception du panneau

La première étape a consisté à concevoir un panneau solaire simple, en utilisant des matériaux facilement disponibles. Au Royaume-Uni, les feuilles de contreplaqué se présentent sous la forme de plaques de 8 pieds x 4 pieds (bien que ces dimensions soient désormais métriques, soit 2,4 m x 1,2 m). Pour que le panneau soit suffisamment léger pour être transporté, nous avons utilisé du contreplaqué de 5 mm d’épaisseur. La feuille a été coupée en deux parties égales, chacune donnant un carré de 1,2 m x 1,2 m. Le carré a été rigidifié par des goupilles. La rigidité du carré a été assurée par le clouage et le collage d’un cadre autour du bord de chaque carré. Le cadre était fait de bois de pin dressé (lisse) de 1½ » x ¾ » (40mm x 20mm). (Voir photo 2).

Photo 2 – Construction simple de panneaux en contreplaqué

Le cadre constituait un support de base pour le tuyau qui était enroulé au centre en spirale (comme une roue Katherine). La feuille de 4 pieds x 4 pieds acceptait environ 60 m de tuyau.

Le tuyau choisi était un polyéthylène basse densité de 16 mm (½ »), de couleur noire. Le tuyau a été maintenu en place sur la planche en épinglant et en collant une pièce transversale sur la tuyauterie dans le cadre. Pour ce faire, on a de nouveau utilisé du bois de taille 40 mm x 20 mm coupé de manière à former deux joints de « boîtier » emboîtés (voir photo 4) au centre. Une courte longueur de bois de 40 mm x 20 mm a été épinglée et collée au centre de la planche pour la soutenir et la renforcer. La planche et la traverse ont été fabriquées séparément, puis teintées d’une couleur sombre pour protéger le bois et aider à absorber la chaleur. De la peinture noire mate aurait également pu être utilisée. Une fois que la peinture a été entièrement appliquée (j’ai utilisé 3 couches) et qu’elle est sèche, le tuyau a été enroulé sur le cadre et enfin la pièce transversale a été collée et épinglée en place. C’était peut-être la partie la plus difficile qui nécessite au moins deux personnes pour maintenir le tuyau en place jusqu’à ce que la pièce transversale puisse être fixée.

Photo 3 – Ligne de production de panneaux solaires dans un jardin en Ecosse
Photo 4 – Premier panneau solaire terminé
Figure 1 – Courbe de pompe STA-RITE

Le premier panneau terminé, nous avons procédé à quelques essais pour évaluer ses performances. Heureusement pour nous, c’était une journée exceptionnellement chaude dans le nord de l’Ecosse et en début d’après-midi, la température avait atteint 19°C à l’ombre.

Nous avons fait couler de l’eau froide dans le panneau à un débit de 8,7 litres/min (6,9 secondes pour remplir un récipient d’un litre). La température de l’eau à l’entrée du panneau était de 14,1°C et à la sortie de 15,4°C, ce qui nous a donné une augmentation de température de 1,3°C et beaucoup d’inspiration.

Connaissant le débit et l’augmentation de température, nous étions maintenant en mesure de calculer le gain de chaleur (ou la puissance) du panneau.

La formule est la suivante

Q = M x S x ΔT

  • Q = Chaleur (Joules)
  • M = Masse de l’eau (grammes)
  • S = Chaleur spécifique de l’eau (4,186 J/g°C)
  • ΔT= Changement de température (température de sortie moins température d’entrée)

Mais cela ne donne que le transfert de chaleur pour un champ de panneaux avec de l’eau au repos ; lorsque le panneau est utilisé, l’eau est constamment remplacée à mesure qu’elle s’écoule, nous obtenons donc

Qs (= Q/seconde) = Ms (M par seconde) x S x ΔT

  • Qs = Chaleur par seconde = Puissance (Watts)
  • Ms = Masse d’eau s’écoulant par seconde
  • S = Chaleur spécifique de l’eau (4,186 J/g°C)
  • ΔT = Changement de température (°C)

Ainsi, pour notre panneau, nous avons

  • Ms = 8,7 litres/min = 8,7 kg/min = 0,145 kg/seconde
  • S = 4,186 J/g°C
  • ΔT= 1.3°C

Par conséquent,

Chaque panneau peut donc potentiellement générer 0,789 kW d’électricité, même dans le nord de l’Écosse ! L’étape suivante consiste à estimer la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer la piscine. Il a été décidé de simplifier ce calcul en ignorant les pertes de chaleur de l’eau pendant la nuit. Cela pourrait être mesuré ultérieurement, et si une couverture de piscine était nécessaire, elle serait achetée.

Ed. Les tests ci-dessus montrent que ces capteurs solaires bricolés ont un rendement d’environ 80 %, soit le même que celui des capteurs plats en caoutchouc fabriqués. Le raisonnement est le suivant. Le diamètre extérieur du panneau rond en spirale est de 4 pieds, soit 1,2 mètre, ce qui donne un rayon de 0,6 mètre. L’aire d’un cercle est égale à pi x rayon au carré, le panneau fait donc 3,14 x 0,6 x 0,6 = 1,13 mètre carré, soit un peu plus d’un mètre carré. Au niveau de la mer, la quantité de lumière solaire est de 1000 watts par mètre carré. Cela signifie qu’au moment de la mesure, le capteur recevait environ 1 000 watts du soleil et ne produisait que 789 watts. Le rendement est donc de 789 watts / 1000 watts = 78,9%.

Les dimensions de la piscine étaient de 8m x 4m avec une profondeur d’eau de 1,4m, ce qui donne un volume d’eau total de 8 x 4 x 1,4 = 44,8m3. La pompe installée sur la piscine était une STA-RITE 5PZRC1. La pression de fonctionnement de la pompe était de 1,0 bar (10m) pendant la recirculation normale à travers le filtre à sable. En se référant à la courbe de la pompe (Figure 1), on constate que le débit à cette pression est d’un peu plus de 7m3/hr (117 lit/min).

Photo 5 – Illustration du raccordement de la tuyauterie entre la pompe, la chambre de filtration et les panneaux solaires.

Chaque panneau peut donc potentiellement générer 0,789 kW d’électricité, même dans le nord de l’Écosse ! L’étape suivante consiste à estimer la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer la piscine. Il a été décidé de simplifier ce calcul en ignorant les pertes de chaleur de l’eau pendant la nuit. Cela pourrait être mesuré ultérieurement, et si une couverture de piscine était nécessaire, elle serait achetée.

Ed. Les tests ci-dessus montrent que ces capteurs solaires bricolés ont un rendement d’environ 80 %, soit le même que celui des capteurs plats en caoutchouc fabriqués. Le raisonnement est le suivant. Le diamètre extérieur du panneau rond en spirale est de 4 pieds, soit 1,2 mètre, ce qui donne un rayon de 0,6 mètre. L’aire d’un cercle est égale à pi x rayon au carré, le panneau fait donc 3,14 x 0,6 x 0,6 = 1,13 mètre carré, soit un peu plus d’un mètre carré. Au niveau de la mer, la quantité de lumière solaire est de 1000 watts par mètre carré. Cela signifie qu’au moment de la mesure, le capteur recevait environ 1 000 watts du soleil et ne produisait que 789 watts. Le rendement est donc de 789 watts / 1000 watts = 78,9%.

Les dimensions de la piscine étaient de 8m x 4m avec une profondeur d’eau de 1,4m, ce qui donne un volume d’eau total de 8 x 4 x 1,4 = 44,8m3. La pompe installée sur la piscine était une STA-RITE 5PZRC1. La pression de fonctionnement de la pompe était de 1,0 bar (10m) pendant la recirculation normale à travers le filtre à sable. En se référant à la courbe de la pompe (Figure 1), on constate que le débit à cette pression est d’un peu plus de 7m3/hr (117 lit/min).

Qs = Ms x S x ΔT

Par conséquent,

Il a été calculé ci-dessus que l’eau de la piscine est recirculée une fois toutes les 6,4 heures, donc si nous supposons que cela se produit deux fois pendant la période où la chaleur est disponible, l’augmentation de température serait de 0,094°C x 2 = 0,188°C par panneau. Nous recherchons une augmentation de température d’au moins 1°C/jour, donc pour atteindre cet objectif, nous avons besoin de 6 panneaux, soit

6 x 0,188 = 1,128°C

La production de chaleur de 6 panneaux est de 0,768 x 6 = 4,608kW, ce qui est proche de la capacité de chauffage recommandée généralement acceptée pour une piscine de cette taille.

Les panneaux ont été disposés côte à côte, orientés plein sud et inclinés à un angle d’environ 45° par rapport à l’horizontale, afin de maximiser le gain solaire.

Nous avons eu la chance que la piscine que nous avons choisie en Toscane soit construite sur une terrasse, avec la pompe et le filtre de la piscine situés sur la terrasse suivante, en contrebas, avec une pente de 45° entre les deux, orientée plein sud. Un emplacement parfait pour nos panneaux.

Ndlr. Cliquez ici pour obtenir une feuille de calcul de dimensionnement des capteurs de chauffe-piscine solaire que vous pouvez utiliser et qui a été réalisée sur la base des formules ci-dessus.

Conception du système

Une fois que nous avons établi que les panneaux devaient être construits à l’aide de tuyaux MDPE de 16 mm et qu’il y aurait 6 panneaux raccordés en parallèle, le reste a été relativement simple.

La tuyauterie et les raccords ont été conçus pour fournir une friction minimale afin de garantir que la circulation dans la piscine ne soit pas compromise. Nous avons eu la chance de pouvoir installer les panneaux à moins de 15 mètres du filtre et de la pompe de la piscine (photo 5).

La tuyauterie existante dans la pompe et la chambre de filtration était de 1½ », nous avons donc décidé que pour réduire au maximum les frottements supplémentaires sur les tuyaux, nous utiliserions la même taille de tuyau. L’équivalent en MDPE est de 50 mm (qui est un diamètre extérieur, avec un diamètre intérieur nominal de 38 mm). Ceci a été utilisé comme système de distribution latéral montré dans les photos avant installation (photo 6) et après installation (photo 7).

Photo 6 – Disposition des raccords de tuyauterie en PVC avant l’installation
Photo 7 – The assembled panels
Photo 8 – Détails du raccordement de la tuyauterie au panneau

En outre, il a été décidé qu’il serait nécessaire d’équiper le système de vannes permettant d’allumer et d’éteindre les panneaux solaires afin que l’eau puisse circuler :

  • directement dans la piscine
  • à travers les panneaux solaires
  • dirigée en partie vers la piscine et en partie vers les panneaux

Cela permet une flexibilité totale. La méthode de tuyauterie est illustrée sur la photo 9.

Photo 9 – Configuration des vannes montrant l’alimentation, le retour et la dérivation du panneau solaire.

Comme il s’agissait d’une installation expérimentale, nous avons également installé des vannes d’isolement sur chaque panneau, ainsi que deux autres petites vannes afin de pouvoir mesurer les températures à l’entrée et à la sortie des panneaux (Photo 10 ).

Photo 10 - Détail des raccordements permettant l'insertion d'un thermomètre numérique dans le circuit d'alimentation et de retour de l'eau.
Photo 10 – Détail des raccordements permettant l’insertion d’un thermomètre numérique dans le circuit d’alimentation et de retour de l’eau.

Les deux vannes de mesure de la température se sont avérées extrêmement utiles pour décider comment faire fonctionner le système pour une meilleure efficacité, mais à long terme, elles ne seront peut-être pas aussi nécessaires.

La figure 2 montre un schéma général du système, qui rassemble les principales pièces en un seul endroit et montre le débit d’eau. Notez qu’il est possible de faire passer une partie, la totalité ou aucune partie de l’eau par la vanne de dérivation (voir les deux sections qui commencent à la figure 2).

Figure 2 - Schéma général du système
Figure 2 – Schéma général du système

Résultats de l’opération


Les résultats ont été remarquables : la température de l’eau de la piscine est passée de 19°C le 1er juin à 29°C le 14 juin.

Cela équivaut à une augmentation de la température de 10°C en 14 jours, soit 0,714°C/jour. Ce chiffre est légèrement inférieur au chiffre théorique de 1,28°C car l’augmentation a eu lieu au début de l’été et aucune couverture de piscine n’a été utilisée, donc des pertes sont à prévoir.

Photo 11 - L'installation terminée montrant les tuyaux d'alimentation et de retour des panneaux solaires.
Photo 11 – L’installation terminée montrant les tuyaux d’alimentation et de retour des panneaux solaires.

Conclusion


Les panneaux étaient simples à construire, faciles à installer, peu coûteux et se sont avérés être un succès remarquable grâce à l’application de bons principes d’ingénierie.

Toutes les pièces nécessaires à la fabrication de ces panneaux solaires à bas prix sont facilement disponibles. La baignade en plein air au début du mois de juin à Barga est désormais un plaisir pour tous, et pas seulement pour les spartiates.

Calculs d’efficacité

Les tests de Ken ci-dessus montrent que ces capteurs solaires bricolés ont un rendement d’environ 80 %, soit le même que celui des capteurs plats en caoutchouc fabriqués. Le diamètre extérieur du panneau rond en spirale est de 4 pieds, soit 1,2 mètre, ce qui donne un rayon de 0,6 mètre. L’aire d’un cercle est égale à pi x rayon au carré, de sorte que son panneau faisait 3,14 x 0,6 x 0,6 = 1,13 mètre carré, soit un peu plus d’un mètre carré. Au niveau de la mer, la quantité de lumière solaire est de 1000 watts par mètre carré. Cela signifie que le capteur de Ken, lorsqu’il a effectué la mesure, recevait environ 1 000 watts du soleil et ne produisait que 789 watts. Le rendement est donc de 789 watts / 1000 watts = 78,9 %.


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