Petit compte rendu sur le chauffage solaire de l'air.

Le chauffage solaire de l’air est une technologie solaire thermale. Son objectif est de capturer l’énergie solaire à l’aide d’un matériau absorbant et de s’en servir pour chauffer l’air d’un bâtiment. Il s’agit d’une énergie renouvelable, et est d’ailleurs reconnue comme la plus rentable de toute la famille des énergies solaires. Elle est également avantageuse pour l’utilisateur car ses émissions de CO2 et de composés toxiques sont nulles.

                Le chauffage solaire de l’air ne se limite pour l’instant qu’au chauffage de confort, qu’il s’agisse aussi bien d’habitation de particuliers, de bâtiments industriels ou encore de locaux d’entreprises. La technologie actuelle ne peut pas encore répondre aux besoins énergétiques thermaux d’industries dont les activités nécessitent l’utilisation de très hautes températures ( au-dessus de 250°C ). Pourtant, cette technologie intéresse très fortement les industries de fonderie, par exemple, en raison de la réduction des coûts d’exploitation dont elle pourrait les faire bénéficier.

Mécanismes

Les matériaux absorbants utilisés par les installations de chauffage solaire de l’air sont généralement placés sur la face sud des bâtiments, afin de profiter d’une exposition maximale au soleil. L’énergie solaire est alors absorbée par le matériau collecteur choisi et le chauffe. Lorsque suffisamment de chaleur a été recueillie et qu’il y a demande de chauffage par l’utilisateur, un ventilateur est activé. La chaleur est alors redistribuée via un système de ventilation traditionnel, qui sert également à expulser l’air froid présent dans le bâtiment. 

 Source image : www.solarwall.com

Le schéma ci-dessus montre clairement qu’au moins une partie de la chaleur émise ne peut pas être perdue, du moins pour le produit de la société SolarWall qui ici sert d’exemple, puisque le mur sur lequel est placé la plaque absorbant les radiations solaires empêche toute sortie de chaleur.

L’air froid entre par le bas de la plaque absorbante. Cette partie n’est pas hermétique, et laisse donc l’air entrer afin de le pré-chauffer. Ce n’est pas le cas de la partie supérieure de la plaque, dont le rôle est de ne pas laisser l’air s’échapper. Cette partie est vernie, ou vitrée. C’est à ce niveau là que l’air est chauffé de façon plus importante, avant de remonter et de s’infiltrer dans le système de ventilation.

                Plusieurs options existent quant aux matériaux à utiliser afin de constituer la plaque absorbante qui sert de base au système de chauffage. Le plus utilisé est le fer. Cependant, des variations dans sa porosité sont observables. Plus le matériau choisi, qu’il s’agisse du fer ou non, est poreux, moins la rétention de chaleur par la plaque sera efficace. Ainsi, les matériaux les moins poreux seront privilégiés pour le chauffage de petits volumes, tandis que ceux plus compacts et plus poreux constitueront un meilleur choix pour chauffer des volumes plus importants. Plus les porosités sont importantes en nombre, plus la plaque se révèle absorbante. Plus le matériau choisi est compact, plus il retient la chaleur.

                Grands acteurs institutionnels européens.

                La Plateforme Européenne d’Energie Solaire Thermale ( European Solar Thermal Technology Plateform – ESTTP ) a publié récemment sa vision pour 2030 regardant l’énergie solaire thermale, en l’accompagnant notamment une feuille de route et un agenda de recherches. Cette plateforme est issue de la Fédération Européenne de l’Industrie Solaire Thermale ( European Solar Thermal Industry Federation – ESTIF ) et de l’Agence Européenne des Centres de Recherche sur l’Energie Renouvelable ( European Renewable Energy Research Centres Agency – EUREC Agency ).Toutes dépendent directement de l’Union Européenne La conclusion générale de ces publications est que, d’ici 2030, l’énergie solaire thermale pourra, et devra, être capable de répondre à 50% des besoins en termes de chaleur de l’Union Européenne. Afin de réaliser cet objectif, l’ESTTP encourage les recherches sur de nouveaux matériaux afin d’améliore la performance générale de la technologie solaire thermale en général, et tient donc compte du chauffage solaire de l’air, notamment en ce qui concerne les matériaux absorbeurs ( dits « solar collectors » ). Elle considère également qu’il est de prime importance de développer des solutions de stockage de l’énergie obtenue, afin d’en limiter le gaspillage de façon plus efficiente.

               

Domaines d’application

                Les systèmes de chauffage solaire de l’air pourraient constituer une technologie d’avenir en ce qui concerne les régions dont le climat est froid et dont la dépendance aux énergies fossiles est importante. En effet, il s’agit là d’une technologie permettant de réduire la consommation énergétique des bâtiments l’utilisant, dont les coûts d’utilisation et de maintenance sont réduits et dépendant d’une énergie renouvelable ne générant pas de coûts d’extraction. C’est la raison pour laquelle le marché chinois semble prêt à s’ouvrir à ce produit. En effet, la Chine a tout d’abord grand besoin de trouver une solution durable et propre à la pollution extrême de l’air dont ses grandes villes souffrent. Elle a également intérêt à réduire sa dépendance aux énergies fossiles, dont elle ne contrôle pas forcément les cours. Enfin, développer ses régions rurales, par exemple celles plus froides du nord de son territoire, en répondant aux besoins des populations concernées, notamment en termes de chauffage.

                Plus généralement, les systèmes de chauffage solaire de l’air peuvent être installés sur tout type de bâtiment, car ils ont la capacité de répondre indifféremment à leurs besoins. En effet, cette technologie peut être employée aussi bien pour chauffer de petits volumes, comme des habitations de particuliers, comme de plus grands, tels que les locaux d’entreprises ou encore les hangars. Toutefois, elle paraît pour le moment peu adaptée au chauffage de lieux plus grands, tels que certaines serres de l’industrie agro-alimentaire ou les lieux publics tels que les gares ou les aéroports. En effet, plus la surface à chauffer est importante, plus les capacités de chauffage sont limitées.

               

Améliorations possibles

                Les systèmes de chauffage solaire de l’air pourraient être encore plus efficients en termes de production d’énergie propre s’ils étaient couplés à des mesures de réduction des pertes énergétiques. En effet, les bâtiments non isolés tendent à perdre plus facilement la chaleur produite par les systèmes de chauffage, et sont donc plus énergivores. Il s’agirait alors d’accompagner les installations de chauffage de l’air d’une isolation suffisante, de façon à ce que les économies d’énergies soient encore plus importantes.

Il est apparu lors de simulations que l’efficacité des systèmes de chauffage solaire de l’air dépendait fortement de la variation des vents. En effet, plus la vélocité de l’air pénétrant dans le système est importante, moins la technologie est efficace. Son pouvoir chauffant se trouve réduit par des arrivées d’air trop importantes, car la chaleur disponible n’augmente pas alors que c’est le cas du volume à chauffer.  Il serait alors judicieux de mettre au point un système de régulation de vitesse d’entrée de l’air dans le conduit de ventilation, afin de non seulement limiter la sollicitation du ventilateur, mais également d’améliorer les rendements énergétiques de la technologie en permettant aux radiations solaires de déployer tout leur pouvoir. Ainsi, une réduction des coûts d’utilisation permettrait de la rendre encore plus attractive.

                 L’angle d’installation de la plaque de matériau absorbant est également important. En effet, la plupart des installations sont verticales, or cela ne serait pas la configuration optimale pour ce système. Une étude aurait prouvé que l’efficience du phénomène d’absorption augmenterait de 10% si l’angle d’inclinaison est de 65°.

                Si, comme nous l’avons vu précédemment, les technologies solaires thermales en général sont pour l’instant incapables de chauffer à plus de 250°C, il ne s’agit pas là, a priori, d’une amélioration concernant le chauffage solaire de l’air. Pourtant, il s’avère que l’industrie agro-alimentaire pourrait être intéressée par un développement dans ce sens de la technologie que nous étudions. Il s’agirait donc d’augmenter le pouvoir chauffant des installations actuelles, afin de pouvoir chauffer plus efficacement de grands espaces, tels que les serres. 

Sources:

Documents.

-          European Solar Thermal Technology Platform ( ESTTP ), Solar Heating and Cooling for a sustainable Energy Future in Europe, 2007, 121 pages.

                Articles.

-          GAO Liwin, BAI Hua, “Study of the application potential of Solarwall system in Northern China”, Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2009, pp.1-4.

-          RAI S., CHAND P., SHARMA S.P., “A packed bed solar air heating systems: performance analysis”, International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability ( ICEETS ), 2013, pp-602-606.

-          SHUHUI Xu, HAIGUANG Dong, WENFANG Li, JUN You, “Experimental investigation on the solar air collector for Northern China rural house”, International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2011, pp.2208-2211.

-          TIWARI P., KUMAR A., SARVIYA R.M., “ Thermal performance of packed bed solar air heater”, International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability ( ICEETS ), 2013, pp-438-442.

-          YAN Chen, WEIHUA Cui, JUN Wang, DESHENG Sun, “Experimental investigation into the performance of air source heat pump system for space heating and hot water production in cold region”, International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring, 2011, pp.731-734.

-          ZHONGJIAO Ma, JIALIN Song, JILI Zhang, JIN Yu, “Numerical simulation on air flow and heat transfer inside solarwall”, International Conference on Materials for Renewable Energy and Environment (ICMREE), 2013, Vol.2, pp.454-457.

Sitographie.

-          Site officiel du magazine CleanTech Republic : www.cleantechrepublic.com (Consulté le 14/12/2014).

-          Site officiel du cluster Eco-Energies Rhône-Alpes : www.ecoenergies-cluster.fr (Consulté le 14/12/2014).

-          Site officiel de la société O’Thermie : www.othermie.fr (Consulté le 14/12/2014).

-          Site officiel de la société Solarwall : www.solarwall.com (Consulté le 14/12/2014).