Le chauffage solaire de l'eau thermale est une chose capricieuse. L'eau pèse beaucoup, elle se dilate lorsqu'elle gèle et elle peut endommager les tuyaux par l'entartrage lorsqu'elle bout. Les systèmes solaires thermiques sont merveilleusement efficaces, et certains systèmes fonctionnent très bien pendant des décennies, mais même ceux-ci nécessitent une inspection régulière. Lorsqu'un système solaire thermique tombe en panne, cependant, il commence à se détruire, et il est clair depuis un certain temps que le chauffage solaire de l'eau thermique n'est pas la voie de l'avenir, sauf pour une utilisation de chaleur très bas de gamme, comme les piscines.
Depuis longtemps maintenant, la sagesse a été que l'avantage d'efficacité relative de la technologie thermique solaire pour le chauffage de l'eau l'emporte sur la commodité du chauffage de l'eau électrique. La capacité du solaire thermique à collecter plus d'énergie par pied carré signifie qu'un système électrique solaire alimentant à lui seul un chauffe-eau électrique conventionnel ne concurrencera jamais un système solaire thermique.
Récemment, cependant, les réductions des coûts de l'électricité solaire (PV) et la maturation de la technologie des pompes à chaleur air-eau ont fourni un nouveau modèle : le chauffage de l'eau par pompe à chaleur solaire-électrique (HPWH). HPWH présente moins d'inconvénients que le solaire thermique, avec un prix inférieur pour les applications résidentielles.
Les informations ci-dessous supposent l'utilisation d'un chauffe-eau à pompe à chaleur avec un facteur d'efficacité (FE de 2,5) et une puissance nominale de 1 800 kWh par an, avec 1 à 1,3 kW de PV raccordé au réseau ajouté à l'installation ou au système existant dans une région où le Le PV produit au moins 1 400 kWh/kW/an.
Avantages photovoltaïques
Coût initial inférieur : étant donné que les systèmes ouverts à moindre coût se sont avérés inadaptés au chauffage de l'eau domestique, le coût installée. Le prix moyen d'un tel système, conçu pour une famille de quatre personnes, se situe entre 7 000 $ et 10 000 $ avant incitations. Le chauffe-eau à pompe à chaleur alimenté par PV coûtera entre 1 000 $ et 2 000 $ pour la pompe à chaleur plus la main-d'œuvre et entre 3 500 $ et 6 000 $ pour le PV supplémentaire (à un système connecté au réseau existant), donc un coût total installé entre 5 000 $ et 8 500 $ avant incitations .
Plus facile à installer : il est beaucoup plus facile de remplacer un chauffe-eau par un autre réservoir unique et d'ajouter trois à cinq modules supplémentaires à un système photovoltaïque que de remplacer un seul réservoir par deux réservoirs et de raccorder un fluide caloporteur à de lourds panneaux de toit qui doivent être testés sous pression et chargés après l'installation. Cela réduit les risques d'erreur d'installation.
Utilise moins d'espace : Pour éviter que le système solaire thermique ne concurrence la source de secours (qui limite la fraction solaire à environ 60 %), deux ballons sont nécessaires : un pour le secours et un pour le solaire. Il est possible de gagner de la place, à grands frais, avec l'utilisation d'un chauffe-eau sans réservoir tant que le chauffe-eau sans réservoir peut moduler le flux de chaleur jusqu'à un point très bas tout en étant capable de répondre également à une demande maximale.
Ne nécessite aucun entretien : Le talon d'Achille du solaire thermique est que si le système cesse de fonctionner, il ne se contente pas de produire de l'énergie : il s'autodétruit. Sans écoulement, les panneaux peuvent geler ou stagner et surchauffer (voir ci-dessous). Le contrôleur différentiel électronique et la ou les pompes de circulation doivent être inspectés chaque année pour s'assurer qu'ils fonctionnent correctement et qu'aucun tartre ou corrosion n'a commencé à entraîner une défaillance du système. La tuyauterie doit également être vérifiée, en particulier les systèmes de drainage dans les bâtiments plus anciens qui peuvent se déposer avec le temps et piéger le fluide dans les conduites. Ces inspections annuelles doivent être effectuées par un professionnel et coûteront la moitié des économies de gaz annuelles.
Ne peut pas geler : étant donné qu'un panneau solaire thermique peut geler à des températures aussi élevées que 42 °F, une protection contre le gel est requise sur tout le continent américain pour les systèmes solaires thermiques. À l'exception des systèmes de drainage, les systèmes de protection contre le gel sont « actifs ». Cela signifie qu'ils nécessitent un appareil pour fonctionner en réponse à une basse température. En conséquence, et étant donné qu'ils sont rarement nécessaires pour fonctionner, les défaillances de la protection contre le gel sont à la fois courantes et catastrophiques, entraînant des milliers de dollars de dommages au réseau de capteurs.
Ne peut pas surchauffer : La surchauffe est un problème souvent négligé avec les systèmes solaires thermiques. Il y a environ deux fois plus d'énergie solaire livrée en juillet qu'en janvier. Ainsi, tout système qui fera une différence significative dans le coût de l'eau chaude en janvier sera surperformant en juillet. Il en résulte des périodes de stagnation où il n'y a pas d'utilisation de la chaleur solaire et aucun flux à travers le(s) panneau(x). Dans ces conditions, les panneaux chaufferont à environ 400 °F à l'intérieur. Cela peut entraîner des dommages et accélérer la détérioration des pièces du collecteur. Il existe des systèmes de radiateurs qui ont été ajoutés aux panneaux pour atténuer cet effet, mais il n'y a pas de données solides sur la quantité de radiateur nécessaire pour refroidir un collecteur stagnant par une journée chaude.
Aucune accumulation de tartre : le tartre est l'ennemi n°1 des chauffe-eau de tout type. La chaleur fait précipiter les solides dissous de l'eau où ils s'accumulent sur la surface chaude. Même avec l'utilisation d'un fluide de transfert du côté du collecteur, le tartre peut être un problème avec l'échangeur de chaleur en obstruant les tubes dans lesquels l'eau s'écoule pour gagner de la chaleur. Les températures plus basses utilisées pour chauffer l'eau avec une pompe à chaleur réduisent la tendance à l'accumulation de tartre dans le réservoir.
100 % de fraction solaire atteignable : en raison des aléas climatiques et de l'impossibilité de stocker de grands volumes d'eau chaude, aucun système solaire thermique offrant une fiabilité à 100 % ne peut avoir une fraction solaire de 100 %. Les systèmes les mieux notés selon le protocole SRCC OG300 ont une fraction solaire de 90 %. L'utilisation de panneaux photovoltaïques liés au réseau comme source solaire pour le chauffe-eau à pompe à chaleur permet au système de « stocker » l'électricité dans le réseau pour une utilisation jusqu'à un an plus tard. La comparaison de prix ci-dessus est basée sur un système thermique avec une fraction solaire de 80 pour cent contre un décalage de 100 pour cent PV pour le chauffage de l'eau.
Gestion de la demande du réseau : bien que le chauffage de l'eau par pompe à chaleur ajoute une charge au réseau lorsqu'il est utilisé pour remplacer une unité au gaz ou au propane, le PV ajoute de l'électricité au réseau pendant les heures de pointe où il est le plus susceptible d'être nécessaire par la communauté. La plupart de l'eau chaude domestique est utilisée tôt le matin et le soir lorsque la demande d'électricité à l'échelle de la communauté est moindre. Si le service public choisit d'utiliser cet avantage, il pourrait également ajouter la possibilité de surchauffer le chauffe-eau via le compteur intelligent lorsqu'un excès d'électricité est disponible sur le réseau. Utilisé en conduction avec un mitigeur pour protéger la maison de l'eau bouillante, il « accumule » efficacement l'eau chaude et peut retarder le démarrage de la pompe à chaleur.
Aucune émission de CO2 : Toute utilisation de gaz naturel ou de propane, qu'elle soit efficace ou bon marché, entraîne l'ajout de CO2 dans l'atmosphère, qui est le principal facteur de risque auquel est confrontée la civilisation aujourd'hui. Un chauffe-eau à pompe à chaleur alimenté à 100 % (ou compensé) par le PV ne contribue pas à ce problème.
Désavantages
Efficacité nette du réseau par rapport à l'utilisation directe de gaz : La présomption standard lorsque l'on compare l'utilisation de gaz à l'utilisation d'électricité est que, après avoir pris en compte les pertes de conversion et de transmission, il faut trois unités d'énergie fossile (gaz, pétrole, charbon) pour fournir une unité de l'énergie électrique. D'où la justification selon laquelle si le gaz peut être livré au point d'utilisation, il est plus efficace d'utiliser le gaz que d'utiliser l'électricité. Étant donné que la plupart des chauffe-eau à combustible fossile n'ont qu'environ 60 % d'efficacité, cet effet est moitié moins aussi important qu'il y paraît. De plus, les chauffe-eau à combustible fossile ne tirent pas parti des normes de portefeuille d'énergies renouvelables qui réduisent davantage le rapport entre le gaz utilisé et l'électricité livrée.
Air chaud requis : L'efficacité du chauffe-eau à pompe à chaleur dépend de la source de chaleur disponible qui est généralement l'air dans l'espace dans lequel le chauffe-eau est placé. Installé dans des espaces non chauffés dans des climats tempérés, cela ne pose aucun problème. Cependant, si l'espace du chauffe-eau est chauffé ou descend en dessous de 55º-60ºF une grande partie de l'année, l'élément de secours sera nécessaire et l'efficacité en souffrira. A l'inverse, le chauffe-eau thermodynamique va refroidir et déshumidifier l'espace dans lequel il se trouve. Cela peut être une caractéristique souhaitable.
Plus récent sur le marché : Bien que le chauffage de l'eau par pompe à chaleur air-eau n'utilise que des concepts éprouvés, le HPWH domestique n'a eu qu'une vingtaine d'années de développement sur le marché de la consommation : assez longtemps pour être confiant dans son efficacité et sa facilité, mais pas assez longtemps pour être répandu. Bien qu'il existe environ cinq cents modèles solaires thermiques et six cents chauffe-eau sans réservoir (« instantanés ») reconnus par le système Energy Star du DOE, il n'existe actuellement que 23 modèles HPWH reconnus.
Pour ce qu'elle était, la technologie solaire thermique représentait une amélioration. Il a encore quelques applications légitimes, même. Cependant, le chauffage solaire de l'eau domestique comporte tellement d'inconvénients inutiles qu'il est clair que l'avenir se trouve dans une autre direction. Le solaire photovoltaïque est une source très efficace pour un système de chauffe-eau par pompe à chaleur. Bientôt, ces pompes à chaleur eau-eau seront peut-être disponibles sur le marché, mais les systèmes air-eau d'aujourd'hui sont le choix optimal pour de nombreux ménages, selon le climat et la configuration.
