État de l'art du Chauffage Solaire Aérothermique

Il est ici présenté l'état de l'art du Chauffage Solaire Aérothermique.

L'invention du chauffage solaire remonte à 1881 lorsque E. S. Morse a breveté le concept en proposant un dispositif similaire où l'une vitre permit de créer un effet de serre et d'accumuler la chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à de l'air en mouvement, prélevé dans la maison (ou à l'extérieur) et réinjecté ensuite dans la maison.

La figure ci-dessous présente le dispositif dans 3 configurations¹⁾ :

• A gauche : Air prélevé à l'extérieur et réinjecté dans l'habitat
• Au centre : Air prélevé et reinjecté dans l'habitat
• A droite : Mode ventilation, air prélevé dans l'habitat et expulsé à l'extérieur

Jean-Luc Perrier est un professeur, inventeur et scientifique français qui travailla sur la voiture à l'hydrogène, les concentrateurs solaires et les chauffages solaire thermique. En 1979, il installe ces chauffages solaire sur sa maison de Villévêque (Maine-et-Loire) dont la photo ci-dessous est issue de son livre Énergie solaire – État actuel des applications. Malheureusement, il décède en 1981, à l'âge de 36 ans dans un accident de la route.

Thomas Letz et Monique Lallemand ont réalisé un article scientifique nommé Étude théorique et expérimentale d'un capteur solaire plan à air en régime dynamique²⁾. Cet article publié en 1986 est issu des travaux de l'INSA de Lyon et du Laboratoire d'Energétique et d'Automatique situé à Villeurbanne. L'article fait suite à une thèse de doctorat réalisé auparavant ³⁾. À ce jour, ce sont les seuls travaux qui donnent des estimations des performances de ce type de chauffage.

Dans cet article, le capteur comporte deux canaux d'air circulant derrière l'absorbeur. Différents essais ont été réalisés en milieux naturels et en milieux artificiels. Les mesures ont pu être réalisées pour différentes conditions de fonctionnement (température d'entrée de l'air, variation du flux solaire, vitesse du vent). Il est également présenté des calculs numériques obtenus avec un code développé durant la thèse. Le détail des équations du code instationnaire 1D est présenté.

La surface du capteur utilisé semble être de 0,4 m². Les rendements sont variables en fonction des conditions d'essais et évoluent dans une plage comprise entre 23 et 60%.

L'auteur conclue que ce type de capteurs a une inertie relativement importante qui entraîne une faible valeur du rendement en début de journée, et une valeur plus élevée en fin de journée. D'autre part, il souligne que le débit d'air dans le capteur et la température d'entrée ont une grande influence sur le rendement tandis que l'inclinaison du capteur et l'éclairement influent peu.

Inspiré des travaux de Jean-Luc Perrier, Guy Isabel a écrit en 2012 le livre Les Capteurs solaire à air⁴⁾.

Ce livre contient une introduction sur l'énergie solaire, un tutoriel de construction du capteur, un référencement de différents fournisseurs de matériaux et des tutoriels pour l'électronique du capteur. Il détaille l'installation d'un système de ventilation et son contrôle numérique qui vise à améliorer l'efficacité de l'échange thermique.

Ces travaux s'inscrivent également dans les réflexions menés avec l'association APPER Solaire qui aide les auto-constructeurs ou auto-installateurs dans leurs chantiers et dans leurs projets de chauffage solaire et/ou d'eau chaude solaire (dimensionnement, conseils, suivi d'installations, groupement d'achat de matériels solaires, forums …).

Le LowTech Lab propose un tutoriel sur son Wiki afin de construire le capteur solaire à air présenté ci-dessous :

Pierre-Alain Levêque et Clément Chabot ont intégré leur prototype au sein d'une Tiny House utilisé pour un habitat pilote expérimental considéré dans un projet subventionné par l'ADEME. Le Low-Tech Lab estime à 200 euros le prix du capteur. Pour autant, des auto-constructeurs estiment à 500 euros le même modèle et l'expérience d'Enerlog indique un coût des matériaux proches de 550€.