Annexe A (informative) Méthode de dimensionnement d'un vase d'expansion solaire à pression variable
A.1 Généralités
Le vase d'expansion solaire a pour but de compenser les variations de pression dans le circuit hydraulique de captage.
La norme prNF EN 12977-1 précise que le dispositif d'expansion de la boucle de captage doit être dimensionné de telle sorte que, même après une interruption de l'alimentation électrique de la pompe de boucle lorsque l'éclairement énergétique solaire est maximal, le fonctionnement puisse reprendre automatiquement après rétablissement de l'alimentation et remplissage de l'absorbeur de liquide, c'est-à-dire après que la vapeur se soit condensée.
A.2 Méthode de calcul
A.2.1 Données
Afin de déterminer le vase d'expansion, il convient de disposer des données suivantes :
La capacité en eau du circuit hydraulique sur lequel il doit être positionné (Vcircuit) ainsi que le volume de fluide des capteurs (Vcapteur) ;
La température la plus basse atteinte dans le circuit hydraulique dans des conditions normales de fonctionnement ;
La température la plus élevée atteinte sur le circuit hydraulique dans des conditions normales de fonctionnement ;
Le coefficient d'expansion du liquide caloporteur circulant dans le circuit hydraulique lorsque la température du liquide passe de la température la plus basse à la température la plus élevée (Cexp) ;
-
La hauteur statique de l'installation au dessus du vase (Hs) ;
NOTEElle correspond à la hauteur de l'installation entre le raccord du vase et le point le plus haut du circuit. Elle est mesurée en mètre de colonne d'eau (1 mCE = 0,1 bar).
La pression de tarage de la soupape de sécurité (Ps) [bar].
Les soupapes de sécurité doivent être réglées à une pression (pression de tarage) de telle manière qu'aucun point de l'installation ne puisse être soumis à une pression supérieure à la pression maximale admissible.
A.2.2 Calculs
A.2.2.1 Volume d'expansion Vexp
Le volume d'expansion Vexp correspond au volume généré par la dilation du liquide caloporteur lorsque sa température augmente. Ce volume devra être absorbé par le vase d'expansion. Il est déterminé de la manière suivante :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_1.png)
Avec :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_2.png)
ρmin est la masse volumique du liquide caloporteur à la température minimale atteinte dans le circuit hydraulique dans des conditions normales de fonctionnement ;
ρmax est masse volumique du liquide caloporteur à la température maximale atteinte dans le circuit hydraulique dans des conditions normales de fonctionnement.
Ces données dépendent du type de fluide antigel et de sa concentration en glycol.
A.2.2.2 Réserve de liquide caloporteur Vréserve
Le vase d'expansion ne sert pas seulement à absorber la dilation générée par le réchauffement du liquide caloporteur mais également à stocker une quantité d'eau servant à compenser les pertes dues aux fuites du circuit hydraulique sur une certaine période de temps. En maintenant une quantité minimale d'eau dans le vase d'expansion, on évite que le circuit, lorsqu'il atteint ses températures les plus basses, entre en dépression par rapport à son environnement extérieur et laisse pénétrer de l'air (un circuit hydraulique est étanche à l'eau mais pas à l'air).
Ainsi, une réserve de liquide caloporteur est ajoutée au volume d'expansion.
Elle est fixée à 0,5 % de la capacité en eau du circuit hydraulique (Vcircuit), sans toutefois être inférieure à 3 litres :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_3.png)
A.2.2.3 Volume net Vn
Le volume net correspond à la quantité minimale de liquide caloporteur que le vase d'expansion doit être en mesure de recevoir, soit :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_4.png)
A.2.2.4 Pression de gonflage du vase Pg
La pression de gonflage est la pression régnant dans le vase d'expansion qui ne contient pas encore d'eau, avant qu'il ne soit raccordé par exemple.
Cette pression est choisie égale à :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_5.png)
avec un minimum de 0,5 bar.
Où Pvap correspond à la pression de vaporisation du fluide à la température maximale de fonctionnement.
En outre, il convient de vérifier, notamment pour les constructions basses (sans dénivelé important) :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_6.png)
avec :
NSPH pression d'aspiration nette du circulateur précisée par le fabricant [bar] (1 bar = 10 mCE = 100 000 Pa) ;
Hv-c hauteur entre le point de raccordement du vase d'expansion et la pompe [m] ;
Δ Pv-c pertes de charge engendrées entre le point de raccordement du vase d'expansion et le circulateur [bar].
Cette condition permet de s'assurer qu'à l'aspiration du circulateur règnera une pression suffisante pour éviter toute cavitation source de bruit et nuisible au bon fonctionnement du circulateur.
A.2.2.5 Pression finale Pf
La pression finale est la pression que l'on ne peut dépasser en tout point de l'installation en fonctionnement.
Lorsque le fluide caloporteur sera complètement dilaté (à la température la plus élevée atteinte sur le circuit hydraulique dans des conditions normales de fonctionnement), la pression en tout point du circuit doit être inférieure à la pression de tarage des soupapes de sécurité pour éviter leur ouverture intempestive.
Afin de respecter cette règle, il convient donc de fixer Pf suivant la formule suivante :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_7.png)
A.2.2.6 Volume minimum du vase d'expansion à installer
Le volume du vase d'expansion choisi doit être supérieur à :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_8.png)
Fp est appelé facteur de pression ou effet utile ou rendement en volume. Il est déterminé à partir de la pression de gonflage Pg et de la pression finale Pf selon la formule suivante :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_9.png)
Il faut absolument éviter de choisir un vase trop petit. Aux valeurs limites, il convient donc de choir le vase supérieur.
A.2.2.7 Pression de remplissage du circuit hydraulique Pr
Afin de disposer d'une réserve de liquide caloporteur, la pression de remplissage à froid à appliquer lors de la mise en eau du circuit est définie de la manière suivante :  : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/for_AEST_1_10.png)
La pression à laquelle l'installation doit être remplie dépend de la température à laquelle cette opération s'effectue. Il conviendra de déterminer préalablement le volume d'expansion (Vexp) du liquide caloporteur à ces conditions de température.
A.3 Exemple de dimensionnement
A.3.1 Données de l'installation
 : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/fig_AEST_1_11.png)
Figure A.1 Exemple d'installation
L'installation (voir Figure A.1) a les caractéristiques suivantes :
Volume de fluide des capteurs : Vcapteur = 4 litres
Capacité en eau du circuit hydraulique : Vcircuit = 20 litres
Température maxi de fonctionnement 110 °C
Hauteur statique au dessus du vase : Hs = 7 m
Pression de tarage de la soupape : Ps = 6 bar
A.3.2 Données du fluide
Le fluide est un propylène-glycol dont la courbe de densité est donnée Figure A.2.
Il est dosé à ξ = 30 %.
 : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/fig_AEST_1_12.png)
Figure A.2 Densité du fluide en fonction de la température — Exemple de courbes pour un propylène-glycol
 : Installations solaires thermiques avec des capteurs vitrés/NF DTU 65.12 P1-1 (décembre 2012)/image/tab_AEST_1_1.png)
Tableau A.1 Pression de vaporisation du fluide glycolé (bar)
A.3.3 Calcul du volume net
L'exploitation de la courbe donne :
Température de remplissage 10 °C : ρ(10 °C) = 1 027 kg/m3
Température maxi du circuit 110 °C : ρ(110 °C) = 962 kg/m3
On en déduit Cexp = 1027 / 962 − 1 = 0,0676
D'où Vexp = 0,0676 x 20 = 1,35 litres
Vréserve = 0,005 x 20 = 0,1 litres < 3 litres. Donc Vréserve = 3 litres
Vn = 1,35 + 3 + 4 x 1,1 = 8,75 litres
A.3.4 Pression de gonflage du vase
Pression de vaporisation à 110 °C (selon Tableau A1) : 0,3 bar
Le vase est positionné sur l'aspiration de la pompe.
Pression de gonflage = 7/10 + 0,3 + 0,3 = 1,3 bar
Pression finale = 0,9 x 6 = 5,4 bar
A.3.5 Volume minimum du vase d'expansion à installer
Rendement du vase :
Fp = (5,4 – 1,3)/(5,4 + 1) = 0,641
Volume du vase : Vvase > 8,75 / 0,641 = 13,7 litres
A.3.6 Pression de remplissage du circuit
On choisi un vase de 18 litres.
Pr = 18 x (1,3 + 1)/(18 x (1 − 0,641) + 1,35) − 1 = 4,3 bar