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1. ÉNERGIE Techniques comparées de chauffage solaire

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1. ÉNERGIE Techniques comparées de chauffage solaire

Le pack Easypack Zelios est une solution tout-en-un pour l'équipement d'un chauffe-eau solaire individuel. Il intègre le ou les capteurs solaires (Doc. Chaffoteaux.)

Le Grenelle de l'environnement fixe la part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique à un minimum de 23 % pour 2020 et prévoit de rendre obligatoires les labels BBC dès 2012. Parmi elles, l'énergie solaire thermique sera déterminante pour l'octroi de ces labels.

Le rayonnement global, c'est-à-dire la somme des rayonnements directs arrivant en un point du territoire est de 1,0 kW/m2 dans des conditions optimales, soit une valeur annuelle moyenne de 1 250 kWh/m2 environ pour la France. Ce qui représente près de 70 % des besoins énergétiques annuels pour la production d'eau chaude sanitaire en maisons individuelles. L'appoint étant assuré par un générateur de chaleur traditionnel mais de moindre importance, chaudière fioul ou gaz basse température ou à condensation.

Lors de la conception, une estimation quantitative fiable des besoins et l'adéquation de ces besoins à l'ensoleillement disponible sont indispensables, pour dimensionner convenablement l'installation solaire et la rentabiliser au maximum. Une installation solaire en production d'ECS est judicieuse si les besoins sont constants sur l'année. Tout surdimensionnement entraîne une augmentation de la production solaire, mais également une augmentation du coût du kWh produit et une baisse de la productivité de l'installation (production par m2 et par an). Dans le cas d'une réhabilitation, l'estimation peut s'appuyer sur des campagnes de mesure dans l'existant (pour chaque logement en collectif).

Capteurs : les règles à respecter

Les installations de production d'ECS solaire sont généralement dimensionnées pour un taux de couverture solaire compris entre 40 et 60 %. Pour produire de l'eau chaude sanitaire pour 4 personnes, il est recommandé d'envisager 4 m2 de capteurs avec un ballon de 300 litres dans le sud de la France et 6 m2 avec un ballon de 300 litres ou 4 m2 avec un ballon de 200 litres dans le nord. À partir de la cinquième personne, on rajoute 1 m2 par personne. Si l'on ajoute le chauffage, la surface conseillée est de 1 m² de capteurs plans (0,7 m2 de capteurs sous vide) pour 10 m² de surface habitable. À titre d'exemple, on estime que 12 m² de capteurs sont nécessaires pour une maison de 120 m² et 25 m2 pour une maison de 300 m².

Pour une efficacité optimale de l'installation permettant l'obtention du label BBC, il convient de respecter quelques règles de conception bioclimatique :

.l'absence de masques : idéalement, les capteurs doivent être dégagés de toute ombre portée (immeuble voisins, arbres.) pour au moins 6 heures par jour pendant toute l'année ;

.l'inclinaison idéale des capteurs est celle de la latitude de leur lieu d'implantation, entre 43° et 51° en France ;

. l'orientation : s'écarter du sud (orientation idéale) induit une perte énergétique conséquente. Toutefois, sud-est ou sud-ouest conviennent encore très bien ;

.le positionnement des capteurs est fonction d'une problématique de maintenance, de sécurité de coût et d'intégration. Une installation au sol est moins onéreuse, car elle évite d'intervenir sur l'enveloppe du bâti. Les capteurs sont disposés sur des bâtis-supports et éventuellement habillés. L'implantation doit être prévue au plus près de l'équipement (ballon) afin de limiter les pertes en ligne et de faciliter l'entretien. En toiture-terrasse, il est conseillé de ménager une zone de maintenance et de sécurité de 1,50 m environ à partir de l'acrotère. Ce qui évite aussi l'ombre portée de ce dernier. Attention aussi à bien choisir le système de fixation et surtout garantir l'étanchéité de la toiture-terrasse. En terme d'intégration, la solution idéale est d'inclure les capteurs au pan de couverture ou en façade. Des capteurs verticaux limitent les surchauffes estivales tout en couvrant la totalité des besoins d'ECS en été.

Un choix qui dépend de la température recherchée

En sus de leur rôle habituel de production de chaleur, des capteurs judicieusement implantés peuvent servir de protection solaire, de couvertures pour les vérandas, d'éléments graphiques ou de bardage de façade. ouvrant un vaste champ d'investigation aux concepteurs. D'autant que le choix des produits tend à se diversifier en termes de dimensionnement des modules, de formes, de finitions et de couleurs.

Le choix des matériaux constitutifs est important car les capteurs ont une durée de vie approximative de 20 à 25 ans. Exposés durant cette période aux intempéries, ils doivent donc être peu sensibles à la corrosion (acier inox ou galvanisé, aluminium). La résistance aux charges mécaniques devra aussi être prise en compte (1 m² de capteur en fonctionnement pèse environ 25 kg, les tubes sous vide étant plus légers).

Le choix entre les différents types de capteurs dépend de la température recherchée :

.Les capteurs non vitrés, non isolés, génèrent une faible élévation de température ( 20 °C par rapport à la température de l'air). On les trouve généralement dans le chauffage des piscines.

.Les capteurs plans (verticaux ou horizontaux), atteignent 70 °C par rapport à la température de l'air ambiant. Utilisables pour tous types de bâtiments, ils sont constitués d'un cadre autoporteur en aluminium étanche à l'eau et intègrent un absorbeur métallique qui transforme le rayonnement solaire en chaleur, puis transmet cette chaleur au liquide caloporteur. L'absorbeur est monté dans un boîtier isolé et recouvert d'un verre de sécurité hautement transparent.

.Les capteurs sous vide autorisent de très faibles déperditions de chaleur, avec une température pouvant s'élever jusqu'à 100-140 °C. L'absorbeur, au lieu d'être placé dans un boîtier, est monté à l'intérieur de tubes en verre dans lesquels est fait le vide. Cette technologie de pointe d'un coût plus élevé, optimise les rendements car le vide réduit à néant les pertes par convection. À surface d'absorbeur égale, le rendement est généralement meilleur que celui d'un capteur plan. Cependant, cet avantage est limité au captage solaire en hiver et surtout dans les climats rigoureux, ou encore dans le cadre d'utilisation industrielle. On compte plusieurs familles de capteurs sous vide, chacun dépendant d'une technique spécifique : à circulation directe, à caloduc, à effet « thermos ».

- Les capteurs à air, derniers-nés de la famille, sont fabriqués spécialement pour un projet architectural ou une application particulière, telle que le séchage des céréales. L'air est réchauffé en passant de préférence sous l'absorbeur. Il est ensuite évacué par un ventilateur dans des gaines qui transportent la chaleur vers le stockage. L'énergie ainsi stockée est ensuite restituée par circulation forcée à l'aide de bouches de soufflage situées dans le volume habitable. Ces systèmes sont insensibles au gel et à la corrosion du fait de l'absence d'eau. Ils sont intéressants pour le chauffage de locaux artisanaux, commerciaux ou industriels.

Il existe également des capteurs à air qui ne disposent pas de vitrage et ne sont pas reliés à un stockage. Ils sont simplement constitués d'un absorbeur microperforé, par lequel passe l'air de soufflage. Leur efficacité, liée à son faible coût, leur confère une très bonne rentabilité.

Trois systèmes de chauffe-eau solaires

Différentes solutions techniques coexistent :

- Le chauffe-eau solaire « monobloc », qui relie les capteurs et le ballon dans un seul composant. Son fonctionnement est autonome et il suffit de brancher l'alimentation de l'eau froide et connecter le départ de l'eau chaude à un robinet pour l'installer. C'est le chauffe-eau solaire le moins cher, mais il offre l'inconvénient de proposer un ballon qui reste dehors avec les capteurs, pouvant ainsi occasionner des pertes thermiques importantes (sans parler d'une intégration architecturale plus « délicate » !).

- Dans un ballon à thermosiphon à éléments séparés, la circulation de la chaleur passe des capteurs au ballon sans pompe, uniquement par différences de température. Le ballon doit donc impérativement être placé plus haut que les capteurs et les circuits hydrauliques doivent être correctement installés pour faciliter la thermo-circulation. Avantages : un fonctionnement très simple, des risques de pannes faibles, des coûts restreints et de très bonnes performances dans les régions ensoleillées. Cependant, le thermosiphon devra être suffisamment puissant pour vaincre les pertes de charge, sans que la différence de température de l'eau entre la sortie du capteur et la sortie du ballon soit trop importante. Un chauffe-eau de ce type constitue la meilleure solution pour produire de l'ECS, lorsque la disposition architecturale de l'habitation le permet : c'est ce qui coûte le moins cher à l'achat, à l'installation et à l'entretien, avec un meilleur rendement global et qui continuera de fonctionner en cas de panne électrique. À noter : certains capteurs solaires ne peuvent pas fonctionner en thermosiphon, car les pertes de charge dans le circuit hydraulique à travers l'absorbeur sont trop importantes, ce qui empêchera le thermosiphon de s'amorcer.

- Le chauffe-eau solaire à circulation forcée est adapté aux configurations qui obligent d'éloigner le ballon des capteurs. Il est généralement équipé d'un groupe de transfert qui rassemble une pompe pour transférer la chaleur des capteurs au ballon, ainsi qu'un système de régulation électronique pour mettre en marche et arrêter la pompe aux moments voulus. Naturellement, ces équipements supplémentaires le rendent plus coûteux à l'achat et en maintenance.

L'énergie solaire peut aussi être couplée à une pompe à chaleur sur eau, sol ou air : le chauffage est en priorité assuré par le solaire (25 à 40 % des besoins) et complété par la géothermie (60 à 75 % des besoins). L'eau chaude est aussi fournie par le solaire (60 à 85 % des besoins) et par appoint complémentaire électrique ou encore par géothermie. Le fonctionnement est indépendant du chauffage de l'habitation, afin d'assurer une production autonome d'ECS, été comme hiver, sans l'aide d'une résistance électrique.

Deux types d'installations coexistent. Les premières, indépendantes du système de chauffage, se composent d'un ballon équipé d'un groupe thermodynamique. Les autres sont liées au chauffage : l'installation comprend une pompe à chaleur liée à un ballon (par échangeur) produisant de l'ECS et alimentant un chauffage à eau chaude classique. Parmi les solutions de couplage hydraulique, la plus simple est celle du système alternatif : une vanne 3 voies envoie alternativement l'eau chaude produite par la pompe à chaleur dans le réseau de chauffage ou dans l'échangeur du ballon d'eau chaude sanitaire. Ce type d'installation implique que soit préalablement vérifiée la compatibilité de l'échangeur du ballon et de la puissance de la pompe à chaleur. La majorité des consommations s'effectue pendant les heures creuses (sauf en cas de relance manuelle de la seconde résistance). Ces systèmes conviennent pour une maison, en neuf comme en rénovation. Un asservissement aux heures creuses est conseillé pour le système d'appoint électrique. Certains appareils possèdent en outre une résistance électrique d'appoint pour porter l'eau à plus haute température (55 à 60 °C).

Les systèmes solaires combinés (SSC)

Parmi les solutions de systèmes Solaires combinés (SSC), on trouve le plancher solaire direct (PSD), les SSC de stockage et les systèmes combinés solaire/fioul, solaire/gaz, solaire/électrique ou solaire/géothermique. Le plancher solaire direct a pour principe d'injecter directement dans une dalle un liquide chauffé par les capteurs solaires thermiques. Ce fluide circule directement dans les tubes d'un plancher chauffant (noyés dans la dalle) ou réchauffe le ballon d'ECS par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Il repart ensuite vers les capteurs, où il est chauffé à nouveau. et ainsi de suite, tant que l'ensoleillement est suffisant.

La dalle qui stocke et restitue cette chaleur par rayonnement agit comme un émetteur de chaleur basse température. La fonction de stockage est favorisée par une augmentation de l'épaisseur de la dalle (10 à 15 cm) qui, inversement, entraîne une plus grande difficulté à réguler l'émission de chaleur. Le PSD offre deux possibilités. Un chauffage de base qui sera complété par un émetteur traditionnel (cheminée, poêle à bois ou de convecteurs électriques). En production d'ECS, le ballon solaire qui assure le préchauffage de l'eau chaude sanitaire sera couplé avec un ballon d'appoint monté en série, soit il s'agira d'un ballon bi-énergie (électro-solaire ou échangeur pour chaudière). Le régulateur commande la circulation du fluide caloporteur lorsque la température du capteur solaire est supérieure à celle du plancher chauffant ou celle du ballon d'ECS.

Autre solution, le plancher chauffant est à appoint intégré. Le complément de chauffage assuré par une chaudière est distribué par le même plancher chauffant basse température. Pour l'ECS, le ballon est équipé de deux échangeurs de chaleur, l'un solaire, l'autre d'appoint. Le régulateur se charge de doser le complément d'énergie d'appoint nécessaire au confort souhaité, les jours peu ensoleillés. Il s'agit d'une solution dédiée plus particulièrement à des surfaces de plancher supérieures à 50 m2.

En l'absence de dalle chauffante, reste le système à hydro-accumulation. La chaleur provenant des capteurs solaires est stockée dans un réservoir d'eau tampon par le biais d'un échangeur de chaleur. Cette eau ainsi réchauffée est utilisée pour le chauffage de l'habitation par des émetteurs à basse température. L'ECS peut être produite soit dans un ballon immergé dans le volume tampon, soit par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur situé dans le ballon de stockage ou à l'extérieur de celui-ci.

70 % des installations sont électro-solaires

Le capteur est raccordé à une sonde solaire qui envoie des informations vers le régulateur de l'alimentation en chaleur solaire du ballon. Cette régulation différentielle compare ainsi la température existant en haut de l'installation (sonde capteur) avec celle existant en bas de l'installation (sonde accumulateur). Quand la température mesurée au niveau du capteur solaire est supérieure de 8 °C à la température ­mesurée par la sonde accumulateur, le circulateur (pompe de transfert) se met en route et assure le transfert de l'énergie solaire des capteurs vers l'accumulateur.

On estime que 70 % des installations solaires sont électro-solaires, fonctionnant par un ballon doté d'un échangeur « circuit capteurs » en partie basse et d'une résistance électrique en partie haute.

Peu coûteux à l'installation, ce procédé est plus onéreux en fonctionnement qu'un appoint gaz qui implique un ballon avec un échangeur « circuit capteurs » en partie basse et un échangeur « circuit chaudière » en partie haute. Cette solution, d'une complexité relative en termes de contrôles et de programmation de la chaudière, engendre d'importantes économies d'énergie primaire, surtout avec une chaudière gaz à condensation.

On trouve aussi des appoints fioul ou bois. Un appoint supplémentaire électrique permet l'arrêt de la chaudière en été et généralement et la consommation électrique sera très faible. Les inconvénients sont identiques à la solution gaz.

vous lisez un article des Cahiers Techniques du Bâtiment N°294

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