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Longévité et performances au rendez-vous

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Longévité et performances au rendez-vous

Forts d’une technologie parvenue à maturité, les fabricants de capteurs solaires thermiques cherchent à élargir les applications de leurs produits en toiture, auvent, brise-soleil, façade ou balcon, en même temps qu’ils développent des solutions plus pérennes, modulables et faciles à installer.

Le rôle d’un capteur solaire thermique consiste à transformer une partie du rayonnement solaire en chaleur, lorsque le panneau photovoltaïque fabrique de l’électricité. La chaleur produite peut être utilisée, afin de couvrir 50 à 70 % des besoins en eau chaude sanitaire et jusqu’à 50 % des besoins en chauffage des bâtiments à usage d’habitation, et plus largement des équipements ayant d’importantes consommations d’eau chaude comme les gîtes, hôtels, hôpitaux, maisons de retraite ou campings...

La surface de capteurs s’étend de quelques mètres carrés dans le cas d’une maison individuelle, à plusieurs centaines de mètres carrés pour un bâtiment collectif.
Des applications existent également pour le chauffage des piscines, et plus marginalement, le rafraîchissement solaire. Dans le cas classique d’un Chauffe-eau solaire individuel (Cesi) ou collectif (CESC), le capteur solaire thermique est le premier maillon d’une installation qui comporte : un circuit primaire, dans lequel circule le plus souvent de l’eau glycolée, un ballon de stockage, une régulation et un système d’appoint. Dans un Système solaire combiné (SSC), destiné à la production d’ECS et de chauffage, l’installation est complétée par des émetteurs à basse température (ex : radiateurs ou plancher solaire direct). Lorsque la température du liquide caloporteur dépasse celle du ballon, le fluide est mis en mouvement par une pompe électrique pilotée par le système de régulation et transmet ses calories via un échangeur thermique. Autrement, lorsque les apports solaires sont insuffisants, le ballon est réchauffé par une énergie d’appoint : électricité, gaz, fioul, ou bois.

Plans ou tubulaires : un choix multicritère

Les capteurs solaires thermiques utilisés dans le domaine du bâtiment font l’objet d’une offre majoritairement française, voire européenne, avec des marques telles que Viessmann, Vaillant Saunier Duval, De Dietrich, Ariston, Clipsol, Giordano, Velux, Green One Tec, KBB Kollektorbau GmbH, Wagner&Co.... Ils se partagent en deux grandes familles de produits : les capteurs plans vitrés et les capteurs sous vide.
Un capteur plan vitré se présente sous la forme d’un panneau rectangulaire de faible épaisseur (75 à 100 mm) et d’une surface hors tout de l’ordre de 1,2 à 2,5 m 2 , maintenu par un châssis en aluminium ou acier. La plaque de fond du capteur est recouverte d’une isolation thermique en laine minérale ou mousse polyuréthanne (30 à 60 mm d’épaisseur) atténuant les déperditions du système, et d’une surface absorbante de couleur bleu nuit, sur laquelle se développe un réseau de tubes en cuivre, surmonté d’un vitrage transparent. Conçue pour capter le rayonnement solaire et résister à des températures élevées, la surface absorbante est réalisée au moyen d’une feuille de cuivre ou d’aluminium, cette dernière solution s’avérant légèrement plus économique. Elle est, en outre, recouverte d’un dépôt sélectif à haut pouvoir d’absorption, dont la composition est variable selon les procédés. Le serpentin en cuivre, qui contient le fluide caloporteur, décrit de son côté une ondulation simple ou en forme de harpe.
Le capteur sous vide, issu d’une technologie plus complexe, se compose de tubes en verre parallèles, à double ou simple paroi, raccordés en partie haute à un collecteur. Selon les versions, il présente un encombrement réduit de l’ordre de 1 m 2 et peut atteindre 3 m 2 pour les plus grands modèles. Chaque tube, dans lequel on a pris soin de créer le vide, est doté d’un absorbeur à revêtement à haute absorption. Dans les capteurs utilisant le principe du caloduc, comme le Vitosol 300-T de Viessmann, la chaleur générée dans les tubes est transmise par conduction sèche au collecteur, puis au ballon tampon via une boucle solaire contenant un fluide caloporteur. Dans les capteurs à passage direct, les tubes sont traversés par le fluide caloporteur. Certains produits, dont les capteurs auroTherm exclusiv de Vaillant utilisent en outre un concentrateur parabolique en face arrière, afin de diriger le rayonnement solaire et prolonger la durée d’absorption.

Des atouts économiques et techniques

Offrant un bon rapport performances-prix, les capteurs plans sont largement prédominants sur les marchés français et européen, où ils représentent près de 95 % des volumes installés. Bien qu’elle soit envisageable au sol, leur installation est le plus souvent réalisée en toiture, où elle permet un montage intégré au plan de la couverture, lorsque celle-ci est inclinée. Les fabricants de panneaux proposent à cet effet divers éléments de rive et autres accessoires disponibles dans plusieurs coloris, afin de s’adapter à tout type de couverture (tuiles, ardoises, bacs acier...) et à un montage vertical ou horizontal. Les capteurs plans peuvent également être posés en surimposition, notamment dans l’existant, ou sur des supports métalliques inclinés dans le cas de toiture-terrasse.
Les capteurs sous vide permettent de leur côté de réduire la taille des installations et de rattraper une inclinaison défavorable en jouant sur l’orientation des tubes par simple rotation axiale. Grâce à leur faible niveau de déperditions thermiques, ils sont en mesure de délivrer une puissance plus élevée que leurs homologues plans durant la période froide et aux heures où l’ensoleillement est réduit. Ils se posent en surimposition et offrent des possibilités d’utilisation en façade, pergola, rambarde de balcon, voire barrière de piscine. En cas de défaillance, les tubes à conduction sèche peuvent être changés séparément. Leur principal inconvénient reste leur coût près de deux fois supérieur à celui d’un capteur plan. À titre indicatif, le prix public d’un capteur sous vide de 1 m 2 de Vaillant s’élève à 760 € HT, contre 828 € HT pour un capteur plan auroTherm du même fabricant, d’une surface d’environ 2,35 m 2 , et il faut compter un peu plus de 2 000 € HT pour le capteur à tubes Vitosol 300-T de Viessmann, dont la surface est de l’ordre de 2 m 2 .

Des solutions à vidange automatique

Au-delà de la technologie retenue, capteur plan ou sous vide, les produits sont adaptés à la nature de l’installation solaire ou plus précisément au type de chauffe-eau utilisé : à thermosiphon, à circulation forcée pressurisée ou autovidangeable. Dans la solution à thermosiphon, très répandue sur le pourtour méditerranéen, mais rare en France à l’exception de quelques campings et gîtes, les capteurs sont surmontés du ballon de stockage, dans lequel l’eau chaude monte naturellement. Dans le cas le plus courant d’un chauffe-eau à circulation forcée pressurisée, les capteurs doivent être installés avant que la boucle solaire ne soit remplie de fluide caloporteur. À noter que la solution pressurisée requiert un vase à expansion pour absorber la dilatation du liquide solaire et autoriser sa vaporisation, ainsi qu’un vase de refroidissement. Plus marginal, le chauffe-eau à circulation forcée auto- vidangeable nécessite des capteurs autovidangeables. Évitant la stagnation d’eau dans la boucle solaire, cette solution améliore la pérennité des installations en réduisant le risque de gel en hiver et de surchauffe en été. Fonctionnant par gravité, elle impose cependant de placer le ballon sous les capteurs. En outre, le remplissage de l’installation en liquide caloporteur peut être évité dans la mesure où le ballon est prérempli.

Le choix d’un capteur

Plusieurs caractéristiques techniques doivent par ailleurs être prises en compte dans le choix d’un capteur, tels la surface d’entrée, le rendement optique ou les pertes thermiques.
La surface d’entrée, ou d’ouverture, est la surface utile du capteur, à ne pas confondre avec la surface brute ou d’encombrement qui intègre, outre la partie vitrée du capteur, les éléments de rive assurant le maintien de l’ouvrage. Elle oscille entre 93 et 97 % de la surface brute des capteurs de dernière génération.
Le rendement optique agit, quant à lui, sur la performance du capteur. Il dépend de la qualité du verre et de celle de l’absorbeur. Le verre a une capacité plus ou moins grande à absorber le rayonnement solaire. En général, les capteurs utilisent un verre clair de sécurité ayant un coefficient de transmission de 91 à 96 %. Pour augmenter le rendement optique, certains fabricants cherchent à limiter la réflexion en recourant soit à un verre prismatique dont le gain est de 7 à 8 % par rapport à un verre à surface lisse, soit à un traitement de surface antireflet. L’absorbeur reçoit pour sa part un revêtement bleu nuit, dont la qualité joue sur sa capacité à transformer le rayonnement solaire en chaleur. Le rendement optique des capteurs plans du marché varie de 73 à 85 %, quand celui des capteurs sous vide est légèrement inférieur, compte tenu de la réflexion de la lumière sur une partie du tube, et se situe entre 64 et 80 %.
Les pertes thermiques de premier ou de deuxième ordre traduisent de leur côté la capacité du capteur à conserver la chaleur accumulée. Elles sont plus faibles sur des capteurs à tubes, utilisant le vide comme isolant thermique, que sur des capteurs plans, qui nécessitent une isolation en face arrière et des épaisseurs réduites. Leur prise en compte est déterminante dans le cadre d’un système combiné, où pour assurer la fonction de chauffage, il s’agit de récupérer des calories aux périodes de plus grand froid, là où les écarts de température entre l’intérieur et l’extérieur du capteur sont les plus grands, en privilégiant donc un capteur sous vide ayant une isolation thermique élevée. Au passage, il est intéressant de noter que les ventes des capteurs sous vide suivent les ventes des systèmes combinés.

Un DTU en rénovation

Aux critères techniques, peuvent s’ajouter des considérations d’ordre esthétique parmi lesquelles figurent les différentes solutions d’intégration développées par les fabricants, les possibilités d’inclinaison (de 15 à 90° selon l’industriel), de pose à la verticale ou à l’horizontale, les applications spécifiques en auvent ou façade... L’espace disponible, l’orientation et l’inclinaison de la toiture vont également influencer le choix du capteur. Des contraintes dimensionnelles liées par exemple à la présence de fenêtres de toit peuvent ainsi conduire à préférer des capteurs sous vide à encombrement réduit. Il en va de même dans le cas d’une toiture ne bénéficiant pas d’un ensoleillement optimal, où un capteur à tubes permettra de récupérer le rayonnement latéral. Autre facteur, le comportement des usagers implique de trouver un compromis entre la maîtrise de l’investissement et une couverture raisonnée des besoins.
Des aspects pratiques entrent aussi en jeu. Objet de développement depuis quelques années, ils donnent lieu à des systèmes plus rapides et faciles à monter, grâce à des pattes de fixation pré-assemblées, des systèmes de clipsage et d’emboîtement, des kits d’intégration complets... Certains fabricants proposent, par ailleurs, des modules à trame étroite, plus légers, pouvant être montés sur le toit par une personne. Des solutions mixtes existent également, afin de coupler solaire thermique et photovoltaïque : le capteur TGD TH de Clipsol dispose d’une trame identique aux modules photovoltaïques du fabricant (500 mm de largeur) et d’une conception adaptée, lui permettant de s’intégrer dans le châssis d’ensemble.
En ce qui concerne la qualité et la longévité des capteurs, ceux-ci disposent pour la plupart d’une garantie de dix ans, ainsi qu’une certification Solar Keymark ou CSTBat, attestant de leur conformité respectivement aux normes européennes ou françaises.
En attendant la révision annoncée du DTU 65-12, la certification est aujourd’hui un passage obligé pour les fabricants soucieux de promouvoir leurs produits. Elle est, en outre, requise pour l’obtention d’un crédit d’impôt (au taux de 32 % pour un bouquet de travaux et de 40 % pour deux bouquets), ou d’une subvention auprès d’une collectivité. Enfin, parce qu’ils font partie d’un tout, les capteurs doivent être appréhendés dans le cadre d’une installation solaire complète, bénéficiant de préférence de la marque de qualité « Ô Solaire » mise en place par l’association Enerplan, ce qui sous-entend de veiller au bon dimensionnement du système, ainsi qu’à la performance et la compatibilité de l’ensemble du matériel retenu.

Tableau des fabricants

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