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Utiliser la chaleur au plus bas niveau de température

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THOMAS LETZ est responsable du pôle retour d'expériences d'Ines Education, (association loi 1901) l'une des branches de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines). Son rôle : former les prescripteurs et assurer le retour d'expérience.

Avec la mise en place du fonds ­chaleur par l'Ademe en 2009, le solaire thermique pour la production d'eau chaude redevient à la mode. Diverses aides à son développement sont progressivement mises en place. L'objectif est de trouver un modèle équi­valent à celui du photovoltaïque, sous forme d'achat de chaleur renouvelable.

USAGES

À quoi sert le solaire thermique ?

Le principe consiste à transformer la lumière du soleil en chaleur. Toutes sortes d'applications sont alors possibles. Dans le bâtiment, il s'agit le plus souvent de chaleur basse température pour produire de l'ECS et/ou du chauffage, en logement individuel ou collectif, etc. Les applications les plus fréquentes sont le chauffe-eau solaire individuel (Cesi), soit 3 à 6 m2 de panneaux solaires qui couvrent en partie les besoins en ECS d'une famille de quatre personnes. Et les systèmes solaires combinés (SSC) qui fournissent en même temps du chauffage et de l'ECS. En été, ils ne produisent que de l'eau chaude. En hiver, une partie de la production sert aussi au préchauffage de l'eau du réseau. Cette part varie en fonction du dimensionnement de l'installation, des ressources solaires, des besoins, etc. La cible importante concerne les bâtiments avec des besoins constants(logements collectifs, prisons, hôpitaux.). Dans ces établissements, des systèmes solaires collectifs de préchauffage d'ECS peuvent être installés. Le solaire thermique peut servir également au chauffage de l'eau des piscines à 25 ou 27 °C. Il peut aussi être utilisé dans les régions ensoleillées à la production de climatisation solaire, par l'intermédiaire de machines à absorption ou à dessiccation. Enfin, cette technologie peut produire de l'électricité par voie thermo­dynamique, avec des températures qui atteignent plusieurs centaines de degrés pour faire tourner une turbine. Elle est utilisable dans les régions avec un fort taux d'ensoleillement comme le sud de la France, la Corse ou le Maghreb (projet Desertec).

CAPTEURS

Quelles sont les techniques disponibles ?

Pour le bâtiment, il existe trois technologies de capteurs : les plus simples, sans vitrage ni isolation, sont utilisés pour chauffer l'eau des piscines. Le capteur plan est composé d'un absorbeur noir derrière un vitrage. Le fluide caloporteur récupère la chaleur de l'absorbeur qui capte la chaleur du soleil. Les capteurs sous vide sont adaptés à des usages à plus haute température. Actuellement plus coûteux que les capteurs plans, ils représentent environ 5 % du marché français contre 15 % en Allemagne. Avec leur faculté à atteindre facilement des températures de 80 ou 100 °C, ces capteurs rendent plus difficile la gestion de l'excédent d'énergie en été. S'ils sont conçus pour résister aux fortes températures, les autres éléments du circuit (vase d'expansion, joints, pompes, etc.) doivent aussi être choisis en tenant compte de cette contrainte. Le choix entre ces deux types de capteurs dépend des bâtiments et des usages. Les capteurs sous vide n'assurent pas l'étanchéité mais peuvent être installés en façade. Les capteurs plans peuvent être intégrés en toiture. L'objectif est que le système dans son ensemble soit adapté au bâti. Pour valoriser au mieux une installation solaire, l'idéal est d'utiliser la chaleur à son plus bas niveau de température.

STOCKAGE

Comment progressent les technologies ?

Dans un système solaire, le stockage constitue l'un des points délicats. Pour l'instant, il n'existe pas de meilleur compromis que l'eau en termes de capacité de stockage, de disponibilité, de prix, de non-toxicité, etc. Dans un système solaire combiné, l'objectif est de stocker la chaleur l'été pour l'utiliser en hiver. Idéalement, il faudrait avoir des ­systèmes qui stockent la chaleur pendant six mois. Pour l'instant, ces solutions, qui demandent des volumes très importants, ne se justifient pas économiquement et des recherches sont en cours sur des matériaux à changement de phase ou du stockage chimique.

La nature du ballon est également l'un des axes de recherche. S'il sert au stockage de l'eau sanitaire, il est nécessaire qu'il résiste à une eau chaude qui peut être corrosive. Comme cette eau est renouvelée, il y a toujours de l'oxygène qui augmente les risques de corrosion. Les ballons doivent donc être émaillés avec un émail de qualité alimentaire résistant aux hautes températures ou être en acier inoxydable. Dans les systèmes sans renouvellement d'eau, un ballon en acier est suffisant. Certains fabricants proposent des stockages en matériaux de synthèse ou en plastique.

Actuellement, les matériaux utilisés pour les capteurs ou les stockages sont le cuivre, l'acier, l'aluminium, le verre. des matières premières dont les prix ont augmenté ces dernières années. Les recherches s'orientent donc vers des polymères, certes aujourd'hui à base de pétrole mais qui pourraient être ensuite à base de végétaux.

RÉPARTITION

Comment produire aussi du chauffage ?

Derrière le terme « chauffage solaire », il y a toujours un système combiné qui assure production d'ECS et chauffage. Le fait de les combiner augmente la productivité des capteurs (le nombre kWh récupérés/m² de capteurs). La rentabilité d'une installation combinée correctement régulée est en général supérieure à celle d'un chauffe-eau solaire seul, puisqu'une surface de capteurs plus importante (entre 10 et 20 m² contre 3 à 6 m²) répond à la fois aux besoins en ECS et à ceux du chauffage. En outre, le coût au m2 est moins élevé. La mise en œuvre plus complexe des systèmes solaires combinés (SSC) fait hésiter les maîtres ­d'ouvrage. En effet, si les chauffe-eau solaires sont plus ou moins standardisés d'un fabricant à l'autre, il en va différemment des SSC : le couplage entre la partie solaire et l'appoint varie, tout comme le mode de production d'ECS ou le ­raccordement au réseau de chauffage. La variété des systèmes et le manque relatif de normes pose problème. En effet, si la normalisation sur les capteurs est bien connue (NF EN 12975), celles qui concernent les systèmes dans leur globalité se font attendre. Les choses se mettent en place pour les chauffe-eau solaires (Cesi), avec la norme NF EN 12976 relative aux Installations préfabriquées en usine. Mais du fait de la complexité et de la variété des schémas des systèmes combinés, la NF EN 12977 pour les installations solaires assemblées à façon est toujours en phase d'élaboration.

MESURES

Comment connaître les performances d'un système ?

Afin d'aider les maîtres d'ouvrage à connaître les performances de leur installation solaire, nous militons en faveur de leur mesure et de la mise en place de compteurs de chaleur pour calculer l'énergie solaire utile réellement fournie par les installations de production d'eau chaude, ou même les ­économies réalisées par les systèmes solaires combinés. Ils doivent être installés de façon adéquate. Par exemple, un compteur installé sur le circuit primaire (entre les capteurs et le ballon) peut mesurer beaucoup d'énergie en sortie des capteurs, qui peut être perdue en grande partie si le stockage est insuffisamment isolé. Le fonds chaleur mis en place par l'Ademe en 2009 vise d'ailleurs à prendre en compte ces problèmes.

L'objectif est de trouver un financement pour le solaire thermique sur le même modèle que pour le photovoltaïque. Pour l'instant, les installations sont financées en amont du projet, mais elles devraient recevoir une partie des subsides après un an de fonctionnement effectif, voire sur une période plus longue, en fonction des performances réelles mesurées. Principale difficulté : la production dépend de la consommation d'eau. Il faut donc imaginer un dispositif qui tienne compte de cette particularité.

Climatisation

SOLAIRE Où en sont les projets ?

La climatisation solaire par absorption fonctionne sur le même principe qu'un réfrigérateur de camping-car : un système thermodynamique utilise une source chaude, en l'occurrence la chaleur fournie par des capteurs thermiques pour extraire les calories du milieu à refroidir et les rejeter à température intermédiaire en même temps que celles de la source chaude. Ces machines à absorption utilisent des fluides qui changent d'état en fonction de différents niveaux de température et de pression.

Dans cette configuration, la majeure partie de l'énergie apportée n'est pas électrique mais solaire. Ces systèmes nécessitent donc beaucoup moins d'énergie qu'un groupe frigorifique, grâce à l'absence de compresseurs. L'autre technologie de climatisation solaire utilise des systèmes air/eau à rafraîchissement par évaporation et dessiccation. Ces systèmes rafraîchissent directement l'air avant son insufflation dans le local. Les techniques à absorption semblent être plus développées, mais dans l'ensemble la France ne compte qu'une dizaine de projets, dont un tiers dans les DOM, et il s'agit le plus souvent de chantiers pilotes.

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