Chauffer son eau sanitaire et sa maison avec des panneaux solaires

Les panneaux solaires thermiques permettent de chauffer un fluide directement ou indirectement par échange de chaleur afin d’assurer les fonctions d’eau chaude sanitaire et/ou de chauffage. Pour l’eau chaude sanitaire, on parle de CESI (Chauffe-Eau Solaire Individuel). Pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire on parle de SSC (Système Solaire Combiné).

L’article ci-dessous est extrait en grande partie du guide technique : « Chauffer son eau et sa maison avec le soleil » produit par l’ADEME et téléchargeable sur ce lien :

Les CESI

Comment ça marche ?

Un tuyau d’arrosage de couleur sombre, laissé au soleil, absorbe le rayonnement solaire : l’eau dans le tuyau devient rapidement chaude. C’est sur ce principe élémentaire que s’appuie la technologie du chauffe-eau solaire thermique. Elle a été perfectionnée pour fournir de l’eau chaude sanitaire en quantité suffisante et à une température adéquate pour satisfaire, en partie ou en totalité les besoins domestiques d’un foyer.

Schéma de fonctionnement d’un CESI à éléments séparés avec circulateur et appoint

1 Les capteurs solaires thermiques: ils transforment le rayonnement solaire en chaleur. Le fluide caloporteur qui y circule se réchauffe.

2 Les circuits: le circuit primaire où circule le fluide caloporteur (dans la circulation forcée, une petite pompe électrique, appelée le circulateur, met en mouvement le fluide caloporteur lorsqu’il est plus chaud dans le capteur que dans le ballon) et le circuit d’eau chaude sanitaire.

3 La régulation: son rôle est de donner la priorité à l’énergie solaire chaque fois que celle-ci est disponible. Elle commande le fonctionnement du circulateur. Elle doit aussi moduler l’énergie d’appoint à apporter pour assurer la production de chaleur en cas d’ensoleillement insuffisant.

4 Le ballon: le fluide caloporteur en provenance du capteur y cède ses calories à l’eau sanitaire par le biais d’un échangeur de chaleur, puis repart vers le capteur où il est chauffé à nouveau. Il inclut un échangeur avec le système d’appoint.

5 L’appoint: partout en métropole, on doit faire face à des périodes défavorables (hiver, demi-saison, longue période de mauvais temps). L’énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d’eau chaude. Le dispositif d’appoint prend le relais en cas de besoin. Le relais entre solaire et appoint doit permettre d’optimiser l’emploi de l’énergie solaire.

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Les différents types de capteurs

Un capteur de qualité doit être efficace, robuste et résistant (à la grêle, au vent, au froid et à la chaleur), durable et facile à mettre en œuvre. Plusieurs technologies sont disponibles:

Les plus simples, les capteurs non vitrés : les capteurs souples ou «moquettes » sont peu coûteux et produisent de l’eau jusqu’à 30°C environ. Ils ne peuvent servir pour l’eau sanitaire que dans des pays chauds. En climat tempéré, on les utilise en général pour chauffer une piscine.

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Les plus répandus, les capteurs plans vitrés : ils sont très bien adaptés à un usage courant et produisent de l’eau de 50 à 80°C (90°C pour les capteurs à double vitrage). Leur pose est relativement simple et ils peuvent être facilement intégrés à la toiture ou à la façade d’un bâtiment.

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Les plus efficaces sont les capteurs sous vide : ce sont aussi les capteurs les plus chers. Ils sont composés de tubes sous vide d’air, ce qui améliore l’isolation et réduit les pertes de chaleur. Ils produisent généralement de l’eau de 60 à 85°C, et peuvent chauffer l’eau jusqu’à 120°C. Les capteurs sous vide restent efficaces quand l’incidence des rayons du soleil est faible (en début et fin de journée) ou si l’exposition ou la pente du toit ne sont pas optimales. Mais ils sont relativement fragiles. S’ils perdent leur étanchéité, leur rendement chute de façon importante.

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Les différentes techniques employées 

C’est le CESI le plus simple et basique. C’est un chauffe-eau solaire dans lequel le ballon est couplé au capteur. Il fonctionne sur le principe du thermosiphon : le fluide caloporteur chaud monte par convection naturelle, sans l’aide d’un circulateur, vers le ballon de stockage où il chauffe l’eau sanitaire puis, une fois refroidi, redescend dans le capteur.

Il est rustique et peu coûteux mais il est réservé aux climats chauds car le ballon de stockage est situé à l’extérieur et il est donc soumis aux variations de température. Il peut convenir aux résidences utilisées seulement en été. La situation du ballon n’est alors pas gênante.

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CESI Monobloc

C’est le système CESI le plus courant, il peut être de deux sortes ; à circulation forcée ou alors à thermosiphon.

A circulation forcée, c’est une pompe appelée circulateur qui entraîne le fluide caloporteur.

A thermosiphon la circulation se fait par convection naturelle. Le ballon doit obligatoirement être situé au-dessus des capteurs pour que le système fonctionne (le fluide réchauffé remonte dans les canalisations par convection). C’est un système plus simple et moins couteux qu’avec circulation forcée mais il est délicat à mettre en place et il demande donc un bon savoir-faire et une bonne conception.

Le CESI à marche forcée est plus cher mais c’est un équipement qui est bien au point et qui permet de l’eau chaude toute l’année en complément d’un appoint extérieur ou interne au ballon solaire (ballon bi-énergie). En métropole l’utilisation d’un appoint est nécessaire pour couvrir tous les besoins en ECS contrairement aux DOM.

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CESI à éléments séparés

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CESI à éléments séparés à thermosiphon

Il est moins cher et il est plus petit que les CESI à éléments séparés, il minimise les pertes thermiques car l’eau stockée dans le ballon est préchauffée par le solaire. De plus il est plus compact que les CESI à éléments séparés et certains des éléments sont pré-montés, ce qui favorise la pose.

La chaudière en appoint fonctionne au moment de prélever l’eau, si celle-ci a besoin d’un complément de chauffe.

Il ne comprend qu’un seul capteur solaire, c’est pour cette raison qu’il est adapté aux maisons de faible surface ou ne comportant qu’une salle de bain. La capacité du ballon est comprise entre 100 et 200L. Pour des maisons plus grandes ou avec un besoin en ECS plus important, il vaut mieux utiliser un CESI à éléments séparés. S’il est bien dimensionné le CESI va apporter entre 45 et 70% des besoins annuels en ECS (suivant la position géographique 45% à Metz et 70% en méditerranée selon une étude de l’ADEME).

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CESI Optimisé

Dimensionnement et pose 

Attention au surdimensionnement, c’est un défaut fréquent des installations, qui peut nuire sérieusement à leur fonctionnement: avec un ballon surdimensionné, la consommation d’appoint est plus importante à longueur d’année, pour réchauffer et maintenir à température l’eau sous-utilisée du ballon ; des capteurs surdimensionnés engendrent un surcoût à l’achat et un risque de surchauffe.

Il faut dimensionner les capteurs pour économiser le maximum d’énergie conventionnelle (gaz, fioul, électricité) tout en limitant l’investissement. Cela dépend de la situation géographique et des besoins en eau chaude (donc du nombre de personnes qui utilisent régulièrement de l’eau chaude). On estime les besoins entre 40 et 60 litres d’ECS à 50°C par jour et par personne. Un CESI doté de 4 m2 de capteurs pourra convenir pour une famille de 4 personnes dans le nord de la France, 2 m2 suffiront dans le sud pour le même usage.

Les CESI au nord de la France couvriront jusqu’à 50% des besoins contre 70% dans les régions les plus chaudes (hors Dom Tom).

Une famille de 1 ou 2 personnes aura besoin d’un ballon solaire de 100L tandis qu’il faudra un ballon de 300L pour une famille nombreuse (de 7 à 8 personnes).

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La situation idéale : des capteurs orientés plein sud avec une inclinaison de 30 à 45° par rapport à l’horizontale. Mais l’efficacité des capteurs reste bonne avec une orientation de l’est à l’ouest et une inclinaison de 30 à 60°.

Les capteurs sont en général installés sur un toit. Ils peuvent être aussi posés au sol sur un châssis ou installés comme brisesoleil, comme garde-corps d’un balcon, sur un mur bien exposé. L’installateur étudiera les différentes possibilités d’implantation des capteurs pour choisir la plus intéressante.

Pour une maison neuve, on peut en général intégrer les capteurs à la toiture, ce qui facilite leur intégration architecturale. Dans l’existant, les capteurs peuvent être surimposés à la toiture ou installés sur un chassis, dont l’intégration est plus délicate. Dans tous les cas, il est important qu’ils soient facilement accessibles pour simplifier l’entretien et la maintenance.

Les Systèmes solaires combinés

Certaines installations solaires thermiques produisent à la fois l’eau chaude sanitaire et le chauffage d’un logement. On les appelle « systèmes solaires combinés» (SSC). Ce sont des systèmes efficaces, mais plus complexes à installer qu’un CESI et également plus coûteux.

Que peut-on attendre d’un système solaire combiné ?

Comme le chauffe-eau solaire, le système solaire combiné est un équipement fiable et durable doté d’un bon bilan écologique, que l’on peut installer sur tout le territoire métropolitain. Un système performant Un chauffage solaire peut couvrir entre 40 et 60% des besoins de chauffage d’un foyer selon sa localisation géographique. En climat froid et ensoleillé (montagne par exemple), un SSC peut générer jusqu’à 70% d’économies d’énergie dans une maison très bien isolée. Il valorise mieux l’énergie solaire qu’un chauffe-eau car l’eau chaude produite sert à la fois au chauffage et aux usages sanitaires.

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Maison avec un SSC

Une source d’économies

Le chauffage solaire offre d’intéressantes perspectives d’économie en intersaison, et cela partout en France. Sa rentabilité sera d’autant plus intéressante que l’énergie est chère. Dans le nord de la France, un système solaire combiné permettra même d’économiser plus d’énergie que dans le sud : les besoins de chauffage y sont plus importants, en particulier en automne et au printemps où l’ensoleillement est bon.

Les deux grands types de SSC 

Pour anticiper l’absence d’ensoleillement, la chaleur produite par les capteurs est stockée dans le volume d’eau tampon d’un grand ballon, qui alimente le réseau de chauffage et les émetteurs de chaleur (radiateurs, de préférence basse température, ou plancher chauffant). L’eau chaude sanitaire est produite dans un ballon immergé dans le volume tampon ou par un échangeur de chaleur. Les systèmes actuels sont à la fois performants et compacts, avec un volume de stockage raisonnable (de 500 à 2 000 litres). Il faut donc disposer d’un local (chauffé et / ou bien isolé) suffisamment grand.

Le fluide caloporteur circule directement dans la dalle du plancher (plancher solaire direct ou PSD®), les murs ou les radiateurs et repart vers les capteurs. La dalle ou les murs chauffant jouent un double rôle de stockage et d’émetteur de chaleur. Un circuit de dérivation permet de produire l’eau chaude sanitaire. Chauffer son eau et sa maison avec le soleil. Dans ces systèmes, les pertes de chaleur sont réduites et le rendement de l’installation solaire est meilleur, mais ils font appel à une régulation plus complexe.

Le plancher solaire direct chauffant est plus épais qu’un plancher classique (15 cm de plus). Le déphasage ou le temps de réaction du chauffage du plancher est plus long que dans un système à hydro-accumulation. Ces SSC de conception française sont couramment installés dans notre pays.

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Les éléments à prendre en compte pour une bonne installation 

La surface nécessaire Elle dépend des besoins en chaleur de la maison et donc de sa localisation, de son niveau d’isolation et de sa taille. On compte environ 1 m2 de capteurs pour 10 m2 chauffés. Cela équivaut, pour une maison «moyenne» (niveau d’isolation et localisation géographique) de 120 m2 à environ 18 m2 de capteurs, contre 6 à 8 m2 si la maison est construite en appliquant la RT 2012 et donc très bien isolée.

En hiver, quand les besoins de chauffage sont au maximum, la course du soleil est plus basse. L’idéal est d’installer les capteurs plein sud avec une inclinaison d’environ 60°.

L’appoint, qui pallie l’absence de soleil, peut être indépendant ou couplé au système solaire combiné

Dans le premier cas, pour le chauffage, une cheminée, un poêle ou tout autre appareil indépendant apportent le complément de chaleur nécessaire. L’appoint pour l’eau chaude sanitaire est le plus souvent assuré par une résistance électrique.

Ce système est suffisant et facile à gérer dans une région bien ensoleillée, pour une maison très bien isolée ou de petite taille, ou pour une résidence secondaire.

Dans le second cas, la production de chaleur est assurée par une chaudière performante qui prend le relais automatiquement. Cette solution est préférable dans les grandes maisons et les régions à ensoleillement irrégulier. Le taux d’économies d’énergie sera d’autant plus important que l’appoint est performant et bien réglé.

Les émetteurs de chaleur à basse température sont recommandés pour optimiser le fonctionnement du solaire thermique (radiateurs basse température, planchers ou murs chauffants basse température…).

Dans l’existant

Les systèmes à hydro-accumulation sont relativement simples à mettre en place, si l’on dispose de radiateurs basse température. Si la maison est équipée de radiateurs haute température, il faut renforcer l’isolation de la maison pour réduire les besoins de chauffage. Il sera alors possible de diminuer la température des radiateurs et optimiser le chauffage solaire. Les système solaires directs nécessitent des travaux importants en rénovation (mise en place d’un plancher ou de murs chauffants). Ils ne sont envisageables que dans le cas de rénovations lourdes

Dans le neuf

Toutes les solutions solaires sont envisageables. Prévoyez un pan de toiture exposé au sud qui recevra les capteurs. Vous pouvez installer, par exemple, un plancher au rez-de-chaussée et des radiateurs à l’étage : ces émetteurs basse température procurent un très bon confort et sont bien adaptés au chauffage solaire.

Les SSC doivent, plus encore que les CESI, maîtriser les surchauffes estivales. En été, la demande en eau chaude est limitée aux besoins sanitaires. Les capteurs peuvent alors atteindre des températures très élevées. Il est donc important que l’équipement soit doté d’un dispositif de gestion des surchauffes

Le coût d’une installation solaire thermique

Pour un chauffe-eau solaire individuel, le coût moyen est de 1240 €/m2 de capteur *, la part du matériel s’élevant à 960 €, celle de la pose à 280 €. Les prix fluctuent dans une fourchette assez large (entre 824 et 1375 €/m2 de capteur * pour le matériel, entre 170 et 450 €/m2 de capteur * pour la pose).

Pour un système solaire combiné individuel, le coût moyen est de 1 160 €/m2 de capteur *, la part du matériel s’élevant à 940 €, celle de la pose à 220 €. Là encore, les fluctuations de prix observées sont importantes (entre 290 et 1 200 €/m2 de capteur * pour le matériel, entre 140 et 270 €/m2 de capteur * pour la pose). Le coût d’une installation se situe entre 12 000 et 15 000 € pour une maison de 100 à 120 m2 .

*prix hors taxe 2014, source Observer.

Le kWh solaire thermique installé reste encore cher si on le compare à d’autres énergies mais il tend à baisser.

Choisir le bon matériel et le bon installateur

Certains matériels disposent de signes de qualité permettant de repérer les appareils les plus performants: pour les capteurs solaires thermiques, les certifications «CSTBat» ou « Solar Keymark»; pour les installations solaires, (CESI ou SSC) les marques «CSTBat», «NF CESI » ou le label «Ô Solaire ». L’attribution de certaines aides financières (CITE en particulier) est conditionnée par le choix d’équipements qui en sont porteurs.

Des professionnels qualifiés RGE Pour trouver un professionnel compétent afin de réaliser votre installation solaire thermique, privilégiez ceux porteurs d’un signe de qualité bénéficiant de la mention RGE (Reconnu garant de l’environnement). Les installateurs RGE pour le solaire thermique, relèvent: de certifications délivrées par Qualibat ; de certifications délivrées par Qualit’ENR (mentions Qualisol Combi pour le chauffage solaire et Qualisol CESI pour les chauffe-eau solaires individuels).

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