Le solaire thermique : Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI) et Système Solaire Combiné (SSC)

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1 Espace Info Energie / SOLAGRO 75, voie du T.O.E.C Toulouse Cedex 03 Tél : / Courriel : Par téléphone : lundi, mercredi et jeudi de 9h à 12h30 et de 14h00 à 18h, Sur place : merci de prendre un rendez-vous Un lieu de ressources sur la maîtrise de l énergie et les énergies renouvelables Le solaire thermique : Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI) et Système Solaire Combiné (SSC) Juin 2009 Sources : INES (Institut National de l Energie Solaire) ADEME Outils solaires Analyse de SOLAGRO CESI à Tournefeuille (31) SSC à Drémil Lafage (31)

2 Sommaire Préambule...3 Chapitre 1. PRINCIPE : LA CONVERSION THERMIQUE...3 Chapitre 2. ÉLEMENTS CONSTITUTIFS D UNE INSTALLATION THERMIQUE...4 Le capteur solaire thermique...4 Le "ballon solaire"...7 La pompe (ou le circulateur)...9 La régulation...9 Le clapet anti-retour...10 Le vase d'expansion...10 La soupape de sécurité...10 Le manomètre...10 Les vannes...10 Les purgeurs...11 Les canalisations...11 Le limiteur de température...11 Chapitre 3. CONSIDERATIONS AVANT D INSTALLER UNE INSTALLATION SOLAIRE...12 Optimiser le «couple» orientation / inclinaison...12 Faire attention aux «masques»...12 Faire un choix entre deux technologies différentes selon la nature du fluide caloporteur...13 Veiller au problème de surchauffe estivale...14 Diversifier les applications de votre installation en alimentant vos machines à laver...14 Choisir du matériel certifié, des kits préselectionnés voire un écolabel...14 Veiller à la bonne intégration architecturale des capteurs...15 Déclarer l existence de vos capteurs à votre assureur...15 Chapitre 4. PRECIS SUR LE CHAUFFE EAU SOLAIRE INDIVIDUEL...16 Les éléments à prendre en considération...16 Dimensionnement / taux de couverture solaire en Midi-Pyrénées...16 Les composants...16 Chapitre 5. PRECIS SUR LE SYSTEME SOLAIRE COMBINE...17 Les éléments à prendre en considération...17 Dimensionnement / taux de couverture solaire en Midi-Pyrénées...17 Les composants...17 Chapitre 6. BILAN ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTAL D UN CESI ET D UN SSC...18 Le CESI...18 Le SSC...19 Chapitre 7. VOS DEMARCHES ADMINISTRATIVES...20 Chapitre 8. CHOISIR VOTRE INSTALLATEUR...20 Chapitre 9. ASSURER LE SUIVI DE VOTRE INSTALLATION...20 Chapitre 10. AIDES FINANCIERES : TVA, CREDIT D IMPOT, ECO-PRÊT A TAUX 0% ET PRIME...21 Chapitre 11. POUR EN SAVOIR PLUS...23 ANNEXE. Etat des lieux de la filière...23 Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 2

3 Préambule Avec plus de 30 ans d'expérience, les techniques solaires thermiques sont aujourd'hui éprouvées et fiables. On distingue deux types d'installations : Le Chauffe Eau Solaire Individuel (CESI) en réponse partielle au besoin d'eau chaude sanitaire (ECS) Le Système Solaire Combiné (SSC) en réponse partielle aux besoins de chauffage et d'ecs L'énergie solaire est une alternative concrète pour économiser l'énergie et limiter les émissions de gaz à effet de serre qui sont responsables du changement climatique. L'investissement dans les techniques solaires devient de plus en plus rentable dans un contexte d'augmentation incessante du coût des énergies classiques (fossiles et fissiles). Dans la Réglementation Thermique (RT) 2005, les consommations d ECS pour les «solutions techniques de référence» ont été réduites de 20% par rapport à l'ancienne réglementation. Le solaire thermique est devenu la référence pour un chauffage à énergie fossile ou électrique. Le SSC devrait être introduit dans certaines solutions de référence dans la future RT Chapitre 1. PRINCIPE : LA CONVERSION THERMIQUE Dès que l'énergie du soleil rencontre de la matière, celle-ci transforme une partie de l'énergie en chaleur ; c'est la conversion thermique. Les capteurs solaires thermiques convertissent la lumière (ondes électromagnétiques) émise par le soleil en chaleur. Cette chaleur est transmise à un fluide «caloporteur» (qui véhicule la chaleur). La puissance maximale disponible sur un mètre carré au rayonnement est de l'ordre de 1000 W Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 3

4 Chapitre 2. ÉLEMENTS CONSTITUTIFS D UNE INSTALLATION THERMIQUE Le capteur solaire thermique Un capteur solaire thermique fournit une énergie utilisable à partir d'un certain seuil d'irradiance* (contrairement à un capteur photovoltaïque dont la production est proportionnelle à l'irradiation). *Irradiance : la puissance incidente par une unité de surface sur un plan donné. Par intégration des irradiances sur un intervalle de temps donné, on accède aux irradiations correspondantes, usuellement données en J/m² ou en kwh/m². Un capteur solaire thermique ne monte pas indéfiniment en température : - plus sa température de fonctionnement augmente, plus le rendement diminue jusqu'à s'annuler. - La température de «stagnation» est atteinte en l'absence de circulation du fluide caloporteur (rendement nul). Il existe trois grandes familles de capteurs solaires thermiques : Les capteurs solaires plans ; les plus répandus, Les capteurs à tubes sous vide, Les capteurs moquettes : utilisés notamment pour chauffer les piscines (que nous n aborderons pas ici). Les capteurs solaire plans : la technologie la plus répandue Un capteur plan est composé des éléments suivants : Un absorbeur Une feuille mince de cuivre (0,2 mm) qui présente une bonne conductibilité et une bonne tenue mécanique (résiste à la dilatation et à la corrosion). L'absorbeur a deux fonctions : absorber la plus grande partie du rayonnement solaire, transmettre la chaleur produite vers le fluide caloporteur avec un minimum de pertes. L'absorbeur est recouvert d'un traitement de surface dit «sélectif» qui a pour fonction d'absorber un maximum la lumière et réémettre au minimum la chaleur. Le traitement de surface est obtenu par des procédés électrochimiques ou électrophysiques (peinture noire, oxyde de chrome, traitement sous vide de couleur bleue). Un réseau de canalisation en cuivre dans lequel circule le fluide caloporteur -de l eau ou de l eau additionné à de l antigel (cf. Chapitre 3)- chauffé par l absorbeur. Une isolation thermique arrière et latérale. Les isolants utilisés sont de la laine de verre ou de la mousse polyuréthane de 4 à 8 cm. Une couverture transparente en verre qui assure l'effet de serre et évite le refroidissement de l'absorbeur en le protégeant du vent. Le verre est «trempé» pour résister aux charges thermiques et mécaniques. Il présente un haut degré de transmission solaire caractérisé par une faible teneur en fer. Il est doté d'une surface dite «anti-reflets». NB. Comparer la performance des capteurs solaires qui s exprime en kwh produit par m2 de capteur sur le site Internet de l Institut für Solartechnik SPF: Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 4

5 Les capteurs à tubes sous vide Un capteur sous vide est composé d'une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de diamètre. Il est composé des mêmes éléments que le capteur plan. Exception faite de l isolation thermique qui est constituée par le vide et non par un isolant. Un capteur sous vide atteint de hautes températures ( C) avec de meilleurs rendements que le capteur plan ; aussi est-il notamment utilisé pour la «climatisation par absorption» (température > à 80 C). Le coût peut être plus élevé que le capteur plan du fait de la technologie. Il y a 4 familles de capteurs sous vide : 1. Le capteur à tube sous vide à circulation directe La conception est identique à un capteur plan ; l'ensemble est suffisamment étroit pour être glissé à l'intérieur d'un tube en verre. Exemple : "Cortec" de Giordano et "Vitosol 200" de Viessmann 2. Le capteur à tube sous vide à "Caloduc" La chaleur est transférée par un «caloduc» ; soit un fluide placée dans un tube fermé depuis l absorbeur jusqu'au collecteur situé en partie haute du capteur dans lequel circule un fluide caloporteur. Le caloduc utilise les mécanismes de transfert de chaleur par évaporation et condensation. Le fluide dans le caloduc s évapore en captant la chaleur fournie par l absorbeur, il s'élève donc jusqu'au collecteur et cède sa chaleur par condensation au fluide caloporteur puis il retourne par gravité en bas du tube (les tubes doivent donc être inclinés). NB. Ce type de montage permet le remplacement d'un tube en cas de bris, sans devoir purger toute l'installation. Exemple : fabricant Thermomax, français Tecnisun 3. Le capteur à tube sous vide à effet "Thermos" L absorbeur est glissé dans l'espace interne d'un tube double enveloppe en verre. Ainsi, la soudure verre-métal, toujours délicate, est évitée. Le tube intérieur sert d absorbeur. La chaleur est transmise hors de l'enveloppe sous vide du tube par conduction vers un collecteur dans lequel circule le fluide caloporteur. Exemple : fabricants chinois 4. Le capteur à tube sous vide "Schott" Ce capteur est fabriqué par l'entreprise allemande Schott-Rohrglas qui utilise le principe "thermos" avec plusieurs perfections techniques : - une partie de la paroi intérieure du tube extérieur est un réflecteur cylindrique, - le tube intérieur fait office d absorbeur et d échangeur de chaleur avec le fluide caloporteur, - L'utilisation des métaux est réduite à des traitements de surface du tube et les différentes pièces du collecteur. NB. Si vous vivez en ville et/ou à proximité d'une route très fréquenté il est recommandé de nettoyer les capteurs une fois par an Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 5

6 Comparatif entre le capteur plan et le capteur sous vide Courbe de rendement des capteurs pour un ensoleillement constant Légende : - L abscisse du graphique représente l écart de température entre la température du capteur (Tk) et la température ambiante extérieure (Ta). - Par «Capteur sous vide» entendez «Capteur à tubes sous vide» (en effet, on ne peut pas concevoir un capteur plan sous vide) - Par capteur «sans vitre» entendez capteur moquette utilisé pour réchauffer l eau d une piscine Les performances, de tous les types de capteurs, baissent lorsque qu'ils "travaillent" à une température éloignée de la température ambiante extérieure car les déperditions thermiques augmentent avec la hausse des températures. Un capteur sous vide aura un rendement 30% supérieur à un capteur plan pour produire de l'eau à 90 C. Par contre il sera moins performant qu'un capteur moquette pour réchauffer l'eau d'une piscine de deux degrés par rapport à la température ambiante extérieure. Pour produire de l'eau à 50 C - soit satisfaire à la fois les besoins de chauffage et d'ecs- les performances d'une installation solaire équipée de capteur sous vide seront légèrement supérieures à celles d'un capteur plan. NB. L évaluation ne doit pas se limiter à la comparaison des performances énergétiques des capteurs, d autres critères tels que la fiabilité et la durabilité de l installation sont d une plus grande importance dans le choix d un système solaire. En outre, c est la performance globale du système qu il convient d apprécier, le capteur n étant qu un des composants du système. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 6

7 Le "ballon solaire" Le ballon solaire classique Un ballon solaire est composé : - D un matériau résistant à la corrosion et au dépôt de calcaire ainsi qu'aux températures proches de 100 C. Les fabricants proposent sur le marché des ballons en acier émaillé, en inox ou en synthétique. NB. Les ballons en acier émaillés sont les plus répandus. La plupart sont équipés d une anode sacrificielle en magnésium, qui permet par sa dissolution (oxydation) de réduire le risque de corrosion. Cette anode doit être contrôlée périodiquement et changée si nécessaire. Les ballons en INOX sont plus coûteux. Les ballons en matière synthétique sont plus récents, plus innovants et insensibles à la corrosion. - D un isolant pour conserver la chaleur avec une jaquette en mousse de polyuréthane souple ou en laine minérale. - D un échangeur de chaleur qui transfère la chaleur du circuit solaire (primaire) au circuit secondaire d'ecs et/ou de chauffage. Il est en acier inoxydable ou en cuivre (protection contre les problèmes de corrosion et d'entartrage). On distingue deux types d échangeur : à ailettes ou à tube lisse NB. Optez préférentiellement pour un échangeur démontable afin de pouvoir le nettoyer et/ou le remplacer facilement. Le choix de la configuration dépend de votre installation initiale et de l énergie d appoint utilisée : - Si vous disposez d'un ballon ECS en bon état, vous pouvez le conserver afin qu'il serve de ballon d'appoint. Le ballon solaire «à préchauffage» est branché en série en amont, il alimente l ancien ballon avec de l eau chaude chauffée grâce à l énergie solaire. Si nécessaire, l appoint de votre ballon existant (électrique ou chaudière) apporte le complément. Volume du ballon solaire = volume des besoins journaliers. - Dans le cas d une chaudière instantanée, le ballon solaire est également branché en série. - Si votre ballon est vétuste remplacez-le alors par un ballon bi-énergie. Le ballon solaire «biénergie» contient alors deux échangeurs de chaleur : un échangeur en provenance du circuit des capteurs (en bas), un système d'appoint permettant d'amener l'eau à la température de consigne en cas d'absence du soleil : une résistance électrique ou un échangeur de chaleur, ou les deux si l'on souhaite couper totalement la chaudière en été. Volume du ballon solaire = 1,5 x volume des besoins journaliers NB. L appoint ne se fait que sur la partie haute du ballon, afin de garder une réserve d eau froide pour le retour du soleil. NB. Dans le cas d un petit ballon ECS intégré à la chaudière, les deux possibilités existent, en série ou avec un appoint de la chaudière, moyennant une intervention sur le réseau plomberie. NB. S il s agit d une construction neuve, optez pour un ballon bi-énergie. Cette solution est plus performante, plus simple et occupe moins de place qu une solution avec 2 ballons. Le dimensionnement du ballon solaire tient compte des consommations d ECS pour le CESI et de chauffage pour le SSC (cf chapitre 5). NB. Attention au surdimensionnement qui engendre une consommation d énergie d appoint plus grande. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 7

8 La stratégie anti-légionnelle relative à la production d'ecs. Les légionnelles peuvent se développer dans les réserves d eau. La réglementation (arrêté du 30 novembre 2005) impose pour les réserves d ECS 400 litres soit un : - maintien permanent du stockage à une température 50 C, - choc thermique au moins une fois par 24 heures. Dans les 2 cas, il est difficile de respecter la réglementation avec la production solaire et c est l appoint qui est sollicité. NB. Une alternative intéressante est la production d eau chaude en instantané avec un échangeur interne. Les préconisations de mise en œuvre afin de limiter les pertes thermiques : - Limiter la distance entre le ballon et les capteurs solaires, - Installer le ballon dans un volume chauffé ou au moins isolé, - Positionner le ballon près des points de puisage. Les ballons solaires spécifiques Les ballons à stratification améliorée Ce type de ballon est conçu pour favoriser une bonne stratification des températures. Des écarts de température de plus de 80 C entre le haut et le bas du ballon sont possibles. Associés à un système à débit faible (ou débit variable), ils permettent d'augmenter l'efficacité du stockage. NB. Cette technologie est plutôt réservée au SSC : la partie la plus chaude (en haut) est prélevée pour le besoin d'ecs et la partie la moins chaude (en bas) pour le chauffage. Exemples : ROTEX, SOLAIRE CONNEXION Les injecteurs de stratification Des procédés ingénieux permettent de maintenir une stratification importante dans les ballons, en jouant sur les changements de densité de l'eau en fonction de sa température. Le fluide réchauffé sort du tube de transfert à la hauteur correspondant à sa température. Les ballons en bain-marie Exemple : BUDERUS, DE DIETRICH Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 8

9 La pompe (ou le circulateur) La pompe fait circuler le fluide caloporteur entre les capteurs et le ballon solaire ; elle est activée automatiquement par la régulation lorsque la température du fluide à la sortie des capteurs est supérieure à la température de l'eau sanitaire dans le ballon solaire. Les seuils d'enclenchement et de déclenchement différenciés permettent d'éviter une fréquence trop importante d'arrêt et de marche de la pompe. NB. Le seuil d'enclenchement doit toujours être réglé plus haut que le seuil de déclenchement. On distingue le circulateur à "débit constant" et le circulateur à "débit variable". Le circulateur à débit constant comprend trois vitesses permettant d'ajuster (manuellement) au mieux le débit de circulation du fluide caloporteur. Le circulateur à débit variable "fait travailler" les capteurs à faible débit ("low flow"), ce qui permet d'obtenir des températures plus élevées, avec pour avantages : - La diminution de l'énergie d'appoint, - La diminution de la consommation d'électricité. Un cas à part : la circulation naturelle ou le principe du "thermosiphon". Le ballon solaire doit obligatoirement être placé plus haut que les capteurs. Sur ce principe sont conçus les CESI «en thermosiphon». Le liquide caloporteur circule grâce à sa différence de densité avec l eau du ballon. Tandis qu il est plus chaud, donc moins dense, il s élève naturellement par thermocirculation. NB. Cette installation n a besoin ni de pompe ni de régulation. Ce système et bien adapté à la pose sur supports inclinés en toiture terrasse et se prête moins à la fixation sur un toit en pente. Même s il est bien isolé le ballon se refroidit plus rapidement. La régulation La régulation enclenche (lampe témoin) ou arrête la pompe. Elle est commandée par deux sondes : - l'une est placée à la sortie du champ de capteurs (point le plus chaud), - l'autre dans le bas du ballon solaire, à la hauteur de l'échangeur de chaleur (point le plus froid). Les sondes transmettent un signal électrique qui est fonction de la température mesurée. NB. Les sondes doivent résister aux hautes températures (jusqu'à 200 C), et à l'humidité (condensation). Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 9

10 Le clapet anti-retour Lorsque le ballon est plus chaud que les capteurs (la nuit par exemple), le clapet anti-retour, empêche la circulation par thermosiphon sans quoi le ballon perdrait toute l'énergie accumulée pendant la journée. Le vase d'expansion Le vase d'expansion permet : - de maintenir la pression dans le circuit y compris lorsque les températures extérieures sont très basses (rétraction du fluide), - d'absorber le volume supplémentaire du fluide antigel (dilatation) lors de la montée en température du circuit, - d'absorber le volume contenu dans le capteur en cas de vaporisation. NB. Il faut vérifier la limite acceptable en température de la membrane ainsi que sa compatibilité avec le fluide antigel. La soupape de sécurité La soupape de sécurité évite la surpression dans le circuit lors d'une montée en température de l'installation provoquée par un arrêt accidentel (coupure de courant) de la pompe. Le ressort maintient une certaine pression dans le circuit et laisse s'échapper le fluide si celle-ci augmente trop. NB. Il est recommandé de raccorder la soupape à un récipient afin de pouvoir récupérer le fluide antigel et d éviter les risques de brûlures. L'installation d'une pompe de mise en pression est possible. Elle servira à remettre du fluide dans le circuit après une surchauffe et une évacuation du fluide antigel par la soupape de sécurité, ou une fuite à un raccord. Le manomètre Le manomètre indique la pression du circuit et permet son contrôle. Il indique la pression dans la plage de fonctionnement. NB. La plage de mesure doit être plus grande que la pression effective d'ouverture de la soupape de sécurité. Les vannes Les vannes permettent la vidange et le remplissage du circuit. Elles peuvent aussi permettre d'isoler certaines pièces sur les circuits plus complexes. NB. Les vannes 1/4 de tour à sphères ont l'avantage d'avoir de faibles pertes de charge. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 10

11 Les purgeurs Les canalisations Le purgeur permet d'évacuer l'air du circuit primaire. Le purgeur doit être situé au point le plus haut du circuit dans un endroit accessible ; si possible à l'intérieur du bâtiment de façon à éviter de monter sur le toit pour purger et faciliter ainsi la maintenance de l'installation. NB. Le purgeur automatique est à proscrire sur les circuits remplis de fluide antigel, car il laisse échapper la vapeur qui peut se former dans les capteurs en cas d'arrêt de la pompe lors de fort ensoleillement. De plus, les fluides antigels cristallisent facilement au contact de l'air et peuvent bloquer les parties mobiles des purgeurs automatiques. Le choix se portera donc sur un purgeur manuel. On aura intérêt à intercaler un ballon de dégazage entre l'installation et le purgeur, ceci afin que s'accumule l'air qui peut avoir pénétré dans le circuit. Certains systèmes possèdent un purgeur au niveau de la station solaire et pas au point le plus haut. On force alors la circulation du fluide lors de la mise en marche pour vider le circuit de son air. Les canalisations doivent : résister à des températures élevées (jusqu'à 160 C), résister à une pression supérieure à la pression maximale atteignable dans l'installation, être compatibles chimiquement avec le fluide utilisé (de l'eau additionnée à de l'antigel ou de l'eau). NB. Veillez à la compatibilité du matériau des conduites avec celle du capteur solaire et de l'échangeur de chaleur du ballon d'ecs. Dans la plupart des cas, l'absorbeur est en cuivre et l'échangeur du ballon en acier inoxydable ou en cuivre. Les canalisations seront donc en cuivre. Le tube galvanisé est à proscrire car le zinc réagit avec le mélange eau-glycol et provoque l'apparition de boues qui entraîne des problèmes de corrosion. Des canalisations préfabriquées, constituées de tuyaux inox souples enveloppés dans des gaines isolantes, permettent de diminuer les temps de pose. Les canalisations intérieures sont isolées avec de la laine minérale (laine de verre ou laine de roche) ou de la mousse élastomère flexible en épaisseur minimum 2 cm. Les canalisations extérieures sont isolées puis protégées de l'humidité, des UV et des dégradations mécaniques occasionnées par les animaux par des revêtements étanches métalliques ou des goulottes (type électriques ou descentes de gouttières). Les canalisations enterrées, sont isolées par une préparation à base de polyuréthane qui est ensuite protégée de la terre par un plastique (de type polyane) ou sont composées par des tuyaux pré-isolés. Le limiteur de température (ou mitigeur) Le limiteur de température permet de mélanger l'ecs en sortie du ballon solaire avec de l eau froide afin de ne jamais obtenir des températures trop élevées au point de soutirage. Il comporte une vanne permettant de choisir le température de sortie voulue. NB. Son installation est obligatoire. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 11

12 Chapitre 3. CONSIDERATIONS AVANT D INSTALLER UNE INSTALLATION SOLAIRE Optimiser le «couple» orientation / inclinaison D'une manière optimale, les capteurs sont orientés plein Sud (dans l'hémisphère nord) avec une inclinaison proche de 45 sous nos latitudes. - Orientation / Un décalage d'une cinquantaine de degrés vers l'est ou vers l'ouest n'est pas préjudiciable. - Inclinaison / Il y a un degré de liberté assez large quant à l'inclinaison sans que les performances ne s'en fassent trop ressentir. Toutefois cette tolérance dépend de l'utilisation du capteur solaire : eau chaude sanitaire ou chauffage et ECS. CESI (Eau Chaude Sanitaire) : 20 à 90 SSC (Chauffage + ECS): 45 à 90 NB. En Midi-Pyrénées, les toits sont généralement inclinés à 20 (ou 33%). NB. L'inclinaison peut varier entre 20 et 90 selon que l'on veut privilégier le rayonnement : - d'été : haut sur l'horizon (20 ) - d'hiver : bas sur l'horizon (60) L'orientation à d'autant plus d'importance lorsque les capteurs solaires se rapprochent de la verticale. Faire attention aux «masques» Une ombre, même partielle, affecte la production entière d un capteur solaire ; aussi faut-il accorder un soin particulier à cette question. L installateur doit réaliser une «étude de masque» : afin de mesurer avec précision les pertes de rendement. Les ombres sont projetées par les obstacles (végétation, reliefs montagneux, habitations voisines, câbles du réseau électrique et/ou de téléphone) entre la course du soleil et le plan d'inclinaison du capteur. Pour faire une étude de masque, il faut se munir d'une boussole et d'un clinomètre et relever la hauteur angulaire et l'azimut de tous les obstacles potentiels. Ces données, une fois reportées sur un graphe représentant la projection de la course fictive du soleil à l'endroit du site, permettront de déterminer les heures de lever et de coucher du soleil en fonction de la saison Pour repérer la position du soleil dans le ciel, on utilise deux angles : - la hauteur h : angle entre la direction du soleil et sa projection sur le plan horizontal - l'azimut a : angle entre cette projection et la direction du Sud : a est compté positivement vers l'ouest et négativement vers l'est Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 12

13 Faire un choix entre deux technologies différentes selon la nature du fluide caloporteur L'eau additionnée à de l antigel ou «eau glycolée» : la technologie la plus répandue On utilise des mélanges eau/glycol pour protéger l'installation du gel. l'antigel (monopropylène glycol) doit être de "qualité alimentaire" afin d'éviter tout risque d'empoisonnement en cas de fuite au niveau de la paroi d'échange. Les mélanges caloporteurs préfabriqués par l'industrie chimique comportent également des inhibiteurs de corrosion afin de prévenir l'oxydation des métaux les moins résistants du circuit primaire. NB. Critères de choix du mélange : Niveau de protection antigel adapté / Stabilité à haute température (capteur en stagnation) / Protection anticorrosion / Utilisable avec des matériaux courants / Chaleur spécifique et conductivité élevées / Non-toxicité, faible impact sur environnement / Basse viscosité / Coût AVANTAGE S adapte à tout type de configuration. INCONVENIENTS L antigel transporte moins bien la chaleur que l eau (c est pourquoi on ne l utilise pas à 100%). Les propriétés de l antigel se dégradent sous l action des hautes températures atteintes dans le capteur. NB. Renouveler le fluide caloporteur tous les 5 ans. L antigel est nocif pour l environnement aussi est-il interdit de l'évacuer à l'égout. En conséquence tous les rejets sont recueillis dans un réservoir qui sert également au remplissage et à la mise en pression au moyen d'une pompe spécifique. Coût élévé du fluide caloporteur. NB. Il ne doit pas exister de liaison entre le réseau d'eau froide et le réseau d eau glycolée permettant un remplissage, car ce montage présente un gros risque de baisse de la teneur en antigel et par suite de gel de l'installation. L eau - Le système autovidangeable ou «drain back» Le circuit est rempli avec de l eau non mise sous pression. Lors de l arrêt de l installation (plus de gain solaire, ballon chargé à haute température, panne, ), le fluide redescend dans l échangeur du ballon, réalisé en gros diamètre, capable de contenir tout le fluide de l installation. Lors des phases de marche, la pompe assure la circulation. AVANTAGES Une installation plus simple qui se passe de certains composants : vase d'expansion, soupape de sécurité. Le problème de la surchauffe estivale est résolu (cf recommandation suivante) : arrêt de la pompe si la température dans le ballon dépasse un seuil donné. NB. L installation est également protégée contre le gel : arrêt de la pompe si la température dans le capteur descend en dessous de 0 C Stabilité et faible coût du fluide caloporteur. INCONVENIENTS La mise en œuvre présente une contrainte qui ne s adapte pas à tout type de configuration : les tuyaux doivent absolument avoir une pente descendante, sans aucun point haut, du capteur solaire jusqu'au réservoir de réception du fluide. NB. Ces systèmes montent moins haut en température, sauf le capteur qui est plus souvent en «stagnation». Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 13

14 Part de marché limité. Cette installation nécessite une pompe plus puissante capable de remettre en charge le circuit lorsqu'il est vide ou 2 pompes montées en série. Risque de corrosion (air dans le circuit). Veiller au problème de surchauffe estivale Les surchauffes estivales sont liées à : une sous-consommation périodique d'ecs ou de chaleur en général, un rayonnement solaire plus important. Le problème engendré pour les installations à eau/glycolée- peut être sévère : la température du fluide caloporteur à l'intérieur des capteurs peut monter jusqu'à près de 200 C ce qui entraîne une vaporisation et une montée en pression qu il est difficile de contrôler même avec un vase d expansion. La soupape de sécurité "crache" alors le fluide caloporteur et une intervention manuelle est nécessaire pour compenser la perte de fluide et restaurer une pression de fonctionnement correcte. Pour prévenir le problème : Une surface de capteurs non surdimensionnée par rapport aux besoins et à la capacité de stockage, Une inclinaison des capteurs solaires plus verticale valorisera mieux l apport solaire en hiver et limitera la surchauffe l été, Un système qui gère efficacement la surchauffe : décharge de l excès de chaleur dans une piscine, auto-limitation de la température de stagnation par circulation forcée même quand la température de consigne est atteinte dans le ballon (L option «mode vacances») technologie du système auto-vidangeable (cf recommandation précédente) NB. Votre système solaire doit être suffisamment robuste et bien conçu pour vous éviter toute intervention manuelle telle que couvrir les capteurs d'une bâche. Les systèmes de refroidissement qui ne doivent pas être retenus : "l eau perdue" : à cause du gaspillage d eau. Circulation nocturne du fluide calopoteur : efficacité et cohérence discutable. Diversifier les applications de votre installation en alimentant vos machines à laver Dimensionner votre installation thermique de façon à raccorder lave-vaisselle et lave-linge sur l eau chaude de façon à réduire la consommation d électricité de ces appareils. NB. Installer un mitigeur à l entrée de ces appareils qui permet de régler manuellement la température de l'alimentation. Choisir du matériel certifié, des kits préselectionnés voire un écolabel Matériel certifié CSTbat (français) ou Solarkeymark (européen) conditionnel à l'obtention du crédit d'impôt. NB. Capteurs solaires sous avis technique CSTB La marque «O solaire» Ô Solaire est une marque créée par les industriels de la filière solaire thermique, réunis au sein d Enerplan. Elle sélectionne des systèmes solaires thermiques domestiques : CESI et SSC dans une démarche de qualité. Vous bénéficiez ainsi d une référence claire pour le choix de matériels conformes aux exigences normatives et réglementaires. NB. Ô Solaire facilite l octroi du crédit d impôt et des aides locales. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 14

15 Le label Ange bleu "Der Blauer Engelen" ou Ange bleu est un écolabel d'origine allemande, créé en Le logo reprend le sigle du Programme des Nations unies pour l'environnement (PNUE ). Veiller à la bonne intégration architecturale des capteurs Privilégier une certaine symétrie dans l'implantation des capteurs, Veiller au parallélisme et à l'alignement des plans et des lignes, Respecter l'adéquation entre la forme de la surface qui accueille les capteurs et la forme du champ des capteurs, Respecter les contours du bâtiment : les capteurs seront disposés à une distance de 50 cm d'une arête de toiture (faîtière ou débord de toit). En toiture inclinée Les capteurs peuvent être intégrés dans la toiture, ils bénéficient dans ce cas d'un double avis technique du CSTB (à la fois capteur et couverture) et d'une garantie décennale pour ces deux fonctions. Choisir si possible un capteur dont le coloris, la texture et la finition sont en accord avec la toiture. En toiture terrasse Bien choisir le système de fixation et surtout garantir l'étanchéité de la toiture terrasse. En façade Les capteurs sont inclinés grâce à un support métallique Donner si possible une seconde fonction au champ de capteurs. Une fonction de support structurel, d'étanchéité, de protection solaire, de clos et couvert pour notamment les verrières les couvertures de véranda... Aménager une sorte de carénage/habillage adapté afin de masquer la structure porteuse. NB. Cette disposition convient pour le SSC et permet également de limiter les surchauffes estivales. Sur une dépendance Faire attention à la longueur de canalisation et aux pertes énergétiques associées. Au sol Structure utilisée comme support avec éventuellement un carénage/habillage ou terrain pentu, talus incliné et orienté de façon adéquate. Faire attention à la longueur de canalisation et aux pertes énergétiques associées. Au sol, les capteurs sont plus vulnérables. Déclarer l existence de vos capteurs à votre assureur Les capteurs solaires sont pour la plupart très résistants aux tempêtes et aux impacts de grêle. Ils ne sont pas pour autant indestructibles. De nombreuses compagnies d assurance assurent les capteurs solaires dans le cadre de contrats "assurance habitation". Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 15

16 Chapitre 4. PRECIS SUR LE CHAUFFE EAU SOLAIRE INDIVIDUEL Les éléments à prendre en considération Réduire vos consommations d ECS La consommation moyenne d ECS est comprise entre 35 à 50 litres par jour et par personne (ADEME) si tant est que sont mis en place des économiseurs d eau (50 à 75 litres dans le cas contraire). NB. Vous pouvez placer un compteur d eau appelé «compteur volumétrique» à la sortie du ballon de stockage de manière à déterminer de façon exacte votre consommation d eau en effectuant des relevés. Dimensionner le ballon en fonction de vos consommations (cf. Chapitre 1) Régler la température de consigne à 55 C afin de réduire la consommation de l'énergie d'appoint Adapter vos comportements Puisez, idéalement, l'eau chaude le matin afin que le soleil puisse reconstituer le stock de chaleur dans la journée. Dimensionnement / taux de couverture solaire en Midi-Pyrénées Idéalement, plein Sud incliné à 45 Marge Tolérance +/- 45 par rapport au Sud pour une inclinaison comprise entre 20 et 90. 1m2 de capteur par personne. Taux de couverture solaire (part de d ECS qui est effectivement produite grâce à l énergie solaire) est en moyenne annuelle compris entre 60% et 80%. Les composants Une installation de production d'ecs par l'énergie solaire est constituée par : Des capteurs solaires, Un ballon solaire de stockage d ECS, Une source d'énergie d'appoint qui fournit le complément de chaleur nécessaire. Cet appoint peut être réalisé soit par une résistance électrique et /ou un échangeur (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (gaz, propane, fioul ou bois) située en aval du ballon. NB Consultez «calculs en ligne» sur le site de Tecsol pour évaluer les performances d un CESI Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 16

17 Chapitre 5. PRECIS SUR LE SYSTEME SOLAIRE COMBINE Les éléments à prendre en considération Réduire à la source vos dépenses énergétiques. Le premier des capteurs solaires est la maison elle-même! Dans un projet de construction, veiller à l'orientation (privilégier le Sud pour les pièces à vivre), bien définir la disposition et les surfaces des ouvertures de façon à maximiser les apports solaires passifs en hiver afin de couvrir une partie non négligeable des besoins de chauffage. Puis une isolation performante est requise afin de conserver correctement la chaleur. Mais attention, s'il est utile de capter l'énergie solaire en hiver, il est très important de bien s'en protéger l'été avec des dispositifs adéquats. Dans une maison existante, renforcer l'isolation (toit, mur, vitrage) et installer un système de régulation. Travailler à basse température : plancher chauffant (idéalement) ou murs chauffants et radiateurs «basse température» afin de valoriser l énergie solaire qui produit gratuitement une chaleur à moyenne température. Dimensionnement / taux de couverture solaire en Midi-Pyrénées Prioritairement plein Sud avec une tolérance de +/- 30 pour une inclinaison comprise entre 45 au minimum et 90 (verticale). NB. Optez préférentiellement pour un angle d inclinaison de 50 ou 60 pour favoriser les apports solaires en hiver. 10% de surface de capteurs solaires par rapport à la surface à chauffer. Taux de couverture solaire est en moyenne annuelle compris entre 10% (radiateur haute température) et 50% (plancher chauffant ou radiateur basse température). Une installation bien dimensionnée, bien installée et bien réglée produira en moyenne 350 kwh/ m2 de capteurs. NB. Le site de l INES propose un logiciel d aide au dimensionnement (CASSSC) à la rubrique outils Les composants Une installation de production par l'énergie solaire de chauffage et d ECS est constituée par : Des capteurs solaires. Un ou deux ballons de stockage : - Un ballon spécifique à l ECS sanitaire et un autre au chauffage (de 500 à 2000 litres) - Un ballon qui répond aux deux besoins : ECS et chauffage NB. Cas spécifique le plancher solaire direct de CLIPSOL qui constitue un lieu de stockage Un type d émetteur de chaleur : radiateurs «basse température» et/ou idéalement un plancher chauffant. Une énergie d appoint qui peut être : - totalement indépendante de l installation solaire : appareils au bois, convecteurs électriques, - couplée à la partie solaire de l installation ; il s agit alors d un appareil de production de chaleur (Gaz, Fioul, Bois, Electricité). La régulation gère la mise en route et l arrêt de l appoint en fonction de l ensoleillement, de la demande de chauffage ou d ECS. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 17

18 Chapitre 6. BILAN ECONOMIQUE ET ENVIRONNEMENTAL D UN CESI ET D UN SSC NB. Il s'agit d'un calcul théorique qui se base sur une moyenne des prix, du taux de couverture solaire, des dépenses énergétiques pour une maison neuve ou existante qui seraient conformes à la Réglementation Thermique 2005 (seuil de performance énergétique qui influe sur les consommations). Postulats communs aux prix de l énergie (moyenne 2008, euros courants TTC, source : base Pégase) : Propane : 0,117 /kwh ; Electricité double tarif 6 kva : 0,1257 /kwh ; Fioul domestique : 0,0893 /kwh ; Gaz naturel tarif B1 : 0,0619 /kwh. Le CESI Postulats : Un foyer composé de 4 personnes ; soit un plafond de dépense pour l obtention du crédit d impôt de Une maison neuve située à Toulouse ; soit une TVA à 19,6% Dépenses énergétiques pour le besoin d ECS : kwh ; soit 800 kwh /personne/an Taux de couverture solaire : 75 % des besoins d ECS : kwh (75% de kwh). Energie d'appoint : 800 kwh Caractéristique de l installation : 4 m2 de capteurs solaires orientés plein Sud et incliné à 20 Un ballon de stockage de 300 litres (75 litres/personne/jour) Bilan économique : Capteur + Ballon de stockage : HT -soit une moyenne de HT /m2 de capteur - dont HT d'équipements et HT de pose. TVA 19, TTC Crédit d'impôt : (50% des équipements TTC : HT x 19,6 % de TVA) soit un investissement = ( ) Economie (2400 kwh) en Temps retour (au prix actuel de l'énergie!) en Quantité de CO2 évitée en km de voiture à 140 gco2/km Coût de l'appoint (800 kwh) en!! année Propane 93,6 280, Electricité 100,56 301, Fioul 71,44 214, Gaz naturel 49,52 148, Quantité de déchets radioactifs évitée (2 400 X 0,15 g/kwh) = 360 g! Variante avec une maison existante TVA à 5,5 Capteur + Ballon de stockage : HT soit une moyenne de HT /m2 de capteur dont HT d'équipements et HT de pose. TVA 5, ,50 TTC Crédit d'impôt : 2 373,75 50% des équipements TTC : HT x 5,5 % de TVA soit un investissement = 3 428,75 (5 802, ,75) Economie annuelle sur l énergie substituée (2 400 kwh): Coût de l'appoint (800 kwh) en! Economie (2400 kwh) en! Temps retour (au prix actuel de l'énergie!) en année Propane 93,6 280,8 12 Electricité 100,56 301,68 11 Fioul 71,44 214,32 16 Gaz naturel 49,52 148,56 23 Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 18

19 Le SSC Postulats : Un foyer composé de 4 personnes ; soit un plafond de dépense pour l obtention du crédit d impôt de Maison neuve de 120 m2, soit une TVA à 19,6, équipée d'un plancher chauffant située en Midi- Pyrénées. Dépenses énergétiques : kwh pour le besoin de chauffage ; soit 80 kwh/m2.an (RT 2005) kwh pour le besoin d ECS ; 800 kw /personne/an Taux de couverture solaire : - 40% des besoins de chauffage : kwh (40% de kwh). Energie d'appoint : kwh - 75 % des besoins d ECS : kwh (75% de kwh). Energie d'appoint : 800 kwh Soit au total : Production annuelle de chauffage et d ECS solaire : kwh ( ). Energie d'appoint : kwh ( ) Caractéristique de l installation : 12 m2 de capteurs solaires (10% de la surface à chauffer) orientés plein Sud et inclinés à 60 un ballon de stockage de 500 litres Energie d appoint : une chaudière à condensation un plancher chauffant (55 /m2). Bilan économique : Capteurs solaire + Chaudière + ballon de stockage : HT soit une moyenne de HT /m2 dont HT d'équipements et HT de pose. TVA 19, TTC + Plancher chauffant : Crédit d impôt = 8 611,2 (50% des équipements TTC : HT x 19,6 % de TVA); soit un investissement de hors plancher chauffant ( ,2) Coût annuel du SSC en fonction de l'énergie d'appoint (6 560 kwh): Economie (62400 kwh) Quantité de CO2 évitée en km de voiture à 140 gco2/km Coût de l'appoint Temps retour (au prix actuel (6560 kwh) en! en! de l'énergie!) en année Propane 767,52 730, Electricité 824, , Fioul 585, , Gaz naturel 406, , Quantité de déchets radioactifs évitée (6 240 x 0,15 g/kwh) = 0,936 kg! Variante avec une maison existante TVA à 5,5 Capteurs solaire + Chaudière + ballon de stockage : HT soit une moyenne de HT /m2 dont HT d'équipements et HT de pose. TVA 5, TTC + Plancher chauffant : Crédit d impôt = (50% des équipements TTC : HT x 5,5 % de TVA); soit un investissement de hors plancher chauffant ( ) Coût de l'appoint (6560 kwh) en! Economie (62400 kwh) en! Temps retour (au prix actuel de l'énergie!) en année Propane 767,52 730,08 16 Electricité 824, , Fioul 585, , Gaz naturel 406, , Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 19

20 Chapitre 7. VOS DEMARCHES ADMINISTRATIVES Contacter le service urbanisme de la Mairie ou à défaut la Direction Départementale de l'equipement pour connaître le dispositif réglementaire applicable à la pose de capteurs solaires dans votre secteur géographique définit dans le Plan Local d'urbanisme (qui remplace le Plan d'occupation des Sols) Construction neuve : la démarche d'installation d'un CESI ou d'un SSC est incluse dans «la demande de permis de construire» Logement existant : simple «déclaration préalable de travaux» NB. Si les capteurs solaires sont posés au sol, l'installation est dispensée de toute formalité. Obtenir, le cas échéant, l autorisation de la copropriété. Cas spécifique Si vous êtes aux abords d'un bâtiment classé monument historique (périmètre de 500 m) vous devez recevoir l'autorisation des Architectes des Bâtiments de France. La notion de «covisibilité» avec le monument est ici déterminante ; il s'agit pour l'abf de déterminer si les capteurs solaires et le monument sont visibles ensemble d'un point quelconque, ou l'un depuis l'autre. NB. Si vous recevez un avis défavorable des ABF, sachez que la décision appartient en dernier recours au Maire de votre commune. Le fait d intégrer les panneaux à la toiture peut être un atout. Chapitre 8. CHOISIR VOTRE INSTALLATEUR Choisir un installateur certifié «Qualisol» L association Qualit'EnR regroupe depuis 2006 les installateurs engagés dans une démarche qualité ayant suivi la formation qualifiée exigée par la charte «Qualisol» dont ils sont signataires. L'interrogation de la base de données vous permet de sélectionner les installateurs spécialisés dans la pose de SSC. Visiter des installations réalisées par l'installateur afin de recueillir les avis des particuliers sur la qualité de leur travail. Demander plusieurs devis. NB. Assurez-vous que l entreprise est couverte par une garantie décennale ; elle doit vous fournir une «attestation d assurance». NB. Les installateurs agrées sont audités régulièrement par Qualit enr. De Janvier à Juillet 2009, les résultats sont (chiffres Qualit enr pour la France): CESI : 2037 audits, 51,4% d excellentes prestations, 32,7% de satisfaisantes, 12,6% d insuffisantes et 3,3% de défaillantes, SSC : 240 audits, 32,9% d excellentes prestations, 56,3% de satisfaisantes, 7,5% d insuffisantes et 3,3% de défaillantes Chapitre 9. ASSURER LE SUIVI DE VOTRE INSTALLATION L installation posée par un professionnel doit vous être garantie 2 ans minimum. De plus, votre installateur doit vous fournir les explications nécessaires et la notice d utilisation. Vérifier, de temps en temps, le bon fonctionnement (pression, températures) et l état général (isolation des conduites). NB. Nous vous recommandons d'installer des outils de gestion : compteurs sur les débits d'eau et sur l'appoint, compteur d énergie solaire produite afin de parfaire le suivi. Faire contrôler par votre installateur l antigel et l éventuelle anode anticorrosion contenue dans le ballon tous les 5 ans. Le solaire thermique : Chauffe Eau Solaire Individuel et Système Solaire Combiné 20

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