Les kits solaires thermiques

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1 ÉQUIPEMENT 1 Les kits solaires thermiques L équipement solaire pour les particuliers a le vent en poupe si l on ose dire. En quelques années l offre de matériel s est dès lors considérablement étoffée. Une petite visite dans un salon spécialisé par exemple est édifiante à cet égard. Le nombre de fabricants et d installateurs ayant investi dans ce secteur est de plus en plus grand. La plupart de ces fabricants proposent aujourd hui des kits solaires complets, qui comprennent les différents éléments constitutifs du système. 57

2 Tous les kits, et ils sont nombreux, proposent un équipement complet permettant d installer un système de chauffe-eau solaire. Du capteur au ballon en passant par le circuit primaire, la pompe et le régulateur, tout est prévu et optimisé. Ce nombre élevé d offres entraîne également une grande diversité des systèmes. Chacun y va de son innovation ou de son excellence technologique. Afin de comprendre l intérêt du système et les rudiments de son fonctionnement, quelques explications sont nécessaires. Elles vous aideront à mieux percevoir la problématique et à opérer vos choix en toute connaissance de cause. Principe de fonctionnement Le fonctionnement du chauffe-eau solaire est simple, gratuit, efficace mais aussi irrégulier, ce qui ne lui permet pas d être totalement autosuffisant. Son principe peut se résumer en cinq étapes successives que nous vous résumons brièvement : 1. Capter l énergie solaire Généralement placé sur la toiture, le capteur solaire est un coffre rigide et vitré, thermiquement isolé, contenant des tubes métalliques noirs. Il constitue le cœur du système car c est lui qui absorbe le rayonnement solaire et le conserve partiellement par échauffement. 2. Transporter la chaleur C est le rôle du circuit primaire. Etanche et calorifugé, il contient le liquide caloporteur, généralement de l eau additionnée de glycol (antigel). Ce liquide s échauffe en passant dans les tubes du capteur et se dirige une fois chaud vers un réservoir ou ballon de stockage. 3. Restituer la chaleur Un échangeur thermique, généralement sous la forme d un tuyau en serpentin, cède ses calories solaires à l eau sanitaire stockée dans le ballon. Lorsqu il a cédé sa chaleur, le liquide caloporteur refroidi repart vers le capteur où il est chauffé à nouveau tant que l ensoleillement est efficace. 4. Stocker l eau chaude C est le rôle du ballon solaire. Il s agit d une cuve métallique extrêmement bien isolée qui stocke la réserve d eau sanitaire. 1. Capteurs solaires plats «Vitosol» de Viessmann 2 & 3. Ce kit simple et complet, disponible en 6 versions, dispose de trois éléments de base: un ou deux capteurs solaires, le 5 à 7. La chaleur captée sur le toit est transmise directement au réservoir d eau chaude sanitaire. Lorsque l énergie solaire est insuffisante, 58 2 préparateur d eau chaude sanitaire et le système de régulation. Système «aurostep» de Vaillant 4. Capteur plat «aurotherm» de Vaillant, pour système solaire sous pression 6 7 le kit hydraulique alimenté par une pompe à chaleur prend le relais. Système «Altherma» de Daikin L eau chaude prélevée par le réseau de distribution de la maison est immédiatement remplacée par la même quantité d eau froide, laquelle sera réchauffée à son tour par le liquide caloporteur du circuit primaire. 5. Pallier l insuffisance d ensoleillement Sous nos latitudes, il faut constamment faire face à des périodes défavorables en terme d ensoleillement : hiver, grisaille, longues périodes d intempéries, sans compter les nuits, plus ou moins longue, où le soleil fait évidemment complètement défaut. L énergie solaire ne peut donc assurer la totalité de la production d eau chaude. C est pourquoi le ballon solaire, contrairement à un ballon classique, doit être équipé d un dispositif d appoint capable de prendre le relais en cas de besoin et reconstituer alors le stock d eau chaude. Nous verrons que plusieurs systèmes sont possibles. Les composants principaux du système Nous venons de passer en revue le principe même du solaire thermique. Pour faire fonctionner ce système, plusieurs éléments techniques sont indispensables. Mais pour chacun de ces éléments, il existe des variantes, ce qui oblige tout candidat acheteur à opérer un certain nombre de choix techniques. Pour bien opérer ces choix, il est nécessaire au préalable de comprendre quels sont ces différentes options techniques. C est ce que nous vous proposons

3 à présent. Notre but n est pas ici de rentrer dans les moindres détails, un professionnel de l équipement solaire pourra mieux vous conseiller en fonction de votre situation particulière. Nous souhaitons simplement ici détailler quelque peu les différentes options possibles au niveau des éléments principaux du système, à savoir les capteurs, le chauffe-eau et le dispositif d appoint qui fera ici l objet d une attention approfondie La gamme «Vitosol» de Viessmann propose des capteurs plats et des capteurs tubulaires, plus performants mais aussi plus chers. 2. Le montage de capteurs thermiques sur une toiture s avère particulièrement discret Les capteurs solaires Les capteurs thermiques, couramment appelés panneaux solaires, sont les éléments visibles du système puisqu ils sont installés en général sur la toiture. Leur rôle est évidemment essentiel puisqu ils jouent le rôle d interface entre le fournisseur d énergie (le soleil) et le système de stockage et distribution d eau chaude (le ballon). Mais il existe deux types différents de capteurs solaires thermiques (nous ne parlons pas ici des capteurs photovoltaïques). La principale différence entre ces deux types de capteurs concerne le rapport rendement/surface. Capteurs plans : Il s agit de châssis fermés par une vitre sous laquelle est installé un absorbeur constitué de plaques et de tubes avec un revêtement absorbant. Le fluide caloporteur (eau + glycol) qui circule dans le circuit primaire s échauffe en traversant l absorbeur de long en large. Le capteur est d autant plus performant que l absorbeur a un coefficient d absorption élevé et un coefficient d émission faible Aujourd hui, on utilise le plus souvent du chrome noir déposé sur une plaque de cuivre où sont noyés les tuyaux contenant le fluide. Comme dans une serre, la vitre retient la chaleur réémise par l absorbeur, ce qui accroît l échauffement du fluide. Un isolant placé sur la face arrière du caisson améliore encore les performances du panneau. L élévation de température peut atteindre 70 C de plus que la température de l air ambiant extérieur. Les capteurs de type plans sont soit de type «caisson», 3. Capteurs «Vitosol», préparateur d eau chaude «Vitocell», chaudière à gaz «Vitodens» et organes de régulation composent le kit solaire complet proposé par Viessmann. à poser au-dessus de la couverture de toiture, soit de type «intégré» auquel cas ils sont incorporés dans la couverture qu ils remplacent tout en assurant l étanchéité de l ensemble. Capteurs sous vide : Les capteurs tubulaires sous vide se présentent sous la forme d un alignement de tubes en verre transparent. Dans chaque tube, un absorbeur capte la chaleur solaire et un système d échangeur de chaleur la transmet au circuit de fluide caloporteur. Dans les tubes, l atmosphère sous vide constitue

4 chauffe-eau solaire indépendant coexistent. Le CESI monobloc regroupe le panneau capteur et le ballon de stockage sur un même châssis. Le ballon doit être situé au-dessus du capteur, de sorte que la circulation du fluide caloporteur se fait par thermosiphon, c est-à-dire de manière naturelle et donc sans pompe. Plus léger, le fluide caloporteur réchauffé s élève vers l échangeur présent dans le ballon tandis que le fluide refroidi redescend naturellement dans le que la position du ballon ne permet pas d y intégrer une source d énergie d appoint qui, si nécessaire, devra être placée en aval du système. Le CESI à éléments séparés se compose d un ballon installé à l intérieur de la maison mais aussi d une pompe de circulation et d un système de régulation. Chauffé dans les capteurs, le fluide caloporteur est dirigé vers le ballon de stockage. A l intérieur de celui-ci, il traverse un le système de régulation coupe la circulation. SSC : Depuis quelques années, on a acquis une solide expérience dans la mise au point de chauffeeau solaires. Ces appareils sont aujourd hui efficaces et performants. Mais l énergie solaire, source d énergie gratuite, inépuisable et non polluante, peut aussi couvrir une partie des besoins de chauffage d un bâtiment. On parle alors de système solaire combiné, capable 4. Les capteurs de type tubulaires (ici de la gamme «Vitosol» de Viessmann) peuvent aussi être montés verticalement sur une façade. un des meilleurs isolants thermiques existants, ce qui permet d obtenir une élévation de température plus élevée qu avec le système de capteurs plans. En théorie, l élévation de température peut atteindre plus de 100 C. L exposition de l absorbeur peut être optimisée lorsque les tubes sont orientables. Ils peuvent être placés sur un plan vertical (tubes à l horizontale), accrochés sur une façade ou sur un garde-corps. Ces capteurs à tubes sous vide sont très performants, ce qui permet de réduire leur surface. Mais ils sont aussi sensiblement plus chers que les capteurs plans. Le choix entre les deux systèmes relève dès lors d un bon rapport surface/ rendement/ coût. 2. Le chauffe-eau solaire Un bon chauffe-eau solaire moderne et correctement installé permet d économiser selon les régions et les saisons entre 40 et 70 % du coût de la production d eau chaude sanitaire. On distingue ici aussi deux systèmes différents : le chauffe-eau solaire indépendant (CESI) et le système solaire combiné (SSC). Chacun de ces deux systèmes se décline également en deux types distincts. CESI : Le chauffe-eau solaire indépendant est conçu uniquement pour produire de l eau chaude sanitaire (ECS), c està-dire l eau chaude utilisée pour la salle de bains et la cuisine essentiellement. Deux types de capteur. C est un système très simple, fiable et peu coûteux qui ne nécessite pas de frais de fonctionnement. Néanmoins, il n est pas adapté à toutes les situations car le ballon est disposé au-dessus du capteur et donc sur le toit de sorte que le système ne peut être installé que dans une région au climat chaud et quasiment hors gel. Si vous possédez une résidence secondaire en Provence ou en Espagne, ce genre de système peut s avérer particulièrement avantageux. Sachez cependant échangeur thermique de type serpentin et cède ses calories à l eau chaude sanitaire. Le fluide refroidi repart vers les capteurs grâce à la pompe de circulation. Le système de régulation mesure en permanence la température de l eau au niveau des capteurs et au niveau du ballon et il contrôle la mise en route ou l arrêt de la pompe en fonction des besoins. Il met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l eau sanitaire du ballon. Si la sonde du ballon est plus chaude que celle du capteur, d assurer simultanément le chauffage de l habitation et la production d eau chaude sanitaire. En général, les installations sont prévues pour couvrir de 20 à 40 % des besoins annuels en chauffage selon la région et la taille de l installation. En ce qui concerne le chauffage, il existe deux grands types de systèmes solaires combinés : le système à hydroaccumulation et le plancher solaire direct (PSD). Le plancher solaire direct (PSD) est un système qui utilise la dalle du plancher chauffant comme 4 60

5 émetteur de chaleur mais aussi comme élément de stockage d énergie. Cette technique est donc plutôt adaptée à la rénovation lourde et à la construction neuve. L eau chauffée par les capteurs est acheminée dans le réseau du plancher chauffant et transmet ses calories à la dalle en béton qui doit avoir une épaisseur de 10 à 15 cm. L inertie de cette dalle permet de restituer avec un certain décalage la chaleur du jour. Un circuit en dérivation sert à chauffer parallèlement le ballon d eau chaude sanitaire. L hydro-accumulation est une technique un peu moins performante que la précédente mais elle est plus facile à mettre en œuvre dans un habitat existant. Son principe consiste à stocker la chaleur produite par les capteurs dans un volume d eau tampon. L énergie emmagasinée sert à chauffer l eau des planchers chauffants ou des radiateurs de préférence fonctionnant à basse température. Les progrès de la recherche, notamment sur la régulation et la gestion du stockage de l énergie dans les ballons, permettent de réaliser aujourd hui des systèmes performants et compacts dont le volume est acceptable (de 500 à 2000 litres). La préparation de l eau chaude sanitaire se fait alors soit à l intérieur du même ballon de stockage soit en utilisant un chauffe-eau solaire indépendant. 3. L appoint Si le rayonnement solaire est gratuit et inépuisable, il n est malheureusement pas disponible en tout temps et à toute heure. Il peut être totalement défaillant (la nuit) ou limité (temps couvert) et n est par conséquent pas autosuffisant. Tôt le matin, l eau de la douche risque de manquer de chaleur et en hiver l énergie produite sera certainement insuffisante, du moins sous nos latitudes. C est la raison pour laquelle tout système de chauffeeau solaire doit être équipé d un système d appoint destiné à pallier à tout moment l absence d apport énergétique solaire. C est à ce niveau que les systèmes proposés sur le marché diffèrent sensiblement. Il existe en effet plusieurs manières ou techniques 1 & 2. Avec ses capteurs, ce système de chauffe-eau solaire indépendant (Cesi) permet d alimenter en énergie gratuite un réservoir de 150 ou de 250 litres équipé d un simple ou d un double échangeur selon que l appoint est électrique ou hydraulique. Système «Helioset» de Saunier Duval 3 à 6. Le véritable moteur de ce kit solaire n est autre que le système de commande intelligent Solar Inside qui assure à tout moment de la différentes pour assurer cet appoint, des plus simples aux plus sophistiquées, de sorte qu il est toujours possible de trouver chaussure à son pied dans ce domaine. Voyons quelles sont les diverses solutions envisageables. L appoint indépendant : Il s agit de disposer parallèlement à l installation solaire d un système de chauffage de l eau totalement distinct. Les deux systèmes coexistent mais ne sont pas reliés entre eux. Il peut s agir d un second ballon conventionnel à chauffage électrique ou d un chauffe-eau indépendant au gaz. 61 La coexistence de deux systèmes parallèles est d un point de vue pratique une solution peu optimisée. Le réseau de tuyauterie doit être raccordé aux deux chauffe-eau et le passage de l un à l autre ne peut être automatisé. Il faut donc choisir à quel moment on passe d un système à l autre, avec toutes les approximations que cela suppose. L appoint couplé : L acquisition d un système d appoint couplé au chauffe-eau solaire est une solution nettement plus efficace, plus confortable et qui bénéficie aujourd hui de technologies parfaitement maîtrisées, capables d optimiser le passage du solaire à l appoint. On parle de système d appoint couplé lorsque celui-ci fonctionne avec le même ballon d eau chaude que le chauffe-eau solaire. Le réservoir de stockage est commun, c est la source d énergie qui est différenciée. Plusieurs techniques sont disponibles sur le marché et peuvent être mises en œuvre. 1 2 Analysons-les en détail. Le fonctionnement des systèmes d appoint couplés 1. Système couplé interne Un système couplé interne ou électro-solaire fait appel à l énergie électrique pour assurer l appoint de chauffage de l eau en cas de déficience solaire. Dans ce système, le ballon de stockage est équipé non seulement d un échangeur de chaleur solaire sous forme de serpentin alimenté par les capteurs, mais aussi d une résistance électrique classique, semblable à celle que l on retrouve dans les ballons d un chauffe-eau traditionnel. Un système de sonde et de régulateur enclenche automatiquement la résistance électrique lorsque la chaleur produite par les capteurs est insuffisante pour porter l eau chaude sanitaire à la température désirée. Ce système couplé interne est simple et peu onéreux puisque tout est incorporé dans le même ballon, mais c est un gros consommateur d électricité. 2. Système couplé externe Egalement appelé système hydrosolaire, le couplage externe permet de faire l appoint de calories par l intermédiaire d un second échangeur de chaleur raccordé à une chaudière située en aval. En d autres termes, le ballon de stockage est équipé de deux serpentins : l un raccordé aux capteurs solaires et l autre à la chaudière. Comme dans le système précédent, un régulateur permet d automatiser le passage d une source d énergie à l autre. Généralement, ce régulateur est conçu pour donner toujours la priorité à la source d énergie solaire. L apport de la chaudière externe n est mis en route qu en cas de nécessité, c est-à-dire lorsque l eau chauffée dans les capteurs n atteint plus la température nécessaire au bon fonctionnement du système. La chaudière utilisée pour l appoint peut être de tous types. Il peut s agir d une chaudière à gaz classique ou à condensation. Il peut aussi s agir d une chaudière au mazout, celle qui alimente déjà le chauffage de la maison par exemple. Il existe également des installations fonctionnant en appoint avec une chaudière au bois (bûches, plaquettes ou pellets) ou

6 même avec une pompe à chaleur. Peu importe le combustible ou la source de chaleur, tout système conçu pour alimenter un réseau domestique de chauffage peut être utilisé pour constituer l appoint d un chauffe-eau solaire. Si cette solution est retenue, il est recommandé d installer le ballon de stockage à proximité de la chaudière afin d optimiser la chaleur produite en raccourcissant autant que possible la distance entre la production de chaleur et son stockage. 3. Système couplé intégré Les technologies les plus récentes et les plus évoluées offrent aujourd hui des solutions que l on peut qualifier d intégrées. Le principe en est simple et consiste à incorporer la source de chaleur d appoint, généralement une chaudière au gaz peu volumineuse, dans la même enveloppe que le ballon de stockage. L ensemble parfaitement intégré en un seul volume est non seulement plus compact, mais tout y est optimisé en terme de rendement. Un régulateur électronique avec tableau de commande numérique pilote automatiquement le système en fonction des paramètres souhaités. La gestion des deux sources d énergie est parfaitement optimisée car conçue dans ce sens, ce qui permet d obtenir les meilleurs rendements du marché. Ces systèmes intégrés sont disponibles dans une large gamme de volumes, ce qui permet de choisir son système. On peut l utiliser uniquement pour produire son eau chaude sanitaire. Mais on peut aussi concevoir le raccordement du système de chauffage de la maison en même temps que la production d eau chaude sanitaire. On obtient alors un système très compact et à la rentabilité optimale. apparaît comme une solution intéressante. Si vous rénovez un logement ancien ou si vous souhaitez simplement ajouter des capteurs solaires à une installation existante, il faudra vous adapter. Le couplage à votre chaudière peut alors être une solution. D une manière générale, il n y a pas de solutions idéales. Tout dépend de plusieurs critères : la région dans laquelle vous habitez, la composition de la famille, le volume du logement, son orientation Avant toute décision, prenez le temps d évoquer les diverses solutions possibles avec un ou de préférence plusieurs installateurs. Attention, ceux-ci doivent impérativement être agréés pour que vous puissiez bénéficier des aides publiques liées à l installation d un système de chauffage solaire. journée une interaction efficace entre tous les composantes du système. Capteurs FKT et système «Solar» de Junkers. 7 & 8. Parfaitement intégrés dans la toiture, les capteurs de ce kit solaire alimentent un réservoir d eau chaude sanitaire (200, 300 ou 500 litres). Le groupe de transfert assure la régulation de l ensemble du dispositif. Système «Gemelios» de Geminox A l heure du choix Face à la diversité des équipements et des systèmes que nous venons d évoquer, le choix n est pas toujours aisé. Cette diversité est cependant favorable au développement des kits solaires parce qu elle permet d apporter une solution à la très grande majorité des situations personnelles. Si vous construisez un nouveau logement, tout est possible et l installation d un système intégré