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Le Solaire Thermique
Nous sommes à l'aube d'une extraordinaire évolution en matière énergétique qui ne fait que commencer !
L'énergie solaire est sans doute, dans le domaine de l'énergie thermique, le moyen le plus efficace, le plus rentable et le plus écologique de produire de l'eau chaude pour les besoins sanitaires de la maison.
Contrairement aux panneaux photovoltaïques qui fabriquent de l'énergie électrique, qui a besoin d'être stockée dans une série de batteries, ensuite transformée en 220 volts, puis être utilisée pour alimenter des résistances électriques qui vont produire de l'eau chaude, les panneaux solaires thermiques produisent directement de l'eau chaude qui circule dans un échangeur placé à l'intérieur d'un ballon de stockage, plus communément appelé chauffe-eau.
Les panneaux solaires constitués de tubes en verre sous vide ont une rentabilité de 30 à 40% supérieure aux panneaux solaires traditionnels plats où l'eau circule dans l'ensemble du panneau avec une déperdition très importante due aux conditions climatiques (vent, nuages et froid), à l'orientation et à l'inclinaison !
Un chauffe-eau solaire est un dispositif de captation de l'énergie solaire destiné à fournir partiellement ou totalement de
l'Eau Chaude Sanitaire (ECS).
Ce type de chauffage permet habituellement de compléter les types de chauffage de l'eau exploitant d'autres sources énergétiques (électricité, énergies fossiles,
biomasse, ...) dans certaines conditions il permet de les remplacer totalement. L'énergie solaire étant parfaitement renouvelable, ce remplacement permet
de limiter efficacement les émissions de gaz à effet de serre ou la production de déchets nucléaires, raison pour laquelle l'installation de tels dispositifs
est fortement encouragée par de nombreux États et collectivités via la fiscalité, des primes et/ou une obligation d'installation sur les nouvelles constructions.
Part de l'énergie solaire :
La part de l'énergie solaire correspond au taux de couverture solaire, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie fournie par la partie solaire d'une installation et
la consommation totale de l'installation. En Europe de l'Ouest, un chauffe-eau solaire permet de réaliser environ deux tiers (66 %) d'économie sur les besoins en
eau chaude, qu'il s'agisse de maisons individuelles (chauffe-eau solaire individuel (CESI)) ou de structures collectives (chauffe-eau solaire collectif (CSC)).
Dans les pays du sud méditerranéen, certains pays d'Asie, les Caraïbes, les chauffe-eau solaires sont habituels ; compte tenu d'un éclairement solaire plus
régulier et plus intense, ainsi que d'une température ambiante plus élevée, l'équipement est beaucoup plus simple, fréquemment constitué d'un simple ballon en toiture,
non isolé au niveau thermique, qui fait usage de capteur solaire en même temps que de réservoir d'eau chaude.
Technique des panneaux solaires thermiques :
Il existe principalement trois types de panneaux solaires thermiques :
- Les capteurs plans non-vitrés : de l'eau circule dans un absorbeur, généralement noir, ouvert à l'air. (cuivre, tube noir)
- Les capteurs plans vitrés : un fluide calo-porteur circule dans un absorbeur, à l'intérieur d'un caisson vitré sur la face exposée au soleil et isolé sur les autres.
Ces capteurs, à la fois simples et performants, peuvent être auto-construits.
- Les collecteurs à tubes sous vide : ces capteurs sont plus complexes ; chaque élément est constitué de deux tubes de verre concentrique, isolés par le vide.
Le fluide calo-porteur circule dans un dispositif placé dans le collecteur en haut du panneau. La très bonne isolation thermique fournie par le vide limite les déperditions,
ce qui permet d'atteindre de plus hautes températures lorsque l'écart de température avec l'extérieur est important, donc notamment en hiver, ou sous des climats froids.
Les tubes ont un revêtement interne permettant de capturer plus de 95% de l'énergie solaire. (Détail du capteur à tube ici)
Un chauffe-eau solaire est constitué de plusieurs organes :
- Des panneaux solaires (ou capteurs solaires thermiques) qui captent l'énergie du rayonnement solaire en chauffant un fluide calo-porteur (eau ou antigel)
dans un circuit primaire. Ce dernier est chargé d'acheminer les calories récupérées jusqu'au circuit secondaire ;
- Un réservoir d'eau chaude (ou ballon d'eau chaude) dans lequel un volume d'eau est chauffé par le liquide calo-porteur à travers un échangeur thermique,
souvent un serpentin de cuivre. Cet organe peut venir aussi en 2 parties : 1 échangeur de chaleur et un réservoir d'eau chaude, ceci peut permettre
la réutilisation d'un cumulus
- Un dispositif de chauffage d'appoint peut être intégré au réservoir, sous forme d'une résistance électrique ou de liaison à une chaudière à gaz,
au fioul ou au bois. Il est utile lorsque l'énergie solaire ne suffit pas aux besoins. L'appoint peut être évité avec une plus grande installation
pour pallier les creux ou en adaptant la façon dont on utilise l'eau chaude.
- Un vase d'expansion sur le circuit primaire, assure la sécurité du matériel, il permet de compenser la dilatation thermique du fluide.
Il prend la forme d'un petit réservoir métallique ; une soupape de sécurité est impérative dans un circuit fermé, dans le cas où elle ne serait
pas intégrée à celui-ci.
- Un circulateur sur le circuit primaire, une pompe mue par un moteur électrique, lorsqu'il s'agit de matériel en « circulation forcée ».
Le tout est géré par une gestion électronique avec plusieurs sondes
Autrement si le réservoir est placé plus haut que le panneau solaire, il n'est pas nécessaire d'utiliser une pompe. La circulation de l'eau dans
le circuit primaire se fait par thermosiphon si la température de sortie du panneau est assez élevée (par rapport à celle en entrée) pour vaincre
les pertes de charges dans le système. L'avantage est que la circulation s'arrête pendant la nuit, gardant ainsi l'énergie accumulée dans le ballon pendant la journée.
Types d'installations :
Le système à circulation forcée est un peu plus complexe (voir schéma d'installation), mais offre un meilleur rendement. Les températures du capteur et du ballon
sont prises en compte par une régulation électronique qui commande la pompe de circulation du fluide calo-porteur, celui-ci étant mis en circulation lorsque
la température du capteur est supérieur à celle du ballon.
Par rapport au système à thermosiphon, le débit plus élevé du fluide calo-porteur assure des températures plus basses dans tout le circuit primaire
réduisant ainsi les pertes thermiques, améliorant ainsi le rendement.
Cette configuration offre plus de possibilités quant à l'emplacement du ballon, celui-ci ne devant plus être nécessairement placé au-dessus des capteurs,
ce qui permet de s'adapter plus facilement aux contraintes du bâtiment. Le ballon est alors le plus souvent posé à l'emplacement ou en complément du chauffe-eau
électrique ou à côté de la chaudière existante pour faciliter l'appoint.
Système d'appoint au chauffage :
Le système de chauffage d'appoint est nécessaire pour pouvoir disposer d'eau chaude même pendant les périodes de faibles ensoleillements.
Il est possible de s'en passer, mais cela conduit à une installation plus importante, principalement d'un réservoir beaucoup plus gros,
puisqu'il doit être capable de fournir de l'eau chaude durant des périodes grises. Un système de chauffage d'appoint, de type chaudière à gaz, fioul ou électrique,
est une solution intéressante d'un point de vue économique.
Il existe alors trois possibilités pour placer ce chauffage d'appoint :
- Soit directement en série à la sortie de l'accumulateur d'eau chaude. Celui-ci se déclenche alors de manière automatique lorsque l'eau en sortie de l'accumulateur
est trop froide. Il faut une grande puissance instantanée pour chauffer l'eau au passage à la demande. Le gaz ou le fioul correspondent au mieux à un tel fonctionnement.
En effet, avec l'électricité, on arrive très vite à la limite imposée par l'abonnement (Système français de facturation) mais le principe à des avantages en
termes de rendement si on place le chauffe-eau instantané au plus près de la consommation.
- Soit avec un échangeur de chaleur secondaire dans l'accumulateur, afin de chauffer l'eau de celui-ci, ce qui évite un fonctionnement intermittent à chaque demande d'eau.
Cette solution est cependant interdite dans certains pays (en Espagne par exemple), car elle nuit à l'efficacité de l'apport solaire (celui-ci étant d'autant plus important
que l'eau dans le réservoir est froide). Un contrôleur intelligent (sonde) doté d'une minuterie serait souhaitable pour rendre le système autonome.
- Soit avec un échangeur de chaleur associé ou placé dans un deuxième réservoir monté en série avec le premier et alimenté par ce premier. Cette manière de chauffer
l'eau par le système d'appoint ne nuit pas à l'efficacité du système de chauffage solaire, mais augmente les perditions depuis les surfaces plus importantes des réserves
ce qui oblige à une légère augmentation de la surface de captage. Dans le cas d'un échangeur de chaleur associé, le deuxième réservoir peut être une bouteille mélangeuse
et l'échangeur, un échangeur à plaque.
Positionnement et orientation du chauffe-eau solaire :
Le positionnement et l'orientation d'une installation solaire peuvent être plus ou moins difficile à optimiser. La première question étant de savoir si on doit avantager
une saison sur une autre.
En général, il faut privilégier la saison froide, car c'est là que le besoin de chaleur est le plus grand. C'est particulièrement vrai pour le chauffage solaire (radiateur)
dont on n'a besoin que durant l'hiver.
Par contre l'optimisation selon une saison d'un chauffe-eau solaire est moins importante, car l'eau chaude sanitaire est consommée toute l'année. Cependant, un chauffe-eau
de taille raisonnable, orienté pour le soleil d'hiver arrivera sûrement à fournir de l'eau chaude le reste de l'année.
Dans le cas d'un camping utilisé seulement l'été, une optimisation sur le soleil d'été permet de sous-dimensionner les capteurs au prix d'un apport en hiver doublement
réduit par le faible nombre de capteurs et par la mauvaise optimisation de l'inclinaison.
Positionnement et inclinaison en France métropolitaine :
Un chauffe-eau solaire est un système technique sensible. Outre les raccordements techniques, la configuration et la mise en œuvre, l'exposition des panneaux doit être
bien étudiée pour maximiser le rendement.
L'orientation doit maximiser l'exposition au soleil, être vers le Sud dans l'hémisphère Nord (et inversement), au moins entre sud ouest et sud est. L'inclinaison est aussi
importante pour le rendement. Bien que soumis aux contraintes du bâtiment (comme une intégration sur toiture), un placement en façade est optimal techniquement.
Il permet l'optimisation de l'inclinaison pour l'hiver et d'éviter ainsi la surchauffe en été.
Exemples d'inclinaison optimum du toit en France métropolitaine pour une orientation plein sud :
- en fin juin : 30° (soit une pente de 50%, style toit provençal).
- aux équinoxes : 45° (soit une pente de 100%, style toit du Nord).
- en fin décembre: 70° (soit une pente de 300%, presque la verticale).
Une orientation qui dévie du plein sud, même faiblement, verticalise encore les inclinaisons optimales.
Il faut aussi veiller à minimiser le masquage par des ombres d'objets voisins (bâtiments, arbres, collines). Chaque installation devra être étudiée au cas par cas selon
les contraintes locales. Il faudra prendre en compte les ombres d'hiver qui sont plus longues que les ombres d'été, cependant certains arbres perdent leurs feuilles,
et laissent donc passer le soleil.
Quand la vue est dégagée côté sud (campagne), l'optimum d'hiver conduit souvent à installer les capteurs en façade à hauteur suffisante pour éviter les ombres d'hiver
(cabanon, pergola, cloture, arbuste). Les capteurs sont donc placés juste en-dessous de la gouttière pour une toiture normale et juste au-dessus pour une toiture à la Mansard (sur la pente forte).
Dans un environnement très urbanisé, très boisé (haute haie), ou dans un terrain encaissé, seuls les hauteurs les plus grandes peuvent échapper aux ombres portées par
les obstacles de l'environnement. Les capteurs seront donc placés au plus haut, c'est-à-dire sur le toit.
Règles et normes en France :
Règles à respecter pour l'implantation de panneaux de chauffe-eau solaire en France :
Pour des raisons de droit de l'urbanisme, une autorisation de l'architecte des bâtiments de France peut être nécessaire en cas de construction dans un périmètre
des bâtiments de France, de Plan de Sauvegarde et de Mise en Valeur (PSMV), de Site Classé, Zone Verte, Zone Classée Patrimoine Mondial ou autre Secteur sauvegardé.
Également, pour raisons liées au droit de l'urbanisme, il faut déposer une Déclaration de Travaux au service du cadastre de la mairie de la commune où est située l'habitation.
Retour sur investissement :
Le temps de retour sur investissement dépend du rendement de l'installation (quantité d'énergie qu'il permet d'économiser), le coût de l'énergie qu'il remplace,
et du coût de l'investissement. Cette durée variant beaucoup suivant la zone géographique et l'ensoleillement. Si cette installation est faite soit même,
cette durée de retour sur investissement peut être considérablement réduite.
Source : Wikipédia
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