Mon toit convient-il à une installation solaire thermique?
Fiches techniques

1) François Calame
bureau d'études et d'installations TOURNESOL / Genève
magazine SSES Nos 22 et 23/1994
Introduction:
    Le chauffe-eau solaire (CES) n'est apparu en Suisse que vers 1980 alors qu'il équipe depuis 40 ans la plupart des villes australiennes et israéliennes. La facilité d'accès aux réseaux d'énergies non-renouvelables et le faible coût de ces dernières n'ont pas encouragé les Helvètes à s'équiper. Seule une motivation écologique et un vision à long terme ont permis une lente introduction de ces systèmes sur le marché dans notre pays. Les programmes d'encouragement et d'information fédéraux et cantonaux y contribuent.
    Il est délicat d'avancer un temps moyen d'amortissement pour ces installations car les paramètres techniques sont propres à chaque installation; néanmoins, on peut affirmer que l'investissement est largement amorti sur la durée de vie de l'installation. Les performances les plus intéressantes sont atteintes avec des installations qui récupèrent le maximum d'énergie solaire en fonctionnant à des températures proches des températures d'utilisation, entre 30 et 50ºC. Le résultats ainsi obtenus couvrent entre 40 et 64% des besoins en énergie pour la production d'eau chaude et un stockage important (env. 60 à 80 litres par m²) assurent la quasi-totalité des besoins en été et un préchauffage efficace le reste de l'année. L'orientation et l'inclinaison des capteurs jouent également un rôle important dans le résultat. Une fourchette de 45º de part et d'autre du sud et une inclinaison de 25 à 50º est utilisable. L'adaptation aux supports existants, toitures, talus... est également plus importante que la course aux kWh; le facteurs esthétique étant enfin souvent un obstacle à la décision.
Les deux systèmes:
    Le système thermosiphon: L'accumulateur solaire est placé plus haut que les capteurs (par ex. horizontalement sous la charpente) et le circuit primaire circule par gravité sans regulation ni circulateur; et le système à circulation forcée: L'accumulateur solaire est placé dans la chaufferie, une régulation avec thermostat différentiel commande le démarrage et l'arrêt d'un circulateur en fonction des températures des capteurs et de l'accumulateur solaire. Dans les deux cas, le circuit primaire est rempli de liquide antigel. Le système thermosiphon est plus simple, silencieux et insensible aux risques de coupure de courant (et de panne de pompe...), il est aussi bien sûr plus économique MAIS n'est pas adaptable dans tous les cas (principalement lors d'une installation sur maison existante). Le système à circulation forcée permet l'utilisation à distance des capteurs solaires et de tous les modèles de capteurs; en outre la consommation électrique du circulateur est à prendre en considération dans le bilan de l'installation.
    Dans les deux cas, 2 raccordements au circuite sanitaire de la maison sont possibles:
- Le raccordement "parallèle": la production d'eau chaude solaire sont intégrés dans le même accumulateur. L'appoint peut être électrique ou sur le circuit de chauffage
- Le raccordement "série": L'accumulateur solaire founit une eau préchauffée au boiler électrique ou au ballon raccordé à la chaudière.
    La solution "parallèle" est moins onéreuse par son accumulateur unique mais également moins performante en période de préchauffage. Un raccordement mixte peut être envisagé avec une vanne by-pass: en été, un appoint électrique couvre les manques solaires. En hiver, le circuit passe en série sur le ballon de la chaudière.
    Chaque cas mérite d'être attentivement étudié et un schéma précis permet de simplifier l'exécution. Tout fournisseur ou installateur compétent doit pouvoir, en outre des garanties légales, présenter à l'utilisateur une étude des résultats attendus. Le pris\x de ces installations, fourniture et main-d'oeuvre, varie entre 8'000 et 14'000 francs pour une maison familiale. A noter que certains cantons subventionnent de telles installations, dont la demande peut être faite par l'installateur auprès le l'Office cantonal de l'énergie).
1/ Critères techniques
1-1 Le volume du ballon est à considérer en fonction:
- de la consommation moyenne journalière (env. 70l/pers)
- de l'accumulation potentielle qui permet de conserver l'énergie au delà de la période d'ensoleillement. Un rapport de 2 fois la consommation journalière permet d'obtenir un rendement intéressant. Après 24h, les déperditions diminuent sensiblement le gain solaire. Le volume d'un ballon d'appoint raccordé en série n'est pas à prendre en considération dans le dimensionnement d'un système de préchauffage solaire mais en augmente les performances et ne contrarie pas l'autorégulation obtenue grâce à la stratification (niveaux de température croissants sur la hauteur du ballon). Néanmoins pour des raisons économiques ou de place disponnible, un seul ballon équipé de 2 échangeurs reste intéressant
1-2 La surface des capteurs est définie en fonction:
1-2-1 des besoins en énergie qui dépendent de la quantité d'eau chaude sanitaire consommée quotidiennement, de la température de l'eau du réseau et des déperditions du système. Une moyenne de 70l / personne et par jour est admise pour la population genevoise. La température du réseau à Genève se situe entre 6 et 12ºC selon la situation géographique (ville ou campagne) et bien sûr la saison. Une moyenne de 10ºC peut être prise pour le dimensionnement.
    L'énergie nécessaire pour élever l'eau froide jusqu'à 60ºC, température de stockage maximum, sera donc de 60-10ºC x 1.16 x 0.07m³ = 4.06 kWh. Afin d'éviter une surchauffe en été on dimensionnera les capteurs de telle manière à ne pas dépasser les 100% de couverture solaire les mois les plus ensoleillés.
1-2-2 des performances de capteurs et de leurs caractéristiques qui diffèrent passablement en fonction des performance de l'absorbeur, de leur isolation et de leur température de stagnation (température à laquelle les déperditions sont égales à l'absorption).
absorbeurs:
Ils sont généralement construits en métal, inox, acier, aluminium, selon des procédés de tubes sous une plaque ou de 2 plaques emboutées et soudées. Leur revêtement absorbant est déterminant pour obtenir un bon coefficient et pour conserver ses performances dans le temps. Un revêtement sélectif (qui absorbe plus qu'il n'émet dans les gammes d'ondes utiles: infrarouge) comme l'oxyde de chrome déposé par galvanoplastie remplit ces conditions.
vitrage:
Il crée un effet de serre dans l'espace entre lui et l'absorbeur (seulement une partie de l'énergie remise par l'absorbeur peut ressortir du capteur). Certains vitrages sont traités antireflet afin de diminuer la réflexion.
Isolation:
Elle est obtenue sur l'arrière par des isolants courants (laine minérale ou mousse plyuréthane) pour les capteurs plans et par la vitre sur le devant. Une sur-isolation n'augmente plus les performances dès que d'autres facteurs pourraient être améliorés (inclinaison, orientation). Les capteurs tubulaires sont eux, isolés par un vide d'air comme les vitrages isolants, ils permettent une légèreté et une étanchéité de leur construction mais limitent la taille des absorbeurs (0.1 à 0.2 m² par capteur).
Cadres et caissons:
Assurent l'étanchéité des capteurs et permettent leur fixation sur les supports ou la toiture. Vertains capteurs sont équipés de profils qui sont utilisables pour l'intégration dans la toiture.
Performances:
Très variables selon ces éléments et l'on déterminera son choix en fonction de la température souhaitée, de leur qualité et de leur prix. Un capteur surisolé ne sera pas forcément utile pour préchauffer l'eau sanitaire où l'on désire obtenir des températures de 30 à 50ºC et ses risques de surchauffe augmentereont si le dimensionnement est large. Le coefficient optique (Ao) d'un capteur tient compte de l'absorbeur et du vitrage et permet de comparer les modèles disponibles (Ao entre 0.65 et 0.87 habituellement). Récemment, des capteurs non-vitrés ont obtenus de bons résultats sur des installetions collectives où le rapport entre le prix de la surface de captage et de la partie hydraulique de l'installation est déterminant.
2/ Critères économiques
    Les prix des énergies fossiles et électriques étant très bas et les comparaisons ne tenant généralement pas compte des coûts sociaux et de l'impact sur l'environnement, on se limitera à apprécier le rendement propre à l'investissement et à l'entretien de l'installation.
    La longévité d'une installation est tributaire de la qualité des matériaux, de son dimensionnement et de son entretien. La surchauffe est un facteur courant de dégradation des capteurs et de la tuyauterie mais peut être évitée lors du dimensionnement. Les frais d'entretien, consommation électrique de l'éventuel circulateur, régénération de l'antigel, détartrage du ballon ne sont pas négligeable (environ 2 à 5% du prix de l'installation par année). Plus le système est simple moins les pannes sont possibles donc les périodes d'arrêt et les frais diminuent.
3/ Choix des matériaux
    La partie hydraulique étant déterminée par le volume du ballon et la surface de capteurs, pour la tuyauterie le choix retse celui du type de ballon et de capteurs.
3-1 Le ballon d'ECS:
    Tous les ballons d'eau chaude ne conviennent pas pour un usage solaire.Leurs caractéristiques les plus importantes sont la taille des échangeurs en inox ou cuivre étamé qui doivent correspondre à la puissance et à la température de fonctionnement des capteurs ou de l'ppoint et la qualité de l'isolation, 75mm au minimum. La position des échangeurs est déterminante pour atteindre les résultats prévus, l'échangeur doit être le plus bas possible dans le ballon et l'échangeur d'appoint dans la seule partie supérieure du ballon. Dès 50m² environ de capteurs, un échangeur extérieur peut être prévu mais qui nécessite un circulateur supplémentaire sur le circuit sanitaire. Un appoint (généralement électrique mais pas forcément) peut être installé dans la partie supérieure du ballon en complément d'un autre appoint, chaudière par exemple, pour permettre d'éteindre la chaudière hors de la période de chauffage.
    Un ballon horixontal avec double enveloppe est aussi possible si la place disponible est restreinte ou si le circuit fonctionne en thermosyphon (sans circulateur principal). Le prix d'un abllon solaire mixte (2 échangeurs) varie de 2000 à 7000 CHF selon sa fabrication et sa contenance (de 200 à 1000 litres).
3-2 Les capteurs solaires:
    En Suisse nous avons la chance de pouvoir comparer tous les types de capteurs solaire (plus de 100 testés par le même laboratoire de l'Institut technique de Rapperswil) dans les mêmes conditions. Ces tests donnent des indications fiables des performances atteintes (en Suisse) avec des températures de fonctionnement diverses. Il est donc important, lorsqu'on consulte une entreprise de demander ces résultats et de faire établir un bilan prévisionnel de l'installation.
Comparer
    La "chasse" au kWh n'est pas le seul critère de choix: les matériaux utilisés pour l'absorbeur (cuivre, acier, alu, inox...), le vitrage (épaisseur, antireflet, trempé...), le cadre (acier galvanisé, alu, polyester...), les dimensions ainsi que les accessoires de raccordement, de fixation et d'intégration. Des références d'installations similaires ou si possible une visite permettent d'apprécier la qualité du produit.
Le prix
    Pour un champ de capteurs d'une villa, il se situe entre 400 (capteurs non-vitrés) et... 2000 CHF (capteurs sous vide avec réflecteur) par m², avec l'installation sur la toiture mais sans le raccordement hydraulique.
3-3 Le circuit hydraulique et la régulation:
    Le circuit primaire (entre les capteurs et l'échangeur) doit être dimensionné en fonction du champ de capteurs et doit être très bien isolé puisqu'il fonctionne à des températures variables et parfois dans les conditions de températures extérieures (toiture, grenier non isolé). Les matériaux couramment utilisés sont le cuivre, l'acier, l'inox et le polyéthylène réticulé ("PUR"), les matériaux synthétiques sont à déconseiller si les capteurs choisis peuvent atteindre plus de 90ºC. Il est impératif d'installer des purgeurs (manuels) à la sortie du champ de capteurs et où le circuit forme un point haut.
    L'isolant doit être protégé des intempéries à l'extérieur, son épaisseur varie de 10 à 20mm selon la qualité. Ce circuit est rempli d'un liquide antigel suffisamment dosé pour protéger l'installetion jusqu'à au moins -25ºC. Un débitmètre à la sortie du circulateur est pratique pour vérifier le débit et le bon fonctionnement de l'installation. Une soupape de sécurité et un vase d'expension sont indispensables pour la protéger de surpressions. La régulation est constituée d'un thermostat différentiel qui relève la température du champ de capteurs et la température de la partie basse du ballon (au-dessus de l'échangeur) pour enclancher et déclancher le circulateur. Des réglages de démarrages et d'arrêt de celui-ci évitent les à-coups de la pompe en début de journée ou lorsque le soleil se cache quelques minutes.
4/ Exemple de dimensionnement
Hypothèses:
- Maison familiale de 5 personnes - habitation à l'année - chauffage de l'eau couplé au chauffage central mazout - toiture sud-est inclinaison 32º - consommation d'ECS estimée de 350 litres à 60ºC par jour - consommation d'énergie par année pour l'ECS env. 7300 kWh (0.350 x 360 x 1.16 x 50) soit environ 20kWh par jour - volume du ballon solaire 750 litres.
    Les besoins connus, on se référera à la documentation des tests pour comparer les performances d'où l'on établira le dimensionnement suivant:
- inclinaison 30º, orientation sud-est, température moyenne capteur 40ºC - ensoleillement global annuel sur ce plan: 1263.6 kWh (à Kloten) - rendement global par m² pour ce capteur: 609.7 kWh (49%) - rendement maximum au mois de Juillet soit 3.72 kWh/m² et par jour - rendement maximum au mois de juillet à 50º: 2.44 kWh - rendement maximum au mois de juillet à 100º: 1.20 kWh/jour - température de stagnation: environ 160ºC - besoins par jour (20 kWh) avec 5.37m² à 40ºC, 8.19 m² à 50ºC, 16.65 m² à 100ºC.
- On considérera que l'installation puisse être inutilisée pendant 2 jours de suite. On limitera la surface des capteurs à 6m² => 6 x 1.2 kWh x 3 jours = 21.6 kWh, soit la puissance nécessaire pour élever le ballon à env. 60ºC et éviter ainsi la surchauffe. Après cette période seule la sécurité du ballon équilibrera la température. On peut tenir compte en plus des déperditions sur le réseau primaire et celles du ballon correspondant globalement à 5% du rendement annuel brut.
Résultats finaux:
- apport solaire annuel net à 40ºC: 3475 kWh (= 609.7 x 6 x .95)
- taux de couverture solaire: 47% (= (3475/7300) x 100)
- économie de mazout réalisée: 300 litres (= 3575 x .10 x .85)
- prix total de l'installation: 12000 CHF
- prix du kWh sur 20 ans y compris l'entretien: 0.28 CHF (= 12000 x 1.6/20 x 3475)

2) Bernhard Stricker
magazine SSES Nos 22 et 23/1994
    La consommation standard d'énergie pour la préparation d'eau chaude est de 2,5 kWh par personne et par jour, ce qui revient à 10 kWh par jour pour une famille de quatre personnes. Des mesures concrètes démontrent toutefois que la consommation effective par habitant est bien inférieure, à savoir 1,7 kWh par jour.
    Pour garantir que le rendement d'une installation solaire soit optimal, l'orientation et l'inclinaison du toit sont déterminantes. Un toit peut s'écarter de 45o - vers l'ouest ou vers l'est - de la direction sud sans qu'il n'en résulte une réduction significative du rendement. L'angle de positionnement peut lui aussi varier considérablement: les inclinaisons entre 20o et 60 o conviennent parfaitement à des installations solaires.
    Les capteurs d'installations compactes mesurent généralement environ 5 m2. Un capteur mesure le plus souvent 2 mètres sur 3. L'accumulateur solaire a la même taille qu'un chauffe-eau conventionnel et la place qui lui est nécessaire est le plus souvent disponible.

Pour des renseignements supplémentaires, veuillez visiter le site des chauffe-eau solaires de l'EPFL, véritable mine de renseignements! 
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