Touchez le soleil, puis le nuage
Circuit fermé
Dans les pays du sud, on voit des installations solaires simples, où l'eau potable passe directement dans le capteur, avant d'être conduite au robinet. Elles peuvent fonctionner sans pompe – et donc sans électricité – et l'eau chauffée par le soleil est généralement stockée sur le toit.
Ici est présenté un type plus complexe, adapté aux régions où les hivers sont froids et le ciel souvent couvert. L'eau potable ne circule pas dans le capteur; elle parvient dans le bas d'un grand "chauffe-eau" (appelé aussi "ballon ou "boiler") et entre en contact avec deux échangeurs de chaleur: le serpentin du circuit solaire, et le serpentin de la chaudière (ou de la pompe à chaleur).
Le chauffe-eau solaire a un volume plus grand qu'un chauffe-eau ordinaire (réserve d'eau chaude pour les jours sans soleil).
Touchez le soleil, puis le nuage
Par beau temps (hors saison de chauffage)
Le soleil suffit à assurer le chauffage de l'eau chaude sanitaire. La pompe à chaleur (ou la chaudière) peut ainsi rester hors fonction la plupart du temps. Une pompe électrique (circulateur) fait circuler un liquide "caloporteur" (transporteur de chaleur) entre le capteur et le chauffe-eau. L'efficacité du capteur dépend non seulement de sa bonne position face au soleil, mais aussi de la température ambiante. En été, la température du circuit caloporteur peut ainsi monter à près de 100°C. Pour éviter que l'eau du robinet soit brûlante, une thermo-vanne réglable injecte de l'eau froide dans le tuyau d'eau chaude (non représentée).
L'eau potable chauffée s'élève naturellement dans le haut du chauffe-eau, car elle est moins dense que l'eau froide.
Par temps couvert (durant la saison de chauffage)
Le soleil ne suffit pas à amener l'eau chaude sanitaire à la température désirée. Alors la pompe à chaleur (ou la chaudière) vient en renfort pour faire l'appoint de chaleur. Même en décembre, durant les journées ensoleillées, un capteur solaire thermique permet de faire des économies d'énergie, en limitant le travail de la pompe à chaleur (ou de la chaudière).
Les circulateurs et la pompe à chaleur (ou la chaudière) sont pilotées par un boîtier électronique relié à des sondes de température, qui sont situées dans le capteur solaire et à différentes hauteurs dans le chauffe-eau (non représentées).
En été, la température de l'eau peut monter à 95°C
Pour éviter le développement des légionelles dans l'eau tiède (une fois inhalées, ces bactéries peuvent provoquer une pneumonie mortelle), l'eau chaude sanitaire doit atteindre une température d'au moins 55°C. Durant les jours froids et gris d’hiver, cette température est difficile à obtenir avec des capteurs solaires thermiques seuls. Cependant, l'énergie solaire que les capteurs parviennent tout de même à collecter permet d'élever la température de l'eau potable du réseau de plusieurs degrés – et c'est autant d'énergie économisée pour la pompe à chaleur (ou la chaudière) qui doit faire l'appoint de chaleur.
Durant la belle saison par contre, les capteurs thermiques peuvent travailler seuls, monter la température jusqu'à 95°C, et fournir de l’eau chaude en abondance. Pour éviter de se brûler avec de l'eau si chaude, l'installation comporte une vanne thermostatique qui, au sortir du chauffe-eau solaire, injecte de l'eau froide dans le réseau d'eau chaude sanitaire, afin de réduire la température à 55-60°C.
En résumé, les capteurs solaires thermiques permettent à un bâtiment – pratiquement toute l'année – de réduire sa consommation d'électricité (pompe à chaleur) ou de combustible (chaudière).
L’eau sanitaire ne passe pas dans les capteurs: elle est chauffée indirectement par un circuit fermé d’eau et d’antigel (liquide caloporteur), qui circule entre les capteurs et le chauffe-eau. En Suisse, les systèmes solaires avec passage direct de l'eau sanitaire dans les capteurs sont interdits, justement en raison du risque de développement des légionelles.
Lorsque les capteurs sont destinés uniquement à produire de l’eau chaude au robinet, l’installation est généralement conçue pour couvrir entre 30 et 70% de la chaleur nécessaire annuellement. La chaleur d’appoint doit être fournie par une autre source: pompe à chaleur ou chaudière à combustible (bois, gaz, mazout). Le chauffage d'appoint par résistance électrique est soumis à des restrictions dans la plupart des cantons.
L’appoint de chaleur est surtout nécessaire durant la saison de chauffage. D’avril à octobre, la production d’eau chaude se fait le plus souvent sans l’aide de la pompe à chaleur ou de la chaudière: pas de cheminée qui fume (chaudière) ou très peu d’électricité consommée (pompe à chaleur).
Entre 0,5 et 1,5 m2 de capteur solaire par personne
Avec une installation solaire thermique conventionnelle, on compte entre 0,5 et 1 m2 de capteur solaire thermique par personne pour un immeuble locatif, et entre 1 et 1,5 m2 pour une maison familiale (on y pose généralement 2 ou 3 capteurs, soit entre 4 et 6 m2). La performance de l’installation dépend de la surface et de l’orientation des capteurs, de l'ensoleillement, de l’altitude (plus on monte, plus l’ensoleillement est fort), et du type des capteurs (non vitrés, vitrés, tubes sous-vide). Elle dépend aussi de la taille du chauffe-eau: un grand volume de stockage permet de profiter des jours ensoleillés pour compenser le manque des jours maussades.
Une installation solaire thermique a aussi besoin d’électricité pour alimenter le boîtier électronique qui la pilote ainsi que le circulateur (pompe) qui fait tourner le liquide antigel, mais la consommation d'électricité est très faible par rapport à l’énergie collectée (moins de 1%).
La plupart des pompes à chaleur et des chaudières modernes sont conçues pour travailler en tandem avec des capteurs thermiques et un chauffe-eau solaire. D'ailleurs, tous les fabricants proposent des solutions solaires "clé en main". On peut se faire une idée de la performance et du coût d'une telle installation pour son bâtiment avec le calculateur solaire de SuisseEnergie.
En été, une installation solaire thermique conventionnelle peut surchauffer
En été, avec les températures caniculaires et les vacances des habitants qui ne sont plus là pour soutirer l'eau chaude, une installation solaire thermique conventionnelle court le risque de surchauffe: le liquide antigel, qui est sous pression, peut arriver à son point d'ébullition (~130-150°C), et la vapeur bouillante s'échapper dans le vase d'expansion qui sert de sécurité. Si cela se produit, il faudra – au mieux – remettre de l'antigel dans le circuit. Mais si l'installation est mal conçue ou mal montée, il y a un risque que la forte pression et la haute température atteinte dans les capteurs l'endommage sérieusement...
Pour éviter la surchauffe, les installateurs limitent généralement la surface des capteurs aux conditions estivales, afin de ne pas dépasser les besoins d'eau chaude sanitaire que pourraient avoir les habitants durant l'été. En conséquence, la surface des capteurs n'est pas assez grande pour bien assurer la production d'eau chaude durant l'entre-saison.
Contre la surchauffe, le solaire thermique avec DrainBack
Pour éviter la surchauffe, il existe pourtant une solution: la technologie DrainBack ("vidange gravitaire"). Le DrainBack consiste en un circuit d'antigel et d'air parfaitement étanche et hermétique, et qui reste à la pression atmosphérique (le circuit caloporteur n'est pas pressurisé). Ce circuit est couplé à un réservoir de drainage, et il offre toujours une pente d'au moins 2% entre les capteurs et la chaufferie. Lorsque la température de l'eau chaude sanitaire désirée est atteinte, la pompe de circulation de l'antigel s'arrête: l'antigel redescend automatiquement par gravité dans le réservoir de drainage, laissant la place à l'air dans les capteurs. Vidés de leur liquide antigel, les capteurs ne peuvent plus provoquer de surchauffe.
Cette technologie a l’avantage de permettre l’installation d'une plus grande surface de capteurs thermiques, sans risque de surchauffe en été. Le bâtiment peut ainsi profiter d’une production de chaleur importante entre saison et en hiver – une chaleur qui peut servir non seulement à la production d’eau chaude sanitaire, mais aussi venir en appoint au chauffage du bâtiment.
Pour une villa individuelle, une installation solaire thermique avec DrainBack permet d'installer 6, voire 8 capteurs solaires au lieu de 2. C'est d'ailleurs une configuration qu'on peut combiner avec une pompe à chaleur air/eau ou sol/eau – et c'est une solution qui peut être tout aussi efficace que la combinaison avec des panneaux solaires photovoltaïques.
Le DrainBack est connu depuis plus de 30 ans, surtout dans le Nord de l'Europe, mais il a été peu utilisé en Suisse jusqu'ici, faute d'installateurs suffisamment formés. Pas plus coûteux que le circuit d'une installation solaire thermique conventionnelle, il fait partie des solutions techniques pour réussir la Stratégie énergétique 2050 de la Confédération.
Des capteurs solaires thermiques pour la production de l'eau chaude sanitaire sont au bon endroit :
- Dans toutes les situations géographiques, en plaine comme en altitude. Et n'importe où: sur un pan de toit, sur un toit plat, en remplacement d'une partie de la couverture du toit, sous ou devant un balcon, en façade, sur un garage, sur un talus, dans un jardin... pourvu que les capteurs puissent recevoir directement le soleil. Les orientations les plus favorables sont entre le Sud-Est et le Sud-Ouest. Quand on s'écarte davantage du Sud, le rendement baisse, mais il est encore possible d'aller jusqu'à l'Est et l'Ouest, surtout avec des capteurs-tube sous vide. L'inclinaison des capteurs sur la hauteur détermine leur performance au cours de la saison. Si on cherche la performance hivernale, ils doivent regarder idéalement le Sud/ Sud-Ouest et éviter l'accumulation de neige.
- Sur n'importe quel bâtiment, même s'il n'est pas bien isolé. Cependant, pour le même coût qu'une installation solaire, des travaux d'isolation apportent une économie d'énergie souvent plus grande.
- Si une autorisation a été accordée (elle peut être refusée pour des raisons de sauvegarde du paysage ou du patrimoine).
- Si l'installateur peut produire une Garantie de performance validée, chaleur solaire (GPV) de Swisssolar.
- Si le circuit de liquide caloporteur (antigel) et le chauffe-eau sont bien isolés.
- Si on ne gaspille pas l'eau chaude: robinets et pommeaux de douche économes; baignoire isolée et de faible volume pour prendre de longs bains avec peu d'eau.
- Si on peut utiliser l'excès de chaleur produit durant la belle-saison: machines à laver le linge et la vaisselle branchées sur l'eau chaude, chauffage de piscine.
- Si l'installation est régulièrement suivie, et si on ne laisse pas le chauffe-eau s'entartrer.
Calculateur solaire de SuisseEnergie
Calculateur de subventions pour les installations solaires thermiques
Swissolar • Association suisse des professionnels de l'énergie solaire
Garantie de performance validée, chaleur solaire (GPV). Elle garantit l'exécution des travaux de construction d'installations solaires thermiques selon l'état de la technique et l'établissement de devis complets. La GPV est une partie constituante du système de gestion qualité "QM Chaleur solaire" initié par Swissolar.
Sebasol • Ce groupe d'associations sans but lucratif donne des cours d'autoconstruction d'une installation solaire thermique et aide un particulier à la réaliser grâce à des installateurs agréés indépendants.
Les règles d'or de l'énergie solaire thermique, document de SuisseEnergie
Le solaire thermique en Suisse et le potentiel du DrainBack,rapport du LESBAT, 2018
