INTRODUCTION

Le solaire thermique permet d'utiliser une énergie inépuisable et gratuite (si l'on ne tient pas compte de l'investissement) pour obtenir son eau chaude sanitaire ou pour chauffer des locaux.
Il permet surtout d'économiser des énergies fossiles et d'éviter des émissions supplémentaires de dioxyde de carbone.
Il utilise l'effet de serre dont on entend parler si souvent de façon négative. Il faut se rappeler que l'effet de serre est indispensable à la vie sur Terre, mais il faut conserver le fragile équilibre actuel : moins d'effet de serre et on entre dans une période glaciaire, plus d'effet de serre et c'est la fonte des glaciers, la montée du niveau des mers …

On remarquera que le solaire thermique utilise l'effet de serre pour diminuer les émission de dioxyde de carbone, donc pour limiter l'augmentation de l'effet de serre sur la Planète.

Une installation de solaire thermique est constituée d'une chaîne de trois maillons : récupération de l'énergie solaire - stockage de l'énergie - distribution de l'énergie.
Le capteur est le premier maillon ; le ballon d'eau chaude, le ballon de stockage ou le plancher chauffant est le deuxième ; le troisième est l'eau chaude sanitaire ou le plancher qui rayonne la chaleur emmagasinée.

L'EFFET DE SERRE

C'est l'effet recherché dans une serre d'horticulteur ou de maraîcher (d'où son nom).
Le Soleil nous envoie un ensemble de rayonnements :
* la lumière visible, blanche, qui est le mélange d'innombrables lumières colorées (les couleurs de l'arc en ciel).
* des rayons ultraviolets (UV) invisibles mais responsables du bronzage et des coups de soleil.
* des rayons infrarouges (IR), invisibles eux aussi, mais que la peau détecte par la sensation de chaud (ce sont surtout grâce à eux que nous ressentons "le chaud" lorsqu'on se trouve au soleil).

Les rayons IR sont émis par tout objet, et d'autant plus que l'objet est plus chaud. En passant à proximité d'un fourneau, d'un barbecue, on ressent sur la peau de la chaleur : on détecte les IR émis par ces appareils très chauds.
On ressent également une douce chaleur, par un soir d'été, en passant à proximité d'un mur qui a été échauffé pendant la journée par le Soleil.

Un corps qui reçoit des rayons IR se réchauffe ; un corps qui émet des IR se refroidit (il perd de la chaleur).

Les IR émis par le Soleil ou les différents objets ont des propriétés différentes.
Des matières telles que le verre ou certaines matières plastiques se laissent traverser (elles sont transparentes) par les IR issus du Soleil ou de corps très chauds, mais sont opaques aux IR provenant d'objets dont la température n'est pas très élevée.

Dans le cas de la serre, les IR provenant du Soleil traversent le verre et chauffent le sol et les plantes de la serre. Ces corps tièdes émettent en direction de l'extérieur des IR, mais ceux-ci ne peuvent traverser le verre, ils sont absorbés. La vitre s'échauffe donc et émet à son tour des IR : la moitié vers l'intérieur de la serre, l'autre moitié vers l'espace : c'est une perte de chaleur qui occasionne un refroidissement de la serre. Ainsi, la moitié seulement de l'énergie rayonnée par le sol de la serre est perdu. En l'absence de vitres, la totalité des rayons IR partirait dans l'espace et la température du sol serait donc plus faible.

Avec effet de serre

Sans effet de serre

Pour la planète Terre, soumise elle aussi à un effet de serre, ce sont les gaz à effet de serre (CO2, vapeur d'eau, méthane, CFC, etc) qui jouent le rôle de la vitre. Ce sont eux qui arrêtent les rayons IR émis par la Terre vers l'espace et en renvoient la moitié vers le sol ce qui contribue au réchauffement de la planète.

Il faut rappeler que sans gaz à effet de serre, la planète serait inhabitable, la moyenne de la température sur la Terre serait négative (actuellement, la température moyenne est voisine de 15°C). L'effet de serre est indispensable pour la survie des espèces peuplant actuellement la planète. Mais l'équilibre fragile doit être conservé : si l'effet de serre devient plus important la température moyenne de la Terre va augmenter ; si cet effet diminue, la planète se refroidira. Dans les deux cas, il y a dérèglement climatique, ce qui est néfaste pour les êtres vivants.

1 : rayonnement solaire dans l'espace et se dirigeant vers la Terre.
2 : rayonnement réfléchi par la haute atmosphère.
3 : rayonnement solaire arrivant sur le sol.
4 : rayonnement infra rouge émis par la Terre.
5 : rayonnement renvoyé par les gaz à effet de serre vers la Terre.
6 : rayonnement envoyé par les gaz à effet de serre vers l'espace.

LE CAPTEUR SOLAIRE THERMIQUE

Les capteurs thermiques utilisés pour les chauffe-eau et pour le chauffage sont les mêmes.

Le capteur solaire fonctionne en utilisant l'effet de serre.
Il est composé d'un absorbeur qui reçoit les rayons du Soleil et donc s'échauffe. Il s'agit généralement d'une plaque noire traitée spécialement pour absorber au maximum le rayonnement et pour émettre un minimum de rayons IR.
Cette plaque doit transférer la chaleur reçue à un fluide (le plus souvent de l'eau mélangée à un antigel, mais cela peut être de l'huile ou même de l'air). Plusieurs solutions techniques sont utilisées :

- Première solution, celle du radiateur extra-plat de chauffage central : l'absorbeur est soudé sur son pourtour avec une plaque métallique, le liquide caloporteur circule entre ces deux plaques. Il est donc en contact direct avec l'absorbeur, d'où un meilleur transfert de chaleur.

- Deuxième solution : la plaque est en bon contact (soudée ou sertie) avec des tuyaux dans lesquels passe l'antigel. Dans ce cas, il y a deux possibilités : soit un tuyau unique serpente sur la surface de l'absorbeur ; soit un certain nombre de tuyaux rectilignes, parallèles au grand côté de l'absorbeur, relient un collecteur froid en bas à un collecteur chaud, en haut (les collecteurs peuvent aussi être les 2 en haut).

Tuyau unique

Tuyaux parallèles avec collecteurs opposés

Tuyaux parallèles avec collecteurs accolés

Au dessus de l'absorbeur est placée une vitre pour obtenir l'effet de serre. La vitre est le "couvercle" d'un coffre dans lequel se trouve l'absorbeur. L'ensemble doit être convenablement isolé pour limiter au maximum les pertes calorifiques. Il doit être également étanche, toute humidité dans le capteur entraînant la formation de buée qui réfléchira une partie des rayons solaires.

1 : rayonnement solaire incident
2 : rayonnement solaire transmis à travers la vitre vers l'absorbeur
3 : rayonnement solaire réfléchi par la vitre vers l'extérieur
4 : rayonnement infrarouge produit par l'absorbeur vers la vitre
5 : rayonnement infrarouge transmis par la vitre vers l'extérieur
6 : rayonnement infrarouge réfléchi par la vitre vers l'absorbeur

Pompe ou thermosiphon ?

* L'installation peut fonctionner en thermosiphon, le système est alors autonome. La circulation du liquide est due à la convection. Dans ce cas, le ballon d'eau chaude doit se trouver obligatoirement plus haut que les capteurs. L'installation doit être soignée, les tuyaux doivent être assez gros, les plus courts possible et avec peu de coudes. La pente des tuyaux doit être régulière.
Dans les pays méditerranéens, ce système est très présent sur les terrasses des maisons ; le ballon et les capteurs étant montés sur le même bâti.

* Le plus souvent, et notamment dans notre région, l'installation fonctionne avec une pompe (genre circulateur de chauffage central). L'inconvénient étant la dépendance à l'électricité et la nécessité d'un système de régulation qui pilotera la pompe en fonction de l'ensoleillement et de la température dans le ballon.
Les avantages étant une circulation plus rapide du liquide dans les capteurs (donc un meilleur rendement) et surtout la possibilité de placer le ballon n'importe où.
A noter que l'on peut rendre le système autonome en utilisant une pompe fonctionnant en 12V reliée à un panneau photovoltaïque (capteur qui transforme les rayons du soleil en électricité).

Où doit-on placer le ballon ?

* Si on n'utilise l'eau chaude que pour des bains (peu de soutirages, mais gros volumes utilisés à chaque fois), le ballon peut être placé où l'on veut.
* Si on utilise l'eau chaude très souvent et en petite quantité (se laver les mains, laver une assiette …), le ballon devra se trouver le plus près possible du lieu d'utilisation (on ne doit pas faire couler 5 litres d'eau froide avant de sentir arriver l'eau chaude).

Quelle surface de capteur ?
Cela dépend, bien sûr, de la consommation d'eau chaude et du volume du ballon.
Le volume du ballon dépend de la consommation et de l'autonomie souhaitée : même en été il peut y avoir plusieurs jours sans soleil ; pendant combien de jours veut-on pouvoir utiliser la réserve d'eau chaude ?
En général on considère que le volume du ballon est de 100L par personne et que la surface de capteurs est de 1 mètre carré pour l'installation plus 1 mètre carré par personne.

Quelle orientation pour les capteurs ?
Le plus au sud possible ! Un décalage de 30° par rapport à cette direction privilégiée est acceptable, au delà, le décalage supplémentaire devient de plus en plus pénalisant.

Quelle inclinaison des capteurs ?
Cela dépend des choix de départ.
* si on veut de l'eau chaude solaire uniquement pendant la période estivale, une inclinaison de 30° à 45° est satisfaisante.
* Si on veut utiliser de l'eau chaude solaire en hiver, l'inclinaison devra être de 60° (les rayons du Soleil devant être proches de la perpendiculaire au capteur).

Intégration :
Les capteurs solaires peuvent être posés sur le toit, par dessus les tuiles. Ils peuvent aussi être intégrés, c'est-à-dire qu'ils remplacent une partie des tuiles.
On peut aussi les placer sur une terrasse, un support est alors nécessaire pour obtenir une bonne inclinaison.
Les capteurs peuvent aussi être placés en pare-soleil sur la façade ou sur un balcon.
On peut encore les poser sur un talus à proximité de la maison (attention, plus les tuyaux sont longs, plus leur isolation doit être soignée.

Quelle énergie d'appoint ?
Le Soleil ne brille pas tous les jours. On subit de longues périodes (surtout en hiver) sans soleil. On a cependant besoin d'eau chaude. Il faut donc prévoir un réchauffage "classique" de l'eau.
Il y a beaucoup de solutions ; mais elles ne sont pas toutes équivalentes. Chacun choisira en fonction de ses impératifs.
Dans tous les cas, il faudra veiller à ce que le solaire reste prioritaire. Prenons un exemple avec un appoint électrique : si on place la résistance au fond du ballon (comme dans tout cumulus), l'énergie électrique chauffera le ballon entier pendant la nuit. Au matin, le Soleil brille, mais comme l'eau est déjà chaude, on ne l'utilise pas. Il faut donc placer la résistance en haut du ballon, le Soleil chauffera le bas ; mais si le matin il n'y a pas de soleil, comme il y a peu de réserve d'eau chaude, il risque d'y avoir pénurie. Il faut dans ce cas que le chauffage électrique de l'eau puisse se faire de jour.

Le même souci doit être observé si l'appoint est la chaudière (quel que soit le type d'énergie). Le ballon est équipé de deux serpentins : l'un en bas est relié au circuit solaire, l'autre, en haut, est relié au circuit de la chaudière. Il est indispensable que le ballon soit vertical, et il est souhaitable qu'il soit plus haut que large pour favoriser la stratification de l'eau (la température de l'eau augmente du bas vers le haut du ballon).
On peut aussi choisir deux ballons, un solaire et un d'appoint. Ils peuvent être montés en série ou en dérivation. Il faut se faire conseiller par quelqu'un de compétent car les mauvais choix sont possibles.

Le Soleil brille, on remarque que la presque totalité de l'eau du ballon est chaude.

Le ciel est couvert. Le chauffage de l'eau est réalisé par l'appoint. On remarque qu'il n'y a que la partie supérieure du ballon qui est chaude.

Boucle de décharge :
En été le Soleil tape fort ! La température dans le ballon peut atteindre des valeurs élevées, donc dangereuses. Il faut donc prévoir un mélangeur thermostatique à la sortie du ballon pour éviter des brûlures sous la douche ou à la sortie d'un robinet.
La régulation peut éviter le recours au mélangeur : il suffit de lui donner une consigne sur la température maximale du ballon. Quand la température du ballon atteint la valeur maxi, le circulateur s'arrête, le ballon ne chauffe plus.
Mais attention, dans ce cas, le capteur, n'étant plus refroidit, s'échauffe fortement, ce qui peut amener un vieillissement prématuré des capteurs.
Pour certains chauffe-eau solaires, il faut prévoir une boucle de décharge qui évacuera la chaleur excédentaire reçue par les capteurs. Avant le devis, il faudra demander à l'installateur si le système prévu nécessite ou non cette boucle de décharge.

Quel entretien ?
Très peu de choses ! Eventuellement, une fois ou deux par an, passer un coup de chiffon sur les vitres des capteurs.
Vérifier le niveau du fluide caloporteur.
Si l'eau est très calcaire, il faudra peut-être procéder à un détartrage du ballon (mais l'entartrage d'un ballon solaire est beaucoup moins rapide que pour un cumulus, car la température de la résistance est plus élevée que celle du serpentin).

Petit conseil :
Tant qu'à avoir maintenant de l'eau chaude gratuite (en excluant l'investissement), autant en profiter au maximum.
Utiliser cette eau chaude pour le lave-vaisselle et le lave-linge. On commence à trouver ces appareils avec une entrée prévue pour l'eau chaude. Cela évite ou réduit la consommation d'électricité et c'est bon pour la Planète !
Si votre machine à laver le linge n'a pas d'entrée prévue pour l'eau chaude et que le chargement se fait par le haut, vous pouvez, après avoir placé le linge dans le tambour, verser un seau d'eau chaude prélevée au robinet. Le rinçage se fera à l'eau froide.

LE CHAUFFAGE SOLAIRE

L'énergie solaire la plus facilement récupérable est celle qui pénètre par les fenêtres. On dit qu'il s'agit de solaire passif. On devra donc privilégier les larges vitrages au sud. Des volets bien étanches et isolants sont nécessaires pour limiter les pertes de chaleur pendant la nuit.

Pour le solaire actif (on va chercher la chaleur à l'extérieur) on utilise des capteurs thermiques. La température du liquide caloporteur étant peu élevée (de 30 à 50°C), il n'est pas possible d'utiliser des radiateurs classiques de chauffage central (ceux-ci sont prévus pour fonctionner avec de l'eau dont la température est supérieure à 45°C).
Il faudra donc choisir les planchers chauffants, voire les planchers ET les murs chauffants, de façon à avoir une surface émettrice de chaleur la plus grande possible, ce qui permet de valoriser un fluide caloporteur tiède.
L'avantage supplémentaire de ce choix est un confort thermique plus grand. En effet, la température perçue dans une pièce dépend autant de la température des murs que de celle de l'air.

Dimensionnement de l'installation :
Plus la surface de capteurs est grande, plus le système sera efficace en hiver, mais le risque de surchauffe est plus grand en mi-saison et en été.
En fait, on cherchera un compromis pour lequel le rapport efficacité / coût est optimum.
D'un point de vue général, on estime que le ratio de 15m2 de capteurs pour 100m2 de surface habitable est suffisant.

Plancher solaire direct ou échangeur de chaleur :
* Le plancher solaire direct (PSD) offre un meilleur rendement, la chaleur captée étant presque totalement cédée au plancher chauffant. L'inconvénient (mineur) étant que l'antigel est nécessaire dans toute l'installation (y compris dans la chaudière d'appoint).

* L'échangeur de chaleur sépare le circuit solaire (contenant de l'antigel) du circuit de chauffage (contenant de l'eau). L'inconvénient, outre le prix de l'échangeur, est un rendement plus faible : une partie de la chaleur récupérée par les capteurs n'est pas cédée à l'eau du chauffage central.

Schéma de principe plancher solaire direct

Orientation, inclinaison :
Les capteurs doivent être orientés au sud. Un décalage par rapport à cette direction privilégiée de 20° est acceptable. Au delà, la chute du rendement est de plus en plus pénalisante.
Pour une efficacité optimale, les rayons du soleil doivent être perpendiculaires aux capteurs. Lors de la saison de chauffe, le Soleil ne monte pas très haut dans le ciel. Les panneaux doivent donc être très inclinés. Dans notre région, la pente optimale est de 60° (la latitude + 10°). L'inclinaison des capteurs est plus grande pour le chauffage que pour le chauffe-eau.

Energie d'appoint :
Le Soleil n'étant pas au rendez-vous chaque jour, il est nécessaire de prévoir un chauffage d'appoint.
*Le chauffage d'appoint peut être indépendant du chauffage solaire. Par exemple des radiateurs électriques ou un poêle à bois ou un insert … Suivant le cas, le passage au chauffage d'appoint se fera automatiquement ou manuellement.
*Le chauffage d'appoint peut être combiné au chauffage solaire : une chaudière (quelle que soit l'énergie qu'elle utilise) est branchée en parallèle sur le même circuit de chauffage. Une régulation bien étudiée gèrera automatiquement le passage de la chaudière au solaire et vice versa, en fonction de l'ensoleillement, de la température extérieure et intérieure.

Le Soleil brille. L'appoint ne fonctionne pas. Ce sont les capteurs qui chauffent le ballon et le plancher chauffant (qui accumule la chaleur, il la restituera progressivement).

Le ciel est gris. La régulation a mis en fonction l'appoint (chaudière par exemple).

Chauffage solaire combiné (chauffage et production d'eau chaude)

Surchauffe,boucle de décharge :
En été le Soleil tape fort ! Les besoins sont limités à l'eau chaude sanitaire. La température des
capteurs va monter et cela peut provoquer des ennuis : le liquide caloporteur peut
bouillir (d'où perte de vapeur et peut-être problème de pression dans le circuit : attention au vase d'expansion !), les capteurs peuvent vieillir prématurément.
Il est prudent de prévoir une "boucle de décharge", c'est-à-dire un circuit dans lequel le fluide caloporteur se refroidit. On peut chauffer la piscine ou chauffer le sol du bûcher pour sécher plus rapidement le bois, on peut aussi perdre totalement la chaleur en faisant circuler le liquide caloporteur dans des tuyaux enterrés dans le verger ou sous la pelouse.

La combinaison chauffage / eau chaude sanitaire :
Une installation de chauffage solaire est presque toujours associée à la production d'eau chaude sanitaire. Un jeu de vannes, pilotées par la régulation, permet de diriger le liquide caloporteur venant des capteurs vers le ballon d'eau chaude ou vers les planchers chauffants.