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Faut-il choisir un chauffe eau solaire thermique individuel (CESI) pour chauffer son eau chaude sanitaire ?

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Contrairement au chauffage, l’amélioration continue des performances thermiques (isolation) des constructions neuves n’a que peu d’influence sur les besoins en eau chaude sanitaire qui ne diminuent pas. Ce « poste de dépense énergétique » représente désormais jusqu’à 50% des dépenses totales des habitats basse consommation (BBC). La réglementation RE2020 flèche donc naturellement la production d’eau chaude sanitaire vers les énergies renouvelables, en particulier les chauffe-eau solaires. Cet article s’adresse aux particuliers souhaitant installer une source de production d’eau chaude à base de panneaux solaires thermiques (capter la chaleur du soleil pour réchauffer l’eau chaude sanitaire).

Sommaire :

  1. Différents types de chauffe eau solaire, dimensionnement du système
  2. Différentes technologies de capteurs solaires et rendements
  3. La rentabilité financière d’un chauffe-eau solaire dépend de plusieurs facteurs
  4. Avantages et inconvénients du chauffe eau solaire
  5. Réglementation pour installer un chauffe eau solaire thermique chez un particulier
  6. Règles relatives à l’installation d’un chauffe eau solaire

1) Les différents types de chauffe-eau solaire, dimensionnement du système

Principe général commun des chauffe-eau solaires

Un capteur solaire thermique (i.e. panneau solaire thermique) capte le rayonnement solaire et le transfère à un fluide caloporteur (antigel + eau). Le fluide dissipe sa chaleur dans un réservoir d’eau sanitaire (le ballon) via un échangeur thermique (un serpentin) pour ne pas être en contact avec l’eau sanitaire. Quand il y a du soleil, l’eau circule dans le circuit pour transférer ses calories et réchauffer l’eau du ballon.

La surface des capteurs, ou panneaux solaires, dépend du niveau d’ensoleillement de la région de pose. Pour couvrir les besoins en eau chaude d’une famille de 4 personnes il faut compter 3 à 4 m² de panneaux dans le Sud de la France et 5 à 6 m² dans le Nord. Pour cette même famille de 4-5 personnes, il faut prévoir un ballon d’une contenance de 250 à 300 litres. Il ne faut pas surdimensionner l’installation solaire au risque de créer des surchauffes et une dégradation prématurée des équipements.

Les principaux types de chauffe eau solaire sont :

Le chauffe eau solaire associé à une pompe électrique (ou à circulation forcée) :

  • Une pompe électrique (ou circulateur) assure la circulation d’un fluide caloporteur (qui transporte la chaleur) entre les panneaux solaires et le ballon de stockage de l’eau chaude. La vitesse et le débit sont adaptés en fonction du besoin (température de l’eau du ballon et des panneaux) à l’aide d’un régulateur électronique. La vitesse de circulation du fluide est donc adaptée en permanence (pour optimiser le transfert d’énergie et ne pas endommager l’installation). Le système n’est donc pas autonome puisqu’il a recours à l’électricité (pompe et régulateur). Ensuite, le circuit sanitaire du logement achemine l’eau du ballon vers les points de puisage (robinets).
  • On découple le capteur solaire du ballon d’eau chaude ce qui offre plus de modularité en termes de positionnement (le panneau sur le toit et le ballon au plus proche des points de puisage de l’eau).
  • Budget : entre 5000€ et 10000€. Demande de la maintenance.
chauffe eau solaire monobloc
chauffe eau solaire giordano

Source fabricant Giordano

Le chauffe eau solaire selon le principe du thermosiphon :

  • Le ballon se trouve plus haut que le panneau solaire (généralement dans les combles (isolés)) et le capteur solaire plus bas sur la toiture.
  • La circulation d’eau se fait selon 2 circuits indépendants. Celui du ballon au panneau solaire. Puis celui du ballon aux différents points de puisage.
  • L’eau chaude remonte (naturellement), sans pompe (donc sans panne) depuis le panneau solaire vers le ballon (situé plus haut). L’eau chaude est distribuée aux différents points de puisage (par la pression d’eau froide qui arrive du service d’eau). L’eau froide du ballon circule alors naturellement vers le capteur solaire pour boucler la boucle.
  • Ce système est par nature très robuste et ne demande quasiment pas d’entretien. C’est un excellent compromis prix – qualité. Sa contrainte est son positionnement imposé.
  • budget : entre 5000€ et 7000€

Le chauffe eau solaire monobloc :

  • C’est un chauffe eau à thermosiphon mais qui regroupe le capteur solaire et le réservoir au même endroit. On le pose sur un toit plat ou dans un jardin.
  • A installer uniquement dans les régions très ensoleillées où il ne fait jamais froid l’hiver afin de limiter les déperditions (nuit, vent, etc).
  • Tout en un, son budget se situe entre 4000€ et 6000€.
chauffe eau solaire monobloc

2) Principales technologies de capteurs solaires thermiques et rendements

Les capteurs solaires thermiques remplissent 2 fonctions techniques :

  1. capter la chaleur du rayonnement solaire (c’est pour cette raison qu’ils sont de couleur noire).
  2. piéger la chaleur dans un vitrage isolé pour qu’elle ne s’échappe pas

Les principales technologies de capteurs (panneaux) solaires thermiques sont :

  • Les panneaux à plans non vitrés ou sans vitre. Le fluide à chauffer passe directement via la conduite chauffée par le soleil. Très peu efficace car non isolé thermiquement. Ancienne génération.
  • Les ardoises solaires thermiques type Thermoslate de Cupa Group. Par ses propriétés naturelles, l’ardoise collecte et emmagasine la chaleur qui est restituée à un collecteur absorbeur caché sous les ardoises. Fonctionne de façon invisible pour tout type de toit (en pente, plats, de façade, toit terrasse).
  • Les panneaux à plans vitrés (les plus courants actuellement). Un « effet serre » est créé par la vitre qui va en quelque sorte « piéger » les rayons du soleil. Attention à la qualité d’isolation pour limiter les déperditions l’hiver.
  • Les panneaux à tubes sous vide. Ce sont les plus efficaces thermiquement (meilleur rendement) et les plus chers.

L’efficacité du capteur solaire (= son rendement) dépendra de plusieurs paramètres :

  • les propriétés optiques du capteur (absorptivité de l’absorbeur, réflecteur, transmissivité du vitrage) pour permettre le meilleur rendement optique (85% = top du marché européen – source Frisquet).
  • les propriétés thermiques du capteur (son isolation) pour limiter les déperditions thermiques notamment en hiver. Suppression des ponts thermiques et isolation renforcée (60 mm sur l’arrière et 20 mm sur les côté – source Frisquet)
  • les propriétés fluides, en optimisant le parcours du fluide pour limiter les pertes de charge.
  • la position du capteur (angle d’incidence) face au rayonnement solaire pour optimiser absorption (en étant le plus perpendiculaire possible au soleil).
  • le taux d’irradiation solaire en fonction de votre zone géographique, des saisons (position du soleil) et du moment de la journée.
  • la différence de température entre le capteur solaire et la température ambiante extérieure. Plus elle est élevée (l’hiver), moins le capteur est efficace à cause des déperditions thermiques.

Le rendement du capteur est une notion normalisée (norme européenne) qui permet une meilleure comparaison entre les différents modèles des fabricants lors de l’achat. On chauffe l’eau chaude sanitaire à environ 55°C. Dans le cadre du chauffage de l’eau chaude sanitaire, les rendements moyens des capteurs plans sont de l’ordre de 55% alors que ceux des capteurs sous vide sont de 75%. Ils sont indiqués pour un rayonnement solaire maximal (généralement 1000W/m2). Ils sont donc théoriques. En pratique il est difficile d’avancer un chiffre moyen dans la mesure où les paramètres indiqués ci-dessus varient beaucoup d’une personne à l’autre. On admet généralement un rendement annuel moyen de 40-50% maximum. A noter, ce rendement est lui-même réduit du fait des déperditions liées au transport et au stockage de l’eau chaude (conduites, ballon, point de puisage, pompe).

Les panneaux à tubes sous vide (ou capteurs tubes haut rendement). Ce sont les plus efficaces thermiquement (meilleur rendement) et les plus chers (environ 1500€/m²).

  • L’orientation des tubes peut être personnalisée jusqu’à 25° pour rattraper un angle de toiture à faible pente et donc de bénéficier d’un meilleur ensoleillement.
  • Pour un transfert de chaleur maximal, le fluide caloporteur solaire ne circule pas directement dans les tubes mais est réchauffé par un système de caloduc.
  • Sur certains modèles : isolation haute performance du boîtier collecteur pour de faibles déperditions calorifiques.
  • Systèmes de limitation automatique de la température de stagnation dans le capteur pour prévenir la surchauffe du capteur (et sa dégradation) en cas de stagnation de l’absorption de chaleur par l’eau du ballon alors que le rayonnement solaire est important. S’applique par exemple aux bâtiments utilisés par intermittence (école, maisons secondaires, tertiaire, etc).
  • Les panneaux sont fixés le plus souvent sur le toit à l’aide d’un simple système d’ancrage (crochets et brides) sur chevron. Montage vertical (façade) ou horizontal (toiture, balcon).
capteurs solaires thermiques viessmann vitosol

Autres caractéristiques importantes

Choisir un système auto-vidangeable. Lorsque la température souhaitée au robinet est atteinte pour l’ensemble du volume d’eau du ballon, le fluide qui se trouve dans les panneaux est automatiquement vidangé par gravité pour éviter toute surchauffe du système (ou gel le cas échéant). Cela prolonge nettement sa durée de vie. Le ballon ne se trouve jamais en état de surchauffe.

Prévoir une cuve de stockage anti corrosion (généralement garantie 15 ans). Les panneaux sont généralement garantis 10 ans.

3) La rentabilité financière d’un chauffe-eau solaire dépend de plusieurs facteurs

Selon l’ADEME, une famille de 4 personnes dépense plus de 350 € par an pour chauffer électriquement son eau sanitaire (avec un ballon cumulus électrique 300 litres). Comme pour tout investissement, il convient de se poser la question du nombre d’années nécessaire pour le rentabiliser en comparaison avec votre solution actuelle. Les gains financiers estimés moyens sont généralement une division par 4 de la facture d’eau chaude sanitaire ECS (soit une facture résultant d’environ 80€/an pour une famille de 4).

Dans l’habitat individuel, son coût moyen d’acquisition est encore élevé (environ 5000€-6000€ pour l’ensemble de la solution installée pour 4 m² de panneaux-capteurs en moyenne – pour une famille de 4 personnes dans le Sud de la France) ne lui permet pas toujours de s’imposer sur le plan de la rentabilité financière pure, en comparaison des autres énergies (gaz, électricité, etc.). Cet écart se résorbera peu à peu dans le futur avec l’augmentation des coûts des énergies traditionnelles et la diminution des prix des chauffe-eau solaires (concurrence et volumes de mise sur le marché). Des aides de l’état viennent également soutenir ce choix technique en réduisant la facture pour les particuliers qui peuvent en bénéficier.

Les calculs complets montrent que, sur 20 ans les couts totaux d’investissement (remplacement du cumulus à 10 ans compris), de consommation et de maintenance sont équivalents (entre un cumulus électrique et un système solaire). Dans le cas de l’obtention d’aides de l’état, la solution solaire est plus rentable.

Il convient également de mettre en perspective cette rentabilité avec le niveau de consommation d’eau chaude souhaité (volumes d’eau chaude selon la taille de la famille). Plus les volumes sont importants plus le ballon d’eau chaude solaire sera une solution rentable.

Enfin, une région très ensoleillée (> 2400 heures de soleil/an) rentabilisera près de 2 fois plus rapidement l’investissement qu’une région peu exposée… En effet, les régions du Sud bénéficient d’un double avantage :

  • Le besoin d’une surface plus faible de panneaux capteurs car il y a plus de soleil. L’investissement est donc moins élevé.
  • L’eau à chauffer dispose déjà d’une température plus élevée (environ 10°C l’hiver / 18°C l’été) que dans les régions du Nord de la France (environ 5°C l’hiver / 13°C l’été)

En conclusion, si vous avez une famille de 4 personnes, que vous habitez dans une région ensoleillée, que l’orientation et l’inclinaison des panneaux est optimale, que le ballon peut être placé dans une pièce isolée (et que vous pouvez prétendre à des aides de l’état) : foncez ! Le chauffe eau solaire est fait pour vous, et c’est un solution d’avenir !

Diverses aides de l’état (Tva à taux réduit, prêt sans intérêts, primes d’aides à l’implantation, etc.) viennent soutenir l’adoption de cette technologie. Leur montant dépend des programmes et conditions de ressources (voir programme Ma Prime renov’, Primes énergie, etc.).

Au delà de la rentabilité financière, le chauffe eau solaire, dont la fiabilité est grande, apporte une forme d’indépendance énergétique pour ceux qui recherchent l’autonomie énergétique (en ne dépendant plus d’un prestataire extérieur).

4) Avantages et inconvénients du chauffe eau solaire

Le chauffe-eau solaire est la solution par excellence pour chauffer son eau chaude sanitaire de manière écologique et autonome, sur le long terme :

  • On estime (selon marques et fabricants) que l’installation d’un chauffe eau solaire peut permettre de prendre en charge en moyenne entre 50% et 75% des besoins d’une famille en eau chaude sanitaire (cuisine, hygiène corporelle, lave linge, lave vaisselle). Une énergie d’appoint permet d’assurer le complément requis (résistance électrique, autre énergie pour chauffer le ballon, autre ballon électrique, etc.) pour les jours où la météo n’apporte pas assez de rayonnement solaire ou quand l’eau à réchauffer est trop froide. On peut regretter que l’achat d’un chauffe eau solaire ne permette pas une totale indépendance énergétique. Cependant, il s’agit ici d’une moyenne. En effet, dans le cas où la configuration technique et géographique de l’habitation est optimale, il est tout à fait possible que le chauffe-eau solaire se suffise à lui-même sans énergie d’appoint. De même, si l’acheteur accepte de retarder un peu la rentabilité financière de l’opération, il peut acquérir plus de panneau de façon à disposer d’une solution totalement indépendante.
  • La simplicité de la solution lui apporte une fiabilité indéniable. La fiabilité du capteur thermique reste constante. Seules les pièces rapportées (pompes, circulateur, etc.) peuvent faire l’objet de pannes.
  • Une quasi absence de maintenance. Les éléments de maintenance à vérifier tous les 2 ans sont la pression du fluide caloporteur, l’étanchéité vis à vis du circuit d’eau, la pompe électrique (si équipé). Un nettoyage annuel (minimum) de la surface extérieure des capteurs thermiques est nécessaire (eau tiède et éponge non abrasive lorsque le panneau est froid).

+++ En comparaison avec une solution basée sur du solaire photovoltaïque, le capteur solaire thermique est plus avantageux car il fonctionnera plus efficacement en hiver. Quand les rayons du soleil sont plus bas (donc généralement plus difficiles à capter) le capteur solaire thermique à tubes sous vide sera beaucoup « réactif » pour réchauffer l’eau. Même en présence de nuages, pour un même emplacement de fixation, chaque rayon du soleil sera plus facilement transformé en énergie.

En termes d’inconvénients, les panneaux solaires thermiques sont sensibles au gel et à la forte grêle.

5) Règles relatives à l’installation des capteurs thermiques et du ballon d’eau chaude

L’installation doit être conforme aux réglementations CEI et locales (NF C15100 en France) et doit être réalisée par un professionnel. Mener au préalable une analyse technique pour s’assurer que le support envisagé peut recevoir les capteurs thermiques :

  • orientation vis à vis du soleil (Sud, Sud-15°, Sud +15°, etc.),
  • inclinaison du capteur thermique – ou angle d’incidence – (30°-45°) par rapport à une surface horizontale (sol) – une étude précise permet d’ajuster ce chiffre,
  • exposition du toit (pas d’arbres ou d’obstacles pour couper le rayonnement), 
  • l’albédo du sol ou du toit (son pouvoir plus ou moins réfléchissant qui renvoi le rayonnement solaire)

A noter que les performances ne varient que relativement peu (environ 5%) pour une orientation allant de sud sud EST à sud sud Ouest ou encore une inclinaison variable de 15 à 60°.

Attention !

  • Ne pas surdimensionner le volume du ballon pour ne pas chauffer un volume d’eau inutile au risque de ne pas atteindre la température souhaitée (250 litres à 300 litres correspondent aux besoins d’une famille de 4-5 personnes).
  • Ne pas sous-dimensionner pour ne pas se trouver à court d’eau chaude quand le réservoir est vide.

La pièce d’installation du ballon réservoir d’eau chaude doit être hors gel en permanence et la mieux isolée possible pour éviter les déperditions. Dans le cas où c’est possible, on place le ballon dans une pièce chauffée pour limiter son refroidissement. Il est recommandé de « sur isoler » le ballon et ses conduites dans les pièces non chauffées. Dans le cas contraire, il se refroidit vite.

La distance entre le réservoir d’eau chaude et le robinet de distribution (salle de bain, cuisine) doit être la plus courte possible pour limiter les déperditions, les pertes de chaleur de l’eau par les conduites, et le temps d’attente de l’eau chaude.

Les performances sont garanties pour une pression de service généralement comprise entre 4 et 8 bars (en respectant le maximum de pression indiqué sur l’appareil).

Les conduites d’eau doivent être en acier inoxydable ou en cuivre (calorifugée si possible). Le ballon, les organes de contrôle et le panneau solaire doivent être accessible en tous temps pour maintenance.

6) Réglementation pour l’installation d’ouvrage de production d’eau chaude via des panneaux solaires thermiques

Un chauffe eau solaire est composé d’un ou plusieurs panneaux thermiques, d’un réservoir de stockage de l’eau chaude, d’accessoires comme des pompes de circulation de l’eau ou un régulateur thermique.

L’installation d’un chauffe eau solaire est soumise à plusieurs réglementations légales (code de l’urbanisme, code de la construction, code de l’environnement) selon la nature et la taille du projet. En conséquence, elle nécessite d’effectuer un certain nombre de démarches préalables en fonction de l’installation prévue (immeuble collectif, hôpitaux, entreprises, résidentiel, proximité d’un aéroport pour éviter la réverbération, etc.).

L’installation doit être compatible avec les règlements d’urbanisme en vigueur dans la zone d’installation (POS -Plan Occupation des Sols, PLU – Plan Local d’Urbanisme). Pour la rénovation, une déclaration préalable de travaux est nécessaire.

Une fois l’installation réalisée, il est indispensable de prévenir votre assureur afin de prendre en compte le risque de défaillance du matériel dans la police d’assurance.

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Résumé
Faut-il choisir un chauffe eau solaire thermique individuel (CESI) pour son eau chaude sanitaire ?
Titre de l'article
Faut-il choisir un chauffe eau solaire thermique individuel (CESI) pour son eau chaude sanitaire ?
Description
Pourquoi choisir un chauffe eau solaire thermique individuel (CESI) pour son eau chaude sanitaire ? + Différents types de chauffe eau solaire + La rentabilité financière d'un chauffe-eau solaire dépend de plusieurs facteurs + Avantages et inconvénients du chauffe eau solaire + Règles relatives à l’installation d’un chauffe eau solaire + Réglementation pour installer un chauffe eau solaire thermique chez un particulier
Auteur
Foxof
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