Choix du matériel

La première chose à laquelle on s’est intéressé a été de savoir quels types de panneaux solaires thermiques il existe [19]. Il y en effet plusieurs techniques existantes, entre les capteurs thermiques sans vitrage, les capteurs vitrés et les capteurs sous vide.
Les capteurs sans vitrage sont assez rustiques car ils sont constitués d’une simple plaque de métal à l’intérieur de laquelle circule le fluide caloporteur. Ils sont efficaces dans les pays chauds dont le taux d’ensoleillement est élevé, car leur efficacité n’est pas bonne et nécessitent de bonnes conditions pour fonctionner convenablement.
Les capteurs vitrés sont probablement les plus utilisés, notamment car ils permettent de chauffer de l’eau chaude sanitaire assez efficacement à des températures avoisinant les 70°C. Ces capteurs sont constitués d’un coffre assurant la protection arrière du panneau, d’une isolation thermique arrière et latérale qui permet d’éviter les déperditions thermiques, d’un absorbeur souvent disposé en serpentin permettant de capter l’énergie solaire pour la transmettre à l’eau sanitaire par transfert, et d’une couverture transparente qui assure la passage d’un maximum de rayonnement solaire tout en bloquant le rayonnement sous le vitrage afin d’assurer un effet de serre permettant de chauffer un peu plus le fluide caloporteur.

 

Les capteurs sous vide se présentent sous la forme d’une plaque comportant plusieurs tubes de faible diamètre (jusqu’à 15 cm), et qui sont tous vidés de l’air qu’ils contiennent. Ainsi on limite grandement les pertes thermiques entre la paroi vitrée et l’absorbeur, et les seules déperditions que l’on a sont dues au rayonnement infrarouge (un revêtement sélectif adapté peu grandement les limiter). Ce genre de panneau est donc tout à fait adapté en montagne où la température extérieure est assez faible, car c’est un panneau qui va vraiment profiter du moindre rayon solaire pour chauffer le fluide caloporteur et qui ne va pas gaspiller cette énergie par déperdition thermique. C’est pour cette raison que nous avons choisi d’utiliser des panneaux solaires thermiques à tubes sous vide pour l’éco-quartier, afin d’avoir des panneaux qui puissent fonctionner efficacement en hiver même avec des températures inférieures à 0°C la plupart du temps.

 Une fois la technologie de panneaux sélectionnée, on s’est intéressé ensuite au reste de l’installation et afin de déterminer quel type de matériel on va utiliser, on s’est référé au guide de l’ADEME mis à disposition sur internet [21] ainsi qu’au dossier réalisé par André Joffre concernant l’énergie solaire thermique dans le bâtiment [19]:

Ainsi on va plutôt travailler avec un système à circulation forcée de fluide caloporteur utilisant une petite pompe, plutôt qu’avec un système thermosiphon. Ce dernier nécessiterait de placer le ballon au dessus des panneaux, donc à l’extérieur des maisons. Or vu les températures extérieures l’hiver, et tout l’espace dont on dispose sous les toits pour placer un ballon, on s’est dit qu’il serait plus judicieux de placer le ballon sous les panneaux, relativement près de ceux-ci de manière à limiter la tuyauterie et les pertes thermiques associées. Il y a aussi le fait que dans le cas du système à thermosiphon, le fluide caloporteur n’est constitué que d’eau pure (cf introduction) qui va donc geler en hiver, ce qui est vraiment peu adapté à notre cas d’étude.

L’ADEME conseille aussi d’utiliser dans le cas de nouvelles constructions, un chauffe eau solaire à éléments séparés plutôt qu’un système monobloc dont le ballon d’eau chaude est solidaire des panneaux, car dans le cas du système monobloc les déperditions thermiques du ballon sont plus grandes malgré un calorifugeage équivalent. On en revient en effet au même problème, à savoir que le système monobloc impose le fait que le ballon soit situé à l’extérieur ce qui augmente forcément ses pertes thermiques…

L’ADEME nous conseille aussi sur la nature des différents appoints existants, et nous avons le choix entre un appoint électrique ou hydraulique, qui peut être soit intégré au ballon solaire, soit séparé. Il faut savoir en effet que même si on peut se passer d’appoint en climat tropical, ce n’est plus du tout la même histoire en climat tempéré et encore moins à Champeix… On peu d’hors et déjà bannir le système à appoint séparé car il n’est intéressant que dans le cas d’un logement existant, pour lequel un chauffe eau est déjà en place et qu’il serait judicieux de compléter en amont par un système solaire permettant de préchauffer l’eau et donc d’économiser un peu d’énergie. Comme nos bâtiments ne sont pas encore construits, on va plutôt opter pour un appoint intégré au ballon, qui permet finalement d’utiliser un seul ballon au lieu de 2… Concernant ensuite la nature de l’appoint, l’appoint hydraulique est judicieux dans le cas où la maison est équipée d’une chaudière mais comme on souhaite assurer le chauffage par géothermie, on se rabat sur l’appoint électrique qui nécessite juste un raccordement au réseau électrique qui sera de toute façon mis en place par le binôme s’occupant de l’énergie éolienne et des panneaux solaires photovoltaïques ! Les coûts associés à ce raccordement seront donc minimes, et pour toutes ces raisons nous avons choisi d’opter pour un appoint électrique intégré au ballon solaire. Le principe de cet appoint est assez simple : une résistance électrique placée dans le tiers supérieur du ballon est alimentée en courant et va chauffer suffisamment pour permettre le chauffage de l’eau sanitaire et combler le manque d’efficacité des panneaux. En général [22], la résistance est d’une puissance maximale de 3,8 kW pour un logement de 4 personnes.

L’ADEME toujours, donne ensuite des conseils utiles afin de maximiser l’efficacité d’une installation de panneaux solaires thermiques et nous avons donc profiter de ces conseils pour notre installation :

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le ballon doit être placé de manière judicieuse, de façon à limiter la tuyauterie et les pertes thermiques associées et  de façon aussi à ce que le ballon  soit dans un local chauffé ou du moins isolé. Il nous semble donc intéressant de placer le ballon sous le toit,  juste à l’aplomb des panneaux.

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Il est préférable que les panneaux soient intégrés au toit, et qu’il suivent sa pente de manière à éviter les contraintes de résistance imposées par le vent. C’est un conseil qui est d’autant plus facile à respecter que nous sommes dans le cas de maisons qui vont être construites, et il suffit donc de prévoir dans la construction la place suffisante sur le toit pour pouvoir y intégrer les panneaux. Ca serait sûrement plus compliqué si on était en présence d’une maison déjà construite, et qui nécessiterait de refaire une partie de toit pour y mettre des panneaux intégrés…

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L’ADEME donne enfin des critères d’implantation et d’orientation de panneaux qui permettent une exploitation maximale de l’énergie solaire :

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La meilleure orientation est plein Sud, même si les directions Sud/Sud-est et Sud/Sud-ouest sont encore très bonnes.

§ 

La meilleure inclinaison semble être de 45° par rapport à l’horizontale, même si un écart de +/- 10° ne change quasiment rien sur la performance des capteurs.

§ 

Dans notre cas, si on se réfère au dimensionnement des maisons que nous avons réalisé, nous avons considéré une orientation Sud/Sud-est pour nos toits car c’est l’orientation générale du terrain sur lequel va être construit l’éco-quartier. Et concernant l’inclinaison, nos calculs de dimension des maisons nous a poussé à considérer une inclinaison de 30° pour tous les bâtiments, excepté la maison de retraite dont l’inclinaison est de 20°. On s’est donc demandé si l’inclinaison choisie n’engendre pas trop de pertes d’énergie pour les panneaux, en les considérant intégrés au toit : on s’est référé pour cela à une table spécifique [23] qui permet d’évaluer la performance des capteurs en fonction de l’inclinaison du toit et de son orientation :

Ainsi pour une orientation Sud/Sud-est (- 45° sur la carte) et pour une inclinaison de 30° ou 20° (respectivement troisième et second cercles blancs en partant du centre), on tombe sur les deux points verts de notre exemple c’est à dire dans la zone limite entre le orange-clair et le jaune, et qui correspond selon la légende à un % d’ensoleillement proche des 95%. Cela signifie donc qu’avec l’orientation et les inclinaisons choisies, on ne fait perdre que 5 % d’ensoleillement par rapport à la situation idéale (plein Sud, 45° inclinaison). Nous sommes donc dans une situation tout à satisfaisante, que nous allons garder pour la suite du dimensionnement.

Remarque : ces 5% d’ensoleillement en moins sont pris en compte automatiquement par le logiciel de simulation que l’on a utilisé dans la suite. En effet, il prend en compte en entrée l’inclinaison et l’orientation des panneaux (en plus de leur localisation), pour nous fournir l’ensoleillement précis de la région.

 Bibliographie
·         [19] A.Joffre, Energie solaire thermique dans le bâtiment. Chauffe-eau solaires, Techniques de l’ingénieur, p.6,7,10,11,12,13,14.
·         [20] http://www.hespul.org/IMG/jpg/principe_capteur_plan.jpg
·         [21] ADEME, le chauffage solaire individuel, p 5,6,7,13,14,15.
http://www.ademe.fr/Particuliers/Fiches/pdf/CESI.pdf
·         [22]http://www.osolaire.fr/maj/phototheque/photos/bleucielpdf/CdC_CESI_EDF_Bleu_Ciel_V1_2_12_07.pdf
·         [23] http://www.cheminees-de-waterloo.be/cheminees/images/image5.JPG