Systèmes solaires de production d’eau chaude sanitaire – Points d’attention pour la conception, l’installation, le suivi et la maintenance

La réalisation d’un projet solaire thermique comporte plusieurs étapes clés. Chaque étape – conception, réalisation, suivi et maintenance – est importante afin que le système solaire thermique soit fonctionnel et performant. Malgré une technologie mature, certaines installations solaires thermiques n’affichent pas la performance à laquelle on peut s’attendre ou la durée de vie escomptée de certains composants. Cet article expose les éléments clés d’un projet solaire thermique réussi.

La technologie solaire thermique

Une installation solaire thermique de production d’eau chaude est un système complet qui sert à préchauffer l’eau à partir du rayonnement solaire global. Ce système est constitué (voir Figure 1) de capteurs solaires (1) qui transforment le rayonnement solaire en chaleur grâce à un absorbeur. Celui-ci transfère la chaleur au fluide caloporteur qui le parcourt. Le circuit primaire fait le lien entre les capteurs et le(s) ballon(s) de stockage (2). Le ballon de stockage accumule l’eau chaude produite pour l’utiliser en temps voulu. D’autres composants, tels que le circulateur (3) et le dispositif de régulation différentielle (4), régulent le fonctionnement du système selon les conditions de température du fluide dans les capteurs et de l’eau dans le ballon en fonction d’un profil de demande en eau chaude.

Une source d’énergie d’appoint (5) est toujours nécessaire pour porter l’eau préchauffée à la température d’utilisation souhaitée, quelles que soient les conditions d’ensoleillement. Sous nos latitudes, les panneaux solaires ne peuvent satisfaire en toute saison à la totalité de la demande en eau chaude.

Figure 1 : Schéma de principe d’un système solaire thermique de production d’eau chaude sanitaire

Conception et dimensionnement

Un chauffe-eau solaire est dimensionné en fonction du besoin énergétique pour chauffer l’eau sanitaire, ainsi que de la ressource solaire estimée pour le site considéré. Lorsque le bâtiment est occupé, le meilleur moyen de connaitre la consommation d’ECS est de la mesurer en continu (profil horaire) sur une période d’occupation représentative (>3 semaines) afin d’en extrapoler celle-ci sur une année. Il est primordial d’estimer au mieux l’occupation actuelle et future du bâtiment afin de tenir compte d’éventuelles augmentations ou diminutions significatives de la consommation d’ECS du bâtiment. Il est vivement conseillé d’effectuer un audit énergétique avant d’installer un chauffe-eau solaire dans un bâtiment existant afin d’identifier les mesures URE, en particulier en matière d’ECS (réducteur de pression sur le circuit sanitaire, douchettes économiques, etc…) et de remplacement de la chaudière d’appoint, à mettre en œuvre avant l’installation d’un chauffe-eau solaire, afin de limiter la consommation d’ECS. Il est également important de vérifier l’état de la toiture (stabilité, résistance) et son niveau d’isolation thermique (résistance thermique aux normes actuelles) et isolant pouvant être maintenu durant les 25 prochaines années.

 

Figure 2 : Production d’énergie solaire VS énergie d’appoint au long de l’année (kWh/an)

La rénovation d’une toiture ou la rénovation d’une chaufferie constitue généralement une excellente opportunité pour initier un projet solaire thermique. Si le bâtiment est neuf, il est nécessaire d’estimer au mieux les consommations en fonction de l’occupation et des besoins futurs. Les ratios de consommation type (en fonction du type et de l’affectation de l’établissement) doivent être utilisés avec prudence étant donné leur influence déterminante sur le dimensionnement, le fonctionnement de l’installation et la rentabilité de l’investissement.

La part des besoins en chaleur assurée par l’énergie solaire (le taux de couverture solaire) est un choix à effectuer par le concepteur de manière à assurer l’équilibre entre le rendement de l’installation et la quantité de chaleur solaire produite, afin d’optimiser la performance de l’ensemble du système. Généralement, dans les bâtiments de services ou les logements collectifs, lorsque l’on dépasse une fraction solaire utile de 60%, le rendement des capteurs solaires baisse de manière significative et les périodes de stagnation ou d’arrêt se multiplient en période de plein ensoleillement.

Dans les bâtiments tertiaires et l’habitat groupé, on considère qu’une fraction solaire utile entre 30 et 50% garantit une bonne performance du système et des apports solaires significatifs. Des fractions solaires plus élevées sont possibles, mais dans ce cas, le risque de surchauffe est réel (pour les systèmes sous pression permanente). Des dispositions doivent donc être prises. Pour des fractions solaires très élevées (>70%), il est conseillé de privilégier les systèmes solaires « à vidange », dont le fluide est évacué des capteurs dans un réservoir de vidange en cas de risque de surchauffe ou de gel. Néanmoins, le rendement et donc, la production spécifique des capteurs solaires (kWh/m².an), va chuter. La rentabilité économique du projet en sera affectée.

Dimensionnement de l’installation

Après avoir défini le besoin en chaleur à couvrir par l’énergie solaire thermique, on détermine la surface de capteurs solaires en fonction de la fraction solaire souhaitée. Le volume de stockage solaire est fonction de la surface de capteurs optique dimensionnée. On compte généralement entre 30 et 70 litres de stockage solaire par m² de capteur solaire.

Pour un dimensionnement précis, privilégiez une modélisation informatique du système solaire à l’aide d’un logiciel de simulation thermique dynamique. Les bureaux d’études spécialisés peuvent assister le maitre d’ouvrage dans cette étape de la réalisation du projet.

Dans les bâtiments tertiaires et l’habitat groupé, on considère qu’une fraction solaire utile entre 30 et 50% garantit une bonne performance du système et des apports solaires significatifs. Des fractions solaires plus élevées sont possibles, mais dans ce cas, le risque de surchauffe est réel (pour les systèmes sous pression permanente). Des dispositions doivent donc être prises. Pour des fractions solaires très élevées (>70%), il est conseillé de privilégier les systèmes solaires « à vidange », dont le fluide est évacué des capteurs dans un réservoir de vidange en cas de risque de surchauffe ou de gel. Néanmoins, le rendement et donc, la production spécifique des capteurs solaires (kWh/m².an), va chuter. La rentabilité économique du projet en sera affectée.

Figure 3 : Fraction VS rendement spécifique de l’installation solaire

Choix de l’indicateur de rentabilité économique

Plusieurs indicateurs économiques peuvent être utilisés afin d’évaluer la pertinence d’installer un système solaire thermique. La plupart des indicateurs économiques intègrent des paramètres impossibles à estimer sur le long terme, comme le prix de l’énergie d’appoint (gaz, mazout, électricité…).

Un indicateur fiable qui permet de sortir le prix du combustible d’appoint de l’équation est le « coût d’investissement net dans le système solaire par kWh de combustible économisé ». Cet indicateur est défini comme suit :

INV : Investissement net (€), tenant compte des subsides éventuels et des coûts de maintenance
n : Durée de vie économique du système (années)
Asolaire : Apport solaire (kWh/an)
Nchaudière : Rendement de production d’eau chaude de l’appoint en chaleur

Cet indicateur peut être comparé directement avec le prix actuel du combustible et permet de constater si le coût d’un kWh de chaleur utile produit au moment de réaliser l’investissement est inférieur ou supérieur à celui produit par le système solaire, compte tenue d’une durée de fonctionnement du système solaire de 25 ans.

Réalisation et chantier

Une installation solaire thermique bien conçue et dimensionnée doit également être décrite de manière précise dans un cahier des charges afin de préciser les exigences techniques. Plusieurs cahiers des charges types sont mis à disposition des maitres d’ouvrage et des concepteurs via le site portail de l’énergie du SPW. Dans la mesure du possible, Privilégiez un cahier des charges de type performanciel (un objectif de production solaire à respecter par le soumissionnaire), combiné avec des exigences qualitatives au niveau du matériel mis en œuvre, afin d’ouvrir le marché à un maximum de fournisseurs de solutions solaires.

Le choix de l’installateur est déterminant. Privilégiez un installateur ayant de bonnes références dans le domaine des grandes installations. Les entreprises labellisées NRQual SOL constituent généralement une bonne référence (vous pouvez les consulter sur www.questforquality.be)

La phase de suivi de chantier est également essentielle pour pérenniser le fonctionnement optimal de l’installation. Une attention particulière doit être apportée lors de la pose des capteurs solaires en toiture (fixation sur une superstructure éventuelle, lestage, ballast, etc.), lors de la livraison des réservoirs de stockage et du raccordement et de l’isolation des conduites ainsi que lors du paramétrage de la régulation (le paramétrage d’usine de la régulation du circuit solaire, mais également celui du système d’appoint, peut être source de dysfonctionnement).

A la réception de l’installation, vérifiez les éléments suivants :

  1. Checklist fournisseur matériel
  2. Check-list installateur
  3. Tests de fonctionnement (étanchéité, débit…)
  4. Régulation du système solaire
  5. Régulation des autres sources de chaleur
  6. Dossier AS BUILT et DIU (manuel pour l’utilisateur)

Suivi de la performance et maintenance

Il est impératif de suivre les consommations d’eau chaude afin de pouvoir évaluer le fonctionnement optimal du chauffe-eau solaire. Pour ce faire, on optera de préférence pour un compteur à impulsion relié à un acquisiteur de données (ou à une Gestion Technique Centralisée). On vérifiera à intervalle régulier les variations de la consommation d’eau chaude.

Analyse de la performance et GRS

Afin de pouvoir suivre de près la performance du système, un comptage de l’énergie produite et consommée devra être installé. Un calorimètre sera placé sur le circuit solaire ainsi que des compteurs sur les postes de consommation d’ECS principaux (ECS, eau de bassins, etc…).

Idéalement un second calorimètre sera également placé sur le circuit d’appoint en chaleur afin d’identifier l’énergie utilisée pour la production d’ECS.

Un système de monitoring enregistrera en permanence les différents paramètres. Ceci permettra d’effectuer des bilans sur base régulière (trimestriellement la première année et annuellement ensuite).

Pour les installations d’une certaine taille (>200m²) on privilégiera le mécanisme de Garantie de Résultats Solaires (GRS). Cette garantie se conclut par un engagement contractuel entre le concepteur, le fournisseur, l’installateur et l’exploitant du système qui deviennent solidairement responsables d’une production solaire minimale pendant un nombre d’années déterminé (typiquement 5 ans). Les opérateurs techniques sont solidairement responsables du dimensionnement correct et du fonctionnement optimal de l’installation solaire, dans les limites fixées par le cahier des charges en vue de l’exécution des travaux. Le respect de l’objectif de production est contrôlé directement par le maître d’ouvrage, assisté le cas échéant par un bureau d’études indépendant ou une ESCO (Sociétés de Services Energétiques). Si l’objectif fixé (corrigé en fonction de l’irradiation et de la consommation réelles d’eau chaude) n’est pas atteint, des indemnités compensatoires sont versées à l’utilisateur du système solaire par le Garant.

Si la production solaire mesurée est inférieure à la production solaire garantie, il y a « déficit de production ». Le Garant est contractuellement tenu d’analyser le problème, d’en déterminer les causes et d’y remédier, en adaptant par exemple l’installation de manière à prévenir tout déficit de production ultérieur. Dans l’intervalle, le propriétaire de l’installation est dédommagé pour le manque à gagner occasionné par le déficit de production solaire de l’installation.

Les cahiers des charges type et GRS sont disponibles sur simple demande auprès des facilitateurs ou directement sur le site energie.wallonie.be

 Maintenance

Une maintenance régulière permet un fonctionnement optimal de l’installation et permet de prévenir les pannes et défectuosités entraînant des coûts de remplacement parfois élevés. La plupart des éléments peuvent être contrôlés annuellement mais certains points doivent être vérifiés plus régulièrement par le personnel technique (contrôle de la pression dans le circuit solaire, contrôle de l’anode à courant imposé, contrôle des circulateurs et du débit, contrôle de la soupape de sécurité…).

Un guide à destination des responsables techniques rédigé pour le compte de Bruxelles-Environnement est disponible sur le site  http://document.environnement.brussels/opac_css/elecfile/Guide_MintenanceCESolaire_FR

Un système solaire thermique sera d’autant plus performant et pérenne qu’il a été bien conçu au départ, installé dans les règles de l’art avec du matériel de qualité et bien entretenu !

Le facilitateur chaleur renouvelable peut également vous assister dans votre projet.

Email : facilitateurchaleurser@spw.wallonie.be
Tél : +32 (0)2 209 04 02