Installation d'un chauffage solaire aérothermique

 

Introduction

On peut utiliser efficacement le rayonnement solaire pour produire de la chaleur. Dans une habitation, elle sert à produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) ou bien être utilisée comme chauffage d'appoint. Les systèmes les plus répandus utilisent l'eau comme fluide caloporteur. On connait moins bien les systèmes qui utilisent l'air ambiant. Il circule directement dans les capteurs solaires pour s'y échauffer.

Cette solution a pourtant plusieurs avantages :

- elle évite d'installer un circuit d'eau chaude si l'habitation n'est pas équipée d'un circuit de chauffage;

- dans certains cas, ils peuvent utiliser le circuit de ventilation existant (chauffage aérothermique);

- elle demande peu d'entretien (changement d'un filtre 1 à 2 fois par an);

- l'utilisation de l'air évite le risque de fuite d'eau et de gel en hiver;

- les capteurs à air bénéficient de plus de 40 ans de développement et sont aussi efficaces que les capteurs à liquide.

 

Chauffage d'appoint à air solaire

Ajouter un système solaire thermique dans une maison existante permet d'accroitre les apports solaires. Ils peuvent contribuer à plus de 50% des besoins énergétiques du chauffage et de la production d'eau chaude. En réduisant les besoins en énergie primaire, le système solaire contribue à l'amélioration du classement énergétique du bâtiment. C'est une action essentielle pour la réhabilitation énergétique des bâtiments anciens.

Nous montrons ici l'impact d'une surface de 4 m2 de capteurs solaires à air TOPSOLAR produits par la société GrammerSolar. Il s'agit d'une habitation de 120 m2 de la région Grenobloise qui est déjà équipée d'une installation photovoltaïque de 3 kWc (20 m2 de capteurs).

 

Estimation des performances

Le graphique ci-dessous indique les besoins énergétiques annuels et la chaleur solaire utile. Les capteurs à air solaire contribuent au chauffage de la maison durant l'intersaison (mars-avril et septembre-novembre), lorsqu'il y a à la fois une insolation suffisante et une demande de chauffage. En été, ils servent à la production d'eau chaude. Sur une année, on estime donc que les 4 m2 de capteurs contribuent pour 1700 kWh aux besoins de chauffage et 1300 kWh pour la production d'eau chaude.

estimation des performances

Estimation des performances d'une installation de 4m2 de capteurs TOPSOLAR avec une production d'eau chaude sanitaire (logiciel Grammer Solar). On estime pouvoir produire 1700 kWh d'air pour le chauffage et 3000 kWh pour l'ECS.

Cette habitation d'une surface de 120 m2 construite en 1980 nécessite environ 19500 kWh/an. Un chauffage électrique direct fournit 10000 kWh, un foyer au bois fournit 4500 kWh et le budget d'eau chaude, produite par un ballon électrique, est estimé à 5000 kWh (5 personnes).

Bien que de surface modeste, les 4m2 de capteurs solaires permettent de réduire de 20% la consommation électrique.

En accroissant la surface des capteurs (8 à 12 m2), il est possible d'atteindre une couverture solaire de plus de 50% pour ce type d'habitation. Le taux de couverture solaire dépend bien sûr de la qualité de l'isolation qui reste le premier facteur d'amélioration des performances énergétiques d'un bâtiment

Il est par contre illusoire de se chauffer ainsi en hiver, lorsque les besoins de chauffage sont les plus importants. Il reste indispensable de disposer d'un système autonome qui est dimensionné pour satisfaire les besoins des jours les plus froids (-15°C selon la norme en vigeur).

 

Intégration dans l'habitat

Les capteurs peuvent se placer en sur-toiture, dans ce cas, ce sont les tuiles existantes qui assurent l'étanchéité, ou bien être intégrés dans la toiture, à la place des tuiles.

Le chauffage de l'air de l'habitation est assuré par une circulation de l'air ambiant dans les capteurs. En plein soleil, les capteurs produisent environ 500 W/m2, même avec une température externe de 0°C. Pour la surface installée, un ventilateur équipé d'un silencieux injecte environ 200 m3/h d'air entre 40-50°C dans la zone principale d'occupation (60 m2). L'air ambiant est repris à l'étage, assurant ainsi une bonne circulation de l'air dans la zone chauffée. Ce sont des débits d'air comparables aux systèmes classiques de chauffage par aérothermie. Le seul entretien à prévoir est le remplacement deux fois par an d'un filtre placé dans le circuit de récupération de l'air. Mais il contribue aussi à éliminer les poussières de l'air ambiant...

L'air chaud est ici injecté dans le caisson de ventilation du foyer au bois. La grille d'aération diffuse l'air dans la pièce principale. Le système est donc complètement invisible et silencieux.

 
installation intérieure
dessin de l'installation
photo de l'installation
Installation des capteurs à air sur la toiture supérieure, orientée au sud L'air chaud issu des capteurs est insufflé dans le caisson de ventilation du foyer bois existant

 

Installation par la société O'Thermie

L'installation des capteurs a été confiée à la société o'Thermie de Grenoble. Le montage du système demande d'intervenir sur la toiture pour poser les capteurs et placer les passages étanches véhiculant l'air. Un ventilateur force la circulation de l'air quand l'ensoleillement le permet. On évite les nuisances sonores en suspendant le moteur et en placant un atténuateur de son à la sortie du ventilateur. La technique de l'air solaire demande d'installer des tubes de 160 à 250 mm selon la surface des capteurs installés. Comparée aux techniques classiques des capteurs à eau, on évite les problèmes de gel en hiver et les fuites éventuelles sont sans conséquence.

sur le toit  
Vue du joint d'étanchéité à placer entre les deux capteurs étanchéité des capteurs
Installation des tuyaux véhiculant l'air dans les combles; le ventilateur et le silencieux sont suspendus pour éviter de transmettre des vibrations à la structure de l'habitation

 

Mesure des performances

Un système d'acquisition permet de contrôler le chauffage solaire et relève en permanence les informations énergétiques de l'habitation. Le graphique ci-dessous montre les puissances produitent par 20 m2 de capteurs PV (vert) et la production des 4 m2 de capteurs à air (rouge). On constate que les puissances sont comparables. Un ombrage sur les capteurs PV dû à la proximité d'une habitation est visible sur la production des capteurs PV en fin de journée.

Depuis la mise en service en décembre 2011, la production thermique a suivi l'accroissement de l'ensoleillement et la meilleure illumination des capteurs qui sont inclinés à 15° sur la toiture orientée au sud. Une période de non-production au mois de février est due à la présence de neige sur les capteurs...

Les performances des capteurs sont conformes aux données du fabricant.

Relevé des puissances produites pendant une journée de fort ensoleillement. La diminution des puissances en fin de journée est due à un effet d'ombrage sur les capteurs. Il est intéressant de constater que la puissance crête des capteurs thermiques est comparable à la puissance des capteurs PV d'une surface pourtant cinq fois supérieure.