Dimensionnement chauffe-eau/chauffage

Généralement, un chauffage solaire est couplé à un chauffe-eau solaire et un appoint est nécessaire.

Pour dimensionner un chauffage, il faut donc combiner (et pas forcément ajouter) les besoins en chauffage et chauffe-eau solaires.

• Pour le dimensionnement des chauffe-eau, on a un détail ici.

• Pour le chauffage, un ratio simple existait, qui est progressivement remis en cause avec les constructions BBC ! Pour 10 m² de plancher chauffant, on comptait 1 m² de panneau solaire. En hiver en approche grossière, on peut compter qu'un m² de panneau génère 4 à 500 watts pendant 4 heures les jours ensoleillés.

Maintenant, en BBC, on peut/doit réduire la surface de panneaux. Et le gros avantage d'auto-construire son système solaire, c'est qu'on peut procéder par étapes : inutile de prendre trop d'un coup, on pourra ajouter un ou deux panneaux plus tard si on en éprouve le besoin ... Car il ne faut pas oublier, que, dans tous les cas de figure, il est quasiment impératif de prévoir une autre source d'énergie pour les jours sans soleil : l'appoint est obligatoire.

Pourquoi ? si l'on arrive à produire 50 à 90% de ses besoins en eau chaude selon la localisation et le dimensionnement, pour le chauffage, dont on a besoin à la mauvaise saison, le taux de couverture sera probablement inférieur. L'énergie solaire se pense donc en 'économiseur' d'énergie. Néanmoins, dans certains cas, l'appoint requis est mineur : nous recevons des demandes d'appoint électrique dans nos ballons tampons, car le besoin ressortant des études thermiques dans des constructions BBC que j'ai pu lire porte sur une à 2 semaines par an, pour de faibles puissances : un appoint électrique de 6, voire 3 kw qui fonctionnera quelques jours par an est finalement une solution très économique et probablement aussi une solution peu polluante. Un client dans l'Ain, qui avait construit une maison ossature bois très isolée et conçue pour profiter des apports du soleil en journée (solaire passif) s'est contenté d'une résistance de 3 kW pour assurer simultanément son chauffage et son eau chaude. Il transférait l'énergie qu'il prélevait directement dans son ballon d'ECS via sa VMC, il a indiqué avoir eu besoin, durant l'hiver, de réchauffer l'air de la VMC de 0.2 degrés. Vu le faible niveau du besoin en chauffage, il n'a pas rencontré de problème de manque d'eau chaude Selon l'adage, l'énergie la moins cher est celle qu'on ne dépense pas.

Les 2 solutions pour le chauffage solaire :

Il existe deux familles de solutions dans le chauffage solaire par panneaux thermiques : une famille ou l'on prévoit un ballon pour stocker l'énergie, et une famille ou l'on utilise l'inertie thermique de la maison pour stocker l'énergie.

Le chauffage solaire direct :

L'utilisation de l'inertie thermique de la maison existe dans plusieurs domaines : poêle de masse, briques monomur... Dans le cas de l'utilisation de l'énergie solaire, elle se retrouve dans l'utilisation de planchers ou murs chauffants. Ceux-ci emmagasinent la chaleur produite et la restituent lentement. En respectant les ratio ci-dessus, avec l'isolation des années 1980, la Société Clipsol, 'inventrice' du plancher chauffant direct, annonçait avec une couverture des besoins de l'ordre de 40 à 50%. On est au-delà aujourd'hui. Le Plancher Solaire Direct est aujourd'hui une solution très économique, très peu consommatrice d'électronique compliquée (on prend la chaleur quand elle est disponible). On travaille directement avec le fluide caloporteur (antigel) des panneaux qui circule aussi dans les plancher chauffant et transmet son énergie sans intermédiaire. De cette manière, les panneaux reste à basse température toute la journée et sont donc extrêmement efficaces.

Et si l'on dispose d'une maison isolée par l'extérieure, on peut utiliser les murs pour stocker de l'énergie. Du coup, vu leur masse d'inertie thermique, les murs n'auront pas besoin de monter pas beaucoup en température pour stocker une grande quantité d'énergie, Ce sont eux qui, comme dans le cas d'un plancher chauffant 'pilotent' la température des panneaux. Ceux-ci seront idéalement 5 à 10° plus chaud que le mur, ils resteront donc à moins de 35° et de ce fait les pertes thermiques des panneaux et du réseau extérieur sera plutôt faibles.

Cette solution offre donc un excellent rendement thermique.

Le chauffage solaire avec ballon de stockage :

L'autre solution, plus traditionnelle est l'utilisation d'un ballon ou d'une cuve d'eau pour stocker l'énergie que l'on viendra chercher lorsqu'on en a besoin pour alimenter le plancher. On maîtrise donc beaucoup plus finement la température de la maison (du moins on veut le faire), l'utilisation d'un appoint est beaucoup plus simple (il chauffe le haut de la cuve, où l'on puise l'énergie), mais on perd en efficacité : généralement le volume de la cuve est limité, de l'ordre de 1000 litres, ce qui est peu par rapport au plancher. Cette eau doit monter plus haut en température que que dans le cas précédent pour stocker la même quantité d'énergie. Les panneaux seront donc plus chaud, perdent donc plus d'énergie. Mais cela fonctionne encore très bien avec un plancher chauffant. Et quand on n'a pas de plancher chauffant, on tentera de créer un mur chauffant. Le dernier recours est le radiateur. Là le rendement est médiocre. Il reste néanmoins une solution que certains de nos clients pratiquent dans le sud ou en bord de mer. Pour ma part, j'apprécie les radiateurs de salle de bain à la mi saison et l'hiver lors des journées ensoleillées (ce n'était pas prévu, mais ils fonctionnent en thermosiphon : l'eau chaude du ballon monte aux radiateurs et l'eau qui refroidit dans les radiateurs, plus dense, redescend dans le ballon même lorsque le circulateur est arrêté).

Aparté : Il existe de nombreux cas où le radiateur offre beaucoup d'avantages, avec ou sans ballon tampon, pour peu qu'on gère correctement la température : on maintient à faible coût des résidences secondaires en température, on concentre l'énergie sur le radiateur de la salle de bain, on chauffe directement un bureau : panneau sur le mur sud, et juste de l'autre côté, radiateur, le tout fonctionnant en thermosiphon, sans pompe ni régulation, juste quelques accessoires de sécurité. D'ailleurs avec l'amélioration de l'isolation des habitation, l'ADEME, qui proscrivait absolument le chauffage solaire par radiateurs il y a quelques années, reconnait aujourd'hui que cela peut fonctionner. Un interdit tombe ! C'est assez rare pour le souligner.

L'avantage de cette solution par rapport à la précédente est que l'on peut stocker de l'énergie collectée en journée : dans le sud-est, par exemple, inutile de chauffer durant les journées ensoleillées, il fait la plupart du temps chaud dehors. Par contre dès que le soleil se couche, la température chute et le besoin de chauffage commence à se faire sentir. Ceci est sans doute moins vrai dans les climats plus froid, où l'on peut utiliser immédiatement tout où partie de la chaleur collectée par les panneaux solaires. Le dimensionnement du ballon de stockage (ou autre cuve, masse thermique...) est donc à prévoir en fonction du nombre de panneaux retenus et du climat. Là, il y a moyen de faire des calculs complexes ou d'utiliser encore un ratio simple en première approche : 1 m2 pour 100 litres environ, et plus si l'on peut, comme expliqué plus haut.  Et comme un autre ratio simple dit 1m² de panneau pour 10m² de plancher chauffant, on arrive assez vite à l'ébauche d'une solution. Restera à déterminer le type de ballon tampon et le type d'apport d'énergie 'primaire'. J'ai, à ce stade, encore du mal à parler d'appoint car pendant longtemps, c'est tout de même le solaire qui est l'appoint en termes de chauffage.

Mais les maisons BBC changent la donne, même si on a peu de recul 'opérationnel'. Anecdote pour illustrer ma réserve apparente : sur mon habitation, conçue pour être économe en énergie à une époque où le BBC était encore avant-gardiste, j'ai fait poser des portes vitrées pour les accès extérieurs. Le vitrage 4-16-4 Argon, le top de l'époque, joue parfaitement sont rôle. Mais l'étanchéité au niveau des joints entre l'ouvrant et le dormant s'est dégradée et aucun réglage n'est disponible. Il me reste à remplacer les joints, heureusement qu'il y a internet, car l'artisan qui m'avait posé le matériel a disparu. Je m'y mets un de ces week-ends...En attendant, j'en suis réduit au rouleau de mousse, comme à l'époque ou je vivais sous les mansardes nantaises.

Pour revenir aux maisons BBC, finalement, un appoint électrique de 3 à 6 kW dans un ballon tampon qui fonctionnera quelques jours (2 semaines dans un cas récent dans la région Paca) par an est une solution très économique.

Ajouter un système de chauffage à une installation existante :

C'est assez souvent le cas, qu'il s'agisse d'améliorer son installation ou que l'on parle de grosse rénovation.

Personnellement, je n'aime pas jeter, je ne le conseille donc pas dès le début.

Si on conserve l'existant, on a deux possibilités : 

• insérer le système de chauffage solaire dans l'existant, il jouera alors le rôle d'économiseur. 
• monter un système en parallèle.

Les systèmes de chauffage solaire  en économiseur : 

Cela consiste à greffer un système de chauffage solaire sur le circuit retour de plancher chauffant (alternativement et avec les réserves d'usage sur le retour radiateur). Si le ballon tampon chauffé au solaire est plus chaud, on passe par le ballon solaire, sinon on retourne directement dans son équipement existant. 

Les systèmes de chauffage solaire en parallèle d'un système existant : 

On conserve ce qui existe, par exemple des radiateurs et une chaudière, et on ajoute un des deux systèmes solaires décrits plus haut : un plancher ou un mur chauffant, en solaire direct ou via un ballon tampon. On peut même y greffer un appoint si l'on souhaite à terme supprimer l'ancien système. 

De quoi est constituée une installation type ?

Je vous propose la catégorie 'kits chauffage solaire' de notre boutique en ligne, ce sont les installations les plus courantes. Les autres sont conçues au besoin, quelques exemples à cette page. Nous y proposons les équipements solaires, pas les équipements côté réseau de distribution de l'énergie. Pour établir avec nous la liste des équipements côté réseau, il vous faudra nous contacter.

Voilà les grandes lignes, maintenant, passons aux outils disponibles en ligne pour vos simulations :

• Pour le chauffe-eau, le plus efficace reste le guide de l'ADEME.On dispose aussi du logiciel en ligne Calsol est assez simple d'utilisation.

  Quelques indications sur Calsol :

  - l'Albedo est d'autant plus faible que l'environnement est sombre : dans le désert, il est voisin de 1 ; à 0,2 comme proposé par défaut, vous êtes pratiquement sûr de ne pas sous dimensionner,

  - le masquage correspond au fait que le soleil est caché par la ligne d'horizon, par un immeuble, un arbre, une montagne,etc. Pour un chauffage, il est important d'être précis, car l'impact d'un horizon encombré peut être important, surtout en hiver. Pour un chauffe eau, c'est beaucoup moins sensible : le gros du travail est fait entre 10 h et 16h, donc s'il n'y a pas d'obstacle dans cette plage horaire, le principal est souvent acquis. Mettre les panneaux en toiture aide beaucoup à réduire les masquages, ce qui n'est pas forcément l'idéal pour le chauffage, pour lequel on gagne à implanter les panneaux avec des angles importants, perpendiculaires au soleil d'hiver.

• Pour le chauffage, l'INES propose de télécharger un logiciel de dimensionnement simplifié de système solaire combiné SSC. Mais quand l'INES dit simplifié, il demande beaucoup plus d'informations que d'autres, préparez-vous à un questionnaire en règle sur votre habitation : type d'habitation, ouvertures, murs, planchers, hauteurs sous plafond, chauffage, ecs et ventilation, masques il y a de quoi . Et en plus, vous obtenez un bilan thermique simplifié avant/après installation du SSC!
• Le site de TECSOL (au jour où j'écris ces lignes, il n'est pas sécurisé, mais bon, ce n'est sans doute pas leur ,vous donne accès à une simulation solaire basée sur la méthode SOLO. C'est une méthode utilisée par de nombreux bureaux d'études en France.
• Et pour les installations hors de France, voici un outil de calcul possédant une base de donnée internationale.

• Et si vous aimez les chiffres et les pages de formules, avec ou sans règle à calcul, voyez aussi le site développé par Hervé Silve, que l'on remercie pour son sens du partage. A sa disparition, il a été remis en ligne sur le site Apalis, que l'on remercie aussi, voyez le dossier solaire. Et comme M. Silve était prévoyant, il y a aussi un tableur (aujourd'hui une feuille de calcul électronique, un fichier Excel, un xls, mais demain on dira un Open Office  ou un Libre Office !)

Mais bon, les ratios simples sont souvent largement suffisants, sauf pour les installations en collectif : même si certains de ces logiciels intègrent les caractéristiques de votre habitation,ils n'intègrent pas forcément votre mode de vie (température de consommation d'eau chaude sanitaire, heure de consommation, température de confort), ni l'implantation locale de votre habitation, ouvertures au sud, exposition au vent, ...

Pensez à l'endroit où vous allez installer cela : pour les ballons, voir les dimensions sur les fiches techniques, il faut qu'il passe par les portes et ne soit pas trop haut

Pour les panneaux, dimensions sur les Fiches techniques, plus un petit outil pour les panneaux  : encombrement des panneaux,valable pour les panneaux 'Tinox' et 'peints' : GM, MM, PM, pas développé pour les autres, mais l'approche est similaire.