Chauffe-Eau Solaire Collectif

Un Chauffe-Eau Solaire Collectif (CESC) a pour objectif de réduire les consommations d’énergie liées à la production d’eau chaude sanitaire en tirant partie de l’énergie solaire.

Un CESC se compose des éléments principaux suivants :

• Des capteurs solaires thermiques
• Un circuit primaire contenant un fluide calorifique (de l’eau glycolée)
• Un système de sécurité (purgeur ou système autovidangeable)
• Un vase d’expansion correctement dimensionné
• Un échangeur à plaque primaire
• Un circuit secondaire
• Un ou plusieurs ballon(s) de stockage solaire

Les CESC fonctionne avec un appoint installé en aval de la partie solaire. Il permet de réaliser l’appoint sur l’eau chaude sanitaire et également de couvrir les besoins de chauffage. Il peut être assuré par une chaudière collective à condensation et un ou plusieurs ballons d’appoint. Cette association est décrite dans la page solution « Chaudière à Condensation et Chauffe-Eau Solaire Collectif ».

Un réseau de distribution d’ECS et un retour de bouclage sont également à installer afin d’une part de relier les différents points d'usage aux ballons de stockage et à la chaudière et d’autre part de maintenir en tout point du réseau une température de consigne.

Les capteurs solaires thermiques récupèrent l’énergie solaire et la transmettent au fluide caloporteur (eau glycolée). Le fluide caloporteur circule dans le circuit primaire et transporte l’énergie captée par les capteurs solaires vers l’échangeur à plaques.

L’échangeur à plaques permet de transférer l’énergie contenue dans le circuit primaire vers le circuit secondaire.

Sur ce circuit secondaire, une pompe permet de faire circuler l’eau sanitaire dans l’échangeur à plaques afin de la préchauffer. Un ou plusieurs ballon(s) de stockage solaire(s), permettent ensuite d’emmagasiner l’énergie issue des capteurs. Si l’installation dispose de plusieurs ballons de stockage solaire, ils doivent être installés en série.

La régulation du circuit primaire permet de faire fonctionner la pompe du circuit primaire. Elle n’est mise en route que lorsque l’irradiation solaire captée par la sonde d’ensoleillement est supérieure à 200 W/m² ou si la température dépasse la consigne. Cette même pompe est mise à l’arrêt lorsque l’irradiation solaire devient inférieure à 150 W/m² ou si la température descend en dessous de la consigne.

La régulation du circuit secondaire pilote, elle, la pompe du circuit secondaire. Cette dernière est mise en route lorsque la différence de température entre l’eau glycolée sortant des capteurs et le bas du ballon solaire le plus froid est supérieure à 6°C. La pompe s’arrête lorsque cette différence de température devient inférieure à 2°C, ou lorsque la pompe du circuit primaire est arrêtée.

La production d’ECS (Eau Chaude Sanitaire) par un système solaire thermique est recommandée pour les bâtiments dont les besoins en ECS sont réguliers tout au long de l’année afin de maximiser la productivité de l’installation. Le bon dimensionnement d’une installation solaire thermique reste la clé de la garantie des performances du système. Ce dimensionnement se fait en plusieurs étapes synthétisées dans le diagramme ci-dessous :

L’évaluation des besoins d’ECS est l’une des principales étapes du bon dimensionnement d’une installation solaire.

Les besoins d’eau chaude sanitaire s’expriment au travers de deux paramètres distincts :

• Les besoins de base, traités par le solaire : ce sont les besoins journaliers réguliers en eau chaude sanitaire (moyenne des consommations).
• Les besoins de pointe, assurés par l’appoint : ce sont les besoins sporadiques qui viennent s’ajouter aux besoins de base de manière ponctuelle (par exemple les consommations durant les week-ends dans le résidentiel).

La partie solaire du CESC doit être dimensionnée pour couvrir les besoins de base tandis que l’appoint du CESC doit quant à lui être dimensionné pour couvrir 100% du besoin (besoin de base + besoin de pointe), ceci afin d’assurer la production d’ECS en l’absence de soleil.

Pour évaluer les besoins d’ECS, il existe deux méthodes selon que l’on se situe dans le neuf ou l’existant :

• Pour les bâtiments existants, le bureau d’études procède à des relevés de consommation ou à des mesures sur une période définie.
• Pour les bâtiments neufs, le bureau d’étude peut se référer à des données types de consommation estimées selon l’usage et l’occupation du bâtiment.

Des retours d’expérience réalisés par le CSTB montrent que la consommation journalière d’une personne résidante avoisine les 33 litres d’ECS à 50°C (soit 26 litres à 60°C). A défaut de données spécifiques sur le bâtiment, une consommation entre 25 et 30 litres par personne et par jour à 60°C est à considérer .

A partir de la consommation d’ECS par personne, et en tenant compte des taux d’occupation des logements, il est possible de déduire des ratios de consommation moyenne journalière par typologie de logements résidentiels. Ceux-ci sont donnés dans le tableau ci-dessous à titre de conseils pour le résidentiel collectif.

La valeur journalière retenue sera pondérée par mois à partir des coefficients multiplicateurs ci-dessous. La valeur la plus basse sera considérée comme étant le volume de stockage solaire.

Concernant les activités tertiaires, les ratios suivants sont à utiliser :

• Maison de retraite : 15 litres par lit et par jour à 60 °C
• Hôpital : 25 litres par lit et par jour à 60 °C
• Restauration : 3 litres par couvert et par jour à 60 °C
• Camping : 12 litres par personne et par jour à 60 °C
• Hôtellerie : 

A partir du volume de stockage solaire, il est possible de déterminer la surface des capteurs en tenant compte des conditions locales (orientation, inclinaison, irradiation) :

• dans le nord de la France : 50 à 70 litres de stockage solaire pour 1 m² de capteurs plans
• dans le sud de la France : 70 à 90 litres de stockage solaire pour 1 m² de capteurs plans

Même si une orientation plein Sud garantit les meilleures performances du système solaire si celui-ci est installé correctement, il y a une grande marge de manœuvre, tant en orientation qu'en inclinaison pour la pose des panneaux, comme le montre la figure ci-dessous. En effet, en l'absence de masque, du sud-sud-est au sud-sud-ouest et avec des inclinaisons entre 15 et 60° les performances sont équivalentes à 5% près ; et pour des orientations sud-est ou sud-ouest des inclinaisons de 30 à 45° sont encore équivalentes. Les orientations plein Est ou plein Ouest sont à évaluer au cas par cas ; la configuration plein Nord est quant à elle à exclure.

La productivité d’un CESC installé dans le nord de la France est peu différente de celle d'un CESC installé dans le sud. L'écart de productivité n'est pas du tout proportionnel à l'écart d'ensoleillement pour 2 raisons : 

• d'une part une partie de l'ensoleillement supplémentaire du sud n'est pas valorisée parce que la demande est déjà satisfaite en cours de journée.
• d'autre part la plus faible température de l'eau froide dans le nord améliore le rendement du capteur.

Une fois qu’ont été estimés les besoins d’ECS, le volume de stockage solaire et la surface des capteurs, il est nécessaire de valider le dimensionnement par une étude thermique ad hoc.

Le dimensionnement final de l’installation doit être affiné et validé par une étude thermique réalisée sur un logiciel dédié : SOLO 2018 (gratuit), Transol, ou encore TSol par exemple. Le résultat final est obtenu par itérations à partir du dimensionnement initial, en modifiant la taille des capteurs et le volume de stockage solaire pour rechercher le meilleur optimum technico-économique (maximisation du captage et stockage solaire et minimisation de l’énergie d’appoint).

Il faut également veiller à ce que le taux de couverture ne dépasse pas 85 % des besoins le jour le plus chaud de l’année. Ce seuil vise à éviter les surchauffes estivales chroniques, à prolonger la durée de vie de l’installation et à atteindre un optimum économique entre investissement et exploitation. Il est préférable de privilégier une productivité (en kWh par m² de capteur) maximale plutôt qu’un taux de couverture des besoins en ECS élevé.

Un bon compromis entre les performances énergétiques et l'investissement est généralement atteint pour :

• un taux de couverture annuel compris entre 40 et 60 %
• une productivité annuelle comprise entre 400 et 600 kWh/m² capteur

Une installation solaire ne doit jamais être surdimensionnée, de manière à éviter les surchauffes qui peuvent provoquer des dégradations irréversibles et la non rentabilité de l’investissement.

Comme le CESC doit répondre aux besoins d'ECS à tout moment, même en l'absence d'ensoleillement, la chaudière d'appoint doit être dimensionnée sans tenir compte de la partie solaire de l'installation.

Une conception optimale des sous-systèmes est nécessaire afin d’optimiser le captage et le stockage de l’énergie solaire. Les schémas hydrauliques les plus simples sont à privilégier. Vous trouverez plus de détails sur les schémas hydrauliques recommandés dans la schémathèque solaire consultable via ce lien.

Les ballons solaires doivent être installés en série et leur installation doit permettre une bonne stratification. Pour cela, l’eau froide doit être injectée en bas du dernier ballon (le plus froid) et l’eau réchauffée par les capteurs en haut du premier ballon (le plus chaud).

La mise en œuvre d’une installation solaire est une action nécessitant les compétences classiques requises pour la réalisation d’installations de chauffage et ECS collectives. Néanmoins, le matériel retenu doit être spécifique au solaire (haute température, glycol, forte dilatation…) et le regard critique de l’installateur sur l’hydraulique doit suivre des logiques légèrement différentes de l’hydraulique chaufferie avec laquelle la profession est familière.

Il est donc important de faire appel à des installateurs formés spécifiquement pour le solaire thermique. Deux référentiels de certification des installateurs en solaire thermique collectif existent : Qualibat et Qualisol collectif (proposée par Qualit’EnR). Vous retrouverez toutes les informations relatives à ces qualifications sur le site Qualit’EnR .

Il est également préconisé de choisir des matériels référencés (SolarKeymark, CSTBat, Ô Solaire).

Un contrat de maintenance pour la partie solaire doit être souscrit. Il est conseillé de souscrire ce contrat auprès de la société qui s’occupe de la maintenance de le chaudière (d’appoint).

Le cout moyen d’un contrat de maintenance pour une installation solaire collective (100 à 200 m² de panneaux) est généralement compris entre 300 € et 500 € par an (d’après le guide Socol « Optimiser la maintenance solaire des installations collectives »).

La prestation doit au moins comprendre 1 à 2 visites par an, durant lesquelles seront effectués des relevés de bon fonctionnement (mesures de température, relèves de compteurs…) et des vérifications et contrôles de l’installation (champs de capteurs, circuit primaire, régulation, installations électriques…).

Les retours d’expérience montrent que les installations solaires collectives bénéficiant d’un suivi manuel ou d’un télésuivi voient leurs coûts de maintenance diminuer. Dans le cadre du Fonds Chaleur, l’ADEME rend obligatoire la mise en place d’une métrologie permettant le suivi des installations afin d’assurer un fonctionnement optimal de l’installation dans la durée.

Un contrat de garantie de résultat solaire peut également être souscrit.

Les coûts d’une installation CESC varient fortement en fonction de la typologie du bâtiment et sont à évaluer au cas par cas.

Des économies d’échelle peuvent être réalisées sur la partie solaire. Le coût moyen des capteurs solaires, travaux et ingénierie inclus est le suivant (source Socol) :

• 1500 € HT / m² (< 50 m²)
• 1000 € HT / m² (< 100 m²)
• 800 € HT / m² (> 100 m²)

• Clipsol
• Giordano
• Saunier Duval
• Viessmann

Liste non exhaustive