Panneaux solaires thermiques : ce qu'il faut savoir pour bien choisir

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La technologie est fiable, la mise en œuvre maîtrisée et les réductions de la facture énergétique sont au rendez-vous : jusqu'à 60% et plus pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS) et jusqu'à 40% pour les systèmes qui chauffent à la fois l'eau du circuit alimentant les radiateurs ou un plancher chauffant basse température et l'eau chaude sanitaire. De plus, cette solution d’énergie solaire gratuite, garante de l'environnement, répond aux exigences de la RE2020 en construction neuve et bénéficie d’aides financières en rénovation énergétique de maison individuelle (MaPrimeRénov' et CEE) et de logements collectifs (CEE).

Fonctionnement, solutions disponibles et performances… voici un rappel des fondamentaux et les atouts de cette technologie promise à un bel avenir, l’eau chaude sanitaire devenant le premier poste de consommation énergétique dans un logement bien isolé.

Comment fonctionne un capteur solaire thermique ?

Si un panneau photovoltaïque transforme la puissance lumineuse du soleil en électricité pour l’autoconsommation ou la vente à EDF, le principe de fonctionnement d'un panneau solaire thermique (également appelé capteur solaire thermique) est de convertir l'énergie solaire en chaleur pour réchauffer l’eau chaude sanitaire du logement et/ou celle du circuit de chauffage.

Ils s’installent sur une toiture en pente (en surimposition ou intégré via un kit), sur une toiture-terrasse mais aussi en vertical le long d’une façade ou au sol grâce à des supports spécifiques. Concrètement, le capteur solaire thermique absorbe le rayonnement du soleil et transmet cette chaleur à un fluide caloporteur qui la transfère à l’eau d’un ballon de stockage ou d’un préparateur eau chaude, via un échangeur. 

Les types de capteurs, leurs principes de fonctionnement et leurs rendements

Selon la configuration et les besoins, vous avez le choix entre deux familles de panneaux solaires thermiques et trois solutions d'installations différentes.

Cette technologie de capteurs solaires thermiques est très différente. Le panneau vitré sous lequel circule le fluide caloporteur est remplacé par des tubes en verre appelés "absorbeurs Caloduc". Ces tubes sont placés les uns à côté des autres et reliés, en partie haute, à un boîtier collecteur échangeur de chaleur dans lequel circule le fluide caloporteur du circuit hydraulique relié au préparateur d’eau chaude. Chaque tube intègre une plaque métallique chargée de transférer la chaleur du rayonnement solaire, à un fluide enfermé dans la partie basse du caloduc. Sous l’effet de la chaleur, ce fluide se dilate, s’évapore et remonte par gravité jusqu’au collecteur. Il se condense alors, transmet sa chaleur au fluide caloporteur, puis redescend au bas du tube pour que le processus se répète.

Du fait de leur forme ronde, les capteurs à tubes absorbent mieux le rayonnement solaire en augmentant les angles de captation. Les tubes sont individuellement orientables (jusqu’à +/- 45°), ce qui permet de rattraper l’angle d’une toiture ou une orientation moins favorable et sont sous vide d'air pour limiter les déperditions thermiques.

Les rendements peuvent dépasser les 70% et les capteurs tubulaires sont principalement utilisés pour produire l’eau chaude sanitaire et/ou chauffer de grandes installations : logements collectifs, bureaux, hôtels, établissements publics, piscines...

Viessmann propose plusieurs gammes de capteurs tubulaires se différenciant par leurs superficies, leurs angles de rotation et leurs finitions : Vitosol 300-TM (surface 1,98 m², 2,36 m²et 4,62 m²), Vitosol 200-TM (2,67 m² et 5,3 m²), Vitosol 200-T SPX (5,05 m² et 10 m²). Ils bénéficient également de la technologie breveté ThermProtect qui supprime les problèmes de surchauffe, à partir d’une température de 120°C.

Les produits sont fabriqués en France sur le site de Faulquemont, près de Metz en Moselle (57) et répondent aux normes européennes en vigueur. À noter que l’assistance technique Viessmann accompagne les projets à toute les étapes et propose des services exclusifs comme l’audit des installations solaires existantes afin d’améliorer leurs performances.

Il existe également, sur le marché, des panneaux solaires hybrides. Ils produisent de l'électricité et de l'eau chaude en associant des panneaux photovoltaïques avec en-dessous un circuit caloporteur, mais leur rendement est inférieur à un capteur thermique pur.

L'usine Viessmann de Faulquemont (57), expert en capteurs solaires thermiques Vitosol

Le système se compose d’une vitre transparente en verre trempé résistante aux intempéries qui protège une plaque métallique noire chargée d’absorber le maximum de rayonnement solaire. Cette chaleur est transmise à une trame de tubes en cuivre, dans laquelle circule le fluide caloporteur (eau ou eau glycolé). La performance de ce fluide caloporteur est encore renforcé par la présence d’un isolant à haute performance thermique situé en dessous. Une paroi en tôle avec un traitement anti-corrosion constitue la sous-face du capteur. 

Les rendements peuvent atteindre 60% et il s'agit de la technologie la plus utilisée en maison individuelle compte tenu de son rapport qualité/prix. 

Viessmann propose deux gammes qui se différencient par leur finition : un cadre couleur aluminium pour les capteurs plans Vitosol 100-FM et le choix d’une teinte RAL personnalisable pour le Vitosol 200-FM, afin de mieux l’intégrer dans la toiture.

D’une surface d’absorption de 2-3 m², ces deux modèles bénéficient de la technologie innovante et exclusive ThermProtect qui empêche la surchauffe de la plaque absorbeur de chaleur, en limitant automatiquement les températures de stagnation de l’eau à partir de 75°C.

Un choix de solutions pour toutes les configurations

Les systèmes solaires thermiques ne se limitent pas uniquement aux capteurs sur le toit. Afin de faciliter l’installation, la maintenance et garantir un rendement optimum dans le temps, les fabricants commercialisent des solutions complètes associant les panneaux et le préparateur ECS. Ils fournissent ou précisent également les équipements et accessoires nécessaires à l’installation : pompe de circulation du fluide caloporteur, soupape de sécurité, vase d’expansion, clapet de non-retour ou encore dispositif de décharge et système de régulation.

L’offre se divise en trois types de produits :

Le ballon solaire thermique ou chauffe-eau solaire individuel (CESI) pour la production d'eau chaude sanitaire

Les capteurs solaires thermique assurent uniquement la production d'eau chaude sanitaire. Deux variantes sont disponibles :

Le ballon solaire thermique est installé au-dessus des panneaux solaires, sur le toit. Le système fonctionne par thermosiphon : le fluide caloporteur chauffé par le soleil se dilate et monte dans le ballon naturellement, compte tenu de la différence de température.

Les avantages ?

La simplicité du système et de son installation, le gain de place dans la maison (pas de ballon de stockage, tout est sur le toit) et le prix.

Les inconvénients ?

Il faut plus de place en toiture et une charpente capable de supporter le poids du ballon. La performance est moins bonne quand la température baisse puisque le ballon est en contact avec l’air extérieur. De plus, il constitue un volume peu esthétique, difficile à masquer.

Cette solution ne convient que dans les pays à très fort ensoleillement toute l’année. En France, il ne peut s’agir que d’un système d’appoint pour couvrir les besoins d’eau chaude en été.

Le ballon d’eau chaude est installé à l’intérieur de la maison. Le système fonctionne à circulation forcée : le fluide caloporteur réchauffé est poussé par une pompe électrique dans un circuit hydraulique jusqu’à l’échangeur du ballon, puis revient vers les panneaux solaires. Le ballon intègre une résistance électrique pour assurer l’appoint en cas de surconsommation ou d’ensoleillement très faible.

Les avantages ?

Le ballon est protégé du froid ce qui limite les déperditions thermiques, l’installation prend moins de place en toiture et elle est discrète.

Les inconvénients ?

Il faut plus de place à l'intérieur de la maison pour installer le ballon d'eau chaude, la pompe chargée de véhiculer le fluide caloporteur et les accessoires de régulation. Son coût est supérieur à une solution monobloc, mais son rendement est meilleur.

Il s’agit de la solution la plus commercialisée en France. Dans une maison bien isolée, la réduction de la facture énergétique globale peut atteindre 35%.

Viessmann propose plusieurs systèmes, dont le pack solaire ECS Vitosol 141-FM qui garantit une efficacité maximale.

Le Système Solaire Combiné (SSC) pour l'eau chaude sanitaire et le chauffage

C’est la solution la plus complète. Les capteurs solaires thermiques chauffent l’eau d’un préparateur (ou ballon de stockage) qui alimente le circuit eau chaude sanitaire, mais aussi le circuit hydraulique de chauffage du bâtiment, en appui du générateur principale : une pompe à chaleur, une chaudière gaz THPE ou une chaudière biomasse. Le système est particulièrement efficace avec des émetteurs basse température (30-40°C) comme un plancher chauffant ou des radiateurs de dernière génération. Il peut couvrir jusqu’à 40% de la consommation énergétique du bâtiment, selon la région et la taille de l’installation.

Ces préparateurs ECS intègrent également une résistance électrique ou, pour quelques modèles, un brûleur gaz à condensation, qui démarrent si les besoins augmentent brutalement ou si la production des panneaux solaires n’est pas suffisante.

Viessmann propose plusieurs solutions, dont le système SSC Vitocell 360-M avec des capacités de 750 et 950 litres.

Quels sont les inconvénients de l'énergie solaire thermique ?

Par rapport à l'alternative des panneaux photovoltaïques, l'autre solution d'autoconsommation énergétique renouvelable qui s'installe en toiture, une installation solaire thermique est plus chère quel que soit le type de capteurs : plans vitrés ou tubes en verre sous vide.

Le coût d’investissement d’un chauffage solaire (Système Solaire Combiné) est également plus élevé que celui d’une installation de chauffage classique (chaudière gaz ou biomasse, ou pompe à chaleur), puisqu'il s'agit de rajouter un équipement supplémentaire.

Etude, puissance,  dimensionnement, inclinaison, maintenance... les points à surveiller

Sur le plan technique, les désordres possibles sont de deux types :

Fonctionnels

Plusieurs causes peuvent impacter le rendement des capteurs solaires thermiques et la durée de vie de l'installation. Les plus  courantes sont :

  • Une mauvaise implantation et inclinaison des capteurs sur le toit. 
  • Une circulation de fluide caloporteur insuffisante.
  • Une surface de capteurs surdimensionnée par rapport à la capacité de stockage et aux besoins en eau chaude entraînant des risques de surchauffe.
  • Les risques d'infiltration en toiture liés à des défauts d’étanchéité suite à une mauvaise mise en œuvre.

Performanciels 

Une courbe de rendement énergétique médiocre de l'installation par rapport au taux d'ensoleillement ou sa diminution au fil du temps peut avoir plusieurs origines : 

  • Une conception défectueuse ou un réglage mal maîtrisé de la régulation générant une surconsommation de l’énergie d’appoint. 
  • Des capteurs encrassés ou une exposition ne permettant pas la réception optimale des rayons du soleil.
  • L'absence ou l'insuffisance de protection antigel dans le fluide caloporteur entraînant, en cas de température extérieure négative, le gel des tubes dans les capteurs et dans la tuyauterie de liaison située à l’extérieur.
  • Un mauvais dimensionnement de la puissance de la pompe chargée de faire circuler le fluide caloporteur le circuit solaire hydraulique entrainant un débit insuffisant dans le circuit hydraulique.
  • La présence d’air résiduel dans le circuit hydraulique qui perturbe les échanges thermiques dans le capteur, élève la température, diminue le rendement et accélère le vieillissement.
  • Un mauvais calorifugeage du circuit hydraulique véhiculant le fluide caloporteur entraînant des pertes thermiques par conduction.

Tous ces paramètres qui peuvent impacter la performance d'une installation solaire thermique sont bien connus des professionnels du génie climatique. Il s'agit donc de faire appel à un installateur professionnel expérimenté et, de préférence, certifié Qualisol, pour s'assurer qu'il maîtrise bien le dimensionnement, la mise en œuvre et assure, ensuite, une bonne maintenance afin de garantir le rendement optimal de l'installation.

Quel est le système solaire thermique le plus performant ? 

La performance dépend, déjà, du bon dimensionnement de l'installation (surfaces de capteurs vs. volume du ballon de stockage), de la qualité de tous les composants et de l'isolation thermique (le calorifugeage) du circuit hydraulique véhiculant le fluide caloporteur. Cela dit, si les deux technologies - capteurs plans vitrés et capteurs tubulaires sous vide - répondent parfaitement aux besoins d'autoconsommation d'une habitation en terme de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage, elles ont des atouts spécifiques. 

  • Les capteurs tubulaires sous vide ont la performance la plus élevée (70% et plus de rendement). Il faut les choisir si les besoins en eau chaude sont importants, si l'orientation n'est pas optimum ou si vous manquez de surface en toiture.
  • Les capteurs plans vitrés ont un rendement inférieur, de l'ordre de 60%, et demande, à performance égale, une plus grande surface en toiture que les capteurs tubulaires, Par contre ils sont moins chers et sont la meilleure solution pour baisser la facture d'électricité en maison individuelle.

Un retour sur investissement de plus en plus court 

Selon la zone géographique, les habitudes de puisage d’eau chaude sanitaire et de chauffage, le retour sur investissement d'une installation de panneaux solaires thermiques varie entre 10 et 15 ans. Cette durée peut diminuer significativement, en cas de travaux de rénovation énergétique, si vous êtes éligibles aux aides financières (MaPrimeRénov', Certificat d'économie d'énergie (CEE), régions). La meilleure stratégie pour réduire sa facture d'électricité et l'impact sur l'effet de serre étant l'autoconsommation énergétique, l'intérêt et l'efficacité des panneaux solaires thermiques ne peuvent que se renforcer dans les années à venir : le prix de l'énergie sera de plus en plus cher et l'ensoleillement va inexorablement augmenter avec le réchauffement climatique.

Panneaux solaires thermiques ou photovoltaïques ?

  • Si votre maison est bien isolée, privilégiez les capteurs solaires thermiques, l'eau chaude sanitaire étant votre principal poste de dépense énergétique.
  • Si vous avez un chauffage par radiateurs électriques et un cumulus électrique, posez en premier des panneaux photovoltaïques, mais gardez de la place pour installer ensuite des capteurs solaires thermiques qui allègeront la facture énergétique et permettront d'améliorer l'étiquette DPE du logement.