ENERGIE SOLAIRE
Install Magazine 973 – novembre 2020

L’énergie solaire thermique, quo vadis ?

Utiliser la chaleur vs produire de la chaleur

Le potentiel de l’énergie solaire thermique ne peut être utilisé qu’en partie par une installation de chauffage faisant usage de techniques conventionnelles. En conséquence, une grande partie du rendement possible est perdue, surtout en hiver. Cet article traite des causes de ce problème et expose les manières d’améliorer le rendement hivernal.

Les systèmes solaires thermiques n’ont pas une très bonne réputation. Bien que le rendement technique soit plusieurs fois supérieure à celui des PV, le mot « énergie solaire » ne fait penser de plus en plus qu’aux systèmes électriques. De nombreux professionnels, au cours de leur formation, sont convaincus que les systèmes thermiques ne sont pas rentables. De fait, une attention insuffisante est accordée à l’énergie solaire thermique au cours de la formation professionnelle. Ce faisant, l’on se polarise généralement aveuglément sur le temps de retour sur investissement d’un chauffe-eau solaire classique.

Il est actuellement possible de garantir une température intérieure confortable avec des systèmes de chauffage à basse température de manière écologique et économique. Dans ce cas, on peut difficilement encore parler de « chauffer » aux sens littérales du terme. Les faibles demandes en chauffage et les systèmes de distribution aux températures de départ de 35 °C sont les conditions idéales pour le chauffage d’appoint par chaleur solaire.

Les composants nécessaires sont éprouvés depuis longtemps sur le marché et sont facilement disponibles : des capteurs solaires efficaces, des pompes intelligentes et des techniques de régulation ou des ballons tampons avec des stratégies de charge et de décharge intelligentes. En outre, le champ d’application est plus large que celui des habitations résidentielles seules.

Cependant, un changement de mentalité est requis pour faire passer la technologie d’une application traditionnelle (génération en fonction de la consommation) à une utilisation maximale (utilisation utile de ce qui est disponible). De cette manière, l’on peut supprimer les obstacles qui empêchent d’utiliser tout le potentiel de l’énergie solaire thermique. Afin de libérer ce dernier, il ne faut pas considérer l’énergie solaire thermique comme un générateur de chaleur, mais comme une source de chaleur. Au lieu d’une génération active, il faut penser en termes d’utilisation passive de la chaleur disponible. Il ne faut pas forcément produire de la chaleur. Au contraire, l’on peut utiliser diverses sources de chaleur qui sont naturellement disponibles. La condition de base est que l’on comprenne le caractère unique de la source de chaleur. En d’autres termes, il faut concevoir le système de distribution en fonction de la source de chaleur.

Utilisation de la chaleur ambiante

L’on a déjà plus fortement progressé dans le domaine du refroidissement des bâtiments. On y parle à la fois de la production active de froid et de l’utilisation passive du froid disponible. Ce concept ne découle pas du chauffage traditionnel par combustion, mais de l’utilisation de la chaleur environnante. En effet, la pompe à chaleur n’est pas non plus un générateur de chaleur au sens strict du terme. Elle ne produit pas effectivement 100 % de la chaleur émise par le carburant. Au lieu de cela, une pompe à chaleur utilise diverses formes de chaleur déjà disponibles dans l’environnement, c’est -à-dire de la chaleur qui n’a plus besoin d’être produite.

Avec une pompe à chaleur, la part de la chaleur ambiante est un multiple de l’énergie d’entraînement du compresseur. Moins de travail reste donc à faire. C’est pourquoi le rendement d’une pompe à chaleur est exprimé en coefficient (COP). Une pompe à chaleur avec un COP supérieur à 3 est généralement considérée comme efficace, alors que l’on ne s’arrête pas au fait qu’une installation solaire thermique puisse avoir un COP supérieur à 30.

Le refroidissement passif fait usage d’un échangeur de chaleur existant (par exemple une pompe à chaleur géothermique) comme source froide pour le refroidissement en été, généralement au moyen d’une installation de chauffage par le sol. En revanche, l’utilisation passive de la chaleur solaire est plutôt distincte du système de chauffage. Tout au plus imagine-t-on les gains solaires à travers les fenêtres de l’enveloppe du bâtiment.

Cependant, en solaire thermique, il faut plutôt penser en termes de chauffage passif. De cette manière, la chaleur solaire est également utilisable en hiver. Ne fut ce que seulement par le soleil d’hiver bas sur l’horizon qui, à travers les fenêtres, peut suffisamment chauffer une pièce pour que le thermostat d’ambiance arrête le chauffage.

Collecte de chaleur par les façades et par les éléments de construction

Mais pourquoi les capteurs solaires thermiques de façade, ou plutôt les absorbeurs intégrés dans l’enveloppe du bâtiment, ne sont-ils pas encore une pratique courante ? Dans le secteur des PV, ces derniers atteignant des rendements inférieurs à ceux des systèmes thermiques, les panneaux intégrés dans les façades ou d’autres éléments de construction sont déjà courants. Les capteurs thermiques seraient une première étape si l’intégration de l’énergie solaire thermique se ferait en début de conception architecturale.

Avec l’énergie solaire thermique, la chaleur est directement disponible. Le plus important est d’optimiser la source de chaleur pour le fonctionnement hivernal. Il est non seulement nécessaire d’orienter le champ des capteurs en fonction de la position du soleil en hiver. Il faut aussi s’assurer que la puissance calorifique puisse être utilisée plus largement que par une injection traditionnelle dans la conduite de retour en tant qu’appoint du circuit de chauffage.

Il ne faut pas aveuglément se fixer sur une installation de chauffage traditionnelle. Au contraire, il faut globalement évaluer le comportement du bâtiment tout entier. Il ne s’agit pas simplement de charger thermiquement le chauffe-eau solaire le plus efficacement possible. Il faut avant tout porter l’espace de vie à une température agréable.

Intégration du système de distribution de chaleur dans le circuit thermique solaire

Une série de monitorings et d’analyses dans les bâtiments existants par le Forum Wohnenergie a démontré que les systèmes solaires thermiques classiques ont rapidement atteint leurs limites. Cette organisation a donc commencé à chercher une solution il y a dix ans. Par exemple, il a été établi que le ballon tampon devait pouvoir répondre à deux profils d’utilisation différents, l’un pour le chauffage et l’autre pour l’ECS. Cela nuit au rendement total.

Cependant, la différence entre ces deux profils d’utilisation n’était pas si claire à l’ère des combustibles fossiles. Dans l’intervalle, il y a eu un changement fondamental pour les deux applications. Dans une chaudière à combustible fossile, l’ECS était en fait une activité secondaire du chauffage principal à haute température. Actuellement, la production d’ECS, en revanche, pose le plus grand défi. La récupération de chaleur des eaux usées permettrait de faire un grand pas en avant pour réduire les émissions de CO₂.

Un ballon tampon combiné pour le chauffage et l’ECS est complètement contraire à cette évolution. Le réchauffage ultérieur du ballon tampon, notamment en raison de l’enclenchement prioritaire de la production d’ECS, est fréquemment un inconvénient pour un chauffage d’appoint efficace par les capteurs solaires. Porter le chauffe-eau à des températures élevées réduit la capacité d’absorption de chaleur issue des capteurs solaires. Le chauffage d’appoint traditionnel pouvait donc être amélioré.

Le bâtiment comme système de transfert thermique par les capteurs solaires

Le Forum Wohnenergie recherchait donc un moyen supplémentaire de stockage de la chaleur solaire qui ne serait pas absorbée par le chauffe-eau solaire. Il fallait donc trouver d’autres utilisations à la chaleur solaire. L’étape la plus importante a été de franchir les limites de la technique d’installation classique et de considérer l’ensemble du bâtiment.

En effet, la construction contient de nombreux volumes massifs dans lesquels la chaleur solaire peut être stockée. Même si la température ambiante est de 20 °C, le noyau d’un mur plein peut encore avoir une température considérablement plus basse. Cela rend cet élément de construction approprié pour servir de stockage thermique pour les capteurs solaires.

Un large éventail d’éléments de construction peut être activé thermiquement de cette manière : murs intérieurs et extérieurs, comptoirs, voire sculptures. Il n’y a donc aucune restriction pour l’aménagement intérieur. La plupart des applications à ce jour concernent des cloisons ou même des buffets qui séparent une cuisine ouverte du reste de la pièce. Les propriétés thermiques du matériau (capacité de stockage, conductivité) sont bien entendu déterminantes. Les matériaux les plus appropriés se révèlent être la brique pleine et l’argile.

Activation solaire thermique

L’activation solaire thermique des éléments de construction ne diffère pas fondamentalement en termes de construction et de régulation d’un système traditionnel pour l’ECS ou le chauffage d’appoint. Une vanne de dérivation dans le retour du circuit du capteur solaire transforme l’installation en une variante avec un double tampon thermique. Un chauffe-eau solaire conventionnel forme alors un tampon et un élément de construction en est un autre. De plus, une telle forme de stockage n’entraîne aucune perte par temps d’arrêt : toute émission de chaleur aboutit dans l’espace occupé.

La grande différence est la structure du tampon thermique secondaire, qui détermine ensuite sa fonction. Par exemple, la chaleur solaire n’est pas utilisée indirectement (via stockage dans un chauffe-eau solaire et distribution par le système de CC), mais contribue directement à chauffer l’espace de vie. En été, l’activation des éléments de construction est désactivée et toute la chaleur est transférée à la production d’ECS. Cela suffit généralement à couvrir les besoins.

La réactivation des éléments de construction est possible dans l’entre-saison, avant même le démarrage de l’installation de chauffage. La chaleur solaire supplémentaire empêche alors le bâtiment de se refroidir trop rapidement, de sorte que la saison de chauffage s’écourte. En injectant la chaleur solaire directement dans le bâtiment, l’on dépasse les limites du système d’une installation de chaudière solaire classique. Ce circuit d’échangeur supplémentaire signifie que moins de rendement solaire est perdu, par exemple lorsque le chauffe-eau est pleinement chargé.

Une installation solaire thermique pour l’ECS peut être complétée par un tel système. De cette manière, un chauffage d’appoint est toujours possible, même si l’installation de CC existante elle-même ne convient pas pour cela, en raison par exemple des régimes de température trop élevés.

Conclusion

Nous avons plus que jamais besoin de l’énergie solaire thermique, mais pour cela, nous devons penser les bâtiments différemment. Nous devons considérer les besoins de l’utilisateur dans le contexte de l’ensemble du bâtiment, et pas seulement en fonction d’un système technique spécifique. Si l’on envisage le confort thermique de cette manière, c’est alors un pas en avant pour la transition énergétique en chauffage.

Un concept de chauffage durable pour le bien-être des personnes et de l’environnement réduit non seulement les émissions de CO₂. En utilisant l’énergie solaire, nous augmentons le degré d’autosuffisance du bâtiment, et moins de chauffage d’appoint doit être fourni.

Par : Frank Hartmann, Forum Wohnenergie