Les étapes du dimensionnement d’un chauffe-eau solaire

Pour aller plus loin :

Dimensionnement du ballon

Il faut déterminer les besoins journaliers en eau chaude. Cela permet de calculer le volume minimum du ballon d’eau chaude. En 2010, on considérait qu’une personne consommait environ 50 litres d’eau chaude (à 55°) par jour. En fait, on peut estimer que les chiffres varient de 30 à 80 litres selon les utilisateurs. 30 litres pour une personne économe, 50 litres assez souvent, au delà on en parle de moins en moins. Si vous regarder la base retenue par le simulateur de l’ INES, il propose un volume de 35 l à 60° par jour et par personne.

Facteurs influençant le dimensionnement

Comment évaluer si l’on est gros ou petit consommateur ? Je pose généralement 3 questions : y a-t-il une baignoire utilisée fréquemment (volume de ballon mini 400l sauf cas particulier), les douches durent-elles 5 minutes ou 15 minutes (pour une douche à 40° avec un ballon à 60°, on consomme 4 litres par minute environ), la vaisselle est-elle faite à l’eau courante (l’eau est plus chaude que pour la douche, on consomme 6l/minute en moyenne)?

Parmi les facteurs influençant la consommation, il y a aussi la conception du réseau d’eau chaude sanitaire : plus le réseau est compact, moins l’eau chaude met de temps à arriver aux robinets. C’est elle qui après se refroidit dans les tuayaux et qu’on fait couler lors de l’utilisation suivante. Isoler les réseaux d’eau chaude est une bonne idée.

Il faut prévoir un volume de ballon d’environ 2 jours de consommation d’eau chaude si l’on remplace un ballon existant : on laisse la journée au soleil pour préparer l’eau chaude du lendemain, et s’il n’a pas fait beau, la partie supérieure est chauffée par l’appoint ce qui nécessite aussi un peu de temps, surtout en appoint électrique. Pour avoir une idée du temps nécessaire à chauffer l’eau sanitaire, vous pouvez utiliser notre simulateur de temps de chauffe. D’où la solution généralement retenue de 2 journées de consommation. Il existe des variantes : ballons permettant de positionner la résistance à différentes hauteurs, cas de l’appoint hydraulique par une chaudière puissante qui permet de fournir de l’eau chaude ‘en allant’.

Installation en économiseur

Si votre installation existante n’est pas obsolète et que vous disposez d’un peu de place, c’est une solution astucieuse : il suffit d’insérer le ballon solaire entre l’alimentation en eau de ville et le ballon existant. On aura quasiment le même résultat pour une installation moins dimensionnée.

Par exemple, un ballon électrique existant peut être alimenté avec de l’eau chauffée dans un ballon solaire :

• Si la période est ensoleillée, l’appoint reste au repos,
• Si le temps est couvert ou que l’on consomme beaucoup, l’énergie d’appoint garantit le confort en permanence.

On peut alors prendre un ballon solaire de plutôt petites dimensions : 200 litres et 2 panneaux pour 4-5 personnes dans le sud de la France procurent une excellente autonomie.

Et pour l’été, ou plus, période durant laquelle on consomme le moins d’eau chaude, on peut prévoir un bypass de l’installation existante : on ne fonctionnera qu’en solaire.

Ce type d’installation est appelé CESI optimisé par l’Ademe.

Si vous conservez le ballon existant, prendre un ballon de 200 litres en préchauffage (la sortie d’eau chaude solaire alimente votre ballon existant, montage en économiseur) couvrira la majorité des besoins d’une famille de 4 à 5 personnes à moindres frais.

Choix du ballon d’eau chaude

Sur la base de ces éléments, en fonction du nombre d’occupants et selon le budget qu’on souhaite y consacrer, on peut choisir/adapter le volume du ballon d’eau chaude sanitaire solaire.

On pourra se référer aux recommandations de l’ADEME : la version 2011 du guide pratique de l’ADEME (le soleil n’a pas beaucoup changé depuis), ou la version actualisée en 2019, qui comporte aussi des informations sur le chauffage.

Sur ces documents, quelques commentaires :

• Le label RGE a été créé pour apporter un gage de qualité. L’installateur doit respecter un certain nombre de règles de bonne conduite. Néanmoins, il existe des contre-exemples : j’ai eu l’occasion d’échanger en 2020 avec une entreprise RGE, qui avait vendu et installé un chauffage solaire, avec des panneaux posés sur un toit méridional à faible pente. J’ai dû expliquer au responsable que son système fonctionnait bien pour chauffer l’été, quand les panneaux étaient face au soleil, mais ne donnerait vraiment pas grand chose l’hiver. Le fils avait passé le Qualisol/RGE , le père vendait du solaire. Dommage. Dans des structures un peu plus grandes, il est facile d’avoir le RGE -une personne formée suffit- et de faire vendre et poser par des personnes qui n’y connaissent pas grand chose. Le problème est que ces structures restent RGE tant que personne ne se plaint auprès de l’ADEME. Qui pense à le faire ?
• Le prix du RGE : pour un artisan, passer le RGE représente du temps passé à ne pas produire. Donc cela coûte. Néanmoins, les aides et crédit d’impôt, si elles facilitent l’acquisition par le particulier facilitent aussi l’augmentation de tarif de certains installateurs bien au-delà du surcoût représenté par l’obtention du label, de l’assurance décennale et de l’amortissement des équipements spécifiques requis. D’ailleurs, personne n’est dupe : en offrant une prime, le gouvernement veut aussi inciter les installateurs en leur permettant de faire plus de marge. Logique. Donc ne rêvons pas, la prime n’est pas faite (que) pour le client final, et pour autant qu’il y ait droit.
• Certains très bon installateurs ne reconduisent pas leur qualification RGE, en raison des contraintes que cela leur impose et qui finit par leur peser plus qu’elle ne les avantage.
• Pour les bricoleurs, il y a donc un vrai calcul à faire : en posant moi même, j’économise combien ?

Enfin sur les conseils de la version 2019 du guide au sujet de l’entretien, qui vous renvoie vers un installateur, voyez aussi notre rubrique entretien.

Dimensionnement des panneaux

La surface des panneaux est fonction principalement de la dimension du ballon : de 2m² pour un ballon de 200 litres dans le sud-est de la France à 7m² pour un 500 litres dans le Nord.

Il faut 1 à 2 m² de panneaux pour 100l dans les chauffe-eau individuels.

D’autres éléments entrent en jeu pour le choix de la surface et/ou du type de panneaux : par exemple l’orientation et l’inclinaison des panneaux. Vous pouvez facilement mesurer l’impact de ces valeurs en utilisant un simulateur solaire thermique. Nous donnons plus de détails sur le dimensionnement des panneaux ici.

Les kits présentés sur notre boutique en ligne reflètent ces ratios, ce sont des exemples ‘passe-partout’ que l’on peut optimiser en fonction de l’implantation et de l’usage.

Quelle est l’implantation optimale pour des panneaux solaires thermiques ?

Implanter les panneaux : au sol ou en toiture ?

Implanter au sol est généralement plus facile et permet de choisir à la fois l’orientation (plein sud) et l’inclinaison des panneaux. Avec les stations solaires d’aujourd’hui, la distance n’est plus un problème, il faut simplement tenir compte du fait qu’au démarrage, il y a un volume plus important de fluide à réchauffer. Par exemple, avec un circulateur de chauffage, à une distance de 50 mètres et avec une liaison solaire inox annelé de diamètre 25 mm, on obtient un débit de l’ordre de 20 l/minute, on peut donc fonctionner avec 12 panneaux de 2 m². La distance permet aussi de gérer plus facilement les éventuels problèmes de surchauffe.

La pose en toiture présente l’avantage de ne pas empiéter sur le jardin. L’installation est aussi généralement plus compacte, et il y a moins de risque d’avoir de l’ombre sur les panneaux ou de projection de pierres (tondeuse, débroussailleuse). Mais on ne choisit ni l’angle ni l’orientation : c’est le toit qui fixe la chose.

Utiliser un simulateur solaire thermique

Pour voir l’impact sur la collecte d’énergie, le simulateur de l’Ines est très agréable à utiliser.  Au préalable, vous pouvez passer par notre tuto : utiliser Calsol.

L’avantage d’utiliser un simulateur est qu’on arrive, par tâtonnements, à trouver la solution optimale. Et aussi comparer les différentes solutions qui s’offrent dans la pratique.

Mais il faut savoir d’où on part.

En toute première approche, quand on est proche du 45° parallèle, un angle de 45° pour être en moyenne face au soleil quand on est orienté plein sud est une bonne position. On peut incliner un peu plus car le soleil chauffe plus efficacement en été qu’en hiver (la couche d’atmosphère traversée par les rayons est plus faible, il y a donc moins de pertes).

Et plusieurs éléments viennent modifier cette valeur :

• Tout d’abord, le besoin en eau chaude, qui est souvent supérieur en hiver qu’en été, prenez par exemple le réglage de température de la douche,
• Le besoin d’énergie pour chauffer l’eau : généralement, et c’est variable selon les régions, l’eau est plus froide en hiver qu’en été, on a donc plus de besoin en hiver qu’en été.

Au sol, on peut généralement orienter les panneaux plein sud, un angle supérieur à 45° est donc bienvenu quand on recherche une plus grande autonomie : 50 à 60°(cf l’angle de nos supports sol). Sauf si des éléments extérieurs viennent modifier le besoin en fonction de la période, par exemple: beaucoup de visiteurs en été…

A contrario, plus on est désaxé par rapport au Sud, moins il est intéressant d’incliner beaucoup ses panneaux. Par exemple un panneau orienté plein Est à la verticale ne recevra le soleil que jusqu’à midi. Depuis tôt le matin en été mais très peu en hiver car le soleil se lève plus tard et plus au sud, et lorsqu’il s’élève dans le ciel il est plutôt rasant par rapport au panneau.

Voici pour les aspects purement techniques, du dimensionnement d’un chauffe-eau solaire,  il en est d’autres.

Autres critères de choix

Critères esthétiques

Pose en toiture

Il peut être préférable pour des raisons esthétiques de monter les panneaux en apposition sur un toit : par exemple sur une pente à 30% (17°), on perd un peu de rendement, surtout en hiver, mais on gagne en ‘intégration architecturale’.

Le choix d’un panneau pas trop performant peut alors être très judicieux : moins ‘performant’, il évitera les surchauffes en été sans que la perte de rendement soit critique en hiver : à 30% de pente, même avec des bons panneaux, on ne montera pas beaucoup en température l’hiver : on préchauffera l’eau à 35°, environ.

Si vous positionnez vos panneaux sur un toit à faible pente, préférez des panneaux ‘peints’, dont la température de stagnation est moins haute (environ 140°) que les panneaux à revêtement sélectif Tinox ( environ 200°). Avec des panneaux peints, vous pouvez donc augmenter un peu la surface de panneau sans risque de surchauffe d’été.

Ceci étant, la surchauffe est aujourd’hui parfaitement gérable par les régulations, on le voit très nettement sur les courbes de températures dans nos exemples de fonctionnement.

Avec les panneaux à revêtement sélectif Mirotherm Control, la température de stagnation est intermédiaire car ils perdent en efficacité au fur et à mesure qu’ils montent en température. Je l’ai mesurée à Nantes à 159° en été. C’est donc un panneau polyvalent : performant l’hiver, pas trop performant l’été, exactement ce qui est recherché. La surchauffe sera d’autant plus simple à gérer. Et en cas de non fonctionnement prolongé (2 ans de vacances ?), le risque de dégrader le glycol est faible comparé à un panneau Tinox.

Pose en mur

A l’opposé, des panneaux à 60° le long d’un mur  orienté sensiblement au sud peuvent être très efficace en hiver, car bien inclinés par rapport au soleil. Dans ce cas, la température montera plus haut, et il est intéressant de prendre des panneaux plus performants, dont le rendement sera supérieur quand l’écart de température est élevé ( 0° dehors, 70° dedans pour chauffer votre ballon à 60°). Il seront aussi moins bien orientés par rapport au soleil l’été, donc le risque de surchauffe est limité.

Attention, plus on incline fortement les panneaux, plus l’orientation par rapport au sud est importante : l’orientation d’un panneau à l’horizontale sur un toit plat n’a aucune importance. Vous pouvez mesurer facilement l’impact de ces paramètres sur le simulateur cité plus haut.

Pose au sol

Si la pose en toiture n’est pas optimale, la pose au sol est aussi possible, cela prend un peu de place et il faut protéger les panneaux des tondeuses, voitures, vélos… et surtout les enfants des panneaux (pièces métalliques avec angles au sol, hautes températures). Par contre, cela permet d’orienter les panneaux idéalement, alors que sur une toiture, on n’a pas vraiment le choix. C’est donc une solution de plus en plus souvent retenue quand c’est possible. Il n’y a pas de contrainte importante quant à la distance : dans mon installation, les panneaux sont à 50 mètres du ballon. Cela coûte un peu plus cher en liaison solaire, qu’il faut généralement enterrer en la protégeant dans une gaine.Si l’on considère une solution en toiture, l’orientation idéale des panneaux solaires est plein Sud puis Sud Ouest, puis Sud Est, puis Ouest, puis Est.

A noter : CALSOL est un ‘petit simulateur’ très pratique, et simple. Par exemple, l ne montre pas de différence entre sud-est et sud-ouest. Pourtant, l’après midi étant généralement plus chaud que le matin, un panneau présentera moins de pertes thermiques l’après-midi, il est donc souhaitable qu’il soit en mesure de produire l’après-midi.

A ce stade, on comprend que les possibilités d’implantation peuvent jouer sur le choix du matériel.

Voyez cette page pour en savoir plus sur les critères de choix.

Les contraintes

Des contraintes limitent parfois les choix définitifs, comme la place disponible pour l’implantation des panneaux, ou l’existences d’ombrages importants à certains emplacement.

C’est aussi pour cette raison que nous avons intégré plusieurs gammes de produits : les dimensions des panneaux sont différentes (hauteurs, largeur, portrait ou paysage) et peuvent offrir des solutions variées.

Enfin, il est utile de tenir compte de l’énergie que l’on souhaite utiliser comme appoint : chaudière instantanée ou avec ballon, électrique, ballon tri-énergie. Dans le cas tri-énergies, solaire/chaudière/électrique, l’électricité est disponible en appoint (mais sert rarement) pendant 4 à 8 mois, selon les régions, lorsque la chaudière est au repos. Avec une chaudière, l’apport d’énergie est important, la puissance de l’échangeur bien supérieure à celle d’une résistance électrique. Quand la chaudière fonctionne, pas besoin de disposer d’un gros ballon. C’est uniquement quand elle est à l’arrêt qu’il faut se soucier du ‘volume de confort’, c’est à dire du volume qui sera chauffé par la résistance électrique en cas de mauvais temps : ce volume, en général la moitié du volume du ballon, devra être suffisant pour une journée de consommation. Donc avec un ballon 200l, 100l de confort ( à 60° par exemple, si vous l’utilisez à 40°, cela vous fait quand même 200 litres d’eau chaude) : il faut quand même éviter de prendre trop de bains !