Comment fonctionnent les panneaux solaires thermiques ?

09 juin 2021
Chauffage solaire
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Le principe du panneau solaire thermique est simplissime : du soleil, un capteur, de la chaleur. C’est un principe connu depuis la nuit des temps pour augmenter la température d’une surface. Ootravaux vous raconte comment, dans l’ombre de son cousin photovoltaïque pendant longtemps, le panneau solaire thermique retrouve la lumière à la faveur d’aides spécifiques à l’installation.

Les principes de fonctionnement des panneaux solaires thermiques

Les panneaux solaires thermiques fonctionnent tous sur le même principe : quand le soleil brille, un capteur récupère le rayonnement solaire pour chauffer un liquide. Celui-ci transmet ses calories et augmente la température de l’eau utilisée dans les sanitaires de la maison ou pour alimenter le circuit de chauffage.

Le fluide caloporteur

Le liquide présent dans les panneaux solaires thermiques est donc caloporteur : il transporte la chaleur. C’est en général de l’eau avec un antigel (de l’eau glycolée). Ce fluide a pour fonction de réchauffer la production d’eau de la maison. Pour cela, il passe dans un échangeur, un serpentin installé dans un chauffe-eau. 

Les capteurs

Pour réchauffer le fluide caloporteur, il faut récupérer la chaleur des rayons du soleil. Plusieurs types de capteurs existent, Ootravaux vous les présente du moins performant au plus efficace.

  • Les capteurs plans

Il n’y a quasiment pas de technologie ici. Ils se présentent sous la forme d’une plaque noire dans laquelle est intégré le liquide caloporteur (qui transporte les calories). Comme le capteur n’est pas protégé, la perte de température est importante, le rendement est donc faible. On utilise ces panneaux pour chauffer une piscine ou le ballon d’eau chaude d’une cabane ou d’un chalet sans confort.

  • Les capteurs plans vitre

Les plus utilisés sous nos climats tempérés, leur rendement est suffisant pour nos durées annuelles d’ensoleillement et nos températures moyennes. Ces capteurs sont protégés par des vitres qui provoquent un effet de serre. Ils sont installés dans un châssis très bien isolé avec de la laine de verre ou une mousse isolante. Les panneaux thermiques équipés de ces capteurs sont plus efficaces que ceux qui n’ont pas de vitres.

  • Les capteurs tubulaires

On remplace le capteur à plat par des tubes. Chaque tube est un capteur, il permet une efficacité maximale. Les capteurs à tubes ou tubulaires sont utilisés dans les pays où les hivers sont ensoleillés mais très froids : les pays d’Europe du Nord, le Canada, la Russie. La recherche pour l’amélioration des rendements de ces capteurs est permanente. Le liquide caloporteur se retrouve placé dans un tuyau placé sous vide dans chaque tube. La transmission de calories de l’énergie solaire est directe.

Le chauffe-eau, roi de l’utilisation du solaire thermique

Le premier, voire le principal usage, du panneau solaire thermique, c’est l’alimentation d’un chauffe-eau. Les professionnels parlent de CESI, chauffe-eau solaire individualisé. C’est une installation assez simple qui nécessite un ou deux panneaux solaires thermiques de 2 m² en général.

Pour info : 4 m² de surface permettent de chauffer un ballon d’eau chaude sanitaire de 300 litres. Soit le besoin en eau d’une famille de 4 ou 5 personnes. Le cumulus est ensuite installé selon la configuration du toit ou du logement, directement sur le toit ou dans une pièce dédiée. 

Comment ça marche ?

Le liquide glycolé est chauffé par le capteur du panneau solaire, des flexibles « solaires » en inox en général (ils peuvent être en cuivre) assurent la circulation du liquide caloporteur jusqu’à l’échangeur (un serpentin) dans le chauffe-eau. Quand il a transmis ses calories, la température de l’eau du cumulus augmente, le liquide repart dans le circuit vers le panneau où il sera réchauffé… Ainsi de suite jusqu’à la disparition du soleil (la nuit ou lorsqu’il est caché par des nuages).

Que se passe-t-il si le panneau solaire chauffe trop ?

Dans certaines régions ou en plein été, le capteur du panneau solaire peut atteindre une température très élevée, jusqu’à 140°/150°. Évidemment, le liquide caloporteur risque de se « vaporiser » (se transformer en vapeur) dans le circuit. Pour éviter ce phénomène, il va être envoyé vers le chauffe-eau pour perdre ses calories, se refroidir donc. Quand l’eau du cumulus devient elle aussi trop chaude, alors, le liquide n’est plus envoyé dans l’échangeur. Comme pour une chaudière traditionnelle, un vase d’expansion permet de diminuer la pression. Si besoin, une soupape de sécurité permettra l’évacuation du liquide vaporisé.

Le cas spécifique des panneaux solaires thermiques autovidangeables

Lorsque la situation du logement le permet, on peut utiliser des panneaux autovidangeables. C’est-à-dire que le liquide caloporteur est vidangé, évacué du capteur quand la chaleur est trop importante. En fait, l’eau glycolée est stockée le temps que la température du panneau baisse dans l’échangeur à l’intérieur du ballon. Les fabricants exigent une pente de 4 à 5% entre le panneau et le chauffe-eau thermique.

Bon A Savoir

Ne pas confondre CESI et CETI ! Le CETI est thermodynamique. Il récupère les calories de l’air pour chauffer l’eau du cumulus. Seul le CESI utilise l’énergie solaire directement.

Le chauffe-eau solaire thermique monobloc à thermosiphon

Avec ce type de chauffe-eau, le panneau solaire thermique et le cumulus sont assemblés. L’installation est encore plus simple puisque dans cette situation, il n’y a même pas besoin d’installation électrique : il n’y a pas de pompe pour la circulation du liquide caloporteur du capteur vers le ballon. Seule énergie utilisée : le soleil ! 

Le thermosiphon utilise un principe physique simple : le fluide chaud (dilaté) monte naturellement vers l’échangeur dans le cumulus, il redescend vers le capteur quand il refroidit. Ce système est, en revanche, moins performant dans les climats tempérés. Comme le stockage est à l’extérieur, même avec l’isolation de la cuve, on enregistre des pertes de température. On trouve en revanche très souvent ces chauffe-eaux sur les toits en Afrique du Nord ou dans les zones tropicales.

Le système solaire combiné (SSC)

En plus de l’alimentation des besoins sanitaires, une partie de l’eau chaude du cumulus est utilisée pour chauffer le réseau de radiateurs de la maison. Il faut donc ajouter à l’installation une partie chauffage. A noter qu’une chaudière d’appoint est toujours nécessaire au cas où le rayonnement du soleil ne serait pas assez vigoureux. Le prix de l’installation est plus élevé.

Quel entretien pour un panneau solaire thermique ?

Les panneaux solaires nécessitent peu d’entretien. Ils doivent être nettoyés en même temps que la toiture. La présence de pollen ou de feuilles sur le capteur risque de diminuer le rendement. Le principe est bien d’avoir le rayonnement du soleil le plus directement possible sur la vitre ou sur les tubes. L’autre élément à surveiller, c’est le niveau du liquide caloporteur. Les fabricants recommandent l’intervention de l’installateur agréé tous les 5 ans environ. Évidemment, si vous vous apercevez que le chauffe-eau ne fonctionne plus normalement après de grosses chaleurs ou une vague de gel, il faudra aller regarder si le fluide est toujours à niveau.

Bon A Savoir

Quelles économies grâce aux panneaux solaires thermiques ? Gratuit pour l’eau chaude, en dehors du prix de l’installation du stockage et des capteurs. 1 m² de panneau solaire permet l’économie annuelle de 140 euros environ d’électricité. Pour une famille de 5 personnes qui consomme 300 litres d’eau chaude par jour, il faut 4 m² pour alimenter le chauffe-eau. C’est donc 560 euros qui peuvent être économisés au mieux chaque année.

Des aides à l’installation

C’est un avantage par rapport aux panneaux photovoltaïques, le solaire thermique est éligible à plusieurs dispositifs d’aides : 

  • MaPrimeRénov. Anciennement CITE, elle intègre aussi le dispositif pour les ménages les plus modestes Anah d’un montant maximum de 20 000 euros.

    • Il faut bien sûr faire appel à un installateur agréé RGE pour en bénéficier ;
    • Il faut que l’habitation ait plus de 2 ans.
  • L’Eco-prêt à taux zéro (Eco-PTZ) permet d’obtenir un crédit à taux 0 pour l’installation de panneaux solaires thermiques, jusqu’à 10 000 euros.

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