Tout sur les panneaux solaires thermiques

publié le 26/04/2021 | mis à jour le 31/08/2023 | par Lucas Marc-Martin

Les panneaux solaires thermiques, comment ça fonctionne ?

Commençons toute de suite par une petite précision qui évitera la confusion : la différence entre les panneaux « thermiques solaires » et les panneaux « photovoltaïques ». Car bien que ces deux appareils utilisent la même source d’énergie, ils n’ont pas la même fonction :

• le panneau photovoltaïque produit de l’électricité ;
• le panneau thermique produit de l’eau chaude sanitaire.

Comment ces panneaux, qui se nourrissent de l’énergie solaire, peuvent-ils produire de l’eau chaude ? Cela est rendu possible grâce à 3 phénomènes physiques qui s’y passent à l’intérieur.

Pour produire de l’eau chaude, 3 phénomènes physiques sont utilisés

Le fonctionnement des panneaux solaires thermiques peut se résumer en 4 grandes étapes, où ont lieu 3 phénomènes physiques : l’effet de corps noir, l’effet de serre et l’effet isolant.

1. L’effet de corps noir : les rayons du soleil sont absorbés par les panneaux. La particularité du noir est que c’est la couleur qui absorbe le plus l’énergie solaire. Cette énergie augmente la température intérieure, ce qui crée de la chaleur.
2. L’effet de serre : la chaleur générée par l’effet de corps noir va tenter de s’échapper. La vitre l’en empêche et la garde, ce qui permet de chauffer le fluide caloporteur placé sous les panneaux solaires thermiques.
3. L’effet isolant : le fluide chaud est bien gardé dans le panneau grâce à ses matériaux isolants et est envoyé dans un ballon de stockage qui stocke l’eau sanitaire.
4. L’eau sanitaire est réchauffée et envoyée dans tout le logement.

Maintenant que nous savons ce qu’il se passe à l’intérieur d’un panneau solaire thermique, intéressons-nous aux différents types de capteurs.

Les différents types de capteurs

Car oui, tous les panneaux solaires thermiques ne sont pas égaux en termes de production d’eau chaude et de température. On trouve trois types de capteurs :

• non-vitrés ;
• à plans vitrés ;
• sous-vide.

Les capteurs non-vitrés

Pas de vitres pour ces capteurs mais de simples tubes en plastiques noirs. La chaleur générée par l’effet de corps noir est moins exploitée car en l’absence de vitre, il n’y a pas d’effet de serre et d’effet isolant.

Ils sont moins chers mais aussi moins efficaces, surtout en hiver. C’est pourquoi on les utilise le plus souvent en été pour chauffer les piscines ou pour des maisons secondaires l’été.

Ces capteurs n’offrent par ailleurs que de faibles performances puisque vous n’obtiendrez une eau à une température maximale de 30 °C (dans les zones tempérées, bien exposées au soleil et en été).

Les capteurs à plans vitrés

Ce sont les plus installés en France. Une vitre en métal noire absorbe les rayons du soleil (effet de corps noir) sous laquelle sont situés les tubes remplis de liquide caloporteur.

Faciles à installer, ils ont contribué à démocratiser les panneaux solaires thermiques domestiques. Ils offrent d’ailleurs de bonnes performances. La température de l’eau chaude produite varie entre 50 et 80 °C et peut même atteindre 90 °C pour des plans doubles vitrage.

Les capteurs sous-vide

Même principe que pour les plans vitrés sauf que les tubes sont sous vide dans des caloducs (des tubes en cuivre hermétique). Encore peu commercialisés en France, ils offrent les meilleures performances. Le vide dans les tubes ainsi que les matériaux utilisés assurent une convection optimale pour une déperdition minimale.

Cette technologie, plus coûteuse, offrent les meilleures performances : de 60 à 85 °C et même jusqu’à 150 °C pour certains modèles.

Quel capteur chauffe le mieux ? Quel capteur coûte le moins ? Voici un résumé de ce que nous venons de voir :

Maintenant, la question à se poser est : qu’est-ce qu’alimentent ces capteurs ? Car les capteurs seuls ne sont pas suffisants, ils doivent être raccordés à un système de stockage et un réseau pour fournir de l’eau chaude sanitaire à un logement.

Les différentes technologies de chauffe-eau solaire

Selon la définition de l’ADEME, « le chauffe-eau solaire est constitué de capteurs solaires installés sur le toit, associés à un ballon de stockage de l’énergie solaire assurant également l’appoint ». Le CESI, acronyme pour « Chauffe-eau solaire individuel » est donc l’association de capteurs solaires (non-vitrés, à plans vitrés ou sous-vide) connecté à un système de stockage.

Pour faire circuler l’eau des capteurs jusqu’au ballon de stockage, deux techniques sont utilisées : par thermosiphon ou par le biais d’un circulateur :

• par thermosiphon : en chauffant, la masse volumique du liquide augmente. Cette transformation va avoir pour effet de faire circuler le liquide au sein d’une installation, en l’occurrence un circuit d’eau. La circulation se fait donc naturellement. Néanmoins, le ballon doit se situer en dessous des panneaux pour bien fonctionner ;
• par le biais d’un circulateur : la circulation se fait mécaniquement, réglant la problématique de l’installation si vous ne pouvez pas installer votre chauffe-eau en dessous des panneaux solaires thermiques.

Sur le marché, vous trouverez deux configurations de chauffe-eau solaire :

• le CESI monobloc ;
• le CESI à éléments séparés.

Monobloc vs à éléments séparés : lequel est le meilleur des deux ?

Outre la configuration du chauffe-eau, c’est surtout l’endroit où est stocké le ballon d’eau chaude qui va avoir de grandes influences sur la performance du chauffage :

• le CESI monobloc est placé sur le toit, à côté des capteurs ;
• le CESI à éléments séparés est lui stocké à l’intérieur du logement, profitant ainsi de l’isolation de votre logement.

Fonctionnement du CESI monobloc

Le CESI monobloc fonctionne au moyen d’un thermosiphon. Le fluide caloporteur est dirigé vers le ballon de stockage et envoyé directement dans le logement. L’air refroidi revient au niveau des capteurs avant d’être de nouveau chauffé.

Néanmoins, comme le ballon de stockage est situé sur le toit, il est sujet aux variations de température. Un système qui convient parfaitement pour des maisons secondaires habitées l’été mais déconseillé pour les résidences principales (car peu performant en hiver).

Fonctionnement du CESI à éléments séparés

Le CESI à éléments séparés, quant à lui est plus développé. Fonctionnant par thermosiphon ou par un circulateur, il convient pour une autoconsommation en toutes saisons.

À son avantage : le fait qu’il soit stocké à l’intérieur. Là où le CESI monobloc perd en performance de par son stockage extérieur, le CESI à éléments séparés bénéficie d’une meilleure isolation, et donc, réduit les déperditions de chaleur.

Le CESI à éléments séparés est donc le plus performant des deux configurations. Mais un autre type de chauffe-eau solaire individuel existe : le modèle « optimisé ».

Le CESI optimisé

Ce système se dit « optimisé » car la chaleur obtenue par les panneaux thermiques préchauffe le ballon d’eau chaude. Ainsi, les pertes thermiques entre le ballon et le système d’appoint sont réduites. Néanmoins, son efficacité est limitée aux logements :

• de moins de 120 m² ;
• disposant d’une seule salle de bains.

Les panneaux solaires thermiques n’alimentent pas seulement les chauffe-eau solaires. Il existe un autre système, plus cher mais plus performant : le système solaire combiné.

Les différentes technologies de système solaire combiné

Chauffage solaire ou Système solaire combiné (SSC), à vous de choisir le nom qui lui convient le mieux. S’il est plus performant qu’un chauffe-eau solaire, c’est parce que ce système fournit non pas un mais deux circuits d’eau chaude :

• un circuit pour l’eau chaude sanitaire ;
• un circuit pour le chauffage (radiateurs, planchers chauffants, etc.).

Là encore, plusieurs configurations existent :

• le SSC à hydroaccumulation ;
• le SSC direct ;
• le SSC mixte.

Système à hydroaccumulation vs direct : lequel est le meilleur des deux ?

Comme pour les CESI monobloc et à éléments séparés, ces deux modèles de SSC ont des méthodes de fonctionnement différentes mais qui ont leurs avantages.

Fonctionnement du système à hydroaccumulation

Comme son nom l’indique, ce système accumule de l’eau dans un ballon de stockage chauffé. Généralement, la cuve peut faire entre 500 et 2 000 litres, raison pour laquelle ce système est très pratique pour stocker de l’eau chauffée en période de faible ensoleillement comme en hiver.

L’inconvénient, c’est que la cuve est volumineuse et vous demandera un espace en conséquence.

Fonctionnement du système solaire direct

Et si le fluide caloporteur traversait tout votre logement pour chauffer toutes les pièces ? C’est exactement ce que fait le système solaire direct. Planchers, murs, radiateurs, le circuit du liquide caloporteur couvre tout votre logement !

De ce fait, le besoin en stockage est minime comparé au système précédent. Sa réalisation est néanmoins bien plus facile lors d’une construction neuve plutôt que dans une rénovation car elle demande de lourds travaux.

Le système solaire mixte

Vous n’arrivez pas à vous décider entre ces deux systèmes ? Pas grave puisqu’il existe un système mixte qui combine ces deux configurations : le système mixte !

Vous bénéficiez donc des avantages des deux configurations :

• vous avez un gros système de stockage (à hydroaccumulation) qui fait office de très bon système d’appoint l’hiver ;
• vous avez un fluide caloporteur qui chauffe votre logement en toute saison et évite les surchauffes l’été.

Néanmoins, on a pu le voir précédemment, ce type de système demande de lourds travaux et beaucoup de place. Il est donc peu recommandé en rénovation et plutôt préconisé en construction neuve.

CESI et SSC : récapitulatif des différentes technologies

Vous retrouverez ci-dessous un tableau récapitulatif des différents équipements qui fonctionnent grâce aux panneaux solaires thermiques :

5 éléments indispensables pour obtenir un bon rendement

Concernant les panneaux solaires thermiques, leur rendement moyen s’élève à 80 %, soit une perte de 20 % entre l’énergie solaire captée par les panneaux et l’énergie produite. Pour vous donner un ordre d’idée, le rendement des panneaux photovoltaïques est situé entre 13 et 18 %. Les panneaux solaires thermiques sont donc bien plus performants que les panneaux photovoltaïques.

En termes de consommation, il est aussi très efficace car :

• un CESI permet de couvrir 50 à 80 % des besoins annuels et parfois même 100 % en été ;
• un SSC peut couvrir entre 40 et 60 % des besoins en chauffage et même atteindre 70 % dans certaines zones montagneuses.

Alors, pour optimiser son rendement, comment procéder ?

1^er élément : l’ensoleillement

L’ensoleillement est, naturellement, un élément indispensable pour produire de l’énergie. Sans soleil, les capteurs n’absorbent pas de lumière. Sans lumière, pas d’effet de corps noir et donc pas de production de chaleur.

Ce facteur est surtout d’ordre géographique, comme vous pouvez le remarquer sur la carte ci-dessous :

Il n’est pas étonnant de constater que les zones méridionales sont les plus gâtées en termes d’ensoleillement. Toutefois, il reste assez élevé à l’échelle nationale, preuve que vos panneaux solaires thermiques ont de bonnes chances d’avoir un rendement intéressant.

Si l’on prend une maison avec 6 capteurs, le rendement sera différent entre Mandelieu-la-Napoule (plus de 2 750 heures à l’année), La Rochelle (entre 1 750 et 2 000 heures) et Valenciennes (moins de 1 750 heures). La zone géographique où votre logement se situe a donc un grand impact sur votre rendement.

Ce premier élément est le seul que vous ne pouvez pas changer. Il est d’ordre naturel, vous ne pouvez pas y changer grand-chose. Néanmoins, il existe 5 autres éléments sur lesquels vos actions auront une influence sur le rendement de vos panneaux solaires.

2^e élément : l’orientation et l’inclinaison de vos panneaux

Premier conseil que vous pouvez appliquer pour obtenir le meilleur rendement : choisissez la meilleure orientation pour vos panneaux.

• Pour l’orientation : plein sud, sud-ouest ou sud-est, cela dépend de votre commune.
• Pour l’inclinaison : idéalement entre 45 et 50 degrés.

En résumé, vous pouvez facilement obtenir plus de 95 % d’efficacité en appliquant les paramètres suivants :

3^e élément : la surface couverte par vos panneaux

Un seul capteur ne produira pas autant de chaleur que si vous en aviez installé six. Mais attention, car plus vous avez de panneaux, moins le rendement risque d’être élevé. Pourquoi ? Parce que :

• l’été, le soleil sera trop chaud pour fonctionner (le panneau se met en pause pour éviter de surchauffer) ;
• l’hiver, le soleil n’est pas assez puissant pour produire assez de chaleur pour réchauffer l’eau chaude.

De plus, vos capteurs ne produisent de la chaleur que lorsque le capteur est plus chaud que le ballon d’eau chaude. Si votre ballon a reçu assez de chaleur pour votre logement, alors la production excédentaire n’est pas exploitée (sauf si vous êtes équipé d’un SSC à hydroaccumulation).

Il est donc nécessaire de bien estimer la surface nécessaire à ses besoins. Le taux de couverture ne sera pas le même pour un chauffe-eau solaire individuel que pour un système solaire combiné par exemple.

Pour vous donner une idée, voici la couverture nécessaire selon votre type de logement :

Exemple : Votre maison fait 130 m². Si elle est ancienne (et que vous souhaitez la rénover), vous allez devoir couvrir 14 m² de panneaux thermiques. Si elle récente ou bien isolée, la couverture nécessaire sera de 9,8 m².

4^e élément : le type de capteur

Autre point pour obtenir un rendement optimal : le type de capteur. Les plans vitrés sont les plus installés en France, certes. Néanmoins, ils peuvent ne pas convenir à l’utilisation que vous allez en faire.

Si vous souhaitez faire de l’autoconsommation et produire de l’eau chaude même en hiver, vous devriez plutôt vous tourner vers des capteurs sous-vide. Ils captent et absorbent mieux les rayons du soleil, et ce même lorsqu’il y a un faible ensoleillement. Tout dépend de vos besoins, de la surface de votre logement et du nombre de personnes qui compose votre foyer.

Par contre, si vous cherchez à réchauffer l’eau de votre piscine ou votre maison d’été, les capteurs non-vitrés feront amplement l’affaire.

5^e : l’isolation du système

Un panneau solaire est comme une maison avec des baies vitrées : exposé au soleil, la chaleur s’accumule à l’intérieur. Pour la maintenir, il convient de bien l’isoler. C’est lors de la phase d’entretien que vous devez vous assurer que les vitres et les tubes (si vos panneaux en ont) sont bien isolés.

Même attention pour le circuit caloporteur, le ballon d’eau chaude et tous les circuits. C’est aussi lors de la circulation de l’eau chaude qu’il y a des pertes thermiques et donc que votre système perd en performance. Ayez une attention toute particulière aux éléments situés à l’extérieur et dans les endroits non chauffés (dans le cas d’un garage non isolé par exemple).

Coût, installation et entretien des panneaux solaires thermiques

Cet article vous a convaincu et vous souhaiteriez installer des panneaux solaires thermiques chez vous ? Très bien, mais combien ça coûte ? Et comment faire pour bien les entretenir et faire en sorte qu’ils ne perdent pas en rendement au fil des années ? Choisir.com répond à vos questions.

Quel budget est nécessaire pour installer des panneaux solaires thermiques chez soi ?

Le coût va de pair avec le système de chauffe-eau. Les modèles mono-bloc ou à éléments séparés d’entrée de gamme sont les moins chers. Mais les modèles haut de gamme seront plus chers qu’un CESI optimisé ou même un SSC.

Comment faire pour installer vos panneaux ?

Outre l’orientation, indispensable pour obtenir les meilleures performances possible, le lieu de l’installation constitue un élément indispensable. Les panneaux solaires thermiques sont généralement installés sur la toiture mais d’autres solutions peuvent être envisagées :

• sur le sol (dans un jardin) ;
• sur un mur ;
• sur une terrasse ;
• sur une pergola ;
• sur un garage ou un abri de voiture.

L’objectif est qu’ils soient surtout loin des zones d’ombre (antennes, cheminées, arbres, lignes électriques, etc.) afin que l’exposition au soleil soit la plus optimale.

Pour la pose de vos panneaux solaires thermiques, mieux vaut faire appel aux services d’un professionnel. De même, quelques règles administratives sont obligatoires. Elles sont toutes détaillées dans notre article « Installer des panneaux solaires : mode d’emploi ».

Les conseils pour entretenir vos panneaux

Vos panneaux solaires thermiques, tout comme vos appareils doivent être soumis à un entretien assidu. Pour cela, mieux vaut faire appel à un professionnel. Il n’y a pas d’obligation particulière mais il est conseillé de le réaliser tous les ans, voire tous les deux ans. Deux opérations doivent néanmoins être réalisées à une certaine fréquence par vos soins :

• tous les ans, vérifiez les capteurs. Ils vous donneront un état des lieux de l’état du fluide caloporteur ;
• tous les 3 ans, nettoyez le ballon. Du tartre s’y est accumulé, il faudra l’enlever pour ne pas perdre en performance et assurer sa longévité.

À l’échelle du consommateur, vous pouvez aussi garantir la longévité de vos panneaux en suivant quelques règles d’usage simple à appliquer :

• nettoyez vos panneaux solaires au moins une fois par moins. Vous enlèverez la salissure qui peut s’y accumuler. En cas de forte chaleur, utilisez de l’eau claire. Autrement, de l’eau chaude et une éponge suffisent à faire l’affaire ;
• vérifiez l’état de vos tubes. Qui dit tube cassé dit fuite de fluide caloporteur et donc baisse de rendement. Vous pouvez aussi vérifier la pression de vos fluides grâce au manomètre solaire.

À savoir aussi que tous les éléments n’ont pas la même durée de vie :

• capteur : entre 20 et 30 ans ;
• ballon de stockage : entre 15 et 20 ans ;
• circulateur : 10 ans.

Les aides financières

Pour vous encourager dans vos travaux de rénovation énergétique, l’État a mis en place de nombreuses aides qui vous permettront de financer l’installation de vos panneaux solaires thermiques et de votre système de chauffage plus écoresponsable.

Et pourquoi ne pas compléter vos travaux de rénovation énergétique avec un contrat d’énergie adapté à votre consommation ? Profitez de ce changement pour revoir vos besoins énergétiques et souscrire un contrat qui répond vraiment à votre consommation. Vous ne ferez que plus d’économies ! Comment faire ? Contactez-nous directement par téléphone ou découvrez notre comparateur d’électricité en ligne, qui vous résumera les meilleures offres d’énergie et trouvera celle qu’il vous faut. C’est simple et gratuit.

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