Production d’eau chaude : systèmes, solaire thermique et chauffe-eau à pompe à chaleur

Comment réduire vos dépenses d’eau chaude grâce à l’énergie solaire thermique

Le soleil est le bienvenu : les capteurs solaires ont le vent en poupe auprès des maîtresses et des maîtres d’ouvrage. De plus en plus de maisons individuelles et d’immeubles collectifs misent sur une installation solaire pour chauffer l’eau sanitaire à l’aide d’une énergie renouvelable. En 2023, l’énergie solaire a permis de produire 730 gigawattheures de chaleur en Suisse, soit 50 % de plus qu’il y a dix ans. Cette évolution dans le parc immobilier est voulue. Les cantons ont récemment adapté leurs lois sur l’énergie de manière à ce que l’eau sanitaire dans les nouvelles constructions et les bâtiments rénovés soit chauffée, dans la mesure du possible, à l’aide d’énergies renouvelables et de manière efficace sur le plan énergétique. L'installation ou le remplacement d'un chauffe-eau électrique est généralement interdit.

Quelles sont les règles en vigueur aujourd’hui concernant l’eau chaude ?

Outre l’interdiction des chauffe-eau électriques, vous devez respecter les règles suivantes pour les nouveaux réservoirs d’eau chaude : vous devez alimenter le système d’eau chaude soit par l’installation de chauffage, soit par une autre source d’énergie renouvelable. La loi autorise par ailleurs le recours à un système combiné chauffage-eau chaude à titre saisonnier. En été, lorsque l’installation de chauffage est hors service, le chauffe-eau est chauffé à l’électricité (via la résistance électrique préinstallée). Certains cantons autorisent également l’alimentation des systèmes d’eau chaude tout au long de l’année à l’aide d’une installation photovoltaïque propre. D’autres cantons exigent en revanche qu’une part minimale de l’eau chaude soit produite à partir de sources d’énergie renouvelables.

Comment protéger votre eau chaude contre la légionellose

L’un des points critiques de la production d’eau chaude réside dans les besoins élevés en chaleur : pour des raisons d’hygiène, il faut chauffer régulièrement et brièvement l’eau sanitaire à une température pouvant atteindre 70 °C au maximum. La plupart des chauffe-eau sont donc équipés d’un système de commande avec un cycle de traitement anti-légionelles préprogrammé. Une conception minutieuse du système d’eau chaude permet de garantir le respect des exigences d’hygiène tout en optimisant l’efficacité énergétique. La Confédération publie régulièrement des informations sur les dernières découvertes concernant les risques liés aux légionelles dans l’eau potable et l’eau sanitaire.

Pourquoi un chauffe-eau à pompe à chaleur est-il intéressant ?

La production d’eau chaude à partir d’une source de chaleur dédiée présente l’avantage suivant : on peut mettre le système de chauffage hors service en été sans pour autant consommer beaucoup d’électricité. Le chauffe-eau à pompe à chaleur consomme lui-même moins d’énergie pour produire de l’eau chaude de manière autonome. Il est judicieux de l’installer dans la chaufferie, car l’« air chaud » de la chaufferie améliore le rendement du chauffe-eau à pompe à chaleur.

Pourquoi l’énergie solaire thermique est-elle intéressante pour l’eau chaude sanitaire ?

Les panneaux solaires thermiques captent l'énergie du soleil et acheminent la chaleur vers le système d’eau chaude sanitaire de la maison. Elles fournissent entre la moitié et les deux tiers de l’énergie nécessaire à la production d'eau chaude sanitaire. Les capteurs solaires sont généralement installés en complément d’un système de chauffage.

Les installations solaires thermiques constituent aujourd'hui une solution courante pour répondre aux normes de construction et aux réglementations énergétiques. La plupart des cantons accordent en outre des subventions pour les installations solaires thermiques. Et comme les autorités n’autorisent plus le remplacement à l’identique des chauffe-eau électriques, elles ont généralement simplifié les procédures d’autorisation en matière de construction pour les installations solaires.

Le solaire thermique en complément du chauffage

Le solaire thermique peut être combiné avec des installations de chauffage existantes ou neuves pour former un système bivalent. Dans de nombreux cas, cette combinaison améliore l’efficacité énergétique globale de l’approvisionnement en énergie, car l’énergie solaire permet d’atteindre des températures plus élevées et fournit suffisamment d’énergie pendant l’été et les mois de transition. Les capteurs solaires peuvent par exemple compléter des systèmes de chauffage renouvelables tels que les pompes à chaleur ou les chauffages au bois, afin de mettre ces derniers hors service en été. De plus, lorsqu’ils viennent en complément des installations de chauffage fossiles, ils permettent de réduire les émissions de CO_₂.

Combiner correctement le solaire thermique et la pompe à chaleur

Lorsqu’on combine un chauffage par pompe à chaleur avec un système solaire, il faut veiller au système hydraulique afin que les deux circuits d’eau n'interfèrent pas l'un avec l'autre. Il convient de privilégier l'apport de chaleur solaire : les capteurs solaires peuvent sans problème chauffer l’eau sanitaire à 65°C. C’est pourquoi l’arrivée d’énergie doit être placée dans la partie inférieure du ballon d’eau chaude. En revanche, installez l’échangeur de chaleur destiné au circuit de la pompe à chaleur dans la partie supérieure du ballon. Cette configuration garantit que la pompe à chaleur fonctionne de manière complémentaire et ne chauffe l’intégralité de l’eau contenue dans le ballon que dans des cas exceptionnels. En effet, des différences de température supérieures à 40°C réduisent le rendement et augmentent la consommation électrique d’une pompe à chaleur.

Voici comment fonctionne une installation solaire thermique

Le capteur solaire constitue l’élément central d’une installation solaire thermique. Il s’agit de modules en verre de forme parallélépipédique qui renferment un absorbeur recouvert d’un revêtement noir. La structure et le fonctionnement d’un module capteur sont les suivants :

• Le fluide caloporteur  circule dans des boucles de tuyauterie et les rayons du soleil le chauffent. La chaleur part ensuite du capteur solaire vers le ballon d’eau chaude via un circuit dédié.
• La vitre et la face arrière du capteur sont isolés afin de minimiser les pertes de chaleur.
• Un antigel ajouté à l’eau du circuit du capteur empêche le liquide de geler lorsque les températures extérieures sont basses.
• Dès que la température dans le capteur est supérieure à celle du ballon, une pompe de circulation assure la circulation de l’eau. Des vannes et des siphons intégrés au système hydraulique empêchent le ballon d’eau chaude de surchauffer.
• Le capteur à tubes sous vide constitue une alternative au capteur solaire plat. Bien que plus coûteux à l’achat, il offre un rendement thermique supérieur de 10 à 50 %.

Quelle surface est nécessaire sur le toit ?

Des valeurs empiriques permettent de dimensionner les capteurs. En règle générale, vous devez prévoir pour chaque personne du foyer une surface de 1 à 1,5 m² sur le toit, orientée de manière optimale par rapport à la course du soleil. La surface optimale pour une maison individuelle est donc de 5 à 6 m², ce qui permet de couvrir environ la moitié des besoins annuels en eau chaude sanitaire. Pour les toits ombragés ou mal orientés, il faut prévoir une majoration de 50 %. Une surface de capteurs plus importante peut fournir de la chaleur supplémentaire pour d’autres applications dans l’habitat, telles que :

• En complément du système de chauffage : les capteurs solaires préchauffent par exemple le circuit de chauffage à 30 °C.
• Pour une utilisation complémentaire du chauffage, vous devez soigneusement planifier l’intégration hydraulique.
• Une surface de capteurs de 16 m² installée sur une maison individuelle couvre 20 à 25 % des besoins annuels totaux en chaleur pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire.
• Si le lave-linge et le lave-vaisselle sont équipés d’un raccordement à l’eau chaude, vous pouvez les intégrer hydrauliquement au système de chauffage solaire.

Comment orienter les capteurs solaires

En principe, vous pouvez installer les capteurs plans sur un toit en pente ou plat. L’intégration dans les façades ou en tant que garde-corps de balcon est également possible. Afin d’optimiser le rendement thermique solaire, vous devez tenir compte de la durée d’ensoleillement et de l’orientation géographique des surfaces choisies.

• Un toit en pente orienté vers le sud ou l’ouest permet d’intégrer ou de poser des capteurs solaires. En règle générale, toute la surface du toit n’est pas nécessaire.
• Sur un toit plat, installez les capteurs solaires avec un angle pouvant aller jusqu’à 45° et orientez-les vers le sud ou l’ouest. Vous pouvez combiner les installations de capteurs solaires avec une toiture végétalisée.
• Les capteurs solaires montés verticalement sur la façade d’une maison offrent un rendement thermique inférieur à celui d’une installation sur toiture. Leur profil de rendement est toutefois plus équilibré au cours de la journée, avec des pics plus importants le matin et le soir. Les capteurs verticaux optimisent le rendement hivernal, car l’angle d’incidence est amélioré lorsque le soleil est bas.
• Les capteurs plans et tubulaires peuvent remplacer les balustrades de balcon et fonctionnent de la même manière que les capteurs de façade.
• Les terrains en pente non ombragés, orientés vers le sud ou l’ouest, constituent d’autres surfaces sur lesquelles vous pouvez installer des modules solaires thermiques.

Quel accumulateur thermique choisir ?

Les systèmes solaires nécessitent généralement un accumulateur de chaleur afin de combler le décalage temporel entre la production et la consommation. En fonction des besoins énergétiques, deux systèmes de stockage différents sont possibles : si l’énergie solaire est utilisée uniquement pour le chauffage de l’eau, un seul accumulateur combiné est nécessaire. Ces accumulateurs de chaleur intègrent le réservoir d’eau sanitaire et ont, dans une maison individuelle, une capacité idéale comprise entre 300 et 400 litres. Si la chaleur solaire doit venir en complément du système de chauffage, il est recommandé d’utiliser un accumulateur de chaleur dédié d’une capacité de 800 à 1 500 litres. La durée pendant laquelle la chaleur doit être stockée influe également sur le choix de la capacité.

Pourquoi une station d’eau fraîche est-elle intéressante ?

Une station d’eau fraîche supplémentaire simplifie la gestion du stockage. La chaleur solaire sert alors à chauffer l’eau chaude à une température de base d’environ 50 °C. Lorsqu’une personne demande de l’eau chaude, celle-ci s’écoule du réservoir de stockage à travers un échangeur de chaleur chauffé électriquement, qui fonctionne de manière similaire à un chauffe-eau instantané. L’échangeur la chauffe brièvement à au moins 70 °C, ce qui empêche la formation de légionelles dans l’eau. En règle générale, une station d’eau chaude augmente l’efficacité énergétique de la production d’eau chaude sanitaire.

Évitez les erreurs courantes lors de l’installation

Les contrôles sur site et les tests de performance révèlent régulièrement des défauts dans les systèmes solaires thermiques. Les défauts les plus fréquents concernent l’installation et le système de commande. C’est pourquoi vous devez respecter les critères de qualité suivants lors de la conception et de la réalisation :

• Vous devez isoler les tuyauteries, les raccords, les pièces de jonction et la robinetterie.
• Réalisez les tuyaux et les raccords dans des matériaux résistants à la pression.
• Le tracé des conduites ne doit pas entraîner de résistances à l’écoulement inutiles.
• Installez un siphon sur l’accumulateur thermique pour empêcher la recirculation et le refroidissement nocturne.
• Installez des débitmètres.
• Installez des sondes de température dans des zones protégées.
• Choisissez des composants résistants à la température.
• Documentez la configuration de l’installation et les réglages lors de la passation de service.

Comparaison des systèmes de production d’eau chaude sanitaire