Dimensionnement d'un système solaire combiné
Comment garder une maison passive de 120 m² à 20 °C avec la seule réserve de chaleur de ses ballons solaires, même dans le pire scénario climatique.
Un chauffage solaire pour une maison passive
L'étude porte sur le dimensionnement d'un chauffe-eau solaire qui alimente un plancher chauffant, dans une maison passive de 120 m². Le principe du passif est de construire durablement : grâce à une isolation et une étanchéité très performantes, ce type de maison ne nécessite que très peu de chauffage.
La maison étudiée ne fait pas exception. Il fallait donc lui trouver un mode de chauffage à la fois durable et économique. La solution retenue : des panneaux solaires thermiques qui alimentent des ballons de stockage, complétés par un appoint électrique pour les périodes défavorables.
Ce que voulait le client
Le client souhaitait un apport thermique à faible impact environnemental pour sa future maison passive, dont le besoin de chauffage est faible. La mission de dimensionnement a été confiée au bureau d'étude Posit.iV ; réalisée dans le cadre d'un stage au sein du collectif 2051, au sein de l'équipe chargée de l'étude.
La demande, volontairement large, laissait plusieurs possibilités. Le parti retenu :
- Des panneaux thermiques chauffent l'eau qui traverse un ou deux ballons de stockage, lesquels alimentent le réseau de plancher chauffant (chauffage).
- D'autres panneaux assurent la chauffe d'un ballon dédié à l'eau chaude sanitaire (ECS).
Le montage retenu
Pour le choix et l'installation des ballons et capteurs, nous avons travaillé avec HélioFrance, qui nous a proposé plusieurs modèles de montage. À partir de l'un de leurs schémas, j'ai redessiné et adapté le montage sur AutoCAD pour l'ajuster à notre projet. Après vérification par mon chef, le schéma a été validé par HélioFrance.
Le fonctionnement en auto-vidange
Le montage fonctionne en auto-vidange : il met le fluide caloporteur à l'abri lors des phases d'arrêt, en zone hors gel et hors chaleur. Concrètement, quand la température de consigne de l'eau de stockage est atteinte, le système se stoppe : le fluide contenu dans les panneaux et la tuyauterie extérieure redescend par gravité dans un réservoir, et l'air prend sa place dans les éléments exposés au climat. C'est ce qui assure la pérennité de l'installation.
Le ballon de stockage
Il s'agit du chauffe-eau solaire thermique auto-vidangeable d'HélioFrance. Ses caractéristiques :
- Capacité totale : 300 litres ; température maximale de l'eau technique : 85 °C.
- Pertes de chaleur à 60 °C (écart de 70 °C avec l'ambiance à 20 °C) : 1,2 kWh/24 h.
- Coefficient de pertes thermiques : 0,08 W·l⁻¹·K⁻¹.
Combien de temps la maison tient-elle sans soleil ?
La première partie du dimensionnement a été réalisée par mon chef, qui m'a ensuite transmis son travail. Ma mission : déterminer le temps de maintien de la maison à partir des ballons et panneaux déjà définis.
Autrement dit : dans le pire scénario climatique (panneaux endommagés par une tempête, régulateur en panne, mauvaise météo persistante…), les ballons ne sont plus alimentés. Pendant combien de temps la maison reste-t-elle à 20 °C en ne comptant que sur la réserve de chaleur du ou des ballon(s) ?
Pour y répondre, j'ai construit un fichier Excel testant plusieurs hypothèses, à partir des données des documentations techniques de nos partenaires constructeurs et du logiciel PHPP. Chaque résultat était ensuite vérifié par mon chef, puis intégré à son travail. J'ai mené le calcul pour 1 puis 2 ballons de stockage.
Une étude sur mesure
À partir des documentations techniques de nos partenaires constructeurs et du logiciel PHPP, j'ai réuni les données clés du bâtiment et de l'installation : surfaces déperditives, performance de l'isolation, caractéristiques du ballon de stockage. Je les ai ensuite confrontées au pire scénario climatique (intérieur maintenu à 20 °C, extérieur à −2,3 °C).
Un modèle a ensuite permis d'estimer, dans ces conditions extrêmes et sans aucun apport solaire, combien de temps la maison conserve son confort grâce à la seule chaleur stockée. Chaque résultat était vérifié par mon chef avant d'être intégré à l'étude.
Combien de temps la maison tient sans soleil ?
Le dimensionnement a été mené pour 1 puis 2 ballons de stockage de 300 L. Dans le pire scénario climatique, la maison conserve son confort une demi-journée environ avec un seul ballon, et près d'une journée entière avec deux ballons, uniquement grâce à la réserve de chaleur, sans apport solaire.
Conclusion
Dans le pire scénario climatique (la maison ne bénéficiant plus de l'apport des panneaux), la température intérieure peut être maintenue près de 23 heures avec 2 ballons, grâce à la seule réserve de chaleur stockée.