Vision et cadre conceptuel
Comprendre la performance de la toiture Toi-Sol
La courbe simplifiée de caractérisation du rendement d'un capteur est définie par l'équation suivante : η = η0 - a1 × ((Tm - Text) / G) - a2 x G × ((Tm - Text) / G)²
η est le rendement du capteur ; η0 le coefficient de conversion optique du capteur (en % ) ; a1 le coefficient de déperditions thermiques par conduction du capteur (en W/m².K) ; a2 le coefficient de déperditions thermiques par convection du capteur (en W/m².K²) ; Tm la température moyenne du capteur (en °C) ; Text la température extérieure (en °C) ; G l'irradiation solaire (en W/m²).
Habituellement, un capteur solaire convertit les apports solaires en chaleur directement utilisable par un dispositif hydraulique. La performance des capteurs solaires est optimisée en fonction de cet usage : il s'agit de maximiser la surface d'absorption η0 tout en évitant de perdre la chaleur ainsi collectée vers l'extérieur (en déduction du premier terme optique). Cette logique conduit à des capteurs conçus pour maximiser la surface d'ouverture η0, dotés de châssis bien isolés capables d'optimiser la température de sortie pour un usage direct. Ainsi η0 correspond au taux de conversion entre le rayonnement solaire qui frappe la surface du capteur et celui que l'absorbeur parvient réellement à transformer en chaleur. De ce facteur, on déduit ensuite les pertes, que l'on peut simplifier en deux composantes principales: les pertes thermiques par conduction, caractérisées par le premier coefficient de l'équation, noté a1, qui sont linéaires selon (Tm − Text). Et par les pertes quadratiques, caractérisées par le deuxième coefficient de l'équation, noté a2, représentatives des pertes par rayonnement et convection, dont l'augmentation est proportionnelle à (Tm − Text)². Dans un capteur classique, les fabricants cherchent à maximiser le facteur optique et à réduire ces pertes par une isolation soignée, afin de ne pas perdre la chaleur captée. dans le graphique (de principe) deux conceptions différentes et leurs avantages respectifs. Les capteurs tubes très bien isolés ont une moindre couverture mais leur rendement est moins impacté par l'augmentation du delta T... Pour Toi-Sol une autre approche est utilisée...
Le procédé Toi-Sol : une logique différente
Le système de récupération thermique de la toiture Toi-Sol s'appuie sur une surface beaucoup plus grande, souvent proche de 80 % de la toiture, d'où un impact moindre du rendement global de cette équation. Mais surtout, l'objectif n'est pas d'être parfaitement isolé de l'environnement : ce qui constitue une perte pour un capteur solaire ordinaire devient un avantage pour Toi-Sol, qui peut ainsi absorber de la chaleur même en delta T négatif, c'est-à-dire lorsque (Tm − Text) < 0. Autrement dit quand la toiture est plus froide que l'environnement! Ce que la toiture peut perdre en période de forte chaleur particulièrement en été; ce qui n'est pas très pénalisant par son foisonnement au moment où l'on en a le moins besoin (pas de chauffage en été). Cette perte est compensée par la capacité de la toiture à absorber la chaleur environnante lorsque le climat est moins favorable. La pompe à chaleur utilise la toiture comme un évaporateur de grande taille, et la performance est d'autant meilleure que l'interface est conductrice — ce qui est contre-intuitif au regard de la caractérisation habituelle selon les normes NF EN 12975-1+A1:2010, NF EN ISO 9806:2014 (§ 13, 20 à 25 et 27) et NF EN ISO 9488:2000. C'est pourquoi les calculs habituels de performance, qui caractérisent la toiture Toi-Sol comme un simple capteur solaire, restent intéressants et ont bien été réalisés, mais doivent être interprétés à la lumière de cet usage particulier : celui du couple pompe à chaleur / toiture illustré ci-dessous
Le principe physique
La pompe à chaleur refroidit la toiture à une température inférieure à celle de l'air extérieur (Δt négatif). Or, comme chacun le sait, lorsqu'un objet, ici la toiture, est plus froid que son environnement, la chaleur migre naturellement vers lui jusqu'à ce que les températures s'équilibrent. Cette chaleur extérieure reste abondante même lorsque nos sens nous indiquent qu'il fait froid, et elle s'écoule toujours du plus chaud vers le plus froid. C'est la raison pour laquelle la toiture est volontairement refroidie par le cycle thermodynamique de la pompe à chaleur : pour collecter le maximum de chaleur en provenance de l'extérieur.
Un fonctionnement à double avantage
La toiture Toi-Sol bénéficie ainsi d'un fonctionnement particulier : elle capte les apports solaires par rayonnement direct, convertis en chaleur, et absorbe, en période moins favorable, la chaleur abondante de l'environnement. Cette énergie est ensuite valorisée par la pompe à chaleur pour produire l'eau chaude sanitaire et le chauffage des habitations, au meilleur moment. Ainsi, Toi-Sol compense une performance brute moindre par deux atouts : d'une part une surface exploitée est bien plus importante qu'un capteur classique, et d'autre part la transmission thermique est rendue possible par une isolation réduite, permettant d'absorber la chaleur de l'environnement.