Installation de panneaux solaires en toiture 2009/02.06

L'intérêt pour les installations solaires est tel que le marché est en pleine expansion et le restera selon toute attente pour un certain temps encore. Cet engouement concerne non seulement les petites installations destinées aux maisons individuelles, mais aussi de plus en plus les installations de grande envergure à finalité industrielle.
La récupération de l'énergie solaire dans les bâtiments vise deux objectifs :

  • le réchauffement de l'eau sanitaire au moyen des chauffe-eau solaires
  • la production d'électricité via un système photovoltaïque raccordé au réseau électrique.
La technique étant encore relativement récente, nous nous penchons, dans cet article, sur un certain nombre d'aspects auxquels les entrepreneurs de couverture et d'étanchéité doivent être attentifs avant d'installer de tels systèmes sur une toiture neuve ou existante.

Les autres types de mise en œuvre, tels que les montages en façade ou les systèmes en pose libre, ne seront pas abordés, pas plus que le dimensionnement des installations et leur raccordement à l'installation électrique ou sanitaire de l'habitation. Pour ce dernier aspect, le lecteur consultera utilement la Note d'information technique n° 212.

1. Implantation des panneaux en toiture

1.1. Inclinaison et orientation

Tous les panneaux solaires (qu'il s'agisse de capteurs solaires ou de cellules photovoltaïques) doivent bénéficier d'un ensoleillement direct pour pouvoir offrir un rendement optimal, mais ils sont également aptes à capter un rayonnement solaire diffus. Il importe à cet égard d'opter pour une pose garantissant un rendement maximal sur toute l'année.

1.2. Ombrage

L'ombre projetée sur les panneaux gêne leur ensoleillement et réduit par conséquent leur rendement.

Si un ombrage léger a généralement peu d'impact sur les performances des capteurs thermiques, les cellules photovoltaïques y sont, quant à elles, très sensibles, la perte de rendement étant parfois proportionnellement bien plus significative qu'on pourrait l'imaginer.

2. Position des panneaux par rapport au plan de la toiture

2.1. Mise en place des panneaux solaires

Sur une toiture à versants, les panneaux solaires sont soit superposés à la couverture (voir figure 1), soit intégrés dans la toiture, auquel cas ils font également office de couverture (figure 2).

Fig. 1 Panneaux photovoltaïques fixés sur le versant d'une toiture.
Fig. 2 Capteurs solaires intégrés dans une toiture à versants.


Sur une toiture plate, les modules solaires sont généralement placés dans un cadre métallique correctement incliné et orienté (voir figure 3). Celui-ci peut être fixé à la toiture de différentes manières, par exemple par ancrage dans la structure sous-jacente au travers de l'étanchéité. Quelle que soit la technique de montage choisie, on veillera à préserver l'intégrité de l'étanchéité.

2.2. Ventilation des panneaux photovoltaïques

Fig. 3 Une bonne ventilation à l'arrière des panneaux accroît le rendement de l'installation.
Les performances des panneaux photovoltaïques varient également en fonction de la température des cellules, une température élevée réduisant la puissance. Ainsi, le rendement sera amélioré lorsque la face arrière des panneaux est bien ventilée, ce qui est généralement le cas sur les toitures plates (voir figure 3).

La mise en place des panneaux parallèlement à la pente de la toiture induit par contre une baisse de rendement de 2 à 5 %.

3. Montage des panneaux

3.1. Efforts exercés

Les panneaux solaires exercent différents efforts sur la structure de la toiture. Il y a lieu de tenir compte du poids propre - généralement peu significatif - des panneaux. La pression du vent représente, quant à elle, une certaine charge supplémentaire. On la détermine en fonction de la hauteur du bâtiment et des facteurs propres au terrain, sachant qu'une installation située en site découvert à la côte ne subira pas les mêmes contraintes que dans une région fort urbanisée.

Les coefficients de pression du vent sont en grande partie déterminés par les paramètres suivants :

  • l'inclinaison du toit et des panneaux
  • l'emplacement des panneaux par rapport aux rives de toiture
  • la distance des panneaux par rapport au toit
  • le degré d'exposition de la partie arrière des panneaux
  • la proximité d'obstacles au vent (p. ex. lucarnes ou cheminées).
Une fois calculée, la force globale exercée par le vent perpendiculairement aux panneaux est décomposée en efforts de compression, de traction ou de cisaillement, qui doivent être repris par les fixations. L'utilisation d'un lestage pour faire contrepoids à l'action du vent sur une toiture plate crée, elle aussi, une surcharge sur la structure portante.

3.2. Exigences imposées à la structure portante et aux fixations

La structure portante doit être suffisamment solide pour pouvoir résister aux sollicitations résultant de la présence des panneaux solaires.

La force exercée par le vent sur les panneaux pouvant être relativement importante, ces derniers doivent être fixés solidement à la structure du bâtiment. Afin de permettre le dimensionnement correct des fixations des panneaux à la structure portante, il convient de déterminer la charge du vent de manière précise, compte tenu des paramètres énumérés au § 3.1.

Sur une toiture à versants, les panneaux sont généralement fixés sur les chevrons ou les arbalétriers au moyen de chevilles métalliques présentant une bonne résistance à l'arrachement.

Sur une toiture plate, les panneaux sont maintenus en place par un lestage ou sont fixés à la structure portante au travers de la membrane d'étanchéité (par exemple, au moyen de profilés métalliques). Le choix du lestage ou de la fixation dépendra notamment de la capacité portante de la toiture (structure légère ou massive).

Si l'on opte pour le lestage, il y a lieu de veiller à ce que l'intégrité de l'étanchéité soit préservée et que la résistance en compression de l'isolation sous-jacente soit suffisante, de manière à éviter toute déformation inadmissible du support de la toiture. En cas de fixation sur une toiture plate, on veillera également à ne pas endommager la membrane d'étanchéité.

Afin de permettre la dilatation thermique du cadre métallique, les panneaux solaires seront fixés au support au moyen d'ancrages coulissants, tant longitudinalement que transversalement. Le raccordement des panneaux à l'installation s'opère à l'aide de tuyaux (ou d'éléments) flexibles, de telle sorte que les déformations éventuelles des panneaux ou de la structure portante ne puissent occasionner des dégâts.

3.3. Raccords

Le complexe toiture devra inévitablement être perforé localement, tant pour fixer les panneaux que pour introduire les tuyaux et le câblage à l'intérieur du bâtiment. Chacune des zones perforées devra, bien entendu, faire l'objet d'un colmatage correct.

Pour les toitures à versants intégrant des panneaux solaires, il y a lieu d'assurer l'étanchéité à l'eau entre les panneaux et la couverture, mais aussi au droit des crochets de fixation (et des tuyaux éventuels). L'étanchéité au vent et à l'eau au droit de la sous-toiture, la continuité de la couche d'isolation et l'intégrité de la barrière d'étanchéité à l'air doivent également être garanties en permanence sur l'ensemble de la toiture.

Dans le cas d'une toiture plate, il importe non seulement de tenir compte des points précités, mais de veiller également à minimiser l'effet des ponts thermiques créés par les éventuelles structures métalliques traversant l'isolation.

3.4. Sécurité incendie

Les capteurs solaires doivent être montés de façon à empêcher toute élévation excessive de la température de surface. Le cas échéant, il en résulterait d'importantes pertes d'énergie, voire un risque d'incendie (en particulier sur les toits en chaume). Il n'est donc pas superflu d'isoler en suffisance les panneaux et leurs raccords aux installations du bâtiment (p. ex. conduites reliant les capteurs au boiler).

Les panneaux photovoltaïques en toiture sont très vulnérables à la foudre. De plus, le risque de dégâts ne se limite généralement pas aux panneaux seuls, puisque ceux-ci sont raccordés à l'installation électrique du bâtiment. C'est pourquoi la pose d'un paratonnerre est conseillée, en particulier pour des installations de plus de 10 kWp (kilowatts à pleine charge). Il est en outre recommandé de prévoir une protection adéquate au sein même de l'installation électrique.

3.5. Sécurité du travail

Toute intervention en toiture, quelle que soit son ampleur, y compris le montage de panneaux solaires sur le toit de logements particuliers, nécessite le respect scrupuleux des règles de sécurité en vigueur. On se référera à ce sujet aux dispositions prévues par le CNAC.

4. Conclusion

Si l'installation de panneaux solaires connaît un essor spectaculaire en Belgique, un tel travail ne s'improvise cependant pas et requiert toute la compétence des entrepreneurs en charge de la pose des panneaux sur le toit et de ceux responsables de l'installation technique (électrique/thermique).

Afin d'informer toutes les parties concernées des aspects à prendre en compte pour éviter d'éventuels désordres, le CSTC publiera prochainement plusieurs articles détaillant les différents points abordés ici.

P. Van den Bossche, ing., chef de projet, division 'Energie et Climat'
F. Dobbels, ir.-arch., chef de projet, division 'Energie et climat'

Informations utiles
Le Centre Quest vise à promouvoir la qualité des petites installations recourant aux énergies renouvelables et propose pour ce faire un système de qualité volontaire. Plus de détails sur www.questforquality.be