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Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004

Rémi CHEILAN 5ème année Génie-Civil Spécialité Ingénierie du bâtiment Promotion 2001-2004

ECOLE NATIONALE D’INGENIEURS DE SAINT-ETIENNE 58 rue Jean Parot-42023 St-Etienne cedex 2 Rapport de Projet de fin d’Etudes Du 2 février 2004 au 18 juin 2004

LA CLIMATISATION SOLAIRE Structure d’accueil

114 boulevard du 11 novembre 69100 Villeurbanne Tél : 04 37 47 80 90 - Fax : 04 37 47 80 99 Mél : [email protected] - Site : www.hespul.org

MEMBRES DU JURY : Professeur responsable : M.Viennet Maître de stage structure d’accueil : M.Laurencin 1

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REMERCIEMENTS Avant tout je tiens à remercier Messieurs Didier Laurencin et Guillaume Thabuis qui m’ont accueilli au sein d’HESPUL pour mon projet de fin d’études. Je tiens à remercier évidemment toute l’équipe d’HESPUL pour son accueil chaleureux et pour le temps que chacun n’a pas hésité à me consacrer. Je remercie enfin, M. Viennet qui m’a suivi tout au long de mon PFE veillant au bon déroulement de celui-ci.

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SOMMAIRE AVANT PROPOS ------------------------------------------------------------ p.1 INTRODUCTION------------------------------------------------------------ p.2 I PRELIMINAIRES I.1 Présentation de l’association HESPUL----------------------------- p.3 I.1.1 I.1.2 I.1.3 I.1.4

Historique Activités Références Déroulement de mon PFE à HESPUL

I.2.1 I.2.2 I.2.3 I.2.4

La consommation d’énergie Énergie et pollution Des ressources limitées et épuisables La réponse : Economies d’énergie et énergies renouvelables

I.2 Les enjeux énergétiques------------------------------------------- p.7

I.3 La climatisation : Enjeux et Risques------------------------------ p.10 I.3.1 La Climatisation aujourd’hui I.3.2 Les perspectives I.3.3 Les conséquences et les risques d’une « surclimatisation »

I.4 La démarche négaWatt appliquée à la demande de froid dans le bâtiment--------------------------------------------------------p.18 I.4.1 Sobriété : Modération des exigences de confort d’été I.4.2 Efficacité : Rafraîchissement passif/architecture bioclimatique I.4.3 Renouvelables : Climatisation Solaire

II COMPOSANTS DES SYSTEMES DE CLIMATISATION SOLAIRE II.1 Sous systèmes de distribution - Equipements de ---------------p.31 conditionnement d’air II.1.1 II.1.2 II.1.3 II.1.4 II.1.5 II.1.6

Les Les Les Les Les Les

ventilo-convecteurs éjecto-convecteurs plafonds rayonnants froids poutres froides planchers rafraîchissants batteries froides à eau glacée

II.2 Systèmes de production de chaleur/Partie solaire de-----------p.36 l’installation II.2.1 Les capteurs solaires -----------------------------------------------p.36 II.2.1.1 Les capteurs solaires thermiques plans à eau II.2.1.2 Les capteurs solaires thermiques plans à air II.2.1.3 Les capteurs solaires thermiques sous-vide

II.2.2 Systèmes de production de chaleur d’appoint-------------------p.42 II.2.3 Le ballon de stockage d’eau chaude----------------------------p.42

II.3 Systèmes de production de froid/Partie frigorifique de --------p.43 l’installation II.3.1 Groupes de production frigorifique conventionnels---------------p.43 II.3.2 Groupes de production frigorifiques à Sorption ------------------p.48 II.3.2.1 Groupes de production de froid à absorption II.3.2.2 Groupes de production de froid à adsorption

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II.3.3 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation -------p.61 (DEC, Dessiccant Evaporative Cooling) II.3.4 Les autres composants -----------------------------------------p.66 II.3.3.1 Tour de refroidissement II.3.3.2 Le stockage d’eau glacée

II.3.5 Récapitulatif des technologies-----------------------------------p.69

III CONFIGURATIONS GENERALES DES SYSTEMES DECLIMATISATION SOLAIRE THERMIQUE III.1 Climatisations solaires thermiques autonomes et climatisations solaires thermiques avec appoint--------------------------------------p.70 III.1.1 Climatisations solaires thermiques autonomes III.1.2 Climatisations solaires thermiques avec appoint

III.2 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation (DEC, Dessiccant Evaporative Cooling)---------------------------------------p.72 III.2.1 DEC autonome utilisant des capteurs thermiques à air------------p.73 III.2.2 DEC stockage et III.2.3 DEC stockage et

utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de un appoint chaud-----------------------------------------p.75 utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de un appoint froid------------------------------------------p.78

II.2.3.1 Le groupe frigorifique est intégré dans l’installation comme pompe à chaleur II.2.3.2 Le groupe frigorifique alimente en eau 2 batteries froides

III.2.4 Exemple d’installation (DEC) : L’IHK à Freiburg en Allemagne-----p.81 III.3 Systèmes utilisant des groupes de production d’eau glacée ---p.86 III.3.1 Système autonome de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau--------------------------------------------p.87 III.3.2 Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint chaud-------p.88 III.3.3 Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un appoint froid--------------------------------p.89 III.3.4 Exemple d’installation (absorption): Le G.I.C.B de Banyuls sur mer en France--------------------------------------------------------------p.90 III.3.5 Exemple d’installation (adsorption) : L’usine de cosmétiques SARANTIS à Inofita Viotias en Grèce----------------------------------------------p.94

III.4 Bilan des installations en Europe---------------------------------p.96

IV ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX ET ECONOMIQUES--------p.98 DES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE CLIMATISATION SOLAIRE V PROGRAMMES DE DEVELOPPEMENT ET DE PROMOTION INTERNATIONAUX V.1 Le projet CLIMASOL-----------------------------------------------p.108 V.2 La Tâche 25 du programme SHC (Solar Heating and Cooling) de l’Agence Internationale de l’Energie----------------------------------p.110 V.3 Le programme Européen SACE (Solar AirConditioning in Europe)-----------------------------------------------------------------p.111

CONCLUSION ---------------------------------------------------------------p.112 ANNEXES 4

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AVANT PROPOS Je vais dans le présent document, rendre compte du Projet de Fin d’Etudes que j’ai réalisé dans l’association HESPUL à Villeurbanne du 2 février au 18 juin 2004 sur l’ « ETUDE DE LA PRODUCTION DE FROID DANS LE BATIMENT A L’AIDE DE PANNEAUX SOLAIRES ». L’objectif de cette étude était de réaliser un état des lieux technologique, mais également environnemental et économique des systèmes permettant de climatiser des locaux à l’aide d’énergie solaire. Il se devait d’être aussi exhaustif que possible dans le temps imparti et avec les moyens à disposition, afin que l’association HESPUL ait les données nécessaires pour anticiper et appréhender sereinement le développement souhaitable et inéluctable de cette filière et ainsi en devenir un acteur potentiel. Il est très important de comprendre que tenter de climatiser des bâtiments avec de l’énergie solaire s’inscrit dans un contexte, dans une démarche cohérente et globale que je me suis efforcer de faire transparaître dans ce document et en particulier dans sa première partie. Il est important de bien saisir les tenants et les aboutissants d’une telle démarche pour ainsi l’appréhender dans sa globalité et ne jamais en perdre l’essence. Même si la notion de « Développement Durable » (satisfaire les besoins des générations présentes sans compromettre la possibilité pour les générations à venir de satisfaire leurs propres besoins) est discutable, on pourrait dire qu’elle définit assez bien dans quel cadre général la problématique de la climatisation solaire intervient et pourrait ainsi en être son fil directeur, son objectif implicite et évident.

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INTRODUCTION Les bâtiments représentent l’un des secteurs les plus consommateurs d’énergie dans les sociétés industrialisées. En Europe environ 40% de l’énergie primaire est consommée par les bâtiments. Qu’ils soient à usage commercial, industriel ou privé ils utilisent de l’énergie pour différentes applications comme le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire, la climatisation , l’éclairage et tous les équipements utilisant de l’électricité. Comme nous allons le voir, durant les dernières décennies, la consommation d’énergie due à la climatisation a dramatiquement augmenté dans la plupart des pays industrialisés. En 1996 10 000 GWh d’énergie primaire étaient consommés en Europe par les seules climatisations individuelles d’une puissance frigorifique inférieure à 12 kW. Selon des études prospectives réalisées par l’Union Européenne cette valeur devrait être multipliée par 4 à l’horizon 2020 pour atteindre 44 000 GWh. Ces estimations ne prennent pas en compte les systèmes de climatisation centralisée largement répandues dans le secteur tertiaire et grands consommateurs d’énergie. On peut avancer comme principales raisons à cette explosion de la demande d’énergie due à la climatisation, l’augmentation des exigences de confort des personnes mais aussi la tendance architecturale qui consiste à augmenter la proportion de surfaces vitrées de l’enveloppe des bâtiments ou encore la recherche d’optimisation de productivité des employés par les chefs d’entreprise… Je vais dans une première partie replacer la problématique de la climatisation solaire dans son contexte pour aborder ensuite les aspects techniques, environnementaux et économiques des technologies actuelles.

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I PRELIMINAIRES I.1 Présentation de l’association HESPUL I.1.1 Historique Hespul, qui s’appelait il y a encore 4 ans PHEBUS est une association à but non lucratif. Elle a été à l’origine de l’installation de la première centrale photovoltaïque (PV) connectée au réseau général d’électricité en France (1992). L’installation, initiée et financée par des militants fondateurs de l’association s’était faite à proximité du surgénérateur SUPERPHENIX en symbole d’une alternative vis à vis du programme électronucléaire en France. Pendant qu’en Allemagne, en Suisse et dans les pays nordiques, les solutions alternatives au nucléaire et aux ressources fossiles, notamment le photovoltaïque, l’éolien et le solaire thermique étaient intégrées aux politiques énergétiques, la France restait dans l’ignorance de ces alternatives et continuait de développer son programme électronucléaire. Les initiateurs de cette action sont restés longtemps incompris en France … L’intérêt de l’opération de la première centrale résidait dans la démonstration que cela fonctionne, que la production d’énergie électrique – encore en pleine croissance – pouvait se faire par des moyens que l’on qualifierait aujourd’hui de « durables » (répondre à nos besoins sans compromettre ceux des générations futures) : malgré son intérêt, le nucléaire n’a pas encore démontré sa capacité à répondre aux problèmes qu’il génère (résidus à longue vie radioactive, démantèlement, risques inhérents à la technologie, etc.). Depuis cette première centrale PV connectée au réseau, l’association fondée en 1991 a mis en route des programmes de disséminations, d’informations, aidés par les instances de la Commission Européenne dans un premier temps, projets auxquels se sont peu à peu intéressées les instances régionales puis nationales. C’est ainsi qu’HESPUL a acquis avec le temps une expérience incomparable en France et est peu à peu devenu la principale référence du photovoltaïque connecté au réseau en France, avec un savoir-faire de terrain précis et poussé (les programmes Européens ont permis de tester et de travailler sur une gamme très large de questions qui se posaient au fur et à mesure du développement des actions de la filière photovoltaïque). Par ailleurs, les dirigeants d’HESPUL ont su faire avancer avec leurs actions et celles des réseaux actifs du secteur le débat et l’information au sein des institutions en France, ce qui a récemment abouti entre autres choses au comblement d’une lacune historique majeure en matière à la fois de démocratie et de développement durable : l’ouverture du premier « débat sur l’énergie » en France par le gouvernement.

I.1.2 Activités Si le photovoltaïque est le fer de lance d’Hespul, elle élargit aujourd'hui ses compétences dans d'autres domaines des énergies renouvelables. En effet Hespul s’est vu confier par les pouvoirs publics (ADEME et Région Rhône Alpes) des missions de service public en tant qu’ESPACE INFO ENERGIE du Rhône pour le développement du « plan bois » et du « plan Soleil ».

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Hespul s'investit aussi dans le développement de l'efficacité énergétique ; du solaire thermique , du biogaz , de la cogénération , de la picohydraulique , du séchage agricole et alimentaire, du bois énergie , de l'éolien et de la valorisation énergétique de la biomasse. La structure est au service des entreprises, des collectivités et de tous les particuliers qui souhaitent répondre à des questions de maîtrise énergétique et électrique, ainsi que de chauffage (en bâtiment, piscine et eau sanitaire). Hespul propose également des animations scolaires et des formations dans le département du Rhône et participe à diverses manifestations et activités, en vue de sensibiliser et de promouvoir les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique. En tant que coordinateur de plusieurs projets photovoltaïques dans le cadre des IVième , Vième et VIème Programmes-cadres de Recherche-développement de la Commission européenne, Hespul a été à l'origine de plus de 300 installations de particuliers, d'entreprises, d'écoles ou de collectivités locales, soit près de 95% du parc français en service début 2000, alors que les toits solaires se comptent par milliers en Allemagne ou au Japon. Hespul a ensuite obtenu en décembre 1999 du Ministère de l'industrie la mise en place d'un tarif d'achat de l'électricité photovoltaïque qui règle sous les angles techniques et tarifaires les relations entre les "producteurs" et EDF, gestionnaire du réseau public. D'une manière générale, l’association continue à mettre en place des projets européens et se place, dans certains cas, comme assistant à maître d'ouvrage. Elle s'adresse principalement aux particuliers mais son expérience lui permet désormais d'aider des collectivités locales ou des industriels à monter des projets. C’est l'une des 11 associations du réseau IERA (Info Énergies Rhône Alpes) ayant pour objectif le développement des énergies renouvelables et de l'efficacité énergétique. Elle est spécialisée dans la filière des " micro-centrales photovoltaïques raccordées au réseau " et plus largement dans la production d'électricité " en bout de réseau ", sur les lieux de consommation. Hespul est aussi membre actif de nombreux réseaux professionnels et associatifs en France et en Europe agissant pour l'avènement d'un système énergétique durable : • membre du C.A. du CLER national (Comité de Liaison des Énergie Renouvelables), • membre du C.A. de la FEE (France Énergie Éolienne), branche française de l'EWEA (association européenne de l'énergie éolienne), • membre fondateur du RAC (Réseau Action Climat), branche française de " Climate Action Network ", réseau des ONG œuvrant à la prise de conscience des enjeux des changements climatiques dus à la pollution, • représentant en France d'EUROSOLAR, association européenne de l'énergie solaire, dont le président, Hermann Sheer, a reçu le " Prix Nobel Alternatif " en décembre 1999 pour son action en faveur des énergies renouvelables, • membre fondateur de EREF (European Renewable Energy Federation), qui regroupe les producteurs indépendants d'électricité renouvelables européens. • membre du C.A. du VAD (Ville et Aménagement Durable) • adhérente de EAF (Électricité Autonome de France) • adhérente de l'ITEBE (Institut Technique Européen du Bois Énergie) Toutes ces activités aussi diverses que variées mais touchant toutes à la thématique de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables sont assurées par une équipe de 17 salariés : techniciens, personnel administratif, animateurs scolaires, ingénieurs permettant ainsi à HESPUL d’avoir une approche, une vision et une compétence globale grâce aux différents niveaux et moyens d’intervention qu’elle possède.

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I.1.3 Références 1992 Premier toit solaire photovoltaïque raccordé au réseau de France De 1993 à 1996 Proposant principal du programme Thermie n°SE/00033/93/FR/DE : PHEBUS93 Installation de 21 centrales photovoltaïques raccordées au réseau (28,8 kWc) De 1995 à 1999 Proposant principal du programme Thermie n°SE/00369/95/FR/DE : PHEBUS95 Installation de 41 centrales photovoltaïques raccordées au réseau (45 kWc) De 1997 à 2001 Proposant principal du programme Thermie n°SE/190/97/FR/DE/CH : PHEBUS97 Installation de 126 centrales photovoltaïques raccordées au réseau (200 kWc) Une installation a été réalisée en ardoises photovoltaïques. Installation intégrée en toiture de 11 kWc De 1999 à 2001 Suivi détaillé à distance de la centrale photovoltaïque intégrée en façade de l'OPAC 38 à Echirolles dans le cadre du programme Green Cities BU/01001/96/DK/ES/IT . 1999-2000 sous-traitant du programme PERSEUS Rédaction d'un guide pratique pour les futurs utilisateurs de toits photovoltaïques raccordés au réseau. 1999-2002 Proposant du programme 5PCRD n°NNE5-1999-00744 : PV-SALSA Installation de 70 kWc de photovoltaïque raccordé au réseau 1999-2002 Membre du consortium français du programme HIP-HIP Installation de 500 kWc de photovoltaïque raccordé au réseau en vue d'initier une baisse des coûts de production 2002-2003 Proposant principale du programme ALTENER n°4.1030/2/01-055/2001 : PV-DOMSYS Programme de promotion et de formation au photovoltaïque raccordé au réseau 2002-2003 Sous-traitant du programme 5PCRD n°NNE5-224-2001 : PREDAC

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Programme visant à favoriser le développement des énergies renouvelables et de la maîtrise de l'énergie en Europe. Coordination des sous-programmes thématiques WP1 (investissement local) et WP6 (photovoltaïque intégré au bâtiment) 2002-2004 Proposant du programme 5PCRD n°NNE5-2001-302 : PV-STARLET Développement d'une tuile photovoltaïque au niveau européen. Installation de 620kWc intégré en toiture en partenariat avec Imérys-Toiture. 2002-2004 Proposant du programme 5PCRD n°NNE5-2001-293 : UNIVERSOL Installation de systèmes photovoltaïques sur des bâtiments à vocation pédagogique (universités, lycées, centre de démonstration...) en Espagne, France, aux Pays-Bas et en Angleterre pour un total de 700kWc

I.1.4 Déroulement de mon PFE à HESPUL Le déroulement prévu du PFE était le suivant : 1. Découverte du monde des énergies renouvelables. 2. Recherche bibliographique et compréhension des différentes techniques, des différents systèmes et du petit monde de climatisation solaire en général. 3. Réalisation de documents techniques de synthèse. 4. Rencontre de différents acteurs de la climatisation solaire. 5. Travail sur un projet concret. La première partie a duré comme prévu 3 semaines. Après ces 3 semaines, a démarré la période préliminaire à toute étude concrète et à tout rapprochement avec les différents acteurs de la climatisation solaire qui correspond donc à la période bibliographique, de recherche et de compréhension des différents systèmes, techniques et réalisations. Cette période avait donc 2 objectifs, d’abord recueillir un maximum d’informations afin de pouvoir réaliser un document utilisable par HESPUL présentant un état de l’art de la climatisation solaire. Ensuite de pouvoir appréhender les différentes technologies, saisir les tenants et les aboutissants de ces dernières, bref, me construire un « bagage technique » me permettant ainsi de travailler avec d’autres acteurs sur un projet par en particulier mais aussi afin d’avoir une activité de conseil au sein d’HESPUL. Cette 2ème partie s’est concrétisée par la réalisation de documents techniques de synthèse. J’ai pendant cette dernière eu l’occasion de donner un cours en 5ème année GCU (Génie Civil et Urbanisme) à l’INSA de Lyon sur le Froid Solaire et également de réaliser une présentation à l’équipe d’HESPUL de la climatisation solaire. J’ai dans l’étape 4 et 5 tenté de me rapprocher des acteurs français du programme européen Climasol (Rhône Alpes Energie Environnement, bureau d’étude Tecsol) que je présenterai plus en avant. Les échanges ont été très intéressants et enrichissants. Il était prévu de travailler avec Tecsol sur l’étude de faisabilité d’une climatisation solaire dans la région Rhône Alpes dans le cadre du programme Climasol. Ce volet de mon PFE n’a hélas pas pu être réalisé pour des raisons de temps, en particulier au niveau de la disponibilité de Tecsol mais aussi et surtout du fait que les études de faisabilité viennent de démarrer. J’ai au cours de ce PFE eu la chance de pouvoir participer à de nombreuses manifestations organisées par HESPUL ou par d’autres. On peut parler en l’occurrence du salon Primevère à Lyon, des journées sur le « Photovoltaïques raccordé au réseau », des

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visites de sites « panneaux solaires thermiques, chaudières granulé de bois », de la visite de Freiburg en Allemagne : La ville Solaire…

I.2 Les enjeux énergétiques Il est important de rappeler le contexte énergétique général et sa problématique environnementale pour bien comprendre l’urgence de la mise en place d’une réelle politique d’économies d’énergie et de développement des énergies renouvelables. C’est dans ce cadre et dans cette dynamique que doit s’intégrer la démarche cherchant à rafraîchir les bâtiments. On sent donc poindre le fait que la climatisation solaire n’est pas une fin en soi mais, le cas échéant, l’ultime étape d’une démarche cohérente que nous détailleront plus en avant . Cette succincte partie sur les enjeux énergétiques a vocation à rappeler quelques aspects de ces derniers afin de présenter le contexte et la problématique dans lesquels s’inscrit la démarche de rafraîchissement des bâtiments. Cette partie est loin d’être exhaustive (ce n’est absolument pas son but) mais cherche seulement à fixer quelques idées en guise de préliminaires.

I.2.1 La consommation d’énergie En matière d’énergie, toutes les prévisions actuelles sont fondées sur l’hypothèse que la croissance économique des années passées va continuer tout au long du 21e siècle. Comme si ... Comme si cette croissance pouvait perdurer à jamais dans le cadre limité de notre biosphère. Comme si notre consommation d’énergie devait croître indéfiniment, et la production correspondante pouvait indéfiniment suivre ! A l’évidence, ce n’est pas possible.. L’énergie, une richesse inégalement consommée Aujourd'hui, sur notre planète, la surconsommation la plus débridée côtoie des pénuries criantes : un citoyen américain consomme à lui seul 8 tonnes d’équivalent pétrole (tep) par an, alors qu’un habitant du Bangladesh doit vivre avec 40 fois moins. La consommation d'électricité est encore plus inégale : 7070 kWh par an et par personne en France, contre … 22 kWh seulement en Ethiopie !

Et 40 % de la population mondiale reste tout simplement privée d’électricité. L’explosion énergétique La consommation mondiale d’énergie est restée très longtemps stable lorsque l’homme n’utilisait l’énergie que pour sa survie et ses besoins alimentaires. À partir de 1850 la révolution industrielle a provoqué une augmentation brutale des besoins en énergie. Celle-ci n'a cessé ensuite de croître de façon explosive sous l'effet conjoint de l'augmentation du niveau de vie et la croissance simultanée de la population. Actuellement la demande mondiale d'énergie croît de 2 % par an en moyenne. Elle a tendance à ralentir dans les pays industrialisés, mais augmente dans les pays émergents.

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Et en France, après une période de prise de conscience lors des deux chocs pétroliers, la consommation d’énergie des ménages est repartie de nouveau fortement à la hausse. Le spectre de la pénurie nous conduit tout droit et tout simplement à la guerre pour le contrôle des ressources, marginalisant encore un peu plus les plus pauvres.

I.2.2 Énergie et pollution La consommation d’énergies fossiles est une des principales sources de la dégradation de l'environnement. L’usage massif de ces combustibles a déjà commencé à dérégler l’effet de serre, ce garant si fragile de notre survie. Ce dérèglement menace déjà notre climat : la Terre vient de vivre depuis 1990 neuf de ses années les plus chaudes. L’accroissement de l’effet de serre est une réalité, et ses effets, à la lumière des travaux les plus récents, risquent d’atteindre des seuils aux conséquences irréversibles. Les gaz qui augmentent l'effet de serre (CO2, NOx, SO2) sont principalement issus de la combustion des carburants fossiles et de l'activité industrielle. Les pluies acides sont une forme de pollution atmosphérique causée par les oxydes de soufre et les oxydes d'azote. Ces gaz, principalement issus des usines et des automobiles, acidifient les nuages et retombent sous forme de pluies qui affectent gravement les écosystèmes. Les déchets nucléaires issus de la production d'énergie atomique représentent un risque sans précédent pour les générations à venir, certains restant en activité pendant des milliers d'années. À l'heure actuelle, aucune solution n'a été trouvée pour les retraiter de façon satisfaisante. Ni l'enfouissement ni le stockage ne peuvent être considérés comme durablement fiables. La déforestation à des fins de production d'énergie est une des principales causes de la désertification des sols. En plus des grandes famines qui en résultent déjà, l'accroissement démographique rend extrêmement préoccupante la perte de terres productives au profit du désert.

I.2.3 Des ressources limitées et épuisables Au rythme actuel de notre consommation, de quelles ressources énergétiques disposerons-nous demain ? Le pétrole sera la première source d’énergie à s’épuiser vers 2040, dans moins de deux générations … L'uranium et le gaz naturel n'atteindront pas les années 2075. Le charbon est plus abondant, mais ses réserves utiles ne dépassent pas deux ou trois cents ans. Enfin les difficultés de la surgénération et de la fusion nucléaire montrent que la perspective de disposer à court terme d’une énergie abondante et quasi-gratuite reste pour l’instant un mythe. Seule l'utilisation de toutes les formes d'énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique, bois et biomasse) et une augmentation de l’efficacité énergétique permettront d'éviter de piller définitivement notre planète pour nos seuls besoins immédiats.

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I.2.4 La réponse : Economies d’énergie et énergies renouvelables Inégalités criantes, croissance non contrôlée de la consommation, augmentation des atteintes à l'environnement, gaspillage de ressources fossiles limitées … En matière d'énergie, l'état des lieux est accablant. Or nous continuons à produire et à consommer toujours plus en ayant, comme l'autruche, la tête douillettement enfoncée dans le sable : les générations à venir nous regarderont comme de redoutables gaspilleurs, doublés d'insouciants pollueurs laissant à nos descendants le soin de s'occuper de nos déchets. Est-ce inévitable ? De nombreuses réponses existent, simples, de bon sens, immédiatement applicables par tous. Par exemple, le seul fait de concevoir une habitation en tenant compte correctement de l'orientation (et donc de l'ensoleillement) diminue de 15 à 30 % les besoins de chauffage, et donc la consommation d'énergie. Autre exemple : remplacer une classique ampoule de 100 W par une lampe basse consommation de 20 W revient à utiliser 5 fois moins d'énergie pour assurer un même niveau d'éclairage. La puissance électrique nécessaire est ainsi réduite de 80 W. En d'autres termes, le remplacement de cette lampe génère "80 Watts en moins" : on parle alors de "production de négawatts ". Ce concept de Négawatt a été développé par l’association négaWatt composée d’une vingtaine d'experts et de praticiens, tous impliqués à titre professionnel dans la maîtrise de la demande d'énergie ou le développement des énergies renouvelables. Elle a élaboré un scénario énergétique « négawatt » à 2050 basé sur un concept simple. Elle l’a appliqué à tous les usages de l’énergie dans notre pays afin d’élaborer ce scénario et de pouvoir le comparer a un scénario dit « tendanciel ». Ce concept, déjà présenté de manière plus ou moins explicite dans les pages précédentes est le suivant :

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Sobriété La sobriété énergétique consiste à supprimer les gaspillages absurdes et coûteux à tous les niveaux de l’organisation de notre société et dans nos comportements individuels. La sobriété n’est ni l’austérité ni le rationnement : elle répond à l’impératif de fonder notre avenir sur des besoins énergétiques moins boulimiques, mieux maîtrisés, plus équitables. Elle s’appuie sur la responsabilisation de tous les acteurs, du producteur au citoyen.

Efficacité L’efficacité énergétique consiste à réduire le plus possible les pertes par rapport à la ressource utilisée. Le potentiel d’amélioration de nos bâtiments, de nos moyens de transport et des appareils que nous utilisons est en effet considérable : il est possible de réduire d’un facteur 2 à 5 nos consommations d’énergie et de matières premières à l’aide de techniques déjà largement éprouvées.

Renouvelables Les actions de sobriété et d’efficacité réduisent nos besoins d’énergie à la source. Le solde doit être fourni à partir d’énergies renouvelables issues de notre seule ressource naturelle et inépuisable : le Soleil. Bien réparties, décentralisées, ayant un faible impact sur notre environnement, les énergies renouvelables (solaire, hydraulique, éolien, biomasse) sont les seules qui permettent d’équilibrer durablement nos besoins en énergie avec les ressources de notre planète : pourquoi retarder notre mise en marche vers un équilibre aussi vital ? On trouve en annexe, 3 documents élaborés par l’association négawatt : -

« L’APPEL négaWatt pour un avenir énergétique sobre, efficace et renouvelable » « LE MANIFESTE négaWatt pour un avenir énergétique sobre, efficace et renouvelable » « Le scénario négaWatt »

Il serai très intéressant de les consulter à ce moment de la lecture du rapport car ils sont fondamentaux pour bien comprendre les enjeux énergétiques mais aussi pour voir dans quelle dynamique et démarche s’inscrivent les multiples actions d’HESPUL.

I.3 La climatisation : Enjeux et Risques Il est intéressant, après avoir défini le cadre général de la problématique énergétique, de traiter maintenant le point particulier qu’est la climatisation. C’est à dire son développement, les risques de ce dernier et pourquoi est ce un danger. Tout ceci nous permettant de comprendre encore un peu plus tout l’intérêt d’appliquer la démarche négaWatt au rafraîchissement des bâtiments. Cette déclinaison de la démarche négaWatt incluant, comme nous le verrons, la climatisation solaire comme 3ème et dernière mesure, le cas échéant.

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I.3.1 La Climatisation aujourd’hui PANORAMA DE LA CLIMATISATION DANS LE MONDE Le marché mondial Le marché mondial de la climatisation est toujours en expansion et a été estimé à 39,7 millions d'appareils vendus en 2000. Ce résultat se répartit entre 29,9 millions d'unités RAC (Room Air Conditioners, c'est à dire climatiseurs individuels) et 9,8 millions d'unités CAC (Central Air Conditioners, c'est à dire climatisation centralisée). Le marché Américain reste le premier avec 13,2 millions d'unités vendues en 2000 avec une croissance de 3,1%. Le marché Chinois explose avec 9,2 millions d'unités vendues. Le marché Japonais a connu une croissance de 9% entre 1999 et 2000, passant ainsi à 7,7 millions d'unités vendues en 2000. En 2000, le marché mondial de la climatisation était estimé à 35 milliards de US$.

Marché mondial de la climatisation (en volume) en 2000

Le taux d'équipement en climatisation dans le monde Les climatiseurs sont plus répandus dans le secteur tertiaire. Le taux d'équipement en Europe est très en deçà des valeurs des autres pays de l'OCDE (100 % au Japon et 80 % aux Etats-Unis). Ceci en fait donc un terrain à conquérir pour tous les fabricants, en effet le potentiel y est énorme.

PAYS

TERTIAIRE

RESIDENTIEL

Japon

100%

85%

Etats-Unis

80%

65%

Europe

27%

5%

Taux d’équipement en climatisation dans le monde en 1997

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Dépense annuelle consacrée à la climatisation dans le monde

Dépense annuelle consacrée à la climatisation

PANORAMA DE LA CLIMATISATION EN EUROPE Le marché européen de la climatisation individuelle et centralisée Le marché de la climatisation centralisée croît fortement en Europe depuis plusieurs années. Dans l'étude EECCAC (Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners) , la croissance de la surface climatisée par des installations centralisées a été estimée en Europe entre 1980 et 2000.

Augmentation de la surface climatisée par des installations centralisées entre 1980 et 2000 en l'Europe

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Cette croissance est en partie reliée au développement des immeubles de bureaux, ce qui explique la plus forte croissance dans des pays d'Europe centrale (Allemagne) qu'au Portugal et en France.

Augmentation de la surface climatisée centralisée par pays entre 1980 et 2000 Aujourd'hui, l'Italie et l'Espagne représentent à elles seules plus de 50% du marché (en termes de surface climatisée). La répartition de la climatisation centralisée par secteur d'activité dans les pays ayant des statistiques montre la prédominance des immeubles de bureaux.

Répartition de la climatisation centralisée par secteur d'activité dans quelques pays d'Europe L'étude EECCAC présente également la répartition des différentes techniques de climatisation, centralisée et individuelle, dans les secteurs tertiaires et résidentiels.

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Systèmes de distribution par pays A partir du nombre reconstitué de systèmes de distribution à air (centrale de traitement d'air) et à eau (ventilo-convecteurs), la répartition du marché par pays a été établie. Le pourcentage de systèmes de distribution à eau est égal au nombre d'installations avec une distribution du froid par le vecteur eau divisé par le nombre d'installations total.

Pourcentage des systèmes de distribution à eau par rapport au total par pays de l'UE en 1998

I.3.2 Les perspectives Evolution du marché en Europe Les extrapolations sont fondées sur les données de 1998 et les tendances constatées au niveau national dans chaque pays d'Europe.

Evolution de la surface climatisée en Europe à l'horizon 2010 et 2020

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Evolution du stock par pays à l'horizon 2010 et 2020

L'évolution par secteur d'activité a aussi été extrapolée dans le cadre de l'étude EECCAC.

Evolution du stock par secteur d'activité

I.3.3 Les conséquences et les risques d’une « Surclimatisation » Comme nous l’avons vu précédemment, l’Europe de part son faible nombre d’installations en comparaison des Etats unis et du Japon est un « marché » très convoité par les industriels car il possède un très fort potentiel de croissance, et ce, comme le montrent les études prospectives.

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Ces études prospectives de part le moment où elles ont été réalisées ne prennent pas en compte ce que l’on pourrait appeler l’effet « CANICULE 2003 ». Comme on le voit en ce moment les ventes pour cet été explosent que ce soit pour les climatisations individuelles ou centralisées. De nombreux fabricants sont a la limite de la rupture de stock et les délais de livraison sont de plus en plus importants. Cette augmentation fulgurante du nombre de climatisation en France et en Europe ne va qu’amplifier de manière dramatique les 2 principaux inconvénients qui caractérisent la climatisation conventionnelle. C’est à dire : -

Son importante consommation d’énergie L’utilisation de fluides frigorigènes ayant environnemental

un

fort

impact

La consommation d’énergie La climatisation dévore beaucoup d’énergie souvent produite à partir de sources d’énergie polluante. Selon un étude réalisée par l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), lors d’un été « normal », les climatiseurs accroissent la consommation d’énergie de quelques 2000 kWh pour une période de trois mois pour une petite surface (45 m2). Sur ces courtes périodes d’utilisation, ces appareils mettent et menacent de mettre les systèmes de production d’électricité à rude épreuve. De fait, si la tendance actuelle se poursuit, l’Europe devrai connaître pour l’été 2020 une pointe de puissance électrique en plus des autres utilisations de 35 GW vers 19 h contre 20 GW en milieu d’après midi. Or 35 GW représente grossièrement 35 tranches nucléaires (il y en a en tout et pour tout 135 en Europe). On retrouve déjà de telles proportions en région PACA où en période estivale, au plus chaud de la journée, 40% de l’énergie électrique consommée l’est par les systèmes de climatisation. La température maximale, en Europe, l’été, est à 17–18 h. On a pu observé que la canicule 2003 a eu un impact très significatif sur la consommation d’électricité : à Genève, on a constaté une augmentation d’appel de puissance de 8 MW par degré supplémentaire sur un total de 300 MW. Pour assurer la fourniture en électricité durant ces pointes, il faudrait disposer de la capacité à générer de l’électricité pour les couvrir même si elles ne sont pas nécessaires le reste du temps. En outre, les fortes chaleurs font énormément souffrir la filière électrique: les barrages manquent d’eau et les centrales nucléaires peinent à se refroidir. Reste l’option des centrales thermiques à combustibles fossiles émettrices de gaz à effet de serre. Et quand la capacité de production électrique n’est pas suffisante, surviennent alors les délestages et les coupures de courant par secteur. On se rappelle de la grande canicule qui frappa Chicago en 1995. En effet après quelques jours d’alerte météo durant lesquelles les habitants dévalisèrent les magasins de climatisation, la consommation d’électricité a atteint un niveau qui a vite excédé les capacités de la compagnie d’électricité. Apparues dès le 13 juillet, les pannes se répétèrent les jours suivants. Le vendredi 15, deux grands transformateurs disjonctent en moins d’une heure. Des quartiers entiers se retrouvent sans électricité parfois durant 2 jours. En France, les pannes à répétition sur les lignes des TGV durant l’été 2003 le prouvent : en cas de forte chaleur, les corps humains ne sont pas les seuls à souffrir. Tous les appareils peinent à maintenir leur fonctionnalité normale. Et c’est justement au moment où les intempéries rendent les conditions de gestion du système de production et d’acheminement de l’électricité très difficiles que les climatiseurs sont et seraient utilisés de façon massive. D’une manière générale, les systèmes de production et d’acheminement de l’électricité ne sont pas infaillibles. Les gigantesques pannes à New

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York et en Italie en 2003 sont venues utilement rappeler cette évidence au grand public et aux responsables politiques. Les fluides frigorigènes utilisés Les fluides frigorigènes utilisés dans les cycles thermodynamiques frigorifiques utilisant une compression mécanique sont de redoutables gaz à effet de serre. Ces produits commercialisés sous des noms divers (Fréon, Forane, Iscéon…) sont classés en groupes selon leur composition chimique. On distingue les CFC (R 12, R 11, R 502…), les HCFC (R 22…), les HFC (R 134 A, R 407 C, R 410 A). Les CFC et, dans une moindre mesure, les HCFC ont un rôle important dans la destruction de la couche d'ozone qui, si elle se poursuivait, pourrait menacer la vie sur la terre. Tous ces gaz, y compris les HFC, contribuent par l'accroissement de l'effet de serre au réchauffement global et au changement climatique. Pour remédier à ces problèmes, des accords internationaux ont été conclus et les états signataires doivent prendre les mesures adéquates pour les faire respecter. Deux principaux indicateurs existent pour caractériser l’impact environnemental d’un fluide frigorigène : -

Le GWP (Global Warming Potential) : Il caractérise la contribution du fluide à l’effet de serre. Sa valeur correspond à l’équivalent massique en CO2 qui permettrai d’obtenir la même augmentation d’effet de serre qu’avec 1kg du fluide frigorigène considéré.

-

L’ODP (Ozone Depletion Potential) : Il caractérise les dommages causés à l’atmosphère par le fluide considéré. Sa valeur est relative à l’ODP du R-11 qui est un CFC maintenant interdit et dont la valeur référence d’ODP a été arbitrairement prise égale à 1.

Aujourd’hui les principaux fluides utilisés dans les climatisations neuves sont le R134A (GWP=1300, ODP=0) , le R-407C (GWP=1610, ODP=0), le R-410A (GWP=1725, ODP=0) qui sont tous 3 des HFC. Il existe évidemment de nombreuses installations utilisant des HCFC et en l’occurrence du R-22 (GWP=1725, ODP=0,05). A titre de comparaison un CFC comme le R-11 interdit à la production depuis 1995 avait les caractéristiques suivantes : GWP=4000, ODP=1. Depuis le 1er juillet 2002, aucune climatisation contenant des HCFC ne peut être mise sur le marché. Après le 1er janvier 2010 aucun HCFC neuf ne pourra être utilisé en maintenance de système. Après 2015 aucun HCFC recyclé ne pourra être utilisé en maintenance de système. Les fuites de frigorigène sont inhérentes à la marche de l’appareil. Circuits, joints et tuyaux souples laissent échapper ces gaz frigorigènes. De plus les appareils sont encore rarement recyclés et le fluide, qui finit souvent en décharge occasionne de nouvelles fuites dans l’atmosphère. Autrement dit, il n’y a sans doute pas de meilleur moyen de renforcer le changement climatique que d’installer partout la climatisation pour lutter contre l’un de ses symptômes les plus spectaculaires.

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I.4 La démarche négaWatt appliquée à la demande de froid dans le bâtiment Cette démarche négaWatt que l’on a présenté précédemment est applicable comme on l’a vu à la problématique de l’énergie en générale mais on peut également l’appliquer et la décliner aux problématiques énergétiques particulières comme par exemple le rafraîchissement des bâtiments.

Modération des exigences de confort d’été

Augmentation de l’efficacité énergétique du bâtiment vis à vis des surchauffes estivales : Rafraîchissement passif/architecture bioclimatique Climatisation Solaire

I.4.1 Sobriété : Modération des exigences de confort d’été On a l’habitude de définir le « confort thermique » comme L’EQUILIBRE ENTRE L’ÊTRE HUMAIN ET L’AMBIANCE. La température du corps étant d’environ 36,7°C donc généralement supérieure à la température de l’ambiance, un équilibre doit être trouvé afin d'assurer le confort de l'individu. Pour atteindre cet équilibre l’homme possède des mécanismes de régulation qui adaptent ses pertes de chaleur aux conditions thermiques de l’ambiance. Le « confort thermique » dépend de l’équilibre existant entre ces grandeurs. L’homme se sent bien si les échanges de chaleur s’effectuent ni trop vite, ni trop lentement. Un trop grand déséquilibre entre l’être humain et l’ambiance impliquera d’importants échanges thermiques sources d’inconfort. On dit généralement que l’ampleur de ces échanges, donc la sensation de confort ou d’inconfort, dépend de 6 paramètres : Paramètres de l’ambiance thermique Température de l’air ambiant (Ta) : Elle doit être homogène dans L’espace et dans le temps, c’est à dire dans la pièce mais aussi entre le jour et la nuit et entre l’été et l’hiver. Vitesse de l’air (Va) : Elle influence les échanges de chaleur par convection. Température des parois (Tp) : Les parois froides émettent, comme les vitrages, un rayonnement froid source d’inconfort. On souhaite que Ta-Tp < 3°C

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Humidité (HR ou ϕ) : Rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d'eau contenue dans l'air à la température Ta et la quantité maximale d'eau pouvant être contenue dans l’air à cette même température. On souhaite que 30% < ϕ < 70%

Paramètres individuels Métabolisme : C’est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7°C. Il est fonction de l’activité du sujet. Exemple : Sommeil = 75 W, Assis au repos = 110 W, Gymnastique = 360 W. Habillement : Il représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l'environnement. C’est l’équivalent de l’isolant pour une maison. Généralement on évalue le confort thermique de 2 manières : Evaluation simplifiée : On calcule la température résultante sèche (TRS) : TRS = (Ta + Tp)/2 Cette dernière défini plus précisément le confort car elle prend en compte en plus de Ta, Tp. On compare ensuite cette température à une fourchette dite de confort. Evaluation approfondie : On détermine des zones de confort thermique (zone où la variation de sensation de confort thermique est faible) en utilisant l'indice de vote moyen prévisible (PMV) et le pourcentage prévisible d'Insatisfaits (PPD) pour une ambiance donnée. Ces 2 indices sont obtenus par sondage d’un groupe d’individus. Le PMV gradue de –3 (très froid) à +3 (très chaud) la sensation thermique. Le but est d’obtenir un PMV = 0 (neutre) pour un PPD le plus faible possible. Il existe une norme développant une méthode utilisant les paramètres précédents pour définir ces zones de confort standards.

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Exemple de résultats obtenus du PPD (pourcentage prévisible d’insatisfaits) en fonction de la température de l’air et de l’activité. Le point le plus bas de chaque courbe correspond à la température pour laquelle, en fonction de l’activité , il y a minimum d’insatisfaits. C’est donc la température recherchée.

Le diagramme de l’air humide (cicontre) permet de faire figurer les grandeurs caractéristiques de l’air humide à pression atmosphérique dans diverses conditions de température et d’humidité. Il est essentiellement utilisé lors de la conception des climatisations et centrales de traitement d’air.

Zone 1 : à éviter vis-à-vis des problèmes de sécheresse. Zone 2 et 3 : à éviter vis-à-vis des développements de bactéries et de microchampignons. Zone 4 : Polygone de confort hygrothermique On peut cependant face à cette analyse cartésienne du confort, émettre des réserves et se poser alors plusieurs questions : En matière d’habitat, les notions de confort sont elles réellement mesurables ? Peut-ont en donner des indicateurs valables ? Ont-ils la même signification pour tous ? En effet, d’autres paramètres entrent en jeu comme : - Les sensibilités personnelles (age, sexe, vécu, état psychologique …) - Les habitudes culturelles (La zone de confort d’un anglais se situe entre 14,5°C et 21°C, celle d’un américain entre 20°C et 26°C et celle des habitants des régions tropicales entre 23°C et 29,5°C …) - Les autres perceptions sensitives (l’espace, la luminosité, la vue d’un feu, d’un étang, un environnement sonore évocateur …) En tentant d’intégrer ces facteurs plus globaux on ne parle alors plus de « confort thermique » mais de BIEN ÊTRE THERMIQUE qui se veut plus globale et plus flexible que la notion de confort.

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Finalement, confort et bien-être sont deux concepts qui apparaissent comme très subjectifs. Dans la recherche de ces notions complexes, le couple, habitant(s)/habitat (et non machine thermique/conditions climatiques complètement définies) ne doit en aucun cas être dissocié comme on le voit de nos jours. On pourrait même dire que c’est dans cette uniformisation et standardisation du confort (comme du goût…) que se trouve la source principale d’inconfort et de mal être. On peut citer une enquête nationale réalisée en 1996-1997 par la Société de Médecine du Travail d'Ile-de-France et le LHVP (laboratoire d'hygiène de la ville de Paris) pour étudier l'impact de la climatisation sur 4 500 personnes travaillant dans plus de 80 bâtiments différents. Les résultats sont édifiants ; 63 % des personnes sont insatisfaites de la qualité de l'air dans une ambiance climatisée contre seulement 44 % lorsque la ventilation est manuelle. 1 personne sur 2 se plaint de problèmes de santé (maux de tête, nez, gorge, vue...) avec la clim et deux fois moins lorsqu'elle n'est pas présente. Plus surprenant : la température est jugée insatisfaisante pour 56 % des personnes travaillant dans des bureaux climatisés contre seulement 32 % pour ceux qui ouvrent les fenêtres... De plus une telle standardisation du confort et donc des exigences des usagers (En 30 ans, la chercheuse britannique Elizabeth Shove constate que la température moyenne dans les foyers est passée de 17 à 21 °C sans être certain que le bien-être y ait forcément été amélioré) mène et mènera à des surconsommations et des pics de demande en énergie : En hiver (chauffage) et en été (Climatisation) L’habitat ne devrait pas être appréhendé, comme c’est souvent le cas, tel un bien de consommation standard, uniformisé pour ni ne plaire, ni ne déplaire mais il doit justement intégrer tous les facteurs personnels et culturels des habitants qui rendront propices leur épanouissement et leur bien-être.

I.4.2 Efficacité : Rafraîchissement passif/architecture bioclimatique Les techniques passives de maîtrise des températures sont aujourd’hui largement sous-utilisées dans les bâtiments tertiaires, et des erreurs de conception des bâtiments conduisent souvent à des surchauffes très inconfortables pour les occupants. L’attitude la plus fréquente consiste à compenser ces erreurs de conception par une climatisation classique. On peut citer d’ailleurs, à titre d’exemple, le cas d’un immeuble situé à Genève. Cet immeuble, composé de 7 niveaux et de 6000 m2 de surface présente une surchauffe en période estivale génératrice d’inconfort. La fédération internationale des syndicats de la métallurgie qui possède ce bâtiment construit dans les années 1960, occupe un étage. Diverses sociétés louent les autres étages. Fortement vitrées, les façades sont constituées de fenêtres basculantes avec un double vitrage et un store à lamelles intégré entre les 2 vitres. Tous les occupants se plaignent de la chaleur durant la saison d’été. Contacté en 1995 pour faire baisser la température en saison chaude, un bureau d’ingénieurs préconise la climatisation intégrale du bâtiment. Il propose 3 variantes, pour des coûts allant de 2,3 à 3 millions d’euros. La puissance frigorifique nécessaire, de l’ordre de 300 kW et l’installation impliqueraient des travaux très lourds et invasifs dans le bâtiment. La FISM juge cette proposition trop chère à l’investissement et au fonctionnement. Et, par crainte des courants d’air, d’avoir à supporter trop d’air frais et de ne pouvoir ouvrir les fenêtres, elle inspire la méfiance à plusieurs occupants. Aussi, avant de déposer

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la demande d’autorisation cantonale obligatoire pour installer la climatisation, la FISM contacte l’Office cantonal de l’énergie qui lui conseille de faire réaliser un étude plus complète, avec un diagnostic et des propositions globales d’amélioration, comme l’indique la législation. La FISM confie alors un mandat au centre universitaire d’études des problèmes d’énergie (CUEPE). Au cours de l’été 1998, le CUEPE effectue des mesures de températures et de flux d’énergie dans plusieurs bureaux aux 3ème et 5ème étages et réalise une série de simulations numériques qui conduisent à plusieurs conclusions. La pire situation règne dans les bureaux orientés sud et ouest. Dès que la température atteint 24°C à l’extérieur, elle dépasse systématiquement la valeur limite de 28°C de la norme SIA (Société des Ingénieurs et des Architectes) à l’intérieur. En raison de la forte chaleur durant l’été 1998, il lui arrive même de flirter avec les 35°C. Bénéficiant pourtant le matin de l’ombre partielle du bâtiment adjacent, les bureaux orientés nord-ouest excèdent eux aussi les 28°C lorsque la température extérieure se situe entre 28°C et 30°C. Enfin les températures des vitrages intérieurs atteignent voire dépassent 45°C plusieurs heures par jour, rendant très inconfortable la place de travail à proximité. Des simulations détaillées montrent que l’apport principal de chaleur se fait par les fenêtres, la protection solaire du store à lamelles entre les 2 vitrages n’empêchant pas l’effet de serre derrière la première vitre. Facteur aggravant, la surface vitrée est importante : 4m2 de vitrage pour un bureau d’une surface de 17m2. En revanche, les gains de chaleur internes sont faibles : en général, une seule personne occupe chaque bureau et elle travaille sans éclairage et avec peu d’appareils électriques en marche, mis à part un ordinateur. La FISM mandate alors le bureau d’architectes Zufferey pour développer un projet de stores extérieurs afin d’occulter 90% du rayonnement solaire. Le CUEPE simule les solutions du bureau Zufferey. Celle qui est retenue consiste à poser des stores à lamelles orientables en extérieur sur un rail de guidage d’aluminium intégrés sur des montants verticaux déjà existants. Avec cette solution très simple, les travaux ont entièrement eu lieu à l’extérieur du bâtiment et chacun peut ouvrir la fenêtre de sa convenance, en particulier le soir pour profiter de la ventilation nocturne. De plus, la fermeture et l’inclinaison des stores sont télécommandés de façon centralisée et individuelle. Au bilan, cette solution épargne de 50 000 à 100 000 kWh d’électricité par an. Son coût à l’investissement est de 2,5 à 3 fois moins cher que celui du système de climatisation prévu initialement, soit 1,06 millions d’euros. Les travaux sont réalisés au cours du printemps 2000. Des mesures relevées durant l’été suivant démontrent que la température des bureaux reste en dessous de 27 °C jusqu’à une température extérieure de 30°C. Lorsque la température extérieure dépasse 34°C, la température monte à 30°C dans certains bureaux. Une baisse de température systématique est comprise entre 3°C et 5°C sur toute la période des mesures. Ces valeurs confirment les simulations du CUEPE. En cas de nécessité, il reste possible d’installer une climatisation. Mais grâce à la forte réduction des apports solaires, elle sera beaucoup plus simple, beaucoup moins cher (environ 350 000 euros) en consommera 5 fois moins d’électricité dans le cas d’une climatisation conventionnelle. Cette exemple illustre parfaitement l’idée de rendre efficace le bâtiment avant de vouloir le climatiser. Et si cela est vraiment nécessaire après les différentes mesures prises pour favoriser le rafraîchissement passif et la protection du bâtiment vis à vis des apports solaires alors on peut envisager la climatisation qui sera largement moins coûteuse aussi bien à l’investissement qu’en fonctionnement. Ceci pour une climatisation dite conventionnelle. Climatiser un bâtiment sans agir sur l’enveloppe équivaut à le chauffer sans l’isoler, bref une ABERATION !

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Toujours pour citer la Suisse, les installations fixes de climatisation dans ce pays sont soumises à autorisation. En effet, la climatisation ne peut être installée que lorsqu’il a été prouvé que les besoins de froid restant n’ont pu être pris en charge ni par des mesures constructives, ni par des mesures d’exploitation. Le projet doit d’autre part présenter certaines garanties quant à ses performances énergétiques. Cette stratégie de maîtrise des besoins de froid est très importante dans le cadre d’un projet de climatisation classique, elle l’est encore plus pour une climatisation solaire, le coût à l’investissement étant beaucoup plus important. De nombreuses techniques passives ou semi-passives de maîtrise des températures existent. Ces techniques concernent : - La conception du bâtiment - La gestion du bâtiment Elles visent à : - Minimiser les apports de chaleur internes et externes - Evacuer les apports de chaleur Pour cela, on va chercher à optimiser : -

les apports internes orientation du bâtiment et des ouvertures les protections solaires l’isolation inertie thermique la ventilation

Les apports internes Les apports internes dans le tertiaire concernent essentiellement : - les occupants (60 W à 100 W par personne) - le matériel bureautique - l’éclairage - les autres équipements électriques (machines diverses) Lorsque les températures extérieures sont supérieures aux températures intérieures, l’évacuation des apports internes de chaleur est difficile sans climatisation, et énergétiquement coûteux avec climatisation. Il faut donc chercher à les minimiser par l’utilisation d’équipements performants du point de vue énergétique : - matériel bureautique à faible consommation - éclairage basse consommation - équipements performants

L’orientation du bâtiment et des ouvertures L’orientation du bâtiment et des surfaces vitrées doit tenir compte de différents paramètres : - La course du soleil est très différente en hiver et en été sous nos latitudes - Les rayonnements perpendiculaires aux vitrages pénètrent dans le bâtiment - Les rayonnements presque parallèles au vitrage sont réfléchis.

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Si on analyse les apports solaires globaux (directs + diffus) transmis à travers un vitrage vertical en fonction de l ’orientation, pour une latitude 45°, pour les différents mois de l’année, on obtient les résultats suivants :

- Les ouvertures nord minimisent les apports solaires en été, mais aussi en hiver. Elles ne captent pratiquement que le rayonnement diffus. - Les ouvertures est et ouest conduisent à des apports solaires d’été très élevés. Les ouvertures ouest sont particulièrement à éviter, car les apports ont lieu dans l’aprèsmidi, lorsque les températures extérieures et intérieures sont les plus fortes. - Les ouvertures sud conduisent à des apports solaires d’été limités, alors que les apports en période de chauffe sont intéressants. Cette configuration peut encore être améliorée par des protections de type casquette.

Les protections solaires Il existe 3 grandes familles de protections solaires : Les protections fixes, les protections mobiles et les protections végétales.

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Les protections fixes Elles sont constituées par des masques architecturaux tels que des casquettes, debords de toit, auvents, brises soleils… Ils permettent, de part la course du soleil plus haute en été qu’en hiver, de limiter ces apports directes en période estivale et ce, sans les occulter en période hivernale.

été

mi-saison

hiver

Les protections mobiles Elles sont constituées de stores vénitiens, volets, stores enroulables…

Les protections végétales Elles sont constituées par des arbres à feuilles caduques. Elles permettent en plus de l’occultation, le rafraîchissement de l’air par évapo-transpiration. On peut également se protéger des apports solaires, en optimisant les vitrages et ce, avec l’utilisation de verres sélectifs, de verres réfléchissants, de films réfléchissants etc … Lorsque le rayonnement solaire est intercepté par une paroi, une partie de l’énergie incidente est directement réfléchie (RE) vers l’extérieur, une partie est directement transmise vers l’intérieur (TEdirect) et une partie est absorbée (AE) par le matériau. Ce dernier s’échauffant, cette énergie sera réémise d’une part vers l’extérieur et d’autre part vers l’intérieur.

Le pourcentage total d’énergie transmis au travers d’une paroi (simple ou composée), à l’intérieur du local est appelé facteur solaire (FS) de la paroi. On définira souvent le facteur solaire d’un ensemble protection solaire + vitrage. Dans l’exemple cidessus, le FS est de 0,86. Lorsque l’on utilise un double vitrage avec une protection solaire fixe, on peut obtenir des FS compris entre 0,05 et 0,2.

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L’isolation Une bonne isolation des parois opaques et des surfaces vitrées (double vitrage performant) est fondamentale non seulement en hiver pour éviter les pertes thermiques, mais aussi en été pour éviter les apports externes par conduction. L’ inertie thermique L’inertie thermique d’un bâtiment mesure sa capacité à emmagasiner de la chaleur pour une faible élévation de température.

Les matériaux lourds de la construction tels que béton, brique, pierre, etc. ont une grande capacité à stocker de la chaleur. Le rayonnement solaire irradiant une paroi de brique ou de béton est, en partie, absorbé par celui-ci, transformé en chaleur et accumulé en son sein. Cette paroi peut aussi prendre de la chaleur à de l'air plus chaud qu'elle. La chaleur sera restituée dès que la température de l'air environnant est plus basse que celle de la surface du matériau (par convection) ou/et dès que la température de surface d’objets avoisinants descend en-dessous de celle de la paroi en question (par rayonnement). Cette capacité des parois à accumuler de la chaleur, puis à la restituer représente comme on l’a dit, l'inertie thermique du bâtiment. L'inertie thermique répartit donc les apports de chaleur dans le temps et permet ainsi d'éviter les surchauffes à l’intérieur du bâtiment en été.

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Dans un bâtiment à faible inertie, un apport de chaleur externe ou interne va conduire à une forte élévation de température. Le même apport dans un bâtiment à forte inertie conduira à une élévation de température plus faible (diffusion de la chaleur dans les parois lourdes). De plus comme on le voit sur le schéma ci-dessus, une forte inertie permet de déphaser l’apport maximum et la restitution de la chaleur emmagasinée.

La ventilation Le brassage d’air (sans renouvellement), par ventilateur au plafond ou directionnel, ne permet pas d’évacuer la chaleur emmagasinée dans le bâtiment. Par contre, elle favorise les transferts thermiques par convection et par évaporation sur la peau, ce qui augmente la sensation de confort. Un renouvellement d’air minimum est imposé pour des considérations hygiéniques. Lorsque l’air extérieur est plus chaud que l’air intérieur, il faut limiter le renouvellement d’air aux valeurs réglementaires. On peut aussi utiliser la fraîcheur du sous-sol pour faire pénétrer un air plus frais (technique du puit provençal).

Le puit provençal ou canadien : Il consiste à faire passer, avant qu’il ne pénètre dans la maison, une partie de l’air neuf de renouvellement par des tuyaux enterrés dans le sol à une profondeur de 1 à 2 mètres. En été comme en hiver, la température à cette profondeur est constante (environ 14°C) . En hiver, il préchauffera l’air entrant et en été il le rafraîchira.

On peut aussi lorsque l’air extérieur est plus frais que l’air intérieur (ce qui est souvent le cas la nuit), évacuer la chaleur emmagasinée en journée dans le bâtiment par une sur-ventilation nocturne. Cette sur-ventilation associée à une forte inertie thermique du bâtiment va « stocker » la fraîcheur pour la journée suivante et évacuer la chaleur emmagasinée dans les parois qui est restituée durant la nuit (déphasage du à la forte inertie).

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La ventilation peut-être naturelle ou mécanique. - Une bonne position des ouvertures (façades au vent et sous le vent) permet une ventilation traversante efficace. - Une VMC classique (renouvellement de 0.5 à 1 volume/heure) est insuffisante pour un rafraîchissement significatif. Celui-ci nécessite de 5 à 10 volumes/heure, soit un surdimensionnement des équipements de ventilation (qui conduit cependant à une consommation énergétique bien plus réduite qu’une climatisation classique).

I.4.3 Renouvelables : Climatisation Solaire En dernier volet de la démarche négaWatt déclinée au rafraîchissement des bâtiments vient donc LA CLIMATISATION SOLAIRE. C’est à dire que lorsque tout a été fait pour réduire les besoins de froid, alors on peut envisager d’assurer le reste par une climatisation solaire. Dans la Climatisation solaire se sont en fait 2 mondes qui se rencontrent et qui ont chacun fait leurs preuves de leur côté. Ces 2 domaines sont explicitement cités dans la dénomination même de « Climatisation Solaire ». En effet , d’un côté on a « le monde du froid » , de la climatisation et de la frigorifie et d’un autre, « le monde du solaire ». Le principal enjeux étant justement de faciliter leur rencontre, leur adéquation, leur interaction en essayant d’adapter les techniques propres de l’un à l’autre et vis versa. L’une des caractéristiques très intéressantes et l’un des avantages principal de la climatisation solaire est l’adéquation d’un point de vue temporel entre le besoin en froid et l’apport solaire. Ceci se vérifie aussi bien annuellement, que quotidiennement lors de la période estivale. Comme on peut le voir sur la courbe suivante, l’adéquation annuelle à Fribourg est presque parfaite. D’un point de vue quotidien, elle est globalement très bonne aussi, moyennant parfois un léger décalage de quelques heures, en fonction de la zone climatique, entre l’ensoleillement maximum et le pic de chaleur, donc de demande de froid.

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Ensoleillement global et besoin en froid annuel à Fribourg

Ensoleillement Besoins en froid

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Cette idée d’adéquation entre ensoleillement et utilisation de cette énergie solaire est très importante et c’est d’ailleurs l’un des problèmes majeurs des applications classiques et éprouvées de l’énergie solaire qu’elle soit convertie en énergie électrique ou calorifique. En effet, lorsque l’on utilise par exemple, des panneaux solaires thermiques afin d’assurer le chauffage d’une habitation par plancher solaire directe ou emetteur basse température, il est évident que l’adéquation entre l’ensoleillement et le besoin de chauffage au niveau annuel est très mauvais. On peut faire la même remarque au niveau de la production d’eau chaude sanitaire (ECS) et dans ce cas là quant à l’adéquation quotidienne. Il n’est en effet pas évident du tout que l’utilisation maximum d’ECS soit en corrélation avec l’ensoleillement maxi. On retrouve exactement le même type de problématique au niveau de la production d’électricité à l’aide de panneaux photovoltaïques (PV). On va voir par la suite, que des mêmes panneaux solaires thermiques pourront alors être utilisés en hiver pour assurer le chauffage des locaux et en été leur rafraîchissement. On optimisera donc leur utilisation sur l’année par rapport aux cas habituels où ces panneaux ne servent que durant une période, en l’occurrence l’hiver dans le cas du chauffage. D’un point de vue théorique et fondamental , il existe de très nombreuses manières de produire du froid avec l’énergie solaire. Le schéma ci-dessous, non exhaustif réunit tout de même une grande partie de celles ci. On retrouve en gris clair, les technologies aujourd’hui utilisées et disponibles et en gris foncé, les technologies à l’état de développement et de recherche.

Le rayonnement solaire peut être exploité directement de 2 manières. Soit en le convertissant en énergie électrique, soit en énergie thermique. On voit d’ailleurs dans l’organigramme précédent que cette remarque correspond au premier niveau de distinction technologique. On peut se demander a priori, pourquoi tenter de « faire du froid avec du chaud » (branche solaire thermique) et devoir utiliser des procédés thermodynamiques et thermomécaniques complexes alors que l’on pourrait

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tout simplement « faire du froid avec de l’électricité » (branche solaire photovoltaïque) comme on sait le faire et comme on le fait depuis que l’on a découvert l’électricité (cycle à compression mécanique). Cependant, dans les pays ayant un réseau électrique étendu, il est beaucoup plus intéressant d’injecter l’électricité produite par des panneaux PV sur le réseau que d’utiliser cette électricité via des batteries exclusivement pour la consommation de sa climatisation conventionnelle (à compression mécanique). De plus, lorsqu’il existe, comme en Allemagne par exemple, une politique incitative à la vente du kWh sur le réseau (prix de vente du kWh produit par le particulier plus élevé que le prix qu’il l’achète à la compagnie électrique) l’intérêt économique est certain. Cependant, on peut tout de même se demander si il vaut mieux utiliser une climatisation solaire s’appuyant sur un procédé thermodynamique nécessitant un apport de chaleur donc des panneaux solaires thermiques ou alors installer une centrale photovoltaïque, vendre l’électricité produite sur le réseau et utiliser une climatisation conventionnelle. Il faudrait pour répondre à cette question réaliser une comparaison économique mais aussi énergétique des 2 solutions. Cependant, même si avec la solution PV, on utilise une énergie d’origine renouvelable, il subsiste toujours le problème de l’utilisation de fluides frigorigènes HCFC. En effet, comme nous le verrons, les climatisations solaires thermiques (par opposition à photovoltaïques) n’utilisent pas de tels fluides. L’intérêt d’utiliser du PV et une climatisation conventionnelle est donc beaucoup moindre. Il n’existe d’ailleurs pas d’application pour des climatisations. Il pourrait tout de même y en avoir en sites isolés (pas de réseau électrique). On peut également avancer comme idée allant dans le sens de la climatisation solaire thermique que l’électricité est une énergie « noble » car difficile à produire et surtout qui est la seule à pouvoir alimenter en énergie certaines applications quotidiennes (éclairage, microinformatique …). Il faut donc la garder et la réserver à ces usages spécifiques et ne pas l’utiliser quand un même procédé est réalisable avec de l’énergie thermique directement. Il faut rappeler que pour produire de l’électricité dans une centrale nucléaire, on produit d’abord de la vapeur d’eau, donc de l’énergie thermique pour ensuite faire tourner de gros alternateurs. On retrouve là la problématique du chauffage électrique et l’une de ses aberrations. L’application actuellement la plus répandu du PV pour produire du froid est la petite réfrigération utilisée par des centres de soins isolés, des ONG tels que le HCR (Haut Commissariat aux Réfugiés), la croix rouge internationale etc … Nous allons donc traiter de la climatisation solaire nécessitant un apport calorifique à son fonctionnement et utilisant donc des capteurs solaires thermiques. C’est elle qui présente l’intérêt environnemental le plus important et dont le développement est le plus notable aujourd’hui. Le schéma ci dessous représente les types de systèmes que nous allons voir maintenant. Ce sont donc des systèmes qui, comme nous l’avons dit, utilisent comme principale source d’énergie, de la chaleur et qui produisent, en fonction de la technologie utilisée de l’eau glacée ou directement de l’air conditionné. Les technologies et les systèmes que nous allons voir n’ont aucune application de faible puissance frigorifique applicable à l’habitat individuel par exemple et aux particuliers. Les applications recensées aujourd’hui sont essentiellement la climatisation de bâtiments tertiaires ou du moins des bâtiments demandant une grande puissance frigorifique.

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Nous verrons donc en tout 3 technologies aujourd’hui disponibles sur le marché et dont il existe des exemples en fonctionnement. Deux de ces dernières permettent de produire de l’eau glacée : - Les groupes frigorifiques à Absorption - Les groupes frigorifiques à Adsorption La 3ème technologie permet de produire directement de l’air conditionné : - Le refroidissement évaporatif potentialisé par dessiccation ou Desiccant Evaporative Coolling (DEC)

II COMPOSANTS DES SYSTEMES DE CLIMATISATION SOLAIRE Nous allons voir dans cette partie les différents éléments pouvant intervenir dans un système de climatisation solaire. Dans une première partie, nous aurons un bref aperçu des équipements terminaux, de distribution de la puissance frigorifique. Nous traiterons ensuite la partie solaire de l’installation, productrice d’énergie calorifique nécessaire à la production frigorifique que nous aborderons en troisième partie.

II.1 Sous systèmes de distribution - Equipements de conditionnement d’air Nous allons dans cette partie, brièvement présenter les principaux terminaux utilisés dans des installations utilisant des groupes de production d’eau glacée. Les DEC (Desiccant Evaporative Cooling), comme nous le verrons, produisent directement de l’air conditionné, tout comme une centrale de traitement d’air conventionnelle. L’air traité sera donc fourni au local via un réseau de gaines et de bouches classiques. Les différents terminaux que l’on va voir maintenant permettent de distribuer la puissance frigorifique produite par les groupes de production d’eau glacée mais

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n’assurent pas le renouvellement d’air. Ce dernier devra être réalisé par d’autres moyens comme une VMC ou par les infiltrations naturelles du bâtiment. Ils sont alimentés par de l’eau glacée (en été pour le refroidissement des locaux) qui est produite par un groupe frigorifique. Ce dernier est traditionnellement à compression mécanique mais nous allons voir par la suite que cette production d’eau glacée peut être assurée par des groupes à absorption ou à adsorption utilisant l’énergie solaire comme source de chaleur nécessaire à leur fonctionnement.

II.1.1 Les ventilo-convecteurs Un radiateur traditionnel est alimenté par une eau à 50-70°C dans une ambiance à 21°. L'échange de chaleur s'effectue facilement grâce à un tel écart de température. Mais pour fournir du froid, on fait circuler de l'eau (dite "glacée") à 5-10°C dans une ambiance à 24° : l'écart de température devient trop faible pour fournir une bonne puissance frigorifique. On passe dès lors à un échange forcé : un ventilateur est ajouté et le radiateur est remplacé par une batterie d'échange. En pulsant de l'air sur l'échangeur, la puissance frigorifique est fortement augmentée mais le bruit envahit les locaux. Un ventilo-convecteur permet d’assurer le chauffage en hiver et le rafraîchissement en été grâce à sa batterie chaude et à sa batterie froide . Du fait de la ventilation forcée de l’air au travers de la batterie froide en été, l’échange par convection y est augmenté et permet d’obtenir un rafraîchissement tout à fait convenable au vu du faible écart de température entre l’eau circulant dans cette batterie froide (7-8°C) et l’ambiance à maintenir (24°C).

Il existe quatre grandes familles : Les ventilos "à 2 tubes réversibles" : ils ne disposent que d'un seul échangeur, alimenté alternativement en eau chaude en hiver, et en eau glacée en été. Mais un risque de perte d'énergie apparaît par mélange entre eau froide et eau chaude si la zone neutre est trop faible (voir régulation des ventilos). Les ventilos "à 4 tubes" : ils disposent de deux échangeurs, pouvant être connectés en permanence soit au réseau d'eau chaude, soit à celui d'eau glacée.La taille (le nombre de rangs) de l'échangeur de froid est plus élevé que celui de la batterie chaude, suite au delta T° plus faible sous lequel travaille la batterie froide. On dit que "le pincement" est plus faible entre T°eau et T°air dans l'échangeur. Les ventilos "à 2 tubes - 2 fils" : pour diminuer les coûts d'installation, on ne prévoit que le réseau d'alimentation en eau glacée. Pour assurer le chauffage d'hiver, une

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résistance électrique d'appoint est prévue (le ventilateur pulse l'air du local au travers de la résistance, comme dans le cas d'un convecteur électrique direct).Mais le prix du kWh électrique étant nettement plus élevé que le kWh thermique, les coûts d'exploitation seront importants... Les ventilos "2 tubes réversibles + 2 fils" : Ce dernier système peut être utilisé en fonctionnement deux tubes (c’est à dire eau glacée en été, eau chaude en hiver), la résistance électrique sert alors uniquement en résistance d'appoint en mi-saison.

Les ventilo-convecteurs assurent la distribution de puissance frigorifique mais pas, le renouvellement d’air neuf hygiénique. Ce dernier peut être assuré par les infiltrations naturelles ou par une VMC.

II.1.2 Les éjecto-convecteurs L'éjecto-convecteur est très semblable au ventilo-convecteur. Comme lui, il suppose deux réseaux distincts : - un réseau d'eau pour apporter chaleur et froid au local, - un réseau d'air pour assurer la pulsion minimale d'air neuf hygiénique. Ces deux apports se combinent astucieusement dans l'éjecto : l'air neuf pulsé à haute vitesse va induire le passage d'air secondaire dans les batteries d'eau chaude et d'eau glacée. Et c'est là qu'une différence apparaît : le ventilo prévoit que l'air du local qui traverse les batteries soit pulsé par un ventilateur, alors que dans l'éjecto, c'est l'effet d'induction qui sera le moteur. L'air neuf pulsé entraîne de 2 à 5,5 fois son débit d'air ambiant au travers des batteries de chaud et de froid... Si ce système a eu son heure de gloire dans les années 70 pour la climatisation des grands bureaux, il s'installe rarement aujourd'hui en allège. Par contre, il revient à la mode actuellement sous la forme de poutres froides insérée dans le faux plafond.

II.1.3 Les plafonds rayonnants froids L’eau circulant dans ces plafonds est d’environ 16°C, pour ne pas atteindre le point de rosée et ainsi générer de la condensation sur les panneaux. La puissance frigorifique nécessaire à la production de l’eau froide les alimentant est beaucoup plus faible que pour produire une eau à 7°C alimentant une batterie froide de centrale de traitement d’air conventionnelle. Ils sont adaptés aux régions à faible besoin de froid tel que la Belgique ou le Danemark où ils sont très développés. Les occupants recevront une composante de rayonnement froid (en réalité, ils émettront de la chaleur vers ce plafond), et l'air du local sera lui aussi refroidi.

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Ces systèmes ont beaucoup de qualités (absence de bruit et de courants d'air, encombrement nul, faible consommation énergétique,... ) mais aussi un gros défaut : une puissance frigorifique limitée (60 à 120 W/m²).

II.1.4 Les poutres froides Les poutres froides font partie des équipements de refroidissement des locaux.

Il s'agit de tuyauteries parcourues par de l'eau glacée, serties d'ailettes pour favoriser l'échange convectif. Elles sont placées au plafond ou intégrées dans le faux plafond. On distingue les poutres "actives" ou "dynamiques" (effet d'induction créé par l'air neuf) des poutres "passives" (convection naturelle uniquement). Cet échangeur travaille sous un faible écart de température, suite à la condition de non condensation. Sa puissance frigorifique varie selon la largeur de la poutre, la présence d'induction, l'écart de température,... Cette technique s'adapte à la construction nouvelle, mais aussi en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d'air volumineux. La poutre froide convective se présente sous la forme d'un échangeur de grande longueur. Il est placé nu ou habillé pour être intégré à un faux plafond. Les poutres sont parcourues par de l'eau qui varie entre 15 et 19°C selon les besoins de refroidissement. On ne peut descendre plus bas suite au risque de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'ambiance.

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Exemple de poutre active : L'air neuf hygiénique est injecté par des petites tuyères, créant un appel d'air secondaire venant du local. La convection dans l'échangeur est ainsi renforcée.

Exemple de poutre passive : Il s'agit d'un échangeur travaillant par simple convection naturelle : l'air chaud du local monte, arrive au dessus de la poutre, traverse l'échangeur, se refroidit et redescend, puisque plus lourd...

II.1.5 Les planchers rafraîchissants Le principe consiste à faire circuler dans la dalle, un serpentin dans lequel transite l'eau froide. C'est un système peu coûteux à l'investissement (car directement inclus lors de la construction de la dalle). La puissance frigorifique est faible (60 W/m²). Avantages : il est possible de réaliser un stockage nocturne de frigories dans la dalle ! Cette technique présente dès lors les avantages du système de stockage frigorifique dans des bâches d'eau glacée (production de frigories au prix du kWh de nuit, diminution de la puissance frigorifique installée, ...) Inconvénients : l'inertie du système rend la régulation très difficile... Y aura-t-il du soleil demain ? Faut il enclencher le refroidissement cette nuit ? De plus, la décharge du froid est indépendante des besoins réels. La température ambiante du local varie dans la journée en fonction des charges du local.

II.1.6 Les batteries froides à eau glacée On peut également imaginer que l’eau glacée produite par le groupe frigorifique puisse alimenter la batterie froide d’une centrale de traitement d’air conventionnelle. L’air ainsi traité sera directement soufflé dans le local.

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Réfrigération par circuit d'eau glacée

II.2 Systèmes de production de chaleur/Partie solaire de l’installation II.2.1 Les capteurs solaires Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre aux différents besoins. Il faut choisir le type de capteurs qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire « travailler ». Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en oeuvre sont évoluées et plus les coûts de production sont élevés.

II.2.1.1 Les capteurs solaires thermiques plans Ce type de capteur se présente sous forme de caissons de différentes dimensions ou sous forme d’éléments séparés à intégrer directement dans l’architecture des bâtiments. Les surfaces mises en oeuvre vont de quelques mètres carrés pour les chauffe-eau solaires individuels à plusieurs centaines de mètres carrés pour les installations collectives. Le marché du capteur plan vitré en France est de l’ordre de 30000 m²/an (métropole + dom tom), ce qui est relativement peu par rapport à nos voisins allemands (400 000 m²/an).

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L’absorbeur Pour améliorer le rendement des capteurs, les absorbeurs sont recouverts d’un revêtement sélectif. Ces revêtements sont de couleur noire afin d’absorber le rayonnement solaire au maximum (coefficient d’absorption proche de 1) et leur état de surface est tel qu’ils piègent les rayonnements infra-rouges qui sont émis lors de l’échauffement. Le coefficient d’émissivité est alors beaucoup plus faible que pour une peinture noire classique, et le rendement du capteur est nettement meilleur. Le vitrage Le vitrage a pour fonction de laisser passer le maximum du rayonnement solaire et d’éviter les déperditions de chaleur vers l’extérieur lors de la montée en température de l’absorbeur. Le verre reste le matériau de prédilection. Il peut cependant subir des transformations afin d’améliorer ses qualités. Le verre trempé a une très bonne résistance aux chocs (chute de grêle). L’ajout de couches d’oxydes métalliques permet d’obtenir des verres sélectifs qui retiennent d’autant mieux les infra-rouges (effet de serre). Il est possible d’obtenir des verres à haute transmission énergétique (t = 0,92) en éliminant la plupart des oxydes de fer lui donnant sa couleur verte. On utilise aussi des

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verres polis ou prismés qui réfléchissent moins les rayonnements dont les angles d’incidences sont supérieurs à 45°. Principe de fonctionnement

Une partie du rayonnement qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l’absorbeur. Ce dernier s’échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes. Comme tout corps qui s’échauffe, l’absorbeur émet un rayonnement (en grande partie dans les infra-rouges) qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant. L’isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l’extérieur. En effet, le maximum d’énergie doit être transmis au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l’environnement proche. Performances La puissance utile Eu que l’on peut récupérer d’un capteur solaire dépend de nombreux paramètres, à savoir : · les paramètres extérieurs ES : l’irradiation solaire incidente sur le plan du capteur (W/m²) Tm : la température moyenne du capteur (approximée à la moyenne entre les températures d’entrée et de sortie du fluide) (en °C). Te : la température extérieure (en °C) · les paramètres définissant le capteur : β : le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l’ensoleillement absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident sur le vitrage. K : le coefficient de déperditions thermiques (W/°C) La puissance utile est donc égale à la partie de l’irradiation incidente traversant le vitrage et tombant sur l’absorbeur moins les déperditions thermiques (proportionnelles à l’écart de températures entre le capteur et l’ambiance). Eu = βES - K (Tm - Te)

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Le rendement du capteur η à un instant donné, c’est à dire le rapport entre la puissance utile Eu et l’irradiation incidente Es : η = β - K(Tm – Te)/ES On peut donc, s’il on connaît les valeurs b et K du capteur, tracer la courbe de rendement caractéristique d’un capteur en fonction de l’ensoleillement et de la température de fonctionnement. Ces valeurs sont déterminées à la suite de tests effectués sur des échantillons de capteurs. Courbe de rendement

Pour un ensoleillement donné, plus le capteur fonctionne à une température faible, meilleur est son rendement. Le rendement global d’une installation sera donc d’autant meilleur que la température « demandée » au capteur sera faible. Si l’ensoleillement diminue, le rendement diminue. Si l’écart de température augmente, le rendement diminue.

II.2.1.2 Les capteurs solaires thermiques à air

Le principe de fonctionnement est le même mis à part qu’il n’y a pas de pompe de circulation mais des ventilateurs permettant de faire circuler l’air. Ces capteurs représentent 1 à 2% de la vente totale de capteurs thermiques en Europe. Ces capteurs ne peuvent pas être utiliser pour produire de l’eau chaude sanitaire.

Ils sont principalement utilisés pour les chauffage des locaux. Ces capteurs peuvent être utilisés également, comme nous allons le voir dans les installations de Desiccant cooling.

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Les principaux avantages de ces capteurs sont : - l’absence de risque de gel en hiver - L’absence de surchauffe en été - Leur simplicité. Les principaux inconvénients sont : - la consommation électrique des ventilateurs qui est plus importante que celle des pompes pour des capteurs liquides - L’efficacité d’u tel capteur est moins bonne que celle d’un capteur à eau - Il n’existe pas de stockage adapté

II.2.1.3 Les capteurs solaires thermiques sousvide

Un capteur solaire "sous vide" est composé d'une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm. de diamètre. Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l'énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur et l'absorbeur reçoit un traitement sélectif pour empêcher le rayonnement. Ainsi, on peut réaliser des capteurs solaires performants sans isolation thermique rapportée ou caisson de protection.

Pour être efficace le vide doit être poussé < 10-3 Pa. Un tube devient inutile s'il n'est pas totalement hermétique et il faut le changer pour préserver la performance de l'ensemble du capteur. Afin de visualiser cette éventualité, les tubes sont munis d'un témoin (getter) en baryum, qui dépose une couche métallisée sur l'intérieur du tube pendant la fabrication. Cette couche argentée de baryum devient blanc en contact avec l'air et ainsi sert de témoin à la perte de vide.

Le bout du tube est argenté si le vide est effectif, si non il devient blanc

La conception de l'absorbeur et les tuyaux de circulation du fluide caloporteur sont comme un capteur plan. L'ensemble est suffisamment étroit pour être glissé à l'intérieur d'un tube en verre. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé hermétiquement. Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre/métal nécessaires pour la circulation du fluide caloporteur.

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Le capteur "Cortec" fabriqué en France par Giordano et le capteur "Vitosol 200" distribué par Viessmann sont des exemples.

A surface d'absorbeur égale, le rendement est généralement meilleur que celui d'un capteur plan, surtout à des températures élevées (>60°C).

Le capteur à tube sous vide à circulation directe Comme son nom l’indique, c’est le même fluide qui passe dans le tube sous vide et qu va jusque dans l’échangeur du ballon de stockage.

Le capteur à tube sous vide à "Caloduc" La différence avec le capteur à circulation directe est que l'échange de chaleur a lieu suivant un mécanisme naturel d'évaporation et de condensation d'un fluide. Cet instrument d'échange thermique est appelé un caloduc. Le caloduc est en contact avec l'absorbeur, il permet de transmettre la chaleur captée hors du tube pour chauffer un fluide dans le collecteur.. Il y a toujours une liaison verre/métal hermétique entre le tube sous vide et le passage du caloduc, mais la liaison entre le tube et le collecteur est à sec. Ainsi, les tubes peuvent être fixés au collecteur après son installation et dans le pire des cas, un tube cassé peut être remplacé sans déposer le restant du capteur. Par contre, les tubes doivent être inclinés afin de permettre la thermocirculation du fluide dans le caloduc. Schéma de fonctionnement du capteur sous vide à caloduc et sa liaison avec le collecteur d'après la documentation Thermomax

1. Collecteur isolé à l'intérieur de l'enveloppe de protection 2. Condenseur du caloduc 3. Circulation de l'eau dans le collecteur 4. Tube acier étanche 5. Absorbeur 6. Liquide descendant 7. Vapeur montante 8. Tube de verre sous-vide

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II.2.2 Systèmes de production de chaleur d’appoint Dans le cadre de la climatisation solaire, le système de production de chaleur d’appoint a pour but d’assurer l’apport calorifique manquant pour la production de froid lorsque ceci est nécessaire. C’est à dire quand les apports solaires ne sont pas suffisants, par temps couvert mais chaud par exemple. Ces appoints peuvent servir également en hiver pour le chauffage des locaux lorsque les apports solaires ne sont pas suffisants pour assurer cette fonction. Ils existe de nombreuses sources de chaleur pouvant assurer l’appoint de chaleur. On peut recenser : -

-

Chaudière au fioul, au gaz, au bois Réseau de chaleur urbain Centrale de cogénération Résistance électrique

II.2.3 Le ballon de stockage d’eau chaude Un ballon de stockage d’eau chaude a 2 apports calorifiques : -

L’apport solaire provenant des capteurs L’apport provenant de l’appoint quand celui-ci est intégré

Il existe 2 possibilités pour connecter l’apport solaire au ballon : -

Il peut y avoir un échangeur interne au ballon, a ce moment là, l’eau chaude solaire transfert sa chaleur via cet échangeur directement à l’eau du ballon pour les petites surfaces de capteurs (