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Climatisation très basse consommation et dalle active

Par Jacques ORTOLAS - Ingénieur conseil en génie thermique

Une climatisation très basse consommation ne peut se décréter : elle se conçoit globalement en « protégeant » le bâti, en tenant compte des capacités thermiques telle l'inertie des matériaux, et en utilisant les énergies renouvelables. Les concepts de dalle active et de free-shilling permettent d'obtenir des résultats de très basse consommation avec une haute qualité « globale » de confort (qualité d'air, absence de bruit, pas d'entretien dans les pièces occupées, ...).

1°/ Concept de climatisation de bureaux BBC

dalle active isocore La RT 2012, applicable pour le tertiaire dès cette année 2011 limite considérablement les consommations d'énergie du bâtiment, poste « climatisation » compris ! Comment concevoir des bureaux économiquement viables à l'investissement, respectant la RT 2012, voire présentant un bilan d'exploitation global appréciable pour le gestionnaire du patrimoine, et présentant un niveau de confort global des plus qualitatifs ?

Cette équation possède une solution avec le principe de climatisation de la dalle active appliqué à un bâti « protégé » des charges externes.
Rappelons que la conception de bureaux BBC ne peut admettre le principe qui apparait désormais absurde, de capter les charges externes (ensoleillement) pour les combattre avec une climatisation dimensionnée pour cela ! Le principe « je capte les charges » et « je consomme de l'énergie » est révolu. La RT 2012 est là pour brider d'autres intentions et la dépense énergétique qui se traduit en dépenses n'intéresse plus personne.

Par conséquent, le bâtiment de bureaux BBC est par principe « protégé » ; protégé le plus souvent de l'extérieur avec une isolation extérieure « manteau » éliminant les fuites thermiques (ponts thermiques), protégé de l'ensoleillement direct avec des masques et stores extérieurs (pas intérieurs !), protégé avec des vitrages à très fort facteur solaire,… de sorte que la climatisation de BBC n'a pratiquement à combattre que les charges internes : éclairage, connectique, occupation….

L'éclairage peut être optimisé en termes de charges et de consommation avec des luminaires basse consommation ou des LED, la connectique peut être optimisée notamment au niveau des mises en veille et des extinctions. Quant à l'occupation des personnes, elle demeure le seul poste à gérer avec tout de même une optimisation efficace. C'est le cas de salles de réunion ou de conférence où la climatisation « douce » avec dalle active sera insuffisante et où il faudra faire appel à des systèmes de climatisation dynamiques à ventilation forcée (Ventilo-convecteur ou CTA) apportant la puissance, …. PONCTUELLEMENT dans le temps !

2°/ Exploitation de l'inertie des dalles avec la dalle active et utilisation des énergies gratuites

Avec un bâti « protégé », les charges de climatisation sont très réduites. Il est alors possible de traiter le confort d'été avec un rafraîchissement doux utilisant l'inertie froide des dalles béton de sol. Le système de la dalle active est simple. Les planchers sont rendus actifs et l'inertie du béton est utilisée comme réservoir énergétique, Du fait de sa capacité massique, le sol béton peut transmettre un rafraîchissement doux ainsi qu'un chauffage, selon la saison, à partir de tubes serpentins judicieusement disposés et irrigués par une eau à température tempérée autour de 16°C.

Principe de fonctionnement de la dalle active

Principe de la dalle active isocore

Ainsi cette eau tempérée peut être produite par l'exploitation directe d'une énergie gratuite et renouvelable comme l'eau de nappe, l'eau de mer via échangeur, l'eau transitant via des sondes géothermiques, ……

Par ailleurs, l'eau « tempérée » peut également provenir de systèmes de refroidissement sans compresseur, tels que les aéroréfrigérants, complété par des groupes frigorifiques d'appoint. C'est le principe de free-chilling présenté dans le schéma ci-dessous. La machine frigorifique travaillera ponctuellement et dans tous les cas avec un rendement EER élevé du fait des régimes de températures. L'appel à des pointes de puissances notamment pour des besoins soit saisonniers soit ponctuels (salle de réunion à forte occupation) peut également faire l'objet d'une conception décentralisée avec des groupes à détente directe relié à des terminaux dynamiques.

Un principe de free-chilling

Principe de free-chilling

L'eau glacée à 15° passe d'abord par un aéroréfrigérant avant de recevoir un éventuel complément frigorifique par un groupe à compresseur (périodes de pointe).

3°/ Exemple de flux thermique de la dalle active

Exemple du flux thermique et puissances en rafraîchissement et chauffage

Rafraîchissement Chauffant Rafraîchissant
entre 8H et 18H
Température Ambiante 26° C Température Ambiante 20° C Température Ambiante 26° C
Température départ fluide 18°C Température départ fluide 28°C Température départ fluide 18°C
Résistance thermique revêtement qPl W/m² Plafond qSol W/m² Sol qtot W/m² qPl W/m² Plafond qSol W/m² Sol qtot W/m² qPl W/m² Plafond qSol W/m² Sol qtot W/m²
0,0 - 44,9 - 23,1 - 68 32,9 29,7 62,6 - 25,8 - 18,4 - 44,2
0,3 - 47,5 - 11 - 58,5 35,5 12,6 48,1 - 28,1 - 8,2 - 36,3

Schéma dalle active





Courbes de températures en été

Courbes de températures en été

source ROTH

Même avec une température extérieure de 32°C, la température intérieure reste admissible (27°C) du fait de l'écart 32-27 = 5°C. Sans système de rafraîchissement par dalle active, la température intérieure monterait à 42°C !

4°/ Chauffage et rafraîchissement combiné à la géothermie : l'exemple du centre berlinois des énergies – 18 500 m²

Principes fondamentaux du concept énergétique et écologiquePrincipes fondamentaux du concept énergétique et écologique :

  • Sonde géothermique utilisée pour le chauffage et la climatisation ainsi qu'en tant que réservoir géothermique
  • Semelles en béton servant de surfaces de chauffage et climatisation
  • Piles à combustible pour la production de chaleur et de courant
  • Aération contrôlée permettant de réduire les pertes de chaleur
  • Utilisation d'éléments holographiques pour l'éclairage de l'atrium.


Chauffage

Le besoin en chauffage de FORUM ENERGETIQUE de BERLIN est assuré, en majeure partie, par le chauffage urbain produit par la centrale BEWAG – l'une des plus modernes en Europe. Une pompe à chaleur électrique en lien avec des pieux énergétiques couvrent près de 25 % des besoins en chauffage. De l'eau circule dans les systèmes de tuyaux, intégrés dans les semelles en béton des bâtiments.
Ce système permet d'augmenter la température, en hiver, de 8 à 10 °C. Et, grâce à la pompe à chaleur, le chauffage atteint un niveau de température équivalent à 24-26°C environ grâce à l'eau circulant dans les tubes en plastique intégrés aux semelles en béton du bâtiment (activation de l'installation) utilisée ensuite comme système de chauffage intérieur.


Rafraîchissement

En été, les pieux énergétiques sont utilisés pour le rafraîchissement du bâtiment. Dans ce cas précis, l'eau est pompée par le biais des pieux énergétiques puis se refroidit et circule sans intervention supplémentaire (« Mode Free-Cooling ») au niveau du 4ème ou du 5ème sous-sol par rapport aux semelles en béton. Au niveau du 6ème sous-sol, elle récupère la chaleur afin de la refroidir ensuite dans l'ensemble de l'installation.
Lors des changements de saison, la terre sert de réservoir de chaleur ou de fraîcheur au bâtiment.

Parts des différents composants par rapport aux besoins globaux en chauffage

  Chaleur [MWh/a] Fraîcheur [MWh/a]
Chauffage urbain 579  
Piles à combustible 44  
Systèmes de pieux énergétiques 85 85
Pompe à chaleur 21  
Rafraîchissement à adsorption   25
Total des besoins 729 110

 Technique des pieux énergétiquesLa technique des pieux énergétiques dans le forum énergétique de Berlin permet l'utilisation des températures presque constantes des eaux souterraines et de la terre dans le cadre de la climatisation du bâtiment.

De plus, l'eau est transportée via 198 pieux enfouis dans le sol. Au début de l'été, la température de l'eau est d'environ 10°C, puis augmente lentement au cours de la saison.
L'eau circule dans les systèmes de tubes des coins de bureaux afin d'en assurer la climatisation.

Les besoins énergétiques de l'installation sont réduits aux performances des pompes, ce qui permet de diminuer les frais de fonctionnement. Avec des performances d'1 kW, il est possible d'obtenir jusqu'à 50 kW au niveau du bâtiment..

5°/ Economies d'énergie et économie d'installation

Pose de serpentins dalle active durant le chantier

 Pose de serpentins dalle active durant le chantier

Investissement : même si le concept demande une intégration dès la conception et de surcroît durant le chantier des tubes de dalle active, le système génère selon les informations une économie entre 10 et 20% du coût d'investissement par rapport à une climatisation classique à eau glacée. Le gain de pose et l'absence de tubes et d'émetteurs apparents rend l'intervention du chauffagiste plus présente lors de l'intervention gros-œuvre. En revanche, l'installateur échappe aux contraintes de coordination avec tous les lots techniques et secondaires, synthèse comprise !!

Exploitation : une installation de climatisation classique consomme une énergie d'une valeur d'environ 12 €/m².an. L'installation d'un système de dalle active est, selon nos informations, de l'ordre de 50% plus économique qu'une installation de climatisation classique.

Entretien : dans une installation de climatisation classique, les frais de maintenance atteignent le montant de l'investissement au bout de 7 ans. L'installation d'un système de dalle active nécessite peu d'entretien puisqu' aucun émetteur n'est visible ni à entretenir. De ce fait, les charges de maintenance du système global sont entre 3 et 4 fois élevées.

6°/ Rentabilité du programme de bureaux BBC avec dalle active

Bureaux BBCLa dalle active répond à des exigences de climatisation très basse consommation mais également à des critères de rentabilité de programme constructif. En effet, dans le cadre d’une conception de bureaux high-tech avec faux-plancher pour la connectique flexible, le faux-plafond n’est plus nécessaire puisque toute la câblerie courants forts et courants faibles se situe au sol en faux-plancher. Le faux-plafond serait du reste une contrainte et une barrière thermique à la bonne diffusion thermique de la masse béton qui doit rester nue. Eventuellement, et selon le cas de sécurité de l’immeuble, seule la détection incendie est à incorporer au plafond par des fourreaux dans la dalle. Quand à l’éclairage, il sera pris le parti d’un éclairage indirect alimenté par le faux-plancher avec des luminaires facilement déplaçables octroyant ainsi une « flexibilité » unique aux espaces de travail.

Mais ce n’est pas à ce niveau que se situe l’économie d’investissement. C’est au niveau du gain de place gagné par chaque hauteur de plénum de faux-plafond ; et ceci multiplié par le nombre de niveaux.

Exemple : un plénum de faux-plafond de 30 cm (faux-plafond compris) économisé permet de gagner un étage de construction de 3 mètres si l’immeuble de bureaux compte 10 niveaux !! Cela permet de densifier simplement un programme de bureaux sans augmentation de hauteur.

Fait par Jacques Ortolas
Consultant et ingénieur conseil en génie thermique, J. ORTOLAS s'est spécialisé depuis des années dans la recherche de solutions d'économies d'énergie et d'exploitation optimisée des installations.

→ SOURCES & LIENS

→ Conférences au Salon ENEO du 15 au 18 février 2011

Commentaires

  • didier
    14/01/2014

    Très beau sujet que la dalle active, mais quid des dalles alvéolaires qui permette de beaux espaces sans poteaux? Par ailleurs il ne faut pas négliger la place en plenum nécessaire au renouvellent d'air, donc les gains de 30cm par niveau sont à relativiser.

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