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Intégration des composants solaires thermiques actifs

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1. 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 aa sr N mM lt LO co N co O O m N o lt LO N co O O r y y N N N N N N N N N oO Jour Figure 7 34 Moyenne journali re des temp ratures de conduit Le graphique suivant permet de confirmer que l isolation du capteur gris est meilleure La temp rature de conduit moyenne du capteur gris en stagnation atteint 38 92 C sur la troisi me p riode de test il n a que 1 41 C d cart avec le capteur noir lui aussi en stagnation Figure 7 35 E s2 BTs4 M Ts6 105 00 100 60 100 00 95 00 90 00 85 00 80 00 75 00 Temp rature C 70 00 65 00 P riode 3 P riode 1 P riode 2 Figure 7 35 Moyenne des temp ratures de conduit sur chaque p riode 245 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Ainsi les d fauts du capteur gris au niveau de ses coefficients d absorption et d mission sont quasiment compens s par le fait que son enveloppe structurelle est mieux isol e Quant au capteur vert il est noter que sa temp rature de conduit moyenne en fonctionnement p riode 3 est tr s proche de sa temp rature de conduit moyenne en stagnation qui est de 35 2 C alors que pour les deux autres capteurs les temp ratures moyennes de conduit en stagnation sont largement sup
2. BO ty rit a J its Like 20 s IN IE IV LE Fiat 100 0 RES 17 9 RUE Ha 100 0 a0 1 TRES TRE Amt 100 0 a07 ra 0 70 9 Figure C 1 13 Pourcentage d nergie utile produite a Nice dans 3 saisons par rapport a l nergie utile d un capteur noir int gr pour une orientation Sud az 0 100 M ait el TO it z Te 1 _ar P re mm LIRE it s0 EE ee ae Wt IN IE IV LE 100 0 7 8 En TN 50 0 100 0 TEE 67 TAE 100 0 TEE 7AN Tuo Figure C 1 14 Pourcentage d nergie utile produite Nice dans 3 saisons par rapport a l nergie utile d un capteur noir int gr pour une orientation Ouest az 90 329 Annexe C Baia EIN lis 100 0 THin Ha bab ot l A 100 0 Tat TEE Amt MERE 11 5 100 0 e1 7 DE Figure C 1 15 Pourcentage d nergie utile produite a Nice dans 3 saisons par rapport l nergie utile d un capteur rouge int gr pour une orientation Sud az 0 Siit ek Le C imal IN IE IV LE ir ER LS assas ETE Witt 10 0 Hi 711 1782 1i1 0 W 5 7 10 0 Aout bBo 1 lil lt 127 9 Wait 10 0 Figure C 1 16 Pourcentage d nergie utile produite Nice dans 3 saisons par rapport a l nergie utile d un capteur vert int gr pour une orientation Sud az 0 330 Annexe C LE aj 5 dn fica 2 00 1a 56 F
3. Diminue 121 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Il s ensuit que les syst mes propos s pr sentent un co t d investissement toujours lev et ne r pondent toujours pas la demande en termes d esth tique et d int gration architecturale d o l effet boule de neige qui freine aujourd hui l exploitation de l nergie solaire thermique Figure 5 1 5 2 1 3 Les crit res environnementaux La d marche de gestion des projets constructifs visant obtenir une Haute Qualit Environnementale HQE conduit largir le champ de recherche des solutions les plus performantes en consid rant tous les stades de vie et tous les impacts du b timent Ces impacts concernent videmment les aspects nerg tiques consommations et missions associ es mais galement la consommation de mati res premi res les impacts sanitaires sur les professionnels et usagers des b timents la prise en compte des conforts d usage thermique acoustique olfactif lumineux la gestion des diff rents types de d chets l action sur le comportement des usagers 5 2 1 4 Les crit res architecturaux Il est primordial que le syst me solaire soit accept non seulement par les diff rents utilisateurs mais aussi par l architecte Celui ci se positionne en tant que ma tre d ceuvre de l acte de construire et homme de l art C est lui que revient la conception p
4. 300 he 250 2 Kg CO2 m de capteur on Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr Lyon Paris Nice Ath nes es D Stockholm Lisbonne Fuel domestique E Gaz naturel E lectricit Figure C 1 105 Poids de CO vit par le syst me solaire suivant l nergie de substitution dans chaque ville CO2 vit suivant l nergie substitu e 450 400 Re D ET E EN EE ER EIRE DE STE EN IT AT eed ee 350 _ 2 c 300 oO 250 T E 200 N O os 150 lt 100 50 0 p 2 2 D 2 2 2 ES P 2 a pro Oo D 5 v i oO 5 v i v 4 Oo 5 D O D oO D a D en O E N 2 N LE N D HE N 2 O u O uw O Ww O a TD TD D D capteur noir classique capteur noir int gr capteur gris int gr capteur vert int gr E Lyon E Paris m Nice O Ath nes E Berlin m Stockholm E Lisbonne Figure C 1 106 Poids de CO vit par chaque syst me solaire suivant l nergie de substitution 3
5. an 7 ep 159015207 4 94 UD SU D H ase O WEST O UESTHn aq EST D captenriolrchsskue Capteur oi R Ecapeirqre leqe capt Figure C 1 88 Pourcentages d nergie utile produite Paris avec diff rentes configurations par rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence 366 Annexe C 5 00 5 00 Ratio 4 00 3 00 0 00 Figure C 1 89 Coefficients de multiplication de la surface de captage a Paris avec diff rentes configurations Mice 2000 00 10000 00 8000 00 Kvn e000 00 000 00 2000 00 0 00 Figure C 1 90 Quantit s d nergie utile produite a Nice avec diff rentes configurations 367 Annexe C Hice 100 00 90 00 50 00 TO 60 00 50 00 SUD 2 Un A5 e o UEST O UESTHn aqi EST enraolrchasskpt e Mapte olr btgqe Ecapeirgqrk Wee Bcapt Figure C 1 91 Pourcentages d nergie utile produite a Nice avec diff rentes configurations par rapport a l nergie utile produite par le syst me r f rence 5 00 6 00 Ratio 4 00 3 00 0 00 Figure C 1 92 Coefficients de multiplication de la surface de captage a Nice avec diff rentes configurations 368 Annexe C Ath nes Ath nes SUD SUD Hn A5 OUEST O UESTHn asc le EST Doapterriolchasskye Capteur or tge Ecapeirqre leqe capt Figure C 1 94 Pourcentages d nergie utile produite Ath nes avec diff rentes configurations par rapport a l nergie utile
6. 3 sept sept 9sept 10sept 11sept 12sept 13sept 14sept 15sept 16sept 17sept Temps Figure C 2 34 Evolution des temp ratures dans les conduits du 07 au 17 septembre 392 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ext hi gl iyi Mi ha fh a A FAVAGANNGNE A WAGAGN Ge HAY AZT KA ee a ee sept Ssept 9sept 10sept 11sept 12sept 13sept 14sept 15sept 16sept 17sept Temps Figure C 2 35 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 07 au 17 septembre Temp ratures de structure T lame_air T verre int T store Tamb ext C L BIS ISSN IE Li RES CR ES LE CS j CR ct nu 1 Hi i a y h ES OS CS J Te es HP IN LE ni Si yp Re ui be SE TN s j an gt ML P k CR F JE Te D SET es aN y J bs 1 hana ri UN LA pr a w f y i KA j L k y an i fl Y I j Figure C 2 36 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 07 au 17 septembre 393 Annexe C C 2 7 R sultats de mesures du capteur Gris du 18 septembre au 17 octobre 2005 Eclairement nerg tique horizontal global lg Win A A hm A EL AU A Figure C 2 37 Eclairement nerg tique horizontal global du 18 septembre au 17 octobre aux GAIA f sent 195ept 20sept 21 sept 22 sent 23sent 24sent 2osent zsent 2 sept zaent 2958 30 sept Ofacta oo docto Obact OFacta Ci
7. On appr ciera que le syst me combine d autres fonctions que les fonctions thermiques premi res il n en sera que plus int gr au b timent La fonction d isolation acoustique se r f re la qualit et au confort acoustiques en termes d isolation et de correction acoustique On pourra ainsi appr cier les mat riaux acoustiquement absorbants La fonction d isolation thermique permet d accro tre le confort des usagers et de r duire les consommations d nergie de chauffage Elle est en outre b n fique pour l environnement dans la mesure o elle favorise la diminution des missions de polluants Elle est valu e suivant le placement de l isolant la mise en uvre de rupteurs des ponts thermiques et la contribution de l l ment la protection du b timent des influences thermiques ext rieures C est ainsi qu un capteur plat pourra jouer le r le d une enveloppe thermique et donc assurer une isolation thermique du b timent L isolation thermique s avere donc tre int ressante en termes pratiques conomiques et environnementaux La fonction structurelle correspond l appartenance du syst me l ossature du b timent Un syst me assurera donc une fonction structurelle d s lors qu il sera int gr un l ment de fondations de murs porteurs poteaux charpentes etc et qu il contribuera soutenir le b timent ou lui donner sa rigidit La s
8. T lame_air T verre_int T store Tamb_exi A A TT CO HT BR T0000 TTT TON EE RON A TE Figure C 2 42 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 18 septembre au 17 octobre 396 FOLIO ADMINISTRATIF NOM SALEM DATE de SOUTENANCE 19 janvier 2007 Pr noms Talal TITRE Int gration des composants solaires thermiques actifs dans la structure b tie NATURE Doctorat Num ro d ordre 2007 ISAL 0006 Ecole doctorale M canique nerg tique G nie Civil Acoustique MEGA Sp cialit G nie Civil Cote B IU Lyon T 50 210 19 et bis CLASSE RESUME L int r t grandissant dans l nergie solaire r side dans le fait qu elle est une source in puisable d approvisionnement en nergie et son usage ne produit ni mission de polluants ni d chets Pendant les trente derni res ann es les quipements solaires thermiques ont gagn en qualit et en durabilit mais leur utilisation dans le b timent demeure frein e consid rablement par une contrainte majeure leur int gration dans l architecture du b timent L objectif de notre tude est double d une part conduire une analyse prospective destin e identifier des pistes d innovation dans l int gration architecturale des syst mes solaires thermiques actifs et d autre part d velopper un outil num rique qui permet de calculer la performance nerg tique des quipements solaires int gr s et l i
9. decaouichouc 1 Ji Montant a Coupe verticale L Lo cale TEE _ traverse capot es joint 4 t i raverse de caoutchouc H TTi reer support remplissage EE H a SS d cal Vitr ou opaque ae vissage vitr Fe T ag VIS de samage F E Coupe horizontale Figure 3 14 D tail d une fa ade VEP Architectural Systems o Les fa ades VEC sont des fa ades d aspect lisse dans lesquelles la fixation du mat riau sur son support est assur e par collage Le r le du collage est pr pond rant puisqu il transmet l ossature les efforts subis par les l ments de remplissage poids propre effet du vent o Les fa ades VEA font appel a un dispositif de fixation m canique afin d assurer le maintien en place des vitrages Pi ces inoxydables fix es sur une ossature secondaire L agrafe m tallique est plac e chaque angle et est 79 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent maintenue l ossature par une attache qui peut tre munie d une rotule et d une douille coulissante Les fa ades panneaux La fa ade panneau est une fa ade l g re ins r e entre deux planchers directement superpos s Elle s ins re dans la structure porteuse du b timent de telle sorte que la paroi ext rieure est interrompue par la structure verticale murs de refend ou poteau Elle est g n ralement compos e d un ou de plusieurs ch ssis vitr s ouvrants ou fixes d un
10. partir d une tude de l ensemble des facteurs et de leurs interrelations C est une d marche qui int gre la dimension du temps long pass et venir Dans tout syst me coexistent des variables empreintes d une grande inertie par exemple la disponibilit des mat riaux avec d autres dont les variations interviennent sur des chelles de temps de plus en plus courtes par exemple l innovation technologique Seule l analyse sur une longue p riode permet d liminer les effets de p riode et d appr hender la dynamique profonde des syst mes et d analyser les ressorts profonds de l volution En effet sur le moyen et le long terme on r cup re suffisamment de libert de man uvre pour engager de r elles transformations C est une d marche qui int gre les ruptures Au lieu de postuler la permanence du changement demain differera d aujourd hui exactement comme aujourd hui diff re d hier elle s efforce de tenir compte des ph nom nes de discontinuit et de rupture subies ou voulues r sultant de facteurs aussi divers que les effets de seuil par exemple saturation d un march l irruption d innovations de toutes natures et d acteurs briseurs d habitudes et la volont humaine de modifier les r gles du jeu 5 2 laboration d une grille d analyse La premi re tape du d veloppement de notre m thode prospective a consist identifier et organiser les e
11. 10 5 20 Parpaing Isolant Lame d air Bloc de pierre cE Joint tanche gt La l Store gt l OEN a PP a a l l i a a all Capteur plan gt FFF FE Bande gt Figure 5 14 Proposition finale pour le mur ma onnerie de type III 157 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 5 3 2 Am lioration de l int gration dans l all ge de fen tre M me si l valuation a montr que la qualit d int gration de capteur dans l all ge de fen tre est globalement bonne et satisfaisante elle pourra tre am lior e par modification de la multifonctionnalit Nmuitifonctionnalit 1 658 en ajoutant des dispositifs n cessaires la s curit des usagers qui peuvent acc der l all ge depuis la fen tre Nous pourrons ainsi soit int grer un dispositif en rebord filaire ou en caillebotis soit en recommandant une disposition du capteur plus bas dans l all ge Figure 5 15 Toutefois ce dispositif risque de modifier l g rement la performance thermique du capteur en cr ant une petite zone d ombrage ou en diminuant la surface de captage pour avoir une distance de s curit Quant l aspect esth tique de cette solution il est toujours respect Rebord F LE oa ie j Rebord p caillebotis PT fe filaire LE rent i Peu PA x x 7 L nh a 4 J y Roc era oer LE A Ta aT LT UNE i T 4 a Figure 5 15 Pr
12. Figure C 1 45 Quantit s d nergie utile en F vrier pour une orientation Sud az 0 Energie kWh O B00 00 PT 00 200 100 rad i IN Bris 5 60 Hye 4 221 Lyon 1 02 Bye 9 65 Ho 1 Hea 5 29 HH 1 20 H IE amp eSB EN PGI 45 TB LE 4 60 By 1 sob l 8 79 By 1 Figure C 1 46 Quantit s d nergie utile en Mai pour une orientation Sud az 0 345 Annexe C Ens ge kWh i bog 500 00 Sih 200 li f PES z JR i W r E C Sirul IN IE LY LE LHH 1 27 8402 10 THY amp 50401 24184 1 5 99 Bye 148402 102402 LiOH a E 1 amp 81EH0 1 64 5402 149402 1 Ep LE By Figure C 1 47 Quantit s d nergie utile en Ao t pour une orientation Sud az 0 Cita OO IN IE IV IE 100 0 15 1 4h RL Bot 100 0 ut AE Lok 1 0 100 0 a5 8 ty 18 5 15 5 13 7 Figure C 1 48 Pourcentage d nergie utile produite en F vrier par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Ouest az 90 346 Annexe C Chim Ii IE Iv TE Toi TRES TEEN 14 14 u2 14 54 Te TRES a Tt FEEN 16 8 158 Thes 100 0 aLi ath 115 18 5 Figure C 1 49 Pourcentage d nergie utile produite en Mai par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Ouest az 90 Th I F oo Es m LE E r rt F i r 4
13. L absorbeur est en g n ral une plaque m tallique en cuivre en aluminium ou en acier caract ristique par ses propri t s d absorption et de conduction de la chaleur La conversion rayonnement chaleur s effectue en surface de l absorbeur Les photons qui le frappent sont absorb s par la mati re et augmentent l agitation des mol cules donc la temp rature du mat riau expos au rayonnement La chaleur absorb e est ensuite distribu e vers les conduits d eau ou d air fix s sur la plaque d absorbeur La capacit d absorption de la chaleur varie en fonction de rev tement de la surface ext rieure du capteur Des couches s lectives sont g n ralement utilis es Elles ont l avantage d avoir une missivit consid rablement r duite 50 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent dans le champ des longueurs d onde du rayonnement thermique ce qui diminue les d perditions thermiques fr Eau ou air chaud Rayonnement solaire Absorbeur Vitrage Val Eau ou air froid Isolant Figure 2 8 Coupe d un capteur solaire thermique plan La performance et la dur e de vie d un capteur d pendent toutefois de la qualit de la r alisation et de son installation sch ma hydraulique r gulation Les capteurs commercialis s actuellement sont le r sultat d une longue mise au point L tanch it entre le vitrage et le coffre la liaison thermique
14. PRA Bandeau Figure 4 1 Proposition d int gration pour le mur ma onnerie de type III Initiales sans int gration Finales avec int gration Etanch it eau Blocs de pierre Capteurs et blocs de pierre Joints tanches Isolation thermique Laine de roche int rieure Laine de roche int rieure Isolation acoustique Parpaing et laine de roche int rieure Parpaing et laine de roche int rieure Capteurs et blocs de pierre Isolation vent lat ral Joints tanches Tableau 4 1 Comparaison des fonctions initiales et finales du mur en ma onnerie de type III Ainsi les capteurs ins r s devraient assurer les fonctions principales d isolation et d tanch it Un joint tanche devrait tre plac entre les capteurs si plac s c te c te ou entre les capteurs et les blocs de pierre Ce type d int gration permettrait de cr er une multitude de composition architecturale du dessin de la fa ade Figure 4 2 Composition al atoire Composition verticale Figure 4 2 Exemples d int gration pour le mur en ma onnerie du type III 108 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 4 2 Bardage acier simple Le bardage simple peau est employ dans la construction des hangars ou des entrep ts qui ne n cessitent aucune isolation thermique ou acoustique Il peut cependant servir rev tir un mur ma onn ou une isolation ext rieure avec l interposition d une lame d air per
15. l chelle r elle d un syst me solaire de production d eau chaude ayant des capteurs int gr s dans la fa ade d un b timent experimental permet non seulement d tudier le comportement r el de capteurs solaires int gr s mais aussi de pouvoir confronter les r sultats des simulations num riques et les mesures exp rimentales et valuer la capacit du mod le num rique d velopp d crire le comportement thermique de tels composants Mots cl s Solaire thermique Int gration architecturale Proc d s constructifs Prospective Mod lisation Exp rimentation Abstract Nowadays solar energy shows a growing interest as it presents a clean renewable source of energy besides it is pollution free during use During the past thirty years thermal solar equipments have been subject to many enhancements but their use in buildings is still restrained by a major constraint their integration in the building architecture This thesis presents two main objectives on the one hand to conduct a prospective analysis in order to identify possible innovative ways for the architectural integration of active thermal solar systems on the other hand to develop a numerical tool that enables the calculation of the energy performance of integrated solar equipments and its impact on the indoor environment of buildings At the first time we have defined the principles of integration through the analysis of the probl
16. 0 0 0 E 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 3 0 2 0 0 3 0 0 25 Dur e de vie 0 o fo fo jo fo f2 Jo fo 1 fo 1 o Jo jo jo Jo o jo 2 fo o o jo f Jo Jo 26 Facilit de d construction o o jo j o o fo jo jo o jo o Jo o jo jo Jo Jo jo jo fo o fo jo fo 0 2 27 S parabilit des mat riaux 0 l 0 10 10 10 0 JO JO JO l 0 10 10 10 JO IO JO JO JO JO l3 2 10 JO J3 0 28 Disponibilit des mat riaux o 2 3 fo o fo o fo o jo o jo o jo o fo Jo Jo 1 fo o fs o o Jo o fo 29 Co t des mat riaux 0 1O 12 10 0 JO 12 l 0 10 10 10 10 JO 10 10 10 10 0 JO 10 10 JO 10 JO JO JO 30 Impact env des mat riaux 0 o jo jo o o fo jo jo o jo o Jo o jo jo Jo o jo jo fo o fo jo 2 o Jo 31 Co t de la fabrication ft f2 0 jo fo fo fo fo o jo jo o o Jo o o fo f1 fo Jo fo jo fo fo fo fo a 32 Impact env de la fabrication 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 S 33 Co t de l installation o jo o o fo jo 2 o o jo Jo jo o Jo fo jo Jo fo i Jo Jo jo fo o o jo jo E 34 Impact env de l installation 0 10 10 JO JO JO 10 10 JO JO JO 0 10 JO JO 10 jO JO JO JO JO 10 JO JO JO JO JO f 35 Acceptation 0 o j1 fo o o f1 fo 1 2 fo o Jo o jo jo Jo o jo jo fo o fo jo fo o o 36 Confort thermique 0 jo jo fo o fo jo fo o o fo fo Jo o jo fo Jo o jo jo o Jo fo jo fo Jo o S 37 Co t de l exploitation 0 10 10 10 10 10 12 10 JO jO 10 JO 10 10 10 10 10 10 10 JJO JO JO
17. 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage Notes 2 Observations Nous utiliserons 1c1 des mat riaux performants afin d optimiser le rendement sachant que celui ci ne sera pas optimum position verticale du capteur R alisation simple El ment pr fabriqu El ment totalement pr fabriqu El ments visser et clipser sur place sur la ma onnerie Capteurs verticaux donc le rendement n est pas optimum Surface adapt e en fonction des besoins Possibilit d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d eau chaude sanitaire Remplacement d un panneau de pierre par d montage puisque ceux ci sont viss s ou clips s sur la ma onnerie L ajout du capteur ne cr e pas une surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage pouvant tre l g rement s rigraphi s ou grav s s appuyant sur la trame des l ments alentours Taille des panneaux ajustable en fonction des besoins hauteur ou largeur au gr s de l envie de l architecte afin qu ils puissent s harmoniser avec les panneaux en pierre alentou
18. 20 13 juil 14 juil 15 juil 16 juil 17 juil 18 juil Figure 7 37 Evolution de la temp rature de surface du caisson gris avec les temp ratures ambiantes Cette analyse est importante quant la faisabilit d un produit qui ne devrait pas cr er des risques de br lures pour un usager occupant l int rieur du b timent et qui pourra ventuellement avoir acc s la face arri re du composant solaire En plus elle peut servir d terminer l impact de l int gration sur le climat int rieur de la zone derri re le capteur 7 8 4 Temp rature de ballon L analyse des graphiques concernant les temp ratures de ballon met en exergue plusieurs ph nom nes Tout d abord lorsque les conditions climatiques sont correctes comme les 15 16 et 17 juillet 2005 le maximum atteint en fin de journ e par la sonde Tb1 augmente chaque jour Il est en effet de 49 2 C le 15 de 52 6 C le 16 et de 55 4 C le 17 Par contre les mauvaises conditions climatiques du 18 ne permettent d atteindre que 46 7 C en fin de journ e Figure 7 38 Ce ph nom ne est tout naturellement d au fait que l eau 247 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade r chauff e pendant une journ e n est pas enti rement vid e lors du puisage et influe donc sur le jour suivant Evolution de la temp rature du ballon 1b1 Tb2 Tb3 60 Ql O1 O1 D O1 Temp rature C
19. 27 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires la production d eau chaude sanitaire ECS ou encore au s chage des r coltes fourrage c r ales fruits L nergie solaire thermique pr sente deux avantages fondamentaux elle est une source in puisable d approvisionnement en nergie et son usage ne produit ni mission de polluants n1 d chets Il faut galement souligner que cette nergie est surtout une ressource locale qui ne pr sente donc pas de probl me d approvisionnement en nergie Cette disponibilit locale peut rendre son utilisation tr s d centralis e ce qui peut pr senter des avantages pour l ind pendance nerg tique la diversification des sources pour l conomie des devises pour la cr ation d emplois dans des m tiers nobles porteurs de plus values sociales sans oublier l enjeu industriel ainsi que le rayonnement certain qu elle voque Cet atout est cependant parfois compens par le fait que leur disponibilit n est pas constante et peut d pendre des al as climatiques ce qui impose la disponibilit simultan e d autres ressources 1 2 D veloppement du march des syst mes solaires thermiques Depuis plus de 30 ans les installations solaires thermiques apportent une contribution importante la protection du climat et la stabilit de l alimentation en nergie Les syst mes des d buts sont devenus au cours des 30 derni res ann es d
20. 30 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temps en heures Figure 7 40 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon suivant le pas de temps de simulation en 20 juillet 2005 La Figure 7 40 repr sente la temp rature d eau dans le ballon pour le capteur gris dans la Journ e du 20 juillet 2005 pour chacun des quatre pas de temps tudi s en comparaison avec la temp rature moyenne mesur e exp rimentalement 250 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Le graphique d montre que le profil de temp rature le plus proche des r sultats exp rimentaux correspond au pas de temps de 5 minutes L cart de la moyenne de la temp rature du ballon sur la journ e peut s lever 1 C avec un pas de temps de 1 heure par rapport aux valeurs exp rimentales Avec un pas de temps de 5 minutes l cart sur la journ e entre la moyenne de la temp rature du ballon et la temp rature moyenne exp rimentale ne d passe pas 0 2 C Le pas de temps le plus adapt se r v le tre le pas de temps de 5 minutes Simulation et exp rimentation ont par ailleurs ainsi le m me pas de temps 7 9 1 2 Le sc nario du puisage Afin de r aliser un puisage sous simulation num rique correspondant le plus possible au puisage r alis exp rimentalement en deux puisages a des horaires similaires quatre profils d utilisations sont mis en place La principale caract ristique de ces p
21. 70 2 TRE ATE Ha sgot 100 0 TLIN Er A REES Amt s250 100 0 TRE BE oh boat Figure C 1 5 Pourcentage d nergie utile produite Paris dans 3 saisons par rapport l nergie utile d un capteur noir int gr pour une orientation Sud az 0 100 ait zit TO s it LIRE it i i s0 EE Ws g II IE IV LE Wia 100 0 80 9 ti 55t TAES Hi 100 04 0 4 TEL T L Aout 100 04 TEE mot TRE Figure C 1 6 Pourcentage d nergie utile produite Paris dans 3 saisons par rapport l nergie utile d un capteur noir int gr pour une orientation Ouest az 90 20 Annexe C EL L RES 0075 007 200 l it o Paru lat IN IE IV LE 513 0 li 100 0 DRE TEE TERE 159 1 100 0 Teg TEE SIN 14 100 0 779 EE Figure C 1 7 Pourcentage d nergie utile produite Paris dans 3 saisons par rapport l nergie utile d un 2 OOF POO dit sigt loit Fan at capteur rouge int gr pour une orientation Sud az 0 IN ind IE IV LE aT LES UEH 150 7 105 5 10 0 TEN UES lii 2 1 50 10 0 518 0 180 4 t 194 0 10 50 10 0 Figure C 1 8 Pourcentage d nergie utile produite a Paris dans 3 saisons par rapport l nergie utile d un capteur vert int gr pour une orientation Sud az 0 326 Annexe C Energie kWh roo BOO s 00 zih O C nd
22. C La temp rature minimale moyenne obtenue par simulation est 14 89 C et celle obtenue par mesure est tr s proche avec 13 50 C La moyenne de la temp rature de l absorbeur pendant la p riode du test est gale 42 47 C et celle obtenue par mesure est l g rement inf rieure la valeur simul e avec 41 36 C Dans le cas du capteur vert les temp ratures moyennes maximale et minimale de l absorbeur obtenues par simulation sont respectivement gales 88 89 C et 14 62 C contre 89 00 C et 13 40 C obtenues par les mesures pendant la p riode de test correspondante La temp rature moyenne obtenue par simulation est 38 93 C et celle obtenue par mesure ne diff re pas trop de cette derni re avec une valeur de 37 11 C Tp simul Tp_exp 110 00 100 00 90 00 J 80 00 70 00 i 60 00 50 00 40 00 Temp rature de l absorbeur C 30 00 20 00 10 00 0 00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 50 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur noir en stagnation 20 21 juillet 2005 258 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Tp simul Tp_exp 110 00 100 00 90 00 80 00 f ai W 70 00 60 00 50 00 5 40 00 Temp rature de l absorbeur C 30 00 20 00 10 00 0 00 T T T T T T T T
23. IN IE IV LE Bait 9 H TN ME 1 56 By LIRIH 10 H40 Ha 2 SEs 1208402 4 57 By 1 7 17E i1l 6 79H Amt G IH 16 ub 1 49 By 12 By 1 168 402 Figure C 1 9 Quantit s d nergie utile produite Nice dans 3 saisons pour une orientation Sud az 0 Energie Eh roo BOG aL 00 zih LE imal Par iat 2 9 HH TAH l 5 40 Hi 1 3 2 DHL 64H41 Ha 5 2 HI 1308402 L H 3 06HH1 2 BLH401 fat 6 6 HH li 58402 1 37 By 114502 1095402 Figure C 1 10 Quantit s d nergie utile produite Nice dans 3 saisons pour une orientation Ouest az 90 PA Annexe C 100 un ant AES 70 it LIRE iit cliii i J 1 it lt EE rte _ z asia i ee aa iradi IN IE LV LE Tarii 100 0 That CRE TEE TE Ha 10 0 55 15 5 15 7 15 0 Aout 100 0 tt RE LE it 176 Figure C 1 11 Pourcentage d nergie utile produite Nice dans 3 saisons par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 100 at 20 70 80 sot iot 30 20 it t CSia IN LE IV LE Kuia 100 0 45 Ste 1 5 15 8 19 7 Hi woo LIN a 7 17 5 16 5 Aout woo LI a0 7 17 5 16 4 Figure C 1 12 Pourcentage d nergie utile produite Nice dans 3 saisons par rapport a l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Ouest az 90 328 Annexe C 100 Ji ait any Tits
24. La sonde de surface install e sur une ailette de l absorbeur 230 Figure 7 14 Emplacement des sondes de surface sur chaque capteur 230 Figure 7 15 Les sondes de temp rature de conduit 231 Figure 7 16 Sonde de temp rature de conduit dans un doigt de gant des diff rentes sondes 231 Figure 7 17 Emplacement des sondes de temp rature au sein du ballon 232 Figure 7 18 Sonde de temp rature d ambiance 232 Figure 7 19 Sonde de temp rature d ambiance et d humidit relative 233 Figure 7 20 Photo et caract ristiques du d bitm tre Rosemount 8711 233 Figure 7 21 Modules plac s sur un rail et connect s aux appareils de mesure et de commande 234 Figure 7 22 Rail d exp rimentation 234 Figure 7 23 Syst me d acquisition en place sur le site de l Isle d Abeau 233 Figure 7 24 Interface graphique du syst me d acquisition de l installation exp rimentale 237 Figure 7 25 Vue de la station m t orologique des GAIA 237 Figure 7 26 Eclairement horizontal sur le site pour la journ e du 11 juin 2005 240 Figure 7 27 Comparaison des temp ratures de surface en bas des capteurs 11 juin 2005 241 Figure 7 28 Comparaison des temp ratures de conduit en bas des capteurs 11 juin 2005 241 Figure 7 29 Variation du AT selon les capteurs 11 juin 2005 242 Figure 7 30 Comparaison de l clairement horizontal pour les journ es du 11 et du 14 juin 242 Figure 7 31 Variation des temp ratures de surface des capteurs
25. Les DTU sont des documents qui contiennent les r gles techniques relatives l ex cution des travaux de b timent Ce 61 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent sont principalement des cahiers des clauses techniques CCT des cahiers des clauses sp ciales CCS et des r gles de calcul Les professionnels de la fili re construction ont tabli les DTU pour chaque type d ouvrage et se contentent d sormais de les faire voluer Les Avis techniques et Atex Les progr s de la science et de la technique incitent les professionnels a rechercher concevoir proposer et vendre des produits nouveaux Afin d ouvrir les march s ces produits il existe en France depuis octobre 1971 le syst me des Avis techniques par lequel apr s un examen technique d taill par le CSTB des groupes sp cialis s constitu s de professionnels et d experts formulent un avis sous forme de document crit Un avis favorable autorise la mise sur le march du nouveau produit avec une reconnaissance d un taux de risque raisonnable pour les assurances Dans le but de r duire les difficult s que rencontrent les promoteurs de techniques nouvelles lors des premi res r alisations le CSTB et d autres organismes ont pris l initiative de mettre la disposition des innovateurs une proc dure rapide pour l appr ciation technique de tout produit proc d ou quipement ne faisant pas encore l objet d un Avis t
26. S OO Ol OO e 13 juil 14 juil 15 juil 16 juil 17 juil 18 juil Figure 7 38 Temp ratures mesur es de l eau dans le ballon du 15 au 18 juillet 2005 Les moments o sont effectu s les puisages sont aussi tr s rep rables sur le graphique C est la courbe de temp rature Tb3 qui subit le plus ces chutes de temp ratures dues aux puisages journaliers et ce parce que la sonde correspondante est situ e le plus bas au sein du ballon Par ailleurs l cart moyen entre les 3 temp ratures de ballon est donn dans le tableau suivant Tableau 7 9 Diff rence de temp rature Tb1 Tb2 Tb1 Tb3 Tb2 Tb3 Ecart moyen sur la p riode du 12 juillet au 2 2 6 5 4 aout 2005 Tableau 7 9 Diff rence moyenne entre les 3 diff rentes temp ratures de ballon Ces carts sont des moyennes sur la p riode du 12 juillet au 2 ao t 2005 Ils cachent de tr s grandes disparit s Lorsque les puisages ont lieu les carts entre les 3 temp ratures de ballon sont tr s importants ils peuvent atteindre plus de 10 C entre Tb1 et Tb3 A titre d exemple le 22 juillet 20h55 la diff rence entre Tb1 et Tb3 est de 13 6 C Inversement les apr s midis c est dire quand la temp rature de l eau dans le ballon augmente les 3 temp ratures sont proches les unes des autres les carts sont inf rieurs 1 5 C Il est enfin important de conna tre la temp rature de l eau dans le ballon quelques minutes av
27. accessible aux occupants En plus ceci augmentera le confort thermique de la zone derri re le capteur crit re moyennement moteur appartenant au sur crit re fonctionnement thermique ayant une faible note d valuation de 1 744 La note globale d valuation devra alors d passer le seuil de la note 2 161 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision En outre une meilleure visibilit et une plus grande acceptation de cette proposition peuvent tre atteintes en proposant des modules ayant des absorbeurs color s ou en int grant une partie vitr e transparente Figure 5 20 Figure 5 20 Exemples d int gration de la transparence dans les capteurs des fa ades vitrage parclos Capteur Il Parties vitr es Partie vitr e Notons que la couleur de l absorbeur doit tre d une teinte sombre pour ne pas trop p naliser la performance thermique du capteur La proposition finale pourra tre repr sent e dans la figure suivante Figure 5 21 Vue de l int rieur l ext rieur Figure 5 21 Proposition finale d int gration de capteurs dans les fa ades vitrage parclos 162 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 6 Evaluation finale Les am liorations apport es dans les paragraphes pr c dents aux diff rents principes constructifs conduisent une modification de notation de cer
28. acquisition Trois modules d acquisitions de temp rature ont t mis en place permettant chacun l acquisition de 6 temp ratures et un module 8 entr es analogiques 4 20 mA permettant l acquisition de la temp rature ambiante de l humidit relative et du d bit Par ailleurs un module 8 sorties analogiques 0 10V permettant de commander l lectrovanne par la suite fut install Figure 7 21 Ces modules sont quip s de liaison RS 485 ainsi pour assurer la communication avec l ordinateur qui poss de une liaison RS 232 l installation d un convertisseur de port RS 485 RS 232 sur le port s rie de l ordinateur a t pr vue 233 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Module Module d acquisition d acquisition analogique de T n 3 Module Module de d acquisition commande de T n 2 analogique Module d acquisition de T n 1 Figure 7 21 Modules plac s sur un rail et connect s aux appareils de mesure et de commande 7 5 8 L alimentation Destin e l alimentation des modules d acquisition et de commande l alimentation mise en place est constitu e de blocs alimentation pour boucle de courant 4 20mA produisant un courant de sortie maximum de 0 5 A en 24V continu Pour dimensionner l installation les besoins en courant de chaque appareil ont t calcul s Tableau 7 4 Nombre d entr es sorties utilis d une ent
29. dT mc a nF W U wur fete oe y U U En int grant l quation 6 27 sur la longueur du capteur L nous obtenons r LEFU TPU StU exp Cemar quation 6 28 T RO EU G mc U U o i la temp rature du fluide a la sortie du capteur T la temp rature du fluide l entr e du capteur Ac surface d entr e du capteur Puisqu il est difficile de mesurer la temp rature moyenne de la surface de la plaque absorbante Te comme pour le cas d un capteur solaire non int gr nous allons d finir un facteur de conductance du capteur FR Il est d fini comme tant le rapport de l nergie utile re ue sur l nergie qui serait re ue si l absorbeur avait la m me temp rature que le fluide a l entr e du capteur T 178 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s mc T T Le TT quation 6 29 A I U U T U T U T En substituant l quation 6 28 dans l quation 6 29 et en liminant le terme T gt nous obtenons l expression finale du facteur de conductance du capteur l U U A F mc A E fF _ 1 e Equation 6 30 A U U Ainsi la quantit d nergie utile fournie par le capteur s exprime en fonction de la temp rature de fluide l entr e par q A Fall U U T U T U T bauaion s 6 1 4 Effet du r gime transitoire Dans les conditions r elles du fonctionnement du capteur les conditions cl
30. des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux Notes D Jw IDID IN IN Observations Nous utiliserons 1c1 des mat riaux performants afin d optimiser le rendement sachant que celui ci ne sera pas optimum d la position verticale du capteur R alisation simple El ment pr fabriqu El ment totalement pr fabriqu El ments visser et clipser sur place sur la structure Capteurs inclin s donc le rendement bon Surface adapt e en fonction des besoins Possibilit d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d eau chaude sanitaire Remplacement d une all ge par d montage puisque ceux ci sont viss s ou clips sur la structure L ajout du capteur risque de cr er une petite surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage Taille des panneaux ajustable en fonction des besoins hauteur ou largeur au gr s de l envie de l architecte afin qu ils puissent s harmoniser avec les l ments alentour Rendement satisfaisant gr ce au choix de mat riaux performants L inclinaison peut s adapt e pour un rendement optimal Le syst me solaire install devra tre circulation forc e avec une r gulation qui laissera aux utilisateurs la possibilit de contr ler le syst me
31. du b timent peut tre distribu e vers les zones plus froides l aide des ventilateurs Pour viter les pertes thermiques importantes pendant la nuit et pendant les p riodes de moindre temp rature externe 1l est conseill d utiliser les fen tres thermiquement performantes ou des isolants mobiles suppl mentaires du c t int rieur du vitrage 47 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 2 3 Les syst mes solaires thermiques actifs Un syst me solaire thermique actif est un dispositif destin intercepter le rayonnement solaire en vue de sa conversion thermique et transmettre la chaleur ainsi produite un fluide caloporteur Une vision structurelle du syst me m nera une compr hension du syst me r el La structure qui repr sente le syst me ne doit pas tre confondue avec le syst me r el Le syst me est s par de son environnement avec lequel 1l constitue un univers par une fronti re d finie dans l espace temps et qui r sulte donc d un choix fait par l observateur travers e par des flux de mati re d nergie ou d information MICHEL 1994 Pour un syst me solaire de production d eau chaude le syst me est compos du capteur d un changeur de chaleur d un ballon de stockage de tuyauteries et de pompes Figure 2 4 Irradiations solaires be PTT ET TE RE OR EEE OR ONE L Jie Capteur Stockage Distribution Echang
32. eau dans le ballon Tb1 avant chacun des 2 puisages journaliers 7 9 Comparaison entre les r sultats num riques et exp rimentaux La confrontation des r sultats de la mod lisation avec les mesures exp rimentales constitue une tape essentielle dans le processus d valuation du mod le d velopp L objectif de la confrontation que nous pr sentons dans la suite consiste valuer la capacit du mod le d velopp sous MATLAB et int gr dans TRNSYS d crire le comportement thermique en r gime dynamique des modules solaires prototypes int gr s dans la fa ade Puisque le syst me solaire exp rimental install aux GAIA permet de tester un seul module solaire en fonctionnement la fois nous avons alors d cid de mener une analyse sur trois p riodes diff rentes dont chacune permet d tudier un module en marche et d observer le comportement de deux autres modules en stagnation Les donn es climatiques utilis es sont r cup r es partir des mesures directes obtenues par les sondes plac es c t de l installation et partir des fichiers enregistr s en temps r el par la station m t orologique install e par le LASH sur le site des Grands Ateliers Lorsqu il s agit du module en fonctionnement la productivit du syst me solaire nous para t comme tant l l ment essentiel observer Nous tudions ainsi le rendement du capteur int gr en observant le niveau de temp rature de l eau dans l
33. et plusieurs couleurs d absorbeurs Le but de ces simulations est de comparer le comportement des composants solaires int gr s dans la fa ade vitr e celui des capteurs plans vitr traditionnels vendus sur le march et install s g n ralement sur la toiture d un b timent sans int gration du point de vue architectural Figure 6 7 MXN Batiment Capteur r f rence noir orient Sud Capteur int gr en fa ade noir vert rouge Figure 6 7 Capteur solaire de r f rence et capteur int gr en fa ade 6 3 3 Couleurs de l absorbeur La couleur couramment utilis e est le noir du fait de ses propri t s d absorption Mais pour des raisons architecturales 1l sera pr f rable dans certains cas d utiliser d autres couleurs qui peuvent tre plus en harmonie avec le b timent et son environnement sans toutefois perdre beaucoup en performance nerg tique En tenant compte des facteurs d absorption et d missivit plusieurs couleurs ont t choisies pour tre simul es et compar es la couleur noire de l absorbeur du capteur C8 S Leurs caract ristiques sont les suivantes Tableau 6 3 184 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Absorptivit a M man aosa eo en ee CS RAL 3000 cs SN v 3020 u 581 e 877 c TN Rac 4007 o s31_ e 809 ce rasoo 40 613 e 717 CL EE cio TN RALG007 a 646 6 79 _ C11 E
34. iil Erreur Signet non d fini Figure 3 4 Exemples de briques de terre cuite 3 7 4 Pierres On distingue plusieurs types de pierres utilis es dans la construction des b timents On d signe par pierres b tir les meuli res les moellons les pierres chaux le gr s le marbre et le granit La pierre artificielle est un agglom r en forme de parpaing dont la face visible est trait e en aspect pierre La pierre reconstitu e est constitu e d un b ton dont le liant est g n ralement du ciment blanc et dont l agr gat est s lectionn pour sa blancheur et sa duret Les pierres appareill es sont des pierres taill es sur toutes leurs faces par opposition aux moellons La pierre de taille est une pierre calcaire appareill e de dimensions r guli res apte constituer des murs finis sans n cessit d enduit 3 8 Construction en acier Chaque projet de construction utilisant l acier d crit ses propres l ments et ses propres assemblages Selon l ampleur du projet les choix conomiques et architecturaux ce projet peut faire appel des l ments industriels de catalogues ou concevoir ses structures sp cifiques Construire en acier signifie assembler des l ments par boulonnage soudure rivetage chaud boulons sertis ou par axe d assemblage afin de constituer une structure Les assemblages jouent un r le essentiel dans la construction m tallique par leur r le dans la s
35. l autre on aura besoin du stockage Le stockage de l nergie peut s effectuer sous forme thermique ou chimique La forme thermique concerne le stockage sous forme de chaleur sensible et sous forme de chaleur latente La chaleur sensible exprime la variation de temp rature d une mati re de stockage l eau ou les pierres Lorsqu il se produit un exc s de chaleur la mati re est soumise un cycle d chauffement et de refroidissement Le syst me n cessite un r servoir de stockage et une surface d change La quantit d nergie stock e est proportionnelle la diff rence des temp ratures d entr e et de sortie AT la masse de mat riau de stockage m et a sa capacit thermique massique Cp Q m Cp AT L eau est un mat riau de stockage excellent cause de sa capacit thermique massique lev e son faible co t et sa stabilit chimique La chaleur latente de fusion r sulte du changement de phase d un compos chimique passant de l tat solide l tat liquide une temp rature pr cise propre chaque compos Les substances les plus souvent utilis es pour ce type de stockage sont les sels hydrates par exemple le sel de Glaubner dont les points de fusion sont situ s entre 25 et 50 C Cela correspond aux temp ratures qu il est ais ment possible d obtenir dans les capteurs solaires Apr s que la temp rature des capteurs atteint une temp rature suffisante les sels stock s
36. support 82 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent 3 11 3 1 Le type de ventilation Le type de ventilation se rapporte la force d entra nement utilis e pour a rer la cavit d air situ e entre les deux fa ades vitr es Nous distinguons trois types possibles de ventilation la ventilation naturelle la ventilation m canique et la ventilation hybride La ventilation hybride est une combinaison command e de la ventilation naturelle et m canique o la ventilation naturelle est employ e autant que possible La ventilation m canique est seulement employ e quand les forces d entra nement naturelles deviennent insuffisantes pour assurer le flux d air demand 3 11 3 2 Le mode de ventilation Le mode de ventilation se r f re l origine et la destination d air circulant dans la cavit En fonction du composant inclus dans la fa ade une fa ade pourrait adopter plusieurs modes de ventilation Quatre modes de ventilation sont distingu s ventilation interne ventilation externe supplement d air hybride ou chappement d air hybride Figure 3 18 Figure 3 18 Les modes de ventilation des fa ades double peau Arons 2000 3 11 3 3 La hauteur du b timent Les buts des fa ades double peau s appliquent aux b timents de petite moyenne et grande hauteurs Cependant Ils ne s appliquent pas galement entre ces derniers Les fa ades double peau sont plus fr quemment utilis es dans les const
37. une vulgaire substitution du nucl aire et du p trole Il est en effet essentiel qu elles s int grent dans une d marche globale qui participe une alternative sociale autant qu cologique On appelle nergies renouvelables les nergies issues de sources non fossiles renouvelables nergies solaire olienne g othermique mar motrice hydro lectrique bio nergies Ces nergies sont pr sentes partout Elles sont in puisables gr ce aux cycles naturels mais sont galement diffuses et pr sentent pour la plupart des potentiels variables selon la localisation g ographique et les facteurs climatiques Par ailleurs elles n ont que peu d impacts n gatifs sur l environnement leur exploitation n engendre en effet pas d missions de gaz a effet de serre si bien qu elles s av rent tre un outil consid rable de lutte contre le changement climatique Les usages thermiques a basse temp rature qui repr sentent en France le tiers de consommations d nergie finale sont ceux qui peuvent tre le plus facilement satisfaits par l utilisation des nergies renouvelables et qui sont directement port e de d cision du citoyen On red couvre cette occasion tout l int r t des syst mes solaires thermiques Le flux solaire peut en effet tre directement converti en chaleur au moyen de capteurs solaires thermiques actifs Cette technique est applicable au chauffage des habitations des piscines
38. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 51 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur vert en stagnation 20 21 juillet 2005 Comme dans le cas du cas pr c dent o le capteur noir faisait partie du syst me solaire nous avons valu le mod le num rique dans le cas du syst me solaire ayant le capteur gris int gr comme composant et nous avons compar le comportement thermique des capteurs en stagnation avec les donn es de mesures La bonne concordance entre les divers r sultats montre bien que le mod le num rique peut d crire le comportement du capteur solaire int gr 7 9 2 3 Le capteur vert en production d eau chaude Afin d tudier la productivit du syst me solaire ayant le capteur vert int gr comme composant des simulations sont effectu es pendant deux jours les 04 et 05 ao t 2005 et les r sultats sont confront s aux r sultats des mesures effectu es sur la m me p riode sur le site de l exp rimentation La Figure 7 52 illustre la moyenne de la temp rature dans le ballon de stockage obtenue gr ce au capteur vert Les valeurs de la simulation concordent bien avec les valeurs mesur es L cart moyen absolu entre la temp rature simul e et la temp rature mesur e pendant cette p riode de test est gal 0 48 C avec un cart type de 0 34 C 259 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade
39. 14 juin 2005 243 Figure 7 32 Variation du AT selon les capteurs 14 juin 2005 243 Figure 7 33 Moyenne des maxima de chacune des temp ratures de surface 244 Figure 7 34 Moyenne journali re des temp ratures de conduit 245 Figure 7 35 Moyenne des temp ratures de conduit sur chaque p riode 245 Figure 7 36 Maximum atteint chaque jour par les diff rentes temp ratures de structure 246 Figure 7 37 Evolution de la temp rature de surface du caisson gris avec les temp ratures ambiantes 247 Figure 7 38 Temp ratures mesur es de l eau dans le ballon du 15 au 18 juillet 2005 248 Figure 7 39 Temp rature de l eau dans le ballon Tb avant chacun des 2 puisages journaliers 249 Figure 7 40 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon suivant le pas de temps de simulation en 20 juillet 2005 250 285 Listes des figures et des tableaux Figure 7 41 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon suivant le profil de puisage en 20 juillet 2005 Figure 7 42 juillet 2005 Figure 7 43 Figure 7 45 Figure 7 48 251 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon suivant le coefficient de perte du ballon en 20 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon du stockage 13 14 juillet 2005 Figure 7 44 292 254 Ecarts absolus de la temp rature de l eau dans le ballon entre les valeurs mesur es et simul es Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur vert 13
40. 1995 DURAND D La syst mique 9 d Paris Presse Universitaires de France 2004 127 p Que sais je 1795 DUTHU H MONTHARRY D et PLATZER M La technique du b timent Tous corps d tat 3 dition Paris Le Moniteur 2004 732 p EL MANKIBI M D veloppement et valuation num rique et exp rimentale de strat gies de r gulation de la ventilation hybride Syst mes Thermiques et A rauliques Lyon Institut National des Sciences Appliqu es de Lyon 2003 388 p ENERPLAN L actualit du march solaire en France La Seyne Mer 2006 15 p ESPACE INFO D ENERGIE DU PAYS D AIX Guide pour l int gration architecturale des capteurs solaires thermiques en ligne Disponible sur lt http www agglo paysdaix fr publications htm gt F vrier 2006 ESTIF Solar thermal markets in Europe Trends and market statistics 2004 Bruxelles 2005 8 p EUROBAROMETRE Attitudes au sujet de l nergie Bruxelles Commission Europ enne Janvier 2006 75 p EUROBSERV ER Barom tre du solaire thermique Syst mes solaires 2005 n 168 pp 39 SL 276 R f rences EUROBSERV ER Le barom tre Europ en 2005 des nergies renouvelables Paris Syst mes Solaires 2005 32 p FETON L L enjeu des doubles fa ades dans la construction Vaulx en Velin ENTPE 1999 110 p GIORDANO J INDUSTRIES Manuel d installation du chauffe eau solaire Giorsol 36 p GOBERT L Evaluation de l offre domotique D veloppement d u
41. 5 5 2 6 Evaluation de integration dans la facade vitrage parclos Les r sultats de application de SISBat sur la proposition d int gration dans la fa ade a vitrage parclos sont pr sent s dans la figure suivante Figure 5 13 nc 1 955 Notes d valuation Fabrication Mise en oeuvre Exploitation Maintenance Fin de vie Evaluation par tape de vie Notes d valuation Est tique Fiabilit Maintenabilit Choix des mati res premi res Proc d constructif Proc d d installation Adaptabilit Fonctionnement thermique Multifonctionnalit Durabilit D construction Gestion des d chets Sur Crit res d valuation Figure 5 13 Ensemble des notes d valuation d int gration du vitrage parclos 155 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision L valuation de cette proposition d int gration montre que sa qualit globale est moyenne note globale gale 1 955 En effet elle pr sente quelques d faillances par rapport aux solutions pr c dentes surtout au niveau des trois sur crit res fonctionnement thermique Nfonctionnement thermique 1 744 la multifonctionnalit Nmuttifonctionnalits 0 998 et la maintenabilit Nmaintenabilite 1 633 5 5 3 Propositions d amelioration des conceptions d integration Les r sultats obtenus par l application de SISBat aux six propositions d int gration nous ont aid a distinguer les poin
42. 6 7 tude param trique L une des principales caract ristiques des l ments solaires int gr s est de r pondre la contrainte de couleur d absorbeur li e aux exigences de l architecte et du ma tre d ouvrage Nous devons nous r soudre tudier l influence des param tres de l missivit et de l absorptivit sur les performances nerg tiques de ces l ments 6 7 1 Influence du coefficient d absorption de l absorbeur L tude de l influence du coefficient d absorption d pend de l l ment solaire simul et des conditions m t orologiques Nous avons effectu cette tude en r alisant une s rie de simulations d un syst me solaire ayant 2 m de surface de captage et 150 1 de volume de stockage avec le fichier m t orologique enregistr sur la journ e du 13 juillet 2005 sur l Isle d Abeau Cette journ e est bien ensoleill e En effet l irradiation solaire horizontale atteint 900 W m Figure 6 13 191 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s lrradiations Temp_Ext 1000 Irradiation horizontale globale W m7 Temp rature ext rieure 13 juillet 2005 Figure 6 13 Eclairement nerg tique et temp rature ext rieure l Isle d Abeau le 13 juillet 2005 Le graphique suivant montre que la temp rature moyenne sur une journ e de l eau dans le ballon augmente tr s fortement avec le coefficient d absorption
43. Abeau 235 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 7 6 Le syst me d acquisition Pour r aliser l acquisition de donn es dans cette exp rimentation plusieurs logiciels ont t n cessaires Tous sont dit s par la firme National Instruments sp cialiste de la programmation dans l acquisition de donn es et le contr le d instruments de mesure Nous avons d une part utilis Industrial Automation OPC Servers logiciel pour configurer l ensemble des capteurs exp rimentaux install s et d autre part le logiciel LabVIEW pour r aliser le programme et l interface pour l acquisition de donn es 7 6 1 Param trage de la carte d acquisition Comme il l a t d crit pr c demment l installation permettant l acquisition de donn es est compos e de plusieurs modules d acquisition et d une carte d acquisition Le logiciel Industrial Automation OPC Servers a permis le param trage de ces modules et ainsi de cr er une interface de communication entre les capteurs d une part et l ordinateur d autre part Le protocole d change utilis pour permettre cette communication est le protocole Modbus L l ment central de ce dispositif est le convertisseur de port RS232 RS485 plac sur le port s rie de l ordinateur Il permet d assurer la liaison entre les modules quip s de liaisons RS485 et l ordinateur quip d une liaison RS232 Pour configurer ce c
44. Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision C l ensemble des sur crit res correspondant au 2 niveau de la grille d analyse choix des mati res premi res proc d constructif etc E _ l ensemble des tapes du cycle de vie de la proposition consid r e ces tapes J constituent le ler niveau de la grille d analyse fabrication mise en uvre etc n l ensemble des notes affect es lors du remplissage de la grille d analyse a chacun des crit res consid r s Vk n 0 1 2 3 m Js l ensemble des valeurs des motricit s de chacune des variables ramen es en pourcentage VA m el0 1 Ces valeurs seront utilis es comme coefficients de k pond ration des notes n affect es chacun des crit res consid r s Il est d s lors possible de d finir les termes suivants Me gt m Equation 5 1 Cp EC i m correspond la somme des valeurs de motricit de chacune des variables dont d pend gt ne es Ne Mio EC EC HG 2 Mi Mg Ch EC le sur crit re 1 quation 5 2 ne est d fini comme l ensemble des notes pond r es selon la motricit indirecte des t i variables affect es chacun des sur crit res Vi n el0 3 M gt M gt gt m quation 5 3 GEE CEE Cyec j m correspond la somme des valeurs de motricit de chacune des sur crit res dont aP J d pend l
45. Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s ce stade une m thode de conception et d valuation de l int gration a t d velopp e Cette m thode repr sente pour un concepteur ou un architecte un outil de conception de propositions d int gration du solaire thermique dans le b timent et d valuation de la qualit de cette proposition suivant une analyse prospective multicrit re Mais partir de ce point nous aurons besoin d tudier le rendement nerg tique du syst me solaire compos en partie par des composants int gr s dans le b timent et d tudier l impact que pourront avoir ces composants sur l ambiance interne du b timent A l heure actuelle la plupart des mod les des syst mes solaires ne traitent pas la probl matique d int gration et consid rent que les composants solaires sont dissoci s du b timent m me si ceux ci sont int gr s Nous avons donc besoin de d velopper un mod le dynamique de syst me solaire avec des composants int gr s dans le b timent Mais la mod lisation de chaque composant du syst me solaire varie suivant la fonction solaire que devra assurer le composant mod lis En effet le d veloppement d un mod le de capteur int gr dans l enveloppe n est pas semblable au d veloppement d un mod le de stockage int gr dans la structure du b timent Dan
46. Thea g 61ByI 1 87 By 12H LOSH 4 25 By 1 Figure C 1 41 Quantit s d nergie utile en Ao t pour une orientation Est az 270 0 rit iit IN a C fird IE IV IE Fais 10 04 LIH HE an bg a 1a iji 10 04 15 3 TEES TEE 14 5 Thea 100 LEES TAES 56 8 Man Figure C 1 42 Pourcentage d nergie utile produite en F vrier par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 343 Annexe C Chim o IN IE IV IE Paris 100 0 AREN ERE ERE 13 0 Los 100 0 og TN lit 15 1 12 5 Thes 100 0 RE 135 18 7 15 0 Figure C 1 43 Pourcentage d nergie utile produite en Mai par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 Th I F oo Es m LE E r rt F i r 4 P me dE A m aia s e ee 3 dr us i IN Cimi IE IV IE Paris 100 0 10 LUE DURE 14 5 100 0 aT apit EEE 14 1 Thes 100 0 MEN ERE 184 176 Figure C 1 44 Pourcentage d nergie utile produite en Ao t par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 344 Annexe C Ens ge kWh gli bo 500 00 C imdi IN Pari LEH 7 85 Bu 1 Tiii Lis By 6 29 By 1 Tica 91 By ti Bye IE SASEHIL i ihol 1S m LE amp C By 1 a iOm 1 Lil
47. absorption afin d avoir de bonnes performances nerg tiques 6 8 2 Comparaison avec un syst me solaire de r f rence Apr s avoir fait une tude param trique du mod le global et apr s avoir tudi les performances des capteurs selon la couleur de l absorbeur des simulations sont men es pour les sept villes choisies et pour trois orientations Sud azimut 0 Ouest azimut 90 et Est azimut 270 Parmi les couleurs les mieux class es nous choisissons de mener deux s ries de simulations La premi re s rie correspond consid rer trois couleurs d absorbeur RAL 3007 RAL 6007 et RAL 5020 qui sont des couleurs moyennement class es Elles sont simul es dans le but d tudier la faisabilit d un tel produit En effet si la couleur choisie n est pas trop p nalisante 196 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s pour la performance nerg tique tout en gagnant en int gration nous retrouvons l un de nos objectifs cit s dans la partie Probl matique li e l int gration technico architecturale o l on recherche un bon compromis entre l installation technique des syst mes solaires thermiques actifs en termes notamment de faisabilit et de productivit et leur int gration architecturale Ensuite les trois couleurs les mieux plac es sont simul es Les couleurs des absorbeurs correspondants sont le chrome noir le RAL 7021 et le RAL 6
48. correspondantes Six propositions d int gration dans la fa ade ont t s lectionn es et ont fait l objet d une tude de faisabilit et des d tails de mise en uvre ont t labor s L valuation et le d veloppement de ces propositions d int gration ont fait le sujet d une application de la m thode d analyse prospective d velopp e par la suite Comme nous l avons pr cis la premi re contribution principale de notre recherche a t de d velopper une m thode prospective d analyse de l int gration de ces syst mes dans le b timent baptis e SISBat permettant notamment d valuer la qualit de l int gration et de proposer des perspectives d volution du composant solaire Elle est con ue pour les architectes et les concepteurs pour tre adapt e au processus de conception et pour fournir des r sultats interpr tables et compr hensibles En raisonnant sur le cycle de vie entier une 265 Conclusion g n rale et perspectives grille d analyse a t construite suivant un r f rentiel d tude permettant de croiser les perspectives techniques conomiques architecturales et environnementales et une structure m thodologique a t labor e Afin d obtenir une valuation de la qualit d int gration de sortie synth tique et lisible sans pour autant r duire le nombre et le contenu des quarante quatre crit res d analyse retenus nous avons pris le parti de structurer hi r
49. d nergie Les composants sont des pi ces faites sur mesure selon l architecture et la trame du b timent mais sont simple de fabrication Les capteurs sont fabriqu s partir de proc d non polluants et faible consommation d nergie Par rapport la solution d origine le surco t provient de l ajout de l absorbeur de l isolant et du r seau hydraulique Pose simple sans impact sur l environnement Le syst me propos offre une int gration dans le b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration risque de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du b timent Dans la mesure o la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la mesure o les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas L utilisation de l nergie solaire devrait avoir un bon impact environnemental pendant l exploitation surtout pour la r duction des missions de GES mais si de grandes superficies de captage sont install es il y aura un risque de cr er des flots de chaleur 147 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Crit res Notes Observations Etant donn la facilit de d montage de la menuiserie par les 39 Co t de la d construction 3 capots la d construction ne devrait avoir que
50. d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d eau chaude sanitaire Remplacement d un bardage par d montage puisque ceux ci sont viss s ou clips sur la structure en acier L ajout du capteur risque de cr er une surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage pouvant tre l g rement s rigraphie ou grav s s appuyant sur la trame des l ments alentours Taille des panneaux ajustable en fonction des besoins hauteur ou largeur au gr s de l envie de l architecte afin qu ils puissent s harmoniser avec le bardage alentour Rendement satisfaisant gr ce au choix de mat riaux performants Mais l inclinaison n est pas adapt e pour un rendement optimal Le syst me solaire install devra tre circulation forc e avec une r gulation qui laissera aux utilisateurs la possibilit de contr ler le syst me Il sera possible de placer des stores pour limiter la stagnation Limitation des pertes assur es par l isolation par laine de roche La laine de roche et le mur parpaing b ton sert d isolant acoustique Isolation assur e par l isolant du capteur N assure pas de fonction structurelle puisqu elle se pose sur la structure acier le panneau peut tre accessible par les usager a travers une fen tre ou autre L exploitation ne devrait n ces
51. d autant plus que ce remplissage incombe normalement un groupe d experts Il est en effet ce stade de d finition de propositions relativement d licat d estimer tant un impact environnemental qu un co t L chelle de notation de la grille doit donc tre suffisamment petite sans pour autant se limiter un tout ou rien qui ne permettrait pas de profiter pleinement de la m thode d analyse C est pourquoi une chelle de notation allant de 0 3 s avere tre un bon compromis Ainsi les notes seront respectivement de 0 1 2 ou 3 selon que la r ponse des propositions chacun des crit res d analyse est nulle moyenne bonne ou tres bonne Une observation correspondant a chaque crit re est faite dans le but de justifier chaque note d valuation attribu e 5 4 2 Pond ration des variables selon la motricit Les classements indirects de motricit et plus pr cis ment les valeurs des motricit s de chacune des variables ramen es en pourcentage seront la base de la d finition d une pond ration des notes donn es aux propositions en phase de remplissage de la grille d analyse relativement chaque variable En effet en notant pour l analyse d une proposition Je l ensemble des crit res consid r s pour l analyse ces crit res correspondent au niveau le plus bas 3 niveau de la grille d analyse impact environnemental des mat riaux co t des mat riaux etc 143
52. et la d construction En revanche l am lioration 152 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision globale de cette proposition pourra tre envisag e en essayant de trouver les bonnes modifications aux crit res de la multifonctionnalit de la maintenabilit et de la fiabilit les notes correspondantes tant gales ou inf rieures 2 5 5 2 4 Evaluation de l int gration dans la fa ade rideau Les r sultats de l application de SISBat sur la proposition d int gration dans les fa ades rideaux sont pr sent s dans la figure suivante Figure 5 11 ng 2 169 Notes d valuation Fabrication Mise en oeuvre Exploitation Maintenance Fin de vie Evaluation par tape de vie E amp S z 2 z Adaptabilit Est tique Fonctionnement thermique ultifonctionnalit Maintenabilit Fiabilit Durabilit D construction Choix des mati res premi res Proc d constructif Proc d d installation Gestion des d chets Sur Crit res d valuation Figure 5 11 Ensemble des notes d valuation d int gration dans la fa ade rideau Le bon r sultat s explique par le fait que huit des douze sur crit res se voient affecter une note sup rieure 2 Toutefois il semblerait que cette proposition puisse tre perfectionn e sur un 153 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision certain nombre de sur crit res
53. h at Sn ten i eee Tint e 30mm Tint e 60mm Tint e 90mm Tint e 120mm Tint sans capteur Tamb_ext 0 00 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Figure 6 39 La temp rature int rieure de la zone entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en marche Diff rence de Temp ratures Int rieures 1 40 4 20 ce 1 00 0 80 DT FC Y Lans h it 0 60 i 0 40 0 20 0 00 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Figure 6 40 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en marche Ainsi lorsque le syst me solaire stagne pendant la p riode de 01 07 ao t la temp rature de surface de l absorbeur du capteur d passe 100 C et les pertes du capteur vers l int rieur du b timent sont plus grandes Les r sultats des simulations montrent que les profils de la temp rature int rieure montrent des carts importants Figure 6 41 L isolant qui r siste le mieux la surchauffe est celui qui a une paisseur de 120 mm 211 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 35 00 30 00 25 00 20 00 Fx 15 00 Temp rature C 10 00 5 00 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Figure 6 41 La temp ratur
54. ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de l aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice d nergie Les capteurs sont de tailles variables selon les besoins architecturaux Les capteurs sont fabriqu s partir de proc d non polluants et faible consommation d nergie La mise en place est tr s ais e Pose simple sans impact sur l environnement Le syst me propos offre une int gration dans le b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration ne risque pas de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du b timent Dans la mesure o la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la mesure o les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas Puisque la production de chaleur par le syst me solaire devrait tre relativement importante la dur e annuelle de fonctionnement de l appoint devrait tre minimale C est pourquoi l impact environnemental de l exploitation devrait tre infime Etant donn la facilit de d montage la d construction ne devrait avoir que peu d impact financier La d construction devrait tre r alis e par d clipsage et d vissage des composants c est pourquoi son impact environnemental devrait
55. ossature m tallique base de profil s froid en acier galvanis assembl s par vis auto perceuses comprenant c t ext rieur un bac acier galvanis nervure et un syst me d isolation thermique ext rieure enduit mince ou hydraulique sur isolant ou v ture et c t int rieur un habillage en plaques de pl tre viss es sur un r seau de profil s en acier ou directement sur les poteaux Les planchers sont r alis s soit en b ton avec bac acier collaborant ou coffrage acier perdu soit en panneaux bois viss s sur poutrelles acier 3 9 Construction en bois Le bois pr sente un avantage non n gligeable en mati re de d lai de construction et d conomie de chauffage La construction en panneaux pr fabriqu s dans un atelier et assembl s sur le chantier est utilis e dans la majorit des op rations de maisons ossature bois Les r gles de conception de fabrication et de mise en uvre de la maison ossature bois sont d finies par les normes NF P 21 204 1 DTU 31 2 NF P 21 102 et les r gles BF 88 DTU P 92 703 La marque CTB Structure prot ge la conception et fabrication des panneaux Les l ments constitutifs d une maison ossature de bois sont Le soubassement Les l ments de structure de mur reposent toujours sur un ouvrage de soubassement compos d une fondation et d un muret en ma onnerie couronn d un chainage en b ton arm solidaris un plancher entrevous en polystyr ne
56. plusieurs t ches distinctes il permet l acquisition des donn es la commande de l lectrovanne effectuant les puisages mais aussi et surtout l enregistrement de l ensemble de ces donn es Les premi res acquisitions obtenues sur site ont valid le syst me exp rimental mis en place Le traitement des donn es recueillies par la suite a permis de conna tre les performances de 261 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade l installation et de chacun des capteurs prototypes Le capteur noir aux caract ristiques techniques les plus favorables permet d obtenir une bonne performance Le capteur gris permet toutefois d obtenir des performances assez proches malgr une couleur d absorbeur moins favorable sa structure en caisson et sa meilleure isolation compensent presque son d faut de couleur Le capteur vert obtient lui des performances inf rieures aux deux autres mais ces derni res restent n anmoins correctes La solution d velopp e permet de capter de l nergie solaire avec un surco t minime au co t de la fa ade traditionnelle doit tre ajout le prix de l absorbeur quelques dizaines d euros par m environ 10 fois moins qu un m de capteur solaire traditionnel L utilisation d absorbeurs de couleur sombre vert sapin et gris noir para t tout fait envisageable et devrait permettre d offrir aux architectes plus de choix m me s il reste encore limit et de nouv
57. r f rence pour une orientation Sud az 0 Hit ik aiik iit 20 ty 20 L 0t FTE ETEN li C IN IE LY LE wis 10 0 0 a RE lit 176 w IN 100 0 4 90 7 7h04 7A Figure C 1 32 Pourcentage d nergie utile produite en Ao t Nice par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 338 Annexe C Enas ge kih 700 boo a h i i Sii 200 Br ME A P wo f j 4 x cs IT IE IV IE Et 8 1 Hi 1 EEN MAI 2 8 By TH ind 01 By aTh PE Lieb 106 By L0 IH Chast 78 TB 1 SA UE t Bil ATMA Figure C 1 33 Quantit s d nergie utile en F vrier Nice pour trois orientations Enage kWh 70 ENT su a D ag Sii z4 0 cs LT IE IV IE Tt L25 Liimo Taal 7 8 By and p28 yl Li 0B 4 5 TH 7 17 By 1 amp T9BHl Chast LS 0B 1155p 4 06 By ieil Figure C 1 34 Quantit s d nergie utile en Mai Nice pour trois orientations 339 Annexe C Ena pe kWh m0 CE LIT LE LY IE Et RTE L 4i 103 Hi ETA MAI ind GELEH L aby Lis LIEH EA E Chast Li s L 7E LU By 10 9B Figure C 1 35 Quantit s d nergie utile en Ao t Nice pour trois orientations ION ES aor ENT ij 50 HPE F i 70 TE TES Lot s0 N See N mA e IV IE Paris CE sit 14 1 7 Lyon lhe ARE 1 5 2 6 Ties JEE 18 5 8 RES 8 5 Figure C 1 36 Pourcentage d nergie utile produite
58. ration Influence D pendance 2 106 9 7 Tableau 5 4 Stabilit partir de la matrice des influences directes Il appara t que le syst me devient stable partir de la puissance 6 M Ainsi nous pouvons obtenir le nouveau classement de chacune de variables 5 3 4 1 Classement motricit Dans le tableau de la figure suivante pour chacune des variables est donn le rang pour les relations directes M et les relations indirectes M ainsi que les variations de ce rang entre M et M d sign e par les fl ches Les rangs sont class s de 1 43 par ordre d croissant de motricit Figure 5 6 139 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Direct M Indirect M Impact environnemental de la fabrication Impact environnemental de la d construction Impact environnemental de l installation Impact environnemental de l installation Confort thermique Confort thermique Co t de la d construction gt Impact environnemental de la fabrication 39 Impact environnemental de la d construction Impact environnemental de l exploitation 38 Impact environnemental de l exploitation Co t de la d construction Co t du traitement des d chets Co t de l exploitation ee 36 Co t de l exploitation Co t du traitement des d chets 35 Co t de la fabrication Co t de l installation Co t de l installation Convertibilit de l emplacement
59. rieures 2 Ainsi seule la note de l exploitation d pendante des sur crit res ayant des notes faibles est inf rieure aux notes des autres tapes toutes sup rieures 2 151 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 5 2 3 Evaluation de l int gration dans l all ge d une fen tre Les r sultats de l application de SISBat sur la proposition d int gration dans l all ge de fen tre d une fa ade l g re sont pr sent s dans la figure suivante Figure 5 10 ng 2 359 Notes d valuation Fabrication Mise en oeuvre Exploitation Maintenance Fin de vie Evaluation par tape de vie Notes d valuation Choix des mati res premi res Proc d constructif E Proc d d installation Adaptabilit M Est tique Fonctionnement thermique Multifonctionnalit Maintenabilit Fiabilit Durabilit D construction Gestion des d chets Sur Crit res d valuation Figure 5 10 Ensemble notes d valuation d int gration de l all ge Les note d valuation globale de l int gration solaire dans le b timent traduite par cette proposition signifie que la solution d int gration est globalement bonne ng 2 359 En obtenant des notes d valuation nci sup rieurs 2 5 la solution int gration semble tre excellente selon le sur crit re proc d constructif le proc d d installation l adaptabilit le fonctionnement thermique la durabilit
60. s ensoleill e allant du 13 au 18 juillet 2005 du fichier climatique enregistr sur le site de l Isle d Abeau Figure 6 16 1200 1000 ee 600 Ig W m 400 h 200 13juil 14juil 15juil 16juil 17juil 18juil Temps Figure 6 16 Rayonnement horizontal global du 13 au 18 juillet 2005 l Isle d Abeau Les maxima atteints par les diff rents capteurs selon la couleur de leur absorbeur ont des valeurs tr s h t rog nes Les carts de temp ratures les plus lev s sont entre la couleur C1 Noir chrome et la couleur C7 RAL 4007 o la diff rence entre les deux maxima est de plus de 15 C Quatre couleurs seulement permettent d atteindre un maximum sup rieur a 40 C Cl C2 C3 et C5 Les deux couleurs d absorbeur C4 RAL 3000 et C7 RAL 4007 ne permettent m me pas d atteindre un maximum sup rieur 35 C Figure 6 17 50 48 46 44 42 40 38 Temp rature C 36 34 32 30 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 Couleur Figure 6 17 Maximum atteint par la temp rature de ballon sur la p riode du 13 au 18 juillet L analyse de la moyenne de la temp rature de ballon sur la dur e de simulation confirme les r sultats pr c dents Seules 4 couleurs de capteur permettent d obtenir des temp ratures 194 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s moy
61. tique Paris Ecole des Mines de Paris 2002 266 p MURESAN C MENEZO C BENNACER R et al Numerical simulation of vertical solar collector Radiation and turbulent natural convection coupling CHT 04 ICHMT International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer April 2004 Bergen Norway OLIVE G et TRIBOULET A Guide de l eau chaude dans les b timents r sidentiels et tertiaires conception et calcul des installations PYC Ivry sur Seine 1991 141 p Collection des guides de l AICVF 279 R f rences OLMO F J VIDA J FOYO I et al Prediction of global irradiance on inclined surfaces from horizontal global irradiance Energy 1999 vol 24 n 8 pp 689 704 PERI G Les capteurs convertisseurs h liothermiques sans concentration Editions Europ ennes Thermique et Industrie Paris 1977 75 p Cahiers A F E D E S 4 PEUPORTIER B Eco conception des b timents Les Presses de l Ecole des Mines Paris Ecole des Mines de Paris 2003 276 p PEUSER F A REMMERS K H et SCHNAUSS M Installations solaires thermiques Conception et mise en oeuvre Le Moniteur Paris Systemes Solaires 2005 403 p PLAN DU FUTURE Le syst me constructif Styltech CSTB Avis Technique 2 04 1108 2005 pp 35 RADANNE P Accepter le nouveau si cle Futuribles 2006 n 315 pp 5 13 REPUBLIQUE FRANCAISE Loi n 2005 781 du 13 juillet 2005 de programme fixant les orientations de la politique nerg tique Pa
62. tique global sur le plan du capteur 700 600 LL 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Iglob W m2 S 5 Co Co D mm mm mm Figure 6 38 L clairement nerg tique global sur le plan du capteur Lyon entre 01 et 07 ao t Mais m me avec un clairement nerg tique plus important les r sultats des simulations sur cette p riode pour un syst me solaire en marche montrent que l influence de l paisseur de Pisolant du capteur sur la temp rature int rieure de la zone tudi e est faible Les profils des temp ratures int rieures obtenues avec les quatre paisseurs d isolant sont proches et ne montrent pas des carts significatifs Figure 6 39 La courbe des carts maximaux entre les diff rences de la temp rature int rieure pour les quatre paisseurs consid r es montre que la diff rence maximale n atteint pas les 1 20 C d cart Figure 6 40 Donc m me dans une p riode bien ensoleill e l influence de l paisseur est faible lorsque le syst me solaire est en marche Et comme pour le cas pr c dent nous analysons aussi le cas d un syst me solaire en stagnation Ceci semble mettre plus en vidence l impact de l isolant sur la temp rature int rieure 210 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 30 00 25 00 20 00 D h 2 15 00 f kad 5 bX a E 10 00 5 00
63. ussite de l int gration des l ments solaires dans la construction alors que le mode d int gration est relativement secondaire CORTESSE 2006 La conception architecturale est une d marche de synth se formelle et technique de contraintes extr mement diverses d un projet l autre ou d un site l autre Les contraintes impos es par cette int gration est comme toute autre contrainte source de cr ativit L appropriation du concept par le concepteur et la recherche d int gration d s le d marrage des tudes sont des conditions n cessaires une bonne int gration Il s av re aussi int ressant l int gration de mettre disposition des concepteurs des composants solaires modulables et au design contemporain 1 4 3 Le design et la modularit des composants Afin d inclure des composants solaires dans leur projet les concepteurs ont besoin d avoir disposition un panel de produits avec lesquels 1l est possible de concevoir de nouvelles enveloppes nerg tiques Le design du produit et sa modularit sont des facteurs pour l int gration Le capteur doit pouvoir tre un composant de construction au m me titre que d autres La conception du composant doit permettre l architecte de r pondre aux diverses contraintes fonctionnelles et techniques ainsi que celles plus sp cifiques li es aux particularit s du site et du maitre d ouvrage Le composant solaire thermique sera d clin avec la possib
64. 0 22 58 212 vs LIN 100 0 702 48 5 46 BE Figure 6 26 Rendements en pourcentage des capteurs solaires orient s Sud Paris en f vrier Regardons maintenant les r sultats des simulations sur l chelle des trois mois choisis afin d observer le comportement du produit dans trois saisons diff rentes Figure 6 27 500 400 300 b a 5 a 200 a E ui 100 Le ETES La CS coud IN Ik Th IE Parier LESE 02 7 B3E01l 3 36E 01 8 01 3 28E 01 Vi S60E 402 9 22E 01 6 652401 4E3601 4 G0E 01 Ao t 410E 202 1 27 E02 1 O7 E 30E 01 7 SIE01l Figure 6 27 Quantit d nergie utile sur les trois mois consid r s pour des capteurs orient s Sud az 0 Les r sultats montrent que la production nerg tique pour les capteurs verticaux est plus r guli re sur les trois saisons ceci revient au fait que les irradiations sur des surfaces verticales sont plus homog nes comme l a montr le profil pr sent dans la Figure 6 21 Donc 201 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s pour une demande nerg tique constante pendant l ann e les capteurs int gr s dans la fa ade peuvent r pondre une partie de cette demande d une fa on plus stable au bout des diff rentes saisons Si nous traitons ces valeurs en pourcentage il nous para t plus clair que pour f vrier la perte en performance par rapport un capteur traditionnel en position optimale est
65. 00 1 50 a 1 00 O50 SE o RE ae a ee ee a Ce Ce Ten PEN _ i T a Tue bn 0 00 Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stock ho kn Lisbonne E capteur noir classique E capteur noir int gr E capteur gris int gr B capteur vert nt cr Figure C 1 83 Coefficients de multiplication de la surface de captage pour une orientation Est az 270 sans masque Lyon Figure C 1 84 Quantit s d nergie utile produite a Lyon avec diff rentes configurations 364 Annexe C Lyon 100 00 90 00 50 00 TO 60 00 50 00 SUD SUH A5 e OUEST O UESTHn asc le EST enraolrchasskpt e Bcaptiriol btgqe Ecapeirgqrke Weqe Bcapt Figure C 1 85 Pourcentages d nergie utile produite a Lyon avec diff rentes configurations par rapport a l nergie utile produite par le syst me r f rence Ratio SUD SUD HN UME Q UEST OUESTHn aqe EST terr iol chasskje CADET GI RTE Gcapearqre lege capte Figure C 1 86 Coefficients de multiplication de la surface de captage Lyon avec diff rentes configurations 365 Annexe C Faris 7000 00 6000 00 5000 00 KWh 4000 00 3000 00 2000 00 1000 00 0 00 SUD SUD masgue OUEST OUEST masgue EST capteur noir classique E capteur noir int gr D capteur gris int gr 8 capteur vert nt gr Figure C 1 87 Quantit s d nergie utile produite Paris avec diff rentes configurations Paris
66. 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 54 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur gris en stagnation 04 05 ao t 2005 Pour le capteur noir la temp rature moyenne maximale est gale a 109 31 C par simulation et 110 15 C par mesure La temp rature minimale moyenne obtenue par simulation est 13 21 C et celle obtenue par mesure est tr s proche avec 11 15 C La moyenne de la temp rature de l absorbeur pendant la p riode du test est gale a 44 89 C et celle obtenue par mesure ne d passe pas les 41 51 C Pour le capteur gris les temp ratures moyennes maximale et minimale de l absorbeur par simulation sont respectivement gales a 97 84 C et 13 00 C contre des mesures de 100 25 C et 11 00 C La temp rature moyenne obtenue par simulation est 41 07 C et celle obtenue par mesure ne diff re pas trop de cette derni re avec une valeur de 38 85 C 7 10 Conclusion Apr s avoir tudi th oriquement et techniquement le syst me solaire afin de pr voir les capteurs de mesure n cessaires l exp rimentation nous avons install et branch l ensemble des sondes de mesures et des modules d acquisition en m me temps de la mise en place de l installation du syst me solaire exp rimental Ensuite nous avons d velopp un programme de contr le et d acquisition de donn es de mesures sous LabVIEW logiciel de programmation graphique Ce programme remplit
67. 14 juillet 2005 Figure 7 46 Figure 7 47 Ecarts entre la simulation et l exp rimentation pour le capteur vert en stagnation Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur gris en stagnation 13 14 juillet 2005 Ecarts entre la simulation et l exp rimentation pour le capteur gris en stagnation Figure 7 49 Figure 7 50 Figure 7 51 Figure 7 52 Figure 7 53 Figure 7 54 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon du stockage 20 21 juillet 2005 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur noir en stagnation 20 21 juillet 2005 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur vert en stagnation 20 21 juillet 2005 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon du stockage 04 05 ao t 2005 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur noir en stagnation 04 05 ao t 2005 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur gris en stagnation 04 05 ao t 2005 286 254 292 256 256 227 237 258 259 260 260 261 Listes des figures et des tableaux Liste des Tableaux Tableau 4 1 Tableau 4 2 Tableau 4 3 Tableau 4 4 Tableau 4 5 Tableau 4 6 Tableau 5 1 Tableau 5 2 Tableau 5 3 Tableau 5 4 Tableau 5 5 Tableau 5 6 Tableau 5 7 Tableau 5 8 Tableau 6 1 Tableau 6 2 Tableau 6 3 Tableau 6 4 Tableau 7 1 Tableau 7 2 Tableau 7 3 Tableau 7 4 Tableau 7 5 Tableau 7 6 Tableau 7 7 Tableau 7 8 Tableau 7 9 Comparaison des f
68. 194 195 Classement des couleurs d absorbeurs du plus performant ler au moins performant 12 me 195 196 197 198 199 199 200 201 201 Pourcentage d nergie utile dans trois mois diff rents Paris pour une orientation Sud az 0 202 Quantit d nergie utile des syst mes solaires orient s vers le Sud sans effet de masque az 0 203 204 205 206 207 208 208 Listes des figures et des tableaux Figure 6 36 La temp rature int rieure de la zone entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en stagnation 209 Figure 6 37 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en stagnation 209 Figure 6 38 L clairement nerg tique global sur le plan du capteur a Lyon entre 01 et 07 ao t 210 Figure 6 39 La temp rature int rieure de la zone entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en marche 211 Figure 6 40 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en marche 211 Figure 6 41 La temp rature int rieure de la zone entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en stagnation 212 Figure 6 42 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en stagnation 212 Figure 6 43 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 f vrier dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me sol
69. 6 Verre tremp Absorbeur Cuivre s lectif Joint colle silicone Polyur thane Film aluminium Polyur thane Film aluminium Figure 6 6 Coupe transversal du capteur C8 S Giordano 183 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Les caract ristiques de ces capteurs sont les suivantes Tableau 6 2 Surface hors tout Surface d entr e Dimensions Longueur Largeur Hauteur Tubes d absorbeur Cu D mm Tableau 6 2 Caract ristiques du capteur C8S de Giordano Ces capteurs traditionnels sont g n ralement pos s en toiture terrasse d un b timent tandis que notre composant fait partie int grante de la fa ade Le syst me solaire pour la production d eau chaude form par les capteurs C8 S est d abord dimensionn avec SOLO 2000 afin de trouver un bon rapport entre la surface des capteurs le volume du stockage et les besoins et ceci pour chaque zone climatique consid r e Les capteurs sont consid r s comme ayant une configuration optimale inclinaison 45 orientation face au sud Les taux de rendement annuels d sir s sont proches de 60 Les m mes rapports sont repris et de nouvelles simulations sont faites dans TRNSYS cette fois pour le syst me de r f rence et ensuite pour le syst me compos par les l ments solaires int gr s dans la fa ade pour les diff rents climats du protocole des orientations diff rentes Sud Est Ouest
70. 7 3 Caract ristiques des sondes longueur Diam tre Temp rature de conduit ballon 50 mm 6mm Temp rature de conduit capteur 15mm Tableau 7 3 Caract ristiques des diff rentes sondes Les sondes utilis es pour mesurer la temp rature dans les conduits des capteurs solaires sont plac es dans des doigts de gants Figure 7 16 Elles nous permettent ainsi de conna tre la temp rature du fluide chaud c est dire en sortie de capteur mais aussi la temp rature du fluide froid en sortie de ballon apr s l changeur er Figure 7 16 Sonde de temp rature de conduit dans un doigt de gant des diff rentes sondes Les sondes de temp rature au sein du ballon ont t plac es la base de la cuve Les trois sondes ont t plac es a des hauteurs diff rentes afin d analyser l homog n it de la temp rature de l eau dans le ballon Figure 7 17 231 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Ballon Sondes de temp ratures 50 cm 36 CM grremhememenmnnnnnsss 22 ont Th1 Th Th3 Figure 7 17 Emplacement des sondes de temp rature au sein du ballon 7 5 4 La temp rature d ambiance Cette sonde est constitu e d un bo tier mural en plastique contenant un l ment sensible platine 100 ohms elle est destin e la mesure de temp ratures ambiantes en int rieur Son domaine de temp rature est de 30 C 100 C Figure 7 18 Figure 7 18 So
71. 7 9 1 3 Les pertes dues au ballon Plusieurs param tres peuvent naturellement tre modifi s dans ce composant physique Le volume du ballon est un param tre fixe gal 150 1 et la chaleur sp cifique de l eau dans le ballon est de 4 19 kJ kg K Le param tre traduisant les pertes nerg tiques est le coefficient de perte du ballon Afin de d terminer la valeur du coefficient de perte qui correspond le plus au ballon utilis dans l exp rimentation nous avons choisi de mener des simulations en consid rant les quatre valeurs suivantes 1 3 5 et 7 kJ h m K Les r sultats obtenus par des simulations men es avec ces valeurs pour la journ e du 20 juillet 2005 sont pr sent s dans la figure suivante Tb_exp Tb_1kJ h m K Tb_3kJ h m K Tb_5kJ h m K Tb_7kJ h m K 49 00 47 00 45 00 43 00 41 00 39 00 37 00 35 00 33 00 Temp rature dans le ballon C 31 00 29 00 27 00 25 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temps en heures Figure 7 42 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon suivant le coefficient de perte du ballon en 20 juillet 2005 Les r sultats obtenus avec un coefficient de perte gal 3 kJ h m K s approchent fortement des donn es obtenues exp rimentalement Figure 7 42 Il semble par ailleurs qu am liorer ce coefficient en diminuant sa valeur ne permette pas d augmenter les performances de fa
72. Acceptation awn L Limitation des interventions Ad quation en terme de poids aS Acceptation 31 S curit d intervention Co t de la fabrication 30 Ad quation en terme d usage D Impact environnemental des mat riaux 29 Limitation des interventions gt Facilit de d construction 28 Ad quation en terme d espace SY Convertibilit des composants K Possibilit d agir sur l installation 27 Possibilit d installation en r habilitation G 26 Convertibilit de l emplacement AN Ig S curit d intervention 25 Impact environnemental des mat riaux Nf Dur e de vie Possibilit d agir sur l installation 7 4 R sistance Facilit de d construction X Ad quation en terme de poids Visibilit CAs 4 Facilit d intervention Facilit d intervention NZ K Co t des mat riaux R sistance 7 i KW Ad quation en terme d espace Convertibilit des composants g Possibilit d installation en r habilitation Co t des mat riaux Ad quation en terme d usage Optimisation de la configuration He Performance thermique Fonction isolation acoustique N F Possibilit d Industrialisation 15 Possibilit d Industrialisation KX Disponibilit des mat riaux S curit d usage oe Visibilit Faisabilit technique SX gt Fonction isolation acoustique 7 SRE NX Performance thermique Pa S parabilit des mat riaux Limitatio
73. Augmenter l absorptivit de 0 1 permet en moyenne d augmenter la temp rature du ballon de 0 92 C Pour avoir une temp rature journali re moyenne sup rieure 30 C il faut ainsi que l absorptivit soit sup rieure ou gale 0 87 quand l missivit est de 0 5 Figure 6 14 Ce param tre est donc tr s important prendre en compte lors du choix de la couleur du capteur 32 31 30 29 28 27 26 25 24 Temp rature moyenne du ballon C 23 22 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Absorptivite Figure 6 14 Influence du coefficient d absorption sur la temp rature moyenne de l eau dans le ballon 6 7 2 Influence du coefficient d emission de l absorbeur L tude de l influence du coefficient d absorption d pend elle aussi de l l ment solaire simul et des conditions m t orologiques La seconde s rie de simulations men e aussi sur la 192 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s p riode du 13 juillet 2005 du fichier m t orologique enregistr sur l Isle d Abeau a permis de comprendre l influence de l missivit sur les performances des capteurs Le param trage du composant tait le suivant Coefficient d absorption 0 7 Facteur du rendement de l ailette de l absorbeur 0 8 Les r sultats des simulations pr sent s dans le graphique suivant montrent que l augmentation de l missivit entra ne c
74. CS cud IN IR LV IE Faris 1000 544 45 0 35 5 33 8 Lym 1000 52 0 44 TK 35 8 34 0 ice 1000 53 5 48 3 37 7 36 1 Figure 6 23 Pourcentage d nergie utile en un an pour une orientation Sud az 0 Ce graphique confirme aussi le taux de perte des capteurs avec des absorbeurs bleus RAL 5020 et verts RAL 6007 qui subissent des pertes dans un rapport de 1 3 par rapport aux capteurs de r f rence Afin de voir l impact de cette perte sur la surface de captage et le nombre de modules solaires nous calculons la superficie n cessaire au capteur le moins performant RAL 5020 pour reproduire la m me quantit d nergie utile que nous pouvons obtenir lorsque nous installons des capteurs traditionnels dans une position optimale Figure 6 24 20 re ombre de modes Seles ka Sua d un moduk est 2m 10 Surface de captage m En an Ce IN E Fans E 14 7 25 6 Lyon g 15 4 23 5 Nice amp 15 22 1 Figure 6 24 Superficie de captage n cessaire aux capteurs int gr s pour galer les capteurs r f rence az 0 Les r sultats montrent qu une surface de captage de 23m avec des absorbeurs bleus RAL 5020 pourra produire la m me quantit d nergie que le syst me de r f rence ayant 8 m de capteurs Et si nous consid rons que le produit int gr est modulaire et qu il a une surface de 199 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 2 m quival
75. Capteur Etanch it eau Pare pluie is ie Sianehes Capteur isolation int rieure i Isolant 12 ta A Isolation thermique solant 12cm cache Isolation acoustique Isolant Isolant du capteur Tableau 4 3 Comparaison des fonctions initiales et finales de la fa ade rideau Les r seaux de distribution pourraient tre ins r s dans les menuiseries en partie haute circulation d eau chaude et basse circulation d eau froide Chaque panneau composant la fa ade rideau serait reli aux menuiseries sup rieure et inf rieure Une variante serait possible avec des menuiseries verticales Les panneaux seraient alors reli s entre eux et le fluide caloporteur circule d un capteur l autre Figure 4 5 Eau chaude Eau chaude _ sags D Le Eau froide a Pad Law Eau froide nn Figure 4 5 Exemple de r seau de distribution dans la menuiserie 111 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 4 4 Allege de fen tre dans une fa ade l g re Ce type d all ge est essentiellement r alis dans les b timents de type habitat collectif tertiaire et usine Ce syst me constructif est r alis dans les fa ades l g res de type rideau o l all ge vient recouvrir le nez de la dalle L all ge de la fen tre permet ainsi d ins rer des quipements et des r seaux en fa ade Un capteur solaire pourrait tre ins r en all ge d une fa ade l g re de type rideau celui ci se pla an
76. Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Ce site s est r v l tout fait appropri au test de capteurs prototypes La fa ade exp rimentale poss de une orientation quasiment id ale pour des capteurs solaires elle est par ailleurs d montable et peut tout fait Jouer le r le d une fa ade d immeuble ou d quipement public De plus les acc s au site et l installation ne posent aucun probl me tant donn les activit s du b timent Toutefois ces conditions ne sont pas vraiment r elles en effet le b timent n est pas un immeuble quelconque il s agit d un b timent d exp rimentation 1l est ainsi difficile d avoir un retour afin de savoir comment sont per us les capteurs par les occupants des lieux par ailleurs l eau chaude produite n est pas utilis e dans des conditions r elles De plus les conditions d ambiance ne sont pas r elles Mais ces limites ne sont pas r dhibitoires pour notre exp rimentation 7 2 La Fa ade La fa ade Sud Sud ouest est compos e de panneaux d montables Il a donc t possible d installer les composants thermiques solaires tester sur cette fa ade Une tude pr alable a t n cessaire afin de d terminer l ensoleillement de la fa ade tout au long de l ann e La fa ade est divis e en trois trames et chaque trame a t tudi e pour conna tre son ensoleillement En effet la couverture situ e au niveau du toit Joue le r le
77. Impact env de la d construction 41 Convertibilit des composants 42 Convertibilit de l emplacement 43 Cott des traitements Figure B 2 1 Notes D Jw ININ N IN Observations L exploitation ne devrait n cessiter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l ext rieur uniquement Une difficult pour le d montage et l acc s l accroche entre le panneau capteur et le collecteur situ en arri re Configuration simple Verre r sistant Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives Syst me enti rement d montable Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s parables Les mat riaux qui constituent le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de l aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice d nergie Les capteurs sont de taille standard selon les panneaux en pierre existants Les capteurs sont fabriqu s partir de proc d non polluants et faible consommation d nergie La mise en place est tr s ais e Pose simple sans impact sur l env
78. JJO JO JO JO JO gt 38 Impact env de l exploitation o jo jo jo fo jo fo fo fo Jo jo Jo Jo Jo Jo o o Jo jo jo fo fo Jo fo fo fo fo 39 Co t de la d construction o jo jo jo jo fo f2 fo o o jo o o o o o o Jo jo jo Jo fo jo fo fo fo fo 40 Impact env de la d construction 0 o jo jo jo o fo jo jo o fo jo Jo Jo jo jo Jo jo jo jo fo o o jo fo Jo o 41 Conv des composants 0 l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 42 Conv de l emplacement O 1 fo fo jo o fo fo jo o jo o Jo o jo jo Jo Jo jo jo fo o fo jo fo jo Jo 43 Co t du traitement des d chets o o o jo Jo jo jo jo Jo jo jo jo jo Jo jo jo Jo Jo jo jo jo jo jo jo jo jo jo Tableau 5 2 Matrice d analyse structurelle des influences sur les variables internes 136 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision influence de sur 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 1 Performance des mat riaux f2 fo o jo jo jo 2 2 fo jo jo jo i 1 fo 2 Faisabilit technique _ 0 fo jo 3 2 o jo jo jo jo jo jo jo jo jo jo 3 Possibilit d industrialisation 0 fo fo 3 13 1 o 1 o fo fo o jo 0 o jo 4 Facilit d installation _ 0 fo jo jo jo 3 2 2 0 jo jo 2 j1 o jo jo 5 Optimisation du positionnement O 0 jo 0 jo 2 0 0 fo fo fo fo fo fo fo fo 6 Ad quation en terme d espace O 0 jo jo jo f1 fo fo fo fo fo fo fo fo fo fo 7 Ad quation en terme d usage
79. LIT 1 FERETI 0 855 109 6 54610088 Figure C 1 54 Ratio de la perte d nergie utile des capteurs int gr s orient s Sud Lyon par rapport a nergie utile de l installation de r f rence az 0 349 Annexe C 2 2 5 34 E o SS a C S LH L R par LE 5 1 165 1914 231 74t ve LH 1 1 18 14 1 45 Figure C 1 55 Ratio de la surface de captage n cessaire des capteurs int gr s orient s Sud Lyon pour produire une m me quantit d nergie utile que l installation de r f rence az 0 Hit ik aiik iit 20 ty 20 ab O74 PTE TEA Has Cs II IE IV LE AT woo sidt RATE SEK TRE w IN 100 0 23 7 59 RES Figure C 1 56 Pourcentage d nergie utile produite a Paris par rapport a l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 350 Annexe C Eit _ Eit li it Eit Mit iij ARE Tik 20 t 20 A Hir 50 100 LL og Woy 160 1 i b nie C3 IIT IE IV LE AT woo 160 04 wIN 100 0 154 3 155 54 SUITE Figure C 1 57 Pourcentage d nergie utile produite Paris par rapport l nergie utile d une installation avec un capteur noir int gr pour une orientation Sud az 0 Ena pe kWh i d S500 0 00 zri co dh 1500 7 nH Pr r AT Aft E c IN IE LV IE Het L SES ETNE 7 LIB PES GTA and 5 OBS L EHIS Li Bis LU E 1098s Chast L iBHS 10 BI
80. Lu w Tv Me Lied co D a t CN cs t WD wW co D So t NI c9 t D T haa T T T t NI NI NI NI NI Temps Figure C 2 19 Eclairement nerg tique horizontal global du 04 au 24 ao t aux GAIA Temperatures des surfaces des absorbeurs Ts2 Ts4 Ts6 Tamb_ext HT Heat eT RER Z s 3 3 3 3 3 amp 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 amp amp amp a amp amp a amp amp amp amp amp amp Li amp W a m co D f w N co Ts SG m o faz D T N o S D D S t T w T T T T T A Ow Os N N 14 Temps Figure C 2 20 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 04 au 24 ao t 385 Annexe C Temp ratures des conduits Toi Tc2 Tc3 Te 100 90 60 a BEN ES ES TERRES CDN EN eT TT ee D In LEE CA 60 50 eA AW TE AS Tg a eg TD JEUNE LUA LG TEREE TC 30 20 p 5 53 O O O O O 9 GS O O O O O T a T T T LA T oS WwW a m co D oO t Cy cs UW m co D So bo CN cs Le gt a So So T T T T t NI y ey NI eN T t T Temps Figure C 2 21 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 04 au 24 ao t Evolution de la temp rature du ballon T
81. O 0 jo 0 jo 0 jo 2 0 fo fo fo fo fo fo fo 8 Installation en r habilitation o 0 jo 0 jo 2 jo 2 jo JO fo fo fo fo fo fo 9 Ad quation en terme de poids O jo jo o jo fo jo fo jo o jo fo jo jo jo fo 10 Visibilit JO fo jo jo jo f1 fo f3 fo fo fo fo fo fo fo fo 11 Modulation _ 0 jo fo 2 jo 2 jo 3 jo jo jo fo jo jo jo fo 12 Performance thermique 0 0 0 0 0 2 0 12 3 3 3 0 0 0 0 0 13 Agir sur l installation JO 0 jo jo jo fo fo 73 2 fo fo fo fo fo fo fo 14 Optim de la configuration O jo jo o jo fo jo f o o jo fo jo jo jo jo 15 Limitation des pertes JO 0 jo f1 jo f1 fo fo f3 fo fo fo fo fo fo fo 16 Isolation acoustique JO 0 jo jo jo f1 fo 2 fo f fo fo fo fo fo fo 17 Isolation thermique 0 jo jo o jo f1 jo f2 3 2 0 fo jo jo jo fo 18 Fonction structurelle O jo jo o jo f jo f2 o o jo fo jo jo jo fo 19 S curit d usage JO 0 jo jo jo 2 0 3 0 fo fo fo fo fo fo fo 20 Limitation des interventions O jo jo 0 jo fo jo f2 o 2 jo fo jo jo jo fo 2l S curit d intervention O 0 jo jo jo fo jo jo fo fo fo fo fo fo fo fo 22 Facilit d intervention 0 0 o o o o o 2 o 2 o o o fo 0 0 0 23 Simplicit 24 R sistance RC CC CC CO CS 25 Dur e devie 0 0 73 jo 2 fo j2 3 jo f3 13 Jo 2 Jo jo fi Variables internes 26 Facilit de d construction 10 fo fo fo o o fo jo o fo fo 3 2 2 2 o 27 S parabili ce mat riaux EE ES 29 Co t d
82. Temp ratures de surface L analyse des graphiques repr sentant les temp ratures de surface montre que le capteur qui est test poss de une temp rature de surface nettement moins lev e que les deux autres capteurs qui sont eux en stagnation Le graphique suivant permet de conna tre les moyennes des maxima sur chaque p riode de test des temp ratures de surfaces Ts2 Ts4 et Ts6 Figure 7 33 Bis2 BTs4 Ts6 105 00 100 00 95 00 90 00 85 00 80 00 Temp rature C 75 00 70 00 65 00 60 00 55 00 P riode 1 P riode 2 P riode 3 Figure 7 33 Moyenne des maxima de chacune des temp ratures de surface 244 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade En stagnation les temp ratures de surface atteignent pr s de 101 C pour le capteur noir 93 C pour le gris et 89 C pour le vert En fonctionnement ces maxima diminuent de plus de 20 C le capteur noir monte au maximum 71 5 C les capteurs gris et vert atteignent des maxima inf rieurs et proches l un de l autre 66 7 C pour le premier et 67 9 C pour le second 7 8 2 Temp ratures de conduit Pour chaque p riode de test le capteur dont la temp rature de conduit est la plus faible est celui qui est en fonctionnement Figure 7 34 Tc1 Tc2 Tc3 60 O1 O1 O1 O iN O1 Temp rature C IK O oO O1 ow O 25
83. attitude d esprit propos e par Gaston Berger en gard aux changements rapides en cours dans 119 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision le monde moderne et s adressant aux personnes ayant prendre des d cisions importantes dans la soci t ou dans les entreprises La m thode pr conis e par l auteur part des consid rations suivantes les changements doivent tre consid r s intervalles plus lointains que le futur imm diat ainsi que dans leurs interrelations avec les autres domaines en transformation leurs cons quences ne peuvent jamais faire perdre de vue leur influence sur l homme La prospective ne vise pas tracer des plans pr cis mais analyser les tendances en profondeur de mani re conduire vers des directions g n rales d action La prospective poss de trois caract ristiques essentielles qui pour une large part la diff rencient de la pr vision Jouvenel 1993 C est une d marche pluridisciplinaire d inspiration syst mique Un probl me ne pourra pas tre correctement appr hende lorsqu on le d coupe en rondelles comme on nous a g n ralement enseign le faire en disciplines acad miques distinctes La prospective se propose d appr hender les r alit s au travers de l ensemble de leurs aspects de toutes leurs variables quelle que soit leur nature En partant d une approche syst mique du probl me elle nous invite consid rer les ph nom nes
84. beaucoup plus difficile atteindre dans les b timents existants Or sur ces b timents des gisements d conomies d nergie ou de substitution par les nergies renouvelables sont importants Une r habilitation de la totalit du parc ancien pourrait entra ner une r duction des consommations de plus de 50 TWh en 2010 et de 120 TWh en 2050 Plus de 3 5 millions de chaudi res de chauffage central individuel ont plus de 15 ans Leur remplacement par des appareils neufs permettrait des gains significatifs tout comme la diffusion des technologies existantes les plus performantes en termes de froid de lavage et d clairage Ce contexte nerg tique du b timent a amen un pays comme la France par l interm diaire notamment de l ADEME d velopper l int gration des nergies renouvelables dans le b timent notamment par le biais de composants solaires Ces technologies sont en effet bien plac es par rapport aux autres fili res nerg tiques vis vis de la plupart des crit res de d veloppement durable ressources renouvelables r duction des missions et des d chets g n r s sur le cycle de vie du b timent 1 4 Probl matique li e l int gration technico architecturale Si la qualit et la durabilit des quipements sont d sormais assur es 11 demeure un frein consid rable la progression du solaire actif son int gration dans l architecture des b timents En France l int gration des capteurs solaires
85. capteur b timent en augmentant l paisseur de l isolant et en int grant la transparence dans le module final permettant ainsi d augmenter la note de la s curit du confort et de l acceptation La meilleure note revient toujours l all ge qui offre un bien meilleur rendement gr ce son inclinaison 5 7 Conclusion La m thode d velopp e SISBat r pond une probl matique de prospective environnementale conomique et technico architecturale de l int gration solaire En effet nous avons labor une grille d analyse selon la d marche syst mique Nous avons identifi les interrelations entre les diff rents crit res de la grille Ensuite avec l analyse structurelle nous avons obtenu un outil qui permet une exploitation suffisante des solutions d int gration solaire dans le b timent et donne une visualisation de la trajectoire possible de la vie de l l ment s il sera fabriqu mis en uvre et exploit jusqu la fin de sa vie et son ventuelle d construction La m thode a permis ensuite de b tir et de modifier six propositions d int gration Les r sultats obtenus montrent que l objectif de la m thode SISBat qui consiste apporter des r ponses pour la conception et l valuation de l int gration des capteurs solaires dans le b timent en absence de m thodes semblables est atteint M me si la m thode prospective d valuation multicrit re SISBat se r v le importante pou
86. concevoir laborer et r aliser des modules de formation des travaux de recherche et des op rations de diffusion de leurs savoirs et savoir faire dans le domaine des mat riaux de la construction et de la qualit des espaces habit s Ils sont ouverts aux tudiants aux enseignants et aux chercheurs des coles d art d architecture et d ing nieurs de la France enti re ainsi qu aux professionnels de la construction et participent la formation des tudiants inscrits dans les tablissements membres et ce de mani re compl mentaire leurs activit s propres 219 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Le b timent s articule autour de plusieurs grands ensembles Figure 7 1 Couverture Bloc ma onnerie REED 4 Ap P d a i Wiin a R i IL A a Grande Halle Circulation Stockage Figure 7 1 Coupe transversale Sud Nord des grands ateliers La couverture La grande couverture translucide et transparente r alis e en plaques de polycarbonate support es par une charpente mixte en m tal et bois est l l ment essentiel du projet unit sous laquelle se d veloppent tous les espaces abrit s du programme int rieurs ou ext rieurs La grande halle c est le c ur du complexe espace couvert mesurant 30 m de long sur 15 m de large et 8 m de hauteur libre cette zone est essentiellement utilis e dans les phases de chantier p dagogique et de montage de prototype
87. contr ler le puisage d bitm tre pour la r alisation d une tude de ces capteurs en conditions r elles d utilisation Un programme de contr le et d acquisition de donn es de mesures a t d velopp pour piloter cette exp rimentation D une part l analyse des donn es de mesures recueillies nous a permis de conna tre les performances de l installation et de chacun des capteurs prototypes Les trois capteurs test s ont permis d obtenir de bonnes performances Le capteur ayant la plus petite absorptivit absorbeur vert a montr des performances inf rieures aux deux autres mais ces derni res restent n anmoins correctes Des mesures concernant la s curit du produit ont t effectu es et ont montr que la temp rature de surface derri re le capteur gris reste acceptable pour les usagers Ces r sultats ont confirm l int r t de cette proposition d int gration sachant que ces capteurs int gr s et color s permettent de plus de capter de l nergie solaire avec un surco t minime L utilisation d absorbeurs de couleurs sombres vert sapin et gris noir s est r v l comme tout fait envisageable et devrait permettre d offrir aux architectes plus de choix m me s il reste encore limit et de nouveaux produits D autre part l installation exp rimentale nous a permis de r aliser une confrontation entre les r sultats de simulation issus du mod le num rique d velopp et les mesures exp
88. curit d usage concerne les risques qui pourront r sulter du fonctionnement ou du non fonctionnement de l l ment solaire comme par exemple la stagnation 128 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision lorsqu il s agit de capteurs eau et auxquels pourront faire face les utilisateurs risque de br lure lectrique La maintenance comprend l ensemble des actions permettant de maintenir ou de r tablir un bien dans un tat sp cifi ou en mesure d assurer un service d termin Ces actions comprennent donc non seulement l entretien mais aussi l inspection p riodique de l quipement le remplacement syst matique d organes ou de parties d organes l installation de nouveaux mat riels leur mise en uvre la r paration et la remise en marche apr s les pannes La maintenance exige des qualifications sp ciales de la part des personnes qui l assurent Nous distinguons trois crit res de maintenance la maintenabilit la fiabilit et la durabilit Maintenabilit Dans des conditions donn es d utilisation pour lesquelles il a t con u la maintenabilit est d finie comme tant l aptitude d un bien tre maintenu ou r tabli dans un tat dans lequel 1l peut accomplir une fonction requise lorsque la maintenance est accomplie dans des conditions donn es avec des proc dures ou des moyens prescrits Elle peut se caract riser par les trois crit
89. d optimiser le rendement sachant que celui ci ne sera pas optimum d la position verticale du capteur 2 Faisabilit technique 3 R alisation simple par assemblage 3 Possibilit d industrialisation 3 El ment pr fabriqu 4 Facilit d installation 2 El ments visser et clipser sur place ahs ae 7 i l i 5 Optimisation du positionnement 2 Capteurs verticaux donc le rendement n est pas optimum Surface adapt e en fonction des besoins Possibilit 6 Ad quation en terme d espace 3 Es l eo d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique YA 5 fai A 7 Ad quation en terme d usage 3 Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d eau chaude sanitaire Remplacement d un panneau de fa ade par d montage 8 Possibilit d installation en r habilitation 2 du panneau existant puisque ceux ci sont assembl s sur l ossature secondaire 316 Annexe B Crit res 9 Ad quation en terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d cons
90. dans les b timents de type habitat individuel collectif et tertiaire La paroi ext rieure est doubl e par une seconde paroi s par e de la premi re par une lame d air a la base de laquelle ont t am nag es les vacuations des eaux d infiltration Notre proposition se r sume la mise en place d un capteur sur la paroi ext rieure qui double la paroi principale L accessibilit pour la maintenance se fera par l ext rieur et les collecteurs seront situ s dans la lame d air Figure 4 1 Le capteur de type plan pourrait remplacer un bloc de pierre unit celui ci tant fix sur le mur de soutien par une ou plusieurs pattes de fixation Pour assurer l tanch it et l isolation du capteur celui ci serait pr fabriqu et r alis dans un caisson assurant le vide int rieur L installation se ferait donc sur le chantier et ne n cessiterait pas de comp tences particuli res Il faudrait toutefois r aliser les liaisons du capteur avec les collecteurs et les ballons de stockage Une analyse des fonctions initiales du mur sans int gration et des fonctions finales dues la modification apport e au mur montre que cet l ment ne perdrait pas en performance laquelle 1l tait destin initialement par contre 1l gagnerait en production nerg tique Tableau 4 1 107 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration Bloc de pierre Joint tanche Capteur plan RP ee a AA
91. de masque Figure 7 2 Couverture Trame 1 o en RERO Trame 2 Pe Fa ade Trame 3 P A ETET E Zz Grande Halle PRE fe Figure 7 2 Coupe transversale de la fa ade Les r sultats obtenus en ce qui concerne l ensoleillement sont traduits sur les diagrammes solaires suivants Figure 7 3 221 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade a Masque amp Soleil Trame 1 5 F H Ve Arkni f Zone d ombre partielle du 5 f vrier au 6 novembre Zone d ombre totale du 17 avril au 28 ao t Trame 2 r este L ka Li as Lt a d mo te EE on is m w a BB es ui om Arkas Zone d ombre partielle du 25 avril au 20 ao t Zone d ombre totale du 10 juin au 4 juillet al y E A A pa a a uE e m o e a MN du su 2x 0 ns oe Aret T Zone d ombre partielle du 20 juin au 22 juin Zone d ombre totale jamais OC Zone d ombre E Zone d ombre COC Aucune ombre totale partielle Limite angulaire de la fa ade Figure 7 3 Etude de l ensoleillement de la fa ade des GAIA Projet ICSF 222 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade La position la plus adapt e pour installer les capteurs solaires est donc naturellement au niveau de la trame 3 en effet les capteurs pourront ainsi profiter d un ensoleillement maximum avec une zone d ombre partielle seulement 2 jours dans l ann e Figure 7 4 ee i 5 q f f a r g Tu E r
92. dispositif d appoint qui prend le relais en cas de besoin En fonction de besoins sp cifiques et du type de b timent on distingue trois types d appoint dans les installations solaires L appoint centralis et la distribution par boucle de circulation L appoint d centralis e et la distribution directe ou par boucle L appoint individualis et la distribution directe 2 4 Conclusion Apr s avoir expos et analys les principes fonctionnels communs la plupart des syst mes solaires thermiques actifs nous pouvons r sumer les principales exigences et qualit s requises pour chacune de leurs fonctions principales La fonction de captage qui consiste faire diriger une partie du rayonnement solaire vers l absorbeur est assur e par les diff rents types de capteurs solaires thermiques Les exigences et les qualit s principales requises sont L optimisation de l orientation et de l inclinaison des surfaces de captage afin que ces derni res soient orient es perpendiculairement aux rayons du soleil La limitation des ombres port es sur le champ des capteurs L optimisation de la superficie des capteurs par rapport aux besoins La r sistance aux influences des conditions atmosph riques pluie neige gr le vent La r sistance des contraintes internes temp ratures minimales jusqu 30 C en hiver et maximales installation en stagnation brusque variation de temp rature sui
93. effectu par une analyse de sensibilit aux mat riaux caract ristiques coefficients d change et la g om trie canyon b timent masques et par l observation de l volution relative des temp ratures diurnes et nocturnes La partie exp rimentale pourrait galement tre tendue afin d tudier d une part le fonctionnement d un champ d l ments capteurs d autre part d valuer le comportement des capteurs en ambiance r elle Ainsi la fa ade exp rimentale pourrait tre r am nag e en ajoutant un champ de capteurs avec une configuration hydraulique ajustable et en installant 268 Conclusion g n rale et perspectives une cellule ambiance contr l e l arri re d une partie du champ Cette derni re pourrait servir aussi valuer la capacit du mod le num rique d velopp d crire l impact de la pr sence des capteurs solaires dans le module de fa ade sur le confort et le comportement thermique interne des b timents 269 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 270 R f rences Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 212 R f rences R f rences ABU ZOUR A M RIFFAT S B and GILLOT M New design of solar collector integrated into solar louvres for efficient heat transfer Applied Thermal Engineering 2006 vol 26 n 16 pp 1876 1882 ADRA N Proposition d une procedure de certi
94. effet de masque provenant surtout des b timents avoisinants et ainsi obtenir de meilleurs rendements Dans le contexte environnemental actuel 11 nous para t important d tudier aussi la contribution de ces syst mes la r duction annuelle des missions de CO Suivant l nergie substitu e sont calcul s en kg par m de captage les poids de CO vit s lorsque nous installons des syst mes solaires avec des capteurs solaires int gr s Ainsi nous avons calcul la quantit de CO vit e Lyon suivant l nergie substitu e que ce soit le fioul domestique le gaz naturel o l lectricit Figure 6 32 gt En France 78 3 nucl aire 11 3 de thermique classique 10 2 hydraulique et 0 2 olien et photovolta que EDF 205 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s CO2 vit Lyon suivant l nergie substitu e 350 m Fuel domestique 300 ee ee ee ee m Gaz naturel 5 lectricit 290 z CI o 200 o T S 150 O D x Gite M Th le 0 _ Noir classique Noir int gr Gris int gr Vert int gr CS En E Es Figure 6 32 R duction annuelle des missions de CO2 par le syst me solaire thermique Les r sultats montrent que 164 kg de CO2 m de capteur peuvent tre vit s avec des capteurs noirs int gr s dans la fa ade du b timent 137 kg de CO2 m de capteur avec des capteurs gris
95. en 2050 pour l ensemble des b timents en service dont environ 50 kWh m pour le chauffage des locaux et l eau chaude sanitaire On mesure ainsi l ampleur des efforts technologiques et financiers r aliser Dans ce contexte l utilisation thermique de l nergie solaire dans le secteur du b timent constitue un v ritable enjeu pour les probl mes environnementaux conomiques et sociaux L nergie solaire produit peu de d chets et engendre peu d missions de gaz effet de serre responsables du r chauffement de la plan te Elle pr sente aussi de nombreux avantages au regard de la s curit nerg tique puisqu elle est une source locale in puisable En France la fili re solaire thermique a d j une grande anciennet Depuis trente ans la qualit des installations solaires thermiques est en constante progression gr ce notamment aux efforts faits par les industriels pour am liorer les performances des mat riels qu ils produisent et la mise en place de procedures de qualification et de certification des produits L augmentation du prix de p trole la volont nationale de diminuer les missions de gaz a effet de serre et la mise en place depuis janvier 2005 d un cr dit d imp t de 40 venant en remboursement ou en d duction de l achat du syst me solaire thermique ont permis de donner un coup d acc l rateur r el au d veloppement de cette fili re Mais le marche des quipements solaires thermiques restai
96. ennes choisie pour l tude Figure 6 5 Figure 6 6 Figure 6 7 Figure 6 8 Figure 6 9 Figure 6 10 Figure 6 11 Figure 6 12 Figure 6 13 Figure 6 14 Figure 6 15 Figure 6 16 Figure 6 17 Figure 6 18 Figure 6 19 Figure 6 20 Figure 6 21 Figure 6 22 Figure 6 23 Figure 6 24 az 0 Figure 6 25 Figure 6 26 Figure 6 27 Figure 6 28 Figure 6 29 Figure 6 30 Figure 6 31 Figure 6 32 Figure 6 33 Figure 6 34 Figure 6 35 Le module solaire int gr en fa ade Coupe transversal du capteur C8 S Giordano Capteur solaire de r f rence et capteur int gr en fa ade G om trie du volume tudi Configuration urbaine Haussmannienne avec effet de masque sur les capteurs int gr s Ensoleillement du capteur solaire int gr en fa ade du b timent cas de Lyon Interface Windows des caract ristiques d une zone dans TRNBuild Le mod le graphique du mod le de syst me solaire int gr en fa ade du b timent Eclairement nerg tique et temp rature ext rieure l Isle d Abeau le 13 juillet 2005 Influence du coefficient d absorption sur la temp rature moyenne de l eau dans le ballon __ Influence du coefficient d mission sur la temp rature de l eau dans le ballon Rayonnement horizontal global du 13 au 18 juillet 2005 l Isle d Abeau Maximum atteint par la temp rature de ballon sur la p riode du 13 au 18 juillet Moyenne d la temp ratur
97. entre la t le noire de l absorbeur et le tube noir parcouru par l eau les qualit s optiques des mat riaux transparents ou absorbants autant de domaines dans lesquels des progr s significatifs ont t r alis s ces derni res ann es Les capteurs sous vide sont parmi les plus efficaces et parmi les types les plus co teux de capteurs solaires Ces capteurs conviennent mieux des applications temp rature mod r e o la temp rature souhait e atteint 50 95 C et ou des applications o le climat est tr s froid Ils sont constitu s d une s rie de tubes de verre sous vide l int rieur desquels se trouve un absorbeur qui capte l nergie solaire et la transf re au fluide caloporteur Figure 2 9 Tube en Pyrex Tube sous vide SSS Vide Tube en cuivre Figure 2 9 Coupe d un capteur sous vide ADEME Gr ce aux propri t s isolantes du vide les d perditions de chaleurs par convection sont r duites permettant ainsi de chauffer l eau a 85 100 C pour alimenter un groupe de production de froid par absorption ou pour la production d eau chaude dans les b timents tertiaires h pitaux L usage de ces capteurs est assez r pandu en Europe du Nord et en Suisse 51 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent Les capteurs concentration sont des capteurs solaires comportant un syst me optique r flecteurs lentilles destin concentrer sur
98. es 3 13 Toitures La toiture doit assurer les fonctions suivantes tanch it l eau et Pair L ensemble d l ments qui forment la toiture doit tre parfaitement tanche l air et toute action d eau et d humidit les exigences sont encore plus fortes pour les toits plats cause de leur faible inclinaison et ventuelle r tention d eau Isolation thermique Le niveau d isolation thermique de la toiture doit verifier les exigences r glementaires et garantir un confort thermique l int rieur du b timent en fonction d utilisation de l espace int rieur de la toiture Isolation acoustique L isolation acoustique doit v rifier les exigences r glementaires en mati re d acoustique da la toiture en fonction des locaux l int rieur du b timent S ret La toiture s pare le milieu ext rieur du milieu int rieur et prot ge ainsi l espace int rieur contre les tentatives d intrusion dans un b timent Aspect La toiture participe l expression de l architecture du b timent Stabilit Les toitures doivent r sister aux charges et aux forces appliqu es y compris les charges climatiques dues au vent la neige et au soul vement dans le cas des toitures inclin es et les transmettre aux l ments porteurs verticaux La typologie d une toiture conduit un classement en fonction de plusieurs crit res La forme simple ou complexe versants plans ou courbes F
99. es avec une isolation thermique contre les pertes thermiques et les intemp ries Le cuivre est un mat riau durable l aluminium r siste moins bien la corrosion et l acier galvanis est caract ris par un faible taux de conduction de la chaleur Dans beaucoup de syst mes le fluide caloporteur utilis est de l eau Divers additifs peuvent y tre ajout s tels que de l antigel glycol afin de prot ger les capteurs en hiver Certains capteurs sont pr vus pour tre vidang s en cas de risques de gel ou de surchauffe Deux types de transfert sont possibles par circulation naturelle ou thermosiphon L avantage des syst mes qui fonctionnent par thermosiphon est qu ils ne n cessitent aucun dispositif de r gulation et des pompes de mise en circulation du fluide caloporteur La circulation du fluide caloporteur est due a la diff rence des temp ratures et des densit s de l eau dans le capteur et dans le ballon de stockage L eau chaude monte vers le point le plus haut du syst me et l eau froide se d place du bas de ballon de stockage vers le bas du capteur Figure 2 11 52 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent i TA a es ie a ie oh 5 SOMOS n ee Lis EE met a He ne aps er Figure 2 11 Installation solaire fonctionnant par thermosiphon Outilssolaires Ces syst mes sont en g n ral utilis s dans le cas des installations de chauffe eau individuel les applications c
100. es suivant une d marche it rative pour calculer la surface de captage n cessaire aux syst mes avec des capteurs int gr s pour reproduire la m me quantit d nergie fournie par les syst mes de r f rence Un ratio de surface est d fini pour chaque capteur selon la couleur de l absorbeur et la ville consid r e Dans la figure suivante nous pr sentons et analysons les r sultats obtenus pour le cas des syst mes ayant des capteurs orient s vers le Sud dans les sept villes choisies Figure 6 30 Sud sans masque 2 50 d 2 00 1 50 Ratio 1 00 0 50 0 00 Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stockholm Lisbonne Figure 6 30 Ratio de la surface n cessaire des capteurs int gr s sans effet de masque az 0 Les r sultats montrent que lorsque nous utilisons les l ments solaires int gr s dans la fa ade la surface de captage devrait tre multipli e en moyenne par 1 80 pour des capteurs noirs int gr s par 2 10 pour des capteurs gris int gr s et par 2 25 pour des capteurs verts int gr s Ces valeurs refl tent que la production de la m me quantit d nergie des syst mes de r f rence n cessite en moyenne une surface de captage double et ceci pour les trois couleurs tudi es Ces valeurs sont encourageantes suivant deux aspects En premier lieu le rendement des capteurs int gr s n est pas trop p nalis et reste comparable au rendement des syst mes traditionnels En second l
101. et l incertain Quelques essais pr liminaires ont t effectu s mais 1ls demandent tre poursuivis Dans le cadre de ce travail nous avons restreint l applicabilit de la m thode aux b timents neufs Compte tenu de la politique actuelle de r habilitation du parc existant en France pour am liorer les conditions de vie et diminuer les consommations nerg tiques il nous semblerait judicieux d tendre le champ des applications celui des projets de r habilitation Cette extension si elle est conduite ne peut se faire directement Un projet de r habilitation est caract ris par le fait qu il est conditionn en partie par le b timent existant elle n cessitera des adaptations au niveau de la m thodologie particuli rement au niveau de la mise en uvre Il para t judicieux pour conclure sur cette partie de pouvoir valuer la m thode SISBat en l appliquant d autres composants du syst me solaires stockage et distribution et d autres types de syst mes solaires thermiques rafra chissement solaire plancher chauffant En ce qui concerne la mod lisation num rique une des pistes de d veloppement futur pourrait tre l tude de l incidence de ces syst mes sur les changes entre les b timents et les microclimats urbains Il s agirait d estimer le r le que pourraient avoir les l ments capteurs sur le climat environnant notamment le ph nom ne d ilot de chaleur Ceci pourrait tre
102. et son environnement C est pourquoi la d finition des variables en limitant le nombre d interpr tations des variables s av re essentielle B 1 2 Mise en relation des variables Dans une vision syst mique une variable n existe que par les relations qu elle entretient avec les autres variables C est pourquoi la deuxi me tape de l analyse structurelle consiste rep rer les relations entre variables en utilisant un tableau double entr e appel matrice d analyse structurelle du syst me Chacun des l ments matriciels repr sente une liaison d une variable sur une autre variable Pour construire la matrice d analyse structurelle il est donc n cessaire de s interroger sur la nature de l influence directe qui existe entre chacune des variables Le remplissage de la matrice est qualitatif Toutefois il convient avant de conclure l existence d une liaison entre deux variables de r pondre syst matiquement trois questions Figure B 1 1 303 Annexe B 1 Y atil bien influence directe de la variable 1 sur la variable j ou bien la relation n est elle pas plut t de j vers 1 2 Y atil influence de 1 sur j ou bien Y at il pas colin arit une troisi me variable k agissant sur 1 etj 3 La relation de 1 j est elle directe ou bien passe t elle par l interm diaire d une autre variable r de la liste k r CD 2 D Sch ma a Sch ma b Sch ma Figure B 1 1 Types d influ
103. expanse ou d solidaris d un dallage isol Une coupure de capillarit dont la hauteur au dessus du sol est sup rieure 20cm est interpos e entre la ma onnerie et la structure en bois 73 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent L l ment de structure de mur est constitu d une ossature en bois r sineux cadres et montants de petite section 36mm 97 ou 122 mm l cartement de 0 40 ou 0 60 m assembl e par pointes ou agrafes sur un voile travaillant en panneaux de contreplaque Les murs p riph riques sont completes de l int rieur vers l ext rieur par une plaque de pl tre BA 13 un film poly thyl ne un matelas isolant fibreux min ral un pare pluie et un rev tement ext rieur du type clin Les murs int rieurs sont simplement compl t s par une plaque de pl tre BA 13 sur chaque face L el ment de Plancher est constitu d un solivage en bois massif qui supporte en partie sup rieure un plancher porteur en panneaux de particules de 22 mm et en partie inf rieure un faux plafond BA 13 sur contre lattage m tallique Les solives prennent appui sur les murs par l interm diaire d une lisse haute qui constitue le chainage horizontal L about du plancher est ferm par une solive p riph rique et une entretoise avec incorporation d isolant dans le vide ainsi constitu I Rev tement D Doublage ext rieur ee int rieur i f Dalle de Lattag
104. fa ades Les fa ades lourdes les fa ades l g res et les fa ades double peau 3 11 1 Les fa ades lourdes Dans cette cat gorie on trouve Les fa ades en ma onnerie Les fa ades en b ton coul en place qui sont g n ralement porteuses Les fa ades pr fabriqu es en b ton qui peuvent tre constitu es soit par des all ges soit par des panneaux de fa ades complets Figure 3 11 12 cm minimum Acrotere 8 cm ies ee 6 cm minimum Hauteur j d tage E Trumeau gt 15 cm minimum i fi T gt g T Max IMum MNseilg Surface maximale 30 m a panneau plein b panneau nervur section Ancre de levage 9 Voile Voile de ext rieur b ton _ lsolant librement int rieur 4 10 cm dilatable Longueur maximum 6 m _ Tube i Longueur d ancrage Rail de maximum 7 m mox fixation 6 cm minimum Wem minimum Non porteur Ext rieur Int rieur 9 cm minimum Porteur 12 cm minimum 7 em minimum isolant 4 10 cm c panneau sandwich voiles solidaires d panneau sandwich voile ext rieur librement dilatable VELD Figure 3 11 Les quatre types de panneaux de fa ades en b ton arm pr fabriqu s CERIB 11 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Dans les constructions neuves la plupart des fa ades en b ton sont constitu es de trois parois une paroi ext
105. humidit relative cc sncxisie Sx Joos Asa ics nce See titres 232 OO DI E E eee ee au OE een ne EE ere ree ee eT 233 TST LeS WI OGUICS CGU TUO s RENE cals NE tse E R du ii cela 233 FO Ma CU A OMA raha ces Ne ne eS ee ine op ne lle tion 234 kI I Monta ea loba ihe ec E nettes ER EEEN 239 TE Ees VS 1eme ACCUM S ION este mae a as leu don is 236 LOAL Tarametracedelacarte ACQUISITION SEEN ent Ru ets ae us 236 7 6 2 D veloppement d une interface d acquisition avec LabVIEW 236 FO DOCES CMON JUOS SERRE SR RE NES eaten N eee 237 LOA Le pas de temps del GCGUISINOM ccrschcrticasSectharaben datavedeucahicniicas boc bbaraien de ne 238 TOD LEPUS AT O Sn dt de Data ted eae cee deca laa etn ee de enc da Ro 238 7 7 Validation de Ll installation Gd acquisition ccccccccssssseseeecceceecceeseeeeecccceeeeaaaeeeeeeecees 239 7 Jl Installation soldi reens dna ON SEEN Re ite cece nn cee en nn 239 7 7 2 R sultats de mesures d une journee ensoleilee con soe Ao Se a Ree est st el 240 JJ iS RESUNGIS de mesures d une Journee COUVE E SR A en M Rens te et ee EA 242 7 8 Mise en route de l installation et exploitation des r sultats ccecccccccceeeeseeeeeeeeeees 243 OL Leper reS AC SUV ACC hace fide oa RNA Sth nea na Deh ete he eRe na diese 244 TO D TOME IIIS IC CORAIL Neck heel ER RSS ee ed ne dr 245 OSV CIID ETON CS AC ST UUU Crete oe ct ct Sots Da N MR Re Nes nee ue A 246 70 TOME LING CC DQ OM spt SR a eos itl tenes Snel ate
106. int gr s 134 kg de CO2 m de capteur avec des capteurs gris int gr s lorsque l nergie substitu e est le fuel domestique Lorsque l nergie substitu e est le gaz naturel la quantit de CO vit e varie entre 99 kg pour un capteur noir int gr et 81 kg suivant le couleur de l absorbeur du capteur int gr Alternativement l utilisation de l lectricit la productivit des capteurs solaires thermiques int gr s permet d viter 86 kg de CO2 m de capteur pour les capteurs noirs int gr s 71 kg de CO2 m de capteur pour les capteurs gris int gr s 70 kg de CO2 m de capteur pour les capteurs verts int gr s Pour la totalit des r sultats se r f rer l annexe C 1 2 6 8 3 Impact sur l ambiance interne Apr s avoir analys la performance thermique des capteurs solaires thermiques int gr s nous avons tudi l impact de leur comportement thermique et de l impact de leur interactivit avec l ambiance interne du b timent par leur influence sur la temp rature int rieure finale Des simulations sont men es avec la g om trie du b timent d crite dans le protocole de simulation pour une fa ade solaire et une fa ade traditionnelle pendant deux saisons diff rentes une semaine de f vrier hiver et une semaine d ao t t Le syst me solaire pour la production d eau chaude consid r est compos comme pr c demment de 14 m de capteurs noirs int gr s reli s u
107. l ment solaire et de ses composants pour le captage vitres absorbeurs et structures additionnels pour le stockage le poids du fluide stocke etc Esth tique L esth tique est une recherche de ce qu est le beau et de ce qui est beau L expression esth tique des syst mes solaires se r f rera donc la recherche sur les formes la mati re les couleurs visant a rendre ces systemes solaires les plus attrayants possibles et ce tant pour les utilisateurs que pour la ma trise d ceuvre Nous distinguons donc trois crit res principaux la visibilit du syst me sa modulation ainsi que son acceptation La visibilit du syst me solaire correspond la qualit de ce syst me tre vu facilement perceptible La visibilit est la base m me de la probl matique d int gration des syst mes solaires Un syst me invisible m me non int gr au b ti comme par exemple des capteurs simplement pos s sur une toiture terrasse ne sera en effet pas sujet pol mique si bien qu il sera en partie accept La modulation du syst me solaire n est autre que sa capacit de variation d adaptation de modification selon certains crit res ou certaines circonstances Elle peut tre recherch e dans le coloris le model les formes les mat riaux etc Ainsi la modulation est un crit re essentiel pour la ma trise d uvre L acceptation des usagers correspond au fait que les u
108. l ments sont r alis es l aide de blocs de b ton de briques de terre cuite et de pierres 3 7 1 Murs et parois en ma onnerie Les murs r alis s en ma onnerie de petits l ments doivent r pondre un certains nombre d exigences r glementaires stabilit m canique type de mur en fonction de son exposition isolation thermique isolation acoustique et tenue au feu 67 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent La stabilit m canique se traduit par des r gles de conception de calcul et d ex cution Ces r gles sont d finies dans la norme P 10 202 2 DTU 20 1 parois et ma onnerie en petits l ments et dans la norme EN 1996 Eurocode 6 calculs des ouvrages en ma onnerie Lorsqu il s agit de murs ext rieurs fa ades on distingue 4 types de murs selon l importance du r le d volu la paroi de ma onnerie dans l tanch it du mur complet la pluie Figure 3 2 Ils sont d finis dans la norme P 10 202 3 DTU 20 1 Mur de type I Ce type est un mur qui ne comporte ni rev tement tanche sur son parement ext rieur n1 coupure de capillarit dans son paisseur Mur de type II Ce type est un mur qui ne comporte aucun rev tement tanche sur son parement ext rieur mais comporte dans son paisseur une coupure de capillarit continue On distingue le type Ia dans lequel la coupure de capillarit est constitu e par des panneaux isolants non hydrophiles et le type Ib d
109. la plus faible Figure 6 28 Pourcentage EDE 1 CS smd IN IE LV IE Fainer 100 0 45 5 52 0 22 5 21 2 Mai 100 0 25 6 15 4 15 4 12 Be Ao t LGD 0 51 086 26 0 20 556 19 3 Figure 6 28 Pourcentage d nergie utile dans trois mois diff rents Paris pour une orientation Sud az 0 En effet pour f vrier le capteur noir int gr assure 45 5 de la part d nergie produite par les capteurs de r f rence tandis que cette valeur tombe 31 pour le mois d ao t et 25 6 pour le mois de mai Les r sultats de cette s rie de simulations montrent que le concept d int gration propos avec l utilisation d absorbeurs color s est pratiquement faisable En effet les pertes en performance sont compens es par un faible surco t et par un gain en int gration Les surfaces n cessaires pour r cup rer la chute en performance sont pratiquement disponibles en fa ade Pour la totalit des r sultats se r f rer l annexe C 1 1 6 8 2 2 Deuxi me s rie de simulations Cette s rie de simulations est effectu e sur la p riode d un an pour des capteurs ayant comme couleur d absorbeurs les trois couleurs les mieux class es Noir chrom RAL 7021 RAL 6009 Des modules solaires prototypes seront construits avec ces couleurs pour la phase exp rimentale Ainsi le but de cette s rie est de pr dire la performance thermique des prototypes qui seront test s l chelle r elle comme
110. les autres et un effet retour sur elles m mes Secteur 3 les variables sont peu motrices et tr s d pendantes Ce sont des variables r sultats dont l volution s explique par les variables des secteurs et 2 Secteur 4 les variables sont peu motrices et peu d pendantes Ces variables constituent des tendances lourdes ou des facteurs d connect s du syst me avec lequel elles n ont que peu de liaisons en raison e leur d veloppement relativement autonome Secteur 5 les variables sont moyennement motrices et ou d pendantes 306 Annexe B B 1 5 Classement direct et classement indirect La matrice d analyse structurelle telle qu elle est d finie dans la partie Mise en relation des variables ne traduit que les influences directes qui existent entre les variables du syst me Or il peut exister entre ces variables des actions dites indirectes En effet si une variable 1 influence directement une variable k et si cette variable k influence directement une autre variable j alors tout changement affectant la variable 1 peut avoir une r percussion sur la variable j il existe donc une relation indirecte entre 1 et j Figure B 1 6 Figure B 1 6 Action indirecte de 1 sur J Afin de d celer les variables qui peuvent tre importantes compte tenu des liaisons indirectes et de mieux comprendre la dynamique du syst me 1l est possible d utiliser une m thode de multiplication matricielle appliqu e l
111. march ont t test s et b n ficient d avis techniques mis par le CSTB donc c est du savoir faire de l entrepreneur que d pend la r ussite de l installation Les capteurs implant s sur un toit inclin sont mieux per us s ils font une partie int gr e de la toiture Figure 1 8 Vitrage int gr en toiture Couverture traditionnelle Figure 1 8 Coupe d un capteur solaire int gr en toiture inclin e Clipsol Il est vident que le choix du capteur rel ve non seulement de l objectif de capacit du dispositif mais aussi de l esth tique Les architectes ont souvent reproch aux capteurs poser de ne pas s ins rer discr tement dans la structure b tie Cela ne doit pas pour autant repr senter un handicap car 1l existe de nombreux exemples d int gration r ussie bas e sur une mise en valeur de cette technologie Ceci peut m me conduire une valeur ajout e au b timent Nous pr sentons dans les Figure 1 9 et Figure 1 10 deux exemples d int gration de capteurs solaires en toiture 36 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires By a x Figure 1 10 Exemple d int gration en toiture d un b timent en Finlande Solpros A ia 7 Les solutions de capteurs int gr s en toitures bien que largement diffus es en particulier dans les pays de l Europe du Nord ne permettent pas de r pondre toutes les situations et posent souvent
112. mat riaux Impact environnemental de l installation 36 Disponibilit des mat riaux Co t des mat riaux Performance des mat riaux Performance des mat riaux Impact environnemental de l exploitation Confort thermique Co t de la d construction Wave Impact environnemental de l exploitation Impact environnemental de la d construction A d Limitation des pertes LNW TN X 31 Limitation des pertes Convertibilit des composants 30 S curit d usage K Co t de la d construction 29 Ad quation en terme de poids Co t du traitement des d chets 28 Co t des mat riaux S parabilit des mat riaux 27 Impact environnemental de la fabrication Impact environnemental de la d construction 26 Convertibilit des composants Convertibilit de l emplacement 25 Optimisation du positionnement Y A R sistance 24 R sistance KX Performance thermique 23 Convertibilit de l emplacement AY Optimisation du positionnement 22 Ad quation en terme d espace G Impact environnemental des mat riaux 21 Modulation 4 ye Ad quation en terme de poids Q Dur e de vie x Limitation des interventions 19 L Q S curit d usage 8 18 17 16 Confort thermique J Facilit d installation N Impact environnemental de la fabrication Possibilit d installation en r habilitation Iw Facilit d installation Limitation des interventions AS Ad quation en terme d espace 15 Co t du traitemen
113. matique d int gration des composants solaires solaires nouvellement install s s levait 750 000 m ce qui quivaut une puissance solaire thermique de 525 MWth Selon l ESTIF European Solar Thermal Industry Federation les trois march s leaders ne se sont certes d velopp s que lentement ces derni res ann es mais ils sont en train de fournir un effort consid rable en vue de renforcer la dynamique du march A la fin de l ann e 2001 la puissance thermique des capteurs solaires install s atteignait sur ces march s 69 000 MWth Quant aux march s espagnol fran ais et italien 1ls traversent actuellement une phase de d veloppement tr s dynamique dans l optique de rattraper l avance consid rable prise par les pays leaders L Espagne a de plus promulgu un d cret rendant obligatoire l installation de syst mes solaires thermiques sur les b timents neufs et en r novation 1 2 3 D veloppement du march solaire thermique fran ais En France la fili re solaire thermique est en constante progression Les chiffres de march annuel sont en effet pass s de 20 000 m en 1999 121 500 m en 2005 Figure 1 4 L origine de cette relance est due essentiellement au Plan Soleil qui est un programme de promotion dirig par l Agence de l Environnement de la Ma trise d Energie ADEME sur la p riode 2000 2006 Actuellement le Plan Soleil c de sa place au plan Face Sud inscrit dans la loi d orien
114. mise en uvre de l l ment ou du proc d constructif L int gration de l l ment solaire devrait se faire d une fa on simple qui n a pas besoin de recours une expertise solaire Le r le de l isolant dans les diff rents l ments et son positionnement L isolant des fa ades ou des toitures pourrait se servir aussi comme isolant de l l ment de captage solaire La fonction de la lame d air de certains principes constructifs Elle pourrait servir a recueillir des tuyaux de transfert de chaleur L accessibilite pour la maintenance L accessibilit aux elements solaires pour un remplacement ou une r paration est n cessaire pour garantir un bon fonctionnement du syst me solaire Le type du b timent auquel on va appliquer le proc d constructif et implanter des l ments solaires thermiques Le type de b timent donne une premi re id e sur les besoins requis eau chaude pour l habitat climatisation pour les bureaux ainsi serait connu le niveau nerg tique n cessaire par exemple la temp rature du fluide dans le stockage La conformit d usage L int gration d une fonction solaire impliquerait des modifications sur la fonction initiale de l l ment Cela pourrait concerner l esth tique la transparence le poids Ainsi l attention serait port e sur cet aspect afin d viter de trop modifier l apparence et les fonctions initiales de l l ment constructif Cet
115. motricit La facilit d intervention Maintenabilit D pendance moyenne faible motricit L acceptation des usagers Esth tique Forte d pendance faible motricit Tableau 5 7 Les crit res essentiels de l analyse d int gration solaire Pour am liorer globalement la solution d int gration propos e nous devons donc surtout am liorer les crit res essentiels moteurs faibles par une modification de la conception d origine pour qu elle r ponde aux exigences requises par les crit res en cause Les modifications propos es devront tre bien choisies afin de ne pas alt rer les autres crit res de la grille Par exemple les deux crit res cl s moteurs la fonction d isolation thermique et la performance des mat riaux seront optimis s si l isolant min ral est remplac par un isolant sous vide En effet un isolant sous vide est beaucoup plus performant et plus l ger qu un isolant min ral Mais par contre 1l est trop cher et son utilisation aura un impact direct sur le co t de l installation crit re essentiel tr s d pendant Donc de telles solutions ne sont pas les plus performantes et nous conseillons pour l instant de les viter 156 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Notre objectif essentiel dans la suite tant de montrer comment se servir de la m thode pour am liorer les conceptions d origine nous allons proposer des modifications simples bas es
116. nous avons utilis TRNSYS cause de ses qualit s et en plus parce qu il h berge un composant qui permet une liaison dynamique avec MATLAB sous lequel est crit notre code de capteur int gr dans l enveloppe du b timent 6 3 Le protocole de simulation 6 3 1 Les fichiers climatiques Nous avons choisi d utiliser la base de fichiers climatiques de METEONORM qui est une base mondiale de donn es m t orologiques qui vient s ajouter la biblioth que de TRNSYS 16 Nous avons ensuite effectu des simulations pour trois villes fran aises repr sentant trois zones d clairement solaire diff rent Paris Lyon et Nice V chelle Europ enne nous avons choisi de mener des simulations pour Stockholm Ath nes Lisbonne et Berlin afin de pouvoir comparer des r sultats repr sentatifs des diff rentes zones climatiques europ ennes Figure 6 4 f es Figure 6 4 Distribution des villes Europ ennes choisie pour l tude Un fichier climatique enregistr en temps r el en 2005 par la station m t orologique install e par l Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat sur le site de l Isle d Abeau est aussi utilis pour les simulations de l tude param trique du choix des couleurs et surtout pour la comparaison avec les donn es exp rimentales comme nous le verrons dans la derni re partie 182 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 3 2 La desc
117. nous verrons dans la derni re partie Le syst me solaire consid r est compos de 14 m de capteurs et un ballon de stockage de 1000 1 Des simulations sont d abord effectu es dans le but de calculer la quantit d nergie utile produite pour des configurations diff rentes et de comparer les r sultats la quantit 202 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s d nergie utile produite par un syst me de r f rence traditionnel Les r sultats sont regroup s dans des graphiques qui permettent d observer la diff rence entre plusieurs zones climatiques Ainsi dans le graphique suivant sont pr sent s les r sultats des simulations effectu es sur la p riode d un an pour des syst mes solaires install s Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stockholm et Lisbonne avec des capteurs traditionnels et des capteurs int gr s noirs et color s tous orient s vers le Sud Figure 6 29 Sud sans masque 14000 00 x 12000 00 10000 00 8000 00 Qu KWh 6000 00 4000 00 2000 00 0 00 Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stockholm Lisbonne m capteur noir classique capteur noir int gr capteur gris int gr W capteur vert int gr Figure 6 29 Quantit d nergie utile des syst mes solaires orient s vers le Sud sans effet de masque az 0 En n gligeant l effet de masque un syst me solaire avec des capteurs noi
118. on significative En effet passer de 7 3 kJ h m K permet de gagner 1 53 C sur la moyenne de la temp rature du ballon dans la journ e 292 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 7 9 2 R sultats et discussion La configuration du mod le num rique utilis e pour faire l tude comparative est donn e par le tableau suivant Tableau 7 11 Les simulations sont effectu es sur six Journ es bien ensoleill es correspondant des p riodes d exp rimentation de chacun des capteurs prototypes Penodede 13 07a0h 20 07 0h 04 08 40h simulation 14 07 24h 21 07 24h 05 08 24h Configuration Emissivit de l absorbeur 0 077 du capteur Absorptivit de l absorbeur 0 956 Configuration Coefficient de perte du i du ballon ball n 3 kJ h m K Sc nario de Puisage N 1 de 6h00 6h05 puisage Puisage N 2 de 19h30 19h35 Tableau 7 11 Param trage utilis dans la simulation num rique des trois capteurs prototypes Lorsque le capteur test est li au syst me solaire nous nous int ressons sa productivit La temp rature de l eau dans le ballon de stockage est alors observ e Les deux autres capteurs sont alors en stagnation et nous observons ainsi la temp rature moyenne de la plaque absorbante qui permettra de d terminer l impact sur l ambiance int rieure du b timent Dans la suite les comparaisons entre les valeurs simul es et les donn es exp rime
119. peu d impact financier La d construction devrait tre r alis e par d clipsage et 40 Impact env de la d construction 3 d vissage des composants c est pourquoi son impact environnemental devrait tre minime 41 Convertibilit des composants 2 Les composants sont enti rement recyclables Mo Cong enipilite del emplacement 2 Les panneaux capteurs peuvent ais ment remplacer par des vitrages normaux ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications des diff rents D pee eee l mat riaux constituant les capteurs laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux Tableau 5 5 Notation na de la fa ade vitrage parclos Selon le m me proc d les grilles d analyse des cinq autres solutions sont remplies Dans le tableau suivant est pr sent e la totalit des notes affect es aux crit res pour chacune des six solutions d int gration tudi es Tableau 5 6 Mur en Bardage All ge Fa ade Fa ade Vitrage Crit res Notes ma onnerie acier de panneau rideau parclos de type II simple fen tre ma onnerie l Performance des mat riaux 2 2 2 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage 8 Installation en r habilitation 9 Ad quation en
120. principalement valu en termes de pollution et de toxicit 5 2 4 La grille d analyse partir de la d finition des diff rents crit res nous pouvons identifier douze sur crit res principaux qui se d clinent en quarante quatre crit res appartenant chacun une phase de vie du composant et un type de crit re Nous avons group ces crit res dans une grille d analyse Figure 5 3 131 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision que TObenn Res Eu conomiques environnementaux techniques architecturaux Choix des mati res premi res disponibilit des mat riaux_ 7 a ee performance des mat riaux O RE RE ___ impact env des mat riaux Proc d constructif Fabrication co t de la fabrication impact env de la fabrication Proc d d installation Adaptabilit optim du positionnement ad q en terme d espace Mise en oeuvre acceptation Fonctionnement thermique Performance thermique possibilit d agir sur l installation optimisation de la configuration limitation des pertes confort thermique impact env de l exploitation Multifonctionnalit isolation acoustique isolation thermique Exploitation Vie en oeuvre Maintenabilit Fiabilit simplicit de l ouvrage r sistance de l ouvrage Durabilit Maintenance dur e de vie D construction co t de la d construction impact env de la d const
121. produite par le syst me r f rence 369 Annexe C Fato Figure C 1 95 Coefficients de multiplication de la surface de captage Ath nes avec diff rentes configurations Berlin S000 00 TOC O0 5000 00 S000 00 Ewi 000 O 00 00 2000 00 1000 00 0 00 SUD SU D H argie OUEST O DESTAN atge EST eT Ol cask MCaptenr olr CIE Ecapeirgqre Weqe Date Figure C 1 96 Quantit s d nergie utile produite Berlin avec diff rentes configurations 370 Annexe C Berlin SUD SUDHn A5 e o UEST O UESTHn aqi EST enraolrchsskpt Bcapteiriol btgqe Ecapeirgqrk Weqe Date Figure C 1 97 Pourcentages d nergie utile produite a Berlin avec diff rentes configurations par rapport a l nergie utile produite par le syst me r f rence Berlin Ratio SUD TUDAN abc ne WEST Q UEST Hnaique EST nraolrchsskpte Mapte olr RCE Ecapeirgrk N E Eate Figure C 1 98 Coefficients de multiplication de la surface de captage Berlin avec diff rentes configurations 371 Annexe C Stockholm S000 00 TOC O0 5000 00 S000 00 Bn 000 O 2000 00 2000 00 1000 00 0 00 SUD SU D H Asye QUEST OUESTHn asile EST Doapterriolchsskye Bcapterriol R Ecapeirqre d Bcaptearvert t qr Figure C 1 99 Quantit s d nergie utile produite a Stockholm avec diff rentes configurations Stockholm SUD SUDA que OUEST O UWEST Hn as le EST Decaptemriolhclasskye Bcapteiriol bt
122. r pondre a cet objectif en utilisant l analyse structurelle D abord un recensement des diff rentes variables qui peuvent intervenir sur la qualit d int gration est fait suivant des crit res architecturaux conomiques techniques environnementaux et r glementaires Ceci est traduit travers une grille d analyse du cycle de vie de l l ment solaire permettant aussi de hi rarchiser les variables Ensuite nous effectuons une identification des diff rentes influences directes que peuvent avoir les diff rentes variables les une sur les autres L utilisation de la m thode Micmac met en vidence l influence indirecte entre les diff rentes variables Ensuite une m thode de pond ration suivant la motricit des variables est labor e afin de pouvoir attribuer une note d valuation de l int gration solaire Une application de l outil aux propositions d int gration pr alablement formul es permet d analyser la qualit d int gration architecturale et met en vidence les principaux facteurs d volution de ces solutions Ainsi cette m thode nous permet non seulement de mettre en vidence les points faibles de chaque solution d int gration mais aussi de pouvoir optimiser la proposition en tenant compte des influences que peut avoir l am lioration de ces points sur le syst me tout entier 19 Introduction g n rale Ensuite la m thode d valuation qualitative est compl t e par une mod lisation
123. res suivants la limitation des interventions n cessaires la s curit d intervention et la facilit d intervention La limitation des interventions peut tre de divers ordres entretien inspection p riodique installation de nouveau mat riels r paration etc Essentielle une utilisation confortable de l ouvrage elle est directement d pendante de la fiabilit du syst me La s curit d intervention est estim e en termes notamment d accessibilit des installations et composants Les interventions sur un ouvrage seront en effet plus d licates si cet ouvrage est situ sur une toiture versant que s il tait situ m me le sol La facilit d intervention est valu e en termes de d montabilit des l ments sans d t rioration d interchangeabilite des composants de standardisation limitant ou vitant la constitution de stocks de possibilit de vidange etc Fiabilit La fiabilit est l aptitude d un bien accomplir une fonction requise dans des conditions donn es pendant un temps donne On distinguera donc deux crit res de fiabilit la simplicit du fonctionnement de l ouvrage et sa r sistance La simplicit de l ouvrage correspond aux dispositions visant limiter toute complexit technique de l ouvrage tant dans son tat que dans son principe de fonctionnement La simplicit de l ouvrage sera donc valu e en termes de faisabil
124. reste encore marginale par rapport au niveau de d veloppement que l on conna t dans d autres pays notamment en Allemagne en Suisse ou en Autriche Suite ce constat deux questions importantes se posent Comment expliquer cette r ticence des ma tres d ouvrage et architectes l gard des composants thermiques actifs solaires Quelles pourraient tre les conditions de leur int gration architecturale 34 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires Les conclusions d une enqu te r alis e en 2005 par l architecte Sonia Cortesse aupr s des architectes et des ma tres d ouvrage mettent en vidence trois points Un manque de choix et surtout de modularit parmi les produits propos s La n cessit de la prise en compte de la contrainte solaire en amont dans le processus de conception d un projet L importance du co t du composant solaire Sur le plan esth tique l attente des architectes est de disposer de produits plus modulables pour une plus grande libert d inventivit N anmoins 10 des interrog s estiment que c est l architecte lui m me qui doit trouver des solutions avec ce qui existe d j Quelques op rations pilotes souvent dans les pays germaniques en attestent CORTESSE 2006 Les principaux facteurs d int gration peuvent tre r v l s travers l analyse de diff rents exemples de b timents int grant le solaire thermique afin de rep
125. rieures aux temp ratures moyennes en fonctionnement Tableau 7 8 Ceci est d au fait que le capteur vert poss de la configuration la moins favorable Temp rature de conduit moyenne en C Capteur en fonctionnement Capteur en stagnation NOIR 33 5 40 55 GRIS 39 85 VERT Tableau 7 8 Valeurs moyennes des temp ratures de conduit des diff rents capteurs 7 8 3 Temp ratures de structure La temp rature de structure est une donn e essentielle pour les industriels ainsi que dans le cadre de la r glementation thermique Les maximums atteints chaque jour par les temp ratures de structure sont donn s par le graphique suivant Figure 7 36 Ces donn es sont tr s int ressantes pour la stabilit de la structure et la s curit des usagers Les capteurs solaires tant des prototypes les temp ratures que pouvaient atteindre les diff rents l ments de la structure taient une donn e inconnue Store Caisson gris 4 Joint lame d air gt lt Verre int rieur 100 90 80 70 60 50 40 Temp rature C 30 20 10 30 Juillet 31 Juillet ee ao gt O N 12 Juillet 13 Juillet 14 Juillet 15 Juillet 16 Juillet 17 Juillet 18 Juillet 19 Juillet 20 Juillet 21 Juillet 22 Juillet 23 Juillet 24 Juillet 27 Juillet 28 Juillet Figure 7 36 Maximum atteint chaque jour par les diff rentes temp ratures de structure En effet ces r sultats montrent que la temp rat
126. se doter d une repr sentation aussi exhaustive que possible du syst me tudi et r duire la complexit du syst me aux variables essentielles Elle constitue un outil de structuration des id es et de la r flexion sur le probl me pos et cr e un langage commun pour une r flexion prospective C est une technique d analyse de syst me qui se penche sur le domaine tudi en proc dant par tapes successives le recensement des variables descriptives du syst me et de son environnement et leur explication le rep rage des relations entre ces variables et la recherche des variables essentielles ou cl s Godet N 1997 B 1 1 Recensement des variables La premi re tape de l analyse structurelle consiste identifier une liste la plus exhaustive possible des variables caract risant le syst me constitu par le ph nom ne tudi et son environnement aucune voie de recherche n est a priori exclue et tous les moyens de brainstorming et de cr ativit son bons Il conviendra toutefois de distinguer chacune des variables selon qu elle est interne ou externe Les variables internes tant celles qui caract risent le syst me Les variables externes tant celles qui constituent son environnement La d finition de la fronti re distinguant les variables internes des variables externes peut tre difficile d finir tant donn les multiples flux d information de mati re et d nergie entre le syst me
127. se pose sur l ossature secondaire Le panneau peut tre accessible travers une fen tre ou autre L exploitation ne devrait n cessiter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l int rieur Une difficult pour le d montage Configuration simple Plaque de cuivre fragile difficult de mise en oeuvre verre r sistant Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives Syst me enti rement d montable Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s parables Les mat riaux qui constituent le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de l aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice d nergie Les composants sont des pieces faites sur mesure selon l architecture et la trame du b timent mais sont simple de fabrication Les capteurs sont fabriqu s a partir de proc d non polluants et a faible consommation d nergie 317 Annexe B Crit res 33 Co t de l installation 34 Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de
128. solaire en marche pour les paisseurs tudi es de l isolant ainsi que ceux du b timent sans capteur int gr La temp rature int rieure de la zone tudi e se trouve peu influenc e par les diff rentes paisseurs consid r es Figure 6 34 Les profils de temp ratures pour les quatre paisseurs d isolant sont tr s proches et ne diff rent que peu lorsque l clairement nerg tique sur le plan du capteur atteint sa valeur maximale 207 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 20 00 Tint e 30mm Tint e 60mm i Tint e 90mm Tint e 120mm y Tint sans capteur Tamb_ext 15 00 re A 10 00 7 g j S N oO 2 5 00 A ne 01 f vrier Q5 f vrier 06 f vrier 07 f vrier J 5 00 Figure 6 34 La temp rature int rieure de la zone entre OI et 07 f vrier avec un syst me solaire en marche Pour analyser plus en d tail l influence de l paisseur de l isolant nous avons trac les carts maximaux des temp ratures int rieures pour les paisseurs de l isolant consid r La Figure 6 35 montre que l cart maximal atteint 1 1 C pour la journ e du 03 f vrier Donc pour un syst me solaire en marche une paisseur d isolant de 30 mm 60 mm 90 mm ou 120 mm a une faible influence sur l ambiance interne Diff rence de Temp ratures Int rieures 1 20 1 00 0 80 h
129. somme des actions que cette variable subit des autres variables c est dire la somme des valeurs not es dans la matrice sur la colonne relative cette variable La motricit directe d une variable est d termin e par son caract re influent Une variable sera d autant plus motrice qu elle aura de l influence sur les autres variables Elle sera en revanche d autant plus d pendante qu elle sera influenc e par les autres variables La repr sentation de chacune des variables sur le plan motricit d pendance ayant pour abscisse la d pendance et pour ordonn e la motricit permet de classer les variables selon le r le qu elles jouent dans le syst me Figure B 1 5 Motricit croissante Variables d entr e Variables relais 1 2 Indice Variables du peloton moyen N eee SUC S Variables Variables r sultats exclues 3 4 D pendance croissante Figure B 1 5 Secteurs du plan motricit d pendance Ce plan influence d pendance peut tre divis en cing secteurs Godet M 1991 Secteur 1 les variables sont tr s motrices et peu d pendantes Ce sont des variables explicatives qui conditionnent le reste du syst me Secteur 2 les variables sont la fois tr s motrices et tr s d pendantes Ce sont des variables relais par nature instables En effet toute action sur ces variables aura des r percussions sur
130. ssis vitr de la fen tre ou dans les l ments de All ge remplissage du panneau bois ou b ton ee Cependant 1l sera difficile de maintenir une bonne tanch it entre les panneaux de facade ainsi qu une bonne isolation pont thermique Garde corps Mise en ceuvre Pose facile Accessibilit ventuellement par Panneau pr fabriqu int grant le l int rieur par d montage du panneau capteur Conformit d usage Les fonctions principales de la fa ade sont gard es 4 1 7 Int gration dans les fa ades rideaux Domaine d emploi Ce type de fa ade concerne l habitat collectif et le secteur tertiaire Possibilit d int gration Un capteur es peut prendre la place d un panneau fix mE sur l ossature secondaire les r seaux ou refend pouvant tre situ s dans l paisseur des lt _ Menuiserie montants et des traverses et vitrage lt q All ge Mise en uvre Pose Facile Accessibilit par l ext rieur Capteur int gr dans un panneau pr fabriqu Conformit d usage Les fonctions principales de la fa ade sont gard es 98 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 8 Int gration dans les bardages m talliques Domaine d emploi Ce type de fa ade concerne le secteur tertiaire et les industries structure LS Possibilit d int gration Il est porteuse possible d accrocher un capteur sur les lisse
131. sur des crit res essentiels faibles Les modifications entra neront des changements dans les notes de remplissage des grilles et nous obtiendrons alors de nouvelles notes d valuation comme nous le verrons plus tard 5 5 3 1 Am lioration de l int gration dans le mur en ma onnerie de type III L valuation de la solution d origine montre que l int gration est globalement bonne et satisfaisante Afin de trouver une solution encore meilleure un travail de r flexion et de conception doit tre fait sur les crit res ayant des notes faibles surtout ceux qui sont des variables essentielles du syst me afin de proposer des am liorations la solution d origine Celles ci pourront tre propos es en effectuant des modifications concernant les deux crit res essentiels la s curit d usage et l optimisation de la configuration En effet la s curit d usage fait partie de la multifonctionnalit qui est valu e comme un sur crit re moyen avec une note de 1 65 Ce crit re pourra tre am lior en tenant compte de la s curit par rapport l ext rieur Ceci pourra tre fait en imposant une hauteur minimale de s curit d un tage vis vis des passants De m me l optimisation de la configuration pourra tre envisag e en ajoutant des stores ext rieurs devant le capteur dans le but de limiter l impact de l effet de stagnation du capteur sur sa dur e de vie et sa performance Figure 5 14
132. t men es afin de d tailler la mise en uvre de ces conceptions et l impact que pourrait avoir l int gration sur les fonctions principales de l l ment d origine Les points sur lesquels nous nous sommes bas s dans l laboration des propositions sont importants mais pas suffisants et ces conceptions ne sont que pr liminaires En effet dans une d marche de d veloppement durable nous aurons besoin d valuer la conception avec une tude du cycle de vie Ainsi la concr tisation de chacune de ces conceptions n cessitera une analyse prospective afin d tudier l int r t conomique l harmonie architecturale la performance nerg tique et son impact environnemental ce qui m nera le concepteur dans le chemin s r d une perspective gagnante sur les plans d industrialisation et de la diffusion sur le march Pour atteindre nos objectifs nous aurons besoin d une m thode ou d un outil prospectif qui aura comme objectif d valuer des conceptions d int gration solaire de guider les concepteurs dans leur d marche et de leur donner les pistes d am lioration de leurs id es Le d veloppement d une telle m thode fait l objet de la partie suivante 116 f Chapitre 5 Elaboration d un outil d analyse et d aide la d cision 117 118 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Dans
133. tanch it entre deux dalles sera assez d licate de plus ces capteurs tant au sol 1ls doivent tre assez r sistant pour soutenir la charge d un homme se situant sur la toiture terrasse Accessibilit par l ext rieur Conformit d usage R sistance au poids des usagers Etanch it d licate Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 14 Int gration dans les toitures terrasses par dalles sur plots Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans les secteurs de l habitat individuel et collectif Possibilit d int gration Il est possible de cr er un composant pr fabriqu qui soit place en toiture et __ protection en acrot re Cet l ment pourrait tre un kaare tanch it capteur fix au mur de facade Cette isolant pare vapeur solution permet d avoir un capteur qui pourrait tre inclin pour une meilleure qualit architecturale et une meilleure orientation par rapport au soleil il sera aussi facilement accessible depuis la toiture Mise en ceuvre Facile Accessibilit par l ext rieur Acrot re pr fabriqu int grant un capteur solaire Conformit d usage Les fonctions principales de l acrot re sont gard es 4 1 15 Int gration dans les toits pente Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans les secteurs de l habitat individuel et collectif Possibilit d int gration Une partie de la couv
134. types d acrot re Cheung 2006 amp S Figure 4 1 Proposition d int gration pour le mur ma onnerie de type III 108 Figure 4 2 Exemples d int gration pour le mur en ma onnerie du type III 108 Figure 4 3 Proposition d int gration pour le bardage acier simple 109 Figure 4 4 Proposition d int gration dans la fa ade rideau 110 Figure 4 5 Exemple de r seau de distribution dans la menuiserie 111 Figure 4 6 D tail de la proposition d int gration dans l all ge de fen tre 112 Figure 4 7 Exemple d int gration de capteurs solaires dans l all ge 113 Figure 4 8 D tail de la proposition d int gration dans la fa ade panneau 114 Figure 4 9 D tail de la proposition d int gration dans la fa ade vitrage parclos 115 283 Listes des figures et des tableaux Figure 5 1 Figure 5 2 Figure 5 3 Figure 5 4 Figure 5 5 Figure 5 6 Figure 5 7 Figure 5 8 Effet boule de neige freinant l exploitation de l nergie solaire thermique La structure hi rarchique de la grille d analyse de l int gration La grille d analyse de l int gration des composants solaires Plan des motricit s d pendances directes Nuage de points du syst me Classement direct et indirect des crit res suivant la motricit Classement direct et indirect des crit res suivant la d pendance Ensembles des notes d valuation d int gration du mur en ma onnerie type III Figure 5 9 Ensemble des notes d valuation d
135. un probl me de dimension De SOUSA 2003 1 4 1 2 Int gration en fa ade Un capteur solaire int gr en fa ade sert non seulement comme capteur mais galement en tant qu isolation thermique et d l ment formel de la fa ade Figure 1 11 Cet usage multifonctionnel des composants du batiment peut avoir comme cons quence une r duction de co ts Un autre avantage de ces capteurs int gr s consiste en une irradiation solaire r partie d une fa on plut t stable au cours de toute l ann e Le fait que les capteurs inclin s puissent tre couverts de neige en hiver alors que les capteurs int gr s en fa ade tirent b n fice de la r flexion du rayonnement solaire sur la neige a t en grande partie n glig jusqu au moment Un capteur solaire comme l ment de fa ade n est pas dans la position de rendement maximum Mais une tude de l impact de l inclinaison sur la performance d une installation solaire pour la production d eau chaude sanitaire en utilisant la m thode SOLO pour une installation orient e plein Sud dans la r gion lyonnaise a permis de constater que le passage La m thode SOLO est l outil de calcul utilis dans le cadre de la proc dure de garantie solaire et est aussi utilis e pour calculer les performances conventionnelles des chauffe eau solaires dans le cadre de l avis technique 37 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires d une inclinaiso
136. variable sur une autre variable nous nous interrogeons sur la nature de l influence directe Avant de conclure l existence d une liaison entre deux variables 1l nous faut r pondre syst matiquement a trois questions Godet M 1997 1 Y a t il bien influence directe de la variable 1 sur la variable J ou bien la relation n est elle pas plut t de j vers 1 2 Y a t il influence de i sur J ou bien n y a t il pas colin arit une troisi me variable k agissant sur 1 etj 3 La relation de 1 j est elle directe ou bien passe t elle par l interm diaire d une autre variable r de la liste En r ponse la premi re question 1l est vident que s1 la performance thermique varie le cout d exploitation change aussi Il y a donc bien influence de la variable performance thermique sur la variable co t d exploitation et non de la variable co t d exploitation sur la variable performance thermique 134 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision En reponse la deuxi me question il suffit de reprendre le m me raisonnement si la performance thermique diminue la production nerg tique du syst me diminue ceci entra ne une augmentation directe du co t d exploitation par exemple par l utilisation d nergie d appoint Il y a donc bien influence de la variable performance thermique sur la variable co t d exploitation En r ponse la troi
137. vissage des composants c est pourquoi son impact environnemental devrait tre minime Les composants sont enti rement recyclables Les panneaux capteurs peuvent ais ment remplacer par des panneaux en bois ou vitr ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications des diff rents mat riaux constituant les panneaux laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux Figure B 2 5 Notation ny de la fa ade rideau B 2 6 Fa ade vitrage parclos Ci dessous les notes nek attribu es chaque crit re pour les propositions d int gration de la fa ade vitrage parclos Figure B 2 6 Crit res 1 Performance des mat riaux 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement Notes 2 Observations Les mat riaux utilis s sont ceux d un capteur traditionnel Ils sont aujourd hui d sign s comme performants et permettent d avoir un bon rendement La fabrication des modules est relativement simple dans la mesure o elle est r alis e par assemblage Les modules sont fabriqu s par simple assemblage de composants standard ce qui laisse penser qu ils pourront tre industrialisables Dans la mesure ou il suffit de visser et clipser les diff rents composants l installation est relativement simple Le
138. wA A ARR Figure C 2 10 Evolution des temp ratures dans les conduits du 20 au 24 juillet 380 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ext A A A A A pli O AAN AN AN AN WANS KI AINSI AA TT ee Y Bia T 20juil 21juil 22juil 23juil 24juil Temps Figure C 2 11 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 20 au 24 juillet Temp ratures de structure T lame_air T verre_int T store Tamb_ext 20juil 21 juil 22juil 23juil 24juil Temps Figure C 2 12 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 20 au 24 juillet 381 Annexe C C 2 3 R sultats de mesures du capteur Vert du 28 juillet au 02 ao t 2005 Eclairement nerg tique horizontal global 1200 1000 600 A RIRES Te 600 Ig Wm 400 ii EE H mt BT Ld INR 200 28juil 29juil 30juil 31juil Of ao t O2aoit Temps Figure C 2 13 Eclairement nerg tique horizontal global du 28 juillet au 02 ao t aux GAIA Temp ratures des surfaces des absorbeurs Ts2 Ts4 Ts6 Tamb_ext oe don w N y Aoo f LI NUE Temps Figure C 2 14 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 28 juillet au 02 ao t 382 Annexe C Evolution de la temp rature du ballon Tb1 Tb2 Tb3 Tamb_int 28juil 29juil 30juil 31juil Oa
139. woo 00 200 wo z IT IE IV IE Et 405301 71841 SLBH 1 EES dd 4 05 t 4 6 By 1 7 091 ETETE AE MA Chast L0 Et 3 7 THAI 8 741 64a Figure C 1 22 Quantit s d nergie utile en Mai Lyon pour trois orientations 333 Annexe C Ena pe kWh wi boo a h i i Sii 200 ii LIETIE LY IE Tt LiH REA Mp Taal 7 10 B41 and 52 By Lisi EE PG 1 00 m a SEHH Chast L20 12m 4 16 By 6 7 TE Figure C 1 23 Quantit s d nergie utile en Ao t a Lyon pour trois orientations Hit ik iti ii O ty C IN LE IV LE CS 10 0 0 RARE ga 0 an pN FEEN w IN 100 0 4 70 2 19 5 MTE Figure C 1 24 Pourcentage d nergie utile produite en F vrier Paris par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 334 Annexe C Mit Hik ARE iit 210 t 20 LO li ot j Cs IN IE IV LE Cs woo FLEX Biy lit siw wIN 100 0 714 EEFT FES Figure C 1 25 Pourcentage d nergie utile produite en Mai Paris par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 Hit ik aiik iit 20 ty 20 L 0t Mit Cs IN IE IV LE cs 100 0 RUES 8 0 20 8 14 5 IN 100 0 4 Hi 1 FER BoA M M Figure C 1 26 Pourcentage d nergie utile produite en Ao t Paris par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientatio
140. yo est Ax U Ax T T U Ax T r a Z Z 0 quation 6 13 ax J OX J vx Avec t paisseur de la plaque absorbante T temp rature moyenne de la section de la plaque absorbante k conductivit thermique l absorbeur En consid rant que l paisseur de la plaque est uniforme et que la conductivit thermique de la plaque est ind pendante de la temp rature l quation 6 13 peut s crire sous la forme d une quation diff rentielle du second ordre T _U U 7 UT U T L TETT dx k t U U U U Les conditions aux limites pour ce syst me une distance y sont 1 Au centre entre 2 tubes le flux thermique est nul x 0 Z 0 X x 0 W D 2 Au dessus du tube la temp rature de l ailette est Thase Yo or pour x gt T x W D 2 Thrase U 1 U T I Si nous consid rons que m M et y T _ 4 alors l Equation U U U U 6 14 devient d y my 0 quation 6 15 dx La solution g n rale de cette quation diff rentielle est donn e par 176 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s y C sinh m x C sinh mx Equation 6 16 Les constantes C1 et C2 peuvent tre d termin es par solution de l quation 6 16 avec les deux conditions limites Nous obtenons ainsi Pee Ore Ure UU cosh mx kue LFG A FUA W D base Ss S m eRe er 2 De l quation pr c dente le taux de transfert de ch
141. 0 5m L 10 5m Diagramme solaire Latitude 44 Nord HAUTEUR OK XA TA LR ER D SAVAD Y KT Pas d ombre he 6 ao LINK NO ey NA Ombre partiel x NY yi LEO YA KY a Ombre total 9O0 EST 0 90 A ST AZIMUT Figure 6 10 Ensoleillement du capteur solaire int gr en fa ade du b timent cas de Lyon 6 4 Le mod le du b timent Deux b timents sont mod lis s d une part un b timent ayant une fa ade traditionnelle d autre part un b timent avec des capteurs int gr s dans la fa ade Sud La mod lisation est effectu e avec le logiciel TRNBuild Elle a consist d abord entrer dans le logiciel toutes les caract ristiques du b timent Pour effectuer cette op ration 1l est indispensable d avoir connaissance de plans pr cis du b timent tudi avec cotations et d autres renseignements sur les mat riaux employ s De plus la pr sence d occupants d activit s et l apport d l ments externes doivent tre parfaitement connus Il est important de rappeler que le logiciel TRNBUILD est consacr a la cr ation d un module particulier de TRNSYS le module de Type 56 Celui ci appara t dans TRNSYS avec une s rie d entr es de param tres de sorties comme n importe quel autre module 187 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Les b timents se d composant en deux volumes chacun deux zones distinctes ont t g n r es pour ch
142. 0 60 DT C 0 40 i fi 0 20 0 00 01 f vrier 02 f vrier 03 f vrier 04 f vrier 05 f vrier 06 f vrier 07 f vrier Figure 6 35 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en marche Mais il arrive que les capteurs solaires int gr s ne soient pas toujours en marche et que le syst me solaire soit en stagnation par exemple pour une panne dans un composant Ainsi nous analysons l impact de l paisseur de l isolant sur l ambiance interne lorsque le syst me 208 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s solaire stagne Les r sultats des simulations men es sur la p riode du 1 f vrier au 7 f vrier montrent que les profils de la temp rature int rieure montrent des carts plus importants Figure 6 36 Donc pour un syst me solaire en stagnation une paisseur d isolant de 120 mm semble r sister le mieux aux pertes thermiques de la face arri re du capteur Les carts de temp ratures semblent atteindre des valeurs plus importantes 25 00 Tint e 30mm Tint e 60mm Tint e 90mm Tint e 120mm 20 00 Be ee ee a E et te E E en eee EI ES ne ee ne Tint sans capteur Tamb_ext 15 00 10 00 CA D Temp rature C 5 00 10 00 Figure 6 36 La temp rature int rieure de la zone entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en stagnatio
143. 0 By 4 9 By GESEH META G FOBT Aout 10 Bi LITH 10 TEH ATA D 7A By Figure C 1 1 Quantit s d nergie utile produite Paris dans 3 saisons pour une orientation Sud az 0 Ena pe kWh roo BOG s 00 zih 200 100 LE L IE Brien Lt Hi 2 53 By L iBHl 4 5 E acii Ha 3 60 Byo EH GETE l 5 L2H is El Aout i EH 3 36HH1 3 3 11H 1 7 1751 BY SB Figure C 1 2 Quantit s d nergie utile produite Paris dans 3 saisons pour une orientation Ouest az 90 323 Annexe C TRES 7 ait zit Bikr it iin iit Like 20 li F N ir ah L wen C Sim IN LE IV IE Baia 10 0 0 a ga 0 an oh a124 Ha li 0 0 ARE lit 15 it 13 8 Ant ln 0 0 51 0 om tM 20 8 14 5 Figure C 1 3 Pourcentage d nergie utile produite Paris dans 3 saisons par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 100 ant TES Tis nt TEA iit 50 20 it an C rad LIT LE IV IE Tuia MERES 15 14 aot pat it Hi MERES TEL 1 14 2 18 5 Ast MERES aS a1 T4 17 5 16 7 Figure C 1 4 Pourcentage d nergie utile produite Paris dans 3 saisons par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Ouest az 90 324 Annexe C liit ait ant Tits it rit J bts Li ke 20 C nd IN IE IV LE Baia 219 7 100 0
144. 00 2 0 agad 1500 00 500 p s Ks rin 1 peed e C Sima IN IE Li IE Paris 26 TES Li Bis RENE 4 40 BH RENTE Lyon 3 OBS LEE Li His 1 Li Bis LO Bis Ties i ABS 5 2408 2 0 IMS L i Bus 15 TBs Figure C 1 63 Quantit s d nergie utile en lan pour une orientation Sud az 0 Wor o TES TE 70 TE rit Lot j s0 f i 10 NE C Simi IN IE IV IE Paris 100 0 TREA RTE TAE 35 9 Lyan woi 2 0 bibs CLR ES S40 Wes 100 0 TREN LSY s77 6 1 Figure C 1 64 Pourcentage d nergie utile produite en lan par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 354 Annexe C Energie kWh TO 00 CELL A000 6 00 a0 00 2 0 000 100 10 00 500 C imdi Li IE LV IE Pis 2 8 SBS 4 EEEH 6 0 syle pel 8 5 H en 5 OBS L iBHS 10 SB 08 6 29 Bye 7 9 SBS Thies MET E LOHS 15 TBS 1 1 i 10 a P Figure C 1 65 Quantit s d nergie utile en lan pour une orientation Ouest az 90 0 rit iit CSia IN IE i l IV IE buis w 96 1 11 TEEN TELA Lyon TRES SET g 15 TEEN 947 Thea 100 0 64 6 6 Lats TEEN 947 Figure C 1 66 Pourcentage d nergie utile produite en lan par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Ouest az 90 355 Annexe C Energie kWh TODD 4 CELL A000 6 00 a0 00 2 0 000 100
145. 00 Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stock holm Lisbonne E capteur noir classique E capteur noir int gr 8 capteur gris int gr 8 capteur vert nt gr Figure C 1 74 Coefficients de multiplication de la surface de captage pour une orientation Sud az 0 avec masque 359 Annexe C Quest sans masque 14000 00 12000 00 10000 00 8000 00 EW 68000 00 O00 O 2000 00 0 00 Lyon Park Hke the leg Be nii Dock om LEGO Le enraolrchasskpt MCaptenr olr CIE Ecapeirgrk kegi Bcapt Figure C 1 75 Quantit s d nergie utile produite pour une orientation Ouest az 90 sans masque Quest sans masque RE ta Esta st mo TM abe on ner at is Te SEPT Lyo Fans HES Athe CE Berth Sock bon LE bow be Figure C 1 76 Pourcentages d nergie utile produite pour une orientation Ouest az 90 sans masque par rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence 360 Annexe C Quest sans masque Rato z Figure C 1 77 Coefficients de multiplication de la surface de captage pour une orientation Ouest az 90 sans masque Quest arec Masque 14000 00 12000 00 10000 00 a000 00 Li KAN pe 6000 00 ie 1000 00 E g Ei i a 2000 00 fe n CaN ee CRE 0 00 Lyon Park Hike Ath bes Be wilh Sock om LEGO be eTO cazz kje capter olr CE Boapeirgqre kegi Bcapt Figure C 1 78 Quantit s d nergie utile produite pour une orientation Ouest az 90 ave
146. 009 Ces m mes couleurs seront utilis es dans la fabrication de trois prototypes qui seront install s dans la suite sur un b timent exp rimental sur l Isle d Abeau Ceci nous permettra de confronter les r sultats du mod le num rique aux r sultats du mod le exp rimental Une prise en compte de l effet de masque sur la performance nerg tique du composant solaire est faite dans ce cas Dans toutes les simulations les r sultats obtenus sont compar s aux r sultats des simulations des syst mes solaires de r f rence avec des capteurs inclin s de 45 et orient s plein Sud 6 8 2 1 Premi re s rie de simulations Nous avons choisi de mener des simulations d un syst me solaire ayant 8 m de surface de captage et 300 de volume stockage sur un an et sur trois mois dans 3 saisons diff rentes f vrier mai et ao t Ces trois mois ont une diff rence significative en termes d nergie incidente surtout pour le cas des capteurs verticaux Il est int ressant d tudier le comportement des capteurs int gr s dans diff rentes saisons La figure suivante pr sente le profil annuel des clairements nerg tiques journaliers moyens Lyon sur une surface horizontale une surface inclin e de 45 et une surface verticale Figure 6 21 7 0 Surface horizontale Surface 45 Surface 90 6 0 5 0 4 0 kWh m jour 3 0 2 0 0 0 Figure 6 21 Rayonnement effectif sur une surface
147. 10 00 500 Ma C id LIT IE IV IE Paris 2 6 SBS FLIM 7 2 OBS DEEH RUE Tien 5 OBS 10 FELIS RENTE 7 LIB G SBS Tea iS ABS Lid Bys 12 bbs LILES 4 6 TELS Figure C 1 67 Quantit s d nergie utile en lan pour une orientation Est az 270 Wits ns 10 iik rit YT m n iE LE Cimi IN IE IV IE Paris 100 0 CRE apay Lit spit Lyon 100 0 COR ty oT aN anay ety Thes 100 0 TEEN TAE TEEN a8 gy Figure C 1 68 Pourcentage d nergie utile produite en lan par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Est az 270 356 Annexe C C 1 2 La deuxi me s rie de simulations La deuxi me s rie de r sultats repr sente la production d un syst me solaire d ECS ayant 14m de surface de captage et un ballon de stockage ayant un volume de 1000L Les couleurs simul es sont le chrome noir a 95 6 et e 7 7 le RAL 7021 gris noir a 95 et e 86 et le RAL 5020 vert brun a 94 et e 95 Ces couleurs sont les m mes qui sont utilis es dans les prototypes utilis s dans l exp rimentation Sud sans masque 14000 00 4 Lyon Park Hke Athe leg Be rlii Sock om LEGO be D capte raolrchsskue Capteur oi R Ecapeirqrke Weqe Bcaptearvert tq Figure C 1 69 Quantit s d nergie utile produite pour une orientation Sud az 0 sans masque 100 00 MT Figure C 1 70 Sud sans masque enag Pans HKx th Wes Beri Tock hom LEROI be Doa
148. 102 blocs en b ton destin rester apparents NF P 14 301 blocs en b ton de granulats courants pour murs et cloisons NF P 14 304 blocs en b ton de granulats l gers pour murs et cloisons NF P 14 306 blocs en b ton cellulaire autoclave pour murs et cloisons NF P 14 402 blocs en b ton pour murs et cloisons dimensions Les blocs non traditionnels peuvent tre galement class s selon diff rents crit res blocs enduire dont la forme adapt e permet un gain de temps de pose en r duisant la quantit de mortier blocs destin s un montage sec sans mortier ou avec remplissage de certains alv oles verticaux blocs de coffrage ou blocs bancher pos s sec blocs isolation thermique int gr e blocs ma onn s blocs mont s sec blocs coffrage blocs acoustiques blocs absorbants acoustiques blocs destin s am liorer l isolement acoustique Pour les blocs consid r s comme non traditionnels c est la commission des avis techniques qui pr cise leurs caract ristiques cas par cas 70 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Blocs traditionnels Bloc plein sans alv ole Bloc perfor Bloc creux a Blocs non traditionnels Bloc montage a sec Bloc a ma onner Bloc a isolation thermique int gr Bloc coffrage Figure 3 3 Exemples de blocs de b ton Les blocs servent a construire des murs et doivent souvent assurer une fonction de portan
149. 14 juillet 2005 La temp rature d eau simul e suit bien la dynamique des mesures exp rimentales Le mod le num rique d crit bien l impact du puisage sur la diminution de la temp rature de l eau dans le ballon L cart moyen absolu entre la temp rature simul e et la temp rature mesur e est gal 0 38 C avec un cart type de 0 3 C Figure 7 44 1 6 Ecart moyen absolu 0 38 C Ecart type 0 3 C 1 4 1 2 Ecart absolu C O 2 Oo 0 4 0 2 0 8 16 24 32 40 48 Temps en heures Figure 7 44 Ecarts absolus de la temp rature de l eau dans le ballon entre les valeurs mesur es et simul es 254 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Nous pouvons ainsi constater que le mod le num rique permet d tudier correctement la productivit nerg tique du syst me solaire ayant le capteur noir int gr comme composant Les deux autres capteurs avec les absorbeurs gris et vert tant non li au syst me solaire pendant cette p riode de mesure ils sont dans des conditions de stagnation Dans ces conditions nous avons vu dans le chapitre pr c dent que la temp rature de l absorbeur du capteur int gr peut avoir un impact important sur la temp rature de l air l int rieur du b timent Il para t donc utile de confronter les valeurs simul es de la temp rature moyenne de la plaque absorbante des capteurs int gr s en stagnation aux mesures obte
150. 2006 33 Figure 1 8 Coupe d un capteur solaire int gr en toiture inclin e Clipsol 36 Figure 1 9 Exemple d int gration en toiture d une maison pr s d Aix les Bains Clipsol 37 Figure 1 10 Exemple d int gration en toiture d un b timent en Finlande Solpros 37 Figure 1 11 Capteurs solaires int gr s en fa ade Wagner amp Co Germany 38 Figure 1 12 Capteurs solaires en all ge en Pyr n es Orientales AME LR 38 Figure 1 13 Capteurs solaires en garde corps a Herning Denmark Solarnova 38 Figure 1 14 Capteurs solaires en brise soleil Outilssolaires 39 Figure 1 15 Implantation de capteurs au sol au Centre H liomarin Vallauris Tecsol 39 Figure 2 1 Les trois formes du rayonnement solaire direct diffus et r fl chi 45 Figure 2 2 Principe de fonctionnement d un syst me solaire passif Encarta 46 Figure 2 3 Sch ma du mur Trombe Michel 47 Figure 2 4 Repr sentation structurelle d un syst me ECS 48 Figure 2 5 repr sentation fonctionnelle 49 Figure 2 6 Capteur solaire plan non vitr 50 Figure 2 7 Capteur solaire plan vitr 50 Figure 2 8 Coupe d un capteur solaire thermique plan 51 Figure 2 9 Coupe d un capteur sous vide ADEME 51 Figure 2 10 Capteur plan r flecteur cylindro parabolique 17 Figure 2 11 Installation solaire fonctionnant par thermosiphon Outilssolaires 53 Figure 2 12 Installation solaire circulation forc e Outilssolaires 53 Figure 3 1 D con
151. 4l z 7 Er ci 1 j T gt a n H L p I i h n i Uh ML i E g 1h all L L fl i apt Ea a Tr LE ea a E e taal Ane ne aa iia ena aan iach asin aa ac ea a A E Bs crt ee a er eerie dao EEE Re CIRE BE ae SCIE OC CS PAPE ea een EE rete Leach ge RE ie or ee ree ee eh ESC E es ee ee a if j i 1 f ia ay if en ere aT Pe Pe hte chsh nace Fes Run ne RE re NES f r os Figure 7 4 Emplacement choisi pour implanter les composants solaires 7 3 Les capteurs thermiques solaires Les capteurs solaires sont fabriqu s par les entreprises Giordano Ind et A S Technal partenaires du projets Ces capteurs sont innovants par plusieurs aspects 1ls ont t r alis s pour tre int gr s en fa ade alors que les capteurs produits jusqu maintenant taient fait soit pour tre pos s sur une toiture terrasse soit int gr s dans un toit Par ailleurs plusieurs prototypes ont t r alis s afin de pouvoir tester l influence des couleurs d absorbeurs sur les performances des composants Enfin le module solaire est compos de deux parties l absorbeur solaire en partie basse et une fen tre vitr e en partie haute Ces capteurs ont les m mes caract ristiques techniques que les capteurs C8S produits industriellement par l entreprise Giordano mais les dimensions sont l g rement modifi es afin de s adapter la fa ade Ta
152. 75 Annexe C C 2 R sultats des mesures Dans ce qui suit seront pr sent es les r sultats des mesures exp rimentales des trois capteurs prototypes install s dans la fa ade du b timents des Grands Ateliers de l Isle d Abeau C 2 1 R sultats de mesures du capteur Noir du 13 au 18juillet 2005 Eclairement nerg tique horizontal global 1200 1000 FINIS ENS ICCTA ae TEC TTA crc A LUI UT UN LM 13juil 14juil jul 9 mm mm 6 lg Wm oa Co 4 Qo en 2 Oo Temps Figure C 2 1 Eclairement nerg tique horizontal global du 13 au 18 juillet aux GAIA Temperatures des surfaces des absorbeurs Ts2 Ts4 Ts6 Tamb_ext 1 T l 100 I I I PR 1 j BRU a CARR AA TC T3juil T4juil T5juil TEjui T7jui TEjui Temps Figure C 2 2 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 13 au 18 juillet 376 Annexe C Evolution de la temp rature du ballon Tb1 Tb2 Tb3 Tamb_int 13juil 14juil 15juil 16juil 17 juil 18juil Temps Figure C 2 3 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 13 au 18 juillet Temp ratures des conduits Toi Tc2 Tc3 Te A A O O N A i ES r Ai Ai Ai da TA A RER AM A Aa AVR 13juil 14juil 15juil 16juil 17 juil 18juil Temps Figure C 2 4 Evolution des temp ratures dans les cond
153. 89 OLDE Le capte r Pl ANGI CVC ranen o T T A T 189 DD 2 LESIOA O C io a N A A cal as aa 190 OIS LOT CUAN ON sea a a a a A A na tes ad A 190 GO LG Sy Stet ODA ah yds saad a tonsa A es di 190 6 7 tude param tigue esiri n te 191 6 7 1 Influence du coefficient d absorption de l absorbeur ccc cece ccc ccc EEE EEE 191 6 7 2 Influence du coefficient d mission del ADSOrDEUr sn MR is 192 6 8 Simulations MUMICTIG UGS nm enter ter oder tie li e E ane ot 193 6 8 1 Comparaison entre les couleurs d absorbeurs ccc ccc ccc EEE EEE 193 6 8 2 Comparaison AVEC UN syst me solaire de r f rence 196 0O IMPAC SUr L AMDIANC INLOPM SSSR Rd RD ANR An D herrea aL 206 0I CONC US O annn Aa DU ene ee ant un 216 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en faCAde ccccccccccrsssssssssssccccscssessssssssccosees 219 dal Leude msalani O RSS en ne ee 219 Peka PACA nn en aes a en ab tin no dm on en 221 7 3 Les capteurs thermiques solaires vicsasceiassaciacntnSonnuisdesntaivacenedanademiaavebennsiGdaeaues hvacemetayadadess 223 TAL mstalaton d cau chaude sanita e senatenda ena ine a 226 1 5 Les capteurs de mesure EXPCTIMENTAUK 0 ccsssssscesvecececdsesedsesvescosdecnssseeveveesercesesbecssvens 229 ldd PO CHOLES paramelres de MESURER ride e ne outed 229 1 22 LA LEM PCV OMIVC de SUN ACE en RS Re TR te nr en ne ee 229 I LA LEIP CTOMLC de CONGU o Re UT en ne ie 230 TD TQ TOM PCKOLUVe d OMNO CAES Re At en ne 232 7 5 5 La temperature ext rieure et l
154. Crit res de la fabrication Il s agit de la phase op rationnelle de cr ation de l ouvrage La fabrication d un ouvrage correspond l ensemble des transformations industrielles ou non de mati res premi res en cet ouvrage utilisable et destin la consommation On observera donc plus particuli rement dans la phase de fabrication les deux sur crit res le choix des mati res premi res et le proc d constructif Choix des mati res premi res Le choix des mat riaux utiliser dans la construction de l l ment solaire correspond l adoption par pr f rence et la s lection des mat riaux qui constitueront l ouvrage fabriquer Il va sans dire que le choix des mat riaux doit tre fonction de crit res conomiques et techniques En effet 1l est n cessaire que les mat riaux choisis soient non seulement disponibles mais galement dans la mesure du possible peu co teux faible impact environnemental et d un point de vue purement technique performants 123 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision La disponibilit des mat riaux est la qualit propension des mat riaux tre rapidement utilis s Elle d pend non seulement des ressources naturelles en mati res premi res la base des mat riaux mais aussi du march conomique La performance des mat riaux est l ensemble des indications chiffr es caract risant les possib
155. D EUR BED ee RS RUN RUE RUES A PX PN EM EK AAW PORT Vs 31ao t Olsept O2sept O3sept O4sept O5sept Temps Figure C 2 30 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 31 ao t au 05 septembre 390 Annexe C C 2 6 R sultats de mesures du capteur Gris du 07 au 17 septembre 2005 Eclairement nerg tique horizontal global 1200 1000 600 INT CHE ETF On 7sept Ssept 9sept 10sept 11sept 12sept 13sept 14sept 15sept 16sept 17sept Temps Figure C 2 31 Eclairement nerg tique horizontal global du 07 au 17 septembre aux GAIA Temp ratures de surfaces des absorbeurs Ts2 Ts4 Ts6 Tamb_ext EIRE RME EEE pa nn EE le UN A A l IL RV TR UMA MIDDLE 7sept Ssept 9sept 10sept 11sept 12sept 13sept 14sept 15sept 16sept 17sept Temps Figure C 2 32 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 07 au 17 septembre 391 Annexe C Evolution de la temp rature du ballon Tbhi Tb2 Tb3 Tamb_int 60 50 40 30 Fe 5 7sept sept 9sept 10sept 11sept 12sept 13sept 14sept 15sept 16sept 17sept Temps Figure C 2 33 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 07 au 17 septembre Temp ratures des conduits Toi Tc2 Tc3 Te HE It a a E th IS A 1e a ES ES A A iS ee ree AAEN TANANA VAN ANAVR NAN n X a Na fs N pd AN A gt in ee ME a r SN tp EF OR Bre
156. E RAL 6024 a 58 9 e 89 0 c12 RAL 7011 Tableau 6 3 Ensemble des couleurs d absorbeur test es 6 3 4 Description de la zone de b timent Le volume tudi est un tage courant d un b timent Il a une forme parall l pip dique Il est s par en deux zones de volumes identiques par une paroi int rieure Figure 6 8 Figure 6 8 G om trie du volume tudi Les deux zones communiquent avec l ext rieur par deux fa ades les autres parois tant consid r es en contact avec des ambiances identiques m me temp rature de l air celle r gnant dans la zone tudi e Les ouvrants sont plac s sur les deux fa ades et sur la paroi s paratrice Ils ont une forme rectangulaire et sont centr s sur les parois les contenant Le volume tudi se situe un tage courant Une structure l g re est propos e en se basant sur la m thode de d termination de la classe d inertie par points d inertie de la r glementation RT 2000 CSTB 2000 Le cumul des points d inertie tant compris entre 7 et 8 Les caract ristiques thermiques des diff rentes parois sont Tableau 6 4 RAL est une classification normalis e de couleurs 185 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Mat riau Epaisseur m R sistance thermique m K W 0 0086 Fa ades D CE Tableau 6 4 Mat riaux et r sistance thermique du volume tudi Le coefficient de t
157. EXTERNAL SOUTH Add Delete Add Delete wall type WALLON ee neW window type DBLEPEUE ene 7 area Maza m 2 incl windows area sr m 2 category EXTERNAL category geosurf po oo EX geosurf AL CE 14 wall gain Bf kth gr maf kJ h orientation SOUTH NORTH gt orientation SOUTH NORTH view fac to sky i view fac to sky E intemal shad factor external shad factor Figure 6 11 Interface Windows des caract ristiques d une zone dans TRNBuild Le pas de temps par d faut du type 56 et donc de TRNBuild est l heure Cette valeur est due aux caract ristiques des algorithmes de calcul des transferts thermiques travers les parois En effet la m thode math matique de r solution est bas e sur une s rie de calculs effectu s Paide de la transform e en Z Or cette transform e est param tr e sur un pas de temps horaire Dans le cas g n ral 1l est difficile de changer ce param tre sous peine de faire diverger le mod le et emp cher la cr ation du module 56 MUGNIER 2002 188 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 5 Le mod le du syst me solaire thermique Le mod le du syst me solaire est construit dans le logiciel TRNSYS La biblioth que riche de TRNSYS poss de la plupart des l ments qui nous sont n cessaires un composant de lien avec MATLAB pour lire le code num rique des capteurs solaires plans int gr s d velo
158. Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de l exploitation 38 Impact env de l exploitation 39 Co t de la d construction 40 Impact env de la d construction 41 Convertibilit des composants 42 Convertibilit de l emplacement 43 Cott des traitements Notes Observations Les capteurs sont de tailles variables selon les besoins architecturaux Les capteurs sont fabriqu s partir de proc d non polluants et faible consommation d nergie La mise en place est tr s ais e Pose simple sans impact sur l environnement Le syst me propos offre une int gration dans le b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration risque de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du b timent Dans la mesure o la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la mesure o les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas Puisque la production de chaleur par le syst me solaire devrait tre relativement importante la dur e annuelle de fonctionnement de l appoint devrait tre minimale C est pourquoi l impact environnemental de l exploitation devrait tre infime Etant donn la facilit de d montage la d construction ne devrait avoir que peu d impact fi
159. Ma onnerie Dalle b ton arm ee Chainage Sd b ton arm gt AO Cueillie Figure 3 7 Plancher dalle pleine et cha nage de mur Ma onnerie Le plancher champignon Dalle d paisseur constante sans nervure dont la liaison avec les poteaux est renforc e par des chapiteaux Figure 3 8 Plancher champignon Rector Le plancher coffrage perdu Le coffrage sp cial sert d une part de moule au b ton et d autre part de sous face pr te peindre du plancher 75 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Dalle coul e en place Coffrage perdu Armatures Figure 3 9 Plancher coffrage perdu Les planchers pr fabriqu s comprennent essentiellement les poutrelles et les hourdis et les l ments jointifs avec cl s coul es en place Les poutrelles sont des produits pr fabriqu s structurels lin aires de faible section destin s tre associer d autres produits pr fabriqu s entrevous et du b ton coul en uvre pour former un plancher Elles constituent en tout ou partie le syst me r sistant du plancher Elles peuvent tre treillis m tallique ou en T renvers Dans les deux cas les poutrelles rel vent de la proc dure d Avis technique Les exigences relatives ces produits sont d finies dans le cahier des prescriptions techniques Planchers de novembre 1996 Hourdis Poutrelle pr fabriqu e en b ton arm Mur porteur Fi
160. N d ordre 2007 ISAL 0006 Ann e 2007 Th se Int gration des composants solaires thermiques actifs dans la structure b tie Pr sent e devant L Institut National des Sciences Appliqu es de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale G mie Civil Ecole doctorale MEGA Par Talal SALEM Ing nieur de la facult de G nie I de l Universit Libanaise DEA de G nie Civil de l INSA de Lyon Soutenue le 19 janvier 2007 devant la commission d examen Jury MM Rapporteur A MOURTADA Professeur Universite Libanaise Examinateur D MAYER Professeur Mines Paris Pr sident J J ROUX Professeur INSA de Lyon Rapporteur M SANTAMOURIS Professeur Universite d Ath nes Directeur P MICHEL Docteur habilit ENTPE Examinateur S KHERROUF Ing nieur ADEME Cette th se a t pr par e au Laboratoire des Sciences de Habitat de l Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat D partement G nie Civil et B timent DGCB URA CNRS 1652 2006 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE DE LYON Denis SINOU Universit Claude Bernard Lyon 1 Lab Synth se Asym trique UMR UCB CNRS 5622 B t 308 Responsable M Denis SINOU D me tage 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex T l 04 72 44 81 83 Fax 04 78 89 89 14 sinou univ lyon1 fr ELECTRONIQUE M Daniel BARBIER ELECTROTECHNIQUE INSA DE LYON AUTOMATIQUE Laboratoire Physique de la Mati re Batiment Bl
161. O sips wis aN aaa RUN Se cites te ie un 109 LASTA CO CFIA COUN a2 fan Gist en ee 110 4 4 4 All ge de fen tre dans une fa ade l gers ee nl id he ela nn nine 112 JAS OCAdC DONNCGIV CN MNMACONNET Casares net Rd nn tAe onde Recon lente ee 113 AO ACACA VVO EPOC TOSE AREE E EEE N 114 E TEE T O o E E E E AA E E A E E E E EE A A E 116 5 laboration d un outil d analyse et d aide la C CISION cccscssssssssssssssssssssscsessesesens 119 SE La demarche ProspECUY Cuisiner A aa 119 5 2 laboration d une grille d analyse rer 120 JaA LOS WV PES des CHLerCS del ANSE RER A Niue ENS E nes 121 3 22 NECES Cd une structure ICT CHIQUC en RE Re NC tie A ne ne 122 5 2 3 L identification et la d finition des crit res d analyse 123 DD MO OTIC d anal yS E RE M Re EUR RS Se nc A Ne N ne ay cal 2 131 5 5 Application de l analyse Structurell 5 t5 mere nan eae ini Taiti 133 HO EP TeeMOUOR GOLA INCI OC cating E EAE Need teat awe lan 133 DSL LES VATIADICS MEME CL CAL CINCS cates cade cei es nein cena E E E 133 Ded IAL MISC Cl FELAMON GCS VIFIO E sai sind seis en oe Satta sip ler iles 134 Dies AG OSS MEN EO CL ANG INCE oi ccd ne ai ea i inde ne oe ac Gus ip ul ul 139 33 3 ddenticeaton des variables Cles aerieni Enea n E eee selisun 141 IOLA MUS ACL UNOSE rerio E EEE E E E A E 142 5 4 Elaboration de la m thode d valuation d int gration SISBat 143 IAA NOMON AS CUES d AMD SOLS nn lee dede
162. P me dE A m aia s e ee 3 dr us TE La i C imd IN IE IV IE Paris 100 0 NE ALT 175 16 7 n 100 0 a8 TK 11 Lit 186 Thes 100 0 SEEN 20 7 125 l it Figure C 1 50 Pourcentage d nergie utile produite en Ao t par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Ouest az 90 347 Annexe C bo 500 00 Sih 200 li j Cid IN IE LV LE Turis l Bo 58 Ball 1 Siml EA 424 B00 Lyn Lis EH 2 08 By 1 10 TEHl ELET 5 7S Hu Ties 901540 7 87 BO 1 SUB ETA N 3 89 By 1 Figure C 1 51 Quantit s d nergie utile en F vrier pour une orientation Ouest az 90 Ena me kh 700 boo 500 00 Sih 200 100 a J Cimi IN IE IV LE Paris amp 80 By amp Li By l amp TRY E 12ml 1 55 By l Te 4 08 Bye 1 05 Bye 7 EH amp T BHl Gii By 1 Tica 525 H 1 50 By 1 1464 TA MG 6 84 By 1 Figure C 1 52 Quantit s d nergie utile en Mai pour une orientation Ouest az 90 348 Annexe C Energie kWh mo m bog 500 00 Sih 200 li HTT i C Siral Taris LIH 4 46 B01 a lil 7 LTBI getHw1 Lymn LES Bl 1 20 By 1 125 4 1 B01 5 77 1 Ties BELIH Las By 13 EH Li 109 By Figure C 1 53 Quantit s d nergie utile en Ao t pour une orientation Ouest az 90 2 5 be LIT LE L IE ue C3 1 0 5 19 7505453 Ob dk E5555 OS S6Si5K57 ETTEASTET 5
163. Possibilit d int gration L eau chaude est stock e verticalement entre deux parois en double vitrage Attention la r sistance m canique des parois de verre Il est possible dans ce cas de cr er une stratification des temp ratures a Double wvitragve Mise en uvre Difficile Accessibilit par l int rieur Pose des parois et des tanch it s sur place Conformit d usage Pertes thermiques importantes Transparence 105 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 3 Transfert de chaleur 4 3 1 Tuyaux int gr s dans les planchers Domaine d emploi Il concerne les syst mes solaires circulation d eau Possibilit d int gration Les tuyaux de transfert en cuivre sont incorpor s dans le plancher au moment de leur construction Cette solution aide r duire les pertes thermiques de Cueill distributions en se servant de l inertie RENE Tuyaux de h cart du plancher en b ton Ma onnerie balle b ton arm Chainage b ton arm Ma onnerie Mise en uvre Facile Accessibilit Inaccessible Pose des tuyaux sur place en m me temps que la construction du plancher Conformit d usage Tuyaux invisibles 4 3 2 Tuyaux int gr s dans les cloisons Domaine d emploi Il concerne les syst mes solaires circulation d eau 7 Possibilit d int gration L LL DLL rs de parties haute et basse des cloisons au moment de l
164. Possibilit de modifier la configuration du syst me pendant les saisons diff rentes Limitation des pertes assur es par l isolation par laine de roche La laine de roche sert d isolant acoustique Isolation assur e par l isolant du capteur Pas de fonction structurelle puisqu elle se pose sur la structure la surface du capteur plus accessible d l inclinaison L exploitation ne devrait n cessiter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l ext rieur et int rieur Montage et d montage possible par l int rieur Configuration simple Verre r sistant Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives Syst me enti rement d montable de la structure Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s parables Les mat riaux qui constituent le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de l aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice d nergie 313 Annexe B Crit res 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication 33 Co t de l installation 34
165. S 6 29 Bye 7 9 SBS Figure C 1 58 Quantit s d nergie utile Lyon en lan pour trois orientations 351 Annexe C Energie kWh iid 6 00 0 00 25 0 co 0 1500 10 00 s IN IE LV IE Het amp SE 7 NB SEH 5d OBS dd 2 8 SBS LiiBHi L 19H48 4 40 By FH ME Chast 4 EEEH E 6 6 1B 8 5 H Figure C 1 59 Quantit s d nergie utile Paris en lan pour trois orientations Hit oF LEE iit 20 ty cs IN LE IV LE cs 100 0 CRE MEEN 57 7 56 1 IN 100 0 4 26 5 70i TAN Figure C 1 60 Pourcentage d nergie utile produite Nice par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 352 Annexe C Energie kWh a0 d CELL A000 S500 a0 00 2 0 000 1500 10 00 500 Chast LiiBHi Liinos L 1EHS 4 8 THH a EA ME a 0 I L i Big 15 TBS LS OBS LS TBS LBs 10 TBS Figure C 1 61 Quantit s d nergie utile Lyon en lan pour trois orientations Eit Eit liit Eit Mit iik ARE d 20 it 20 10t 0 20 10 04 os iit 16 04 LUS M M Il cs 100 0 IN IE IV LE 160 0 100 0 4 116 7 153 94 SUITE Figure C 1 62 Pourcentage d nergie utile produite Nice par rapport l nergie utile d une installation avec un capteur noir int gr pour une orientation Sud az 0 353 Annexe C Energie kWh OD q CELL A000 6 00 a0
166. T AC AE EE E Re Re Re CT AR AD le MR 40 1 4 3 Le design et la modularit des composants sens ee Me Rita al 40 1 4 4 Le compromis entre l int gration architecturale et la performance thermique cccccccccccccccccccccccccees 40 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 45 2 L P NCIDES OC IVC TAUR ane a dec craindre 45 Zi NESS VSICIMES SOIA reS ASS 119 51 dat TAA 46 OL B DE EE LE DR RE hee ea alaska EN A atl Sofa ne IN oases i aS ie Sul Seg ocak Nien econ 46 2 2 2 Avantages et inconv nients des Syst mes PASSIfS ire 47 2 9 Les systemes SOlaires thermiques ACUIIS LR ante 48 23d LO CODIARE e T ODS IONE SY RE A E logan Hie RAI a ad nee 49 2 32 WOT ANS CV AC CRAN NE RE et eat ct ie monnaie 22 23 SCO OCR RU a de scie de eu 54 DR ADD OUI ren Eh Men nee attentat de cet 54 2 4 COMO ISI OM ic Sr ne aies tte ne ere rene et 55 3 Les proc d s constructifs du b timent ssssssssssccccccccccccccccssssssssssssssscsscssccscossssssees 61 SES TES IS de Ta rt nan E 61 3 2 Deconstruction et geston des eC HEIs anna an ne ins 63 Jo D DOLIUUOS ns EE tests Matec ies 63 JE PORDAUOMSS A a ee a nn ee A 64 3 3 QUVIACES CE MMA IMGT GCS TOTS ESA a MN te ne 65 30 CONS TMI HOM Cll DC UO i Se nn de ee de cie ete eee 65 IO LOS DCIONS COULS CA POCO EN NN NE Re Cs Ne Nr de en 65 30 2 LOS D IONS Pr CONVOI S o ER ane ne eee Re et ae tune 66 309 ECS COPY ACCS DOUP DCTON AIMONS ane tee ee te tee 66 IOA TCS JOIN Sa ne ee als ig Babies nn Le
167. TO fo o f2 jo fo jo o fom2 jo jo j jo fo jo jo jo fo j 2 jo jo fo jo fo 11 Modulation Lf fo jo 1 f2 jo 2 f1 2 Bio jo 1 jo jo jo jo j1 fo jo 2 12 jo jo jo 1 z 12 Performance thermique 0 0 10 0 l 0 3 0 0 O l 0 0 l 0 10 10 10 JO IO JO JO 10O JO 10 10 JO A 13 Agir sur l installation JO 0 jo o jo jo 70 jo jo j fo 3 o t jo 70 o jo jo fo jo jo jo jo 2 10 fo 14 Optim de la configuration 2 o jo o jo jo o fo jo 2 jo 2 0 f0 2 o jo 1 fo jo jo fo f2 2 jo i 0 15 Limitation des pertes 1 2 0 1 fo o o o o jo o i fo jo Wo 2 o o i fo 1 2 2 fo 1 fo S 16 Isolation acoustique N2 1 1 f fo f1 fo fo Jo fo o fo o jo Wo fo fo 1 fo fi fi fo fo 1 fo 17 Isolation thermique 2 2 1 Jo 2 0 0 jo jo f1 jo jo 3 o Eao Jo it jo j 2 jo jo j1 o0 18 Fonction structurelle doh f td fof 12 f3 j1 1 fo fo 3 jo jo jo foo j j 2 jo 3 fo j1 o 19 S curit d usage lo j2 jo f1 jo jo 3 fo jo 2 jo jo fo 2 jo jo fo jo Wmo jo jo 2 jo jo i fo 20 Limitation des interventions O 0 o jo o fo f o fo fo jo 1 o o jo jo fo fo jo fo Jo jo jo jo 3 jo o 21 S curit d intervention O Jo jo f1 1 o jo fo jo it jo jo fo jo o jo fo jo jo jo fo 2 jo o jo f2 70 7 22 Facilit d intervention O jo jo f1 o o jo fo jo 1 jo jo fo jo o jo fo jo 0 jo Tt JO o o 3 h2 11 7 23 Simplicit 0 3 2 3 0 10 10 10 JO JO 10 10 12 2 l 0 10 JO JO 13 0 13 0 I2 00 J3 0 24 R sistance 0 0 0
168. Tb_ simul T_env du ballon Temp rature dans le ballon C 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 52 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon du stockage 04 05 ao t 2005 Pendant cette m me p riode les capteurs ayant les absorbeurs noir et gris sont dans des conditions de stagnation Les r sultats des simulations effectu es montrent que les temp ratures moyennes des absorbeurs des deux capteurs solaires int gr s suivent bien la dynamique de la temp rature mesur e correspondant chaque capteur avec des l gers d passements pendant les premi res heures d ensoleillement Figure 7 53 Figure 7 54 Tp simul Tp_exp 120 00 110 00 100 00 90 00 80 00 70 00 60 00 50 00 40 00 Temp rature de l absorbeur C 30 00 20 00 _ 10 00 0 00 T T T T T T T T T T T T T T T 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 53 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur noir en stagnation 04 05 ao t 2005 260 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Tp simul Tp_exp 110 00 100 00 90 00 80 00 70 00 60 00 50 00 40 00 Temp rature de l absorbeur C 30 00 20 00 10 00 0 00 T T T T T T T 0 2 4 6 8 10 12
169. a construction de ces nein de derniers transfert Mise en ceuvre Facile Accessibilit Inaccessible Pose des tuyaux sur place en m me temps que la construction de la cloison Conformit d usage Tuyaux invisibles 106 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 4 Conception Esquisses A partir de l analyse pr c demment r alis e six principes constructifs qui semblaient tre les plus performants ou les plus abordables ont t choisis Le d veloppement de ces principes a fait l objet d une tude men e avec la collaboration de deux tudiants architectes Cheung 2006 Pour ce faire un type constructif est s lectionn dans chaque cat gorie constructive Mur en ma onnerie de type III Bardage acier simple Facade rideau Fa ade vitrage parclose Facade panneau en ma onnerie All ge de fen tre dans une fa ade l g re partir de notre conception initiale une r flexion plus aboutie doit tre effectu e une prise en compte du principe constructif seul l adaptation du capteur sur l l ment et la bonne insertion du composant dans la globalit de la fa ade et du b timent Les fonctions acoustique thermique tanch it du principe constructif doivent tre conserv es ainsi une v rification de celles ci pour chaque composant est r alis e 4 4 1 Mur en ma onnerie de type III Ce type de mur est essentiellement r alis
170. a matrice structurelle Cette m thode appel e m thode MICMAC Matrice d Impacts Crois s Multiplication Appliqu e a un Classement vise tudier la diffusion des impacts par les chemins et les boucles de r action et hi rarchiser les variables selon les deux ordres de motricit et de d pendance en tenant compte du nombre de chemins de longueur 1 2 n qui respectivement sont issus de chaque variable ou arrivent sur chaque variable La m thode MICMAC est bas e sur les propri t s des matrices bool ennes En effet en supposant qu il existe dans la matrice d analyse structurelle not e M de nombreuses relations indirectes du type 1 vers j et que le classement direct ne permette pas de prendre ces relations en consid ration l l vation au carr de la matrice donne 2 2 2 g RO M MxM a avec dij 2 ady et y i j i a gt 0 S1 a n est pas nul alors il existe au moins un k tel que aik akj 0 ce qui signifie qu il existe au moins une variable interm diaire k telle que la variable 1 agit sur k ax gt 0 et k agit sur j aj gt 0 d o l existence d un chemin d ordre 2 allant de 1 vers j C est ainsi que l l vation au carr de la matrice d analyse structurelle met en vidence les relations d ordre 2 qui peuvent exister entre tout couple de variables Figure B 1 7 j eme colonne i eme ligne j eme colonne et 1 eme ligne i Figure B 1 7 Principe du produit matrici
171. acceptable et repr sente un surco t minime qui viendrait surtout de 266 Conclusion g n rale et perspectives l int gration de l absorbeur l isolant et les conduits dans la fa ade Ceci devrait en g n ral repr senter un investissement bien inf rieur a celui de l achat de capteurs solaires traditionnels et qui seront probablement perceptibles moins esth tiques et donc moins acceptables par les architectes les ma tres d oeuvre ou les usagers Nous avons pu ensuite mettre en vidence l influence de l int gration du composant solaire thermique int gr sur l ambiance int rieure du b timent en tudiant les changes thermiques entre le capteur et les locaux situ s l arri re du module de fa ade Cette tude a mis en vidence l impact du capteur int gr sur l volution de la temp rature d air de la zone occup e derri re le capteur dans les conditions de fonctionnement normal et les conditions de stagnation en comparaison avec une fa ade sans capteur L analyse a permis une estimation de l paisseur d isolant n cessaire pour minimiser cet impact Enfin la proposition d int gration tudi e num riquement fut concr tis e par la production de trois capteurs prototypes color s et une exp rimentation install e aux Grands Ateliers de l Isle d Abeau L installation a t quip e de sondes de mesures de modules d acquisition et autres quipements techniques lectrovanne pour
172. acun avec et sans capteur en facade A une zone correspond une page d interface compl ter Figure 6 11 Chaque zone est d limit e par une s rie de murs eux m mes constitu s de diff rentes couches de mat riaux La surface totale de la zone est requise ainsi que la chaleur sp cifique moyenne de celle ci afin de rendre compte de l inertie thermique de la zone L existence ou non de fen tre doit tre pr cis e dans les caract ristiques du b timent Des param tres peuvent tre ajout s ce sont la pr sence d un syst me de chauffage d un syst me de refroidissement d apports thermiques d infiltrations d air temp rature diff rente de l ambiance ou encore de ventilation Chaque param tre a une valeur constante ou est fonction du temps ou encore d une entr e dans le mod le de type 56 Ainsi dans le cas du b timent avec capteur int gr comme nous le verrons plus tard l apport thermique du capteur int gr est un aspect d cisif dans le bilan nerg tique du b timent TRNBuild SCSC File View Zones Typemanager Generate Options Window Help inf toed y WiniD 7 ZONESUD MALE A Regime Data zone volume 11016 m 3 ts Infiltration ys Heating s Gains 4 Humidity Initial Values capacitance 132 19 kJ AK AE Ventilation Cooling Comfort A Walls Windows Type Area Categoy Type l rea Category luValue g Yalue DBLEPEUE 11 00 EXTERNAL 0 68 WALLOO1 27 54
173. aeuceedsouaaicd its en r eos disease tee date ssh sde oe Dies hasen ec dtee date its eds base caen see 7 PDS UP ACE sitter see icodos are tese ne sans ed t nee sente ess a tese dose nnne dt s ten scne e ces e sono lt este tee 9 EADIE d s MATIR ES insiste sels isa EA 11 Entroduetion S R rAlS sn nn nn A nn nur 17 1 Probl matique d int gration des composants SOLAILES ccsssssscscsscccccccccsssscssessssssees 25 LI ZAMAN SC dU COMLEX 1G ne nn hd nn mean cime 25 1 1 1 La lutte contre 1a Chan CCMent climatiqgte ssl ne Me NN UNE one 25 1 1 2 L ind pendance nerg tique et la s curit d approvisionnement nnannnnnnnnnnnnnnnnnennneeneeneeeeeeeae 26 LS LeCOntexte CNET O CUTE FTON OIS ore Ga E E E a Ga Awe ee E CN 27 1 1 4 Quelle place pour l nergie solaire thermique cccccccccccccc cece EEE EEE Le 1 2 D veloppement du march des syst mes solaires thermiques sseesseeeeeeeeeeeeees 28 1 2 1 D veloppement du march solaire thermique mondial 28 1 2 2 D veloppement du march solaire thermique europ en 29 1 2 3 D veloppement du march solaire thermique fran ais 30 1 3 Le poids consid rable du secteur du b timent 20 0 eee cccccccceecseeseeeeccceeeeceeeseeeeeceeeeeeaas 31 1 4 Probl matique li e l int gration technico architecturale 34 1 4 1 Exemples d int gration de capteurs solaires dans le b timent 35 Bh DL UIE OP CHIC CI
174. aire en marche ayant de capteurs int gr s 213 Figure 6 44 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 ao t dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en marche ayant de capteurs int gr s 214 Figure 6 45 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 f vrier dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en stagnation ayant de capteurs int gr s 214 Figure 6 46 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 ao t dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en stagnation ayant de capteurs int gr s 215 Figure 7 1 Coupe transversale Sud Nord des grands ateliers 220 Figure 7 2 Coupe transversale de la fa ade 221 Figure 7 3 Etude de l ensoleillement de la fa ade des GAIA Projet ICSF 222 Figure 7 4 Emplacement choisi pour implanter les composants solaires 223 Figure 7 5 Photo de l un des trois capteurs solaires avec mise en place des sondes 224 Figure 7 6 Circulation du fluide caloporteur dans le composant thermique solaire 224 Figure 7 7 Sch ma des capteurs solaires de fa ade 229 Figure 7 8 Photo de l installation sur site 229 Figure 7 9 Fonctionnement des ballons d eau chaude sanitaire 227 Figure 7 10 Syst me de vidange du ballon par lectrovanne 227 Figure 7 11 La face arri re des capteurs solaires int gr s dans la fa ade 228 Figure 7 12 Photo du groupe de transfert 228 Figure 7 13
175. aise Pascal 69621 VILLEURBANNE Cedex M Daniel BARBIER T l 04 72 43 64 43 Fax 04 72 43 60 82 Daniel Barbier insa lyon fr o Insa R GOURDON EVOLUTION ECOSYSTEME M Jean Pierre FLANDROIS MICROBIOLOGIE MODELISATION UMR 5558 Biom trie et Biologie Evolutive http biomserv univ lyon1 fr E2M2 Equipe Dynamique des Populations Bact riennes Facult de M decine Lyon Sud Laboratoire de Bact riologie BP M Jean Pierre FLANDROIS 1269600 OULLINS Insa S GRENIER T l 04 78 86 31 50 Fax 04 72 43 13 88 E2m2obiomserv univ lyon1 fr INFORMATIQUE ET INFORMATION M Lionel BRUNIE POUR LA SOCIETE INSA DE LYON http www insa lyon fr ediis EDIIS B timent Blaise Pascal M Lionel BRUNIE 69621 VILLEURBANNE Cedex T l 04 72 43 60 55 Fax 04 72 43 60 71 ediis insa lyon fr INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES M Alain Jean COZZONE SANTE IBCP UCBL1 http www ibcp fr ediss 7 passage du Vercors 69367 LYON Cedex 07 T l 04 72 72 26 75 Fax 04 72 72 26 01 M Alain Jean COZZONE Insa M LAGARDE cozzonelnibep ft MATERIAUX DE LYON M Jacques JOSEPH http www ec lyon fr sites edml Ecole Centrale de Lyon Bat F7 Lab Sciences et Techniques des Mat riaux et des Surfaces M Jacques JOSEPH 36 Avenue Guy de Collongue BP 163 69131 ECULLY Cedex Insa J M PELLETIER T l 04 72 18 62 51 Fax 04 72 18 60 90 Jacques Joseph ec lyon fr MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE M Franck WAGNER Math IF FONDAMENTALE Universit Claude Bernard Lyon1 http www ens l
176. aleur d une demi ailette de l absorbeur au tube de conduit peut tre d termin en valuant le gradient de temp rature la base de dt l ailette OF qu uitere 4 alors dx W D 2 W D tanh m x er ee Equation 6 18 q yeaa L T U vp T U L 7 U U T m base Et puisqu un tube de conduction est g n ralement soud l ailette des deux c t s alors le taux total de transfert thermique se traduit par l quation C F W D 1 U U yen EU FRU Equation 6 19 ou F est le rendement de l ailette tanh m F2 2 r ia W D Equation 6 20 m 2 Pour le transfert de la portion de la plaque en contact direct avec le tube le transfert s exprime par d tube D L U U T base FUL PU T quation 6 21 Donc le taux de transfert total par unit de longueur dans la direction de l coulement du fluide caloporteur q q ente upe S exprime par q W D F D 1 U U T base Oe kU Equation 6 22 L absorbeur doit transf rer sa chaleur au fluide caloporteur dans le tube de conduit Le taux de transfert au fluide caloporteur peut tre exprim sous la forme q lnt f a l n l Equation 6 23 h zD C Avec D diam tre interne du tube hf coefficient d change par convection entre le tube de conduit el le fluide Cp la conductance thermique de la soudure En rempla ant Thase de l Equation 6 23 dans l q
177. an peut tre int gr la fa ade sans traditionnel OL LE hydrophile NE izz interagir avec les fonctions du b timent Blocs creux TE Cloison de doublage Mise en uvre Le capteur est pos Accessibilit par l ext rieur directement sur le mur Conformit d usage Ajout d isolant pour le capteur 95 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 2 Int gration dans les murs en ma onnerie de type Il Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans l habitat collectif et individuel et dans le secteur tertiaire Possibilit d int gration Un capteur Coupure de A z r capillare plan peut tre ins r en fa ade par lame d air accrochage sur le mur Cependant la m Plot maintenance sera tres difficile pour les p mpurercile capteurs situ s en hauteur habitat LL collectifs tertiaire et plus facile pour l habitat individuel car accessible seulement depuis l ext rieur a z lt p gt m F Panneau rigide d isolant non hydrophile l i Cloison de Brique E doublage apparente Mise en uvre Le capteur est pos Accessibilit par l ext rieur directement sur le mur Conformit d usage Ajout d isolant pour le capteur sur la face ext rieure 4 1 3 Int gration dans les murs en ma onnerie de type III Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans l habitat collectif et individuel et dans le secte
178. ani re vidente op rationnelle mais galement de pr senter une maintenance ais e et d tre int gr e son environnement tant technique que naturel urbain ou architectural 1 3 Le poids consid rable du secteur du b timent Le secteur du b timent est en France le plus gros consommateur d nergie avec 70 millions de tonnes d quivalent p trole TEP soit 43 du total national La Figure 1 5 montre l volution de la consommation d nergie finale par secteur en France de 1973 2004 Sur les diff rentes ann es le secteur des b timents devance toujours les autres secteurs 31 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires 160 97 160 62 0 2 3 007 Mtep 14192 x 133 62 SIT me US ss 9 E Agriculture 12 52 p 0 3 69 24 0 6 Sid rurgi D Sid rurgie 35 41 Olndustne hors sid rurgie Residentiel Tertiaire Transports Figure 1 5 Evolution de la consommation nerg tique finale par secteur en France DGEMP 2006 Malgr les gains importants obtenus sur les logements neufs grace aux r glementations thermiques successives la consommation d nergie totale des b timents a augment de 30 au cours des trente derni res ann es Parmi les raisons l accroissement du parc de b timents l augmentation de la surface moyenne des logements l l vation du niveau de confort et tout particuli rement la forte croissance des consommations
179. ans des tuiles pr fabriqu es en terre pr fabriqu es en terre cuite pour r cup rer la chaleur accumul e lors de l exposition des tuiles au soleil Mise en uvre Facile si les l ments Accessibilit par l ext rieur sont pr fabriqu s Maintenance difficile D licate si incorporation des tuyaux sur place Conformit d usage Capteurs invisibles Surco t minime 103 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 18 Int gration dans les ma onneries de brique Domaine d emploi Il concerne tous les murs et les parois ma onneries en petits l ments situ s dans une face bien ensoleill e du b timent Possibilit d int gration Des tuyaux en cuivre de circulation d eau sont cuivre incorpor s dans la ma onnerie en brique pr fabriqu e pour r cup rer la brique chaleur accumul e dans la brique lors de l exposition au soleil Mise en uvre Facile si les l ments Accessibilit Pratiquement sont pr fabriqu s inaccessible Maintenance difficile D licate si incorporation des tuyaux sur place Conformit d usage Capteurs invisibles Surco t minime 4 1 19 Int gration dans les poteaux Domaine d emploi Il concerne tous les poteaux en b ton arm ou en bois situ s dans les parties bien ensoleill es du b timent Possibilit d int gration Int gration sur la face ensoleill e d un poteau Peu de surface de captage l chelle d un potea
180. ans lequel la coupure de capillarit est constitu e par une lame d air continue par assimilation cette lame d air est encore consid r e comme continue si elle est travers e seulement par des agrafes m talliques ou par d autres dispositifs de faibles dimensions en mat riaux non hydrophiles et imputrescibles Mur de type III ce type est un mur dans lesquels la paroi ext rieure en ma onnerie non prot g e par un rev tement tanche est doubl e par une seconde paroi s par e de la premi re par une lame d air continue la base de laquelle sont pr vus des dispositifs de collecte et d vacuation vers l ext rieur des eaux d infiltration ventuelles Mur de type IV ce type est un mur dont l tanch it la pluie est assur e par un rev tement tanche situ en avant bardage dont les l ments de fixation m nagent une lame d air continue et ventil e Elle peut encore tre assur e par la pose d un rev tement tanche sur la face externe du mur Les paisseurs minimales admissibles pour chaque type de mur sont indiqu es dans les r gles de calcul et dispositions constructives minimales de la norme P 10 202 2 DTU 20 1 en fonction de la nature du mat riau utilis Les exigences thermiques sont formul es dans l arr t du 29 novembre 2000 pour lesquelles existent des r gles de calcul les DTU r gles ThU thG et TH E et des solutions techniques dont l application vaut respect du r glement Solution t
181. ant chacun des 2 puisages journaliers pour savoir si la temp rature atteinte est suffisante pour une utilisation de type eau chaude sanitaire Figure 7 39 La temp rature de l eau dans le ballon est dans 81 des cas plus lev e lors du puisage de soir Cela s explique naturellement du fait que l eau puis e le soir a pu tre r chauff e toute la journ e contrairement a celle du matin En moyenne la temp rature est par ailleurs de 42 5 C lors du puisage du matin et de 46 5 C lors du puisage du soir Les temp ratures atteintes le 248 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade soir r pondent ainsi dans 71 des cas aux recommandations EDF c est dire obtenir une eau 45 C Le matin la temp rature atteint par contre les 45 C dans seulement 24 des cas Toutefois si l eau du ballon tait r ellement utilis e elle serait puis e par le haut du ballon c est a dire un metre plus haut que la o est mesur e la temp rature de l eau dans le ballon Tbl La temp rature serait donc plus lev e de plusieurs degr s et atteindrait les recommandations Tb1 7h00 Tb1 20h30 60 Temp rature C 30 12 Juillet 13 Juillet 14 Juillet 15 Juillet 16 Juillet 17 Juillet 18 Juillet 19 Juillet 20 Juillet 21 Juillet 22 Juillet 23 Juillet 24 Juillet 25 Juillet 27 Juillet 28 Juillet 29 Juillet 30 Juillet 31 Juillet 01 Ao t 02 Ao t Figure 7 39 Temp rature de l
182. ao O9acto oct Tache facta Tact fdoacto facta Bact 7 facto Temperatures des surfaces des absorbeurs Ts Ts4 Ts Tamb_exl TE ey tit il Lt HH ATT TENAN PE C A In HAE ba A TATA 4 a E sak hi aT 47 Lu Lu oo La w ty DT ace O2acto O3acto goccio Dance Jacto rocto Jacto JJacto acto Tiacto facto Toacto Toci Taocto Bacto 7 facto T 8 ao Le La a om A O A 0 2668 2F sent T a2 8 amp D p Le a a ao A 5 EU A D oy OO ONO A Temps Figure C 2 38 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 18 septembre au 17 octobre 394 Annexe C Evolution de la temp rature du ballon Thi Th Th3 Tamb_in Figure C 2 39 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 18 septembre au 17 octobre Temp ratures des conduits Ted Te Te Te caer Tie Ta BERLEN HE D RP ON CPEINP ENT TT LED tf Di LEUR RER EN RERE A OUT TTI TIT TN Tf RAT AWW Le AE EURE QE Figure C 2 40 Evolution des temp ratures dans les conduits du 18 septembre au 17 octobre 395 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ex a Dit tt sa ONU EI An UU US ASU a UA AA SM ARS SR ND a a a BN Figure C 2 41 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 18 septembre au 17 octobre Temp ratures de structure
183. apitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 120 00 100 00 80 00 60 00 40 00 Temp rature de la plaque absorbante 20 00 14 46 Minimum Maximum Tp simul DO Tp_exp Moyenne Figure 7 46 Ecarts entre la simulation et l exp rimentation pour le capteur vert en stagnation Les m mes observations peuvent tre faites sur le capteur gris en stagnation En effet nous observons une dynamique proche entre les mesures et les simulations Figure 7 47 et les carts absolus entre les moyennes de temp ratures permettent de montrer une bonne concordance entre le mod le num rique et l exp rimentation Figure 7 48 Tp_simul 110 00 100 00 90 00 80 00 70 00 60 00 50 00 40 00 Temp rature de l absorbeur C 30 00 20 00 10 00 sn SF tei he nay 0 00 0 2 4 10 1 2 14 16 18 20 22 24 26 28 Temps en heures 30 32 34 36 38 40 42 44 46 4 Figure 7 47 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur gris en stagnation 13 14 juillet 2005 256 8 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 120 00 BTp simul Tp_exp 100 00 80 00 60 00 40 00 Temp rature de la plaque absorbante C 20 00 Minimum Maximum Moyenne Figure 7 48 Ecarts entre la simulation et l exp rimentation pour le capteur gris en stagnation 7 9 2 2 Le capteur gris en productio
184. arables Les mat riaux qui constituent le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de l aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice d nergie Les composants sont des pieces faites sur mesure selon l architecture et la trame du b timent mais sont simple de fabrication Les capteurs sont fabriqu s partir de proc d non polluants et faible consommation d nergie Par rapport la solution d origine le surco t provient de l ajout de l absorbeur de l isolant et du r seau hydraulique Pose simple sans impact sur l environnement Le syst me propos offre une int gration dans le b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration risque de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du b timent Dans la mesure o la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la mesure o les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas L utilisation de l nergie solaire devrait avoir un bon impact environnemental pendant l exploitation surtout pour la r duction des missions de GES mai
185. archiquement les crit res Ceux ci crit res sont surclass s dans des familles de sur crit res appartenant une tape de vie de l l ment solaire La structure hi rarchique a l avantage de permettre d interpr ter les r sultats sur plusieurs niveaux comme cela a t fait dans l application de SISBat aux six propositions d int gration solaire retenues Elle a permis non seulement d valuer ces propositions mais galement de les comparer et de mettre en vidence leurs ventuelles possibilit s d am lioration La deuxi me contribution essentielle du travail effectu a t la cr ation d un environnement de simulation de capteurs int gr s avec l appui du logiciel TRNSYS ceci permettant ainsi de mod liser l essentiel des ph nom nes transitoires Bien que le syst me solaire soit consid r dans son ensemble le travail s est plut t focalis sur un des composants du syst me le capteur La mod lisation dynamique n cessitait avant tout la cr ation d un nouveau mod le sp cifique de capteur solaire int gr prenant en compte l interaction capteur b timent dont les r sultats ont t ensuite valid s au sein d un syst me de production d eau chaude En consid rant la proposition d int gration de composants solaires dans les fa ades vitrage parclos comme application des simulations ont t effectu es sur des p riodes des climats et des configurations diverses Les r sultats ont pu
186. aris Ecole des Mines de Paris 2003 296 p STEC W and PAASSEN D V Defining the Performance of the Double Skin Fa ade with the Use of the Simulation Model en ligne Disponible sur lt http www ocp tudelft nl et Research EnergyInBuiltEnvironment SecondSkinFacade DSF p ublication htm gt Mars 2004 TECSOL Eau Chaude Solaire Manuel pour la conception le dimensionnement et la realisation des installations collectives Paris ADEME 2002 110 p VERNIER J Les nergies renouvelables 3 d Paris Presse Universitaires de France 2005 127 p Que sais je 3240 WEISS W and STADLER I Facade integration A new and promoissing oppurtinity for thermal solar collectors Industry Workshop IEA SHC Task 26 2001 281 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 282 Listes des figures et des tableaux Liste des Figures Figure 1 1 Estimation des r serves mondiales LHOMME 2005 26 Figure 1 2 Surfaces de capteurs install es dans le monde en 2004 ESTIF 2005 29 Figure 1 3 Evolution des surfaces install es annuellement dans l UE EurObserv ER 2005 29 Figure 1 4 Evolution des surfaces install es annuellement en France Enerplan 2006 30 Figure 1 5 Evolution de la consommation nerg tique finale par secteur en France DGEMP 2006 32 Figure 1 6 La consommation d nergie par usage en France DGEMP 2006 32 Figure 1 7 Emission de CO2 par secteur en France DGEMP
187. arni g D crochement Bardage Chevron Liteau Figure 3 2 Principaux types de murs de fa ade en ma onnerie 69 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent 3 7 2 Blocs de b ton Les blocs de b ton correspondent deux grandes familles les blocs traditionnels qui font l objet de normes et les blocs non traditionnels qui rel vent le plus souvent de la proc dure d avis technique Les blocs traditionnels peuvent tre class s de diff rentes mani res selon la nature du mat riau constitutif b ton de granulats courants b ton de granulats l gers b ton cellulaire autoclave la structure interne blocs pleins blocs perfor s comportant des petits alv oles cylindriques blocs creux comportant des alv oles d bouchant ou non leur destination blocs enduire parpaings blocs apparents dont le b ton constitutif doit assurer par lui m me l tanch it du mur blocs bancher leur mode de pose pose avec joints pais pour les blocs ma onner pose avec joints minces pour les blocs a coller et pose sans joint vertical pour les blocs a emboitement la partie de l ouvrage traiter blocs courants pour les parties courantes et blocs sp ciaux pour les parties d ouvrage correspondantes Les caract ristiques de blocs traditionnels sont d finies par les normes correspondantes NF P 14 100 blocs en b ton pour murs et cloisons d finitions NF P 14
188. ation du syst me en mod le du syst me Nous pouvons nous tromper en pensant qu il n y a pas de diff rence entre les deux approches Pourtant l organisation fonctionnelle permet d aborder un probl me d un point de vue plus g n ral Par exemple l organisation fonctionnelle pr sent e dans la Figure 2 5 indique plus clairement que le choix des composants peut tre consid r en tant que d cisions flexibles des sp cifications du mod le par exemple en combinant les tuyaux et les pompes ensemble dans un sous syst me Transfert de chaleur Un tel point de vue permettra d explorer plus facilement toutes les possibilit s dans la conversion de la repr sentation d un syst me en mod le de syst me puisqu il aide sp cifier les sous syst mes et les interactions dans le processus d analyse L approche fonctionnelle nous permet galement de r organiser facilement la repr sentation d un syst me dans d autres configurations 2 3 1 Le captage et l absorption Le capteur est la source de chaleur de l installation solaire C est l que le rayonnement solaire capt est absorb pour chauffer le fluide caloporteur Tous les capteurs visent convertir le rayonnement solaire en chaleur avec un rendement lev et fournir cette chaleur aux consommateurs aussi efficacement que possible Il existe plusieurs types de capteurs solaires thermiques les capteurs non vitr s les capteurs plans vitr s les capteurs sou
189. aux ainsi que par un crit re de faisabilit Le co t de la d construction inclut les co ts de la main d ceuvre de l nergie et des outils n cessaires la r alisation des diff rentes op rations de d construction L impact environnemental de la d construction est valu en termes de cr ation de d chets de pollution et de toxicit engendr es par les diff rentes op rations La facilit de d construction sera valu e au regard du temps de deconstruction et de la technicit requise C est ainsi qu un syst me d montable s av rera tre plus ais d construire Gestion des d chets Les d chets de d molition forment une masse consid rable Il faut savoir que les d chets de d molition sont d termin s par les caract ristiques intrins ques des ouvrages d molir Les trois mesures principales de gestion de ces mati res sont aujourd hui le tri et le regroupement le recyclage et ou l limination du composant par mise en d charge par traitement physico chimique ou encore par incin ration Ainsi on veillera estimer la s parabilit des mat riaux la convertibilit des composants et de l emplacement et les impacts conomiques et environnementaux des diff rents d chets et de leur traitement 130 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision La s parabilit des mat riaux est leur qualit tre tri s
190. beur Gyi le coefficient d mission correspondant au rayonnement infrarouge du vitre Le second terme de cette quation pourra tre lin aris et s exprime ainsi O h h T T quation 6 10 aE ea S a a ou h _ _ hp tant le coefficient d change par rayonnement entre Liebe le vitre et l absorbeur Entre l air ambiant et le vitrage la chaleur est transf r e par convection et radiation ainsi 0 h h T T Equation 6 11 o hy 8 0 T Taa T rai Gat h et h d signent respectivement les coefficients d change par rayonnement et par convection entre le vitrage et l environnement ext rieur Ty repr sente la temp rature du vitre T la temp rature de lair ambiant et Ti la temp rature de rayonnement du ciel ey est le coefficient d mission correspondant au rayonnement infrarouge du vitrage Q 2 est difficile calculer pour la plupart des capteurs En general pour un capteur bien con u les pertes en arri re sont faibles et n ont pas besoin d tre calcul es avec pr cision Si l isolation autour des bords est de m me paisseur qu en arri re les pertes thermiques peuvent tre estim es en assumant une conduction unidimensionnelle autour du p rim tre du capteur mais en ajoutant une constante pour la partie lat rale Dans les capteurs bien isol s la r sistance thermique ext rieure R4 est n glig e face la r sistance thermique d
191. bi Tb2 Tb3 Tamb_int Temps Figure C 2 22 Evolution des temp ratures dans les conduits du 04 au 24 ao t 386 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ext pe Sa A A MOT REN ADL ATE NT Lut HAL sur UNA VIENNE IN NU AE BR OR RE T4ao t n gt 5 gt 5 53 gt gt 5 gt gt gt gt GS GS GS GS O GS O So O QO O O So GS oS oS os G T A T T os T T Y LA T T Ge Lu T os st le h co D t y oy Ud GS kaa D So t NI cs T t tT T T T y ha T y NI NI NI NI Temps Figure C 2 23 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 04 au 24 ao t Temp ratures de la structure T lame_air T verre int T store Tamb_ext HoH H at A a ATAYA TATATATA TATAA AAAA ATA 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 gt 5 5 D oS GS GS oS 9 GS O GS GS GS oS oS Tv Y T Li Lu T T Tv T os Li os os Tel wW inn 00 D D t eN cs UE Le Mm Co D So t EN cs o t t Las tT t ha T t y NS EN NI NI Temps Figure C 2 24 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 04 au 24 ao t 387 Annexe C C 2 5 R sultats de mesures du capteur Gris du 31 ao t au 05 septembre 2005 Eclairement nerg tique horizontal gl
192. bleau 7 1 Capteur exp rimental 2 01 m Dimensions 1 78 m 1 13 m a Nombre d ailettes 20 Tableau 7 1 Comparaison entre les capteurs C8S et les prototypes L absorbeur est enti rement en cuivre il est constitu d ailettes soud es sur des tubes ces tubes verticaux ont un diam tre de 8 mm et sont soud s en haut et en bas du capteur des tubes horizontaux jouant le r le de collecteur dont le diam tre est de 22 mm Figure 7 5 223 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade be i Figure 7 5 Photo de l un des trois capteurs solaires avec mise en place des sondes Le fluide caloporteur utilis est l h liogel CS8O il est base de monopropyl ne glycol et d inhibiteurs de corrosion Il assure une protection efficace contre le gel 25 C et contre la corrosion des m taux pr sents dans les circuits Le mouvement du fluide s effectue de bas en haut le fluide caloporteur froid entre dans le capteur par le bas et ressort par le haut chaud Figure 7 6 Fluide caloporteur chaud A 1 13 m LL LLLLLLL Li 4 Figure 7 6 Circulation du fluide caloporteur dans le composant thermique solaire 1 78 m Fluide caloporteur froid 224 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade L entreprise A S Technal a r alis l enveloppe du capteur afin de permettre l incorporation du composant dans la fa ade Cette
193. bles dans le domaine des mat riaux et des proc d s de fabrication Les am liorations et les innovations de syst mes sont cens es r duire le co t de la r alisation et de fonctionnement du syst me solaire ou augmenter le rendement des syst mes et favoriser ainsi la croissance de march du solaire Dans le but d atteindre nos objectifs nous proposons une d marche articul e autour de plusieurs principes m thodologiques Elle peut tre repr sent e graphiquement de la mani re suivante Technologies solaires Proc d s constructifs Analyse de la dans le b timent probl matique Partie I Analyse fonctionnelle Evaluation qualitative Elaboration de nn Outil d analyse propositions prospective d int gration Am lioration de la Partie II proposition Evaluation Int r t nerg tique nerg tique Mod lisation Comparaison Exp rimentation num rique Partie IIT 18 Introduction g n rale Dans un premier temps nous effectuons l analyse de la situation actuelle de la technologie solaire thermique dans le secteur b timent Cette analyse nous permet de mettre en vidence les principales applications des syst mes solaires thermiques dans ce secteur et de faire une analyse des ressources et des besoins satisfaire Cette tape constitue le premier apport pour la d finition des composants devant assurer les fonctions essentielles de l enveloppe consid r e comme syst me solaire notamment les fonctions
194. c masque 361 Annexe C Quest sec masque byob Pans HES Athe leg Ee rii Tcl om LEDON be Figure C 1 79 Pourcentages d nergie utile produite pour une orientation Ouest az 90 avec masque par Ratio Figure C 1 80 rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence Quest sec Masque 14 O 12 00 10 00 300 6 00 00 0 00 Coefficients de multiplication de la surface de captage pour une orientation Ouest az 90 avec masque 362 Annexe C Est sans masque 14000 00 gt 12000 0 10000 0 5000 00 KW 6000 00 4000 00 2000 00 0 00 Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stock ho kn Lisbonne E capteur noir classique E capteur noir int gr E capteur gris int gr B capteur vert nt gr Figure C 1 81 Quantit s d nergie utile produite pour une orientation Est az 270 sans masque Est sans masque 100 00 90 00 80 00 70 00 60 00 50 00 40 00 30 00 A 2525 66 20 00 10 00 0 00 Lyon Paris Nice Ath nes Berlin Stockholm Lisbonne E capteur noir classique E capteur noir int gr E capteur gris int gr E capteur vert nt gr Figure C 1 82 Pourcentages d nergie utile produite pour une orientation Est az 270 sans masque par rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence 363 Annexe C Est sans masque 5 00 c4 5d 450 400 53 90 aT 3 70 7 ann 3 50 3 00 Ratio 2 50 2
195. ce Une de leurs propri t s essentielles est la r sistance a l crasement 3 3 Briques de terre cuite Pour satisfaire aux diff rentes exigences requises pour les ma onneries la brique doit tre stable l humidit et avoir une porosit limit e Sa r sistance m canique doit correspondre aux charges appliqu es sur le mur On distingue plusieurs types de briques les briques pl tri res essentiellement utilis es pour les cloisons int rieures pl trer les briques creuses dont la superficie des trous est sup rieure 40 de la section totale de la brique les briques creuses rupture de joint le joint de mortier est interrompu par le d crochement des alv oles centrales ce qui am liore le comportement thermique et hygrothermique de la paroi les briques de parement peuvent tre pleines ou perfor es Elles sont pos es en facade pour donner au mur un effet architectural 71 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent les briques perfor es dont la superficie des trous est inf rieure 40 de la section totale de la brique les mulots demi briques de section carr e perfor e ou non les briques r fractaires r sistantes au feu Avant leur mise en uvre les briques de terre cuite doivent tre humidifi es afin qu elles n aient pas tendance absorber l eau du mortier et le dess cher Pl tri re Perfor e Brique rupture de joint EE u
196. cette ossature se fixent des l ments opaques et transparents qui assurent l ensemble des performances de la fa ade Le mur rideau et tous ses joints entre ossature et remplissage doivent entre les ambiances ext rieure et int rieure r aliser l tanch it l air et l eau Il doit ainsi comporter une double paroi avec cran anti pluie en paroi ext rieure et tanch it a l air en paroi int rieure Figure 3 13 78 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Figure 3 13 Mur rideau associant vitrage et panneau 550 W Adams Chicago IL Les fa ades en verre sont des fa ades de type rideau ou semi rideau dans lesquelles la face ext rieure des l ments de remplissage sont des mat riaux verriers transparents translucides ou opaques Il existe plusieurs types de fa ades en verre d pendant du principe de fixation des verres o Les fa ades vitrage parclos VEP dans lesquelles les l ments de remplissage en mat riaux verriers sont maintenus en place par un syst me de serre vitres sur l ossature secondaire constitu e de montants et de traverses en profil s en bois ou m tallique aluminium Figure 3 14 remplissage morr m APE vitr Ou opaque e CE La d montant capot 0 ii profil serreur LPE 5 Tale D Le join T8 pore vis d serrag vie MU de caoutchouc Es ie traverse de serrage a ra orifice _ ie ee joint us se 2 ei de drainage
197. chniques qui doivent tre mises en place ainsi que le mat riel a utiliser pour v rifier l ensemble de ces caract ristiques Dans notre cas 1l ne s agit pas d homologuer un capteur mais de conna tre son comportement En effet le but est de comparer les performances des capteurs exp rimentaux des capteurs classiques Les principales pr occupations concernent donc les temp ratures Nous nous int ressons plusieurs types de temp ratures tout d abord aux temp ratures de surface des composants solaires temp ratures d ailettes puis aux temp ratures de conduit des composants et du ballon Un d bitmetre fut install dans la suite afin de conna tre le d bit du fluide caloporteur au sein de l installation Enfin la temp rature ambiante et les conditions climatiques doivent aussi tre connues afin de pouvoir interpr ter les r sultats obtenus Ainsi chaque capteur a t minutieusement choisi selon la fonction qu il devait assurer Ils sont dans la suite pr sent s en fonction du r le qu ils tiennent 7 5 2 La temp rature de surface Pour conna tre les temp ratures d ailette l int rieur des composants thermiques solaires nous avons choisi d installer des sondes de temp rature avec un l ment sensible platine 100 229 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade ohms L enveloppe de l l ment sensible est en caoutchouc de silicone et ces sondes fonctionnent dans un domai
198. cier simple S D QD D D SI RD D D ID D ID ID III ID CD U OS BB I NINI UIN W D BD ND de 2 Wi D DID D oO D RO D DD D D ID ID ID IN ID OIW SOS D ID ID OS ID ICS WY G BG GW Go Go Fa ade panneau fen tre ma onnerie 2 S no D IS ID RD Oo D D D ID ID II ID BB e Oo ID D e NI mm D IQ ID ID D Oo ID ID W e Fa ade rideau WW Wl D Oo DOS ID IR D Oo DD D D III IN IR I WIN WLR ID et D D D D BWI ND Vitrage parclos DIS In Do ID IRD Oo ID D D DID ID IRD ID OS In D CII ID DD eI NINI D I D ND Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Mur en Bardage All ge Fa ade Fa ade Vitrage Crit res Notes ma onnerie acier de panneau rideau parclos de type IHI simple fen tre ma onnerie 39 Co t de la d construction 3 3 3 3 3 3 40 Impact env de la d construction 3 3 3 3 3 3 41 Convertibilit des composants 3 3 3 2 2 2 42 Convertibilit de l emplacement 3 3 3 2 2 2 43 Co t des traitements i l 1 1 l l Tableau 5 8 Nouvelle notation nex des six solutions d int gration L application de SISBat sur les six propositions d int gration modifi es est ensuite faite avec les nouvelles notations Les r sultats des nouvelles et des anciennes notes globales d valuation sont regroup s dans un seul graphique afin de voir l volution de la proposition apr s avoir fait les modifications prop
199. cipale parpaing b ton Isolation acoustique Bardage Isolation vent lat ral Toint tanche Tableau 4 2 Comparaison des fonctions initiales et 4 4 3 Fa ade rideau Capteurs bardage Joints tanches Isolant du capteur laine de roche Laine de roche int rieure Paroi principale parpaing b ton Capteurs bardage Joints tanches finales du bardage acier simple La fa ade rideau est principalement utilis e dans l habitat individuel collectif et bureaux tous ses l ments sont mis en place sur le chantier Une int gration de capteur solaire est envisageable L isolant servirait la fois d isolation thermique et acoustique du b timent et galement d isolation pour la partie capteur afin de limiter les pertes L aspect bardage pourrait tre gard en tra ant une trame sur le verre soit en s rigraphie soit en gravure rainure par exemple Ainsi l aspect architectural de l l ment serait respecte Figure 4 4 E Liaison en all ge de tt fen tre ps T le mince Plaques de pl tre EG paisseur 2 x 13 mm IE Pare vapeur t Tubes canaux cuivre 8 mm Gougons d ancrage po i OF ae Lai Joint tanche Liaison en meee ie eee EX LUS Eure ea pm oe Har r Ds ele 2 Sere ESS Absorbeur cuivre en Gougons d ancrage et querre en acier fix e lt 3 par un tire fond dans l ossature p lt Verre bardage antireflet 3 ltra haute transparence 8 mm Isolation t
200. ct env de l installation 3 3 3 3 3 3 35 Acceptation 2 2 2 2 2 2 36 Confort thermique 2 2 i l l l 37 Co t de l exploitation 3 3 3 3 3 3 38 Impact env de l exploitation 3 3 3 3 3 2 39 Co t de la d construction 3 3 3 3 3 3 40 Impact env de la d construction 3 3 3 3 3 3 41 Convertibilit des composants 3 3 3 2 2 2 42 Convertibilit de emplacement 3 3 3 2 2 2 43 Co t des traitements 1 i 1 l l l Tableau 5 6 Notation nex des six solutions d int gration 5 5 2 R sultats de l analyse Les r sultats sont calcul s conform ment aux r gles pr sent es dans la partie Pond ration des variables selon la motricit Chaque proposition d int gration analys e se voit donc affect e dix huit notes dont Douze notes correspondant aux douze sur crit res Cinq notes d valuation correspondant aux tapes du cycle de vie A cause du grand nombre de crit res de l tape vie en uvre et pour avoir des r sultats plus explicites et quilibr s nous avons d cid de s parer les r sultats d valuation en deux familles l exploitation et la maintenance Une note d valuation globale Il est rappeler que ces notes sont tablies selon une chelle allant de 0 3 une note sup rieure 2 5 signifie que la solution d int gration est excellente une note sup rieure 2 que l int gration est bonne une note voisine de 1 5 que l int gration est de qualit moyenne en dessous de 1 5 u
201. ctionnel il provient de la r flexion par les nuages ou par les poussi res de l atmosph re Le rayonnement r fl chi C est le rayonnement r fl chi par les surfaces environnantes sol b timents proches v g tation es Diffus NS AN l ASN x Direct Capteur NX Renee r GS Figure 2 1 Les trois formes du rayonnement solaire direct diffus et r fl chi L utilisation de cette nergie solaire dans le b timent peut faire appel deux techniques distinctes le solaire photovolta que ou le solaire thermique C est cette derni re qui fait Pobjet de notre recherche La technique du solaire thermique est applicable au chauffage des habitations des piscines la production d eau chaude sanitaire ECS ou encore la climatisation ou au s chage des r coltes Pour le solaire thermique on peut distinguer le solaire passif et le solaire actif La captation de la chaleur solaire peut tre passive en ce sens qu aucun autre fluide que l air n est utilis pour tirer partie dans l ensemble du b timent de la chaleur r cup r e gr ce des vitrages adapt s dans certains points de celui ci C est ainsi que des baies vitr es orient es au sud stockent de la chaleur dans la masse thermique du b timent Le solaire est en revanche dit actif lorsque des moyens m caniques et des technologies plus ou moins complexes sont utilis es capteurs r seau de distribution ballons de stockage po
202. d lectricit li es aux appareils lectrom nagers audiovisuels et informatiques renouvellement et traitement d air et surtout la climatisation En outre la dur e de vie des b timents est en moyenne tr s longue et le rythme de renouvellement du parc est tr s faible On estime que 60 70 des b timents de 2050 sont d j construits Les principales formes d usage de l nergie dans les b timents sont le chauffage l eau chaude sanitaire la cuisson et l lectricit sp cifique clairage lectrom nager Figure 1 6 Mtep 50 40 30 20 10 R sidentiel Tertiaire O Chauffage BECS Cuisson O El ctricit sp cifique Figure 1 6 La consommation d nergie par usage en France DGEMP 2006 Dans le r sidentiel c est le chauffage qui consomme le plus d nergie avec plus de 75 suivi par l eau chaude sanitaire et la cuisson et les usages sp cifiques de l lectricit Pour le 2 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires tertiaire la situation est diff rente La consommation est presque la moiti de celle du r sidentiel mais elle est r partie quasi galement entre les diff rents usages Par contre de trois formes d usage c est l lectricit usage sp cifique qui marque l volution la plus importante dans le r sidentiel et le tertiaire 56 dans le r sidentiel et 38 dans le tertiaire pour l ann e 2003 par rappo
203. d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d eau chaude sanitaire 314 Annexe B Crit res 8 Possibilit d installation en r habilitation 9 Ad quation en terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication Notes Observations Remplacement d un panneau par d montage du panneau existant L ajout du capteur risque de cr er une petite surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage pouvant tre l g rement s rigraphie ou grav s s appuyant sur la trame des l ments alentours Taille des panneaux ajustable en fonction des besoins hauteur entre nez de dalle ou largeur dans la structure porteuse Rendement satisfaisant gr ce au choix de ma
204. dans les r servoirs de stockage passent de l tat solide au liquide Au cours du changement de phase pour une l vation de temp rature donn e la chaleur absorb e est beaucoup plus grande que dans le cas de la diff rence de temp rature du stockage l tat solide ou liquide La transformation inverse lib re une grande quantit de chaleur qui passe ensuite dans le r seau de distribution pour chauffer les locaux et le stockage se refroidit jusqu atteindre le point de solidification Si la temp rature de fusion de la mati re est choisie avec soin la capacit thermique de stockage par ce proc d peut tre sensiblement plus lev e que dans les syst mes de stockage eau ou lit de pierres Le stockage chimique r sulte des r actions chimiques qui d composent les l ments sous l effet d un apport de chaleur en produits de la r action Ces produits sont ensuite s par s et stock s sans aucune limite temporelle jusqu la r action de reconstitution des l ments d origine suivant une r action exothermique 2 3 4 L appoint L nergie solaire ne peut dans la plupart des cas assurer la totalit des besoins en nergie Pour faire face des p riodes d favorables hiver demi saison longue p riode de mauvais temps 54 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent on a besoin d une nergie d appoint Ainsi la plupart des unit s de stockage sont quip es d un
205. de captage de stockage et de distribution Elle est suivie par un tat de l art des proc d s constructifs dans le domaine de b timent Une typologie de diff rentes techniques de construction est pr sent e afin de rep rer les l ments et les phases du processus de construction qui peuvent servir int grer des composants solaires Cette tape constitue un second apport pour la d finition des composants et des techniques constructives qui permettent d int grer les fonctions de transfert propres aux syst mes solaires Une analyse fonctionnelle des syst mes solaires et des l ments de construction conduit d finir et tablir une s rie de propositions d int gration L analyse d taill e de toutes les propositions se r v lant difficile effectuer dans le cadre de notre recherche un classement de ces propositions suivant des crit res de faisabilit nous conduit en retenir certaines pour tre analys es et d velopp es a travers un outil d analyse prospective L analyse de la probl matique de l int gration technico architecturale des syst mes solaires dans la structure b tie nous permet d tablir un cadre rigoureux pour le d veloppement de cet outil Dans la deuxi me partie un outil d analyse prospective capable d valuer la qualit d int gration des composants solaires dans le b timent est d velopp suivant une approche syst mique Nous laborons une structure m thodologique qui puisse
206. de notre tude est double d une part conduire une analyse prospective destin e identifier des pistes d innovation dans l int gration architecturale des syst mes solaires thermiques actifs et d autre part d velopper un outil num rique qui permet de calculer la performance nerg tique des quipements solaires integr s et l impact de l int gration sur l ambiance int rieure du b timent Dans un premier temps une analyse de la probl matique de l int gration architecturale des composants solaires thermiques actifs dans le b timent travers des exemples r alis s nous conduit d finir des principes d int gration Dans un second temps nous d veloppons un outil d analyse prospective baptis SISBat capable d valuer la qualit d int gration des composants solaires dans le b timent et de proposer des perspectives d volution Ensuite nous d veloppons un environnement de simulation de syst mes solaires int gr s dans le b timent Bien que le syst me solaire soit consid r dans son ensemble le travail de d veloppement s est plut t focalis sur le capteur int gr prenant en compte l interaction capteur b timent Une fois qu une proposition d int gration solaire est d velopp e avec SISBat son comportement thermique et sa performance nerg tique sont tudi s avec le mod le num rique d velopp afin de v rifier l int r t de la solution d int gration Enfin une exp rimentation
207. de visser et clipser les diff rents composants l installation est relativement simple Les capteurs sont destin s tre install s verticalement en fa ade de b timent une position non optimale au rendement thermique du capteur La surface pourra tre adapt e en fonction des besoins Possibilit d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d ECS au plancher chauffant ou au rafra chissement solaire par dessiccation Par remplacement d un panneau de fa ade par d montage du panneau existant puisque ceux c1 sont assembl s sur l ossature secondaire L ajout du capteur risque de cr er une surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage pouvant tre l g rement s rigraphie ou grav s s appuyant sur la trame des l ments alentours mais limination de la transparence de l l ment d origine Il est possible de modifier la taille des modules solaires les types de vitrage ainsi que la couleur de la peinture de l absorbeur en fonction des besoins ou l envie des architectes afin qu ils puissent composer la fa ade selon la trame de la menuiserie La pr sence des vitrages et des isolants et l utilisation de couleurs sombres laissent penser que la performance thermique devra tre satisfaisante Le syst me solaire install sera munie d une r gulation qui laiss
208. des salissures qui pourraient diminuer leur rendement Cette solution est int ressante Elle simplifie la pose et permet d obtenir l angle d inclinaison choisi pour le capteur Cette solution est envisageable sur un talus de jardin ou sur une terrasse au pied de la maison Figure 1 15 Bien videmment le fait d loigner de cette fa on le syst me en lui m me permet de gommer l aspect inesth tique de l installation Pourtant cela ne va pas sans cr er d autres contraintes Il faut alors faire face une perte de rendement caus e par une plus grande distance du transfert nerg tique entre le capteur et le stockage et porter une attention toute particuli re aux raccords et l isolation ce qui implique l absence de recours cette solution dans les r gions au climat trop rigoureux ou trop venteux Figure 1 15 Implantation de capteurs au sol au Centre H liomarin Vallauris Tecsol Les capteurs solaires peuvent aussi trouver leur place naturellement comme composants des annexes de l habitation sous r serve que ces annexes soient proches du b timent principal serres garages abris 39 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires 1 4 2 La qualit architecturale D apr s l enqu te men e par Sonia Cortesse aupr s d architectes et de ma tres d ouvrage il appara t que la qualit architecturale et la qualit du design du produit sont des facteurs primordiaux de la r
209. does 143 54 2 Pond ranon des variables sel n la m tricileareisicnsnencanee ante Rages et ees EE 143 3 4 3 Evaluation et COMPALGISON AES propositions seeds ren t s mr AN dt En detre 145 5 5 Application de la m thode SISBat ss 145 DD LANGIVSC OES PrOPOSI ONS RER cee SRE Re en nn nn 146 DD RAUKA eT ON GIV SC RER ET nn ne meals 149 5 5 3 Propositions d am lioration des conceptions d int gration 156 DOME AA OM AN cies 163 Si CON IUSION ES ANR de 165 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s ss 171 6 1 La mod lisation de capteurs solaires int gr s ccceeeesssseseeececceeeeeeeeeeeeaaaeseeeseseeeees 171 OAL BHO HETO GUEUC CUR RSR nn nl ee A A ee cea ET 72 6 1 2 La conductance thermique du capteur int gr EEE EEE 173 OS AnabSethermique de LOD SOTO CUI moienn aE th ar E E S a eaase 176 OLALI GU TE AMCOS UO annaa a a a a N 179 6 2 Logiciels utilis s dans la simulation 180 OZ SOLI 000 re E E a N 180 022 MATLAB 0 Inso en E ru ET 181 Os TIN SVS LOr E E E A E E S 181 6 3 LS DOCO desiMUla NON resnie A A 182 OSALETE MAIS CUMAN GUES cette E Ra TE ot E A dc stt eas 182 6 3 2 La description du SV SICINC SOIGII Cocina htc teks il RAR 183 OIS COUMlCUTIS AET ADIO OUT Sn E TAE Re E E E TEE E T 184 6 3 4 Description de la zone de b timent 185 GSI LNN SINS GUO ices nn nid ae ein te al an anos do 186 04 1 modele du DAMON aan NA RSR AR A 187 6 5 Le mod le du syst me solaire thermique 2 nan seine avan 1
210. donn es acqu rir Ce pas de temps permet de plus une synchronisation avec la station m t o des GAIA ayant le m me pas de temps 7 6 5 Le puisage Pour simuler un fonctionnement r el de capteur solaire nous avons mis au point un sc nario de puisage Le puisage permet ainsi de feindre une utilisation r elle de l eau du ballon Le tableau indicatif ci dessous a t r alis par l ADEME Il permet de conna tre les besoins journaliers d eau chaude en litres 60 pour diff rentes familles selon les points de puisage Tableau 7 5 Nombre de personnes Besoins journaliers Poste alimenter 5 vivant au foyer en litre d eau chaude sanitaire 60 Evier Lavabo Bain Tableau 7 5 Besoins journaliers en ECS selon le nombre de personnes vivant au foyer De son c t EDF pr conise de dimensionner une installation en supposant qu une personne consomme entre 50 et 60 litres d eau chaude 45 C par jour Quant aux industriels fabricant des installations solaires ils pr conisent d avoir une consommation d eau journali re maximale gale au volume du ballon qui est ici de 150 I Ces informations provenant de sources diverses ne sont pas toutes concordantes elles donnent toutefois des indications pour 238 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade mettre en place des sc narios de puisage conformes avec la r alit Nous avons d cid de faire un puisage Journalier d enviro
211. e plancher 22 mm J ha IE Solive SN p riph rique DEN VE J Solive LE PR Entretoise V S NES NSZ Profil Z AS JAA LDT sais C f BA 13 sur contrelattage e Pare pluie C2 Isolant semi rigide DE Pare vapeur Figure 3 5 El ment de structure de mur en bois 3 10 Planchers Les planchers l ments horizontaux de la structure doivent assurer les fonctions suivantes transmission des charges depuis leur point d application vers les structures verticales r sistance aux sollicitations extr mes incendie s isme fonction d isolation acoustique entre locaux On distingue deux familles de planchers Les planchers construits en b ton coul en place et les planchers pr fabriqu s 74 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Parmi les planchers construits en b ton coul en place on peut distinguer Le plancher traditionnel poutres crois es constitu de poutres principales et de poutres secondaires solives solidaris es par une dalle leur partie sup rieure Dalle de plancher Tp Poutre Solive Figure 3 6 Plancher en b ton arm poutres crois es Le plancher dalle pleine ne comporte aucune poutre interm diaire Il repose sur les murs de ma onnerie par l interm diaire de chainages Quand la dalle pleine en b ton arm a pour effet de r partir des charges importantes sur des points d appuis loign s on l appelle dalle transfert 7
212. e ballon de stockage 249 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Dans le cas des capteurs en stagnation nous nous int ressons la temp rature moyenne de la plaque absorbante du capteur qui est un l ment important dans l tude de l impact sur l int gration des capteurs sur l ambiance int rieure de la zone int rieure du b timent 7 9 1 R glage des param tres de simulation Afin de pouvoir comparer les r sultats exp rimentaux et num riques 1l est indispensable de s assurer du bon param trage du mod le num rique Trois facteurs principaux du mod le num rique sont tudi s et analys s Le pas de temps Le sc nario de puisage Les pertes dues au ballon Les tests sont r alis s sur trois p riodes correspondant au syst me solaire ayant chaque fois un module solaire prototype comme l ment capteur 7 9 1 1 Le pas de temps Le pas de temps habituellement utilis sous TRNSYS pour r aliser les simulations est d une heure Toutefois le pas de temps du fichier m t o enregistr sur place tant de 5 minutes nous avons r alis des tests afin de d finir le pas de temps le plus appropri notre exp rimentation Quatre pas de temps sont test s 5 min 15 min 30 min et 1 heure Tb5min Tb15min Tb30min Tb1h Tbmesu 48 00 46 00 44 00 42 00 40 00 38 00 36 00 Temp rature dans le ballon C 34 00 32 00
213. e d emploi Ce type de fa ade est utilis dans l habitat collectif et individuel et dans le secteur tertiaire 7 J Re Vu Rev tement ext rieur Doublage Possibilit d int gration Le bardage Ai en bois peut tre remplac par un e te capteur solaire en gardant ventuellement une trame sur le verre du capteur afin de garder l esprit du bardage L isolant d j pr sent peut servir d isolant pour le capteur il I A Solive p riph rique U Lattaae J gt q 7 D TN AS ST DNS TL Ni ins DE Solive D Entretoise A 4 7 PS x H Mise en uvre Pose difficile Accessibilit par l ext rieur Non pr fabriqu Cr ation du vide pour la lame d air TA Z gt 1 7 BA 13 sur contrelattaae d air Isolant semi Pare pluie rigide Pare vaneur Profil Z gt Lame l I Conformit d usage Garder l aspect esth tique par s rigraphie 97 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 6 Int gration dans les fa ades panneau Domaine d emploi Ce type de fa ade concerne l habitat collectif le secteur tertiaire et les industries Nez de plancher Possibilit d int gration Plusieurs choix sont possibles pour la position du HO capteur dans le panneau d une fa ade El ment de remplissage Le capteur peut tre situ dans l all ge Ch
214. e de ballon selon la couleur sur la p riode du 13 au 18 juillet Absorptivit et missivit des capteurs class s selon leur couleur Rayonnement effectif sur une surface moyenne en Lyon Quantit d nergie utile en un an pour des capteurs orient s Sud az 0 Pourcentage d nergie utile en un an pour une orientation Sud az 0 Superficie de captage n cessaire aux capteurs int gr s pour galer les capteurs r f rence Pourcentage d nergie utile en un an pour une orientation Est az 270 Rendements en pourcentage des capteurs solaires orient s Sud Paris en f vrier Quantit d nergie utile sur les trois mois consid r s pour des capteurs orient s Sud az 0 Ratio de la surface n cessaire des capteurs int gr s sans effet de masque az 0 Ratio de la surface n cessaire des capteurs int gr s avec effet de masque az 0 R duction annuelle des missions de CO2 par le syst me solaire thermique L clairement nerg tique global sur le plan du capteur Lyon entre 01 et 07 f vrier La temp rature int rieure de la zone entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en marche Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en marche 284 121 123 132 138 138 140 141 150 151 152 153 154 155 157 158 158 159 160 161 162 162 164 172 174 176 182 183 183 184 185 186 187 188 191 192 192 193 194
215. e du coffre a Circuit d taill b Circuit simplifi O Temp rature d ambiance Tp Figure 6 2 Circuit thermique pour un capteur plan vitr int gr dans le b timent RI d signe la r sistance thermique au flux par convection et rayonnement entre la face ext rieure du vitrage et l air ambiant R2 la r sistance thermique au flux par convection et rayonnement entre la face int rieure du vitrage et l absorbeur R3 la r sistance thermique au flux par conduction travers la face arri re et la face lat rale de l absorbeur R4 la r sistance thermique au flux par convection avec l environnement derri re le capteur La temp rature est consid r e homog ne pour chaque l ment Pour simplifier nous pouvons crire _1_ 1 D T _1_ l PER ph Nous divisons les pertes en deux parties Op Qp1 Q 2 quation 6 8 quation 6 7 o Qp signifie perte vers l avant Q perte vers l arri re Q 1 peut tre d termin e en d terminant les r sistances thermiques R1 et R2 Entre le vitrage et l absorbeur la chaleur est transf r e par convection et radiation ainsi o T 4 T 4 h_ T T quation 6 9 2 1 hea T Ser aes 174 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s o he2 le coefficient d change par convection entre le vitre et l absorbeur Gex le coefficient d mission correspondant au rayonnement infrarouge de l absor
216. e en consid ration les relations indirectes qui permettent la diffusion des impacts des variables par les chemins et les boucles de r troaction Nous utilisons alors la m thode de multiplication matricielle appliqu e la matrice structurelle afin de pouvoir d celer les variables qui peuvent tre importants comptes tenus des liaisons indirectes et donc de mieux comprendre la dynamique de la grille des variables d int gration L application de la m thode MICMAC Matrice d Impacts Crois s Multiplication Appliqu e une classement qui consiste lever successivement la matrice structurelle en puissance nous a permis de d celer les influences indirectes S il est d montr que toute matrice doit converger vers une stabilit au bout d un certain nombre d it rations g n ralement 4 5 pour une matrice de taille 50 1l est apparu int ressant de pouvoir suivre l volution de cette stabilit au cours des multiplications successives En l absence de crit res mathematiquement tablis il a t choisi de s appuyer sur le nombre de permutations n cessaires chaque it ration tri bulles pour classer l ensemble des variables en influence et en d pendance Un r sultat de 100 signifie que le nombre de permutations n cessaires au classement l it ration 1 est identique celui n cessaire l it ration 1 1 et que donc l application est stable Les r sultats peuvent ainsi varier autour de 100 Tableau 5 4 It
217. e int rieure de la zone entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en stagnation Les carts des temp ratures entre les quatre isolants sont importants Dans la journ e du 04 ao t la diff rence de temp rature int rieure avec 30 mm d isolant et 120 mm d passe 4 50 C Figure 6 42 Cette diff rence est significative et illustre l importance de l influence de l paisseur de l isolant sur l ambiance interne du b timent Diff rence de Temp ratures Int rieures 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Figure 6 42 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 ao t avec un syst me solaire en stagnation 212 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 8 3 2 Comparaison avec un b timent traditionnel Apr s avoir analys l impact de l paisseur de l isolant du capteur int gr sur la temp rature int rieure de la zone tudi e nous avons compar les r sultats obtenus avec des capteurs int gr s dans la fa ade aux r sultats obtenus avec un b timent sans capteur int gr Les comparaisons sont faites en hiver et en t pour des syst mes solaires en marche et des syst mes en stagnation Ainsi pour un syst me solaire en marche l int gration d un composant solaire ayant 120 mm d isolation ne pr sente en moyenne que 0 2 C de diff rence avec la temp rature int rieure d un b timent sa
218. e l isolant R 3 Ainsi les pertes thermiques vers l arri re s expriment par O Af Batti 7 T quation 6 12 i Ll ou i le facteur de conduction de l isolant ei d signe l paisseur de l isolant sur la face arri re ej l paisseur de l isolant sur les faces lat rales l la longueur du capteur l gt la largeur du capteur T la temp rature moyenne de l absorbeur To la temp rature de l ambiance int rieure derri re le capteur Comme R et R2 sont fonctions de la temp rature du vitrage Ty le calcul des pertes doit se faire par it rations successives Il s agit en fait d un syst me de trois quations quation 175 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 11 Equation 6 10 et Equation 6 12 trois inconnues Ty Qp et Qu La solution d un tel syst me non lin aire peut se faire par it rations successives 6 1 3 Analyse thermique de l absorbeur Afin de d terminer l efficacit du capteur le taux de transfert thermique au fluide caloporteur doit tre calcul Pour cela nous consid rons une section de la plaque absorbante comme pr sent e dans la figure suivante Figure 6 3 o t W D 2 D Figure 6 3 Sch ma montrant les coordonn es et les dimensions de l absorbeur En consid rant que la conduction dans la direction de l axe y est n gligeable le bilan thermique par unit de surface une distance
219. e ma trise de l nergie et de d veloppement des nergies renouvelables De cet engagement s ensuit en 2000 l tablissement d un Plan National de Lutte contre le Changement Climatique PNLCC remplac en 2004 par le Plan Climat Dans ce dernier et dans la loi d orientation sur l nergie de juillet 2005 la France a inscrit l application du facteur 4 qui vise diviser par quatre d ici 2050 les missions des gaz effet de serre Ces intentions sont d autant plus justifi es que figurent parmi les objectifs de la politique nerg tique nationale la mont e en puissance des biocarburants une augmentation de 15 21 de la part de la consommation nationale d lectricit d origine renouvelable ainsi qu une augmentation de 50 de la production de chaleur d origine renouvelable en 2015 Ce dernier objectif r v le l int r t grandissant des syst mes solaires thermiques 1 1 4 Quelle place pour l nergie solaire thermique Ces probl mes concourent aviser nos soci t s de la n cessit d une modification radicale du mode de production de l nergie N anmoins afin d tre efficace cette r organisation de la production nerg tique se doit d tre men e de front avec les probl mes sociaux de ce si cle ch mage travail pr caire in galit s nord sud C est pourquoi des solutions cologiquement int ressantes telles que les nergies renouvelables ne peuvent se limiter
220. e recouverte par un volume d eau une couche de gravier ou de la terre avec la v g tation En raison de construction et de s curit les toits plats sont entour s par un acrot re Les acrot res en b ton sont soit bas hauteur inf rieure 0 3 m soit haut coul s sur place ou pr fabriqu s Ils doivent respecter les r gles de construction appliqu es aux ouvrages de ma onnerie ou de b ton arm Les acrot res hauts sont fractionn s par des joints distants de 6 8 m un calfeutrement des Joints l aide d un mastic lastom re vite les risques 87 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent d infiltration Lorsqu ils sont pr fabriqu s ils peuvent tre int gr s aux panneaux des derniers niveaux ou r alis s ind pendamment Figure 1 1 gt 0 05 m h lt 0 30 m es Eee Protection i __ Protection l Z PEPE i i t h z it gt ee ain L es p Etanch it Son re ancnelte SE isolant ao Isolant Pare vapeur Pare vapeur Mur de Mur de fa ade fa ade a Acrot re bas Calfeutrement des fractionnements par joint de mastic d velopp sur le contour de l acrot re Arase du joint de Le fractionnement J h lt 0 30 m i Protection i r roteehon Let tanch it an Flanch it LA LLLE LI isolant F A solant Pare vapeur oo Pare vapeur Mur de Mur de fa ade fa ade b Acrot re haut c Acrot re pr fabriqu Figu
221. e tr s moteurs donc tr s influents sur le syst me par cons quent sur le r sultat final de l valuation Les variables tr s motrices sont L optimisation du positionnement la simplicit de ouvrage la facilit installation la fonction structurelle la fonction isolation thermique et la modulation du syst me solaire Donc l volution de ces crit res pourra tre un facteur essentiel dans la mesure o on cherche am liorer des propositions d int gration formul es D autres variables peuvent jouer des r les moyennement importants sur le comportement du syst me en tant moyennement motrices et peu d pendantes Dans cette cat gorie nous trouvons les crit res d valuation suivants La limitation des pertes la s parabilit des mat riaux la s curit d usage la performance mat riaux l optimisation de la configuration La faisabilit technique et la visibilit du syst me solaire Ainsi l am lioration de ces crit res aura un impact cons quent sur la qualit de l int gration Donc une attention ou une am lioration apport e un ou plusieurs de ces crit res tr s influents ou moyennement influents et peu d pendants apportera une am lioration importante au niveau du crit re acceptation des usagers qui est une variable tr s d pendante et qui sera nettement bien am lior e et par consequence l int gration sera mieu
222. eau chaude sanitaire n est pas chauff e 241 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Pour cette journ e les r sultats semblent plut t satisfaisants Avec le capteur vert l installation a fonctionn durant 8h05 et avec les capteurs gris et noir durant 9h40 Il est noter que la mise en route du circulateur s est produit des horaires diff rents selon le capteur test le capteur gris est le capteur qui permet d atteindre le plus rapidement un AT sup rieur 5 C mais l inverse c est celui qui le soir est retomb le plus rapidement avec un AT inf rieur a 5 C Figure 7 29 Temperature en C Tci Tc Tc2 Tc Tc3 Tc AT gt 5 C tn 9h40 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 O 4 5 N om 19 XN DM AN om N N N AN 10 heure Figure 7 29 Variation du AT selon les capteurs 11 juin 2005 7 7 3 R sultats de mesures d une journ e couverte Les conditions climatiques du 14 juin 2005 taient plus d grad es que celles du 11 juin L clairement a en effet t beaucoup plus faible Figure 7 30 11 juin 05 14 juin 05 1000 _ 900 SS 800 ss z 700 5 600 5 400 S S 300 5 200 uw 100 0 heure Figure 7 30 Comparaison de l clairement horizontal pour les journ es du 11 et du 14 juin Les r sultats obte
223. eaux produits L installation exp rimentale a permis de r aliser une confrontation entre les r sultats de simulation issus du mod le num rique d velopp sous MATLAB et int gr dans TRNSYS et les mesures exp rimentales des trois capteurs solaires int gr s prototypes Cette confrontation a abouti sur une bonne concordance et a permis de mettre en valeur la capacit du mod le d crire le comportement thermique dynamique des capteurs solaires thermiques int gr s dans la fa ade 262 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Conclusion g n rale Perspectives 263 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 264 Conclusion g n rale et perspectives Conclusion g n rale Adopter une d marche d int gration des composants solaires actifs dans le b timent est une mani re significative de relever le d fi du d veloppement du march solaire thermique tout en contribuant la diminution des missions des gaz effet de serre et des tensions financi res et politiques li es aux risques sur les approvisionnements Dans ce contexte l objectif de notre recherche tait articul en deux axes fondamentaux compl mentaires d une part le d veloppement d une m thode d analyse prospective destin e identifier des principes constructifs et des composants d enveloppe innovants dans l int gration technico architecturale des qu
224. echnique et dont la mise en place n cessite une utilisation exp rimentale sur un ou plusieurs chantiers l Atex appr ciation technique d experimentation Les r gles de calcul et de dimensionnement des ouvrages qui permettent de concevoir et de dimensionner les constructions en fonction du mat riau choisi b ton bois m tal et des aspects locaux et de leur destination Les r gles professionnelles tablies par les repr sentants de la fili re construction maitres d ouvrage architectes et maitres d ceuvre entrepreneurs industriels des pratiques d usage commun non obligatoirement crites Ces r gles d art sont diff rentes des performances impos es chaque construction en fonction de son usage et de sa destination Nous pouvons cit s dans cette deuxi me cat gorie le code de la construction la r glementation thermique la r glementation acoustique et le r glement de la s curit incendie Les normes ou Avis techniques sont des textes de r f rence en mati re de qualit technique Mais pour l utilisateur l important est la garantie que le produit ou le composant qui servira construire son mur son plancher ou son toit soit de bonne qualit Un syst me de certification de produits s est donc d velopp depuis une vingtaine d ann es dans la plupart des grands domaines techniques Cette certification atteste que le fabricant du produit effectue un autocontr le r gulier de sa prod
225. echniques RT2005 L exigence acoustique est exprim e en termes de r sultat global pour un logement ou un local dans les arr t s du 30 juin 1999 et peut tre respect e en appliquant les Exemples de solutions acoustiques du CSTB L exigence de tenue au feu est double d une part la r action au feu pour laquelle les blocs en b ton et les briques de terre cuite sont classes dans la cat gorie MO mat riaux incombustibles et d autre part la r sistance au feu arr t du 21 avril 1983 qui caract rise le temps pendant lequel le mur peut jouer le r le qui lui est d volu malgr l action de l incendie 68 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Type Enduit ou Enduit o rev tement Enduit isolant AE traditionnel drole rev tement Isolant x traditionnel hydrophile pl tre et perlite Blocs creux Blocs creux Cloison de doublage Plancher Type Il Enduit ou ET a Coupure de Ru Coupure de d F capillarit aa t capillarit isolant _ Panneau EE H T lame d air non hydrophile rigide d isolant Bts non hydrophile En N E E Plot Plaque de BS ues Les parement YL D aa r o VT A UY Cloison de Brique doublage apparente Type Ill 2 Panneau rigide ou semi rigide d isolant non hydrophile L Plot non hydrophile ae Cloison de doublage 4 pper T CU Brique apparente Corni re en PVC T Lame d air Joint vertical non g
226. ect es Ainsi l int gration solaire ne p naliserait pas le r le de la fa ade panneau Tableau 4 5 Avec le capteur Capteurs Joints tanches Etanch it eau Pare pluie Isolation thermique Isolant 12cm Capteurs isolation int rieure Joints tanches Isolant Isolant Isolation acoustique l q Etude acoustique n cessaire Etude acoustique n cessaire Tableau 4 5 Comparaison des fonctions initiales et finales de la fa ade panneau L l ment capteur de la fa ade panneau en ma onnerie pourrait tre pr fabriqu et interchangeable avec les panneaux qui composent la fa ade Il serait galement accessible depuis l int rieur pour permettre la maintenance Entre les panneaux des joints tanches et des t les d acier viendraient assurer l tanch it de la fa ade l eau et l humidit Le r seau de distribution serait le m me que celui utilis dans la fa ade rideau 4 4 6 Fa ade vitrage parclos La fa ade vitrage parclos est principalement utilis e dans l habitat collectif bureaux et industriel Tous les l ments sont assembl s sur le chantier 114 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration L int gration de capteurs solaires thermiques dans le vitrage est envisageable Le double vitrage actuel pourrait tre remplac par un l ment capteur La largeur devrait tre augment e afin d accueillir les l ments de captage l absorbeur l isola
227. ecterait pas n gativement les fonctions principales de l all ge Tableau 4 4 112 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration Avec le capteur Capteur solaire Etanch it eau All ge pr fabriqu e Joint tanche Isolation thermique Laine de roche int rieure Isolant du capteur laine de roche Isolation acoustique All ge pr fabriqu e Capteur solaire isolation int rieure Laine de roche int rieure Joint tanche Capteur solaire Isolation vent lat ral All ge pr fabriqu e Joint tanche Tableau 4 4 Comparaison des fonctions initiales et finales de l all ge de fen tre Pour composer la fa ade les blocs capteurs viennent se placer lin airement les uns contre les autres Figure 4 7 Si les capteurs les bo tes sont th oriquement tanches avec une isolation propre laine de roche interne 1l faut cependant que les l ments entre eux assurent l tanch it et l isolement n cessaire Ainsi un joint tanche doit tre ins r entre les l ments 150 cm Joint tanche Fen tres 100 cm Capteurs plans int gr s Nez de dalle 50 cm Soubassement d allege Figure 4 7 Exemple d int gration de capteurs solaires dans l all ge 4 4 5 Fa ade panneau en ma onnerie Ce type de fa ade est principalement utilis dans l habitat individuel collectif et bureaux Dans la mise en uvre tous les l ments sont
228. effet de stagnation et 160 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision aussi am liorer le confort thermique en limitant les grandes diff rences entre la temp rature de l absorbeur et la temp rature l int rieur du b timent Figure 5 19 Fixation Mur support Store Capteur plan Collecteur Isolant Figure 5 19 Proposition finale pour le bardage acier 5 5 3 6 Am lioration de l int gration dans la fa ade vitrage parclos La multifonctionnalit sur crit re pr sentant une d faillance avec une note d valuation faible de 0 998 pourra tre am lior e avec l augmentation de l paisseur de l isolant thermique En effet dans un capteur solaire thermique plan traditionnel celle c1 varie entre 30 mm et 60 mm mais ce dernier ne fait pas partie de l enveloppe de b timent et ne Joue pas la fonction d isolant thermique du b timent Mais dans notre proposition nous devons tre attentifs l interaction capteur b timent et de son impact sur l ambiance interne Ainsi un isolant thermique plus large ou plus performant pourrait am liorer la fonction d isolation thermique qui est un crit re cl tr s moteur Ceci augmentera aussi la fonction de s curit d usage car en am liorant l isolation thermique nous liminerons la possibilit d une mont e dangereuse de la temp rature de surface arri re du module de captage solaire
229. el 307 Annexe B De la m me fa on l l vation successive de la matrice en puissance permet de souligner les chemins d influence d ordre 3 4 n reliant les variables entre elles A partir d un certain ordre l l vation en puissance n a plus d effet sur la hi rarchie des variables Cela signifie que toutes les actions indirectes ont t rep r es Le classement indirect des variables peut d s lors tre tabli La comparaison de la hi rarchie des variables dans les deux classements direct et indirect est riche d enseignement elle permet en effet de confirmer l importance de certaines variables mais galement de d voiler des variables qui du fait de leurs actions indirectes jouent un r le pr pond rant dans le syst me ce que le classement direct ne peut traduire B 1 6 Utilit s et limites La m thode d analyse structurelle a pour but d aider le d cideur et non de prendre sa place Elle ne consiste pas en une description pr cise de la structure et du fonctionnement du syst me mais bien en une mise en vidence des variables cl s et donc des grands traits de l organisation du syst me Aussi il convient d utiliser les r sultats en consid rant les limites de l analyse La premi re limite concerne le caract re subjectif de la liste de variables le nombre de variables ne pouvant exc der quelques dizaines des sous variables ayant trait une m me dimension du probl me p
230. ement 142 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 4 Elaboration de la m thode d valuation d int gration SISBat Nous proposons dans ce paragraphe une description d taill e de la m thode d valuation du Solaire Int gr dans la Structure B tie SISBat L originalit de cette m thode est de s appuyer la fois sur une grille d analyse qui donne une description des l ments du syst me de composant solaire int gr dans le b timent ainsi que sur une analyse structurelle du syst me Elle est constitu e de trois phases phase d analyse et de notation des crit res d analyse phase de calcul par pond ration des crit res suivant les motricit s indirectes obtenues partir de la matrice structurelle des influences indirectes phase d valuation et d analyse des r sultats en vue de propositions d am lioration 5 4 1 Notation des crit res d analyse Il s agit dans la premi re tape de la fa on de remplir la grille d analyse Ce remplissage est purement qualitatif Il consiste pour une proposition d int gration donn e affecter une note chacun des crit res d valuation Dans la mesure o les propositions d int gration n ont t d finies qu au stade de principe et dans la mesure o ces propositions n ont pas t mises en uvre l estimation de chacune des propositions au regard de chacun des crit res peut tre difficile
231. ems that face the architectural integration of active thermal solar components in building based on real cases Secondly we have developed a prospective analysis tool named SISBat This tool can evaluate the quality of the integration of solar components in buildings and suggest possible ways of enhancement Afterwards we have developed a simulation model dedicated to the study of integrated solar systems in buildings We consider the solar system in its integrity but we focus mainly on the integrated collector and the interactions that could have with the building Hence using SISBat and the developed simulation tool multiple solutions of solar integration can be emerged and evaluated to show their utility SISBat determines the potential solutions of integration and the numerical tool evaluates the thermal behaviour and energy performance of each At the last stage we have carried an experimental study on a DHW solar system with four solar collectors integrated to the facades of an experimental building This experiment enables us to study the behaviour of integrated solar collectors in real conditions and compare it with the results of the numerical simulations in order to evaluate the numerical model that was developed Keywords Thermal solar Architectural integration Construction methods Foresight Modelling Experiment 10 Table des mati res Avan DFO POS PE RE DAEA E Aa 5 R SUM sisi cae ca accu scads sctceds s
232. en F vrier par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Est az 270 340 Annexe C n ES ona lf C iml IN IE IV IE Paris 100 0 SUR ty 17 5 12 6 14 0 Iyon 100 0 O58 ie 175 15 0 12 2 Thes 100 0 CRE 19 9 15 5 Li 5 Figure C 1 37 Pourcentage d nergie utile produite en Mai par rapport a nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Est az 270 4 imdi o IN IE IE IV Paris 100 0 aT a l 18 4 15 7 ren 100 0 SRE 17i E 154 Thes 100 0 oi 7 19 0 15 6 li 9 Figure C 1 38 Pourcentage d nergie utile produite en Ao t par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Est az 270 341 Annexe C C imdi IN IE LV LE Pari LEH Lim 1 5 7 I EEA sild Tia Lis By 1 69 m 1 amp USB 00 4 0 00 AIENT Tica 91 By amp la By 595m1 6 SB aiH 1 Figure C 1 39 Quantit s d nergie utile en F vrier pour une orientation Est az 270 Pari 5 60 By Sihil 6 SOB a BH 1 35 By 1 Tv 4 08 Bye 4 05 By 1 7 1361 5 9 By 4 92 By 1 Tica 525 By 1 25 By iiH 7 9 9B Tel 1 Figure C 1 40 Quantit s d nergie utile en Mai pour une orientation Est az 270 342 Annexe C Energie kWh Ton bog 500 00 Sih 200 li Cial INT IE LV LE Paris 4 1 BHI 1 0 152 SETAL 67301 Biti 1 Iya 524 By 1 03 By FESAI TL0 T01
233. ence de 1 sur J La mise en relation des variables n cessite donc de se poser pour n variables 3n n 1 questions c est dire plus de 2600 questions pour 30 variables Cette proc dure d interrogation relativement laborieuse permet non seulement d viter des erreurs en v rifiant syst matiquement l existence d une v ritable liaison directe entre deux variables mais aussi de red finir les variables et donc d affiner l analyse du syst me Il est d s lors possible de construire une matrice carr e dans laquelle chaque 1 me ligne correspond aux actions directes de la variable 1 sur les autres variables plac es sur les colonnes Chaque l ment matriciel de coordonn es i j est alors affect d une valeur not e a traduisant l intensit selon une chelle d finie de l action directe de la variable 1 sur la variable j Figure B 1 2 a 0 s il n existe pas de relation directe de i vers j _a gt 0 s il existe une relation directe de 1 vers J Ligne i variable i Colonne j variable j Figure B 1 2 Repr sentation matricielle La matrice d analyse structurelle peut tre remplie de deux mani res diff rentes En lignes il faut pour cela noter pour chaque ligne 1 l influence de 1 sur les autres variables 304 Annexe B En colonnes il s agit ici de noter pour chaque colonne j par quelles variables j est influenc La matrice telle qu elle a t d f
234. ences de Habitat Figure 7 25 Cellule de mesure de l clairement nerg tique global horizontal _ Abri blanc contenant la sonde de mesure de la temp rature et de l humidit Figure 7 25 Vue de la station m t orologique des GAIA Les donn es de cette station sont accessibles sur le site Internet des GAIA Les informations disponibles sont les suivantes 237 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade la hauteur du soleil _l azimut du soleil depuis le Nord en allant vers l Est l clairement nerg tique horizontal global la temp rature et l humidit relative de l air la vitesse et la direction du vent depuis le Nord en allant vers l Est Il est possible d obtenir les donn es pour chaque jour le pas d acquisition des mesures tant de 5 minutes Ces donn es sont propos es soit sous forme de graphique soit sous fichier texte txt compatible avec Excel 7 6 4 Le pas de temps de l acquisition Les ph nom nes li s au b timent sont g n ralement tudi s avec un pas de temps d une heure Mais ici un pas de temps aussi grand ne permettrait pas une bonne exploitation des donn es En effet la temp rature varie fortement en 24 heures 1l faut donc veiller prendre un pas de temps en accord avec ces variations L exp rience montre qu un pas de temps de cinq minutes est tout fait adapt aux
235. ennes sup rieures 30 C Figure 6 18 Les autres couleurs ne permettraient ainsi pas de fournir de l eau chaude sanitaire sans appoint dans notre zone g ographique m me en t avec de bonnes conditions climatiques 34 30 28 Temp rature C 25 2 24 22 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 Couleur Figure 6 18 Moyenne d la temp rature de ballon selon la couleur sur la p riode du 13 au 18 juillet L analyse des deux graphiques pr c dents permet par ailleurs d tablir un classement des couleurs des absorbeurs selon les performances nerg tiques obtenues Naturellement plus la temp rature moyenne atteinte par l eau du ballon est lev e meilleures sont les performances du capteur solaire Il est noter que les deux graphiques permettent d obtenir le m me classement Figure 6 19 Rang de la couleur 1er 2 me 3 me 4 me 5 me 6 me 7 me 8 me 9 me 10 me i 11 me 12 me a T a T S S T E N O O O O N N N O O O O O O O O O O O O O O N lt 0 oe lt 0 ice ive lt 0 oe N o wv 5 J a z J J J J J a J E amp amp 8 8 8 B 8 z 8 8 5 T O O O Couleur Figure 6 19 Classement des couleurs d absorbeurs du plus performant ler au moins performant 12 me Pour v rifier si les conclusions tir es pr c demment sur l importance des coefficients d absorption et d
236. ent Paris Edition du Moniteur 1983 Documentation Fran aise du b timent CERTU M mento technique du b timent pour le charg d op ration de constructions publiques Le Confort Acoustique Nord Picardie Minist re de l Equipement des Transports du Logement du Tourisme et de la Mer 2003 22 p 274 R f rences CERTU M mento technique du b timent pour le charg d op ration de constructions publiques Le Confort Thermique Nord Picardie Minist re de l Equipement des Transports du Logement du Tourisme et de la Mer 2003 22 p CERTU M mento technique du b timent pour le charg d op ration de constructions publiques Les Fa ades Nord Picardie Minist re de l Equipement des Transports du Logement du Tourisme et de la Mer 2003 38 p CERTU M mento technique du b timent pour le charg d op ration de constructions publiques Les Toitures Nord Picardie Minist re de l Equipement des Transports du Logement du Tourisme et de la Mer 2003 46 p CHATAGNON N D veloppement d une m thode d valuation de la qualit environnementale des b timents au stade de la conception G nie Civil et Sciences de l Habitat Chamb ry Universit de Savoie 1999 344 p CHEUNG L et REJENET J Int gration architecturale de composants solaires V A B timent Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 2006 122 p CLAESSENS J and DEHERDE A Active Solar Heating and Photovoltaics Sola
237. ente la surface d un capteur C8 utilis dans le syst me de r f rence nous trouvons que nous avons besoin d install 12 modules int gr s pour avoir la m me performance de 4 capteurs C8 install s sur le toit d un b timent Ces r sultats montrent que pour la couleur la moins performante le surplus dans la surface de captage n est pas consid rable En effet l augmentation de surface de captage est contrebalanc e par le faible surco t du module int gr Pour les orientations Est et Ouest les pertes sont plus grandes et la proposition d int gration d pendra plus de la surface disponible probl me souvent minime dans le cas des fa ades et du surco t correspondant Pour une orientation Est les r sultats des simulations sur une p riode d un an montrent que le capteur bleu RAL 5020 ne produit plus que 20 de la quantit d nergie utile qui pourrait tre produite par le syst me r f rence Figure 6 25 LOC k i CS feud IN IR IV LE Faris 100 056 oo B36 dr 26 114 20 4 Lym 100 006 EPer Ir 5 22 3 21 3 Nice 100 056 39 296 28 4 23 3 22 3 Figure 6 25 Pourcentage d nergie utile en un an pour une orientation Est az 270 Regardons maintenant les r sultats des simulations effectu es sur une p riode d un mois pour trois saisons diff rentes Consid rons le cas de capteurs install s dans un b timent Paris orient s vers le Sud Les r sultats de f vrier nous r v lent une ch
238. ents alentours mais limination de la transparence de l l ment d origine Il est possible de modifier la taille des modules solaires les types de vitrage ainsi que la couleur de la peinture de l absorbeur en fonction des besoins ou l envie des architectes afin qu ils puissent composer la fa ade selon la trame de la menuiserie La pr sence des vitrages et des isolants et l utilisation de couleurs sombres laissent penser que la performance thermique devra tre satisfaisante Le syst me solaire install sera munie d une r gulation qui laissera aux utilisateurs la possibilit de le contr ler Les modules solaires sont fixes la surface de captage ne peut pas suivre la course du soleil Les pertes sont limit es c t int rieure par une couche d isolant thermique et c t ext rieur par le vitrage et une lame d air Le capteur en prot geant l int rieur du b timent des conditions climatiques ext rieures permet en outre d isoler acoustiquement le b timent des bruits ext rieurs Isolation assur e par un isolant dimensionn pour minimiser les pertes pour le capteur et pour l isolement thermique du b timent Les modules solaires sont form s essentiellement de cuivre ou d aluminium de vitrage et des mat riaux isolants l gers ils ne peuvent donc aucunement s int grer dans la structure du b timent Risques pour la s curit des usagers si les liaisons entre les capteurs sont accessibl
239. enveloppe se d compose en deux parties d une part le capteur positionn au niveau de la trame 3 et d autre part une partie vitr e quip e d un store au niveau de la trame 2 Figure 7 7 Cette enveloppe peut ainsi s int grer r ellement dans une fa ade d immeuble par exemple Store Store Store Noir mat Gris noir Vert sapin Cadre Noir mat Cadre Gris fer Caisson Panneau Cadre Vert brun Absorbeur Absorbeur Absorbeur Chrome noir Gris noir Vert sanin Figure 7 7 Sch ma des capteurs solaires de fa ade La partie vitr e partie sup rieure de chacune des trois enveloppes est compos e d une vitre ext rieure puis d un store et enfin d un double vitrage int rieur Trois prototypes de capteurs ont t r alis s par l entreprise Giordano et install s par la suite sur le site des Grands ateliers Figure 7 8 Figure 7 8 Photo de l installation sur site 225 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Le capteur ouest constitue la r f rence le cadre du panneau et l absorbeur sont noirs son rev tement s lectif est assur par anodisation base de chrome noir Ce sont les couleurs et les mat riaux classiquement utilis s par Giordano Les deux autres capteurs poss dent les couleurs d exp rimentation le composant du centre est rev tu d une laque RAL 7021 gris et celui l est est laqu RAL 6009 vert brun De ce fait les coefficients d absorpt
240. er Le platelage est place en altitude par une s rie d tais r glables et contrevent s entre eux par des fils d acier avec tendeurs lanterne chaque fil d tais soutient une longueur de poutre sur laquelle viennent prendre appui les solives du platelage Le fond de coffrage ou peau est constitu de panneaux de contreplaqu CTB C d apr s la norme NF Dans le cas d un b timent pr sentant un caract re r p titif dans sa trame de construction on a recours aux coffrages industriels verticaux horizontaux et coffrages tunnel Il existe par ailleurs de multiples techniques de coffrages incorpor s l ouvrage construire Les pr dalles en b ton arm ou pr contraint Les planchers m talliques collaborants Les blocs de ma onnerie coffrants notamment blocs sp ciaux de chainage Les blocs coffrants en mat riau 1solant polystyr ne expans 3 6 4 Les joints Les joints sont destin s assurer une liaison durable entre deux l ments de construction Il existe plusieurs types de joints Les joints de ma onnerie en mortier Les joints de panneaux pr fabriqu s Les joints de dilatation Les joints de retrait Les joints parasismiques 3 7 Maconnerie d elements On appelle ma onnerie un ouvrage compos de mat riaux blocs de b ton briques pierres moellons unis par un liant mortier pl tre ciment Les maconneries les plus courantes dites ma onneries de petits
241. er la configuration initiale du composant afin de rendre sa performance 127 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision meilleure Par exemple la possibilit de changer l inclinaison d un l ment de captage ou la taille du volume du stockage suivant l application et la saison La limitation des pertes du syst me solaire sera en effet d autant plus efficace qu il est mieux isol qu il est prot g des conditions ext rieures et que la distance qui s pare les differents composants du syst me solaire est faible Le confort thermique concerne principalement la temp rature int rieure des pi ces sa r partition harmonieuse dans l espace et la qualit de l air ambiant taux d humidit temp rature fra cheur propret salubrit Il d pend du type de l int gration solaire et de l interaction syst me solaire b timent En effet si l on consid re le cas d un capteur solaire int gr en fa ade ou en toiture les pertes l arri re du capteur seront transmise directement vers l ambiance int rieure du b timent Le co t de l exploitation se r f re aux co ts de consommation de l nergie n cessaire au fonctionnement du syst me et de ses appoints L impact environnemental de l exploitation est valu en termes de cr ation de d chets de pollution et de toxicit engendr es par l exploitation Multifonctionnalit
242. era aux utilisateurs la possibilit de le contr ler 146 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Crit res 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication 33 Co t de l installation 34 Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de l exploitation 38 Impact env de l exploitation Observations Les modules solaires sont fixes la surface de captage ne peut pas suivre la course du soleil Les pertes sont limit es c t int rieur par une couche d isolant thermique et c t ext rieur par le vitrage et une lame d air Le capteur en prot geant l int rieur du b timent des conditions climatiques ext rieures permet en outre d isoler acoustiquement le b timent des bruits ext rieurs Isolation assur e par un isolant dimensionn pour minimiser les pertes pour le capteur et pour l isolement thermique du b timent Les modu
243. erminer les paisseurs d isolant choisir afin de minimiser l impact de l interactivit capteur b timent sur l ambiance interne de la zone occup e 215 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 9 Conclusion Apr s le d veloppement d un mod le num rique et la description des outils informatiques utilis s nous avons tudi la proposition d int gration dans la fa ade vitrage parclos une des six propositions formul es dans la partie pr c dente Un protocole de simulation fut construit et des simulations sur plusieurs p riodes climats et configurations ont t effectu es Les r sultats des simulations ont pu mettre en vidence plusieurs points D abord elles ont montr le r le dominant du coefficient d absorption de l absorbeur dans le choix de la couleur de l absorbeur Ceci est ensuite confirm dans les simulations men es dans le but de classer les couleurs de la palette pr sent e dans le protocole selon la performance thermique du capteur Ensuite elles ont montr que le comportement des capteurs int gr s color s est comparable celui du capteur noir classique et que les rapports des surfaces n cessaires la reproduction de la m me quantit d nergie d une installation traditionnelle sont pratiquement surmontables suivant plusieurs aspects En effet la surface est pratiquement disponible dans les fa ades par rapport la toitu
244. erture sera remplac e par un absorbeur et le vitrage L etancheite du toit sera utilis e comme tanch it de l l ment capteur Le capteur sera bien orient Un absorbeur de couleur brique pourra tre utilis pour gagner en esth tique Etitr e ea froide Mise en uvre Facile Accessibilit par l ext rieur Pose sur place des l ments de captage les uns apr s les autres Conformit d usage Le plan inclin permet un meilleur rendement 102 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 16 Int gration dans les toitures invers es Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans les secteurs de l habitat individuel et collectif Possibilit d int gration Une partie de la couverture sera remplac e par un absorbeur et le vitrage Le capteur sera inclin ce qui augmentera son rendement L int gration sera discr te pour plus d acceptation Ravons solaires incidents ON Capteur plan vitr Mise en uvre Facile Accessibilit par l ext rieur Accrochage d l ments de toiture pr fabriqu s int grant les capteurs solaires Conformit d usage Occultation des capteurs par le versant oppos du toit 4 1 17 Int gration dans les tuiles de terre cuite Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans les secteurs de l habitat individuel et collectif Possibilit d int gration Des tuyaux permettant la circulation d eau sont incorpor s d
245. es RARES 30 Impact env des mate 1 1 Jo jo jo jo fo jo oi jo jo ss Jo 31 Co t de la Rbrication_ 10 Jo o Homme 2 fo to Fo fo fo Fo fo fo o to 32 Inge env de la fabrication 38 cotdeinsaiion 0 fo fo oo mmo s fo fo foo ooo fo 34 Inge env de l installation 0 GS Aceptaion TO 10 0 fo fo 1 lo Mo jo foto foto foto 36 Confort thermique Jo fo fo fo fo fo fo 2 a fo fo fo fo fo fo o 37 Co t de eSxplolalon 0 Impact env de Texplofation 0 fo lo jo jo to to ti lo 2 Mo to jo jo jo 39 Co t de la d construction O fo jo jo fo jo jo fo jo jo fo Jo jo fo o jo 40 Impact env de la d construction o jo o jo jo jo jo jo jo jo jo 2 Jo Jo jo fo 41 Conv des composants 2 l 3 l l 0 0 1 0 JO iO JO JO O 0 3 42 Conv de emplacement O fo 3 ju 1 fo jo 1 fo fo jo fo jo fo 0 f3 N E om Q ie om D Q R om R gt 43 Co t du traitement des d chets 1 2 1 jo fo Jo jo o jo jo Jo jo jo o jo jo Tableau 5 3 Matrice d analyse structurelle des influences sur les variables externes 137 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Le taux de remplissage de la matrice structurelle est satisfaisant puisqu il est de l ordre de 18 5 En effet l exp rience semble montrer qu un bon taux de remplissage de la matrice doit se situer entre 15 et 25 suivant la dimension de la matrice Des taux sup rieurs 30 35 sont r v lateurs d un
246. es couleurs d absorbeurs choisies sont celles qui ont montr une performance poche du capteur noir Une exp rimentation est mise en place et une tude du comportement thermique r el des capteurs int gr s est effectu e 216 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en facade 217 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 218 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Les objectifs de cette partie s inscrivent dans la derni re phase de la d marche globale de notre recherche Il s agit de mettre en place une exp rimentation dans les conditions r elles de prototypes de capteurs solaires int gr s dans une fa ade vitr e install s sur site afin d tudier le comportement thermique du capteur solaire int gr dans la fa ade vitr e et de comparer les mesures aux r sultats obtenus par le mod le num rique d velopp dans la partie pr c dente Les composants tudi s ont t con us et construits lors d une tude men e dans le cadre de projet int gration des capteurs solaires dans les l ments de fa ades du programme Pr parer le B timent l horizon 2010 lanc par l Agence de l Environnement et de la Ma trise de l Energie ADEME en association avec Plan Urbanisme Construction
247. es installations de niveau professionnel fabriqu es a l chelle industrielle Dans de nombreux pays d Europe en Asie et autour de la M diterran e on assiste a une forte croissance du marche des installations solaires thermiques Afin de permettre la comparaison du solaire thermique avec d autres fili res nerg tiques un nouvel indicateur pr sentant l quivalent de la surface solaire thermique install e en puissance thermique 0 7 KWth par m install est parfois utilis Ce facteur de conversion est agr par l IEA SHC International Energy Agency Solar Heating and Cooling Programme et par les associations de promotion du solaire EurOber ER 2005 1 2 1 D veloppement du march solaire thermique mondial Durant 2004 la surface totale des capteurs solaires install s dans le monde a t environ 12 13 millions de m La Chine o un grand nombre de fabricants locaux produisent des capteurs plans et des capteurs tube sous vide d tient elle seule 78 du march mondial Figure 1 2 Il appara t tout aussi nettement que l exception de l Europe la Turquie et Isra l le march des syst mes thermiques solaires dans le reste du monde est aujourd hui presque n gligeable 28 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires Reste du monde 5 Turquie Isra l 8 Figure 1 2 Surfaces de capteurs install es dans le monde en 2004 ESTIF 2005 1 2 2 D vel
248. es par derri re ou si les capteurs sont accessible de devant L exploitation ne devrait n cessiter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l ext rieure Il est possible de vidanger le syst me et d monter les capots Configuration simple S1 le syst me r siste globalement aux risques engendr s par les conditions climatiques gel surchauffe son vitrage ext rieur peut en revanche tre endommag par quelques chocs de gr le ou de projectile Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives 319 Annexe B Crit res 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication 33 Co t de l installation 34 Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de l exploitation 38 Impact env de l exploitation 39 Co t de la d construction 40 Impact env de la d construction 41 Convertibilit des composants 42 Convertibilit de l emplacement 43 Cott des traitements Notes Observations Le syst me est enti rement d montable Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s p
249. es primaires 250 217 ans 150 100 62 ans 63 ans P trole M thane Uranium Charbon Figure 1 1 Estimation des r serves mondiales LHOMME 2005 e Le deuxi me risque est celui de la rupture sur les prix Les divers chocs p troliers depuis 1973 illustrent abondamment cette menace En effet le rench rissement brutal ou non durable ou non r curent ou non est un facteur de d stabilisation profonde des march s Ce risque est r el puisqu il s est concr tis plusieurs reprises principalement sur le p trole e Le troisi me risque est g opolitique Certains pays n h sitent pas brandir ouvertement l arme du p trole Les nergies renouvelables pr sentent de nombreux avantages au regard de la s curit nerg tique En premier lieu elles ne posent pas contrairement aux ressources fossiles et dans une moindre mesure aux ressources fissiles de risque d puisement Certaines comme l nergie solaire apparaissent vraiment comme disponibles en quantit illimit e 26 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires 1 1 3 Le contexte nerg tique Fran ais La France s tait ainsi attach e avant m me le protocole de Kyoto r duire ses missions de gaz effet de serre par des mesures qui se limitaient l horizon 2010 En signant ce Protocole et ses engagements la France s est ensuite engag e dans une forte relance de sa politique d
250. es r gions avec le niveau de nappe phr atique lev 3 5 Ouvrages de maintien des terres Afin de soutenir les terres et contenir leurs pouss es on r alise des murs de sout nement dans le but de limiter l emprise du talus Pour la stabilit de ces murs il faut viter l accumulation d eau dans les terres qu ils soutiennent d o la r alisation fr quente de barbacanes et d un drainage au pied du mur c t terres On distingue deux types principaux de murs de sout nement Les murs poids s opposant par leur propre poids a la pouss e lat rale des terres Ils subissent essentiellement dans leur structure interne des efforts de compression d ou la possibilit d utiliser les ma onneries de briques ou de pierres ainsi que le b ton non arme Les murs voiles en T offrant grace leur forme ad quate une conomie de mat riaux par rapport aux murs poids Ils n cessitent cependant un travail plus pr cis pour la mise en place des armatures et pour le b tonnage en plus faibles sections Ils peuvent tre renforc s par des contreforts arri re ou avant Les murs en enrochement de conception identique au mur poids mais r alis s avec des blocs non gelifs et non friables dans la gamme des 100 800 kg Ils sont disposes manuellement on non pas par d versement de mani re obtenir une compacit optimum porosite inf rieure a 20 Un organe drainant est mis en place l interface entre ter
251. et Architecture PUCA En tenant compte des normes en vigueur sur le sujet nous avons choisi les donn es importantes tudier et les capteurs de mesure appropri s pour permettre d valuer les performances de ces composants prototypes Tout d abord un protocole exp rimental est mis en place Ensuite un programme est d velopp afin d assurer l acquisition des donn es et la commande de l installation Le traitement des donn es obtenues permet la qualification des performances des capteurs Ces donn es sont compar es avec les donn es obtenues gr ce au mod le num rique 7 1 Lieu de l installation Pour tester les capteurs solaires prototypes dans des conditions r elles l quipe en charge du projet a d trouver un site pouvant accueillir une telle exp rimentation Ce sont finalement les Grands Ateliers de l Isle d Abeau GAIA qui ont t retenus P le d enseignement de recherche et d exp rimentation de la construction les Grands Ateliers ont t construits en 2001 sur la commune de Villefontaine Is re Les Grands Ateliers Groupement d Int r t Public ont t cr es par onze tablissements d enseignement sup rieur et un centre de recherche et sont soutenus par les Minist res de la Culture et de l quipement ainsi que par des industriels fabricants de mat riaux de construction Ils ont pour mission de r unir en un m me lieu des artistes des architectes et des ing nieurs pour ensemble
252. et la limitation de la temp rature dans le ballon d eau chaude un circulateur qui permet la circulation du liquide caloporteur entre les capteurs et l changeur du ballon un vase d expansion qui permet de maintenir le circuit primaire en pression constante 228 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade une sonde capteur c blage rouge en silicone qui doit tre gliss e dans le doigt de gant en haut des capteurs une sonde ballon c ble gris PVC qui doit tre plac e dans le doigt de gant sur le tube d part au plus pr s du ballon 7 5 Les capteurs de mesure exp rimentaux 7 5 1 Le choix des param tres de mesure La norme AFNOR NF EN 12976 2 actuellement en cours de r daction et d approbation concerne les installations solaires thermiques et leurs composants Cette norme permet de caract riser les diff rentes performances des composants Pour tre aux normes un capteur doit r pondre des crit res tr s pr cis dans onze domaines distincts Caract risation du produit antigel Protection contre les temp ratures sup rieures R sistance a la pression Contamination de l eau Protection contre les clairs quipements de s curit Marque Caract risation des performances thermiques Capacit couvrir les besoins Protection contre les coulements inverses S curit lectrique Cette norme expose les te
253. eur de chaleur Fronti re du syst me Eau du r seau Figure 2 4 Repr sentation structurelle d un syst me ECS Les composants processus et effets qui font partie du syst me sont d sagr g s en sous syst mes et en interactions entre ces sous syst mes Les sous syst mes sont d finis par les entr es les sorties les caract ristiques du mod le et les contr les Par exemple le ballon de stockage peut tre consid r comme un sous syst me d fini par sa forme sa dimension et les d bits entrants et sortants L interaction entre ces composants en r ponse aux variations climatiques et des besoins en nergie d terminent la quantit d nergie utile qui sera livr e par le syst me Les caract ristiques du capteur seul par exemple ne peuvent pas tre utilis es directement pour calculer la quantit d nergie qui sera livr e puisque celle ci d pend de la temp rature de fonctionnement du capteur qui d pend son tour de la temp rature du stockage Du point de vue fonctionnel le syst me solaire actif pourra tre repr sent de la fa on suivante Figure 2 5 D finition selon le Grand Dictionnaire Terminologique 48 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent Appoint Rayon lumineux Chaleur Captage Stockage gt Transfert Chaleur Paru Figure 2 5 repr sentation fonctionnelle Chaleur L approche fonctionnelle est utile pour convertir la repr sent
254. euvent avoir t regroup es La seconde limite provient de l aspect subjectif du remplissage de la matrice et de l intensit donn e aux liaisons entre les variables Il est noter que ces limites sont d autant plus cons quentes dans le cadre du pr sent travail que la m thode d analyse structurelle devrait normalement tre r alis e par un groupe de travail compos d acteurs et d experts du domaine consid r le travail pourrait alors b n ficier des exp riences et points de vue de chacun des intervenants Chacun des d bats pourrait ainsi s av rer extr mement enrichissant pour l analyse 308 Annexe B B 2 L valuation des solutions propos es Cette partie a pour objet d affecter une note nek chaque crit re ck Un tableau pour chaque proposition permet de justifier la note attribu e aux crit res Certains crit res tant similaires chaque principe constructif des notes sont redondants B 2 1 Mur en ma onnerie type III Ci dessous les notes nex attribu es chaque crit re pour les propositions d int gration du mur ma onnerie de type III Figure B 2 1 Crit res 1 Performance des mat riaux 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage 8 Possibilit d installation en r habilitation 9 Ad quation en terme de poids
255. eux derni res d cennies ont annonc une prise de conscience internationale progressive traduite par une succession de sommets environnementaux 1 1 1 La lutte contre le changement climatique partir des ann es 80 le ph nom ne des changements climatiques effet de serre fortement m diatis a fait l objet de nombreuses pol miques Cette probl matique fait maintenant l unanimit sur la sc ne scientifique internationale Le dernier rapport du GIEC Groupe intergouvernemental d experts sur l volution du climat a confirm le rel vement de la temp rature moyenne de l atmosph re terrestre de 1 6 C d ici la fin du si cle Ce r chauffement a d j provoqu des perturbations climatiques ayant des r percussions gravissimes Celles c1 risquent d tre de plus en plus importantes dans l avenir Selon les accords de Kyoto l horizon 2012 les pays industrialis s se sont engag s r duire leurs missions des six principaux gaz effet de serre de 5 2 en moyenne entre 2008 et 2012 par rapport au niveau de 1990 Les pays en voie de d veloppement ont t exempt s d engagements chiffr s afin que leur croissance ne soit pas remise en cause L entr e en vigueur de ces mesures le 15 f vrier 2005 r v le implicitement la limite des ambitions D j les pays d Europe organisent le rachat de droits pollueurs pour compenser leurs d ficiences environnementales et les tats Unis rejettent les li
256. ffe eau solaire qui peut tre soit un syst me avec un capteur et un ballon de stockage chauffe eau l ments s par s soit un chauffe eau monobloc Ce mod le permet de calculer la part des besoins en eau chaude Fecs assur e par le syst me solaire en moyenne mensuelle Cette variable Fecs aussi appel e taux de couverture solaire en moyenne mensuelle est d termin e selon une formule empirique qui fait intervenir les param tres du syst me solaire surfaces d perditions thermiques les sollicitations ensoleillement et temp rature ext rieure en moyenne mensuelle la temp rature d eau chaude d sir e la temp rature d eau froide et la consommation journali re d eau chaude le tout en moyenne mensuelle Ja temp rature du local o repose le ballon de stockage Le taux annuel de couverture solaire Fecs an est d fini comme suit e quation 6 35 ecs an 12 gt Bees m m l Avec Becs m besoins mensuels d eau chaude sanitaire Fecs m taux mensuel de couverture solaire m mois consid r 180 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s La variable Fecs an m repr sente en pourcentage la part des besoins en eau chaude sanitaire qui est assur e par l appoint Le taux mensuel de couverture solaire Fecs m est calcul selon la m thode SOLO Dans notre recherche nous avons utilis SOLO 2000 dans le but de dimensionner un syst me solaire
257. ffit d une paisseur de 213 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 120mm derri re l absorbeur pour conserver une ambiance interne semblable celle d un b timent ayant une fa ade traditionnelle sans perturber le confort int rieur 1 80 1 60 1 20 1 00 DT FC 0 80 0 60 0 40 0 20 0 00 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Figure 6 44 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 ao t dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en marche ayant de capteurs int gr s Cette conclusion se voit renforc e en analysant les carts des temp ratures correspondant un syst me solaire en stagnation pendant les deux p riodes consid r es O0 6 00 5 00 400 DT C 3 00 2 00 1 00 0 00 01 f vrier 02 f vrier 03 f vrier 04 f vrier 05 f vrier 06 f vrier 07 f vrier Figure 6 45 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 f vrier dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en stagnation ayant de capteurs int gr s 214 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s En effet si nous tra ons l cart entre la temp rature int rieure d un capteur avec un isolant de 30 mm et un b timent traditionnel pour une semaine de f vrier nous observons que la diff rence peut atteindre des valeurs imp
258. fication nerg tique des logements et p P geliq application au contexte libanais G nie Civil Lyon INSA Lyon 2000 326 p AFNOR Thermal solar systems and components Factory mades systems General requirements prEN 12976 1 17 p AFNOR Thermal solar systems and components Factory mades systems Tests methods prEN 12976 2 54 p AMER E H NAYAK J K and SHARMA C K Transient test methods for flat plate collectors Review and experimental evaluation Solar Energy 1997 vol 60 n 5 pp 229 243 ARONS D M M and GLICKSMAN L R Double Skin Airflow Fa ades Will the Popular Model work in the USA ACE3 2000 Summer Study on Energy Efficiency in Buildings Building Technology Program Massachussetts Institute of thechnology 2000 pp 23 ASHRAE Chapter 33 Solar energy equipments In ASHRAE HVAC Systems and Equipments 2000 Atlanta ASHRAE pp 33 1 33 22 ASHRAE Chapter 32 Solar energy use In ASHRAE HVAC Applications 1999 Atlanta ASHRAE pp 32 1 38 28 BAL J L et CHABOT B Quelle place pour les nergies renouvelables Futuribles 2006 n 315 pp 103 122 BARBAT M Contribution au d veloppement d un contr le optimal de la ventilation dans des locaux de grandes dimensions Conception en b timent et techniques urbaines Lyon INSA de Lyon 2001 218 p 273 R f rences BENICHOU E et HUNTZINGER J R ntroduction LabVIEW Lyon Universit Lyon 1 2004 175 p BENY S Exp ri
259. fran ais semble en effet se heurter des obstacles de diff rents ordres e Obstacles politiques Si certaines politiques encouragent l utilisation de l nergie solaire au moyen d incitations diverses d ductions fiscales aides l investissement etc 1l est essentiel pour des questions d efficacit que ces politiques s inscrivent dans la dur e ce qui est rarement le cas e Obstacles conomiques La gratuit des ressources est contrebalanc e par le co t lev des installations En effet compar s aux prix bas relatifs des nergies fossiles les co ts d investissement des mat riels solaires apparaissent souvent excessifs sauf si l acc s aux nergies conventionnelles est lui m me co teux l instar d une extension du r seau lectrique en zone peu dense e Obstacles socioculturels L installation d un syst me solaire demande non seulement une adaptation mais encore une acceptation du consommateur Celui ci se doit en effet d adapter son comportement de consommateur l nergie en terme notamment de disponibilit des sources les variations p riodiques jours saisons et al atoires nuages de l ensoleillement ajout es la difficult de stockage de la chaleur au del de quelques heures engendrent une variation de l offre laquelle est assujetti le consommateur Par ailleurs il est n cessaire que le consommateur accepte l installation Celle c1 se doit donc d tre de m
260. gne aussi sur les propri t s des capteurs La temp rature de conduit la plus lev e est celle du capteur gris Tc2 Cette information a priori surprenante en effet le capteur noir Tcl aux propri t s physiques les plus adapt es devrait avoir la temp rature de conduit la plus lev e s explique par la conception m me de l enveloppe du capteur Le capteur gris est enferm dans un caisson il profite ainsi d une meilleure isolation par l arri re et subit moins de pertes thermiques que les deux autres capteurs Le capteur vert Tc3 isol de la m me fa on que le capteur noir poss de une temp rature de conduit inf rieure aux deux autres ce qui peut naturellement s expliquer par ses propri t s physiques moins adapt es Figure 7 28 80 70 oO 60 C1 5 50 v Tc2 9 1c3 T C D 3 air ext S Tambiante heure Figure 7 28 Comparaison des temp ratures de conduit en bas des capteurs 11 juin 2005 Nous nous sommes aussi int ress s la diff rence AT entre la temp rature du fluide caloporteur en sortie de capteur Tcl Tc2 ou Tc3 selon le capteur test et la temp rature du fluide en sortie de ballon Tc La r gulation est en effet r gl e pour permettre une circulation du fluide lorsque le AT entre ces deux temp ratures est de 5 C Un AT inf rieur 5 C signifie donc que l installation solaire est en stagnation et que l
261. gure 3 10 Construction d un plancher en b ton arm avec poutrelles et hourdis Les entrevous sont des l ments intercalaires reposant sur les talons de deux poutrelles voisines Ils sont d finis par la norme NF P 14 305 qui pr cise notamment les caract ristiques physiques et m caniques pour les 3 types d entrevous entrevous de coffrage r sistant entrevous porteurs simple et entrevous table de compression incorpor e 3 11 Fa ades La fa ade est souvent l l ment le plus complexe d une construction Elle doit assurer les fonctions suivantes tanch it l eau et a Pair C est la fonction la plus sensible d une facade et la source de nombreux d sordres Isolation thermique La fa ade avec la toiture est la principale source d changes thermiques avec l ext rieur 76 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Isolation acoustique La fa ade est la principale barri re au bruit qui prot ge les espaces utiles de tout b timent S curit et s ret La fa ade sert prot ger contre les tentatives d intrusion dans un b timent et est utile en s curit incendie Aspect La fa ade est l expression de l architecture du b timent Et parfois elle doit assurer aussi une fonction de stabilit comme dans le cas des fa ades porteuses et des fa ades participant au contreventement du b timent En g n ral on distingue trois familles de techniques de
262. hermique paisseur 120 mm Figure 4 4 Proposition d int gration dans la fa ade rideau Le panneau capteur est un l ment non porteur qui vient s inserer dans une composition de plusieurs panneaux ainsi il peut tre interchangeable par un autre panneau capteur s il y a un disfonctionnement ou alors par un panneau ma onnerie acier ou bois pour des besoins 110 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration architecturaux Il peut ventuellement tre accessible de l int rieur pour la maintenance Cependant des joints tanches et des t les viennent assurer l isolation et l tanch it de la fa ade La mise en uvre sur chantier pouvant tre difficile deux solutions pourraient tre envisag es Mise en place compl te sur chantier Les l ments du capteur pourraient se poser les uns apr s les autres le composant serait fabriqu sur place Utilisation d l ments pr fabriqu s le vitrage l absorbeur et l isolant pourraient tre ins r dans un coffre en aluminium par exemple sur lequel viendrait s ajouter le rev tement int rieur pare vapeur et plaque de pl tre Une analyse des fonctions initiales du mur sans int gration et des fonctions finales dues la modification apport e a la fa ade montrent que l int gration n alt rerait pas les fonctions initiales de la fa ade Tableau 4 3 Fonctions Initiales sans int gration Finales avec int gration js
263. hermique du capteur integre Dans le but d obtenir une compr hension des param tres d terminant l efficacit thermique du capteur il est important de d velopper le concept de conductance thermique Nous tudions ici le cas d un capteur int gr dans l enveloppe du b timent donc la face arri re du capteur est en contact avec l environnement int rieur du b timent Connaissant la temp rature moyenne Tc de l absorbeur le second terme de droite de l quation 6 1 peut tre crit en premi re approximation Op Ua Te Ta U Te To quation 6 6 Avec Ta d signe la temp rature d ambiance ext rieure devant le capteur Tp la temp rature d ambiance interne derri re le capteur U la conductivit thermique de la partie avant du capteur int gr Up la conductivit thermique de la partie arri re du capteur int gr La simplicit de l quation 6 6 est trompeuse car la conductance thermique ne peut pas tre sp cifi e sans analyse d taill e de toutes les pertes thermiques La visualisation des flux thermiques dans le capteur est illustr e par l analogie lectrique Figure 6 2 173 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s O Temp rature d ambiance T R flexion P du verre R O Temp rature du verre T R y ee 7 R flexion de l absorbeur Qu Temp rature de l absorbeur T R3 O Temp ratur
264. ide caloporteur Avoir une isolation lectrique dans le cas des changeurs immerg s Le stockage accumule la chaleur pour combler le d calage temporel entre les ressources et les besoins Nous avons vu que le stockage peut se faire par l eau et par les pierres Lorsque l eau est utilis e 1l est pr f rable d utiliser de l acier inoxydable ou de l acier maill s il y a une anode de protection ou de l acier synth tique si le stockage est sans pression noter ici qu il vaut mieux viter l acier galvanis car il pr sente un risque de corrosion important el le cuivre car il a une forte d perdition thermique L isolation doit tre la plus soign e et la plus compl te possible afin d viter au maximum les pertes de chaleur 56 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent Lorsqu il s agit du stockage par pierres les mat riaux choisis doivent avoir une forte inertie thermique ce qui correspond avoir un fort pouvoir de stockage thermique Le dimensionnement du volume du stockage dans les deux cas liquide et solide doit tre fonction de l nergie stocker des temp ratures de service et de la place disponible Maintenant que nous avons analys les syst mes solaires thermiques actifs nous pouvons passer la seconde tape qui consiste tudier les diff rents principes constructifs des b timents afin de rep rer des l ments et des phases de la construction
265. ieu les couleurs ont montr un comportement quasi semblable celui des capteurs noirs Ceci peut contribuer ouvrir la voie une industrialisation d absorbeurs peints avec de nouvelles couleurs diff rentes de la couleur noire classique la seule tre commercialiser aujourd hui Les architectes et les ma tres d ouvrage auront ainsi plus d options dans le choix de composants solaires installer Mais dans un cas r el il faut tenir compte des effets de masque Pour cela des simulations sont men es avec la configuration non favorable pr sent e pr c demment dans le protocole 204 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s de simulation Les r sultats pour les sept villes consid r es montrent que les ratios de surface de captage varient entre 3 6 et 6 Figure 6 31 Sud avec masque 6 00 x 5 00 4 00 Ratio 3 00 2 00 1 00 0 00 Lyon Paris Nice Athenes Berlin Stockholm Lisbonne Figure 6 31 Ratio de la surface n cessaire des capteurs int gr s avec effet de masque az 0 En effet pour Lyon nous avons besoin d une surface de capteur gris int gr quatre fois plus grande de la surface de captage d un syst me de r f rence ayant des capteurs pos s sur la toiture Les r sultats montrent aussi qu il sera pr f rable d installer les capteurs int gr s dans les parties les plus hautes du b timent afin de limiter l impact de l
266. igure 3 20 Le climat surtout quand il s agit de sollicitations relatives au climat de montagne avec la pr sence de neige par exemple pendant une longue p riode de l ann e 85 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent L aspect ext rieur couleur des mat riaux tat de surface rugueuse tuile terre cuite ardoise lisse feuilles m talliques brillant tuiles verniss es t les d acier inoxydable ou avec un relief t les nervur es La pente plus ou moins importante L accessibilit s appr cie par rapport la circulation des pi tons et celle des v hicules l gers ou lourds L l ment porteur l ment en b ton arm en bois ou m tallique Appentis 4 deux pans sym triquas A Quatre pans d pans dissymetriques sheds AVEC brisure Coube ha Figure 3 20 Les principales formes des toits Cheung 2006 Li AL posts ns lt gt ag Pat Phe rece A double courbure inversee La couverture peut tre r alis e a partir de petits l ments discontinus ardoises tuiles de grands l ments discontinues plaques m talliques nervur es larges feuilles tasseaux de grands l ments port s ou autoport s coques m talliques ou de membranes textiles En g n ral on peut regrouper les toitures en deux cat gories les toits plats et les toits pente 3 13 1 Toits plats Le toit plat utilis plut t dans la concept
267. igure C 1 17 Surfaces n cessaires pour produire une m me quantit d nergie utile a Paris pour une orientation Sud az 0 10 0 ik ARE Lit 20 it 20 L 0t Mit C IN IE IV LE cs 10 0 0 15 9 DRE 20 BM 14 5 IN 100 0 4 MIRE Lb ii M A Figure C 1 18 Pourcentage d nergie utile produite en F vrier Lyon par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 331 Annexe C L 20 ty 20 LO 100 Cs IN IE LU LE Li 15 1 ERE cs 10 0 0 a8 Th 27 IN 100 0 4 75 5 Epit M A Figure C 1 19 Pourcentage d nergie utile produite en Mai Lyon par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 Hit ik aiik iit 20 ty 20 L 0t 40 0 Sul C IN IE IV LE wits 10 0 0 270 20 4 aN cube vs IN 100 0 TEAS 49 9 669 Figure C 1 20 Pourcentage d nergie utile produite en Mai Lyon par rapport a l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 332 Annexe C Enas pt Eih 700 B00 500 woo s d 200 wo m IT IE IV IE Et LE SE 1 TET 4 00 mi0 8 8 SEO dd Lis Bue 8 244 1 1 2 08401 2855401 2608401 Chast 0B 1 Li 7BH1 5 46 Bye TEE Figure C 1 21 Quantit s d nergie utile en F vrier Lyon pour trois orientations Enage kWh 700 B00 500
268. ilit de choisir le type de profil la trame et les proportions l alternance des pleins et des vides les performances et la qualit du vitrage et la couleur de l absorbeur 1 4 4 Le compromis entre l int gration architecturale et la performance thermique Afin de r cup rer le maximum d nergie solaire les composants du syst me solaire doivent tre install s dans des conditions optimales Toutefois 1l est envisageable de s carter de ces conditions optimales sans trop perdre en efficacit L orientation des fa ades exceptes les cas de plus en plus rares de construction en milieu isol est rarement optimale pour le rendement du capteur La fa ade la mieux orient e comporte aussi souvent des masques proches ou lointains v g tation relief ou construction L orientation verticale diminue le rendement global du capteur sur l ensemble de l ann e mais elle est plus favorable pendant les saisons d hiver et de demi saison L t cette orientation limite les surchauffes dues aux stagnations Dans le cas des b timents existants l orientation de la toiture ou des fa ades n est souvent pas optimale et pose donc la question de la recherche de solutions adapt es d int gration Pour conserver un rendement acceptable une int gration sauvage au d triment de la qualit architecturale semble tre un facteur suppl mentaire de r sistance pour les Architectes 40 Chapitre 1 Probl matique d
269. ilit et la fiabilit les nc tant inf rieures ou proches de 2 5 5 2 2 Evaluation de l int gration dans le bardage en acier simple L application de SISBat sur la proposition d int gration dans le bardage en acier simple donne un bon r sultat avec une note globale relativement haute de 2 234 Figure 5 9 A l instar de la proposition d int gration pr c dente la proposition d int gration dans le bardage d acier 150 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision simple pr sente une excellente note pour le proc d constructif le proc d d installation la durabilit et la d construction nc gt 2 5 nc 2 234 Notes d valuation Fabrication Mise en oeuvre Exploitation Maintenance Fin de vie Evaluation par tape de vie Notes d valuation Choix des mati res premi res Proc d constructif Proc d d installation Adaptabilit Est tique Fonctionnement thermique Multifonctionnalit Maintenabilit Fiabilit Durabilit D construction Gestion des d chets Sur Crit res d valuation Figure 5 9 Ensemble des notes d valuation d int gration du bardage en acier simple Certains sur crit res pr sentent des notes moyennes et peuvent tre am lior s Dans cette cat gorie nous trouvons le fonctionnement thermique la multifonctionnalit la maintenabilit et la fiabilit dont les notes d valuation sont proches ou inf
270. ilit s optimales de ces mat riaux La performance atteindre diff rera selon que le syst me est destin capter absorber transf rer stocker ou distribuer Les mat riaux pourront ainsi tre valu s selon leur pouvoir de r flexion d absorption de transfert de conductivit thermique de stockage ou encore de changement de phase Le co t des mat riaux comprend le co t en termes de main d uvre d nergie et d outils utilises d extraction des mati res premi res et de leurs diff rentes transformations jusqu obtenir les mat riaux Il peut varier en fonction de la disponibilit en mati res premi res et de offre et la demande L impact environnemental des mat riaux utilis s dans la fabrication devrait tre faible en termes notamment de pollution et de toxicit Il faut savoir que les entreprises de construction n ont qu une maitrise partielle voire nulle de la nature et de la quantit des d chets g n r s par les travaux qu elles ex cutent La nature des mat riaux mis en uvre et de leurs r sidus est en effet en grande partie d termin e par le choix de l auteur de projet et les fabricants de mat riaux si bien que la probl matique des d chets se doit d tre prise en compte des les stades de conception et de fabrication Il s ensuit que les mati res premi res doivent r pondre des crit res environnementaux d o la pr f rence pour des mat riaux bi
271. imatiques sont transitoires Afin d inclure l effet de ces donn es sur le comportement du capteur dans notre analyse nous devons prendre en compte la capacit thermique du capteur Il a t montr que l tude de l effet de la capacit thermique des diff rents l ments du capteur peut se faire avec une m thode simplifi e qui donne des r sultats satisfaisants en comparaison avec une tude analytique complete KREIDER 1981 SFEIR 1981 Dans cette approche nous consid rons que l absorbeur les tuyaux de conduit et l isolation sont la m me temp rature et que les pertes Qp2 vers l ambiance interne du b timent sont n gligeables face aux pertes vers l ext rieur Q Lorsqu il n y a pas de circulation de fluide dans le capteur le bilan thermique du capteur se traduit par mc gt L U T Equation 6 32 Avec A surface d entr e du capteur I le flux solaire absorb la surface de l absorbeur Te temp rature moyenne de l absorbeur LE la conductivit thermique de la partie avant du capteur int gr Ta d signe la temp rature d ambiance ext rieure devant le capteur mc l inertie thermique quivalente du capteur En consid rant que les pertes thermiques du capteur et les pertes thermiques du vitrage sont proportionnelles il est d montr que Ua mc mc de y Une Equation 6 33 Avec mc la somme des inerties thermique de l absorbe
272. inie est se compose de 4 sous matrices comme l indique le sch ma suivant Figure B 1 3 Variables Variables externes internes gt Variables externes Variables internes I Influence des variables externes sur elles m mes II Influences des variables externes sur les variables internes IT Influences des variables internes sur les variables externes IV Influences des variables internes sur elles m mes Figure B 1 3 forme de la matrice Il est pr f rable que le taux de remplissage de la matrice soit compris entre 15 et 25 suivant les dimensions de la matrice des taux sup rieurs a 30 pourraient en effet tre r v lateurs d un remplissage excessif des relations induites ayant t tort consid r es comme directes B 1 4 Recherche des variables essentielles Cette tape consiste identifier les variables essentielles au moyen d un classement direct d termin partir de la motricit et de la d pendance de chaque variable Figure B 1 4 Motricit de i ik D pendance dej 24 k Figure B 1 4 D finition de la motricit et de la d pendance 305 Annexe B La motricit d une variable correspond la somme des actions que cette variable a sur les autres variables c est dire la somme des valeurs not es dans la matrice sur la ligne relative cette variable La d pendance d une variable correspond la
273. int gration des composants solaires des B timents de France les instructeurs de permis de construire ou de d mobilisation pour des professionnels soucieux de qualit architecturale L impact sur le rendement en est un autre pour les ma tres d ouvrage Il s av re d s lors essentiel de trouver un bon compromis entre l installation technique des syst mes solaires thermiques actifs en termes notamment de faisabilit et de productivit et leur int gration architecturale L id e principale est d accepter un diminution du rendement nerg tique pour gagner en souplesse d int gration C est pourquoi il est n cessaire de pouvoir valuer et comparer tout type d integration de syst mes solaires thermiques actifs voire d en signaler quelques perspectives d am lioration 41 42 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 44 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 2 1 Principes g n raux L nergie solaire est l nergie mise par le soleil sous forme d ondes lectromagn tiques principalement entre 0 3 et 3 um ou toute autre nergie obtenue par captage du rayonnement solaire Le rayonnement solaire atteint la surface du b timent sous trois formes Figure 2 1 Le rayonnement direct C est la part du rayonnement provenant directement des rayons solaires Le rayonnement diffus Multidire
274. int gration du bardage en acier simple Figure 5 10 Figure 5 11 Figure 5 12 Figure 5 13 Figure 5 14 Figure 5 15 Figure 5 16 Figure 5 17 Figure 5 18 Figure 5 19 Figure 5 20 Figure 5 21 Figure 5 22 Figure 6 1 Figure 6 2 Figure 6 3 Ensemble notes d valuation d int gration de l all ge Ensemble des notes d valuation d int gration dans la fa ade rideau Ensemble des notes d valuation d int gration du panneau ma onnerie Ensemble des notes d valuation d int gration du vitrage parclos Proposition finale pour le mur ma onnerie de type III Proposition de dispositifs de s curit en all ge D tail de la proposition finale d int gration dans l all ge de fen tre int gration dans la fa ade panneau avec protection en rebord filaire Proposition d int gration dans la fa ade rideau avec distance de s curit Proposition finale pour le bardage acier Exemples d int gration de la transparence dans les capteurs des fa ades vitrage parclos _ Proposition finale d int gration de capteurs dans les fa ades vitrage parclos Proposition finale d int gration de capteurs dans les fa ades vitrage parclos Sch ma d un capteur solaire plan vitr int gr dans l enveloppe du b timent Circuit thermique pour un capteur plan vitr int gr dans le b timent Sch ma montrant les coordonn es et les dimensions de l absorbeur Figure 6 4 Distribution des villes Europ
275. int gration solaire dans le b timent et de r v ler les points faibles et les points forts de la proposition tudi e Dans le tableau suivant nous pr sentons la proc dure utilis e dans le remplissage de la grille d analyse par les valeurs d valuation des crit res pour la solution d int gration dans la fa ade vitrage parclos Pour chaque crit re une note d valuation est attribu e et une observation sert justifier notre choix Tableau 5 5 Les grilles remplies des autres solutions sont pr sent es dans l annexe B 2 Crit res 1 Performance des mat riaux 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage 8 Possibilit d installation en r habilitation 9 Ad quation en terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation Notes 2 Observations Les mat riaux utilis s sont ceux d un capteur traditionnel Ils sont aujourd hui d sign s comme performants et permettent d avoir un bon rendement La fabrication des modules est relativement simple dans la mesure o elle est r alis e par assemblage Les modules sont fabriqu s par simple assemblage de composants standard ce qui laisse penser qu ils pourront tre industrialisables Dans la mesure o 1l suffit
276. ion a et d missivit e de chacun des absorbeurs sont diff rents Or ces coefficients refl tent les performances des capteurs solaires en effet les performances des absorbeurs sont meilleures si le coefficient a est lev et le coefficient e est faible Tableau 7 2 Absorbeur Coefficient d absorption a coefficient d missivit Noir RAL 7021 Gris noir RAL 6009 Vert brun Tableau 7 2 Coefficients a et des diff rents absorbeurs L isolation est aussi diff rente selon les enveloppes pour les deux panneaux aux extr mit s capteurs noir et vert le panneau isolant poss de une paisseur de 130 mm et est compos de 2 toles en aluminium prenant en sandwich de la laine de roche pour le caisson au centre capteur gris il s agit d une t le acier avec de la laine de verre de 120 mm Ce choix a t fait pour les besoins de tude industrielle 7 4 L installation d eau chaude sanitaire L installation solaire tant compos e de trois capteurs aux propri t s diff rentes il aurait t souhaitable d avoir trois installations d eau chaude disjointes Il aurait alors t possible de comparer directement les performances des diff rents capteurs Mais r aliser une telle installation aurait t techniquement difficile Il existe en effet un probl me de manque de place pour installer le mat riel et un risque de surcharge impos e au plancher devant supporter les ballons de s
277. ion d architecture moderne est caract ristique par son faible inclinaison 2 12 ce qui augmente la n cessit de traitement correct des travers es de toiture 86 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent a ee Se ena aa z T F S lt 10m h 1 a LA TEEN a ee E A TE at oe ee ee ee ee a a nn ee ee rss d solidarisation tanch it 4 4m F 4 om CE a Protection par dalle fractionn e en b ton coul sur place d solidarisation pressure t t tanch it sem E E b Protection par l ments pr fabriqu s ER CE ay z re Cl r hy 2 P tm E dalle Fe r 2A ee Li i mr plot me a ee d solidarisation ESS KESSEN SNS SSSR SN Sem SRE Tu tanch it c Protection par dalle sur plots Figure 3 21 Diff rents types de protection d une toiture terrasse Cheung 2006 L ossature de la toiture peut tre faite en b ton arm ou pr contraint en entrevous en ma onnerie c ramique ou b ton et en m tal La surface du toit doit tre soign e afin d viter la d t rioration de l tanch it Plusieurs types de rev tement d tanch it et de finition sont possibles Figure 3 21 Si le toit plat est accessible au public toiture terrasse il peut tre rev tu par le carrelage en b ton en terre cuite ou en bois ou par une couche de b ton maigre La surface du sol du toit plat non accessible peut tr
278. ions R alisation des installations des capteurs solaires plans circulation de liquide pour le chauffage et la production d eau chaude sanitaire NF P 50 601 DTU 65 12 Cahier des charges type applicable l installation de chauffe eau solaire individuel CESI dans l habitat neuf ou existant CSTB Cahier des prescriptions techniques communes aux capteurs solaires plans circulation de liquide faisant l objet d un avis technique R gles g n rales de mise en uvre de capteurs solaires ind pendants sur une couverture par l ments discontinus cahier du CSTB 35 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires Si la solution la plus commun ment retenue a t Jusqu ce jour la mise en uvre des capteurs solaires de mani re ind pendante sur support en toiture ou sur terrasses dans toute l Europe les fabricants des mat riels les architectes et les ma tres d ouvrages travaillent perfectionner l int gration des capteurs solaires dans les sites 1 4 1 1 Int gration en toiture L int gration en toiture oblige respecter la pente du toit m me si le toit est horizontal et n est donc conseill e que si la toiture a une bonne inclinaison en France entre 42 et 55 Cette int gration pose surtout le probl me de l tanch it de la toiture Il faut que les instructions du fabricant soient claires et l installateur comp tent En France les produits sur le
279. ipements solaires thermiques et d autre part l tude de la mod lisation et la conception d un outil dynamique permettant de conna tre la performance du syst me solaire ayant des composants int gr s et qui rende possible l identification de l influence de ces composants sur l ambiance int rieure du b timent L analyse de la probl matique de l int gration architecturale des composants solaires thermiques actifs dans le b timent nous a tout d abord permis de constater que la qualit architecturale et la qualit du design des produits sont des facteurs primordiaux dans la r ussite de l int gration que le composant solaire doit pouvoir tre un composant de construction au m me titre que d autres et qu il s av re essentiel de trouver un bon compromis entre l installation technique faisabilit et productivit des syst mes solaires et leur int gration architecturale Une tude de la situation actuelle concernant la technologie du solaire thermique et les proc d s constructifs du b timent nous a conduit par le biais d une analyse fonctionnelle des syst mes solaires thermiques et des mat riaux et composants constructifs distinguer plusieurs l ments constructifs capables de recevoir des fonctions propres aux syst mes solaires thermiques sans p naliser leurs fonctions initiales Cette analyse nous a permis d tablir une vingtaine de propositions d int gration dans le respect des normes
280. iques d int gration 4 1 12 Int gration dans les toitures terrasses en b ton coul sur place Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans les secteurs de l habitat individuel et collectif S lt 10m D solidarisation tanch it Mise en uvre Facile El ment de dalle pr fabriqu int grant un capteur solaire Possibilit d int gration Un ou plusieurs capteurs remplacent une dalle b ton La difficult est de maintenir un bon isolement et une bonne tanch it De plus la maintenance dans l tat actuel est tr s difficile car il y a peu de moyen d acc der au c ur du capteur sans d monter le verre du capteur Il faudra qu il soit suffisamment r sistant pour supporter la charge d un homme verre pais ce qui aura un impact n gatif sur le rendement Accessibilit par l ext rieur Conformit d usage R sistance au poids propre des usagers 4 1 13 Int gration dans les toitures terrasses par dalles sur plots Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans les secteurs de l habitat individuel et collectif Dalle Plot D solidarisation tanch it Mise en uvre Facile Dalle pr fabriqu e int grant un capteur solaire 101 Possibilit d int gration Un capteur pr fabriqu peut venir remplacer une dalle Poser sur plots la dalle capteur pourra se d monter assez facilement et permettre de laisser passer les r seaux Cependant l
281. ire devrait tre relativement importante la dur e annuelle 38 Impact env de l exploitation 3 de fonctionnement de l appoint devrait tre minimale C est pourquoi l impact environnemental de l exploitation devrait tre infime Etant donn la grande facilit de d montage des 39 Co t de la d construction 3 panneaux la d construction ne devrait avoir que peu d impact financier La d construction devrait tre r alis e par d clipsage et d vissage des composants c est 36 Confort thermique l 40 Impact env de la d construction 3 l eos pourquoi son impact environnemental devrait tre minime 41 Convertibilit des composants 2 Les composants sont enti rement recyclables Les panneaux capteurs peuvent ais ment remplacer par 42 Convertibilit de l emplacement 2 des panneaux en bois ou vitr ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications Fem atte E PE ee l des diff rents mat riaux constituant les panneaux laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux Figure B 2 4 Notation nex de la fa ade panneau B 2 5 Fa ade rideau Ci dessous les notes nek attribu es chaque crit re pour les propositions d int gration de la fa ade rideau Figure B 2 5 Crit res Notes Observations Nous utiliserons 1c1 des mat riaux performants afin l Performance des mat riaux 2
282. ironnement Le syst me propos offre une int gration dans le b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration ne risque pas de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du b timent Dans la mesure o la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la mesure o les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas Puisque la production de chaleur par le syst me solaire devrait tre relativement importante la dur e annuelle de fonctionnement de l appoint devrait tre minimale C est pourquoi l impact environnemental de l exploitation devrait tre infime Etant donn la facilit de d montage la d construction ne devrait avoir que peu d impact financier La d construction devrait tre r alis e par d clipsable et d vissage des composants c est pourquoi son impact environnemental devrait tre minime Les composants sont enti rement recyclables Les panneaux capteurs peuvent tre facilement remplac s par des panneaux en pierre ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications des diff rents mat riaux constituant les panneaux laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux No
283. it Le panneau comprenant la fois une partie transparente fen tre et une partie opaque capteur se voit donc mieux accept dans la construction une fonction lumineuse lui est ajout e 5 5 3 5 Am lioration de integration dans le bardage en acier simple L valuation de la proposition d origine a montr une bonne satisfaction quant la qualit d int gration Si nous voulons l optimiser nous devrons traiter les faiblesses que pr sentent les sur crit res fonctionnement thermique multifonctionnalit maintenabilit et fiabilit dont les notes d valuation ont t proches ou inf rieures 2 Mais pour plus d efficacit nous nous int ressons aux crit res cl s qui appartiennent aux familles des sur crit res en jeu Par exemple le crit re s curit d usage est une variable essentielle qui appartient au sur crit re multifonctionnalit Donc une am lioration de ce crit re devra avoir un impact positif important sur l valuation finale de la solution d int gration tudi e Ainsi nous proposons ainsi de perfectionner la s curit d usage en am liorant la s curit par rapport l ext rieur en imposant une hauteur minimale de s curit d un tage vis vis des passants Nous proposons aussi d am liorer l optimisation de la configuration en ajoutant des stores ext rieurs devant le capteur dans le but de limiter l impact de l
284. it 129 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision technique de l ouvrage lui m me crit re d velopp dans l tape de fabrication de possibilit de thermosiphon de s paration du circuit de distribution La r sistance de l ouvrage se r f re non seulement la r sistance aux chocs gr le balle de jeu mais aussi la r sistance au gel la surchauffe la corrosion aux charges poids propre et la surcharge neige Durabilit La durabilit n est autre que la dur e de vie ou dur e de fonctionnement potentiel d un bien pour la fonction qui lui est assign e dans des conditions d utilisation et de maintenance donn es La dur e de vie du composant solaire int gr est d finie comme la dur e pendant laquelle la fonction ou le service demand est fourni de mani re ad quate 5 2 3 4 Crit res de la fin de vie L ouvrage est cette tape d mis de toute fonction et retir de l emplacement sur lequel on lavait install On distinguera donc cette phase d construction et gestion des d chets D construction La d construction d un ouvrage correspond l ensemble des actions visant d faire la construction de l ouvrage sa structure son organisation Comme les proc d s de fabrication et d installation pr c demment cit s la deconstruction sera caract ris e par ses impacts conomiques et environnement
285. it risquent de modifier l g rement la performance thermique en jouant le r le de masque sur une partie de la surface du captage 5 5 3 4 Am lioration de l int gration dans la fa ade rideau Comme pour les trois propositions pr c dentes nous proposons quelques modifications qui pourront augmenter la qualit de l int gration dans la fa ade rideau L am lioration de la facilit d installation rencontre une certaine difficult due l obligation d installer depuis l ext rieur c est un probl me inh rent au principe constructif La possibilit d utilisation en r habilitation est aussi difficile puisque l paisseur d un panneau capteur est sup rieure un panneau normal ce qui rend l int gration complexe Il faudrait donc cr er un panneau capteur ayant une paisseur minimale faible Si le panneau comprend une fen tre nous devons am liorer la s curit par rapport aux usagers qui peuvent acc der l all ge soit en int grant un rebord filaire ou caillebotis soit en disposant le capteur plus bas dans l all ge De plus 1l doit y avoir une distance minimale de 50 cm de s curit autour des fen tres qui peuvent border les capteurs Figure 5 18 159 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Distance de s curit autour du capteur Capteurs Figure 5 18 Proposition d int gration dans la fa ade rideau avec distance de s cur
286. l absorbeur le rayonnement ayant travers l ouverture Il existe quatre principaux types de capteurs concentration R flecteur cylindro parabolique Figure 2 10 R flecteur parabolique Centrale a tour Capteurs solaires fixes concentration P er eee sien Lae ae OT R flecteur Isolation Absorbeur Ch ssis avec un fluide Figure 2 10 Capteur plan r flecteur cylindro parabolique Au lieu de frapper directement la surface absorbante les rayons solaires arrivent sur les miroirs qui les renvoient sur les tubes collecteurs dans lesquels circule le fluide caloporteur Cela permet de diminuer grandement la taille de l absorbeur ce qui r duit les pertes de chaleur et augmente son efficacit haute temp rature Un autre avantage de ce syst me est que les r flecteurs sont sensiblement moins co teux par unit de surface que les capteurs En g n ral ce type de capteur est utilis pour des applications haute temp rature et a un meilleur rendement dans des climats o le ciel est souvent d gag Les capteurs fixes concentration peuvent tre circulation de liquide ou air 2 3 2 Le transfert de chaleur L nergie capt e transform e en chaleur est ensuite transf r e par circulation du fluide caloporteur dans les tuyauteries vers le syst me de stockage Les tuyauteries utilis es sont r alis es en g n ral en cuivre en aluminium ou en acier galvanis et prot g
287. l exploitation 38 Impact env de l exploitation 39 Co t de la d construction 40 Impact env de la d construction 41 Convertibilit des composants 42 Convertibilit de l emplacement 43 Cott des traitements Notes Observations La mise en place sur chantier est aussi ais e que la pose d une fa ade rideau normale De plus les l ments sont pr fabriqu s Pose simple sans impact sur l environnement Le syst me propos offre une int gration dans le b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration risque de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du batiment Dans la mesure ou la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la mesure ou les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas Puisque la production de chaleur par le syst me solaire devrait tre relativement importante la dur e annuelle de fonctionnement de l appoint devrait tre minimale C est pourquoi l impact environnemental de l exploitation devrait tre infime Etant donn la facilit de d montage de la fa ade rideau la d construction ne devrait avoir que peu d impact financier D autant que cette fa ade est compos e de plusieurs panneaux La d construction devrait tre r alis e par d clipsable et d
288. le et la ou les fonction s de production solaire Pour concevoir des syst mes solaires int gr s des principes constructifs remarquables nous avons tabli des r gles de d finition pour cadrer notre travail Ainsi l laboration de chaque proposition est bas e sur les exigences essentielles retenues par les r gles de l art de construction en prenant en compte les aspects li s la production la mise en uvre et l acc s pour la maintenance L int gration de la fonction solaire dans un l ment de construction de b timent peut se faire de deux fa ons La premi re consiste a rendre cette fonction invisible de telle sorte qu elle ne soit pas percue La seconde consiste mettre en valeur cette fonction et faire que sa pr sence vis vis des autres l ments du b timent soit la plus harmonieuse possible Chacune des propositions suivantes est tablie selon l une ou l autre de ces d marches Finalement notre choix s est ax sur les concepts les plus int ressants d velopper Ces concepts sont analys s en d tail et une tude de faisabilit et de mise en uvre est faite 4 1 Captage et absorption 4 1 1 Integration dans les murs en maconnerie de type Domaine d emploi Ce type de mur est caract ristique des usines ou industries qui ne demandent pas d isolation thermique ou acoustique e e LE Fr e Eden 1k Proposition d integration Un capteur rev tement fy A Isolant pl
289. lera donc valuer les systemes selon la ou les fonction s qu ils assurent d ou la distinction entre les fonctions thermiques sur crit re de principe du fonctionnement thermique et les autres fonctions sur crit re de multifonctionnalit Principe du fonctionnement thermique Le principe de fonctionnement d un syst me correspond la mani re dont chacun des l ments du syst me est agence et exerce sa fonction S1 le syst me pr sente une fonction de stockage il sera valu selon le crit re d optimisation de la configuration de stockage La performance thermique du syst me solaire correspond son efficacit en termes de production production valu e par rapport aux besoins Le rendement ne peut bien videmment ce stade de d finition des syst mes tre calcul et estim de mani re pr cise En revanche on peut avoir une id e au vu du principe de fonctionnement du syst me de sa configuration et de son usage quant la qualit du rendement m diocre faible moyenne ou bonne La possibilit d agir sur l installation concerne surtout la possibilit pour les utilisateurs du syst me solaire de contr ler ou non l installation marche arr t r gulation de temp rature Cette possibilit aura des cons quences sur le fonctionnement thermique de l installation L optimisation de la configuration du composant solaire concerne la possibilit de modifi
290. les chapitres pr c dents nous avons analys les principes fonctionnels des syst mes solaires thermiques actifs et ceux des proc d s et des l ments de construction Cette analyse permet d exposer et de rep rer les l ments et les proc d s susceptibles d int grer ou d tre remplac s par des l ments solaires et d am nager un terrain technique aux concepteurs pour pouvoir concevoir des solutions qui permettront au solaire de s int grer mieux dans l enveloppe ou encore la structure du b timent Mais il reste pr parer et provoquer la d cision et le choix d une solution d int gration ou d un proc d constructif Plusieurs questions restent r soudre Comment mettre en uvre une proposition d int gration solaire Dans quel environnement peut elle voluer et quelles sont les variables essentielles son volution Quels sont les principaux acteurs agissant sur ces variables Ainsi la mise en uvre d une solution d int gration solaire s apparente a un acte de prospective qui int gre un certain nombre d l ments pass s ou venir Jouvenel H 1993 Nous devons donc disposer d une m thode qui puisse conduire un d bat transparent sur les choix et les d cisions du pr sent qui conduiront vers notre objectif souhait du futur Diff rentes m thodes peuvent tre mises en uvre pour engager une telle d marche mais celle ci ne peut tre entreprise qu avec une r flexio
291. les solaires sont form s essentiellement de cuivre ou d aluminium de vitrage et des mat riaux isolants l gers ils ne peuvent donc aucunement s int grer dans la structure du b timent Risques pour la s curit des usagers si les liaisons entre les capteurs sont accessibles par derri re ou si les capteurs sont accessible de devant L exploitation ne devrait n cessiter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l ext rieure Il est possible de vidanger le syst me et d monter les capots Configuration simple S1 le syst me r siste globalement aux risques engendr s par les conditions climatiques gel surchauffe son vitrage ext rieur peut en revanche tre endommag par quelques chocs de gr le ou de projectile Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives Le syst me est enti rement d montable Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s parables Les mat riaux qui constituent le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de l aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice
292. m de la Haute Qualit Environnementale HQE en est un exemple Des r gles toujours plus strictes dans ces deux domaines l image de la R glementation Thermique 2005 RT2005 r cente confirment qu il n y aura pas de retour en arri re La HQE a rapidement pris une place incontournable tout nouveau b timent doit faire la preuve de son impact limit sur l environnement C est une volution qui touche les mat riaux les quipements la conception les nuisances de chantier la d pollution la gestion des d chets D autres sujets mergent comme la qualit de l air non seulement en habitation mais aussi dans les espaces de bureaux Dans ce qui suit sans vouloir n1 pouvoir tre exhaustif nous exposons un panorama de l ensemble des grandes familles techniques utilis es couramment sur les chantiers de b timent 3 1 Les r gles de l art Une construction doit tre faite en respectant les r gles de l art Les r gles de l art sont regroup es dans l ensemble des textes qui encadrent l activit de construction Les normes de produits Dans la construction les normes de produits d crivent les mat riaux et composants traditionnels La norme Fran aise NF c de peu peu sa place aux normes Europ ennes sous l gide de CEN Centre Europ en de normalisation L ISO International Standard Organization quant a elle met au point des normes mondiales Les documents techniques unifi s DTU
293. me est renvers lorsqu on a une ventilation interne 3 11 3 5 La profondeur de la cavit d air L intervalle des profondeurs de cavit peut changer de mani re significative Dans les b timents existants la profondeur de la cavit mesur e de face face entre les peaux internes et externes varie entre 20 cm et 140 cm Il y a trois types pr dominants Le type compact de profondeur g n ralement variant entre 20 cm et 50 cm la derni re laissant assez d espace pour permettre l entretien de la cavit et le nettoyage des surfaces l int rieur de la cavit Le type moyen a en g n ral une cavit de 1 m de profondeur et elle est utilis e comme couloir pour les sorties de secours et pour des raisons architecturales et d eclairagisme Le troisi me type est le type large qui inclut des atriums et des b timents dans les b timents 3 11 3 6 Les mat riaux de support Les mat riaux utilis s pour le support des vitres des fa ades double peau sont presque aussi divers que les supports des vitres des fen tres avec quelques diff rences Les contraintes de choix des mat riaux pour la peau interne sont moindres parce qu elle est prot g e par une peau externe Plusieurs b timents ont ainsi t con us avec une ossature en bois sur la fa ade int rieure Il faut faire attention que les fa ades agissent comme des capteurs solaires ainsi ils sont susceptibles d avoir les temp ratures lev es dans la cavit Ceci peut end
294. mentation et mod lisation d une installation solaire prototype G nie civil Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 2005 143 p BERGMANN I Fa ade integrated collectors Constructions building physics end the result of two monitored systems Industry Workshop IEA SHC Task 26 2002 pp 47 58 BIENFAIT D R gles d installation des quipements de production d eau chaude sanitaire individuelle par l nergie solaire Sophia Antipolis Centre Scientifique et Technique du B timent 1983 BRUANT M D veloppement et param trage de contr leurs flous multicrit res du confort d ambiance Conception en b timent et techniques urbaines Lyon INSA de Lyon 1996 269 p BRUANT M GUARRACINO G MICHEL P et al Gestion technique et b timents bioclimatiques Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 1996 151 p Ing nierie des ambiances thermiques CABRIOL T PELISSOU A et ROUX D L insolateur plan a effet de serre et le chauffe eau solaire EDISUD Aix en Provence 1977 159 p Technologies douces CANTIN R D veloppement d une m thode prospective Application aux syst mes de gestion technique du b timent M thodes de Conception en B timent et Techniques Urbaines Lyon INSA Lyon 2000 320 p CASADEVALL A Introduction a MATLAB Jen ligne Disponible sur lt http docs ufrmd dauphine fr matlab polyMatlab pdf gt Juillet 2006 CATED Les quipements solaires dans le batim
295. mettant ainsi d tre utilis dans les b timents de type habitat collectif tertiaire et usines Les parois ou peaux sont constitu es par des profil s en t les m talliques ayant re u un rev tement d finitif ou par des clins en bois ou en mati re plastique Les joints entre les l ments sont ex cut s de mani re viter les risques d infiltration et la perm abilit lair Pour l int gration il est possible de fixer un capteur sur les fixations ossature secondaire par des pattes de fixation La mise en place de ce type de capteur serait faite directement sur chantier lors du recouvrement de fa ade second uvre Ici l isolant thermique utilis pour l isolation du b timent serait aussi l isolant thermique du capteur Figure 4 3 Fixation Mur support Capteur plan Collecteur Isolant Figure 4 3 Proposition d int gration pour le bardage acier simple Une analyse des fonctions initiales du bardage acier simple et des fonctions acquises par l int gration du capteur solaire montre que les fonctions initiales de cet l ment seraient toujours respect es Ainsi l int gration solaire ne p naliserait pas le r le du bardage Tableau 4 2 109 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration Initiales sans int gration Finales avec int gration Bardage Etanch it eau Joint tanche Isolation thermique Laine de roche int rieure Laine de roche int rieure Paroi prin
296. mettrait d appliquer au secteur des syst mes solaires actifs des techniques et des proc d s industriels qui apporteraient rationalisation et hausse de productivit de cet ouvrage En effet un syst me pourra d autant plus s industrialiser s il est standard produit en grande quantit Le co t de la fabrication inclut les co ts de la main d ceuvre de l nergie et des outils n cessaires la r alisation des diff rentes transformations de fabrication L impact environnemental de la fabrication est valu en termes de cr ation de d chets de pollution et de toxicit engendr es par les diff rentes transformations 5 2 3 2 Crit res de la mise en uvre Men e par les entreprises et la ma trise d ceuvre en relation avec la ma trise d ouvrage elle consiste en la pr paration sur le chantier et la mise en place d finitive des mat riaux n cessaires a la r alisation d un projet On distinguera donc dans la phase de mise en ceuvre les trois sur criteres suivants le proc d d installation l adaptabilit et l esth tique de l l ment solaire int gr Proc d d installation Le proc d d installation d un ouvrage se r f re la suite d op rations ex cut es pour la mise en uvre de cet ouvrage l instar du proc d constructif le proc d d installation sera valu par ses impacts conomiques et environnementaux ainsi que par un crit re de faisabili
297. mettre en vidence plusieurs points Une analyse param trique a montr que le coefficient d absorption de l absorbeur joue le r le dominant dans le choix de la couleur de l absorbeur par rapport son coefficient d mission Ce r sultat a t ensuite confirm par des simulations effectu es dans le but de classer des couleurs choisies d absorbeur suivant la performance thermique du capteur Nous avons montr aussi que le comportement des capteurs int gr s dans la fa ade d un b timent ayant des absorbeurs color s est comparable celui du capteur noir traditionnel et que les rapports des surfaces n cessaires reproduire une quantit d nergie quivalente celle d une installation traditionnelle sont pratiquement surmontables puisque l encontre de la toiture la surface n cessaire au captage est pratiquement disponible en fa ade En effet pour un capteur vertical int gr dans une fa ade orient e plein sud les simulations ont donn un ratio de surface variant suivant la couleur de l absorbeur de 1 6 2 3 par rapport la surface d un capteur traditionnel implant sur la toiture et orient vers le sud En plus m me si nous n avons pas fait une tude du co t du composant nous pouvons facilement conclure qu il repr sente un avantage sur le plan conomique En effet par rapport au capteur traditionnel le capteur int gr dans la fa ade parclos fournit une quantit d nergie utile
298. mis en place sur le chantier 113 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration Une int gration de capteur solaire dans la fa ade serait envisageable L isolant servirait d isolation thermique et acoustique du b timent et galement d isolation pour la partie capteur afin de limiter les pertes L aspect esth tique du panneau pourrait tre gard en tra ant une trame sur le verre soit en s rigraphie soit en gravure rainure par exemple Figure 4 8 Croujons d ancrage et equerre en acter Hez de dalle fix e par un tire fond dans l ossature S NS NN EI j VWerre bardage antireflet D AN ltra haute t A Plaques en pl tre paisseur 4 x 15 mm ura naute Transparence aiim Tubes canaux cuivre 8mm Pare vapeur Absorbeurs cuivre Isolation thermique paisseur 120 mm eke Figure 4 8 D tail de la proposition d int gration dans la fa ade panneau La mise en ceuvre sur chantier pourrait tre difficile ainsi les solutions qui pourraient tre envisag es seraient la mise en place complete sur chantier des l ments solaires en les posant les uns apr s les autres ou d utiliser des panneaux pr fabriqu s en usine sur lesquels viendrait s ajouter le rev tement int rieur pare vapeur et plaque de pl tre Une analyse des fonctions initiales de la fa ade et des fonctions acquises par l int gration du capteur solaire montre que les fonctions initiales de cet l ment seraient toujours resp
299. mission taient coh rentes nous avons trac sur un graphique la valeur de 195 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s ces coefficients en fonction du classement par rapport la performance nerg tique Figure 6 20 Ce graphique confirme bien le fait que les performances d pendent en grande partie de la valeur du coefficient d absorption Emissivit Absorptivit 100 90 80 70 60 90 pourcentage 40 30 20 10 1er 2 me 3 me 4 me 5 me 6 me 7 me 8 me YJeme 10 me 11 me 12 me Rang des couleurs par ordre d croissant de performance Figure 6 20 Absorptivit et missivit des capteurs class s selon leur couleur La couleur permettant au capteur d obtenir les meilleures performances est celle dont l absorptivit est la plus lev e Nous remarquons aussi que plus cette derni re diminue et moins les performances du capteur sont lev es et ce ind pendamment des valeurs de l missivit M me lorsque cette derni re diminue de mani re non n gligeable comme par exemple en perdant 14 points entre les capteurs class s 9 me et 10 me ce qui devrait am liorer ces performances cela ne permet pas de contrecarrer le fait que l absorptivit ait baiss dans le m me temps de seulement 0 8 point Ces r sultats confirment que le choix d une couleur d absorbeur devra principalement tenir compte de son coefficient d
300. mites pr conis es par l ONU La fili re lectronucl aire quant elle avance ses faibles missions de gaz effet de serre et sa productivit n h sitant pas dissimuler son potentiel mutag ne derri re un label nergie propre troublant l inverse les nergies renouvelables produisent peu de d chets et engendrent peu d missions polluantes en particulier les gaz effet de serre responsables du r chauffement de la plan te et du d r glement climatique 25 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires 1 1 2 L ind pendance nerg tique et la s curit d approvisionnement Parfois estomp lorsque la conjoncture para t orient e la baisse des prix et l abondance des disponibilit s l enjeu d ind pendance nerg tique et de s curit d approvisionnement revient au galop a la premi re alerte conomique ou g opolitique Il n y a pr occupation pour la s curit que lorsqu il y a risque sur les approvisionnements Mais quels sont ces risques e Le premier risque est celui d une rupture physique d approvisionnement long terme La rupture ou le rationnement physique peuvent tout simplement r sulter de l puisement des ressources ou de l insuffisance des moyens de production S agissant des nergies fossiles la mesure de la dur e de vie des r serves r v le bien cette pr occupation qui pourra un Jour devenir une v ritable hantise Figure 1 1 Energi
301. moyenne en Lyon Le but de cette premi re s rie de simulations est d tudier d une fa on pr liminaire l int r t et la faisabilit de notre proposition d int gration consid r e l int gration dans la fa ade a vitrage parclos Pour cela nous calculons la quantit d nergie utile produite et le 197 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s pourcentage de la perte en performance nerg tique par rapport un syst me solaire traditionnel avec des capteurs solaires C8S non int gr s dans le b timent Pour des capteurs orient s vers le Sud des simulations men es sur la p riode d une ann e montrent que la quantit d nergie utile produite par le syst me solaire subit une perte de presque la moiti pour les capteurs noir int gr et rouge int gr et ceci pour les trois villes consid r es Figure 6 22 En effet pour Lyon la quantit d nergie utile produite avec les capteurs de r f rence Qu 3201 kWh devient deux fois moins importante lorsqu il s agit de capteurs noirs int gr s dans la fa ade parclos Qu 1663 kWh ou lorsqu on remplace ces capteurs par des capteurs rouges RAL 3007 int gr s Qu 1424 kWh Cette perte devient plus importante de l ordre de 3 lorsqu on utilise des absorbeurs verts RAL 6007 Qu 1140kWh ou des absorbeurs bleus RAL 5020 Qu 1089 kWh Ces chutes en performance sont essentiellement dues aux carac
302. mpact de l int gration sur l ambiance int rieure du b timent Dans un premier temps une analyse de la probl matique de l int gration architecturale des composants solaires thermiques actifs dans le b timent travers des exemples r alis s nous conduit d finir des principes d int gration Dans un second temps nous d veloppons un outil d analyse prospective baptis SISBat capable d valuer la qualit d int gration des composants solaires dans le b timent et de proposer des perspectives d volution Ensuite nous d veloppons un environnement de simulation de syst mes solaires int gr s dans le b timent Bien que le syst me solaire soit consid r dans son ensemble le travail de d veloppement s est plut t focalis le capteur int gr prenant en compte l interaction capteur b timent Une fois qu une proposition d int gration solaire est d velopp e avec SISBat son comportement thermique et sa performance nerg tique sont tudi s avec le mod le num rique d velopp afin de v rifier l int r t de la solution d int gration Enfin une exp rimentation l chelle r elle d un syst me solaire de production d eau chaude ayant des capteurs int gr s dans la fa ade d un b timent exp rimental permet non seulement d tudier le comportement r el de capteurs solaires int gr s mais aussi de pouvoir confronter les r sultats des simulations num riques et les mesures exp rimentales et
303. mpes ventilateurs r gulation pour capter stocker et distribuer la chaleur re ue du soleil 45 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 2 2 Les syst mes solaires passifs 2 2 1 Principe Afin de profiter passivement de la chaleur et de la lumi re du soleil il faut am nager les b timents en fonction des apports solaires Les techniques passives exploitent d une part les caract ristiques architecturales des b timents principalement les murs les fen tres les planchers et le toit et d autre part les l ments du milieu environnant Elles captent l nergie thermique et la stockent Le principe du chauffage solaire passif est assur par des ouvertures vitr es ad quates orient es vers le soleil et une isolation convenable pour viter les risques de d perditions calorifiques Il faut aussi stocker la chaleur afin de continuer chauffer le b timent lorsque le soleil ne brille plus et la rediriger vers les zones qui n en b n ficient pas gr ce la thermo circulation mouvement naturel de l air chaud qui monte ou des ventilateurs En milieu temp r 1l faut s assurer que le logement est bien expos plein sud De plus les vitrages doivent tre con us pour capter au maximum le soleil l hiver sans surchauffer la maison l t D ou l obligation de mettre des occultations solaires La chaleur est stock e dans les l ments inertes du b ti murs dalles ou dans des dispositifs s
304. n Les carts maximaux des temp ratures int rieures d passent les 4 C pour la journ e de 03 f vrier surtout entre les isolants de 30 mm et 120 mm Figure 6 37 Diff rence de Temp ratures Int rieures 4 50 4 00 8 50 P Y 3 00 pin ES Eee in OR CERN DT C 2 00 i 1 50 1 00 0 50 0 00 01 f vrier 02 f vrier 03 f vrier 04 f vrier 05 f vrier 06 f vrier 07 f vrier Figure 6 37 Ecarts maximaux de temp ratures int rieures avec les isolants entre 01 et 07 f vrier avec un syst me solaire en stagnation 209 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Donc l paisseur de l isolant du capteur int gr est un l ment important prendre en compte dans la conception de la proposition d int gration afin de limiter son influence sur la temp rature int rieure du b timent surtout pendant les p riodes de stagnation et viter que cette proposition soit une source d inconfort thermique La m me tude est ensuite faite pendant l t sur une p riode allant de 01 07 ao t L clairement nerg tique global sur le plan du capteur est plus important sur cette p riode que celui de la p riode tudi e de f vrier En effet l clairement nerg tique d passe 500 W m durant quatre jours en ao t et deux jours en f vrier Figure 6 38 Eclairement nerg
305. n 130 I r alis en deux fois l un le matin et l autre le soir Pour mettre au point le sc nario de puisage nous avons utilis un renseignement essentiel le d bit de puisage lors de l ouverture de l lectrovanne Ce dernier est d environ 13 litres par minute Une fois le volume d eau puiser d termin 1l suffit de faire la conversion pour conna tre le temps pendant lequel l lectrovanne doit rester ouverte Dans notre sc nario sont programm s un premier puisage de 7h00 7h05 soit un volume d eau extraite d environ 65 1 et un second puisage de 20h30 20h35 m me volume de puisage 7 7 Validation de l installation d acquisition 7 7 1 Installation solaire en stagnation Les premi res donn es obtenues l ont t alors que l installation solaire tait en stagnation c est dire que le fluide caloporteur n tait pas en mouvement dans le circuit solaire L acquisition des valeurs ci dessous date du 08 06 05 12 39 06 Le pas de temps tait d une seconde ainsi la premi re ligne correspond a la mesure a 12 39 06 la deuxi me a 12 39 07 et la derni re a 12 39 12 Tableau 7 6 3277 Tambiante Ttechnall Si 20 6 203 20 7 163 242 Tableau 7 6 R sultats obtenus avec l installation solaire en Chaque sonde a t branch e sur la voie pr vue avec les particularit s suivantes Tc5 correspond la temp rature de surface du store p
306. n Sud az 0 335 Annexe C Enas ge kih 700 boo a i i Sii 200 i Energie kWh m0 boo a ag Sii 200 Ht Chast LT IE IV IE Li TBy 1 5 7 I ETA T a i mo L By 7 8 SB 1 5S By T BHl 5 SEHH a SSH 1 15 aby 435 Bln ETS PT Figure C 1 27 Quantit s d nergie utile en F vrier Paris pour trois orientations ne ih Yh ee C LIT LE IV TE pihl 6508401 a FSBO 1558401 6 60 Bye 4 840 1 8658401 1558401 4608401 ANTE 85 TRO 518401 1 5 S01 Figure C 1 28 Quantit s d nergie utile en Mai Paris pour trois orientations 336 Annexe C Ena g kWh 70 B00 500 400 500 200 wo m Lit IE Ly IE Et L0 10 AE 8 78 41 84H41 ind 4 10 B40 12 By 10 TE 40 B01 74 18H11 Chast 3 8 6840 1 4 Bw 7 17 Bw 1 6 8 SB Figure C 1 29 Quantit s d nergie utile en Ao t a Paris pour trois orientations Wot sat it Lit 20 ty cs IN IE IV LE sE 100 0 769 CRE TEE TE w IN 100 0 4 69 5 Loh 450 Figure C 1 30 Pourcentage d nergie utile produite en F vrier a Nice par rapport l nergie utile d une installation r f rence pour une orientation Sud az 0 337 Annexe C iit 210 t 20 LO C IN IE IV LE 15 0 ws IN 100 0 30 1 0 0 HES cs 10 0 0 an oh 18 5 16 7 Figure C 1 31 Pourcentage d nergie utile produite en Mai Nice par rapport l nergie utile d une installation
307. n ballon de stockage de 1000 I Les r sultats sont ensuite analys s pour exploiter l influence de l paisseur de l isolant du capteur sur la temp rature 206 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s int rieure et pour comparer les r sultats des temp ratures influenc es par des capteurs int gr s avec ceux d un b timent ayant des fa ades traditionnelles U 0 276 W m K 6 8 3 1 Influence de l paisseur de l isolant du capteur Il para t important de voir l influence de l isolant du capteur sur la temp rature de l ambiance interne du b timent afin de d finir l paisseur la plus adapt e la proposition d int gration tudi e Pour cela nous consid rons plusieurs paisseurs de l isolant e 30 mm e 60 mm e 90 mm et e 120 mm Les simulations sont d abord effectu es sur la p riode du 1 au 7 f vrier L clairement nerg tique global sur le plan du capteur int gr vertical d passe l g rement 700 W m le 3 f vrier Figure 6 33 Eclairement energetique global sur le plan du capteur 800 700 600 500 400 Iglob W m2 300 200 100 01 f vrier 02 f vrier 03 f vrier 04 f vrier 05 f vrier 06 f vrier 07 f vrier Figure 6 33 L clairement nerg tique global sur le plan du capteur Lyon entre 01 et 07 f vrier Sur le graphique suivant nous avons regroup les r sultats obtenus avec un syst me
308. n climat 2004 Face au changement climatique agissons ensemble en ligne Disponible sur lt http www ecologie gouv fr IMG pdf plan_climat pdf gt 278 R f rences LEULEU R Transferts de chaleur Op rations unitaires G nie de la r action chimique Paris Techniques de l ing nieur 1992 pp 16 LHOMME J C Les nergies renouvelables 2 d Delachaux et Niestl 2004 256 p La biblioth que du naturaliste LHOMME J C La maison conome Paris Delachaux et Niestl 2005 192 p LIBES M LabVIEW Support de cours Marseille Ecole sup rieure d ing nieurs de Luminy 2004 LONCOUR X WOUTERS P FLAMANT G et al mpact of Double Ventilated Fa ades in Buildings CIB2004 World Building Congress 2004 LOUTZENHISER P G MANZ H FELSMANN C et al Empirical validation of models to compute solar irradiance on inclined surfaces for building energy simulation Solar Energy 2006 MAIO F D and PAASSEN A H C V Integration of HVAC systems and double fa ades in buildings In ENTPE Energy Efficient amp Healthy Buildings in sustainable cities October Lyon FRANCE ENTPE 2002 pp 469 474 MATUSKA T and SOUREK B Facade solar collectors Solar Energy 2006 vol 80 n 11 pp 1443 1452 MICHEL P Domotique et Habitat Essai de lecture syst mique Energ tique Lyon INSA Lyon 1994 133 p MUGNIER D Rafraichissement solaire de locaux par sorption Optimisation th orique et pratique Energ
309. n d eau chaude La m me d marche de comparaison est suivie dans l tude du syst me solaire ayant le capteur gris comme composant La dynamique de la temp rature d eau simul e est tr s proche de la dynamique des mesures exp rimentales Figure 7 49 Tb_ simul T_env du ballon 50 oO gt gt O1 oO O1 O N O Temp rature dans le ballon C D on O 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 49 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon du stockage 20 21 juillet 2005 297 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Le mod le num rique d velopp permet donc bien d tudier la productivit du capteur gris L cart moyen absolu entre la temp rature simul e et la temp rature mesur e pendant cette p riode de test est gal 0 27 C avec un cart type de 0 26 C La simulation des temp ratures moyennes des absorbeurs des capteurs noir et vert qui sont en stagnation pendant cette p riode de test donne des r sultats tr s proches des donn es de mesures La dynamique de la temp rature simul e est tr s proche de celle de la temp rature mesur e pour les deux capteurs avec des l gers d passements pendant les premi res heures d ensoleillement Figure 7 50 Figure 7 51 Dans le cas du capteur noir la temp rature moyenne maximale simul e est gale a 103 16 C et celle mesur e a 104 05
310. n de 30 une inclinaison verticale diminue la productivit d en moyenne 27 ce qui revient acheter un capteur suppl mentaire De SOUSA 2003 En termes d espace cela est tout fait acceptable tant donn que la surface disponible en fa ade est g n ralement sup rieure celle en toiture Les b timents fa ades en verre sont r fl chissants vus de l ext rieur et l g rement opaques vus de l int rieur I est donc int ressant de r aliser pour un tel b timent une fa ade de capteurs qui laisserait passer suffisamment de lumi re et fournirait l nergie n cessaire l eau chaude sanitaire au chauffage et la climatisation des locaux Figure 1 11 Capteurs solaires int gr s en fa ade Wagner amp Co Germany Les all ges garde corps et brise soleil peuvent aussi offrir des possibilit s int ressantes d int gration en fa ade Figure 1 12 Figure 1 13 et Figure 1 14 fe ae Ri joues Figure 1 13 Capteurs solaires en garde corps Herning Denmark Sono al Agence M diterran enne de l Environnement R gion Languedoc Roussillon 38 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires Figure 1 14 Capteurs solaires en brise soleil Outilssolaires 1 4 1 3 Le capteur comme l ment du paysage Dans certains cas favorables les capteurs peuvent tre pos s sur talus et ainsi se cacher de tout sauf du soleil Il est alors n cessaire de les prot ger
311. n des pertes r ANS Faisabilit technique Disponibilit des mat riaux a Performance des mat riaux Modulation gt Q L Optimisation de la configuration Performance des mat riaux S curit d usage S parabilit des mat riaux Limitation des pertes I Dur e de vie Modulation Fonction isolation thermique Facilit d installation Facilit d installation JEE Fonction isolation thermique Fonction structurelle a Simplicit Optimisation du positionnement ie Fonction structurelle Optimisation du positionnement Simplicit Figure 5 6 Classement direct et indirect des crit res suivant la motricit y _ 5 3 4 2 Classement d pendance Comme pour la motricit le classement des variables de l int gration est donn dans le tableau de la figure suivante Les rangs sont class s de 1 a 43 par ordre d croissant de d pendance Figure 5 7 140 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Rang Direct M Indirect M Possibilit d agir sur l installation Fonction isolation acoustique Fonction isolation acoustique es Fonction structurelle Fonction structurelle Possibilit d agir sur l installation 40 S curit d intervention Disponibilit des mat riaux 39 Fonction isolation thermique Fonction isolation thermique Impact environnemental de l installation pes S curit d intervention 37 S parabilit des
312. n structur e Hatem F 1993 Cette partie a pour but de d velopper pour les concepteurs des projets de construction du b timent un outil d aide la conception et d analyse des propositions d int gration technique et architecturale des composants solaires dans le b timent Cet outil nous permettra galement de guider l optimisation de la conception des proc d s constructifs et des composants solaires Dans une premi re tape nous rappelons les principes g n raux d une d marche prospective Nous pr senterons ensuite les principaux enjeux de l int gration solaire Le travail consistera ensuite laborer une grille d analyse en se reposant sur une analyse multicrit re et sur le cycle de vie du produit permettant d une part d valuer et hi rarchiser notamment en termes de faisabilit architecturale et technique toute solution d int gration de syst me solaire thermique actif et d autre part de mettre en vidence les principaux facteurs d volution de ces solutions Cette m thode sera enfin appliqu e diverses propositions d int gration pr alablement formul es de telle sorte que pourront se d gager non seulement une comparaison des diff rentes propositions mais aussi quelque perspective d volution techniques constructives mat riaux de ces propositions 5 1 La d marche prospective D apr s le Grand Dictionnaire Terminologique le mot prospective est d fini comme une
313. nancier La d construction devrait tre r alis e par d clipsage et d vissage des composants c est pourquoi son impact environnemental devrait tre minime Les composants sont enti rement recyclables Les panneaux capteurs peuvent ais ment remplacer par une all ge ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications des diff rents mat riaux constituant les panneaux laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux Figure B 2 3 Notation ny de l all ge B 2 4 Fa ade panneau en ma onnerie Ci dessous les notes nek attribu es chaque crit re pour les propositions d int gration de la fa ade panneau Figure B 2 4 Crit res 1 Performance des mat riaux 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage Notes Observations Nous utiliserons 1c1 des mat riaux performants afin d optimiser le rendement sachant que celui ci ne sera pas optimum d la position verticale du capteur Il est difficile de r aliser l isolation par l ext rieur El ment pr fabrique El ments visser et clipser sur place Capteurs verticaux donc le rendement n est pas optimum Surface adapt e en fonction des besoins Possibilit
314. nde de temp rature d ambiance Ce bo tier a t plac l int rieur du b timent au dessus du capteur solaire noir 7 5 5 La temp rature ext rieure et l humidit relative Ce capteur transmetteur mesure l humidit relative HR et la temp rature Figure 7 19 Pour chacun de ces param tres 1l d livre un signal de sortie 4 20 mA Les plages de mesure sont les suivantes Humidit relative 5 98 HR Temp rature 30 130 C 232 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Figure 7 19 Sonde de temp rature d ambiance et d humidit relative 7 5 6 Le D bit Le d bitm tre r pond plusieurs exigences assez strictes tout d abord il est quip d un transmetteur analogique afin de rendre possible l acquisition de donn es Il est compatible avec le fluide caloporteur utilis dans l installation solaire et enfin sa section est petite et permet ainsi de mesurer des d bits faibles comme ceux de l exp rimentation Le d bitmetre choisi permet de r pondre ce cahier des charges Figure 7 20 Proprietes Diam tre 8 mm 9 D bit maximum du d bitm tre 27 36 l min D bit minimum mesurable 2 5 l min Figure 7 20 Photo et caract ristiques du d bitmetre Rosemount 8711 7 5 7 Les Modules d acquisition Afin de r aliser l acquisition sur ordinateur des diff rentes donn es en provenance des capteurs de mesures install s il a fallu installer des modules d
315. ne am lioration de l isolation aux bruits ext rieurs par un refroidissement nocturne efficace par l augmentation de la dur e de vie des elements prot g s de la fa ade par la prise en charge de fonctions techniques suppl mentaires en stockant des syst mes d air conditionn dans la cavit et ou la structure ce qui augmente l espace disponible au sein du b timent par l am lioration du confort et de la qualit d ambiance gr ce la ventilation naturelle et une meilleure qualit des conditions thermiques et visuelles 81 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Les fa ades double peau sont diff renci es de doubles ou triples fa ades vitr es conventionnelles par le passage d air par la cavit entre les peaux internes et externes Figure 3 17 La fa ade ne peut plus tre envisag e comme un objet statique L air se d place dans la cavit modifiant parfois de fa on significative ses performances caract ristiques Figure 3 17 Cavit dans une fa ade double peau Lund Institute of Technology En plus de cette nature dynamique on observe galement une fluctuation saisonni re dans la fa on du fonctionnement de la fa ade Pendant la saison de rafra chissement l air p n tre dans la cavit et emporte la chaleur r duisant ainsi la temp rature de la peau interne ce qui r duit les changes de chaleur entre le vitrage et le volume d occupation Le r sultat est une diminution d
316. ne approche modulaire pour r soudre d importants syst mes d quations d crites par des sous programmes Fortran contenant chacun un mod le pour un composant du syst me En cr ant un fichier de variables d entr e l utilisateur de TRNSYS se connecte directement un grand nombre de sous programmes afin de cr er un syst me Le processeur de TRNSYS appelle les composants du syst me avec le fichier d entr e et volue par it rations successives jusqu ce que le syst me d quations soit r solu Contrairement de nombreux autres programmes TRNSYS permet aux utilisateurs de d crire compl tement et de mod liser toutes les interactions entre les composants du syst me Par exemple l utilisateur d termine les connexions entre les sorties d une pompe et les autres parties du syst me La modularit du programme autorise galement d avoir autant de pompes de contr leurs et de panneaux solaires que n cessaire dans toutes les configurations ou agencements possibles Du fait que les programmes sont crits en Fortran un utilisateur peut facilement g n rer un composant TRNSYS afin de mod liser n importe quelle nouvelle 181 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s technologie Le Simulation Studio est une interface graphique intelligente flexible et puissante pour effectuer des simulations et manipuler facilement les r sultats avec TRNSYS Dans notre recherche
317. ne de temp rature compris entre 50 C et 150 C Sur chaque capteur deux sondes de temp ratures de surface ont t install es sur les ailettes l int rieur de l absorbeur Figure 7 13 fae f Figure 7 13 La sonde de surface install e sur une ailette de l absorbeur Sur chaque capteur deux sondes de temp ratures de surface ont t install es l int rieur de l absorbeur sur les ailettes Figure 7 14 Partie haute du oem capteur Les sondes de surface 70 cm 50 cm Partie basse du g capteur Figure 7 14 Emplacement des sondes de surface sur chaque capteur 7 5 3 La temp rature de conduit Les sondes de temp rature de conduit sont compos es de gaines rigides inox L l ment sensible platine 100 ohms positionn l extr mit de la gaine a une longueur de 10 mm Le domaine de fonctionnement en temp rature de cette sonde est compris entre 75 C et 350 C La sortie sur t te l g re en aluminium permet de raccorder les c bles l tanch it tant assur e par le joint de couvercle et par le presse toupe fourmi Figure 7 15 230 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Figure 7 15 Les sondes de temp rature de conduit Deux types de sondes ont t utilis s les unes pour conna tre la temp rature dans les conduits des capteurs les autres pour conna tre la temp rature au sein du ballon Tableau
318. ne grille d analyse G nie civil et b timent Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 1991 106 p GODET M Manuel de prospective strat gique Tomel Une discipline intellectuelle Paris DUNOD 1997 260 p GODET M Manuel de prospective strat gique Tome2 L art et la m thode Paris DUNOD 1997 359 p GRATIA E and HERDE A D Natural ventilation in a double skin fa ade Energy and Buildings 2003 n 36 pp 137 146 GUARRACINO G Energ tique du b timent Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 2001 GUIAVARCH A Etude de l am lioration de la qualit environnementale du b timent par int gration de composants solaires Cergy Pontoise Universit de Cergy Pontoise 2003 314 p HATEM F La prospective pratiques et m thodes Economica Paris 1993 HENSEN J BARTAK M and DRKAL F Modeling and Simulation of a double skin Fa ade System en ligne Disponible sur lt http www bwk tue nl fago hensen publications 02 ashrae dskin pdf gt March 2004 HERANT P Parvenir au facteur 4 le secteur des b timents existants Forum des entreprises et du d veloppement durable Paris ADEME 2006 pp 8 HETZEL J Haute qualit environnementale du cadre b ti Enjeux et pratiques AFNOR 2003 292 p 24 R f rences JANNOT Y Thermique solaire en ligne Disponible sur lt http www librecours org gt Septembre 2004 JOFFRE A Energie solaire thermique dan
319. ne mauvaise int gration et en dessous de 1 une int gration m diocre 5 5 2 1 Evaluation de l int gration dans le mur en ma onnerie type III Les r sultats de l application de SISBat sur la proposition d int gration dans le mur en ma onnerie type III sont pr sent s dans la figure suivante Figure 5 8 L analyse montre que l int gration dans le mur en ma onnerie type III est globalement bonne ng 2 271 voire excellente selon les sur crit res proc d constructif proc d d installation adaptabilit esth tique durabilit et d construction les nc tant sup rieurs 2 5 149 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision nc 2 271 Notes d valuation Fabrication Mise en oeuvre Exploitation Maintenance Fin de vie Evaluation par tape de vie Notes d valuation Adaptabilit M Est tique Fiabilit Durabilit Choix des mati res premi res Proc d constructif Proc d d installation Fonctionnement thermique Multifonctionnalit Maintenabilit D construction Gestion des d chets M Sur Crit res d valuation Figure 5 8 Ensembles des notes d valuation d int gration du mur en ma onnerie type III Toutefois 1l semble que l int gration des capteurs puisse tre perfectionn e travers les sur crit res qui sont valu s comme moyennement satisfaisants le fonctionnement thermique la multifonctionnalit la maintenab
320. ns capteur int gr Cet cart devient un peu plus important avec 30 mm d isolation puisque cet cart peut arriver 1 6 C le 03 f vrier Figure 6 43 1 80 T30mm Tsanscapteur 1 60 7120mm Tsanscapteur 1 40 1 20 1 00 DT C 0 60 0 40 0 00 01 f vrier 02 f vrier 03 f vrier O4 f vrier 05 f vrier 06 f vrier OF f vrier Figure 6 43 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 f vrier dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en marche ayant de capteurs int gr s Les r sultats des simulations men es sur la p riode du O1 au 07 ao t montrent un comportement similaire En effet pour un syst me solaire en marche l int gration d un composant solaire ayant 120 mm d isolation peut causer une augmentation maximale de la temp rature de l ambiance int rieure de la zone tudi e de 0 5 C par rapport celle d une zone sans capteur int gr dans la fa ade Cette augmentation monte 1 7 C avec un capteur ayant 30mm d isolation Figure 6 44 Le capteur int gr avec un isolant de 120 mm r duit le mieux les pertes d nergie en arri re du capteur vers l int rieur du b timent M me si ce r sultat semble vident puisque une augmentation de l paisseur de l isolation r duit le transfert de chaleur l importance r side dans la d termination de l paisseur la mieux adapt e notre proposition Ainsi nous avons montr qu il su
321. nt nerg tique les conditions m t o pouvaient tre qualifi es de bonnes pour le fonctionnement des capteurs solaires Figure 7 26 1000 900 800 700 600 900 400 300 200 100 0 global W m2 Eclairement nerg tique horizontal O N MO THO O N D D OO MO O Oo NR Dm NN OM TOO N N N AN heure Figure 7 26 Eclairement horizontal sur le site pour la journ e du 11 juin 2005 La comparaison des temp ratures obtenues gr ce aux trois sondes de surface situ es en bas de chacun des capteurs Ts2 pour le capteur noir Ts4 pour le gris et Ts6 pour le vert confirme le fait que l absorbeur noir de par ses propri t s physiques s av re tre le plus performant entre 15h30 et 20h la temp rature de surface du capteur noir est en moyenne de 4 05 C plus lev e que celle du capteur gris qui elle est en moyenne de 3 9 C plus lev e que celle du capteur vert Les diff rences de temp rature de surface apparaissent donc nettement selon la couleur de l absorbeur Figure 7 27 240 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade O S S2 9 Ts4 2 s6 D air ext z g O N YO TOD O N O DOD DO TN YO O ONO DW Se o ee e e A AA heure Figure 7 27 Comparaison des temp ratures de surface en bas des capteurs 11 juin 2005 La comparaison des temp ratures de conduit nous rensei
322. nt malgr l inconstance du rayonnement solaire D autre part il est pr f rable que les syst mes solaires thermiques pr sentent une technicit simple de telle sorte que la fabrication l installation l exploitation la maintenance et la d construction soient aussi ais es que possible Les interventions de maintenance seront alors minimis es et le confort des usagers n en sera que plus grand 5 2 1 2 Les crit res conomiques Si l nergie solaire est gratuite et quasi illimitee le co t d investissement d une installation solaire thermique est relativement lev d o un manque de comp titivit du solaire par rapport aux autres nergies et ce malgr les aides financi res propos es par l tat il faut savoir que le temps de retour sur investissement est g n ralement de l ordre de 20 ans Ce cout trop lev en sus de l esth tique et de la difficult d int gration architecturale des syst mes constitue une v ritable entrave la demande si bien que les fabricants sont aujourd hui dans l impossibilit d engager les efforts n cessaires au d veloppement de gains de productivit ou d innovations technologiques Co t d investissement Freine Demande Investissements de recherche Figure 5 1 Effet boule de neige freinant l exploitation de l nergie solaire thermique Ne diminue pas D veloppement des gains de productivit et d innovation technologique
323. nt le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs ils sont relativement peu chers La fabrication du cuivre du verre ou encore de aluminium font appel des installations polluantes et tr s consommatrice d nergie Les composants sont des pi ces faites sur mesure selon l architecture et la trame du b timent mais sont simple de fabrication Les capteurs sont fabriqu s partir de proc d non polluants et faible consommation d nergie 315 Annexe B Crit res Notes Observations La mise en place sur chantier est aussi ais e que la pose 33 Co t de l installation 2 d un panneau normale De plus les panneaux sont pr fabriqu s 34 Impact env de l installation 3 Pose simple sans impact sur l environnement Le syst me propos offre une int gration dans le 35 Acceptation 2 b timent int ressante pour les architectes et s rement aussi pour les usagers L int gration risque de cr er des interactions importantes avec la zone occup e du b timent Dans la mesure o la production de chaleur par le syst me devrait tre tout fait acceptable et dans la 37 Co t de l exploitation 3 mesure o les interventions de maintenance devraient tre limit es le co t d exploitation du syst me de chauffage en ECS devrait tre relativement bas Puisque la production de chaleur par le syst me sola
324. nt peut provoquer de changements climatiques de grande envergure et causer des crises graves dans le futur Selon les accords de Kyoto l horizon 2012 les pays industrialis s se sont engag s r duire leurs missions des six principaux gaz effet de serre de 5 2 en moyenne entre 2008 et 2012 par rapport au niveau de 1990 En signant ce Protocole et ses engagements la France s est engag e dans une forte relance de sa politique de ma trise de l nergie et de d veloppement des nergies renouvelables De cet engagement s ensuit en 2000 l tablissement d un Plan National de Lutte contre le Changement Climatique PNLCC remplac en 2004 par le Plan Climat dans lequel la France a inscrit l application du facteur 4 qui vise diviser par quatre d 1ci 2050 les missions des gaz effet de serre Le secteur du b timent est en France le plus gros consommateur d nergie avec 70 millions de tonnes d quivalent p trole TEP soit 43 du total national La consommation moyenne annuelle d nergie dans ce secteur est aujourd hui proche de 400 kWh d nergie primaire par m chauff Cette nergie consomm e entra ne l mission de 120 millions de tonnes de CO2 repr sentant 25 des missions nationales et 32 7 millions de tonnes de carbone DGEMP 2006 La r duction d un facteur 4 des missions de CO correspondrait une consommation moyenne d nergie primaire de l ordre d une centaine de kWh m
325. ntales de chaque capteur sont effectu es sur les trois p riodes choisies et les r sultats sont pr sent s sous la forme de trois graphiques pour chaque p riode Sur le premier sont trac es les courbes repr sentant les temp ratures de l eau dans le ballon du stockage li au capteur en fonctionnement qui assure la productivit en chaleur la moyenne des trois temp ratures exp rimentales Tb1 Tb2 et Tb3 ainsi que la temp rature moyenne mi hauteur du ballon obtenue par simulation num rique Sur les deux autres graphiques sont trac es les temp ratures moyennes des absorbeurs des deux autres capteurs en stagnation 7 9 2 1 Le capteur noir en production d eau chaude Les r sultats des simulations sont confront s avec les mesures exp rimentales afin de tester la capacit du mod le num rique pr dire le comportement thermique et la productivit nerg tique du capteur solaire int gr dans la fa ade Les r sultats obtenus lorsque le capteur noir est un composant du syst me solaire sont traduits par la temp rature de l eau dans le ballon de stockage Figure 7 43 253 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Tb_simul T_env du ballon Temp rature dans le ballon C N N O O1 O O1 _ O1 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 43 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon du stockage 13
326. ntr es et les sorties de la m thode Ainsi nous avons commenc dans un premier temps par fixer le r f rentiel d analyse pour le choix de crit res d finissant la qualit de l int gration solaire dans le b timent Dans un second temps nous avons continu par le recensement et la d finition des variables d analyse De ce travail a r sulte la grille d analyse qui constitue le premier l ment de la m thode 120 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 2 1 Les types des crit res de l analyse Le choix des crit res d finissant la qualit d integration est bas sur l analyse de la probl matique de l int gration effectu e dans la premi re partie de ce rapport Ainsi nous pouvons d finir quatre types de crit res 5 2 1 1 Les crit res techniques La notion de technique se rapporte aux proc d s utilis s pour la r alisation d une activit particuli re au savoir faire requis pour la ma trise d une t che d une activit Afin d tre comp titifs par rapport aux autres syst mes thermiques l instar du chauffage au fioul ou l lectricit les syst mes solaires thermiques se doivent de presenter une bonne productivit la production de chaleur est en effet la fonction principale de ces syst mes solaires La chaleur qu elle soit celle de l eau chaude sanitaire ou de l air ambiant doit tre disponible l usager et ce tout insta
327. ntre un vitrage et le mur orient au sud Il s chauffe au contact du mur et p n tre dans la pi ce Le mur lui m me transmet lentement par rayonnement infrarouge une partie de la chaleur qu il a re ue du soleil lt 1 Toit isolant gt lt Ouverture possible l t Rayonnement solaire Rayonnement infrarouge oe dl Surface noire Mur b ton gt ae KA Lame d air Air froid Double vitrage gt Figure 2 3 Sch ma du mur Trombe Michel 2 2 2 Avantages et inconvenients des systemes passifs Comme les l ments de ces syst mes sont d j inclus dans le co t normal de la construction leur avantage est qu en g n ral ils ne n cessitent aucune installation d l ments suppl mentaires Ainsi ils ne contribuent pas l augmentation du co t de b timent D autre part on doit savoir contr ler et ma triser la quantit de chaleur capt e pour viter les surchauffes lors des p riodes de la journ e fortement ensoleill es Cela est possible au niveau de la conception en choisissant l orientation appropri e des espaces de vie ou par la mise en place du syst me de r gulation Le syst me de r gulation est soit manuel dans ce cas c est Putilisateur qui d place les clapets soit automatique ce qui entra ne un co t suppl mentaire Il est de m me important d installer des protections solaires efficaces afin de limiter la quantit de chaleur re ue La chaleur du c t ensoleill
328. nues par installation exp rimentale La temp rature moyenne de l absorbeur du capteur vert simul e suit bien la dynamique de la temp rature mesur e avec des l gers d passements pendant les premi res heures d ensoleillement Figure 7 45 La temp rature moyenne maximale est gale 91 02 C par simulation et 92 60 C par mesure La temp rature minimale moyenne obtenue par simulation est 14 46 C et celle obtenue par mesure est tr s proche avec 14 30 C La moyenne de la temp rature de l absorbeur pendant la p riode du test est gale 40 35 C et celle obtenue par mesure ne d passe pas les 39 26 C et donc l cart absolu sur la moyenne des simulations et mesures est de 1 09 C Figure 7 46 L cart entre les valeurs simul es et les valeurs mesur es est acceptable et permet de constater que le mod le num rique pourra tre utilis afin d optimiser l paisseur de l isolant dans le capteur pour viter un impact significatif de l int gration solaire sur l ambiance int rieure du b timent Tp simul Tp_exp 110 00 100 00 90 00 80 00 70 00 ns a F 60 00 i 50 00 40 00 Temp rature de l absorbeur C 30 00 20 00 10 00 0 00 T T T T T T T I T T T 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 Temps en heures Figure 7 45 Temp rature moyenne de l absorbeur du capteur vert 13 14 juillet 2005 255 Ch
329. nus pour les temp ratures de surface des capteurs montrent clairement les cons quences de ce faible ensoleillement les maxima atteints ne d passent pas 40 C alors que pour la journ e du 11 juin la temp rature en surface du capteur noir est mont e plus de 90 C Figure 7 31 Ce graphique r v le par ailleurs un probl me technique survenu sur la sonde de temp rature Ts6 seulement une partie des donn es y est repr sent e jusqu 242 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 14H45 car ensuite la valeur indiqu e tait 3277 code erreur En fait ce probl me tait d au d branchement d un des c bles de la sonde Temp rature en C Ts2 Ts4 Ts6 T air ext 45 40 35 30 25 20 15 10 Figure 7 31 Variation des temp ratures de surface des capteurs 14 juin 2005 L analyse de la Figure 7 32 montre que la condition AT gt 5 C condition n cessaire pour que le fluide caloporteur se mette en mouvement n est pas atteinte par le capteur vert et m me si les deux autres capteurs remplissent cette condition c est le cas seulement pendant OHS0 pour le capteur noir et 1H10 pour le capteur gris Temp rature en C Tci Tc Tc2 Tc Tc3 Tc gt 5 C 10 heure Figure 7 32 Variation du AT selon les capteurs 14 juin 2005 7 8 Mise en route de l installation et exploitation des r sultats Chaque capteur a t te
330. o t O2ao t Temps Figure C 2 15 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 28 juillet au 02 ao t Temp ratures des conduits Toi Tc2 Tc3 Te RL RS DOS DS RS DRE TE LE LS S PERS A PE RS ES ur A T F FOR PE Re By Aw KE 28juil 29juil 30juil 31juil Of ao t O2ao t Temps Figure C 2 16 Evolution des temp ratures dans les conduits du 28 juillet au 02 ao t 383 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ext DNA AA SF ONAN fr fo Lie SF A NA a i a Se 28juil 29juil 30juil 31juil Ol aoit O2ao t Temps Figure C 2 17 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 28 juillet au 2 ao t Temp ratures de structure T lame_air T verre int T store Tamb_ext PE PO P EE i Oo h DOO WwW ES S ON CON Wo o o JU A AN A ao o ee SS eee S Temps Figure C 2 18 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 28 juillet au 02 ao t 384 Annexe C C 2 4 R sultats de mesures du capteur Vert du 04 au 24 ao t 2005 Eclairement nerg tique horizontal global 1200 1000 il EN LET HU TTT TL SMUT TL TUE a A Ig Wm Z a lt Ss SS Ss SS S 5 5 5 Ss Ss Ss Ss SS Ss SS Ss Ss 5 Ss Ss SS Q Q QO Tv Tv Tv Tv Tv Lu
331. obal 1200 1000 600 31ao t O1sept O2sept O3sept O4sept O5sept Temps Figure C 2 25 Eclairement nerg tique horizontal global du 31 ao t au 05 septembre aux GAIA Temp ratures des surfaces des absorbeurs Ts2 Ts4 Ts6 Tamb_ext Theo he ete H A th A 31ao t Olsept O2sept O3sept O4sept O5sept Temps Figure C 2 26 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 31 ao t au 05 septembre 388 Annexe C Evolution de la temp rature du ballon Tbl Tb2 Tb3 Tamb_int ey A ee 6 4 AN ey INIST SYN f A ASEAN NEF KI KT KZ 31ao t O1sept O2sept O3sept O4sept O5sept Temps Figure C 2 27 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 31 ao t au 05 septembre Temp ratures des conduits Toi Tc2 Tc3 Te Ai nt A ff CHAT mi J A mi y 31ao t O1sept O2sept O3sept O4sept O5sept Temps Figure C 2 28 Evolution des temp ratures dans les conduits du 31 ao t au 05 septembre 389 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ext A O A Aay A RAA At sf SI RI RO 31ao t O1sept O2sept O3sept O4sept O5sept Temps Figure C 2 29 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 31 ao t au 05 septembre Temp ratures de structure T lame_air T verre_int T store Tamb_ext A Tt OO CST PENSER IA A AUS LE
332. oche Micmac a donc pour objectif de mettre en vidence des variables cl s cach es ou non de poser les bonnes questions ou de faire r fl chir des aspects contre intuitifs du comportement du syst me Ce qui surprend ne doit pas d router mais susciter une r flexion approfondie et un effort suppl mentaire d imagination Elle vise aider les groupes de r flexion prospective et non a prendre leur place Elle ne pr tend pas d crire avec pr cision le fonctionnement du syst me mais plut t mettre en vidence les grands traits de son organisation 5 3 2 Les variables internes et externes L ensemble des variables caract risant le syst me tudi et son environnement sont d finies et regroup es dans la grille d analyse labor e pr c demment Il conviendra toutefois de diff rencier les variables selon deux groupes les variables internes qui caract risent le syst me et les variables externes qui constituent son environnement Tableau 5 1 La d finition de la fronti re distinguant les variables internes des variables externes peut tre difficile faire tant donn les multiples flux d information de mati re et d nergie entre le syst me et son environnement C est pourquoi la d finition des variables en limitant le nombre d interpr tations des variables tait essentielle 133 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Variables internes Performance des mat
333. ockage ce crit re est valu par le lieu d installation de l l ment stockage et distribution l int rieur ou l ext rieur du b timent en haut ou en bas pour des syst mes en thermosiphon L ad quation en termes d espace correspond l ad quation entre l espace offert par le b ti et l espace n cessaire l ouvrage et aux besoins Ces espaces peuvent tre des surfaces dans le cas par exemple de capteurs ou des volumes dans le cas d un ballon de stockage On entendra galement par ad quation en termes d espace les possibilit s d extension et d volution spatiale de l ouvrage L ad quation en termes d usage caract rise le choix appropri de la configuration du syst me pour l usage voulu C est ainsi que les capteurs de type moquette qui sont moins efficaces que les capteurs sous vide dans le chauffage de l eau des hautes temp ratures sont pr conis s pour le chauffage des piscines La possibilit d installation en r habilitation est valu e selon l impact de l installation sur le gros uvre du b timent existant Seront en effet viter les installations n cessitant la d construction d une partie consid rable du gros uvre l instar de la d construction d un plancher ou d une fa ade pour une reconstruction nouvelle L ad quation en termes de poids correspond la surcharge qui pourrait provenir de l ajout d un
334. ockage plus faible ainsi que des probl mes d tanch it Les exigences et les qualit s principales du fluide caloporteur se r sument en trois principes La protection antigel La protection contre la corrosion L l vation du point d bullition Les conduites v hiculent le fluide caloporteur entre l absorbeur et le volume de stockage solaire Le syst me peut tre avec ou sans vidange Les exigences et les qualit s principales requises pour les conduites sont La r sistance au fluide caloporteur utilise La r sistance a des temp ratures maximales jusqu 150 C et minimales 20 C La r sistance des l ments proximit de l absorbeur aux temp ratures maximales lorsque l installation est en stagnation jusqu 300 C pour les capteurs sous vide La r sistance la pression r gl e par une soupape de s curit Un d montage et un remontage ais s pour le remplacement d l ments d fectueux Une bonne isolation pour entra ner le moins de pertes de charge possible Les changeurs de chaleur externes immerg s ou double manteau r alisent le transfert de chaleur depuis le fluide caloporteur vers le volume de stockage Ils doivent assurer les qualit s suivantes Assurer une transmission maximale de la chaleur Avoir une bonne isolation thermique afin de r duire au maximum les pertes de charges Avoir un dimensionnement correspondant la capacit thermique du flu
335. od gradables Proc d constructif Le proc d constructif correspond au moyen la suite d op rations mises en uvre pour la fabrication de l ouvrage On s int ressera non seulement la m thode de fabrication en termes notamment de faisabilit technique et de possibilit d industrialisation mais aussi aux impacts conomiques savoir le co t de fabrication et environnementaux du proc d La faisabilit technique d un ouvrage est l ensemble des qualit s techniques qui rendent r alisable et ais e la construction de l ouvrage Elle est directement fonction des normes que l ouvrage devrait respecter et de la d licatesse demand e pour la fabrication du syst me et des diff rentes Toute r alisation d espaces sous vide de zones d tanch it de reprises de charges demandera en effet une attention particuli re lors de l tape de la fabrication Il est d autre part a souligner que la faisabilit technique est galement fonction de l avancement technique des progr s techniques pourront permettre demain la r alisation d une t che aujourd hui difficile voire impossible La possibilit d industrialisation d un syst me est d pendante non seulement du syst me lui m me mais aussi du contexte conomique L industrialisation d un 124 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision ouvrage est le processus complexe qui per
336. olar club visites visite13 htlm 297 Annexe A 1 3 Int gration dans les elements du b timent Figure A 1 18 Maison dans l H rault en Languedoc Roussillon France Source Cortesse S Installateur Christian MARY www outilssolaires com F8 whe ai Moa Figure A 1 19 Kollektoranlage an SITE Uren Suisse Source Cortesse S 298 Annexe gt t Er a N r m a r TE i z g r a Figure A 1 20 Maison dans Ari ge en Midi Pyr n es France Source Cortesse S Installateur EFI www outilssolaires com Figure A 1 22 Immeuble locatif Vy d Etra 67 Source Bonnet C http www solar agentur ch solarpreis1999 neuenburg1 htm 299 Annexe A 1 4 Int gration dans le paysage Figure A 1 23 Maison Cotignac Var Bertrand Bonnier architecte source Cortesse S http www alternatives energetiques com Figure A 1 24 Maison a Cotignac Var Bertrand Bonnier architecte source Cortesse S http www alternatives energetiques com 300 301 Annexe B de la partie IT 302 Annexe B B 1 La m thode d analyse structurelle Un syst me se pr sente sous la forme d un ensemble d l ments en relation La structure du syst me est importante pour comprendre son volution puisqu elle conserver une certaine permanence La m thode d analyse structurelle poursuit ainsi deux objectifs compl mentaires
337. ollectives sont limit es a cause des contraintes de disposition des ballons de stockage ainsi que des pertes de charges induites par circulation forc e Les syst mes de circulation forc e poss dent une pompe de circulation command e par un dispositif de r gulation fonctionnant la base de l cart des temp ratures des capteurs et du ballon cette valeur est compar e aux diff rentiels d arr t et de d marrage ceux ci peuvent tre r glables par l installateur Figure 2 12 Capteur solaire de transfert vec pompe et regulation Alimentation lectrique Figure 2 12 Installation solaire circulation forc e Outilssolaires La circulation de l change peut s effectuer de deux fa ons Par circulation directe sans changeur c est le syst me le plus simple et le moins co teux mais 1l a des probl mes reli s au froid l entartrage la corrosion et l oxydation Avec changeur 1l y a dans ce cas un circuit primaire dans les capteurs et un circuit secondaire dans le stockage qui r cup re la chaleur du circuit primaire En g n ral les changeurs externes au ballon de stockage sont des changeurs plaques et les changeurs int gr s au ballon du type serpentin 53 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent 2 3 3 Le stockage Puisque les apports et les besoins nerg tiques sont g n ralement d phas s l un par rapport
338. ommager les joints des vitres les supports et m me la vitre 3 12 Cloisons Les cloisons sont des parois int rieures non porteuses Elles sont class es suivant leur destination en trois familles Les cloisons de distribution Telles sont les cloisons int rieures pour pi ces s ches et pi ces humides 84 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Les cloisons de doublage Une telle cloison est rapport e devant la face int rieure d un mur de fa ade pour constituer une coupure de capillarit et la protection d un isolant Les cloisons s paratives Ces cloisons sont plac es entre les logements ou entre les logements et la circulation commune Des exigences particuli res sont formul es en ce qui concerne le comportement au feu et l isolation acoustique Les cloisons peuvent aussi tre class es suivant leur destination en Cloison fixe destin e rester en place de fa on immuable et dont les l ments constitutifs n cessitent lors de leur mise en uvre des finitions compl mentaires Cloison d montable dont les l ments constitutifs arrivent finis ou pr finis sur le chantier Leur d montage s effectue sans d t rioration importante et sont r utilisables sous r serve de remplacement de pi ces compl mentaires Cloison amovible dont les l ments se d placent dans un syst me fixe solidaire du gros uvre panneaux mobiles cloisons accord on repliables ou articul
339. omme 1l l a t crit pr c demment une diminution des performances des capteurs Toutefois cette diminution est tr s faible en effet passer d un coefficient d mission de 0 1 a 0 9 implique une diminution de la temp rature moyenne de ballon de seulement 0 4 C Figure 6 15 28 5 28 48 28 45 Emissivit 28 25 28 2 28 15 28 1 28 08 28 05 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Temp rature moyenne du ballon C Figure 6 15 Influence du coefficient d mission sur la temp rature de l eau dans le ballon Ces r sultats montrent que l absorptivit est un parametre beaucoup plus influent que l missivit sur la performance nerg tique du capteur int gr L absorptivit est ainsi un facteur d terminant dans le choix de la couleur du capteur solaire 6 8 Simulations num riques 6 8 1 Comparaison entre les couleurs d absorbeurs Nous avons simul la palette des douze couleurs pr sent es dans le paragraphe Couleurs de l absorbeur du protocole de simulations Notre objectif tait de classer les couleurs des absorbeurs en distinguant celles qui peuvent avoir des performances satisfaisantes et celles qui devront tre d clin es Pour un syst me solaire ayant un module de captage solaire de 2 1m et un ballon de stockage de 100 1 les simulations sont effectu es sur la p riode bien 193 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr
340. on 1l est surtout n cessaire d viter le m lange des d chets en effectuant au moins un tri des DIB d chets industriels banals et DIS d chets industriels sp ciaux afin de les orienter vers la fili re de traitement adapt e valorisation mati re nerg tique ou limination Figure 3 1 D construction s lective d un immeuble r sidentiel CSTB 3 3 D pollution On construit de plus en plus souvent sur des terrains ayant d j accueilli d autres constructions et parfois une activit industrielle Il est donc important d identifier puis de traiter les ventuelles pollutions existantes Les polluants se distinguent traditionnellement en polluants min raux calcium mercure plomb zinc et chrome et polluants organiques hydrocarbures cyanures nitrates pesticides et solvants Il existe plusieurs techniques de d pollution des sols Les techniques physiques par traitement des polluants vacuation des sols et eaux pollu s lavage des sols extraction sous vide dans un sol non satur d eau venting traitement thermique 63 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Les proc d s chimiques extraction par solvants lavage chimique L extraction lectrochimique La biod gradation utilisant le pouvoir de d gradation des polluants dont disposent certaines bact ries 3 4 Fondations La d termination du mode de fondation d une construction n cessite d abord la c
341. onctions initiales et finales du mur en maconnerie de type III Comparaison des fonctions initiales et finales du bardage acier simple Comparaison des fonctions initiales et finales de la facade rideau Comparaison des fonctions initiales et finales de l all ge de fen tre Comparaison des fonctions initiales et finales de la fa ade panneau Comparaison des fonctions initiales et finales de la fa ade vitrage parclos Les variables internes et externes caract risant l int gration solaire Matrice d analyse structurelle des influences sur les variables internes Matrice d analyse structurelle des influences sur les variables externes Stabilit partir de la matrice des influences directes Notation nade la fa ade vitrage parclos Notation nades six solutions d int gration Les crit res essentiels de l analyse d int gration solaire Nouvelle notation ndes six solutions d int gration Param tres du capteur int gr dans la fa ade vitr e Caract ristiques du capteur CSS de Giordano Ensemble des couleurs d absorbeur test es Mat riaux et r sistance thermique du volume tudi Comparaison entre les capteurs CSS et les prototypes Coefficients a et e des diff rents absorbeurs Caract ristiques des diff rentes sondes Calcul de l amp rage n cessaire pour le fonctionnement de l installation Besoins journaliers en ECS selon le nombre de personnes vivant au foyer R sultats obtenus avec l installation solai
342. onduction vers l arri re du capteur et par convection conduction et rayonnement vers la face avant du capteur de dt la puissance stock e sous forme de chaleur vive dans les diff rents l ments du capteur lorsque le r gime thermique est variable E le flux solaire absorb la surface de l absorbeur 172 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Le flux solaire global incident sur la surface ext rieure du capteur un instant donn s exprime en fonction du flux absorb la surface de l absorbeur par la ee quation 6 2 o k d signe le flux solaire incident sur la surface du capteur T le facteur de transmission du vitrage au rayonnement solaire Pa le coefficient de r flexion h misph rique du vitrage Oa le coefficient d absorption de l absorbeur pour les longueurs d onde correspondant au rayonnement solaire Le rendement instantan d un absorbeur s crit O n 1 quation 6 3 Dans la suite nous tudierons d abord le cas de r gime thermique permanent dec dt 0 Dans ce cas l expression du rendement devient Op n 1 quation 6 4 Cette simple relation montre que dans la conception d un capteur on aura toujours int r t Diminuer les pertes Q du capteur Augmenter la puissance absorb e Ia Le rendement optique du capteur est d fini par To a Equation 6 5 6 1 2 La conductance t
343. onnaissance de la nature de l paisseur et de la r sistance des couches constituant le sous sol Ensuite 1l faut adapter le terrain la construction r aliser Enfin il sera possible de mettre en uvre les fondations qui porteront les structures Parmi les techniques d investigation nous pouvons distinguer les puits de reconnaissance les sondages m caniques et les reconnaissances g ophysiques du sol Les ouvrages d assise sont appropri s d une part la portance des sols d assise et d autre part aux diff rents types de structures porteuses des constructions Les fondations superficielles transmettent les charges au sol par l interm diaire de leur surface de contact Elles sont utilis es dans les cas courants et simples c est dire elles r sistent bien aux charges d ordre de grandeur moyen Le sol de leur assise de fondation doit tre r sistant et en quilibre avec les charges apport es par les fondations Parmi les fondations superficielles on distingue des semelles qui servent des fondations des poteaux des semelles continues utilis es sous les murs des dallages utilis s dans les cas de l eau de pluie et l eau souterraine sans pression des radiers et des cuvelages r sistants contre l eau sous pression Les fondations profondes sont n cessaires lorsque le sol pr sente une faible r sistance en surface et que des couches inf rieures sont reconnues aptes a supporter de
344. onvertisseur en protocole Modbus une adresse et un nom ont t tout d abord donn s chaque module d acquisition 7 6 2 Developpement d une interface d acquisition avec LabVIEW L interface d velopp e permet de r aliser plusieurs fonctions essentielles l acquisition et l enregistrement de donn es d une part et la commande de l lectrovanne d autre part Pour r aliser ce programme il fallait utiliser plusieurs instruments virtuels VI de la biblioth que de fonctions du logiciel lab VIEW notamment les VI de la fonction DataSocket et d en cr er d autres Avant de lancer une exp rimentation l utilisateur doit en premier lieu remplir trois champs la couleur du capteur test le lieu o va tre enregistr le sc nario de puisage le lieu o vont tre enregistr es les donn es L ensemble des donn es acquises est r parti en trois groupes distincts Figure 7 24 Dans un premier bloc se trouvent six thermom tres permettant de visualiser les deux temp ratures de surface de chacun des trois capteurs Au dessus de chaque cadre repr sentant les capteurs se trouve un indicateur num rique donnant la temp rature de conduit en sortie de capteur La temp rature Tc4 correspond la temp rature du fluide caloporteur l entr e des capteurs Le graphique d roulant sert visualiser ces neuf temp ratures Le deuxi me cadre permet de conna tre en temps r el l volution de la temp rat
345. oposition de dispositifs de s curit en all ge La proposition finale incluant le dispositif de s curit pourra prendre la forme suivante Figure 5 16 Ossature secondaire Menuiserie fen tre Lt Rebord filaire caillebotis Ai AN Y Capteur plan Habillage int rieur eh l W Collecteurs et r seaux Dalle CAN A En W j de distribution i Faux plafond f Ch ssis d all ge Figure 5 16 D tail de la proposition finale d int gration dans l all ge de fen tre 158 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 5 3 3 Am lioration de l int gration dans la fa ade panneau en ma onnerie Si le panneau comprend une fen tre nous pouvons am liorer la s curit par rapport aux usagers qui peuvent acc der l all ge soit en int grant un rebord filaire ou caillebotis soit en disposant le capteur plus bas dans l all ge Figure 5 17 r ee Zit Protection Zeal Capteur rebord filaire nt Capteur p Figure 5 17 int gration dans la fa ade panneau avec protection en rebord filaire De plus il doit y avoir une distance minimale de 50 cm de s curit autour des fen tres qui peuvent border les capteurs Cette modification respecte l aspect esth tique du module La transparence ajout e par des fen tres aura un impact positif sur l acceptation de cette solution Par contre les mesures prises pour am liorer la s cur
346. oppement du march solaire thermique europ en Le d veloppement de l nergie solaire thermique en Europe a connu deux p riodes importantes aux cours des 30 derni res ann es La premi re phase de croissance du secteur est survenue au lendemain du choc p trolier de 1973 Cette croissance a connu un coup d arr t brutal la suite du contre choc p trolier de 1985 Le prix du p trole revenant dans des fourchettes plus raisonnables de nombreux pays comme la France l Italie ou l Espagne se sont d tourn s de cette fili re C est apr s un p riode d environ une dizaine d ann es que le solaire thermique a connu un renouveau port essentiellement par la mont e des consid rations environnementalistes Ainsi depuis 1995 les surfaces install es annuellement au sein des pays europ ens n ont cess de progresser en passant de 640 000 m 1 693 004 m en 2004 Figure 1 3 2000000 1500000 1000000 Surface m7 500000 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Figure 1 3 Evolution des surfaces install es annuellement dans l UE EurObserv ER 2005 L Allemagne Autriche et la Gr ce sont les plus importants march s du solaire thermique au niveau europ en L Allemagne a ainsi enregistr un chiffre d affaires de 550 millions d euros pour l ann e 2004 dans le domaine du solaire thermique La surface totale des capteurs 29 Chapitre 1 Probl
347. ortantes de l ordre de 6 C Figure 6 45 Cet cart ne d passe pas 1 8 C dans le cas d une isolation de 120 mm pour un syst me solaire en stagnation dans une journ e bien ensoleill e o le rayonnement solaire d passe 700 W m Pour ce dernier cas la valeur moyenne de l cart est de l ordre de 0 6 C ce qui signifie une l g re influence sur la temp rature int rieure De m me pour la p riode d t o le capteur int gr risque d avoir un impact n gatif sur le confort d t les r sultats montrent que l cart avec un isolant de 30 mm est tr s grand et peut avoir un impact tr s n gatif sur le confort Figure 6 46 00 7T30mm Tsanscapteur 7120mm Tsanscapteur 5 00 400 DT C 3 00 01 ao t 02 ao t 03 ao t 04 ao t 05 ao t 06 ao t 07 ao t Figure 6 46 Ecarts entre la temp rature int rieure entre 01 et 07 ao t dans un b timent traditionnel et un b timent avec un syst me solaire en stagnation ayant de capteurs int gr s Par contre avec une paisseur de 120mm d isolant m me si la temp rature int rieure peut atteindre 2 C d cart cette diff rence a une valeur moyenne de 0 93 C et a donc un impact n gligeable ou acceptable Ces r sultats permettent de mettre en vidence le r le que joue l isolant dans le comportement thermique du composant int gr Pour chaque proposition d int gration une d marche semblable est suivre afin de d t
348. orteur Fluide caloporteur Entr e de l eau froide Fonctionnement classique d un ballon Fonctionnement du ballon d eau chaude de d eau chaude l installation exp rimentale Figure 7 9 Fonctionnement des ballons d eau chaude sanitaire Electrovanne one ra j 4 Th wail aa ss P ne SP gt 7 Re 4 a A A s Pi P Vanne I a 9 Li as ro 3 Figure 7 10 Syst me de vidange du ballon par lectrovanne Pour permettre l tude s par e des capteurs et ainsi comparer leurs performances des vannes d isolement ont par ailleurs t plac es en amont et en aval de chacun d entre eux Des vases d expansion ont aussi t install s en bas de chaque composant afin d viter des surpressions Figure 7 11 22 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Vanne d isolement Vase d expansion Figure 7 11 La face arri re des capteurs solaires int gr s dans la fa ade Enfin pour assurer la circulation du fluide caloporteur dans les capteurs un groupe de transfert a t install Figure 7 12 R gulation solaire Interrupteur Marche Arr t Voyant de chauffe Vase d expansion Vanne de r glage Nanom tre Circulateur Figure 7 12 Photo du groupe de transfert Il est compos de plusieurs l ments une r gulation solaire qui permet la mise en route du circulateur la signalisation d ventuelles anomalies de fonctionnement
349. os au niveau de la trame 2 Tc6 n tait reli aucun capteur ce qui explique la valeur obtenue 3277 cette valeur est renvoy e lorsque les branchements ne sont pas effectu s correctement ou que la sonde est endommag e dans la suite de l exp rimentation Tc6 sera reli e une sonde plac e sur l enveloppe structurelle du capteur gris l int rieur du b timent 239 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Ttechnall est la temp rature de surface au niveau du joint de la lame d air du double vitrage pos au niveau de la trame 2 Ttechnal2 est la temp rature de surface du verre ext rieur du double vitrage pos au niveau de la trame 2 Ces donn es sont tr s int ressantes car elles permettent de v rifier le fonctionnement global des capteurs exp rimentaux Ceci a permis de d tecter un probl me sur une des 2 sondes de surface du capteur vert Ts5 sonde situ e en haut du capteur la valeur obtenue est une valeur d erreur or apr s v rification des branchements nous avons constat que le probl me venait de la sonde elle m me Ne pouvant pas intervenir sur les capteurs solaires pour la remplacer cette temp rature sera donc indisponible au cours de l exp rimentation 7 7 2 R sultats de mesures d une journ e ensoleill e Les donn es exploit es dans ce paragraphe ont t obtenues le samedi 11 juin 2005 Cette journ e a b n fici d un fort claireme
350. os es et qui laisse faire la comparaison entre les diff rentes propositions en m me temps Figure 5 22 3 2 5 ra Note qiobale d valuation in b Mur type IIl Bardage AE Facade panneau Facade rideau Vitrage parclos Figure 5 22 Proposition finale d int gration de capteurs dans les fa ades vitrage parclos Les crit res essentiels sur lesquels les am liorations sont faites ont permis d augmenter les notes de mani re significative gain de 2 pour l all ge jusqu 9 pour la fa ade vitrage parclos Toutes les notes obtenues sont comprises entre 2 et 2 5 ceci signifie que l int gration pour chacune des propositions est tout fait acceptable Il est important de rappeler ici que l tude que nous avons men e concerne des propositions d int gration dans les fa ades des b timents afin d analyser des propositions pour les diff rents types de b timent ce qui explique la redondance de certaines notes attribu es dans la grille d analyse Pour un b timent la 164 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision comparaison avec des conceptions d int gration dans les autres parties de l enveloppe devrait tre plus d cisive dans le choix de la solution la plus appropri e La solution fa ade vitrage parclos pr c demment not e en dessous de 2 passe dans la cat gorie sup rieure Cela est d la r duction de l impact de l interaction
351. ou plusieurs panneaux de remplissage de calfeutrements de jeux p riph riques de joints d tanch it et des habillages correspondants Figure 3 15 Nez de plancher Poteau ou refend El ment de _ remplissage La Ch ssis vitr All ge Porte fen tre da cetera ee 5 i Garde corps Figure 3 15 D tail d une fa ade panneau DUTHU 2004 Les panneaux d ossature bois Ces panneaux sont en g n ral utilis s dans le cadre de r alisation de maisons compl tes ossature bois Le principe m me de la fa ade l g re conduit faire appel des mat riaux diff rents Isolant thermique Sous forme de panneau rigide 1l est fix sur la face interne d un bardage simple ou constitue l me d un bardage double Les principaux isolants sont des mat riaux alv olaires polystyr ne expanse polyurethanne les mousses de PVC et des fibres min rales de verre ou de roche Lame d air C est un intervalle continu de faible paisseur entre deux mat riaux dont les faces sont parall les Pare vapeur C est une feuille ou une membrane simple ou composite dispos e du c t chaud de l isolant pour le prot ger de l humidit et viter les condensations sur son paisseur Rev tement C est une feuille une pellicule un film de peinture ou de vernis appliqu sur les faces int rieure et ext rieure pour donner a fa ade son aspect d finitif sa r sistance la corrosion o
352. our le compte des tiers des difices et b timents de toute nature ou de leur transformation tant sur le plan technique que fonctionnel et esth tique puis la direction de tous les travaux n cessaires leur r alisation Il s ensuit qu un syst me solaire sera d autant plus int ressant aux yeux de l architecte qu il est modulable et qu il permet de satisfaire une volont conceptuelle de l architecte La qualit cr ative de ce dernier n en sera que plus l gitime 5 2 2 N cessit d une structure hi rarchique Les crit res d valuation pertinents pour l objet de notre tude sont potentiellement nombreux et vari s Si nous voulons que l information fournie par la m thode soit maitrisable exploitable et lisible il est indispensable de la structurer de l organiser De ce fait afin d obtenir une valuation de sortie synth tique et lisible sans avoir r duire le nombre de crit res et perdre en pr cision nous avons pris le choix de structurer hi rarchiquement les crit res Il est noter que m me si les impacts durant la vie en uvre sont pr pond rants chacune des tapes de vie d un produit du b timent se trouve avoir des impacts non n gligeables tant au niveau conomique qu environnemental technique et m me architectural C est pourquoi 1l s av re int ressant d tudier chacune des propositions d int gration depuis leur fabrication en prenant en compte leurs composants e
353. p cifiques de stockage Figure 2 2 La climatisation passive consiste minimiser l nergie thermique du soleil par diverses techniques d ombrage stores rideaux toit saillant plantation d arbres a des endroits strat giques etc ou par circulation d air frais l int rieur des b timents Ces techniques se distinguent par leur simplicit un co t relativement peu lev et l emploi harmonieux des caract ristiques architecturales Figure 2 2 SSE Se bia Dik rayons solaires y mur en pierre K de couleur fonc e 1 ventilateur sortie grenier A 1 Leu de chaleur rayons 7 isolation y dr e solaires i Pa k ol S F E e LH es wa vitrage SS Pees A Fan ad IL alae grenier transparent vitrage transparent occult mansnnnm cont n urs PE d au conteneurs desu de stockage de chaleur R frig ration solaire passive Chauffage solaire passif ete hiver Figure 2 2 Principe de fonctionnement d un syst me solaire passif Encarta Le mur Trombe Michel du nom du Pr F lix Trombe dont les travaux sur les fours solaires sot galement tr s connus et de l architecte Jacques Michel est l exemple le plus c l bre de 46 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent capteur passif Il associe en fait quatre fonctions capter la chaleur la distribuer et la stocker ventiler en t Figure 2 3 L air circule de bas en haut e
354. physique des capteurs solaires plans int gr s dans l enveloppe du b timent Les principes physiques mis en jeu sont d taill s et pr cis s afin de cerner le r le des diff rents param tres et caract ristiques physiques dans le fonctionnement et l optimisation du syst me solaire notamment les ph nom nes nerg tiques transfert de chaleur et de masse change de chaleur entre surfaces Un mod le global du syst me solaire prenant en compte l interaction capteur b timent permet de quantifier la performance de diff rentes solutions sur les plans nerg tique et environnemental L analyse des r sultats nous permet d valuer le comportement thermique des composants constitutifs de l enveloppe et de cerner l impact de l int gration des composants solaires dans l enveloppe du b timent sur la qualit d ambiance et sur le confort dans le b timent Enfin dans le cadre d un projet de recherche et d veloppement sur l int gration solaire men par une quipe de six partenaires dont nous faisons partie et soutenu par l ADEME des prototypes de capteurs solaires int gr s dans les fa ades vitr es sont fabriqu s et install s sur la fa ade exp rimentale du b timent des Grands Ateliers de l Isle d Abeau La mise en place de l exp rimentation l chelle r elle pendant le second semestre de 2005 permet non seulement de concr tiser une des propositions d int gration valu es par la m thode p
355. pp un composant pour d finir le profil d utilisation un ballon de stockage des pompes des tuyaux et des vacuations des contr leurs Ces composants Types sont choisis et interconnect s en utilisant l Assembly Panel Ensuite pour chaque type nous d finissons les parametres et les entr es Les autres l ments n cessaires pour le mod le peuvent tre fournis sous forme d quations via le Type Equation par exemple la quantit de consommation journali re d eau chaude sanitaire 6 5 1 Le capteur plan integre A partir des quations d velopp es pr c demment un mod le num rique de capteur solaire int gr dans le b timent est r dig sous le code MATLAB en int grant les fonctions qui servent a faire le lien avec TRNSYS nombre de param tres pas de temps La liaison entre MATLAB et TRNSYS se fait par le biais du TYPE 155 de la biblioth que de TRNSYS Les entr es de notre modele sont les suivantes La temp rature ambiante ext rieure la temp rature l int rieur du b timent et la temp rature du ciel La vitesse du vent La temp rature du fluide l entr e du capteur Le d bit du fluide l entr e du capteur Les param tres sont les suivants Les dimensions et le nombre de capteurs Les caract ristiques du fluide caloporteur Les caract ristiques thermiques et les dimensions des mat riaux utilis s isolants absorbeur en cuivre Les sortie
356. pterriolchsskpe Bcapterriol R Ecapeirqre d Bcaptearvert tq Pourcentages d nergie utile produite pour une orientation Sud az 0 sans masque par rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence 357 Annexe C SKI sans ASE 2 90 2 00 1 50 Ratio 1 00 O50 0 00 Lyon Paris Mice Athenes Berlin Stock holm Lisbonne E capteur noir dassique M capteur noir int gr E capteur gris int gr Mcapteur vert int gr Figure C 1 71 Coefficients de multiplication de la surface de captage pour une orientation Sud az 0 sans masque Sud avec masque 14000 00 12000 00 10000 00 8000 00 BA gaga O O00 00 2000 O 0 00 Lyon Park Hke Athe bes Be nii Sock om LEDON be etol czk Mcaptenr olr CE Eoapeirgqre kegi BCApt Figure C 1 72 Quantit s d nergie utile produite pour une orientation Sud az 0 avec masque 358 Annexe C Suid avec masque 100 00 90 00 amp 0 00 70 00 60 00 50 00 40 00 30 00 20 00 10 00 0 00 Lyon Paris Mice Athenes Berlin Stockholm Lisbonne E capteur noir classique E capteur noir int gr 8 capteur gris int gr 8 capteur vert nt cr Figure C 1 73 Pourcentages d nergie utile produite pour une orientation Sud az 0 avec masque par rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence Suid avec masque 6 00 5 00 4 00 Ratio 3 00 2 00 100 O0 1 00 1 00 1 00 1 00 0
357. qe Gcapeargrk Weqe Bcapterrvert teqre Figure C 1 100 Pourcentages d nergie utile produite Stockholm avec diff rentes configurations par rapport l nergie utile produite par le syst me r f rence 312 Annexe C Stockholm 10 00 a OO Ratio 6 OO 00 0 00 SUD SU D H arte OUEST QUESTHn aq be EST eT iOi cask MCaptenr olr RCE Ecapeirgrk kegi Date Figure C 1 101 Coefficients de multiplication de la surface de captage Stockholm avec diff rentes configurations Lisbonne HO 00 2000 06 10000 Go S000 00 Ei 6000 00 LOGO O 2000 00 0 00 SUD SUDHA ase te OUEST O WES TH arg te EST Figure C 1 102 Quantit s d nergie utile produite Lisbonne avec diff rentes configurations 515 Annexe C Lisbonne SUD 2 Un A5 e OUEST O UESTHn asc le EST enraolrchasskpt e Bcaptiriol btge Ecapeirgqrk kegi Date Figure C 1 103 Coefficients de multiplication de la surface de captage a Lisbonne avec diff rentes configurations Lisbonne 5 00 6 00 Ratio 4 00 3 00 0 00 SUD TUD A seca WEST Q UEST Hnaique EST terr olchrskye Mapte iol btg Gcapeirgre leq OB capte Figure C 1 104 Coefficients de multiplication de la surface de captage a Lisbonne avec diff rentes configurations 374 Annexe C CO2 vit suivant l nergie substitu e 450 400 nM 350 f 4
358. qui peuvent servir int grer des composants solaires 57 58 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent 60 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent 3 Les proc d s constructifs du b timent L am lioration de la qualit des constructions se trouve au carrefour de plusieurs actions D abord la conception des b timents doit apporter une r ponse de qualit aux besoins Cela s av re de plus en plus difficile car les b timents ont une dur e de vie longue et les besoins voluent vite Il faut ensuite que le chantier soit approvisionn en produits de qualit Les composants industriels pr ts assembler sur site sont aujourd hui pr sents partout m me dans les techniques dites traditionnelles comme le b ton coul en place ou la ma onnerie Il faut enfin que le travail du constructeur sur le site s effectue dans les meilleures conditions S1 la qualit globale de la construction progresse avec lenteur et r gularit les exigences que la soci t impose aux b timents neufs ont en revanche rapidement volu dans les derni res ann es Le traditionnel confort individuel marqu par la pouss e des exigences thermiques et acoustiques dans le secteur du logement a peu peu laiss sa place au profit de la pr occupation environnementale collective Cette substitution int gre thermique et acoustique dans une approche plus globale La d marche connue sous le no
359. r Rendement satisfaisant gr ce au choix de mat riaux performants Mais l inclinaison n est pas adapt e pour un rendement optimal Le syst me solaire install devra tre circulation forc e avec une r gulation qui laissera aux utilisateurs la possibilit de contr ler le syst me Il sera possible de placer des stores pour limiter la stagnation Limitation des pertes assur es par l isolation par laine de roche La laine de roche et le mur parpaing b ton sert d isolant acoustique Isolation assur e par un isolant en fa ade int rieur pour l isolation du b timent Le capteur dispose d un isolant int gr afin de minimiser les pertes N assure pas de fonction structurelle puisqu elle se pose sur la maconnerie Risques de br lures si le panneau est accessible par une fen tre ou autre 309 Annexe B Crit res 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication 33 Co t de l installation 34 Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de l exploitation 38 Impact env de l exploitation 39 Co t de la d construction 40
360. r e sortie Module n 1 d acquisition de T Module n 2 d acquisition de T Module n 3 d acquisition de T Module n 1 d acquisition analogique Module de commande analogique Tableau 7 4 Calcul de l amp rage n cessaire pour le fonctionnement de l installation Pour r pondre aux besoins de l installation deux alimentations de 0 5A ont t n cessaires Figure 7 22 Bloc d alimentation n 1 Bloc d alimentation n 2 Figure 7 22 Rail d exp rimentation 234 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade 7 5 9 Montage global Une fois ces modules install s sur le rail d exp rimental nous avons effectu l ensemble des branchements et connexions pour assurer l alimentation et la liaison entre les modules et les sondes de mesure install es auparavant Ensuite le rail d acquisition et de commande ainsi que l ordinateur ont t plac s au niveau de la trame 2 de la fa ade des grands ateliers La Figure 7 23 illustre le sch ma technique de l ensemble du syst me d acquisition mis en place D bitm tre C4 T ambiant Capteur noir Capteur gris Capteur vert di L ie jrs Sonde T amp HR Ts3 JU JL Ts6 Ty v Ballon 3 Electrovanne Acquisition T Acquisition T Convertisseur 9 ee eeeee RS485 RS232 Figure 7 23 Syst me d acquisition en place sur le site de l Isle d
361. r Energy in European Office Buildings en ligne Disponible sur lt http erg ucd 1e mid_career mid_ career html gt Octobre 2004 CLUB DE ROME Halte a la croissance Rapport sur les limites de la croissance Paris Fayard 1972 COLOMBO R LANDABASO A and SEVILLA A Passive solar architecture for mediterranean area Brussels Commission of the European Communities 1994 175 p CORTESSE S Int gration architecturale et environnementale des composants solaires thermiques actifs dans des l ments de fa ade Paris ADEME et PUCA 2006 235 p CSTB et ADEME Regl mentation Thermique 2000 Paris CSTB 2001 DESSUS B et PHARABOD F L nergie solaire Paris Presse Universitaires de France 2002 128 p Que sais je 1294 275 R f rences DGEMP Bilan nerg tique de l ann e 2005 en France en ligne Disponible sur lt http www industrie gouv fr energie statisti pdf bilan2005 pdf gt Juin 2006 DHARIWAL S R and MIRDHA U S Analytical expressions for the response of flat plate collector to various transient conditions Energy Conversion and Management 2005 vol 46 n 11 12 pp 1809 1836 DUFFIE J and BECKMAN W A Solar Engineering of Thermal Processes Madison John Wiley amp Sons Inc 1980 762 p DUMORTIER D Mesure Analyse et Modelisation du gisement lumineux Application a l valuation des performances de l clairage naturel des b timents G nie civil Chambery Universit de Savoie
362. r la conception le design et l optimisation des solutions d int gration solaire dans le b timent elle ne peut pas donner des r ponses quant la quantit d nergie utile qui sera produite par le syst me solaire install ou de quantifier l impact de l int gration sur la variation de temp rature de l ambiance interne des donn es n cessaire pour l installation de tels l ments dans des b timents r els C est pourquoi notre m thode d valuation sera compl t e dans la partie suivante par une mod lisation num rique g n rale des capteurs int gr s dans l enveloppe du b timent Bien qu il soit bien entendu possible d tudier la performance thermique des six solutions valu es nous limiterons notre tude la proposition d int gration dans la fa ade vitrage parclos En effet comme nous le verrons dans la derni re partie un prototype de cette solution est r alis et des mesures exp rimentales sont faites sur site r el Les r sultats des mesures exp rimentales serviront tudier le comportement r el d un tel produit 165 166 Partie III Mod lisation dynamique et exp rimentation de capteurs int gr s Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 169 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 170 Chapitre 6
363. r ls Sel te ie Sack Sanne Oa 247 7 9 Comparaison entre les r sultats num riques et exp rimentaux 249 79 1 Reglage des parametres de SUNUIGHON ne He nee ft dada RE 250 TIZ CSUS OUI CUSSION aa ee RE clot tie Bice At Ne di Ne nine ne 253 TAINO OIA IS TO steers Re ne en OR te T 261 Conclusion SCIEN Al nn ere aae e Eee e e esinen tenene ne dei tsaete es 265 P ESD CUNES ER sn AR dns sn ne ln dt denis nc ess E nes tn ete disais nunele 265 LR PR LU OR ET E EN EE 273 Listedes O CU D 1 tates uss sacecatetaece uses sesciee eoa AN aoa eE a Tona eaa Earne ON UDa SEa 283 Liste des Tabia nn Roanne a eadiedetennt 287 A 1 Etat de lieu des solutions d int gration existantes ssssssssssseeseeeeee 293 B 1 La m thode d analyse structurelle ssssssssseesseesssseeeeee 303 B 2 L valuation des solutions PrOPOSEeS sccccccssssssccccssssssscccscsssssscccscssssssccssssssssccoes 309 Cl ReSult ats es SIMPL AiO INS ove ssessccseevecssancucascsssvacscsccunsaueeeVacsansucatessstacecsncensaviaetecseanseensessss 323 C2 Resultats des IMCSULOS esiscectcersvadeereesedsecscicsshshusesdeevevadearbesedsancesesshshussstcasevadeasuessesensescasssss 376 14 Introduction g n rale 16 Introduction g n rale Introduction g n rale Depuis les ann es 80 et les r percussions des chocs p troliers l humanit s est rendu compte que les ressources d nergie fossile sont limit es et qu une mauvaise gestion de l environneme
364. rain en place et enrochement 3 6 Construction en b ton Les b tons sont le mat riau essentiel de la plupart des constructions partout dans le monde en particulier en Europe Nous distinguons les b tons coul s en place les b tons pr contraints et les blocs de b tons pr fabriqu s Ces derniers font partie de la ma onnerie et sont trait s dans le paragraphe suivant 3 6 1 Les b tons coul s en place Sur un chantier courant on distingue trois types de b tons coul s en place Le b ton de propret Ce b ton maigre dispos sur le sol en couche mince vite au b ton de fondation de se m langer avec la terre ce qui aurait pour effet de r duire sa r sistance 65 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Le gros b ton constitu de gros agr gats et moyennement dos ce b ton est utilis d ordinaire pour les massifs de fondation les puits et les murs de fortes sections Le b ton coffre ou banch utilis pour la r alisation des structures des b timents Le b ton arm r sulte de l association de deux mat riaux compl mentaires le b ton r sistant la compression et l acier r sistant la traction Pour mettre en uvre un b ton sur chantier 1l faut le b ton proprement dit les armatures et un coffrage La mise en ouvre commence par le g chage et le malaxage afin d obtenir une mati re homog ne et ouvrable La meilleure ouvrabilit d un b ton frais correspond au pl
365. rang s et class s en vue d assurer leur orientation vers les voies de valorisation ou d limination les plus appropri es La convertibilit des composants n est autre que la possibilit de r utilisation des composants Un composant sera en effet d autant plus valoris d un point de vue environnemental qu il est r utilis en l tat ou apr s traitement d o l int r t porte sur les composants recyclables Il est par ailleurs souligner que l enjeu et le d veloppement des techniques de traitement des d chets laisse pressentir l apparition de nombreuses techniques de revalorisation des d chets La convertibilit de l emplacement soul ve la question du devenir architectural et technique du site d implantation du syst me apr s d construction L emplacement pourra parfois tre laiss en l tat s 1l permet toujours au b timent de r pondre ses obligations techniques et architecturales De lourdes op rations pourront en revanche tre envisag es si tel n est pas le cas Ces op rations peuvent aller du simple changement de fen tres la reconstruction de la toiture ou d une fa ade Le co t du traitement des d chets inclut les co ts de la main d ceuvre de l nergie et des outils n cessaires la r alisation des diff rents traitements L impact environnemental des mat riaux a d j t d velopp dans l tape de fabrication Il est
366. ransmission thermique surfacique de la facade U est gal 0 239 W m K avec une r sistance superficielle globale Rsi Rse gale 0 17 m K W 1 6 3 5 L effet de masque Dans le cas d installations r elles des ombres peuvent porter sur le capteur ce sont les b timents voisins les reliefs la v g tation etc Ces ombres ont un effet p nalisant sur la performance des modules solaires Afin d valuer l effet des masques sur le rendement du capteur int gr notre choix s est port sur une configuration urbaine du type carr Haussmannien Figure 6 9 Les modules solaires int gr s Figure 6 9 Configuration urbaine Haussmannienne avec effet de masque sur les capteurs int gr s Les capteurs sont consid r s comme int gr s au premier tage du batiment pour des raisons de commodit dans les simulations plancher adiabatique Ils sont situ s une hauteur de 3 5m la hauteur d un module y compris la partie vitr e ayant une hauteur de 3 5m L ensoleillement du capteur int gr dans la fa ade d un b timent situ a Lyon pour cette configuration est illustr dans la figure suivante Figure 6 10 186 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s A L ensoleillement recouvre totalement le capteur 33 7 E Ad par rapport l horizon Un ensoleillement est re u par le capteur partir de 26 5 par rapport l horizon hh 5 25m H 1
367. re En plus le surco t par rapport la fa ade traditionnelle viendra surtout de l int gration de l absorbeur de l isolant et des conduits dans la fa ade ce qui devrait en g n ral repr senter un investissement bien inf rieur celui de l achat de modules entiers et qui seront probablement perceptibles moins esth tiques et donc moins accept s par les architectes les ma tres d oeuvre ou les occupants Mais le risque d avoir des grands changes thermiques entre le capteur int gr et l ambiance int rieure du b timent nous a conduit effectuer des simulations dans le but d tudier la variation de la temp rature d air de la zone occup e derri re le capteur par rapport une fa ade qui ne comporte pas de capteurs int gr s Les r sultats ont permis d analyser l impact sur la temp rature et nous ont conduit estimer l paisseur d isolant la plus adapt e la solution d int gration consid r e Les r sultats obtenus dans ce chapitre sont caract ristiques de la solution tudi e La m me d marche pourra tre suivie pour toute autre proposition d int gration afin de mettre en vidence son comportement thermique tudier son influence sur l ambiance interne et trouver les solutions qui permettent de r duire cette derni re Dans la partie suivante des prototypes de la proposition tudi e d int gration fabriqu s et install s sur un b timent exp rimental sont tudi s L
368. re 3 22 Diff rents types d acrot re Cheung 2006 3 13 2 Toits pente Le toit pente traditionnel peut pr senter l inclinaison entre 12 60 et il est non accessible au public L inclinaison et la forme d un toit pente d pendent de son utilisation le toit peut tre am nag en comble habitable ou non habitable Dans le cas des maisons individuelles la structure du toit est en g n ral en bois en m tal ou en b ton Selon la n cessit le toit peut comporter des fen tres de toit des lucarnes et d autres ouvertures la chemin e et des travers es de ventilation et d vacuation des eaux pluviales Il est donc n cessaire de garantir l imperm abilit de l ensemble et surtout aux endroits critiques par exemple pour les travers es de divers l ments 3 14 Conclusion L analyse des composants et des principes constructifs et de leur fonctionnement nous apporte quelques r ponses sur les l ments qui permettent d int grer les fonctions propres aux syst mes solaires En effet plusieurs objets et mat riaux se distinguent par leur capacit recevoir une fonction de captage d absorption de transfert de chaleur ou de stockage solaire dans le b timent Les points principaux qui peuvent jouer un r le int ressant dans la conception pr liminaire et qui peuvent guider la r flexion et la conception sont 88 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent La facilit de la
369. re en stagnation Ensemble des exp rimentations r alis es Valeurs moyennes des temp ratures de conduit des diff rents capteurs Difference moyenne entre les 3 diff rentes temp ratures de ballon Tableau 7 10 Horaires de puisage pour les quatre profils test s Tableau 7 11 Param trage utilis dans la simulation num rique des trois capteurs prototypes 287 108 110 111 113 114 115 134 136 137 159 148 149 156 164 183 184 185 186 223 226 231 234 236 239 244 246 248 251 233 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 288 Annexes Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Annexe de la partie I 291 292 Annexe A 1 Etat de lieu des solutions d int gration existantes A 1 1 Int gration en toiture Figure A 1 2 Maison individuelle Besan on Francee Source Bonnet C www ademe fr Figure A 1 3 Maison individuelle l Autriche Source Cortesse S www aks doma com k air g r j i f H mi i H LE it ira et i fi j Hi ai a TE od El ie 1 1 Bo t p i mr 5 2 a Figure A 1 4 Maison individuelle l Autriche Source Cortesse S www aks doma com 293 Annexe 4 PA Ur et ea ae a een oe PF LA Gas nt a Figure A 1 5 Piscine Municipale de Montmellian France Source De Sou
370. remplissage excessif des relations induites ayant t tort consid r es comme directes Les r sultats sont repr sent s dans le plan motricit d pendance comme indiqu dans l annexe B 1 qui permet d analyser les variables en fonction du r le qu elles jouent dans l int gration des composants solaires dans le b timent Figure 5 4 e Fose Durie Fetat gt 4 E g Eira LimiPert PertTherm Es influence 4 ibe a a mpEnvhat S Een a 7 PosHehab 4 lCoutrath lt mEt Seclnter d pendance Figure 5 4 Plan des motricit s d pendances directes La forme du nuage de points qui se dessine sur le plan de la figure suivante laisse appara tre une stabilit relative du ph nom ne tudi Figure 5 5 Mo tricite D pendance Figure 5 5 Nuage de points du syst me 138 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 3 4 Classement direct et indirect L laboration de la matrice structurelle et la repr sentation du plan motricit d pendance montrent que certaines variables de l int gration sont plus importantes que d autres et pourront tre identifi es comme variables essentielles pour l int gration Mais l influence directe faible d une variable peut tre renforc e travers des influences d autres variables particuli rement fortes Dans ce cas nous devons prendr
371. rer ce qui distingue les int grations r ussies de celles qui le sont moins 1 4 1 Exemples d int gration de capteurs solaires dans le b timent L harmonie architecturale est un element important de la r ussite de l int gration des l ments solaires dans la construction Le probl me d int gration du syst me solaire dans la construction repose surtout sur l int gration des capteurs dans le b timent car ce composant du syst me est le plus visible et indique aux observateurs que le b timent est solarise tant pr c demment consid r s comme les l ments ind sirables qu il faut cacher la tendance actuelle de la r ponse au probl me d int gration des capteurs solaires ainsi que d autres l ments du syst me solaire tend les inclure d s la phase de conception des b timents Ces l ments doivent donc tre consid r s comme des composants du b timent au m me titre qu un mur ou une toiture ce titre l architecte ou le concepteur se doit de l int grer dans l ordonnancement d une fa ade d une toiture ou d un volume en veillant conserver ses sp cificit s formelles et fonctionnelles l ments vitr s de quelques metres carr s de couleur noire orient s au sud dans une zone d gag e de toute ombre Lors de l implantation du syst me solaire dans la construction 1l faut respecter les r gles d installation Celles ci sont r pertori es dans des documents r glementaires et des recommandat
372. riable rendement et sur la colonne relative la variable co t d exploitation la valeur de 3 Lors de la phase de remplissage de la matrice on a ainsi r p t ces m mes op rations pour chacune des cases de la matrice structurelle Tableau 5 2 Tableau 5 3 135 influence de sur 1 f2 3 4 15 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 _1 Performance des mat riaux O m0 jo fo jo 3 2 jo 2 0 jo 3 fo jo 1 i f1 fo fo 1 jo fo jo 1 fo fo jo 2 Faisabilit technique LOO 2 fo o o jo f1 1 fo f fo fo 1 1 fo fo jo jo jo jo 2 3 1 fo f1 Jo 7 _3 Possibilit d industrialisation JO 1 0 Jo jo 1 fo jo fo f 1 fo 1 o jo jo fo fo jo fo jo 2 jo fo jo 111 _ 4 Facilit d installation tO jo fo 2 1 fo f3 jo 1 j1 fo fo jo o jo fo jo jo fi fo 12 2 o 0 fh 117 5 Optimisation du positionnement 2 2 Jo 1 JO 3 jo 2 10 2 2 13 0 2 fo i f1 it 3 fo jo i o i fo fo jo 6 Ad quation en terme d espace 0 jo 2 0 o O jo 12 2 1 2 jo fo o o jo fo jo jo jo jo 10 jo jo jo fo 70 7 Ad quation en terme d usage O jo jo 0 jo Tt fo f jo jo jo jo fo jo jo f1 f1 1 2 fo jo fo jo o jo fo jo 7 8 Installation en r habilitation O jo jo 1 1 2 0 fo fo i j jo fo o jo jo fo jo jo jo jo 0 jo o jo fo jo 9 Ad quation en terme de poids O 2 o jo o fo jo jo fo 2 jo jo o 2 jo jo fo jo jo fo jo ft fo fo o jo o 0 Visibilit
373. riaux Faisabilit technique Possibilit d industrialisation Facilit d installation Optimisation du positionnement Ad quation en terme d espace Ad quation en terme d usage Installation en r habilitation Ad quation en terme de poids Visibilit Modulation Performance thermique Possibilit d agir sur l installation Optimisation de la configuration Limitation des pertes Isolation acoustique Variables externes Disponibilit des mat riaux Co t des mat riaux Impact env des mat riaux Co t de la fabrication Impact env de la fabrication Co t de l installation Impact env de l installation Acceptation Confort thermique Co t de l exploitation Impact env de l exploitation Co t de la d construction Impact env de la d construction Convertibilit des composants Convertibilit de l emplacement Co t du traitement des d chets Isolation thermique Fonction structurelle S curit d usage Limitation des interventions S curit d intervention Facilit d intervention Simplicit R sistance Dur e de vie Facilit de d construction S parabilit des mat riaux Tableau 5 1 Les variables internes et externes caract risant l int gration solaire 5 3 3 La mise en relation des variables Nous recherchons les relations entre les variables en construisant un tableau double entr e formant la matrice structurelle du syst me Pour chaque l ment matriciel repr sentant une liaison d une
374. rieure porteuse en b ton un isolant en partie centrale et une paroi int rieure non porteuse en plaque de pl tre ou ma onnerie En r habilitation de b timents en b ton existants l isolation par l ext rieure domine La paroi de b ton se trouve alors en position interne l isolant au centre et la protection de l isolant en paroi externe Les mat riaux 1solants les plus utilis s dans les fa ades lourdes sont les isolants alv olaires notamment le polystyr ne expans et extrude et la laine de roche 3 11 2 Les fa ades l g res Dans cette famille on distingue Les bardages m talliques Ce type de paroi est constitu par l assemblage de plaques m talliques nervur es de grandes dimension Les bardages m talliques sont class s en quatre cat gories les bardages simple peau les bardages double peau Figure 3 12 les bardages double peau composite et les produits plans Ils sont utilis s le plus souvent pour la r alisation de b timents industriels ou d usage collectif Ossature HA i E NE TL ii LEi Jin Ad iti Il 9 LRU i 1 ae LA i Isolant AL NA fe 4 TE 1 fx KEN Mifi ft Peau ext rieure Peau int rieure Figure 3 12 Bardage double peau Rockwool Les murs rideaux Le mur rideau est une fa ade d nu e de toute fonction porteuse Il comprend une ossature form e de lisses horizontales et verticales raccord es la structure Sur
375. rimentales des trois capteurs solaires int gr s prototypes Cette confrontation a abouti a une bonne ad quation et a permis de mettre en valeur la capacit du mod le d crire le comportement thermique des capteurs solaires thermiques int gr s dans la fa ade 267 Conclusion g n rale et perspectives Perspectives Le d veloppement de la m thode prospective SISBat qui s inscrit dans une logique de d veloppement durable s est av r une t che difficile en raison de la situation complexe qui m le les sp cificit s du secteur du b timent et celui des syst mes solaires thermiques M me si les travaux pr sent s dans ce m moire permettent aujourd hui de t moigner de son fonctionnement travers plusieurs cas tudi s nous pouvons envisager plusieurs volutions Il faut d abord souligner le caract re subjectif d un certain nombre d l ments de la m thode Dans le d veloppement de la m thode nous avons pu b n ficier d observations et de conseils d un certain nombre d experts notamment sur le recensement et la d finition des variables le remplissage des matrices et la d termination des notes affect es chaque crit re ce qui a permis d affiner et de justifier certains choix Par ailleurs il pourrait s av rer int ressant voire opportun d utiliser dans les calculs des r sultats les r gles de la logique floue de telle sorte que soient repr sent s et trait s le vague l impr cis
376. ription du syst me solaire Notre choix pour la partie capteur s est port sur la sixi me proposition valu e dans la partie pr c dente l int gration dans la fa ade vitrage parclos Ce choix s explique par le fait que des prototypes sont ensuite fabriqu s et test s sur site r el comme nous verrons dans la partie Exp rimentation Les caract ristiques du composant solaire int gr utilis es dans les simulations sont les suivantes Tableau 6 1 Dimensions Longueur 1780 mm Largeur l E mm Tubes d absorbeur Cu Isolation T EF sar Absorbeur en cuivre 0 2mm Absorptivit et Emissivit Selon la couleur Tableau 6 1 Param tres du capteur int gr dans la fa ade vitr e Le composant de fa ade solaire tudi est form par l int gration de composants de captage dans la fa ade vitrage parclos comme d crit dans la partie fa ade vitrage parclos Un absorbeur un isolant et un coffre sont fix s derri re le vitrage Le composant contient aussi une partie vitr e compos e par un double vitrage Figure 6 5 Face ext rieure ie 5 Partie capteur Figure 6 5 Le module solaire int gr en fa ade Face int rieure La performance du composant solaire int gr sera compar e celle d un capteur de r f rence Notre choix s est port sur un capteur fabriqu par l entreprise Giordano et commercialis sous le nom de capteurs C8 S Figure 6
377. ris Journal officiel n 163 2005 29 p p ROCLENDORF G and JANSSEN S Facade integrated solar collectors Solar World Congress Jerusalem 1999 ROSNAY J D Le macroscope Vers une vision globale Paris Seuil 1975 SALAGNAC J L et CHATRY M Styltech proc d constructif base d ossature acier Plan Urbanisme Construction Architecture Chantier 2000 Paris 2000 29 p SALEM T D veloppement et param trage d un mod le pluridisciplinaire de l utilisation de l nergie dans les b timents d enseignement G nie Civil Lyon INSA de Lyon 2002 127 p SALEM T PIERRE M MAYER D et al ntegration of active thermal solar components in facade elements In S E a B P Laboratory CISBAT 2005 Lausanne Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne 2005 pp 245 250 SANTAMOURIS M Energy and climate in the urban built environment Mat Santamouris London James amp James 2001 401 p 280 R f rences SFEIR A et GUARRACINO G Ing nierie des syst mes solaires Technique amp Documentation Paris 1981 266 p SOLAR ENERGY LABORATORY TRNSYS A Transient Simulation Program Madison University of Wisconsin SOUSA R D Int gration des installations solaires thermiques G nie civil et b timent Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 2003 61 p STABAT P Mod lisation de composants de syst mes de climatisation mettant en oeuvre l adsorption et l vaporation d eau Energ tique P
378. rofils est de maintenir une quantit d eau puis e au niveau du ballon sur une journ e gale a celle puis e exp rimentalement C est en fait la dur e du puisage qui change et donc le d bit Dans le premier profil chacun des deux puisages dure 2 heures dans le deuxi me 1 heure dans le troisi me 30 minutes et dans le quatri me 5 minutes Tableau 7 10 P Profit Profil2 Profil3 Profil Profil exp Puisage n 1 Heure d but 18h30 19h 19h15 19h30 19h30 Puisage n 2 30 min Tableau 7 10 Horaires de puisage pour les quatre profils test s Profil Profil2 ProfilExp Profil3 Profil4 48 00 46 00 44 00 42 00 40 00 38 00 36 00 Temp rature dans le ballon C 34 00 32 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temps en heures Figure 7 41 Moyenne de la temp rature de l eau dans le ballon suivant le profil de puisage en 20 juillet 2005 251 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade Les quatre courbes de temp rature dans le ballon obtenues partir de ces profils num riques donnent des niveaux proches La diff rence se situe au niveau des puisages plus la dur e du puisage est courte plus la pente de la courbe de temp rature est forte Le profil 4 est celui qui ressemble fortement au profil exp rimental Figure 7 41 Il est ainsi utilis dans la suite pour les simulations de comparaisons
379. rospective d velopp e mais permet aussi d tudier le comportement r el et la productivit nerg tique de tels composants Une comparaison entre les r sultats exp rimentaux et les r sultats de simulations num riques permet d valuer la capacit du mod le num rique d velopp d crire le comportement thermique de tels composants 20 Partie I Energie solaire thermique dans le b timent Etat des lieux 21 22 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires 24 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires 1 Probl matique d int gration des composants solaires 1 1 Analyse du contexte En quelques d cennies la technologie et les ressources du sous sol ont boulevers les standards de confort et transcend les exigences Le niveau de vie a atteint un degr d excellence sans pr c dent Cependant contrainte par l puisement des r serves l augmentation des co ts et de gravissimes atteintes la biosph re la tendance s inverse rapidement Le rapport du Club de Rome de 1972 s intitulant Les limites de la croissance et la premi re crise p troli re de 1973 ont attir l attention de l humanit sur le fait que les ressources d nergie fossile sont limit es et qu une mauvaise gestion de l environnement peut provoquer de changements climatiques de grande envergure et causer des crises graves dans le futur PEUSER 2005 Par cons quent les d
380. rs int gr s dans la fa ade produit une nergie utile de l ordre de 5088 kWh contre 9091 kWh pour un syst me traditionnel ce qui signifie une perte de 43 de productivit Cette valeur est du m me ordre que la quantit d nergie utile produite par un syst me solaire avec des capteurs traditionnels verticaux non int gr s auxquels on attribue en moyenne une r duction de performance de l ordre de 30 par rapport aux capteurs ayant une position optimale MATUSKA 2006 la diff rence de ces derniers les capteurs int gr s sont plus esth tiques plus accept s et probablement moins co teux Au prix de la fa ade vitr e d origine viennent s ajouter les prix de l absorbeur de l isolant du coffre et des conduits et non plus le prix d un capteur traditionnel tout fait De plus le graphique illustre des r sultats importants quant la couleur de l absorbeur En effet en observant les r sultats obtenus pour toutes les villes tudi es 1l para t vident que le comportement des capteurs int gr s avec des absorbeurs color s RAL 7021 et RAL 6009 est proche de celui du capteur noir int gr Pour la ville de Berlin la production annuelle est de 4297 kWh pour des capteurs noirs int gr s de 3761 kWh pour des capteurs gris RAL 7021 et de 3353 kWh pour des capteurs verts RAL 6009 203 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Des simulations sont ensuite men
381. rt 1990 En g n ral la consommation moyenne annuelle d nergie dans ce secteur est aujourd hui proche de 400 kWh d nergie primaire par m chauff Cette nergie consomm e entra ne l mission de 120 millions de tonnes de CO repr sentant 25 des missions nationales et 32 7 millions de tonnes de carbone Figure 1 7 Cette quantit est du m me ordre de grandeur que celle des d chets de chantiers de b timents ou des d chets des m nages C est aussi une demi tonne de carbone mise dans l atmosph re chaque ann e par chacun d entre nous La r duction d un facteur 4 des missions de CO correspondrait une consommation moyenne d nergie primaire de l ordre d une centaine de kWh m en 2050 pour l ensemble des b timents en service dont environ 50 kWh m pour le chauffage des locaux et l eau chaude sanitaire On mesure ainsi l ampleur des efforts technologiques et financiers r aliser Mtonnes q CO2 700 0 600 0 500 0 G Traitement des d chets 400 0 E Agriculture sylviculture O Industrie de l nergie 300 0 O R sidentiel Tertiaire B Industrie 200 0 manufacturi re G Transports 100 0 0 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Figure 1 7 Emission de CO2 par secteur en France DGEMP 2006 Ainsi le secteur du batiment voit apparaitre de nouvelles exigences pour tenter de diminuer son impact environnemental Notamment l valuation de la qualit environnementale du b timen
382. ruction spg 7 r facilit de d construction Gestion des d chets co t du traitement des d chets 7 impact env des mat riaux Figure 5 3 La grille d analyse de l int gration des composants solaires Fin de vie 132 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 3 Application de l analyse structurelle 5 3 1 Pr sentation de la m thode La m thode d analyse structurelle constitue un outil de structuration des id es et de r flexion sur le probl me pos et cr e un langage commun pour une r flexion prospective L analyse structurelle vise la description la plus exhaustive possible du syst me associ la probl matique choisie C est une technique d analyse de syst me qui se penche sur le domaine tudi en proc dant par tapes successives le recensement des variables descriptives du syst me et de son environnement et leur explication le rep rage des relations entre ces variables et la recherche des variables essentielles ou cl s Godet M 1997 Une pr sentation compl te de cette m thode est r dig e dans l annexe B 1 La recherche des variables cl s impose une vision globale du syst me tudi et exclut de se limiter d s le d part l analyse de quelques variables puisque pr cis ment ce sont ces variables essentielles que l on cherche identifier parmi plusieurs dizaines d autres La m thode d analyse structurelle enrichie par l appr
383. ructions de grande hauteur pour une raison principale c est qu elles permettent aux fen tres d tre op rables m me lorsque l ext rieur du b timent est soumis des grandes pressions de vent Figure 3 19 Sat SAIS SUR f A 4G k 4 Hi a E vy on 8S A eo in enaena FEEN DESANN SE A A AS Figure 3 19 Vue de la fa ade double peau du batiment du Commerzbank a Frankfurt 83 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent 3 11 3 4 La composition de la multicouche Les fa ades se composent d une s rie de couches plac es de l ext rieur vers l int rieur Dans le cas de fa ades double peau les couches consistent principalement de verre fix par plusieurs moyens de gaz et des dispositifs de protection solaire Il y a infiniment de vari t s dans la construction de ces couches Par exemple le verre peut tre de faible missivit tremp feuillet ou fritt Les protections solaires peuvent tre en m tal ou en plastique peintes ou polies perfor es ou solides Le verre isolant peut tre rempli de l air d argon de krypton ou ferm sous vide En g n ral l arrangement g n ral des couches est troitement attach la strategie de mouvement d air Lorsqu il s agit d une ventilation externe alors la peau ext rieure est compos e habituellement d un vitrage simple tandis que la peau int rieure sera compos e d un vitrage isolant Le syst
384. s ossature secondaire par des pattes de fixation La mise en place de ossature 7 LT ce type de capteur est faite directement secondare RIRRRIRIE sur chantier lors du recouvrement de fa ade second uvre L isolant thermique utilis pour l isolation du b timent est aussi isolant thermique du DT ET i capteur bardage lt Mise en uvre Difficile Accessibilit par l ext rieur Fabrication pose sur place Conformit d usage Respect de l aspect esth tique du bardage ondule 4 1 9 Int gration dans les fa ades vitr es Domaine d emploi Ce type de fa ade est g n ralement utilis dans l habitat collectif le secteur tertiaire et les industries Possibilit d int gration Ce type de fa ade permet de faciliter le montage et d montage d un capteur qui serait fix N entre les capots de la menuiserie du de serrage SS vitrage Le capteur pr fabriqu est mis en place ind pendamment de la fa ade car isole de la structure Les r seaux cale peuvent tre ainsi situ s dans les capots ser ou les traverses creuses en acier montant capot support emplissage de cale vitr Mise en uvre Facile la pose des Accessibilit Eventuellement par absorbeurs et de l isolant se fait sur l int rieur sinon par l ext rieur place Conformit d usage Modification de la transparence 99 Chapitre 4 De
385. s panneau sssirerrs irse a den dre ne eee nest 98 LA Inmesrationaans les facades TIM se dr en de tint ee T EE 98 4 1 8 Int gration dans les bardages m talliques sise tie en en ets te tn re etant et 99 21 Dniesr ation Gaus les facades VI COS ns she ire NN denen ios Line et ne slo Leb oa 99 4 1 10 Int gration dans les facades double peaussssie tan ee ia nets tt ieee sl os lobe 100 ded I mie ornon GANS TES ae SOS SRE SR NS Sn a A 100 4 1 12 Int gration dans les toitures terrasses en b ton coul sur place 101 4 1 13 Int gration dans les toitures terrasses par dalles sur plots 101 4 1 14 Int gration dans les toitures terrasses par dalles sur plots 102 4AA odnie ornon GANS les toUs A DONIC RER RSS Rte RE ae 102 41 46 Intesration dans les toitures MVerSeeS SR ne oe Uae nn ee ane 103 4 1 17 Int gration dans les tuiles de terre cuite an eee ha eee BA ase BR AGRA RRS 103 4 1 18 Int gration dans les ma onneries de brique 104 Adel OTe ST ANON ANS ICS DOT UN LEE SERRES NN MANN AR es 104 42 SOKA S Ceen e a a tante 105 4 2 1 Ballon de stockage int gr dans un puits de lumi re ss 105 4 2 2 Ballon de stockage int gr dans un mur translucide ss 105 A ansi de CHa U c ta nt tn 106 rl LUVAUN INICCTES COIS les DIQN CNIS ariera ieina AE E E a rs 106 L32 VAUN e BrES danS TeS CIOISONS e a n a a a n a a a aA 106 A CONC DHON E SdU SSE Susena a T a e TA 107 Ld Muren MGC ONNCTICGC DOUTE SES en Re sista ota a dt dr tn 107 LA Bda SC ICICI SUNDI
386. s armatures on reporte les efforts de tension des fils sur le b ton en d solidarisant les armatures des organes ext rieures de mise en tension Les armatures g n es d s l extr mit de l l ment dans leur retour la longueur primitive donc une tension nulle r alisent par leur adh rence au b ton la pr contrainte de l l ment 3 6 3 Les coffrages pour b ton arm Le coffrage a pour fonctions principales d abord de donner une forme au b ton ensuite de maintenir celui ci en place jusqu ce qu il y ait atteint sa phase d auto stabilite Le coffrage comporte g n ralement une surface coffrante des l ments raidisseurs de cette surface des dispositifs d taiement des l ments de r glage et des dispositifs de s curit Parmi les techniques des coffrages traditionnels on distingue 66 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Le coffrage de poutre Le coffrage de la poutre est plac en hauteur sur une s rie d tais Chaque tai est couronn par un chapeau qui sert de prise d appui aux contrefiches assurant stabilit et contreventement lat ral du coffrage Les planches de fonds de coffrage reposent directement sur les bl chets Les joues de coffrage s appuie sur des montants ou raidisseurs fixes en pied et contrebut s sur les bl chets Le serrage provisoire des pi ces en bois n cessaires au coffrage se fait l aide de serre joints Le coffrage de planch
387. s capteurs sont destin s tre install s verticalement en fa ade de b timent une position non optimale au rendement thermique du capteur 318 Annexe B Crit res 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage 8 Possibilit d installation en r habilitation 9 Ad quation en terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie Notes Observations La surface pourra tre adapt e en fonction des besoins Possibilit d ajouter des panneaux selon disponibilit surfacique Les capteurs plans vitr s sont tout fait adapt s la production d ECS au plancher chauffant ou au rafra chissement solaire par dessiccation Par remplacement d un panneau de fa ade par d montage du panneau existant puisque ceux ci sont assembl s sur l ossature secondaire L ajout du capteur risque de cr er une surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage pouvant tre l g rement s rigraphie ou grav s s appuyant sur la trame des l m
388. s charges d ordre de grandeur plus important cas des grands immeubles gratte ciels Ce type des fondations transmet des charges dans la profondeur du sol par l interm diaire de surface de contact sur toute leur longueur On distingue Les puits Lorsque le sol r sistant se trouve moins de 10m de profondeur En partie sup rieure une galette arm e t te de puits sert transmettre les charges ponctuelles Les pieux lorsque le sol r sistant se trouve des profondeurs sup rieures 10m Ce sont des pieux pr fabriqu s battus des pieux moul s dans le sol pieux tube battu pieux for s des barrettes des colonnes ballast es pilonn es ou des micropieux Lorsque des charges ponctuelles ou r parties sont transmettre horizontalement des puits ou des pieux on r alise un r seau de longrines reliant les t tes de puits ou de pieux en b ton arm 64 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Les mat riaux utilis s pour les fondations doivent presenter une bonne durabilit tre r sistants aux actions d eau d humidit et de diverses substances chimiques pr sentes dans le sol Les fondations sont des l ments porteurs fabriqu s pour la plupart en b ton non arm ou arm en fonction d ordre de grandeur et de caract re des charges leur appliqu es coul ou pr fabriqu Il existe cependant certaines constructions qui poss dent les fondations en bois surtout dans l
389. s de grandes dimensions Cette grande halle se prolonge l ext rieur par des plates formes d exp rimentation couvertes ou ext rieures qui permettent d en augmenter la surface de plus de 500 m Le bloc ma onnerie l arri re du b timent sur toute sa longueur situ entre les espaces d exp rimentation et d exposition et les zones de stockage le bloc de ma onnerie comporte au rez de chauss e deux ateliers de mise en uvre ainsi que les vestiaires des tudiants les locaux techniques et la caf t ria l tage les deux grandes salles de cours les bureaux d enseignants et l administration sont prot g s des nuisances acoustiques par la masse et l paisseur des murs Le stockage Les mat riaux et le mat riel n cessaires aux exp rimentations sont entrepos s dans des racks constitu s d une ossature et de bardage m talliques offrant des possibilit s de stockage sur plusieurs niveaux tout en assurant la protection et la s curit indispensables La fa ade El ment d exp rimentation part enti re elle est constitu e d une ossature m tallique l g re suspendue la charpente de la grande halle Cette conception permet d int grer et de tester les caract ristiques des diff rents mat riaux mis en place dans ces caissons d montables Cette fa ade tant en effet expos e au Sud Sud ouest azimut 45 elle b n ficie d une exposition solaire satisfaisante pour notre exp rimentation 220
390. s la partie pr c dente nous avons analys des propositions d int gration des l ments de captage solaires plans dans l enveloppe du b timent Donc nous choisissons de d velopper un mod le de capteur circulation d eau int gr dans l enveloppe du b timent afin de pouvoir analyser nos propositions Ce choix est justifi par le fait que ce type de capteurs trouve son application dans la plupart des syst mes solaires qui couvrent la majorit des besoins nerg tiques surtout la production d eau chaude sanitaire le chauffage des locaux plancher chauffant et m me le rafra chissement solaire par roue dessiccante La d marche suivie est de d velopper un code permettant de simuler des capteurs solaires thermiques int gr s dans l enveloppe du b timent et de construire un mod le global regroupant un syst me solaire pour la production d eau chaude sanitaire avec un mod le de b timent En consid rant ensuite l int gration dans la fa ade vitrage parclos comme application un protocole de simulation est d fini et une s rie de simulations est effectu e par la suite afin d valuer la performance thermique des composants solaires con us et son impact sur la temp rature int rieure du b timent 6 1 La mod lisation de capteurs solaires int gr s Pour d velopper un mod le num rique de capteurs solaires int gr s dans l enveloppe du b timent afin d effectuer le travail de simulation num riq
391. s le batiment Chauffe eau solaires Techniques de l ing nieur Paris 2004 pp 18 JOUVENEL H D La d marche prospective Un bref guide m thodologique Futuribles 1999 vol 11 pp 47 66 JURCACKOVA L Perspective d int gration des composants solaires thermiques dans les l ments construits G nie civil et batiment Vaulx en Velin Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat 2002 81 p KALOGIROU S TRIPANAGNOSTOPOULOS Y and SOULIOTIS M Performance of solar systems employing collectors with colored absorber Energy and Buildings 2005 vol 37 n 8 pp 824 835 KALOGIROU S A Solar thermal collectors and applications Progress in Energy and Combustion Science 2004 vol 30 n 3 pp 231 295 KOO J M Development of a flat plate solar collector design program Mechanical engineering Madison University of Wisconsin 1999 93 p KREIDER J F and KREITH F Principles of Solar Engineering McGraw Hill Washington DC Hemisphere Publishing Corporation 1978 KREIDER J F and KREITH F Solar energy handbook New York McGraw Hill 1981 KREIDER J F and KREITH F Solar heating and cooling McGraw Hill New York Hemisphere Publishing Corporation 1982 479 p LABOURET A et VILLOZ M Energie solaire photovoltaique Le Moniteur 2 d Paris Dunod 2005 303 p S rie Environnement et s curit LE MOIGNE J L La mod lisation des syst mes complexes 2 d Paris Dunod 1999 178 p LEPELTIER S Pla
392. s si de grandes superficies de captage sont install es il y aura un risque de cr er des flots de chaleur Etant donn la facilit de d montage de la menuiserie par les capots la d construction ne devrait avoir que peu d impact financier La d construction devrait tre r alis e par d clipsage et d vissage des composants c est pourquoi son impact environnemental devrait tre minime Les composants sont enti rement recyclables Les panneaux capteurs peuvent ais ment remplacer par des vitrages normaux ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications des diff rents mat riaux constituant les capteurs laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux Figure B 2 6 Notation ne de la fa ade vitrage parclos 320 321 Annexe C de la partie III 322 Annexe C C 1 R sultats des simulations C 1 1 La premi re s rie de simulations Cette premi re s rie de r sultats repr sente la production d un syst me solaire d ECS ayant 8m de surface de captage et un ballon de 300L de volume Les couleurs simul es sont le RAL 3007 rouge a 82 5 et e 78 8 le RAL 6007 vert a 68 5 et e 79 9 et le RAL 5020 bleu a 61 3 et e 71 7 Ena pe kWh roo BOG s 00 zih O 1h PT i C gird IN LE IV IE Farin Leim 7 85 By 5S BH 1 5 By FAA Ha amp 6
393. s solutions techniques d int gration 4 1 10 Int gration dans les fa ades double peau Domaine d emploi Ce type de fa ade est surtout utilis dans le secteur tertiaire Possibilit d int gration Ce type de fa ade permet de faciliter le montage et d montage d un capteur qui serait fix sur les trames de la peau ext rieure de la fa ade double peau Mise en ceuvre Facile Les modules Accessibilit par l ext rieur solaires pr fabriqu s industriellement sont pos s sur place Conformit d usage Pr chauffage d air 4 1 11 Int gration dans les all ges Domaine d emploi Ce type de fa ade est g n ralement utilis dans l habitat collectif le secteur tertiaire et les industries Pon Possibilit d int gration Un capteur ors BE solaire peut tre ins rer en all ge d une All ge pr form plus fa ade l g re de type rideau celui ci se DE pla ant devant le nez de la dalle et entre le ch ssis des ouvertures des tages situ s les uns aux dessus des autres L ossature secondaire montant et traverse maintient le panneau pr fabriqu constitu du capteur et Ch ssis d une partie basse qui recouvre le nu de la dalle Habillage int rieur R seaux Volet roulant Mise en uvre Facile Accessibilit par l int rieur El ment pr fabriqu Conformit d usage Le plan inclin permet un meilleur rendement 100 Chapitre 4 Des solutions techn
394. s sont La quantit d nergie utile produite par le syst me La temp rature moyenne de l absorbeur La temp rature du fluide la sortie du capteur Le d bit du fluide la sortie du capteur 189 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s 6 5 2 Le stockage Le mod le de ballon utilis est le type 4 de la biblioth que TRNSYS Il s agit du mod le de ballon de stockage avec stratification Pour un stockage stratifi Beckmann et Duffie DUFFIE 1980 ont donn l expression du bilan thermique au n ud 1 m Zu 2 LT Fim a e T p j Hity is me 18 si fit T Equation 6 36 Mn j ey aM si m gt o Tsi la temp rature du fluide l entr e du stockage en provenance du capteur TL la temp rature du fluide l entr e du stockage en provenance du r seau urbain m J la masse de la tranche J E le d bit massique dans le circuit du capteur ne g le d bit massique dans le circuit du puisage d eau chaude F F Jet sont des fonctions de contr le de fonctionnement des pompes 6 5 3 La r gulation Le r gulateur qui contr le la pompe de circulation compare la diff rence de temp rature AT Teap That Tcap tant la temp rature du fluide arrivant dans le ballon et provenant du capteur et Tba tant a temp rature du fluide sortant du ballon et retournant au capteur a deux valeurs diff rentes pour viter les fluctuations La
395. s vide et les capteurs concentration Ces types diff rent consid rablement en qualit en rendement en conception et en co t Les capteurs plans non vitr s sont peu co teux et leur usage se d veloppe Un capteur de ce type est compos de l absorbeur m tallique ou synth tique poly thyl ne et EPDM et rev tu d une peinture sombre et s lective et d un faisceau de tubes cylindriques ou ovalis s parcourus par le liquide caloporteur r sistants au rayonnement ultraviolet UV et aux variations de temp rature Figure 2 6 49 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent Figure 2 6 Capteur solaire plan non vitr e Ils ne sont pas 1sol s si bien que l augmentation de temp rature obtenue pour l eau n exc de g n ralement pas 20 C au dessus de la temp rature ambiante Leur rendement est bon Ils sont utilis s le plus souvent pour le chauffage de l eau des piscines solaires de plein air Un capteur plan vitr est compos d un coffre isolant sur lequel est fix un vitrage simple ou double ou certains plastiques transparents l int rieur du coffre est dispos e une surface absorbante expos e au rayonnement solaire Celle ci s chauffe et change ainsi avec le fluide caloporteur contenu dans les tubes la chaleur produite par absorption du rayonnement incident Figure 2 7 Plaque de verre Boitie isolant Figure 2 7 Capteur solaire plan vitr
396. sa R www tecsol fr Figure A 1 6 Maison dans l ILLE et Vilaine en Bretagne France Source Cortesse S www outilssolaires com Figure A 1 7 Maison dans l ILLE et Vilaine en Bretagne France Source Cortesse S Installateur SMIDO www outilssolaires com 294 Annexe Figure A 1 8 Maison dans la Loire Atlantique en Pays de la Loire France Source Cortesse S Installateur Bruno MERAND www outilssolaires com a oF FIIIT FAR AITTITTA Siri aaa CE b aay y ur ee i 5 gt 4 a r a F Poanse Sas Ea ot arr i Figure A 1 9 Maison individuelle AIE Source De Sousa R A 1 2 Integration en fa ade Figure A 1 10 Maison individuelle Bordeaux R gis Daurel architecte Source Cortesse S Architecture a vivre n 23 mars avril 2005 295 Annexe Figure A 1 12 Maison Bonndorf Suisse Source Cortesse S Architektur Preis Einfamilienhauser dition Reiners Stiftung Figure A 1 13 Produit Robin Sun France Source Cortesse S www insa strasbourg fr robinsun france robin sun fr 296 Annexe _ g Figure A 1 14 Palais des Beaux Arts Lille Jean Marc Ibos et Myrto Vitart architectes Source Cortesse S Figure A 1 15 Maison Nenzing Autriche Source Cortesse S www aks doma com Figure A 1 16 Refuge bioclimatique en Alpes France Source Bonnet C http solar club web cern ch s
397. sagers consentent faire installer et utiliser le syst me solaire L acceptation est le r sultat d une combinaison 126 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision de nombreuses variables relatives au contexte conomique environnemental et socioculturel Les propositions ne seront donc valu es que de mani re grossi re au vu de l impact de l installation sur le b timent sur le comportement des usagers et sur leur sensibilit 5 2 3 3 Crit res de la vie en uvre La vie en uvre n est autre que la phase d utilisation de l ouvrage Elle concerne particuli rement les usagers et le ma tre de l ouvrage mais peut faire appel au ma tre d uvre en cas de garantie de l ouvrage par exemple et des entreprises ext rieures Pour l valuation des crit res de cette tape de vie nous pouvons distinguer la maintenance de l exploitation en signalant toutefois que toute d faillance au niveau d actions entreprendre au titre de l exploitation entra ne syst matiquement des cons quences sur la maintenance de l ouvrage c est pourquoi exploitation et maintenance sont interd pendantes L exploitation d un ouvrage correspond l action permettant directement l ouvrage d assurer un service d termin Si bien que l exploitation d un produit se trouve tre directement d pendante de la ou les fonction s assujettie s ce produit On veil
398. si me question toujours avec le m me raisonnement il est clair que la relation entre la variable performance thermique et la variable co t d exploitation est directe et ne passe pas par l interm diaire d une autre variable de la liste Cette proc dure d interrogation systematique permet d viter de nombreuses erreurs dans le remplissage de la matrice Elle permet de v rifier syst matiquement l existence d une v ritable liaison directe entre deux variables Il convient de noter que le remplissage de la matrice s il est en g n ral qualitatif existence ou non existence des relations peut tre aussi quantifie Dans notre tude ces intensit s sont not es respectivement par les valeurs 3 2 1 et 0 La valeur 3 indique une influence forte d une variable sur une autre La valeur 2 indique une intensit moyenne La valeur 1 indique une intensit faible La valeur 0 indique qu il n y a pas d influence Il sera d s lors possible et int ressant d introduire une certaine dynamique et de tester la sensibilit des r sultats en fonction de l intensit des relations prises en compte Le co t d exploitation tant directement d pendant de la production d nergie par le syst me solaire l influence de la variable performance thermique sur la variable co t d exploitation est forte Ainsi on affectera l l ment matriciel situ sur la ligne relative la va
399. siter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l ext rieur uniquement Une difficult pour le d montage et l acc s l accroche entre le panneau capteur et le collecteur situ en arri re Configuration simple Verre r sistant Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives 311 Annexe B Crit res 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication 33 Co t de l installation 34 Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de l exploitation 38 Impact env de l exploitation 39 Co t de la d construction 40 Impact env de la d construction 41 Convertibilit des composants 42 Convertibilit de l emplacement 43 Co t des traitements Notes Observations Syst me enti rement d montable de la structure acier Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s parables Les mat riaux qui constituent le module sont encore disponibles l tat naturel ou fabricables en quantit relativement importantes Les mat riaux tant disponibles simples et communs
400. st plusieurs jours cons cutifs Le tableau suivant permet de connaitre l ensemble des semaines de tests ainsi que les capteurs test s Tableau 7 7 L exploitation des r sultats s articule en deux grands axes Dans un premier temps sont analys s les r sultats des capteurs afin de qualifier les performances de l installation dans son ensemble Dans un second temps sont compar s les capteurs entre eux afin de d terminer si les performances variaient beaucoup d un capteur a l autre 243 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade lt de test Capteur test P tiode 1 12 au 18 juillet 2005 NOIR 19 au 24 juillet 2005 GRIS P riode 3 27 juillet au 2 ao t 2005 VERT Tableau 7 7 Ensemble des exp rimentations r alis es Nous avons trac plusieurs graphiques pour chaque semaine de test Graphique n 1 il donne le rayonnement horizontal global en W m2 Graphique n 2 il donne les 3 temp ratures de surface Ts2 Ts4 et Ts6 ainsi que la temp rature ext rieure en fonction du temps Graphique n 3 il donne les 4 temp ratures de conduit Tcl Tc2 Tc3 et Tcd Graphique n 4 il donne les 3 temp ratures de ballon Tb1 Tb2 et Tb3 Graphique n 5 il donne les temp ratures de structure des l ments ainsi que la temp rature ext rieure Dans la suite certains de ces graphiques seront utilis s pour illustrer les diff rentes analyses r alis es 7 8 1
401. struction s lective d un immeuble r sidentiel CSTB 63 Figure 3 2 Principaux types de murs de fa ade en ma onnerie 69 Figure 3 3 Exemples de blocs de b ton 71 Figure 3 4 Exemples de briques de terre cuite 72 Figure 3 5 El ment de structure de mur en bois 74 Figure 3 6 Plancher en b ton arm poutres crois es 73 Figure 3 7 Plancher dalle pleine et chainage de mur 73 Figure 3 8 Plancher champignon Rector 73 Figure 3 9 Plancher coffrage perdu 76 Figure 3 10 Construction d un plancher en b ton arm avec poutrelles et hourdis 76 Figure 3 11 Les quatre types de panneaux de fa ades en b ton arm pr fabriqu s CERIB 77 Figure 3 12 Bardage double peau Rockwool 78 Figure 3 13 Mur rideau associant vitrage et panneau 550 W Adams Chicago IL 79 Figure 3 14 D tail d une fa ade VEP Architectural Systems 79 Figure 3 15 D tail d une fa ade panneau DUTHU 2004 80 Figure 3 16 Principe de fonctionnement de la fa ade double peau Sustaining Towers 2004 S1 Figure 3 17 Cavit dans une fa ade double peau Lund Institute of Technology 82 Figure 3 18 Les modes de ventilation des fa ades double peau Arons 2000 83 Figure 3 19 Vue de la fa ade double peau du b timent du Commerzbank Frankfurt 83 Figure 3 20 Les principales formes des toits Cheung 2006 86 Figure 3 21 Diff rents types de protection d une toiture terrasse Cheung 2006 8 amp 7 Figure 3 22 Diff rents
402. surtout la multifonctionnalit Nmuttifonctionnalit 1 780 et la gestion des d chets Ngestion des d chets 192 5 5 2 5 Evaluation de l int gration dans la fa ade panneau en ma onnerie La proposition d int gration dans la fa ade panneau en ma onnerie est qualifi e comme bonne puisque le r sultat global affiche une note d valuation de 2 095 ce qui est tout fait satisfaisant Figure 5 12 ng 2 095 Notes d valuation Fabrication Mise en oeuvre Exploitation Maintenance Fin de vie Evaluation par tape de vie 3 E s 3 2 z Choix des mati res premi res Proc d constructif Proc d d installation Adaptabilit Est tique Fonctionnement thermique Multifonctionnalit Maintenabilit Fiabilit Durabilit D construction Gestion des d chets Sur Crit res d valuation Figure 5 12 Ensemble des notes d valuation d int gration du panneau ma onnerie 154 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision L int gration dans la fa ade rideau est globalement bonne ng 2 095 voire excellente selon les sur criteres l esth tique la durabilit et la d construction les nc tant sup rieurs 2 5 Afin d am liorer cette proposition nous devons proposer des modifications qui concernent les sur crit res ayant les notes faibles qui sont le proc d constructif la multifonctionnalit et la gestion des d chets les nci lt 2
403. t Le co t de l installation inclut les co ts de la main d ceuvre de l nergie et des outils n cessaires la r alisation des diff rentes op rations d installation La facilit d installation sera valu e en termes de temps d installation et de technicit requise L installation d un syst me sera plus rapide et plus ais e si ce syst me est modulaire c est dire constitu d un ensemble de modules pr fabriqu s assembler L impact environnemental de l installation est aussi valu en termes de cr ation de d chets de pollution et de toxicit engendr es par les diff rentes transformations Adaptabilit L adaptabilit d un syst me solaire thermique son environnement correspond la mise en accord l appropriation du syst me solaire par son environnement consid r comme pr pond rant ou du moins incontestablement r el Cette mise en accord permet d obtenir un ensemble fonctionnel coh rent et harmonieux L optimisation du positionnement en fonction de la situation m t orologique du site quand l application concerne la fonction de captage est valu e non seulement en termes d inclinaison et d orientation des surfaces de captage de l l ment solaire mais 125 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision aussi en termes de g ne due aux masques Dans les fonctions de distribution et de st
404. t gration nonc es dans la partie pr c dente Il s agira dans un premier temps de remplir les grilles d analyse puis les matrices d analyse structurelle et dans un second temps d appliquer les r gles de calcul pr c demment d finies afin de d terminer chacune des valeurs Ne Ng et ng et ce pour chacune des propositions analys es 5 5 Application de la m thode SISBat L application de la m thode visera d une part valuer et comparer les diff rentes propositions analys es et d autre part mettre en vidence les perspectives d volution de ces propositions 145 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision 5 5 1 Analyse des propositions Nous avons choisi d appliquer la m thode aux six propositions d int gration solaire formul es et analys es la fin de la partie pr c dente int gration de capteur dans mur en ma onnerie type III dans le bardage en acier simple dans la fa ade rideau dans l all ge de fen tre dans une fa ade l g re dans la fa ade panneau en ma onnerie et dans la fa ade vitrage parclos Pour chacune de ces propositions nous avons d abord rempli la grille de crit res d analyse Les liaisons indirectes entre ces crit res sont mises en vidence par la matrice d analyse structurelle indirecte et l application de la m thode de pond ration par motricit a permis d valuer plusieurs niveaux la qualit de l
405. t riaux performants Mais l inclinaison n est pas adapt e pour un rendement optimal Le syst me solaire install devra tre circulation forc e avec une r gulation qui laissera aux utilisateurs la possibilit de contr ler le syst me Il sera possible de placer des stores devant les capteurs pour limiter la stagnation Limitation des pertes assur es par l isolation par laine de roche Etude pr alable tablir pour les parois l g res La laine de roche sert d isolant acoustique Isolation assur e par un isolant sp cialement dimensionn pour assurer cette fonction pour le b timent mais aussi pour le capteur afin de limiter les pertes N assure pas de fonction structurelle puisqu elle se pose en panneau Risques de brilures si le panneau est accessible par une fen tre ou autre L exploitation ne devrait n cessiter que peu d interventions hormis toutefois quelques vidanges en cas de conditions climatiques extr mes risque de gel ou de surchauffe Syst me accessible par l int rieur Une l g re difficult pour le d montage Configuration simple Plaque de cuivre fragile difficult de mise en oeuvre verre r sistant Garantie 10 ans 15 ans dans le cadre de la garantie de r sultats solaires pour les installations collectives Syst me enti rement d montable Seule les alliages et la peinture utilis e sur l absorbeur ne sont pas s parables Les mat riaux qui constitue
406. t ristiques des absorbeurs et a l angle d inclinaison des capteurs int gr s Energie utle Qu kh Ca fwd IN IE IV IE Fric 2656403 14403 1 196403 8 408202 8 868 402 Lyon 3 20E205 1 866203 142505 1 14E 03 1 088 403 Hice 4 34E403 232203 2 01E 03 1 84E203 1 57E 403 Figure 6 22 Quantit d nergie utile en un an pour des capteurs orient s Sud az 0 Afin de pouvoir comparer le taux de perte de performance en fonction de chaque ville nous avons trac l volution de la quantit d nergie utile pour les trois villes et les quatre couleurs simul es en consid rant que les quantit s d nergie produite dans les trois villes par des syst mes ayant des capteurs non int gr s dans le b timent sont des valeurs r f rence 100 le but tant de calculer en pourcentage la quantit d nergie produite par des capteurs int gr s par rapport cette valeur r f rence Figure 6 23 Le graphique montre que le taux de perte correspondant chaque couleur d absorbeur est du m me ordre pour les trois villes donc pour trois climats diff rents en France En effet pour un capteur int gr ayant un absorbeur de couleur verte RAL 6007 les taux de production d nergie utile repr sentent 35 5 de la quantit d nergie utile produite par un syst me traditionnel Paris 35 6 Lyon et 37 7 Nice 198 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s Porcentage
407. t des d chets y NS Possibilit d installation en r habilitation 14 Performance thermique 13 Impact environnemental des mat riaux Optimisation de la configuration 12 Co t de la fabrication 4 11 Optimisation de la configuration Ga Oe o OOO 10 Possibilit d Industrialisation Co t de l exploitation PS Simplicit Facilit de d construction Visibilit Faisabilit technique SF Adguntion entre fuss Ad quation en terme d usage m lt P Facilit d intervention Co t de l installation gt lt X Visit Facilit d intervention Acceptation Acceptation Figure 5 7 Classement direct et indirect des crit res suivant la d pendance 5 3 5 Identification des variables cl s Les r sultats des classements directs et indirects ainsi que les plans motricit d pendance intrins ques chaque type de proposition d int gration directement issus des matrices d analyse structurelle permettront de mettre en vidence les variables essentielles du syst me Ce sont ces variables qui pourront guider nos choix dans la r flexion sur des solutions d int gration solaire La connaissance de ces variables cl s aura une grande influence sur 141 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision l analyse des propositions et sera d terminante lors de la phase de recherche des perspectives d volution des propositions Plusieurs crit res s av rent tr
408. t devant le nez de la dalle et entre le ch ssis des ouvertures des tages situ s les uns aux dessus des autres L ossature secondaire montant et traverse maintiendrait le panneau pr fabriqu constitu du capteur et d une partie basse qui recouvre le nez de la dalle Cette solution permettrait d avoir un plan inclin pour une meilleure orientation au rayonnement solaire d tre accessible depuis l int rieur du b timent en d montant l habillage int rieur d obtenir l espace n cessaire pour placer les diff rents flux et r seaux n cessaires au bon fonctionnement du b timent et du capteur et d avoir un capteur qui serait un l ment pr fabriqu Les capteurs thermiques pouvant tre utilis dans cette solution seraient les capteurs plans air pour pr chauffer lair de ventilation ou les capteurs plans vitr s a circulation d eau pour les syst mes eau chaude sanitaire Figure 4 6 Menuiserie fen tre Ossature secondaire Le D lt 4 1 Capteur plan Habillage int rieur k j Collecteurs et r seaux pae hoo E de distribution k is y i t 4 i 5 y kk io 4 a A 4 x Y Y A a K s ee a a YA MALE s r r ANA pe Ce E Ea i Ch ssis d all ge Faux plafond Figure 4 6 D tail de la proposition d int gration dans l all ge de fen tre Une comparaison entre les fonctions initiales assur es par l all ge avant et apr s l insertion de capteurs montre que l int gration n aff
409. t donc en remontant aux ressources puis es dans l environnement jusqu leur fin de vie y compris le traitement des d chets ultimes cr s en 122 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision passant par toutes les tapes de leur utilisation Une approche par analyse de cycle de vie semble donc tout a fait judicieuse Pour chaque tape de vie les crit res explores partir de la nature du crit re conomique architecturale technique ou environnemental sont regroup s en des sur crit res suivant le schema suivant Figure 5 2 Type du crit re Type du crit re e g conomique e g environnemental Sur crit re e g choix des mati res premi res Etape de vie e g fabrication Crit re Crit re e g impact environnemental ides mat riaux 2 e g cout des mat riaux Figure 5 2 La structure hi rarchique de la grille d analyse de l int gration Le r sultat d valuation selon un sur crit re est le r sultat agr g du niveau pr c dent d valuation Les agr gations induites par cette approche pr sentent certaines limites qui seront discut es et trait es dans la suite 5 2 3 L identification et la d finition des crit res d analyse Le choix des crit res d finissant la qualit d int gration est bas comme on vient de le pr ciser sur les diff rentes tapes de vie de l l ment solaire de construction 5 2 3 1
410. t est une d marche de plus en plus suivie par les ma tres d ouvrage A ce titre un projet de certification HQE Haute Qualit Environnementale des b timents tertiaires est d velopp et soutenu par l ADEME et le Centre Scientifique et Technique du B timent CSTB La d marche HQE correspond la mise en uvre du d veloppement durable dans le secteur du b timent fran ais Le d veloppement durable suppose la prise en compte des facteurs environnementaux conomiques et sociaux l ensemble est organis selon les 33 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires principes de la gouvernance Hetzel 2003 Ainsi la HQE est d finie comme une d marche de management de projet visant limiter les impacts d une op ration de construction ou de r habilitation sur l environnement ext rieur tout en assurant l int rieur du b timent des conditions de vie saine et confortable A ce stade Il nous para t important pour la suite de noter que dans le cycle de vie de b timent les impacts environnementaux engendr s pendant la phase d utilisation de celui c1 sont pr pond rants par rapport aux impacts engendr s pendant les autres phases la fabrication des mat riaux et composants la construction la r novation et l entretien la d molition et le traitement en fin de vie des d chets Si l objectif est accessible pour les b timents neufs gr ce au d veloppement de nouvelles technologies 1l sera
411. t jusqu a r cemment encore relativement modeste et leur diffusion se trouve frein e par quatre contraintes majeures et fortement li es 17 Introduction g n rale la qualit de leur int gration technique et architecturale aux b timents et leur environnement le co t des installations et de leur mise en uvre la perception de l esth tique de ces syst mes au sein des b timents la distribution et la diffusion assur es par des circuits sp cifiques distincts des circuits traditionnels du b timent Ainsi l int gration des composants solaires actifs dans le b timent appara t comme un l ment cl qui permet d viter des solutions d implantation parfois inesth tiques et des surco ts de r alisation trop importants En outre des solutions inadapt es pourraient conduire d valoriser les b timents ou en menacer l int grite Notre recherche consiste conduire une r flexion prospective destin e identifier des pistes d innovation dans l int gration technique et architecturale des syst mes solaires thermiques actifs L objectif est d analyser des possibilit s d int gration des quipements solaires thermiques actifs dans les constructions neuves et les b timents existants et d explorer les diff rentes possibilit s d volutions technologiques qui m neront la proposition des pistes de recherche d taill e et d application des innovations technologiques envisagea
412. tabilit de la structure par leur efficacit et leur simplicit d ex cution sur le chantier par leur aspect 72 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent En g n ral les structures en acier d signent des poteaux des poutres des arcs et des assemblages r gis par quelques principes simples Les syst mes constructifs les plus connus sont le proc d Cibbap Proc d constructif adapt aux b timents d un quatre tages ainsi qu aux zones climatiques sujettes aux s ismes et aux cyclones Il repose sur la pr fabrication en usine de composants de murs et de fa ades porteurs de planchers et de toitures base de mat riaux composites Pour les fa ades qui participent a la stabilit g n rale ces composants disposent d une ossature acier aciers plans galvanises chaud ou inoxydables incorporent un isolant et un rev tement int rieur en plaque de pl tre cartonn Ils offrent par ailleurs de bonnes performances thermiques et acoustiques De tels dispositifs de pr fabrication autorisent des d lais de chantier r duits Le proc d Styltech Proc d constructif en profil s minces en acier pour la r alisation de b timents d habitation individuelle rez de chauss e ou R 1 isol s jumele s ou en bandes structures ind pendantes et d habitation individuelle rez de chauss e en bandes structures non ind pendantes Le proc d consiste r aliser une
413. tains crit res de la grille d analyse Les nouvelles notations des six propositions am lior es sont regroup es dans le tableau suivant Tableau 5 8 Crit res Notes l Performance des mat riaux 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage 8 Installation en r habilitation 9 Ad quation en terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication 33 Co t de l installation 34 Impact env de l installation 35 Acceptation 36 Confort thermique 37 Co t de l exploitation 38 Impact env de l exploitation Mur en ma onnerie de type III 2 S D ID ID ID D DS D RO D DD D D ID ID ID ID ID OS So OS D ID IN WIN GF WW WW GW ND UC TU Go 163 Bardage All ge a
414. tape J gt n Hia gt n Le CEE CER i i se Equation 5 4 Ny m My CEE r EL Equation 5 5 c EC n Ej 2 Ck C E Cr eC 144 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision n est donc d fini comme l ensemble des notes pond r es affect es chacune des Vj tapes du cycle de vie de la proposition Vj n el0 3 ie ee Equation 5 6 m E J ou encore quation 5 7 APALA J G E EC n est d fini comme la note globale pond r e selon la motricit de la proposition d int gration consid r e n el0 3 5 4 3 Evaluation et comparaison des propositions Si les valeurs m m Mmg ne seront utiles qu au d veloppement de la m thode d analyse chacune des valeurs n nc n et no pourra en revanche permettre d evaluer les i J propositions et de les comparer et ce au regard des trois niveaux hi rarchiques de la grille d analyse et au niveau global de la solution Ces valeurs comprises entre 0 et 3 seront ainsi assimil es des notes plus les valeurs seront lev es mieux la proposition consid r e r pondra aux crit res d analyse Enfin des notes peu lev es pourront souligner outre le fait que la r ponse de la proposition aux crit res d analyse est insuffisante quelques perspectives d volution La m thode ayant t d finie on se propose de l appliquer aux propositions d in
415. tation ny du mur ma onnerie de type II 310 Annexe B B 2 2 Bardage acier simple Ci dessous les notes n attribu es chaque bardage acier Figure B 2 2 Crit res Notes l Performance des mat riaux 2 2 Faisabilit technique 3 3 Possibilit d industrialisation 3 4 Facilit d installation 3 5 Optimisation du positionnement 2 6 Ad quation en terme d espace 3 7 Ad quation en terme d usage 3 8 Possibilit d installation en r habilitation 3 9 Ad quation en terme de poids l 10 Visibilit 2 11 Modulation 3 12 Performance thermique 2 13 Possibilit d agir sur l installation 2 14 Optimisation de la configuration l 15 Limitation des pertes 3 16 Fonction acoustique 3 17 Fonction isolation thermique 3 18 Fonction structurelle 0 19 S curit d usage 1 20 Limitation des interventions 2 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance Ww ININ N JN 25 Dur e de vie crit re pour les propositions d int gration du Observations Nous utiliserons 1c1 des mat riaux performants afin d optimiser le rendement sachant que celui ci ne sera pas optimum d la position verticale du capteur R alisation simple El ment pr fabriqu El ment totalement pr fabriqu El ments visser et clipser sur place sur la ma onnerie Capteurs verticaux donc le rendement n est pas optimum Surface adapt e en fonction des besoins Possibilit
416. tation sur l nergie et qui vise installer 200 000 Chauffe eau solaires par an et 50 000 toits solaires thermiques photovolta ques par an l horizon 2010 soit environ un million de m annuels installer 140000 120000 100000 80000 Surface m 60000 40000 20000 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Figure 1 4 Evolution des surfaces install es annuellement en France Enerplan 2006 La croissance du parc solaire thermique ces trois derni res ann es est aussi due au d veloppement d une fili re industrielle qui s est largement professionnalis e Elle a permis a une trentaine de nouveaux op rateurs industriels constructeurs ou importateurs distributeurs de rentrer sur le march au c t de Giordano Industries et Clipsol les deux fabricants fran ais 30 Chapitre 1 Probl matique d int gration des composants solaires acteurs de la fili re depuis plus de 20 ans En plus lectricit de France Gaz de France et Primagaz int grent d sormais les chauffe eau et les chauffages solaires dans leurs offres commerciales En ce qui concerne les aides financiers 1l faut noter que depuis 2005 l installation d un syst me solaire thermique est nettement plus encourag e par l octroi d une bonification fiscale s levant 40 des co ts d investissement Cependant malgr toutes les connaissances et techniques aujourd hui av r es le d veloppement du march
417. te un changement rapide des conditions m t orologiques orage ou du fonctionnement du syst me remise en marche du circulateur pression de service maximum dans les capteurs L absorption qui consiste absorber le rayonnement incident et le transformer en chaleur est effectu e par des absorbeurs en cuivre ou en aluminium couverts par des rev tements s lectifs de couleur noire Les exigences et les qualit s principales requises sont Une absorptivit maximale de l nergie radiante incidente Une missivit minimale des rayonnements infrarouges Une bonne conduction et une faible inertie m canique Une bonne r sistance m canique et chimique Un drainage uniforme et direct de la chaleur absorb e Le transfert de la chaleur absorb e a l changeur de chaleur est effectu par le fluide caloporteur qui circule dans des conduites 55 Chapitre 2 Les technologies solaires dans le secteur b timent Le fluide caloporteur pr sentant les qualit s physiques les plus appropri es est l eau Dans le cas de risques de gel il est pr conis d ajouter un antigel en g n ral l thyl ne glycol ou le propyl ne non toxique noter toutefois que l ajout d antigel peut engendrer des pertes de charges plus importantes une capacit calorifique plus faible et une densit plus lev e une dilatation plus importante un coefficient d change thermique travers l changeur du ballon de st
418. te analyse offre un concepteur ou un architecte les premiers l ments n cessaires pour guider la r flexion de la conception et qui avec l aide d un peu d exp rience et d imagination cr ative permettra d laborer des propositions d l ments ou de proc d s constructifs qui int grent les fonctions de captage d absorption de transfert de chaleur ou de stockage solaire dans le b timent Ainsi nous reprenons chacune des fonctions solaires et nous travaillons sur les l ments et les principes constructifs que nous avons d taill s Par voie de cons quence nous pr parons une liste de solutions qui peuvent aider mieux int grer le solaire dans le b timent Cette liste sera pr sent e dans la partie suivante 89 90 Partie II D veloppement d une m thode prospective d valuation de l int gration solaire Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 93 94 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 Des solutions techniques d int gration En prenant en compte l ensemble des consid rations pr c dentes relatives l int gration d crites dans la premi re partie et partir de l analyse fonctionnelle des syst mes solaires thermiques et des elements constructifs effectu e dans les deux chapitres pr c dents nous avons tabli une liste pr liminaire de propositions de construction de nouveaux l ments combinant la fois la fonction constructive initia
419. terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d construction 27 S parabilit des mat riaux S DD D ID ID III AR Co lo w e NINI WIN WY BW BW WIN GB GB Ww S DID D ID ID II ID IR Co lo So eI NINININI Oo D CG ND S IDD D ID DID ID ID ROC IS D ID D D GW GW G U UC GW S DD D D ID II ID TR Re lWwWlLNI WLR NINIWILNININITW So DID Oo S DID D D ID II ID RO I IS RD DIS ID IDD ID IS D D GBD ND S DD D DID ID IR IR OI IRD OI IIS D IRIS D D ND 28 Disponibilit des mat riaux 148 Chapitre 5 laboration d un outil d analyse et d aide la d cision Mur en Bardage All ge Fa ade Fa ade Vitrage Crit res Notes ma onnerie acier de panneau rideau parclos de type IHI simple fen tre ma onnerie 29 Co t des mat riaux 3 3 3 3 3 3 30 Impact env des mat riaux l 1 i 1 l l 31 Co t de la fabrication 2 2 2 2 2 2 32 Impact env de la fabrication 3 3 3 3 3 3 33 Co t de l installation 3 3 3 2 2 2 34 Impa
420. tion et les collecteurs La seule modification concerne la transparence de la fa ade Figure 4 9 Isolant Absorbeur Figure 4 9 D tail de la proposition d int gration dans la fa ade vitrage parclos La mise en uvre sur chantier serait simple l l ment pourrait tre pr fabriqu Etant accessible depuis l int rieur la maintenance serait ais e Cependant l tanch it entre les diff rents panneaux doit tre assur e par les capots de la menuiserie ainsi que par les joints tanches entre la menuiserie et le capteur Tableau 4 6 Avec le capteur Capteurs Etanch it eau Pare pluie Joints tanches Isolant 12cm Capteurs isolation int rieure Joints tanches Isolation thermique Isolant Isolant Isolation acoustique l l q Etude acoustique n cessaire Etude acoustique n cessaire Tableau 4 6 Comparaison des fonctions initiales et finales de la fa ade vitrage parclos L l ment capteur ins r dans la menuiserie de la fa ade permettrait l architecte de cr er plusieurs compositions architecturales 115 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 5 Conclusion L analyse faite nous a permis d tudier des possibilit s d int gration des composants solaires dans le b timent Six solutions ont t choisies et une analyse de faisabilit suivie d une tude fonctionnelle de l l ment avant et apr s l int gration ont
421. tn a ce 67 5 7 NIACOMMELIC d ek MEn Gana Lan aimons on ad di 67 ILMUS CL DATOLS CR MACON IC dreii ISERE MN RM ARE MN ut den Le 67 Dil BDOS AAC DCLON ARE cd ee nee ed did sgh eed 70 Jed Briques COTCTV CE CNE rte a Re ie dcenen sl glib eid ete shalt iNeed ig UB ta ieee sl a Ladi 71 AE D LE LR eas vase gk hae crs Sheps each te head espa leas ead 72 0 OMSUIC OM CIA CICI 255k nn ar nn do in a on nd CR nn a ui 12 3 9 C OmSTRUIC HOT en DOIS san ARE NS NE ea A MN 73 D MOP PATNG CS D en dt ae 74 CLORE T0 CS TEET AEEA A E EE E T EOE ENT T E 76 Sl Tl TOS Tocades Lourdes loen Ens RSA TE E 77 3AT LES JACAdes LCC CIOS och Nu in 78 3113 TOS acades doubl heat Rien ie LR Can tu S1 3P COS OMS SR a a A ee a ON de ie 84 Sl F TOUTE Sasa een a nt et aan net ae ae 85 SDT DONS PUO 2 RSR RL dt tram Dee dent dl Saale tenta On 86 DO 2 TOUS A DOME Sas ibn moderne ads mienne mine cent 5S SoA CONCIUSION nent notons 88 4 Des solutions techniques d int gration cccccsscssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssees 95 Al CADAS CC TADSOPDAON SR te di Neal ohne 95 4 1 1 Int gration dans les murs en ma onnerie de type 1 95 4 1 2 Int gration dans les murs en ma onnerie de type Hu 96 4 1 3 Int gration dans les murs en ma onnerie de type Hu 96 4 1 4 Int gration dans les murs en ma onnerie de type Vu 97 Aol FACE panned DOIN NRC td aides aide ist sat tte aise cetha Sethe ales a ail asta cea Ad 97 416 Integration dansles fa ade
422. tockage I a donc t d cid d installer un unique ballon reli aux trois composants Ce ballon de 150 litres est quip d un changeur serpentin permettant le transfert d nergie du fluide caloporteur l eau Le fluide caloporteur en provenance des capteurs solaires p n tre dans le ballon m1 hauteur et ressort en bas de ce dernier Dans une installation fonctionnelle l eau chaude est tir e en haut du ballon et l eau froide revient par le bas du ballon Pour effectuer une vidange du ballon dans ces conditions 1l aurait fallu installer une pompe pour extraire l eau Pour des raisons de commodit il a donc t d cid de r aliser la vidange par le bas du ballon Figure 7 9 Il conviendra dans un futur travail de v rifier l influence de ce choix sur la stratification du ballon de stockage Cette vidange peut tre effectu e de deux mani res une lectrovanne tout ou rien et une vanne manuelle ont t install es en parall le permettant soit une vidange command e soit une vidange manuelle L lectrovanne install e est une lectrovanne tout ou rien normalement 226 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade ferm e dont le diam tre de passage est de 10 mm Cette lectrovanne a la particularit de fonctionner sans pression diff rentielle et est anti coup de b lier Elle est aliment e en 230V en courant alternatif Figure 7 10 Entr e de l eau froide Fluide calop
423. traditionnel de production d eau chaude qui va tre compar au syst me solaire avec des capteurs int gr s dans le b timent 6 2 2 MATLAB 6 5 Le logiciel MATLAB pour MATtrix LABoratory a t con u afin de fournir un environnement de calcul matriciel simple efficace interactif et portable Il est constitu d un noyau relativement r duit capable d interpr ter puis d valuer les expressions num riques matricielles qui lui sont adress es soit directement au clavier depuis une fen tre de commande soit sous forme de s quences d expressions ou scripts enregistr s dans des fichiers texte appel s m files et ex cut es depuis la fen tre de commande soit plus rarement sous forme de fichiers binaires appel s mex files ou fichiers mex g n r s partir d un compilateur C ou fortran Ce noyau est compl t par une biblioth que de fonctions pr d finies tr s souvent sous forme de fichiers m files et regroup s en paquetages ou toolboxes Casadevall 2005 Pour toutes ces qualit s nous avons d cid d crire le code du mod le des capteurs solaires thermiques int gr s dans un m file de MATLAB L interactivit de MATLAB nous a permis de v rifier instantan ment le fonctionnement du code et de rep rer les erreurs 6 2 3 TRNSYS 16 Disponible commercialement depuis 1975 1l a t con u afin de simuler les performances en r gime transitoire de syst me nerg tiques TRNSYS utilise u
424. tre minime Les composants sont enti rement recyclables Les panneaux capteurs peuvent ais ment remplacer par un bardage ce qui fait que leur emplacement est convertible Les quantit s d nergies n cessaires aux fabrications des diff rents mat riaux constituant les panneaux laissent penser que les traitements de ces mat riaux seront tr s consommateurs d nergie et donc co teux Figure B 2 2 Notation nex du bardage acier B 2 3 All ge de fen tre dans une fa ade l g re Ci dessous les notes n attribu es chaque crit re pour les propositions d int gration de l all ge Figure B 2 3 312 Annexe B Crit res 1 Performance des mat riaux 2 Faisabilit technique 3 Possibilit d industrialisation 4 Facilit d installation 5 Optimisation du positionnement 6 Ad quation en terme d espace 7 Ad quation en terme d usage 8 Possibilit d installation en r habilitation 9 Ad quation en terme de poids 10 Visibilit 11 Modulation 12 Performance thermique 13 Possibilit d agir sur l installation 14 Optimisation de la configuration 15 Limitation des pertes 16 Fonction acoustique 17 Fonction isolation thermique 18 Fonction structurelle 19 S curit d usage 20 Limitation des interventions 21 S curit d intervention 22 Facilit d intervention 23 Simplicit 24 R sistance 25 Dur e de vie 26 Facilit de d construction 27 S parabilit
425. truction 27 S parabilit des mat riaux 28 Disponibilit des mat riaux 29 Co t des mat riaux 30 Impact env des mat riaux 31 Co t de la fabrication 32 Impact env de la fabrication Notes Observations L ajout du capteur risque de cr er une petite surcharge par rapport l l ment d origine Int gration esth tique en fa ade avec un vitrage pouvant tre l g rement s rigraphie ou grav s s appuyant sur la trame des l ments alentours Taille des panneaux ajustable en fonction des besoins hauteur ou largeur au gr s de l envie de l architecte afin qu ils puissent composer la fa ade selon la trame qu il a envie Rendement satisfaisant gr ce au choix de mat riaux performants Mais l inclinaison n est pas adapt e pour un rendement optimal Le syst me solaire install devra tre circulation forc e avec une r gulation qui laissera aux utilisateurs la possibilit de contr ler le syst me Il sera possible de placer des stores devant les capteurs pour limiter la stagnation Limitation des pertes assur es par l isolation par laine de roche Etude pr alable tablir pour les parois l g res La laine de roche sert d isolant acoustique Isolation assur e par un isolant sp cialement dimensionn pour assurer cette fonction pour le b timent mais aussi pour le capteur afin de limiter les pertes N assure pas de fonction structurelle essentielle puisqu elle
426. ts faibles et forts de chaque conception En se basant sur les crit res essentiels moteurs de la grille d analyse mis en vidence partir des classements direct et indirect des crit res par la m thode MICMAC nous essayons d apporter des am liorations quant la qualit globale d int gration pour chacune des propositions d int gration tudi es Crit re Sur crit re Description L optimisation du positionnement Adaptabilit Forte motricit faible d pendance La simplicit de l ouvrage Fiabilit Forte motricit faible d pendance La facilit installation Proc d d installation Forte motricit faible d pendance La fonction structurelle Forte motricit faible d pendance La fonction isolation thermique Multifonctionnalit Forte motricit faible d pendance La modulation du syst me solaire Forte motricit faible d pendance La limitation des pertes Fonctionnement thermique Motricit moyenne faible d pendance La s parabilit des mat riaux Gestion des d chets Motricit moyenne faible d pendance La s curit d usage Motricit moyenne faible d pendance La performance mat riaux Motricit moyenne faible d pendance L optimisation de la configuration Motricit moyenne faible d pendance La faisabilit technique Motricit moyenne faible d pendance la visibilit du syst me solaire Motricit moyenne faible d pendance Le co t de l installation D pendance moyenne faible
427. u mais sur un ensemble de poteaux porteurs comme on peut l avoir dans une construction de type bureaux la surface de captage devient tr s suffisante Entretien par l ext rieur Mise en uvre Facile Accessibilit par l ext rieur Pose directe Conformit d usage Risque d occultation de la surface de captage D autres solutions d int gration dans des l ments de fa ade sont possibles L int gration pourra se faire dans les volets les brises soleil les dalles de sol les auvents les lucarnes etc Mais ces solutions apparaissent comme ayant beaucoup de contraintes en ce qui concerne la surface de captage la faisabilit dans le cas des capteurs thermiques et la mise en uvre 104 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 2 Stockage 4 2 1 Ballon de stockage int gr dans un puits de lumi re Domaine d emploi Il concerne les syst mes solaires circulation d eau Possibilit d int gration L eau chaude est stock e entre deux parois en double vitrage Attention la r sistance m canique des parois de verre Double vitrage Mise en uvre Difficile Accessibilit par l int rieur Pose des parois et des tanch it s sur place Conformit d usage Pertes thermiques importantes Transparence 4 2 2 Ballon de stockage int gr dans un mur translucide Domaine d emploi Il concerne les syst mes solaires circulation d eau
428. u son tanch it l eau 80 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent Joints Pour assurer des qualit s m caniques compatibles avec les mouvements dus aux dilatations et d placements de la fa ade 3 11 3 Les fa ades double peau Une fa ade double peau est une fa ade multicouche principalement vitr e Une cavit galement appel e couloir d air ou l espace interm diaire est situ e entre les couches vitr es La fa ade int rieure vitr e peut tre munie d un contre c ur opaque Les protections solaires sont g n ralement plac es dans le canal c t cran ou c t fa ade Lorsque le canal est de profondeur suffisante un caillebotis permet le nettoyage et l entretien des elements fixes et mobiles La Figure 3 16 est une repr sentation graphique du fonctionnement d une fa ade double peau orient e vers le sud ITR Figure 3 16 Principe de fonctionnement de la fa ade double peau Sustaining Towers 2004 Une fa ade double peau faite sur mesure respectant les conditions locales occupants climat forme et orientation du b timent peut contribuer la conservation des ressources naturelles et l am lioration du confort des usagers par l utilisation des gains solaires par une r duction de la demande d nergie de chauffage en hiver par une utilisation adapt e des protections solaires et ainsi une r duction des besoins d nergie de rafra chissement en t par u
429. u transfert de chaleur de l ext rieur vers l int rieur et une conomie de l nergie exig e pour rafra chir l espace L occupant aura plus de confort parce que la temp rature radiante moyenne de l espace est r duite La saison de chauffage pr voit deux sc narios g n raux Dans le premier sc nario le syst me est ferm donc pas de d placement d air dans la cavit La cavit se r chauffe augmentant la temp rature de la vitre int rieure et r duisant de ce fait les pertes thermiques Dans le second sc nario l air chaud est introduit dans la cavit pour r chauffer la vitre int rieure et atteindre ainsi le m me r sultat Il existe plusieurs concepts diff rents de fa ade double peau En g n ral les fa ades double peau sont continues au moins sur un tage l entr e d air se fait au niveau de plancher et la sortie au moins au niveau de plancher ci dessus Distinguons celles ci des fen tres ventil es qui sont des composants int gr s dans les murs ext rieurs permettant la lumi re du jour et la ventilation et pour lesquelles l espacement entre l entr e et la sortie de l air est inf rieur l espacement vertical entre le plancher et le plafond Les concepts des fa ades double peau sont g n ralement classifi s selon six crit res ind pendants principaux le type de ventilation le mode de ventilation la hauteur du b timent la composition de la multicouche la profondeur de la cavit d air et les mat riaux de
430. uation 6 22 nous obtenons 177 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s g WxF x 1 U U T base OL AO pal Equation 6 24 Ou F est le facteur de rendement du capteur l F Pixs U T U 7 Equation 6 25 i i l W H U U W D F D C xDh En g n ral la conduction de la soudure est tr s grande et peut donc tre n glig e Ainsi 1 Cbz0 Le facteur de rendement du capteur F augmente lorsque l paisseur de l absorbeur et la conductivit thermique de l absorbeur augmentent Par contre F diminue lorsque la distance W entre deux tubes de conduit augmente En plus si le transfert thermique entre le tube de conduit et le fluide caloporteur augmente mais une augmentation de la conductance thermique en avant U et ou en arri re Up du capteur causera une diminution de F L Equation 6 24 d termine le taux de transfert au fluide caloporteur un point d termin yo de la plaque absorbante Pour un capteur r el la temp rature augmente dans la direction du fluide caloporteur D apr s la loi de conservation de l nergie nous pouvons crire m q x dy c x T y dy T y Equation 6 26 ou n nombre de tube de conduit du capteur m d bit massique du fluide caloporteur C chaleur massique du fluide En rempla ant q de l quation 6 24 dans l quation 6 26 nous obtenons l quation diff rentielle suivante A quation 6 27
431. uction au regard de performances d termin es Elle est reconnaissable par la marque de qualit appos e sur le produit marquage NF des blocs de 62 Chapitre 3 Les proc d s constructifs du b timent b ton marquage Cekal dans les intercalaires des doubles vitrages marquage NF CSTB t dans les feuillures des menuiseries PVC etc Un organisme neutre effectue r guli rement des contr les de cet autocontr le 3 2 D construction et gestion des d chets La force croissante des contraintes li es au respect de l environnement et au d veloppement durable conduit transformer la traditionnelle d molition en une d construction complexe et co teuse D construire c est construire l envers depuis les finitions jusqu aux fondations pour finir par la remise en tat du terrain En parall le la d construction le chantier doit proc der en permanence au tri et la valorisation des d chets Une d construction s lective du b timent doit tre pratiqu e pour viter un m lange des d chets la source permettant ainsi un taux de r cup ration lev Figure 3 1 Une d construction suppose qu un audit pr alable la d molition soit effectu afin d identifier et de caract riser les mat riaux ou l ments r cup rables en fonction des fili res locales de traitement de valorisation ou de r utilisation Pour les chantiers de construction neuve ou de repose apr s r habilitati
432. ue du syst me solaire thermique nous devons utiliser les quations de base de la thermodynamique 171 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s La d marche suivie est semblable celle de l analyse d Hottel Whillier Bliss men e sur des capteurs solaires thermiques plans vitr s ind pendants du b timent DUFFIE J 1980 KREIDER J F 1981 Dans notre analyse nous int grons la temp rature de l ambiance int rieure du b timent comme param tre et nous d veloppons les quations de performances du capteur sous leurs nouvelles formes 6 1 1 Bilan nerg tique du capteur Nous analysons en d tail le bilan thermique d un capteur plan vitr int gr dans l enveloppe du b timent en fa ade ou en toiture tel qu illustr par la figure suivante Figure 6 1 L analyse qui suit s applique aussi bien aux capteurs plans int gr s dans les fa ades qu aux capteurs int gr s dans les toitures aux capteurs circulation de liquide caloporteur qu aux capteurs air AT NX Int rieur Isolan Tube Fluide caloporteur Figure 6 1 Sch ma d un capteur solaire plan vitr int gr dans l enveloppe du b timent Le bilan nerg tique par unit de surface du capteur peut se traduire sous la forme suivante Ou j Op de quation 6 1 avec Qu la puissance utile r cup r e par le fluide caloporteur Q la puissance perdue par convection et c
433. uits du 13 au 18 juillet 377 Annexe C Temp rature de surface du caisson gris T caisson_gris Tamb_int Tamb_ext A RA NA A GE NN NT RAN AV AN Temps Figure C 2 5 Evolution de la temp rature de surface en arri re du coffre du capteur gris du 13 au 18 juillet Temp ratures de structure T lame_air T verre_int T store Tamb_ext 4 h RE PN N N F N INO AN AN PP AA EFAA AJS AN Temps Figure C 2 6 Evolution des temp ratures de la structure de capteur du 13 au 18 juillet 378 Annexe C C 2 2 R sultats de mesures du capteur Gris du 20 au 24 juillet 2005 Eclairement nerg tique horizontal global 1200 1000 800 ail ii 600 Ig Wm HOT wi A 20juil 21juil 22juil 23juil 24juil Temps Figure C 2 7 Eclairement nerg tique horizontal global du 20 au 24 juillet aux GAIA Temp ratures des surfaces des absorbeurs Ts2 Ts4 Ts6 Tamb_ext 20juil 21juil 22juil 23juil 24juil Temps Figure C 2 8 Evolution des temp ratures des absorbeurs du 20 au 24 juillet 379 Annexe C Evolution de la temp rature du ballon MTbl Tb2 Tb3 Tamb_int 20juil 21juil 22juil 23juil 24juil Temps Figure C 2 9 Evolution de la temp rature du ballon de stockage du 20 au 24 juillet Temp ratures des conduits Toi Te2 Tc3 Te DER AURA TEE EE OINO JALU JA
434. ur les tuyaux et l isolant mc l inertie thermique du vitrage Uy la conductivit thermique entre le vitrage et l ambiance ext rieure 179 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s La solution de l quation 6 32 pour des valeurs connues de l irradiation et de la temp rature ext rieure permet d valuer la variation en temp rature moyenne de l absorbeur a partir d une valeur initiale Teo en fonction du temps a a Ces quations d velopp es pour repr senter le mod le num rique d un capteur int gr dans l enveloppe du b timent sont ensuite traduites sous le code MATLAB et int gr es sous TRNSYS comme nous le verrons dans la suite 6 2 Logiciels utilis s dans la simulation Il existe de nombreux outils informatiques qui peuvent servir effectuer le travail de simulation num rique de syst mes solaires thermiques Les caract ristiques n cessaires pour ce travail sont la capacit simuler un syst me solaire global avec une partie b timent La simulation doit tre bas e sur des calculs dynamiques pour appr hender les ph nom nes transitoires 6 2 1 SOLO 2000 Le mod le a t d velopp par le CSTB Centre Scientifique et Technique du B timent dans le cadre d une m thode de calcul de productivit de chauffes eau solaires impl ment e dans le logiciel SOLO GUIAVARCH 2003 Le mod le a pour but de repr senter un chau
435. ur tertiaire Possibilit d int gration Mise en z NE place d un capteur sur une paroi nydrophie p gt Cioisonge CXt rieure doubl e par une seconde Bidu a doublage parol s par e de la premi re par une apparente ODETE Ped ee lame d air Les collecteurs sont situes dans la lame d air Joint vertical Lame d air y non garni D crochement Mise en uvre Le capteur est pos Accessibilit par l ext rieur directement sur le mur Attention l tanch it entre les capteurs Conformit d usage Ajout d isolant pour le capteur sur la face ext rieure 96 Chapitre 4 Des solutions techniques d int gration 4 1 4 Int gration dans les murs en ma onnerie de type IV Domaine d emploi Ce type de mur est utilis dans l habitat collectif et individuel et dans le secteur tertiaire Possibilit d int gration L tanch it du mur de type IV est assur e par un rev tement tanche situ l ext rieur ainsi l int gration d un capteur en bardage sur ce type d enveloppe peut Liteau cr er des ponts thermiques et Bard nos Chevron acoustiques probl mes d tanch it Mise en uvre Pose difficile Accessibilit par l ext rieur Interaction des bardages entre eux tanch it difficile mettre en place Conformit d usage Ajout d isolant pour le capteur sur la face ext rieure 4 1 5 Fa ade panneau bois Domain
436. ure de l eau au sein du ballon par l interm diaire d un graphe d roulant et de 3 thermom tres Ce 236 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade graphique d roulant permet d avoir en abscisse le temps absolu et en ordonn e la valeur des temp ratures Le dernier bloc permet de visualiser les temp ratures de structure gr ce des indicateurs num riques et un graphe d roulant Heres absolu en 4 Enregistrement scenario de puisage 4 F Temp ratures des capteurs oo o Ea Ts En Tsa Ts4 0 Ts5 100 Capteur vert heure d b 3 min deb 3 heure fin 3 min fin 3 mplitude passant 20 13 08 02 00 00 09 28 08 02 09 2005 04 09 2005 05 09 2005 06 09 2005 Temp rature de structure i T ambiante 09 26 08 05 09 2005 06 09 2005 Temps T lame d air T verre int rieur Amplitude T sotre Tb3 ae FT my i i EN T structure caisson gris 20 13 08 2 00 00 02 00 00 09 200 Se SE 02 09 2005 0409 2005 05 09 2005 06 09 20 40 T ambiante 2E 1 T lame d air T verre int rieur T store T structure caisson gris 20 7 Ttechnall 20 3 Ttechnalz 21 50 Tes 19 30 Tcb Figure 7 24 Interface graphique du syst me d acquisition de installation exp rimentale ao 7 6 3 Donnees Climatiques Le complexe des grands ateliers de l Isle d Abeau poss de sa propre station m t orologique install e en 2004 par le Laboratoire des Sci
437. ure maximale du joint au niveau de la lame d air ne d passe pas 70 C celle du store int rieur 95 C et celle du verre ext rieur du double 246 Chapitre 7 Exp rimentation de capteurs int gr s en fa ade vitrage 87 C Pour les joints la plage d utilisation est en g n ral comprise entre 20 C et 70 C les mesures effectu es au niveau du joint de la lame d air permettent de penser qu il n y aura pas d usure anormale des joints Quant a la temp rature maximale atteinte au niveau du caisson gris elle ne d passe pas 45 C en p riode de stagnation sachant que la temp rature int rieure pendant cette m me p riode tait du m me ordre En effet l volution de cette temp rature pendant la p riode d essai et les volutions des temp ratures d ambiance int rieure et ext rieure montrent que la temp rature au niveau du caisson gris est tr s d pendante de la temp rature int rieure dans le cas de notre installation Figure 7 37 Donc cette temp rature qui para t lev e n est en effet que la cons quence d une temp rature ambiante int rieure trop lev e Ceci conduit conclure que pour un cas plus r el o la temp rature int rieure ne doit pas d passer les 30 C cette temp rature ne sera pas plus lev e Temp rature de surface du caisson gris caisson gris Tamb_int Tamb ext 50 D o1 D O oO N oO Temp rature C O
438. us faible frottement interne obtenu avec un minimum d eau de gachage Apr s avoir malax les agr gats le ciment et l eau on coule le b ton pendant qu il est encore humide et maniable Ensuite on vibre le b ton afin de bien r partir les agr gats et d assurer sa fluidit dans les diff rentes cavit s du coffrage Au bout d un certain temps le b ton durcit poss dant alors toutes ses qualit s de r sistance Les armatures pour le b ton arm sont des assemblages de barres en acier fa onn es et assembl es en atelier ou sur chantier ou pr fa onn es en usine treillis soud s ou m tal d ploy 3 6 2 Les b tons pr contraints Le b ton pr contraint r sulte comme le b ton arm de l association interne du b ton et d une armature longitudinale en acier Mais dans le b ton pr contraint on fait subir l acier une tension pr alable ce qui introduit dans le b ton durci une contrainte de compression pr liminaire d o son nom pr contrainte On distingue deux techniques de pr contraintes Pr contrainte par post tension Elle est r alis e par des c bles sous gaines mis en tension par appui sur le b ton suffisamment durci de l ouvrage et munis d organes d ancrage leurs extr mit s c nes d ancrage Pr contrainte par pretension Elle est r alis e par des armatures tendues avant b tonnage sur des bancs de traction fixes Apr s durcissement du b ton dans les coffrages entourant le
439. usiasme qu il a su faire partager autour de cette probl matique en y apportant une r flexion scientifique rigoureuse Matheos Santamouris professeur l Universit d Ath nes et Adel Mourtada professeur l Universit Libanaise pour avoir accept d examiner ce travail et de prendre part ce jury Jean Jacques Roux professeur l INSA de Lyon Didier Mayer professeur l Ecole de Mines de Paris et Samira Kherrouf ing nieur l ADEME pour avoir accept de prendre part ce Jury Mohamed el Mankibi enseignant chercheur l ENTPE pour ses conseils et son aide pr cieuse dans la partie exp rimentale de notre recherche Tous les membres du laboratoire particuli rement Bassam Moujalled avec lesquels j ai eu la chance de travailler dans une ambiance r ellement motivante et sympathique Et plus que tout merci a Ren Claude Chantal Tarek et Ziad sans qui tout cela n aurait aucun Sens R sum L int r t grandissant dans l nergie solaire r side dans le fait qu elle est une source in puisable d approvisionnement en nergie et son usage ne produit n1 mission de polluants ni d chets Pendant les trente derni res ann es les quipements solaires thermiques ont gagn en qualit et en durabilit mais leur utilisation dans le b timent demeure frein e consid rablement par une contrainte majeure leur int gration dans l architecture du b timent L objectif
440. ute de 54 5 du rendement du syst me solaire ayant des capteurs noirs int gr s en fa ade vitrage parclos par rapport un syst me traditionnel Figure 6 26 En effet si l on consid re 100 l nergie fournie par le syst me de r f rence le syst me int gr peut produire 45 5 de la quantit d nergie utile produite avec des capteurs C8S Ce m me graphique nous permet de distinguer l effet p nalisant de l utilisation des couleurs sur la performance ind pendamment de l impact de l inclinaison des capteurs int gr s en comparant les pertes en performance des capteurs avec absorbeurs de couleurs RAL 3007 rouge RAL 6007 vert et RAL 5020 bleu au capteur avec un absorbeur noir int gr en fa ade Ainsi nous observons une chute de rendement de 29 8 du syst me avec un absorbeur RAL 3007 rouge 51 5 avec un absorbeur RAL 6007 vert et 53 4 du 200 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s syst me avec un absorbeur RAL 5020 bleu tous par rapport au syst me avec un absorbeur noir int gr en fa ade Ainsi la performance du capteur avec un absorbeur de couleur RAL 3007 rouge est la plus proche de celle du capteur avec un absorbeur noir classique Les couleurs RAL 6007 vert et RAL 5020 bleu suivent de loin sur le plan de performance LOOK T aaa Se PARIS SUD F VRIER 056 Pourcentage E0 cs LN IF IV LE ve CS 1000 45 5 32
441. valeur limite haute AT utilis e est prise gale 8 C et la valeur basse AT 2 C la pompe se met en marche si AT gt AT et s arr te s1 AT lt AT 6 6 Le syst me global En reprenant toutes les caract ristiques techniques du syst me solaire et du b timent d crites dans le protocole de simulation une mod lisation de l int gralit du syst me a t r alis e Le mod le global de chauffe eau solaire avec des capteurs int gr s dans la fa ade est repr sent dans TRNSYS par les composants incluant la fois le b timent le champ de capteurs solaires le ballon de stockage la pompe de circulation le circuit hydraulique les vases d expansion le r gulateur et tous les autres modules n cessaires soit calculer les sollicitations partir des donn es m t orologiques soit stocker et analyser les r sultats Av vu de la figure repr sentant le mod le global nous pouvons remarquer la complexit dans la constitution et l agencement de tous les modules sur l interface graphique Figure 6 12 Seuls des utilisateurs TRNSYS avertis sauront se retrouver sans difficult 190 Chapitre 6 Mod lisation dynamique de syst mes solaires thermiques int gr s CS ep ee ne ee ee ee ee ee ee ee D a ee ee ne ce ec an ie 1001 JOUT See ee eee Integration simulation Figure 6 12 Le mod le graphique du mod le de syst me solaire int gr en fa ade du b timent
442. valuer la capacit du mod le num rique d velopp d crire le comportement thermique de tels composants MOTS CLES Solaire thermique int gration architecturale proc d s constructifs prospective mod lisation exp rimentation Laboratoire s de recherche Laboratoire des Sciences de l Habitat D partement G nie Civil et B timent URA CNRS 1652 Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat Directeur de these MICHEL Pierre Pr sident de jury J J ROUX Composition du jury A MOURTADA D MAYER P MICHEL M SANTAMOURIS S KHERROUF
443. x valu e globalement Deux autres variables peuvent tre am lior es directement travers les am liorations apport es aux variables motrices comme tant des variables moyennement d pendantes et peu motrices la facilit d intervention et le co t de l installation 5 3 6 Les limites de l analyse La m thode d analyse structurelle a pour but d aider le d cideur et non de prendre sa place Elle ne consiste pas en une description pr cise de la structure et du fonctionnement du syst me mais bien en une mise en vidence des variables cl s et donc des grands traits de l organisation du syst me Il convient d utiliser les r sultats en gardant pr sentes l esprit les limites de notre analyse La premi re limite provient du caract re subjectif de la liste de variables Les pr cautions prises sont une garantie mais pour des raisons pratiques le nombre de variables ne peut exc der quelques dizaines cela nous a conduit regrouper des sous variables ayant trait une m me dimension du probl me La seconde limite est li e au caract re subjectif du remplissage de la matrice et de l intensit donn e aux liaisons entre les variables Une matrice n est jamais la r alit mais un moyen de la regarder une photographie Comme toute photographie l analyse structurelle montre des choses traduisant une partie de la r alit mais r v le aussi le talent du photographe et la qualit de son quip
444. yon fr MathIS Institut Girard Desargues UMR 5028 MATHEMATIQUES M Franck WAGNER Batiment Doyen Jean Braconnier Bureau 101 Bis 1 tage Insa G BAYADA 69622 VILLEURBANNE Cedex T l 04 72 43 27 86 Fax 04 72 43 16 87 Franck wagner univ lyon1 fr MECANIQUE ENERGETIQUE GENIE M Fran ois SIDOROFF CIVIL ACOUSTIQUE Ecole Centrale de Lyon http www Imfa ec Lab Tribologie et Dynamique des Syst mes Bat G8 lyon fr autres MEGA index html 36 avenue Guy de Collongue BP 163 M Francois SIDOROFF 69131 ECULLY Cedex T l 04 72 18 62 14 Fax 04 72 18 65 37 Insa G DALMAZ Francois Sidoroff SCIENCES DES SOCIETES DE Mme Claude Isabelle BRELOT L ENVIRONNEMENT ET DU DROIT Universit Lyon 2 86 rue Pasteur Mme Claude Isabelle BRELOT 69365 LYON Cedex 07 T l 04 78 69 72 76 Fax 04 37 28 04 48 Claude isabelle brelot univ lyon2 fr Insa J Y TOUSSAINT MEGA Avant propos Notre Travail s est d roul au sein du Laboratoire des Sciences de l Habitat du D partement Genie Civil et B timent unit de recherche associ e au CNRS D 1652 situ dans l Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat Vaulx en Velin Je tiens particuli rement remercier G rard Guarracino directeur du D partement G nie Civil et B timent gr ce qui ce travail s est pu tre r alise Pierre Michel mon directeur de th se pour son encadrement et son soutien actif tout au long de mes recherches ainsi que le r el entho

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