Recherche & développement

Les effets positifs d’une double peau photovoltaïque

Mots clés : Energie renouvelable - Verre

Montrer les impacts positifs d’une façade double peau solaire photovoltaïque sur le bâti existant, tel était l’objectif du projet Ressource. Après un an de fonctionnement, les premiers résultats en révèlent la pertinence.

Initié en 2008 dans le cadre d’un projet de recherche Prebat, le projet Ressource -Redéfinition des EnveloppeS des bâtimentS par Optimisation et Utilisation Rationnelle des Composants générateurs d’Electricité Solaire – livre aujourd’hui ces premiers résultats. « Lesquels, explique Patrick Lahbib, responsable innovation Hydro bulding System chez Technal (l’un des acteurs industriels à l’initiative de ce projet), sont positifs et en cohérence avec ce que nous attendions ».

 Concrètement, ce programme de recherche Prebat 2007, subventionné par l’Ademe, a démarré en décembre 2008 et s’est achevé en décembre 2011. Porté par un consortium regroupant des labos de recherche (Cethil de Lyon, EDF, Leevam de Cergy Pontoise), un architecte (Jacques Ferrier) et des industriels (Tenesol et Technal), il s’inscrit dans la droite ligne du Grenelle Environnement et vise à améliorer la performance énergétique des bâtiments, afin de réduire les émissions de CO2.
Particularité: le projet s’est intéressé à l’existant. L’objectif étant de développer un concept d’enveloppe dynamique et architecturale, adapté à la rénovation de tout type de construction : secteur tertiaire et résidentiel, individuel ou collectif.

 

Double peau solaire

 

Le résultat de ces recherches a débouché, dans un premier temps, sur la présentation, à l’occasion de Batimat 2011, d’un concept de façades double peau solaire (photovoltaïque). Cette façade légère, positionnée devant l’enveloppe principale du bâtiment existant, remplit en théorie au moins quatre fonctions – sans parler de la production d’électricité : isolation du bâtiment sur les plans acoustique et thermique, en été comme en hiver; amélioration du rendement des composants photovoltaïques, lequel dépend entre autres de la  température des cellules (perte de rendement lorsque l’échauffement est trop grand); requalification de la façade quant à son esthétique. Avantage collatéral : les travaux effectués à l’extérieur du bâtiment ne perturbent pas l’activité qui s’y déroule.

 

Scénario été hiver

 

Sur le plan dynamique, la gestion de l’espace créé entre les parois permet d’adapter le comportement de la façade en fonction des conditions climatiques, évoluant au cours de la journée et selon les saisons. Par exemple en scénario hiver, en fermant l’espace, la façade crée un espace tampon qui renforce l’isolation du bâtiment. A contrario, en été, l’espace est ouvert en pied et tête de façade pour créer un mouvement ascendant par tirage thermique. Ce flux d’air va rafraîchir la surface du bâtiment et les cellules photovoltaïques. Ces dernières, placées sur les façades sud et ouest, remplissent aussi une fonction de protection solaire pour les occupants. Selon ce principe, deux prototypes ont été développés : un modèle tertiaire lisse ou plissé (verticalement ou horizontalement); installé à Toulouse ; un autre, résidentiel, pouvant couvrir paroi et toiture dans une configuration véranda (espace à vivre) ou double-peau à Fontainebleau (voir encadré).

 

 Effet de cheminée et de déphasage

 

Dotées de capteurs permettant d’analyser leur comportement, les façades ont été étudiées de près et les premiers enseignements peuvent aujourd’hui être tirés : « Déjà, il y a cohérence. Dans les deux configurations -tertiaire et habitat-, le comportement des façades est semblable. Et nous avons pu mettre en évidence deux phénomènes : un écoulement d’air par effet de cheminée, écoulement constant plus faible le jour que la nuit, et un effet de déphasage », précise Patrick Lahbib.

 Ainsi pour la façade tertiaire sur une journée type – ensoleillement qui croît doucement de 9 à 11 h, puis décolle pour atteindre un maximum vers 15 h et décroit ensuite jusqu’à 17 h-, les mesures ont révélé des valeurs maximales à 0,3 m/s (pour des vitesses de 0,4 à 0,5 m/s attendues). Celles-ci mettent en évidence les deux phénomènes qui régissent l’effet de cheminée : le tirage thermique lié à l’ensoleillement : le soleil chauffe l’air de la lame à travers le verre de la seconde peau par effet de serre; ainsi l’air chaud monte et l’effet dynamique dû aux conditions météorologiques (vent, différences de pression).

 

Tirage thermique

 

Les jours où les courbes d’ensoleillement sont régulières, les chercheurs ont constaté que le maximum de vitesse est déphasé par rapport au maximum d’ensoleillement (environ 17 h contre 15 h), ce qui tendrait à prouver qu’il faut un certain temps à l’effet cheminée pour s’installer. «Un point crucial ! Ainsi, lorsque le flux s’installe, cela permet d’abaisser la température dans le bâtiment».
En cas d’ensoleillement moins régulier avec une vitesse de vent non négligeable et des pressions plus faibles (temps nuageux), les relevés de vitesse sont moins ordonnés et moins homogènes, mais avec des valeurs plus élevées : «L’effet dynamique a sans doute des impacts plus locaux sur les vitesses d’écoulement dans la lame mais, au final, il se combine de manière positive au tirage thermique». La nuit en revanche, le tirage est logiquement plus faible. Un point positif pour Patrick Lahbib : « Cela signifie que la configuration participera à la décharge thermique nocturne du bâtiment et qu’il est possible de mettre en place un scénario de night cooling en faisant rentrer cet air dans le bâtiment pour accélérer la décharge thermique ».

 

Vitesse d’écoulement

 

 Cette double façade a également des incidences sur les relevés de températures à l’intérieur des bâtiments : « Effectués à l’intérieur derrière la double-peau et à coté, lesdits relevés nous indiquent qu’il y a peu de différences jusqu’à midi. En revanche, durant l’après midi, une différence apparaît et augmente jusqu’à atteindre 8°C à 16h (28°C et 35°C). Ce qui est cohérent avec le profil des vitesses d’écoulement dans la lame d’air : le tirage s’installe à partir de 12 h et le pic de vitesse correspond au maximum de différence de température observée. A partir du moment où le flux s’installe, il permet d’abaisser la température à l’intérieur du bâtiment. Un point intéressant est le phasage entre cette vitesse d’écoulement et la température à l’intérieur du bâtiment. Cette dernière continue de croître, alors que l’ensoleillement diminue (dû à l’inertie du bâtiment), et c’est également le cas pour la vitesse d’écoulement ». Enfin, les cellules jouent un rôle de protection solaire qui limite l’échauffement dans le bâtiment. Il n’est cependant pas possible de dire quelle est la part de cette protection solaire par rapport à celle de l’écoulement dans la différence des 8°C observés.

 

 Abaissement des températures

 

Un autre des objectifs du projet était de refroidir passivement les panneaux photovoltaïques, afin d’en améliorer le rendement.
Sur le site de la Renardière en plein été, les panneaux photovoltaïques en toiture (verre tedlar noir) ont atteint des températures de 50 à 60°C au plus haut de la journée, avec des pics à 65°C pour les quelque journées les plus défavorables, pour des températures extérieures de 28 à 34°C. Par rapport à d’autres solutions d’intégration photovoltaïque avec lames d’air limitées testées sur le site, la température est montée à plus de 80°C, voire 90°C dans les pires conditions : « On peut dès lors estimer que la production des panneaux est améliorée d’environ 10% avec la solution mise en place ».

Enfin les mesures de température de l’air prises à hauteur d’homme ont montré que l’ambiance dans la véranda solaire reste vivable en plein été, malgré la température extérieure et l’effet du soleil.

Au vu de ces résultats jugés positifs par les concepteurs de cette double façade, le projet va connaître d’autres développements avec deux nouveaux prototypes. Il s’agira cette fois-ci d’étudier l’aspect actif de la façade : utilisation de l’air chaud du tampon thermique en hiver pour chauffer le bâtiment, utilisation du courant d’air frais du canal en été pour refroidir le bâtiment (night cooling …), évaluation de l’impact sur la consommation énergique du bâtiment et bilan environnemental.

 

Focus

Descriptif des prototypes

Façade plissée verticale pour le bâtiment tertiaire du siège Hydro Building Système, à Toulouse. Trame de 7,4m de haut par 4,5 de large, composée de 30 éléments prismatiques sur cinq colonnes et six lignes. Chaque élément prismatique comporte un vitrage photovoltaïque orienté 20° sud et un vitrage teinté orienté 27° nord. La double-peau est à 60 cm de la paroi du bâtiment.

 La maison Etna du centre de recherche EDF «les Renardières » a été équipée de deux prototypes de façades :

– Un prototype véranda : paroi de 4 m de large par 5,4 m de haut, à 3 m du mur de la maison. L’élément en toiture fait 4 m de large et 8,55 de long. En façade, des modules photovoltaïques Biver avec cellules vertes en densité variable. En toiture, des modules photovoltaïques Tedlar noir avec cellules vertes.

– Un prototype double-peau : paroi de 4 m de large par 5,4 m de haut, à 60 cm du mur de la maison. L’élément en toiture fait 4 m de large par 6,75 m de long. En façade, des modules photovoltaïques Biver avec cellules roses en densité variable. En toiture et façades, allège des modules photovoltaïques Tedlar noir avec cellules roses.

 

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