Stockage de masse d'énergie
L'efficacité énergétique consiste à utiliser moins d'énergie pour obtenir le même résultat. Le free cooling désigne l'utilisation des températures extérieures plus fraîches la nuit comme source naturelle de refroidissement, évitant ainsi au refroidisseur de consommer de l'énergie supplémentaire. Ces deux éléments, l'efficacité énergétique et le free cooling, sont des résultats essentiels de l'utilisation du potentiel du stockage de masse d'énergie. L'utilisation de la masse d'un bâtiment pour stocker l'énergie jusqu'à la nuit permet de tirer parti des deux avantages sans compromettre le climat intérieur.
Construire des bâtiments écoénergétiques
La gestion thermique des espaces intérieurs joue un rôle essentiel dans l’efficacité énergétique d’un bâtiment. Une approche efficace consiste à utiliser des matériaux à forte inertie thermique, comme les plafonds en béton, pour mieux réguler les variations de température.
Prenons l’exemple des maisons passives : elles sont conçues de manière très compacte afin de minimiser les pertes thermiques et de s’adapter aux variations de température sans recourir immédiatement au chauffage ou à la climatisation. Cette conception réduit la dépendance aux systèmes artificiels de régulation thermique.
Cependant, lorsqu’il s’agit de construire des bâtiments écoénergétiques avec des volumes plus ouverts ou de larges surfaces vitrées, il devient crucial d’utiliser des matériaux capables de stocker et de restituer la chaleur de manière efficace.
Le choix des matériaux a un impact direct sur la capacité d’un bâtiment à absorber, stocker et diffuser l’énergie thermique. Par exemple, lors d’une journée d’été particulièrement chaude, une maison en béton, grâce à sa grande capacité thermique, absorbera et retiendra la chaleur, ralentissant ainsi les variations de température intérieure. En revanche, une maison en bois, avec une inertie thermique plus faible, subira des fluctuations de température plus rapides, rendant le confort thermique plus difficile à maintenir.
Optimiser la masse thermique d’un bâtiment est donc un levier clé pour concevoir des structures durables et écoénergétiques, offrant un meilleur confort tout en réduisant la consommation d’énergie.
Stockage thermique dans la masse
L’énergie est stockée ou libérée lorsqu’il existe une différence de température entre la structure en béton et l’environnement intérieur. Lorsque la température intérieure est élevée, le béton absorbe la chaleur, stabilisant ainsi la température ambiante et réduisant le besoin en énergie provenant d’autres sources pour assurer un confort thermique optimal.
Une fois le béton réchauffé, l’énergie accumulée peut être restituée à l’environnement intérieur. Cependant, les mouvements d’air naturels dans une pièce ne suffisent pas à exploiter pleinement ce potentiel énergétique. Pour améliorer l’échange thermique avec la pièce et limiter le recours à des sources de chauffage ou de refroidissement supplémentaires, il est nécessaire d’intensifier la circulation de l’air le long de la surface en béton ou d’augmenter les échanges de chaleur par rayonnement.
De plus, des solutions hydroniques d’activation du béton ou des échangeurs thermiques intégrés dans la pièce peuvent être utilisés pour extraire efficacement l’énergie stockée dans la masse du bâtiment.
Capacité thermique
Tous les matériaux possèdent une inertie thermique, ou capacité thermique. Celle-ci dépend non seulement du coefficient thermique (c) propre à chaque substance ou mélange de substances, mais aussi de la masse (m) du matériau concerné. Selon l’équation thermique, plus un matériau est massif, moins il se réchauffe rapidement, même avec un apport énergétique identique.
Aujourd’hui, la masse des bâtiments tend à augmenter afin de mieux gérer les épisodes de chaleur ou de froid soudains, sans recourir immédiatement à des systèmes de régulation thermique supplémentaires ni à des sources d’énergie additionnelles. Les constructions très solides conservent une température stable malgré les variations saisonnières. Un bon exemple est celui des anciennes églises, dont les épais murs de pierre permettent de maintenir une température intérieure relativement constante tout au long de l’année.
Avec cette équation, il devient évident que les corps de grande masse se réchauffent moins que ceux de faible masse, même avec le même apport énergétique.
Énergie libérée dans la pièce
Il existe différents produits sur le marché permettant d’exploiter le principe du stockage thermique dans la masse. Nous en présenterons quatre ci-dessous, en mettant en avant leurs principaux avantages et/ou inconvénients.
Transfert thermique hydraulique
La connexion thermique via des canalisations d’eau consiste à relier directement un produit au plafond en béton à l’aide de tuyaux transportant de l’eau. Cette méthode permet de chauffer ou de refroidir efficacement le béton grâce à un contact direct entre les canalisations et la structure.
Ce principe offre une excellente efficacité énergétique en exploitant la capacité de stockage thermique du béton. Toutefois, une limitation majeure réside dans la réduction du refroidissement par convection naturelle : le contact direct entre les canalisations et la dalle isole thermiquement la surface du béton de l’air ambiant, diminuant ainsi la dissipation thermique. L’échange repose alors principalement sur le rayonnement et la conduction.
En mode chauffage, l’énergie est transmise au béton puis diffusée progressivement dans la pièce. Cependant, si la charge thermique est faible (pièce inoccupée, temps couvert), une surchauffe peut survenir lorsque l’occupation augmente ou que des apports solaires imprévus viennent s’ajouter. En effet, une fois saturé, le béton a une capacité limitée à absorber un excédent de chaleur, ce qui peut impacter le confort thermique. Néanmoins, la plupart des bâtiments fonctionnent avec une température réduite durant la nuit, ce qui permet au béton de retrouver une capacité de stockage thermique et d’absorber efficacement la chaleur générée par l’occupation ou les apports solaires en journée.
Connexion thermique par activation du noyau en béton
L’activation du noyau en béton est l’un des exemples les plus simples de connexion thermique à la masse. Ce procédé consiste à intégrer des canalisations d’eau directement dans la dalle en béton lors de la construction. Ces canalisations, noyées dans la masse structurelle du bâtiment, permettent un échange thermique direct avec le béton, facilitant ainsi la régulation thermique de l’espace intérieur.
Grâce à l’inertie thermique du béton, cette méthode offre une excellente prévention des surchauffes en absorbant et restituant progressivement l’énergie thermique. Cependant, comparée aux systèmes intégrant des panneaux rayonnants en plafond, elle présente des capacités de chauffage et de refroidissement nettement inférieures.
Un autre inconvénient majeur réside dans la lenteur de la réponse thermique. En effet, en raison de la grande inertie de la masse bétonnée, il existe un décalage significatif entre une variation de charge thermique dans la pièce et son impact perceptible sur le climat intérieur. L’énergie doit traverser toute l’épaisseur du béton avant d’influencer la température ambiante, rendant la régulation moins réactive.
Enfin, cette solution présente une rigidité architecturale : une fois le béton coulé, l’implantation d’éclairages, de systèmes de sprinklers ou de panneaux d’absorption acoustique devient plus complexe, limitant la flexibilité des aménagements intérieurs.
Connexion thermique par rayonnement
Connexion thermique par air
Dans cette méthode de connexion thermique à la masse, l’air dans la pièce est guidé entre le plafond en béton et le plafond rayonnant, qui est installé avec un espace par rapport au plafond. Pendant la journée, lorsque l’air circule à travers cet espace, l’air chaud de la pièce est refroidi à la fois par le béton plus froid et par le plafond rafraîchissant. Le flux d’air, circulant à une vitesse relativement élevée, augmente ainsi le coefficient de transmission thermique, permettant un transfert de chaleur plus important et une absorption plus efficace de l’énergie thermique dans le béton.
En général, le débit d’air est réduit ou arrêté pendant la nuit. L’énergie thermique accumulée dans le plafond en béton au cours de la journée est ensuite restituée dans la pièce par convection et rayonnement durant la nuit. Pour que cette méthode soit pleinement efficace, il est important de ne pas utiliser de matériaux isolants comme la laine minérale sur le plafond, car cela entraverait le transfert thermique.
Il est également essentiel de prendre en compte que les modèles de circulation de l’air peuvent influencer l’efficacité du système. Il est préférable d’avoir un flux d’air uniformément distribué sur toute la surface du plafond et un mouvement de l’air qui part de la façade la plus chaude vers la zone du corridor ou du hall. En outre, il est recommandé que la direction du flux d’air suive les mouvements naturels de l’air dans la pièce, afin d’optimiser l'effet de stockage thermique de la masse tout en évitant les courants d’air désagréables.
Stockage thermique et consommation énergétique
Comme indiqué précédemment, il existe des produits pour le climat intérieur qui permettent de maintenir une température confortable de manière énergétiquement efficace. Par exemple, un plafond climatique peut être utilisé pour le refroidissement en mode de free cooling exclusivement la nuit. Cette solution est viable pendant la majeure partie de l’année, à l’exception des périodes de forte chaleur.
Cependant, comme l’énergie thermique peut être stockée dans la masse du bâtiment, l’énergie consommée durant une journée chaude est considérablement réduite, car l'énergie stockée dans la masse du bâtiment peut être utilisée pour maintenir une température confortable. Cela signifie que le COP (coefficient de performance) de l’unité de réfrigération est bien plus élevé pendant la nuit que pendant la journée, ce qui permet de réduire considérablement la consommation d’énergie électrique pour le refroidissement.
Lorsque le mode de free cooling devient disponible, aucun énergie électrique n’est nécessaire pour le refroidissement, à l'exception de la consommation de la pompe. Ce mode de fonctionnement mène à une réduction dramatique des émissions de CO2, contribuant ainsi à un fonctionnement plus durable et économe en énergie
Plafonds climatiques et climat intérieur
Le chauffage ou refroidissement par le plafond permet de maintenir un bon climat intérieur dans la pièce, à condition que le produit soit correctement installé, mis en service et régulé. Dans le cas d’une solution de chauffage, la chaleur émise par les produits de plafond chauffe les objets et les surfaces de la pièce, qui restituent ensuite la chaleur dans l’espace, créant ainsi un climat intérieur confortable.
La technique diffère lorsqu’il s’agit d’une solution de refroidissement. L’air chaud monte vers le plafond, où il est refroidi par le produit de plafond, puis redescend dans la zone occupée de la pièce. Quelle que soit la fonction, les plafonds climatiques garantissent un climat intérieur homogène et agréable, contribuant ainsi au bien-être des occupants dans l’espace.
En France, notre savoir-faire en matière de plafonds rayonnants se reflète à travers la marque Barcol-Air, reconnue pour la qualité, l’innovation et la fiabilité de ses produits.
Notre équipe est à votre entière disposition pour répondre à toutes vos questions et vous apporter l’assistance nécessaire concernant nos solutions de confort thermique.