Où en est l’activation du noyau de béton en 2021 ?
LA ROUTE VERS LES SOLUTIONS HYBRIDES EST OUVERTE !
L’activation du noyau de béton a fait sa percée au cours de la première décennie du XXIe siècle. Le système a été chaleureusement accueilli comme la solution ultime d’e cacité énergétique pour le chau age et la climatisation. Depuis lors, notre conscience énergétique s’est considérablement développée. Cependant, l’application de l’activation du noyau de béton ne semble pas avoir augmenté proportionnellement. En raison de la forte évolution du secteur du CVC (pour chau age, ventilation et climatisation) et de l’utilisation de systèmes de contrôle intelligents, cette situation semble désormais changer rapidement. Dans cet article, deux experts dans le domaine de l’activation du noyau de béton font le point sur la situation. Il s’agit de Raf Poppe, chef de produit chez ECHO, et du professeur-ingénieur Wim Boydens, impliqué dans le projet de recherche européen « hybrid-GEOTABS »* dans lequel, outre Boydens engineering, la KU Leuven et l’UGent ont également joué le rôle de partenaires et d’initiateurs amands.
L’ACTIVATION DU NOYAU DE BÉTON EST PARFAITE, EN COMBINAISON AVEC DES SYSTÈMES COMPLÉMENTAIRES
RAF POPPE : « Il est aujourd’hui généralement admis que l’activation du noyau de béton n’est pas un système que l’on peut simplement activer et
désactiver. Parce qu’il est basé sur l’accumulation d’énergie, c’est un système qui nivelle les différences de température sur 24 heures. C’est un système lent, puisqu’il faut 4 heures pour que la température dans la masse du bâtiment diminue ou augmente d’un degré. Cela ne correspond pas toujours aux attentes de l’utilisateur, qui aime avoir un impact direct sur son climat intérieur. Aujourd’hui, on s’accorde à dire qu’il est préférable d’activer le noyau de béton pour fournir une base structurelle de 70 à 85 % de la capacité énergétique totale. Pour le reste des besoins (chauffage
et refroidissement), on fait appel à un système supplémentaire qui réagit plus rapidement. Ces dernières années, de plus en plus de systèmes supplémentaires sont apparus sur le marché. »
Principe général d’un système de pompe à chaleur
- Compression
- Condensation
- Détente
- Évaporation
*« hybrids-GEOTABS » est le nom du projet de recherche quinquennal récemment achevé dans lequel boydens engineering, le groupe de recherche sur la simulation des systèmes thermiques de la KU Leuven et le groupe de physique du bâtiment du département d’architecture et d’urbanisme de l’UGent se renforcent mutuellement. GEOTABS désigne la combinaison d’une pompe à chaleur géothermique avec des systèmes de construction activés thermiquement. Parmi les informations présentées succinctement dans l’entretien, vous trouverez un manuel plus complet en surfant sur www.hybridgeotabs.eu.
WIM BOYDENS : « Nous aussi, nous sommes passés du projet GEOTABS au projet ‘hybrid GEOTABS’. Cela signifie que nous avons commencé à considérer la recherche sur le chauffage et le refroidissement au moyen de l’énergie géothermique et des éléments de construction activés thermiquement dans un contexte plus large. Pure GEOTABS, où l’activation du noyau de béton (TABS) complète le rôle du système de distribution, par exemple, est un concept très performant. Mais cela peut atteindre une limite dans les bâtiments qui d’un point de vue architectural ne sont pas conçus comme des bâtiments purement GEOTABS. C’est pourquoi les dalles de plancher à activation thermique sont utilisées comme le plus efficace de deux systèmes complémentaires. C’est aujourd’hui encore plus possible que jamais grâce à un système de ventilation bien adapté qui surveille
la température de manière complémentaire et au « model predictive control (MPC) qui permet de piloter le processus.
Grâce à la collecte et au suivi des données, le système peut s’adapter ou anticiper la demande (prévue). Un système secondaire rapide devrait alors être capable d’ajouter de la puissance thermique lorsque les limites du TABS ou de son contrôle sont atteintes. Dans la plupart des bâtiments, cette fonction peut être facilement réalisée en intégrant des batteries de chauffage ou de refroidissement au système de ventilation. Tout cela semble simple, mais ces MPC nécessitent une bonne configuration lors de la phase de développement, deviennent de plus en plus automatisés et sont désormais prêts pour un large déploiement. Il s’agit d’un grand pas en avant, car il garantit l’utilisation du système le plus confortable et le plus respectueux du climat, qui ne complète l’autre qu’en cas de nécessité absolue. »
RAF POPPE : « L’activation du noyau de béton est particulièrement adaptée aux concepts de construction où les capacités thermiques de chauffage et de refroidissement restent limitées. L’activation du noyau de béton dans les bâtiments résidentiels est possible, mais ces derniers ne disposent pas
toujours d’un système de gestion des bâtiments et d’un système supplémentaire permettant d’ajuster les exigences variables de chaque « pièce ». Dans les grands bâtiments, tels que les maisons de retraite ou les bureaux, où l’on utilise de moins en moins de chauffage mais de plus en plus de refroidissement, l’activation du noyau de béton en combinaison avec ces systèmes prédictifs peut être une solution écologique, économique et confortable parfaite.
L’utilisation de la BIM dans la gestion des installations jouera certainement un rôle à cet égard. En utilisant la BIM, un « jumeau numérique » du bâtiment peut être tenu à jour. Les gestionnaires d’installations peuvent utiliser ces informations pour contrôler le climat en fonction du nombre d’heures de soleil, par exemple. »
« Ce faisant, nous répondons à la tendance qui consiste à concevoir des bâtiments qui seront utilisés pendant très longtemps et dont la fonction évoluera au fil des années. »
LE FORAGE GÉOTHERMIQUE NE DOIT PLUS ÊTRE UN OBSTACLE
RAF POPPE : « L’activation du noyau de béton fonctionne idéalement en combinaison avec l’énergie géothermique, en raison du faible T entre les systèmes primaire et secondaire (voir encadré). Le forage pour l’énergie géothermique est de plus en plus accessible. Cela permet également d’abaisser le seuil d’activation du noyau de béton lui-même. Par exemple, il existe une base de données qui indique les endroits où le forage géothermique est possible. Vous savez donc à l’avance si votre site est approprié et vous économisez le coût du forage d’essai. »
WIM BOYDENS : « Aucun risque ne peut être pris en termes de confort et donc de puissance disponible et, d’autre part, nous voulons réaliser la production d’énergie la plus durable possible avec un investissement minimal. Par conséquent, la surface du champ de forage est dimensionnée de manière optimale. L’outil de dimensionnement et la méthodologie sous-jacente que nous avons développés tournent également en partie autour de la collecte de données, à la fois simulées et basées sur l’expérience. Plus nous avons de connaissances, plus nous pouvons les appliquer au dimensionnement du champ de forage pour mieux l’adapter. De ce fait, nous pourrons utiliser des champs de forage plus réduits (et donc moins chers) sans sacrifier la durabilité à long terme. »
LE CONCEPT DE » TEMPS DE RETOUR SUR INVESTISSEMENT » JOUE UN RÔLE DE PLUS EN PLUS IMPORTANT DANS LE CHOIX D’UN PRODUIT
RAF POPPE : « Depuis les premières applications, l’activation du noyau de béton est un système particulièrement intéressant. Cependant, vous devez toujours prendre en compte l’ensemble du cycle de vie. Le système, lié à l’énergie géothermique, est légèrement plus cher à l’achat qu’un système classique, mais une fois installé, le coût énergétique est négligeable. Le concept de « délai de récupération » et « TCO » a mis du temps à se développer, mais aujourd’hui il est systématiquement pris en compte lors des choix. Un prix d’achat plus élevé est aujourd’hui moins souvent une pierre d’achoppement qu’aux débuts de la géothermie. »
WIM BOYDENS : « Entre-temps, nous savons aussi que l’utilisation de GEOTABS pour l’ensemble de la demande peut conduire à des systèmes surdimensionnés et à un délai de récupération trop long. C’est une autre raison pour laquelle la logique hybride a du sens, tant d’un point de vue financier qu’écologique et technique. »
L’ACTIVATION DU NOYAU DE BÉTON EST LE BON CHOIX DANS UN BÂTIMENT AYANT DES BESOINS DE CHAUFFAGE ET DE REFROIDISSEMENT
RAF POPPE : « En raison de l’énergie géothermique, l’activation du noyau de béton est plus efficace dans les bâtiments où le chauffage et le refroidissement sont tous deux nécessaires. C’est le cas lorsque de nombreuses personnes ou beaucoup d’équipements sont réunis, des centres de soins résidentiels ou d’autres institutions publiques ou résidentielles, mais aussi des immeubles de bureaux. En raison de l’amélioration constante des concepts et des normes de construction, nous constatons une nette tendance à la réduction de la capacité de chauffage installée et à l’augmentation des besoins de refroidissement. Cela permet également « d’activer » le plafond et l’ensemble de la masse du bâtiment pour une meilleure atténuation des pics et rend les systèmes à basse température très intéressants. »
WIM BOYDENS : « Le système peut bénéficier du refroidissement géothermique passif pendant de longues périodes de l’année, ce qui le rend beaucoup plus efficace que tout autre système de refroidissement. La chaleur extraite du bâtiment en été est utilisée pour un chauffage plus efficace, écologique et renouvelable en hiver, et vice versa. »
LES PLAFONDS ACOUSTIQUES, LES FENÊTRES OUVERTES ET LES AUTRES CHOIX DE CONCEPTION NE DOIVENT PAS ÊTRE UN PROBLÈME
RAF POPPE : « Il y a aussi d’autres dogmes qui ont été abandonnés entre-temps. Je pense à la question des plafonds suspendus, qui a suscité une certaine résistance. Avec l’activation du noyau de béton, il a été recommandé de garder le plafond dégagé. Cela peut causer des problèmes acoustiques. Ne soyons pas trop dogmatiques à ce sujet. S’il est nécessaire d’adopter une approche acoustique, il existe des solutions suffisantes et assez créatives. »
WIM BOYDENS : « Des études en laboratoire et des études empiriques ont montré que même avec certains panneaux ou plafonds acoustiques, il y a toujours un échange thermique important entre la surface TABS et la pièce. Une couverture de surface acoustiquement absorbante suspendue de 70 % ne permet de réduire les émissions que d’environ 30 %. »
RAF POPPE : « Dans les premiers projets concrets d’activation du noyau central, les bâtiments étaient systématiquement équipés de fenêtres fermées, afin de contrôler totalement le climat intérieur. L’utilisateur individuel aime avoir un impact sur la contrôlabilité et aspire à une interaction avec l’environnement. Ouvrir une fenêtre en fait partie. La conception est maintenant beaucoup plus adaptée à cela. »
WIM BOYDENS : « Il s’agit d’une stratégie visant à concevoir le bâtiment de manière à ce que le profil de la demande corresponde parfaitement à GEOTABS en optimisant les niveaux d’isolation, le vitrage et l’ombrage. Cette approche était courante dans les décennies précédentes et reste intéressante pour certains bâtiments.
Aujourd’hui, la question de conception est plutôt : quelle partie de la demande de chauffage et de refroidissement est-il approprié d’attribuer à GEOTABS et qu’est-ce que nous résolvons par des systèmes de contrôle prédictifs et d’autres solutions ? Et le système est également à l’épreuve du temps. Après tout, si dans les années à venir les prix de l’électricité deviennent moins élévés aux moments où le soleil ou le vent augmentent la part des énergies renouvelables, le béton pourra être chargé, alors qu’il ne libérera sa chaleur ou son froid qu’une demi-journée plus tard, lorsque la demande se fera réellement sentir. Cela illustre la puissance de la régulation prédictive d’un point de vue financier. De tels développements et déploiements sont au menu d’enerCORE, le centre de connaissances ouvert, que nous lançons actuellement avec les partenaires du projet hybrid-GEOTABS. Chez enerCORE, tous les acteurs de la pratique et de la recherche dans les domaines concernés sont les bienvenus pour contribuer au déploiement qualitatif. »
« La géothermie, associée à des éléments de construction activés thermiquement, est un bon deal entre architecture, bien-être et écologie. Ce n’est pas un concept simple, mais du simple fait qu’il est si écologique, il mérite une comparaison équitable avec les concepts concurrents dans les modèles de décision. »
LES SYSTÈMES PRÉFABRIQUÉS EN ACTION
Il existe sur le marché plusieurs systèmes d‘activation du noyau de béton et en béton préfabriqué. Nous expliquons brièvement ces deux systèmes.
ACTIVATION DU NOYAU DE BÉTON AVEC DES DALLES PRÉCONTRAINTES
Les dalles alvéolées précontraintes avec activation du noyau en béton sont fournies par Echo nv, membre de la FEBE, sous le nom de « Climadeck ». Nous avons posé quelques questions sur le système au chef de produit Raf Poppe.
BETON : Pouvez-vous expliquer brièvement le système ?
RAF POPPE : « Les tuyaux sont encastrés en usine dans une dalle précontrainte. La tuyauterie qui active le béton se trouve sous les alvéoles. Parfois, les tuyaux peuvent être encastrés dans la dalle de plancher normale. La peau de béton normale de 3 à 4 cm est portée à environ 12 cm afin d‘obtenir une capacité d‘accumulation suffisante pour l‘activation thermique. La tuyauterie étant alors plus profondément enfouie, il est toujours possible de forer dans la couche la plus basse du plafond en toute confiance. »
BETON : Les applications possibles de l‘activation du noyau de béton sont discutées dans l‘article général. Y a-t-il quelque chose à ajouter ici spécifiquement pour Climadeck ?
RAF POPPE : « Comme nous travaillons avec des dalles alvéolées précontraintes, nous nous concentrons sur les projets de grande envergure et les grandes portées avec un minimum de structure porteuse intermédiaire. C‘est là que Climadeck entre en jeu. Ce faisant, nous répondons à la tendance qui consiste à concevoir des bâtiments qui seront utilisés pendant très longtemps et dont la fonction évoluera au fil des années. » Si le bâtiment est démonté après quelques générations, les éléments ne posent pas non plus de problème. Ils sont (relativement faciles à démonter) et, bien sûr, entièrement recyclables.
Voir : Renewable and storage-integrated systems to supply comfort in buildings,
Boydens W., Helsen L., Olesen B., Ferkl L., Laverge J., A&S books, 2021.
ACTIVATION DU NOYAU DE BÉTON QU’EST-CE QUE C’EST DÉJÀ ?
LE PRINCIPE GÉNÉRAL
Le principe de l’activation du noyau de béton est basé sur la propriété d’inertie thermique du béton. L’inertie thermique peut être définie comme la capacité d’un matériau à absorber de la chaleur ou de la fraîcheur, puis à la restituer avec retard. En pratique, vous pouvez observer le phénomène dans les châteaux médiévaux ou les monastères aux murs très épais. Pendant les périodes ensoleillées, la masse du mur attire l’énergie thermique de la pièce et la retient, ce qui la rend toujours merveilleusement fraîche. La chaleur stockée dans les murs volumineux pendant la journée est lentement libérée pendant les périodes plus fraîches, atténuant ainsi le froid nocturne. Ce principe ingénieux et naturel d’inertie thermique permet de niveler les pics de chaleur et de froid, afin que les pièces restent toujours agréables.
L’activation du noyau de béton repose sur le même principe : l’accumulation d’énergie dans la masse de béton. Cependant, l’activation du noyau de béton ne dépend pas de la chaleur du soleil. L’accumulation de l’énergie thermique est ici « contrôlée » au sens propre comme au sens figuré : un réseau de tuyaux, remplis d’eau, traverse les éléments en béton (généralement les sols, parfois les murs). Grâce à une source de chaleur – dans
le cas du château, la lumière du soleil, ici généralement une pompe à chaleur – nous pouvons influencer artificiellement la température du béton et utiliser sa masse thermique. Ainsi, dans un bâtiment avec activation du noyau de béton, les pics de chaleur et de froid sont aplanis. En tant que tel, le système peut fonctionner comme un chauffage et un refroidissement.
POURQUOI L’ACTIVATION DU NOYAU DE BÉTON EST ELLE SI EFFICACE SUR LE PLAN ÉNERGÉTIQUE ?
L’activation du noyau de béton est généralement utilisée en combinaison avec l’énergie géothermique. La pompe à chaleur géothermique va extraire l’énergie de notre sous-sol. La température du sous-sol est assez constante, de 10 à 12°. L’énergie extraite du sol est utilisée pour donner à l’eau dans
les tuyaux une certaine température. La géothermie est un principe de chauffage écologique, mais elle est particulièrement avantageuse en combinaison avec l’activation du noyau de béton. Il n’y a qu’une différence de température minime entre l’eau que vous pompez depuis le
sous-sol et la température requise pour les tuyaux dans le sol. La différence de température entre votre source ou système primaire (l’énergie du sol que vous pompez à l’aide d’une pompe à chaleur) et votre système de distribution ou système secondaire (vos tuyaux dans le sol en béton) étant très faible – ce que l’on appelle le T (« delta T ») -, vous n’avez pratiquement pas besoin d’énergie supplémentaire pour chauffer votre complexe. La température dans le béton peut rester modérée car toute la surface du plafond ou du plancher peut être chauffée ou refroidie. Les courants d’air peuvent aussi être complètement évités.
POURQUOI CHOISIR UN SYSTÈME PRÉFABRIQUÉ ?
Les systèmes préfabriqués sont fabriqués dans des conditions contrôlées, indépendamment des conditions météorologiques. De manière générale, l’avantage de la préfabrication est que tout est préparé en usine, ce qui permet de gagner du temps sur le chantier. Le temps gagné a évidemment un impact sur le prix de revient du bâtiment.
Pour l’activation du noyau de béton préfabriqué, cet avantage est double, car il n’est pas nécessaire d’avoir une équipe de bétonnage ni un technicien sur place. Comme les tuyaux sont encapsulés dans les éléments (dalles alvéolées), ou immédiatement coulés à l’arrivée sur le site (prédalles), il n’y a aucun risque de dommages par les autres équipes.
Les tuyaux sont encastrés en usine dans une dalle précontrainte.
Projet de référence où les dalles alvéolées avec activation du noyau de béton ont été intégrées. Bureaux Bayer, Diegem, 2009
Architecte: Schellen Architecten bv, Entrepreneur : Van Roey nv)
Source de l’article: FEBE Beton n° 252