FORMATION
Install Magazine 962 – août 2019

En route vers le Solar Decathlon avec le Mobble

Candidature d’UGent pour le concours international en architecture et énergie

Le Solar Decathlon est un concours international sur l’énergie et l’architecture destiné aux étudiants et aux instituts scientifiques. La première édition s’est déroulée en 2002 à Washington DC à l’initiative du ministère de l’énergie des États-Unis. Depuis 2010, l’épreuve a acquis une dimension internationale et se tient en divers endroits du monde. L’édition 2019 est organisée en Hongrie, plus précisément à Szentendre, une ville située à environ 20 km au nord de Budapest. Onze équipes y prennent part ; elles représentent 29 universités issues de 9 pays. L’une d’entre-elles est UGent, avec un concept de logement modulaire, le Mobble.

Tester des concepts dans la pratique

L’idée de base de Solar Decathlon est de favoriser des solutions globales et de tester dans la pratique des techniques innovantes pour bâtiments éco-énergétiques. Les équipes construisent à cet effet une habitation fonctionnelle qui, durant quelques jours, sera évaluée, sur base de dix critères différents. C’est pourquoi le nom décathlon a été choisi, par analogie avec l’épreuve d’athlétisme : il ne s’agit pas de briller dans un aspect particulier, mais bien d’être le plus polyvalent possible. Dans le score, le jury prend ainsi en compte les aspects techniques, mais aussi l’architecture, la durabilité, la communication et la sensibilisation. Ce qui distingue ce concours de beaucoup d’autres, c’est qu’on y évalue les performances mesurées d’un logement fonctionnel construit à taille réelle pour l’occasion, et pas des concepts, simulations et autres modèles réduits. Les seules restrictions relatives à la fonctionnalité des systèmes ont trait aux aspects pratiques de l’épreuve ; on ne peut ainsi par exemple pas faire de travaux de terrassement sur le site du concours.

Un concept modulaire pour la rénovation

L’édition 2019 met notamment l’accent sur la rénovation. L’équipe belge est partie à cet effet de son propre contexte, à savoir les nombreux immeubles à appartements des années ’50 à ’70, qui se sont répandus ici et là dans nos centres urbains. À l’époque, ces flats offraient une réponse efficace au besoin de logement, tout en offrant un confort moderne. Mais depuis, ils ne satisfont plus aux standards actuels de la technique. Ces bâtiments bénéficient toutefois d’une situation intéressante, et la démolition/reconstruction n’est pas toujours évidente. En ce sens, la rénovation profonde peut être une solution.

Le point de départ de l’équipe d’UGent était un projet du promoteur Etrimo, à savoir le parc Breugel à Zellik. Le pavillon destiné au Solar Decathlon possède donc les caractéristiques d’un appartement Etrimo, avec une surface de 72 m², une façade vitrée d’un côté et une séparation nette entre la partie habitable et la partie technique. La construction modulaire est typique du concept gantois : le pavillon se compose des dits « mobbles ». Un mobble (« modular building block ») est un module de 2,4 m de large, de 6 m de long et de 3,1 m de haut, constitué de deux cadres et de 10 panneaux. En juxtaposant différents modules, on obtient une unité de logement. Le pavillon construit pour Szentendre est constitué de 5 modules et forme une solution préfabriquée pour la rénovation d’un appartement Etrimo. En termes de matériaux utilisés et de construction, on a le plus possible opté pour des solutions recyclables ayant le moins d’impact environnemental possible.

La conception modulaire doit aussi permettre de construire des habitations en fonction des besoins des habitants. Traditionnellement, les bâtisseurs optent pour des dimensions et un aménagement qui conviennent à une phase de vie déterminée, habituellement celle d’un jeune ménage. Mais, si plus tard, les enfants quittent la maison, celle-ci devient dans beaucoup de cas trop grande.

Dans le cas d’une construction en série, comme ce fut le cas en son temps avec Etrimo, on est parti sur une trame d’appartements identiques en grandes quantités. Concevoir les habitations en modules, permet toutefois d’offrir une plus grande flexibilité en termes de dimensions et d’aménagement. Il est en outre possible d’utiliser un nombre plus ou moins grand de modules, en fonction de la situation.

Surmonter le gap de performance à l’aide de systèmes à réaction rapide

Lors du développement du concept HVAC, le but était d’offrir une réponse au « Performance Gap », soit le constat que les maisons éco-énergétiques consomment la plupart du temps plus que prévu, alors que les habitations moins éco-énergétiques affichent par contre de meilleurs scores que leur consommation théorique. Autrement dit, la consommation réelle des deux types d’habitation diffère beaucoup moins que ne le laisse penser le score selon l’EPB ou l’EPC. Les raisons expliquant cela sont complexes. Les choix techniques en font partie : les maisons modernes utilisent la plupart du temps du chauffage à basse température (souvent du chauffage par le sol), en combinaison avec une chaudière à condensation ou une pompe à chaleur, deux types d’appareils qui offrent des avantages en cas de longues durées de fonctionnement. Mais il en résulte aussi un système à réaction lente, avec des possibilités de régulation limitées. Les utilisateurs sont donc amenés à maintenir l’habitation à température constante, quelle que soit l’occupation, ce qui entraîne un gaspillage énergétique.

Pour Mobble, le team a totalement changé de cap. On a opté pour une mode de construction à faible inertie, réchauffé ou refroidi à l’aide d’un système à réaction rapide. Le logement peut être réchauffé en minutes d’une température de base de 15°C à une température de confort de 22°C. Le Mobble est équipé d’une PAC air-air, qui dessert les différentes pièces via des gaines de ventilation, qui sont reliées à un plénum central. Ce système de ventilation est totalement distinct de la ventilation hygiénique. Le but consiste à ne chauffer ou rafraîchir qu’en cas de besoin réel. Plus l’Internet des Objet progresse, plus il est imaginable de pouvoir utiliser des données de géolocalisation pour commander l’installation en fonction des périodes d’utilisation escomptées.

Dimensionnement pour la Belgique et la Hongrie

Le pavillon fut certes développé dans un contexte belge, mais dans la mesure où il devait pouvoir fonctionner en Hongrie et y être également évalué, le système HVAC dût être dimensionné pour des conditions hongroises. Cela signifie qu’il a fallu se baser sur des températures de 35°C en été et de -15°C en hiver. Le choix s’est porté sur une PAC air-air Daikin d’une puissance frigorifique de 6,02 kW. La charge frigorifique calculée fut de 4,3 kW pour la Hongrie. L’installation est donc en mesure de fournir du confort en été à Szentendre, ce qui devrait largement suffire pour un été belge.

Avec une puissance en chauffage de 3,58 kW pour une température extérieure de -15°C et pour une température de confort de 20°C, l’appareil sembla toutefois un peu juste par rapport aux déperditions thermiques calculées de 5,3 kW. Cependant, une PAC d’une puissance thermique supérieure induirait des investissements supplémentaires, alors que le supplément de puissance ne serait nécessaire que pour des pics de demande bien déterminés, surtout si on se base sur les hivers belges. En outre, une partie des besoins en chaleur seront encore couverts par des gains internes. C’est pourquoi l’équipe a décidé de dimensionner la PAC pour le confort estival, et de gérer les pics de demande en chauffage à l’aide de batteries de chauffage électriques d’appoint de 1,8 kW.

Ventilation décentralisée

La ventilation hygiénique s’effectue à l’aide d’un système décentralisé à la demande D-Flow expert de Jaga. Celui-ci se compose de deux unités d’acheminement de l’air avec une traversée de façade (à chaque fois 150 m³/h) et d’un boîtier d’extraction avec des gaines de ventilation (250 m³/h). La commande intelligente à la demande est double : la ventilation dans les pièces d’habitation est commandée sur base du taux de CO₂, et l’extraction dans les pièces humides est déterminée par l’humidité relative. La régulation centrale adapte les débits des boîtiers d’amenée et d’extraction d’air, en fonction de la demande de chaque boîtier. Dans un contexte de rénovation, les boîtiers d’acheminement de l’air décentralisés présentent l’avantage de ne plus devoir poser de gaines en provenance et vers le local technique, ce qui est difficilement réalisable dans des appartements. Les boîtiers d’extraction ont uniquement besoin d’une traversée de façade. Ce système ne permet toutefois pas de faire de la récupération de chaleur. Dans la pratique, néanmoins, le manque de récupération de chaleur se fait moins ressentir que ce que l’on pense habituellement. Avec une unité de ventilation équilibrée du système D, on a toujours besoin d’un débit minimum, et donc également d’une utilisation constante des ventilateurs. Grâce à la commande intelligente à la demande, le système D-Flow expert n’a toutefois pas besoin de débit minimum ; il en résulte que le ventilateur peut être arrêté lorsqu’il n’y a personne à la maison. De plus, il n’y a plus de pertes de charge dues aux gaines de ventilation et à l’échangeur de chaleur.

Rafraîchissement passif à l’aide de « panneaux lunaires »

Dix-huit panneaux solaires de 280 Wp chacun ont été placés sur le toit ; ils sont reliés à une batterie. Il s’agit de panneaux PVT, en d’autres mots des panneaux photovoltaïques qui sont équipés de conduites hydrauliques leur permettant de produire aussi bien de l’électricité que de la chaleur. L’électricité des panneaux PV sert à couvrir la consommation de l’habitation en combinaison avec une batterie pour le pont nocturne, afin d’aboutir à une habitation zéro énergie. La chaleur issue des panneaux est stockée dans un ballon tampon et utilisée pour le préchauffage du ballon thermodynamique servant à l’ECS. Afin de rendre l’installation aussi compacte que possible, ce ballon tampon est partiellement rempli avec des PCM (Phase Changing Materials) avec un point de fusion à 51°C. On peut dès lors se satisfaire d’un volume de 800 litres. Les panneaux PVT ne sont pas isolés et ils ont une température de stagnation de 70°C, ce qui est largement suffisant pour l’ECS.

Le choix de panneaux PVT non-isolés a trait à une exigence spécifique du règlement du concours : le pavillon doit pouvoir atteindre une température de confort durant deux jours, sans refroidissement actif et avec un cycle de Carnot. Dans la mesure où tous travaux de terrassement étaient exclus, il était également exclu de recourir à des échangeurs de chaleur sol pour refroidissement passif. L’équipe d’UGent a alors décidé d’utiliser les panneaux solaires pendant la nuit pour le refroidissement passif, en restituant la chaleur par rayonnement au ciel étoilé. Les panneaux solaires deviennent en quelque sorte des « panneaux lunaires ». En mode froid, les panneaux PVT sont reliés à un deuxième ballon tampon pour le stockage de froid. Ce dernier a un volume de 3.000 l et contient 200 kg de PCM, avec un point de fusion de 18°C destiné à accroître la capacité de stockage. On s’attend à ce que des températures tampon de max. 10°C puissent être atteintes. Le ballon tampon froid est relié à un échangeur de chaleur destiné à refroidir l’air d’admission du système HVAC. En fonctionnement normal, cet élément peut être utilisé pour gérer les charges de crête en refroidissement.

Eau chaude sanitaire

Pour l’ECS, on a prévu un chauffe-eau thermodynamique Daikin EKHH2E-PAV33 d’une contenance de 260 l. Comme on l’a dit, ce boiler est relié hydrauliquement aux panneaux PVT, mais l’appareil peut aussi utiliser, aussi bien l’air intérieur que l’air extérieur, comme source de chaleur ; le choix étant déterminé par le besoin en froid de l’habitation à ce moment-là.

La température du chauffe-eau est maintenue à 45°C afin de réaliser des économies d’énergie. Cette température implique cependant un risque de légionellose. C’est pourquoi la régulation est munie d’un système prédictif, mentionné précédemment. Lorsque le système détecte un risque de prolifération de la légionnelle, la température monte à 65°C. Le niveau d’alarme est réglé relativement bas, à savoir 800 KVE/l, alors que des instituts de soins, par exemple, travaillent avec une limite inférieure de 1.000 KVE/l. Le risque de contamination est donc négligeable.

Par Alex Baumans

Illustrations: UGent