Activation des éléments de construction en guise d’accumulateur d’énergie

Le béton, un matériau de construction courant, se révèle être un accumulateur d’énergie efficace. Sa capacité à stocker la chaleur et à la restituer en douceur dans les pièces est utilisée dans le cadre de l’activation thermique des éléments de construction. Des conduites d’eau intégrées aux éléments en béton servent alors à répartir la chaleur ou le froid de manière uniforme et durable dans la pièce. Cette méthode innovante ouvre une nouvelle dimension de l’efficacité énergétique en transformant des éléments de construction traditionnels, tels que les murs et les dalles, en véritables réserves d’énergie. Les éléments de construction peuvent être rechargés de préférence à des moments où de l’énergie renouvelable est disponible (p. ex. via une installation solaire ou des capteurs géothermiques). Cela permet d’utiliser davantage d’électricité renouvelable et de soulager les réseaux électriques. On trouve un exemple concret de cette approche sur le campus de la FHNW à Muttenz.

Le campus, situé sur un ancien site industriel au nord-ouest de la gare de Muttenz, accueille environ 4500 personnes qui y étudient, font de la recherche et travaillent. Avec cinq domaines de spécialité sous un même toit – de l’architecture à la mécatronique – ce campus est un haut lieu de diversité et d’innovation. La remarquable façade couleur bronze du campus est évocatrice de la fonctionnalité du bâtiment. Derrière la surface fermée se cachent des amphithéâtres, tandis que la bibliothèque et les espaces communs rayonnent au sein d’un espace ouvert et accueillant.

Le campus de la Haute école spécialisée du nord-ouest de la Suisse fait référence en matière d’utilisation durable du béton pour le chauffage et la climatisation. Des technologies comme les systèmes d’éléments de construction thermoactifs (ECTA) et la récupération de chaleur optimisent la consommation d’énergie et peuvent contribuer à préserver l’environnement. Même en cas de besoin d’énergie de chauffage supplémentaire, le campus recourt à un réseau de chauffage urbain qui tire profit de la chaleur dissipée par la production d’huile alimentaire.

Le système d’éléments de construction thermoactifs (ECTA) joue un rôle décisif dans ce concept énergétique durable. La FHNW a affiné les réglages du système TABS sur une période de deux ans. Pour compenser l’inertie du système, les données météorologiques sont prises en compte deux jours à l’avance. Ce réglage minutieux permet de maintenir une température confortable même dans les pièces d’angle.

Nicolas Battais, responsable de l’informatique du bâtiment à la FHNW, tient à le souligner : « Le système TABS est efficace sur le plan énergétique et permet de bénéficier d’une température agréable, surtout en été. Actuellement, nous sommes dans une phase d’optimisation énergétique, dans le cadre de laquelle nous continuons à améliorer de façon ciblée les performances des différents groupes ECTA afin d’augmenter l’efficacité. L’inertie thermique du bâtiment permet en outre d’assurer la maintenance du système sans impact majeur sur l’exploitation. »

L’activation thermique des éléments de construction assure une climatisation efficace, économique et écologique des locaux. Sa capacité à compenser les variations de température et à tirer profit des sources d’énergie renouvelables comme le soleil, le vent et la géothermie en fait une solution de choix pour des bâtiments modernes et durables. Tout cela fonctionne en combinaison avec une pompe à chaleur.

Betonsuisse s’est entretenu avec des experts sur la faisabilité et les avantages de l’activation d’éléments de construction en béton, et plus précisément avec Manuel Schneider, partenaire chez Kalt + Halbeisen Ingenieurbüro AG, et Heiko Mannschatz, responsable du site de Bâle et ing. dipl. HES en énergie / CVC dans la même entreprise.

Quels types de bâtiments se prêtent particulièrement bien à l’activation d’éléments de construction en béton ?
Manuel Schneider (MS) : Les bâtiments publics tels que les écoles, les immeubles de bureaux, les centres commerciaux et les entrepôts conviennent par exemple très bien.

Quelle est l’influence de l’activation des éléments de construction sur l’architecture ? Y a-t-il des exigences spécifiques ?
Heiko Mannschatz (HM) : Pour l’activation des éléments de construction, il faut avant tout de l’inertie, de préférence sous forme de béton apparent. De plus, les bâtiments devraient être globalement bien isolés.

Quelles sont les conditions requises pour utiliser efficacement l’activation thermique des éléments de construction en liaison avec du béton ?
MS : Pour des performances optimales, le béton doit être le plus exposé possible, c’est-à-dire sans restrictions pour les ECTA. De cette manière, la masse en béton peut absorber la chaleur pendant la journée en été et la restituer la nuit (et inversement en hiver). Les puissances de chauffage et de refroidissement nécessaires sont ainsi équilibrées tout au long de la journée.

Quels sont les aspects clés de la conception d’un bâtiment avec ECTA ?
HM : L’optimisation de la construction d’un bâtiment est fondamentale du point de vue énergétique. Le recours à des ECTA permet de l’exploiter efficacement selon différents scénarios d’utilisation, aussi bien en hiver qu’en été. Même les amphithéâtres à forte densité de sièges peuvent être refroidis en conjuguant des ECTA et une ventilation hygiénique. Cette ventilation réagit à la présence de personnes (CO₂), ce qui lui permet de s’adapter à des variations rapides du taux d’occupation au fil de la journée.

Pourquoi est-il crucial de décider du recours à des ECTA dès le début du projet ?
MS : La décision d’utiliser des ECTA doit être prise en tout début de projet. Les retours d’expériences sont bons en ce qui concerne la combinaison avec la conception acoustique des locaux. Là aussi, le choix du système doit intervenir très tôt dans le projet.

Comment l’activation des éléments de construction est-elle intégrée et coordonnée avec la technique du bâtiment (installations de chauffage, de ventilation et de climatisation) ?
HM : L’alimentation des ECTA se fait généralement de manière simple (low-tech). La régulation est assurée via des capteurs de température ambiante et de température à cœur. Dans l’exemple du campus FHNW, aucun organe de régulation électrique n’a été utilisé sur les répartiteurs ECTA.

Quelle est la robustesse de l’activation des éléments de construction en termes d’usure, de vieillissement et d’utilisation à long terme ? Existe-t-il des exigences particulières de maintenance ?
MS : L’activation des éléments de construction en béton est généralement très robuste et résistante à l’usure ainsi qu’au vieillissement. En termes de maintenance, elle s’avère très simple d’entretien et est également facilement recyclable en cas de démantèlement.

Quelle est la contribution de l’activation des éléments de construction à la réduction de la consommation d’énergie et à l’amélioration de la durabilité d’un bâtiment ?
HM : Les températures nécessaires pour le chauffage et le refroidissement sont très similaires (températures de chauffage basses et températures de refroidissement élevées). Cela permet des pompes à chaleur particulièrement efficaces et favorise les systèmes de free cooling*, ce qui a un effet positif sur la consommation d’énergie.

* Systèmes de free cooling : Lorsqu’un bâtiment est refroidi gratuitement – c’est-à-dire sans installation frigorifique – on parle de « free cooling ». L’air extérieur, l’eau souterraine, l’eau de rivière ou le sous-sol peuvent être utilisés en guise de source de froid.

Comment l’activation d’éléments de construction en béton peut-elle être combinée de manière ciblée avec d’autres technologies ou stratégies durables ?
MS : Les ECTA peuvent également être mis en œuvre dans des dalles préfabriquées qui seront recouvertes. De même, leur utilisation est possible avec du béton recyclé.

Quels sont les coûts initiaux et les économies à long terme de l’activation des éléments de construction par rapport aux méthodes traditionnelles de chauffage et de refroidissement ?
HM : Tant à l’achat qu’en fonctionnement, les ECTA sont peu coûteux. Une réduction des délais de construction peut certainement contribuer à une baisse des coûts des ECTA. Car une fois les travaux de gros œuvre terminés, la répartition de la chaleur et du froid est établie. De plus, il est possible, théoriquement, de se passer d’une chape de 2cm et d’aménager une structure de plancher moins conséquente. Dans l’exemple du campus FHNW, aucun organe de régulation électrique n’a été utilisé sur les répartiteurs ECTA.

Pour quels projets de bâtiments l’activation des éléments de construction en béton a-t-elle été mise en œuvre avec succès et quels défis ont dû être surmontés ?
MS : Parmi les réussites on peut citer le campus FHNW à Muttenz, où des éléments nervurés préfabriqués intégrant des ECTA dans leur revêtement ont été utilisés pour l’école. L’aula, les amphithéâtres et le gymnase sont équipés d’ECTA muraux. Autre exemple, le bâtiment « Adeline Favre » de la ZHAW à Winterthour, où des ECTA ont été intégrés dans des dalles plates précontraintes en même temps que les composants électriques, sanitaires et acoustiques. Enfin, le stade du ZSC à Zurich en est également un exemple.

Comment la simulation des températures ambiantes au cours de l’année peut-elle servir de base de décision aux maîtres d’ouvrage ?
HM : La simulation des températures ambiantes au long de l’année permet d’illustrer les variations quotidiennes réelles de la température. Ces données peuvent servir de base de décision aux maîtres d’ouvrage.

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