Panneau solaire aérothermique

Les panneaux solaires aérothermiques (qui peuvent être des vitrages pariéto-dynamiques) sont des systèmes passifs ou actifs utilisant à la fois les apports caloriques solaires et les propriétés thermodynamiques de l'air pour chauffer ou climatiser l'intérieur d'un bâtiment. Constitués d'une double ou triple paroi exposée au soleil, ces panneaux (ou vitres) chauffent l'air emprisonné (qui remonte par convection). Ils sont l'une des alternatives passives à la ventilation mécanique contrôlée (à double flux) en tant que « procédé beaucoup plus simple à mettre en œuvre et quasiment sans entretien »[1].

Fonctionnement des panneaux solaires aérothermiques
Avant (sans panneaux solaires aérothermiques)
Après (avec panneaux solaires aérothermiques)

Fonctionnement

Les panneaux solaires aérothermiques sont constitués d'une double ou triple paroi emprisonnant de l'air et orientée vers le soleil. L'air emprisonné est chauffé par le soleil et remonte par convection ou par une ventilation mécanique. Une aération permet à l'air frais d'être puisé en bas, tandis que l'air chaud en haut est incorporé au circuit de ventilation du bâtiment.

Systèmes similaires

Ouvrant à effet pariéto-dynamique
Détail du haut d'un panneau montrant l'ouverture par laquelle l'air entre dans la pièce
On distingue en bas de la fenêtre le verre intermédiaire, sous lequel l'air passe avant de remonter pour entrer dans la pièce

Elles ont été développées dans les années 1970 à la suite du choc pétrolier, suivant le principe de la paroi pariétodynamique[2], appliquée au vitrage pour un échange contrôlé (mais le plus passif possible) de calories entre l'extérieur et l'intérieur. C'est un des systèmes de chauffage/rafraîchissement à basse consommation d’énergie[3]

Elles ont été développées dans les années 1970 à la suite du choc pétrolier, notamment par le thermicien Jacques Paziaud[4],[5],[6] suivant le principe qui a mis au point les fenêtres parfois dites "Fenêtres Paziaud"[7] (et peuvent être associées à des "murs ventilés" fonctionnant selon un principe proche[8]), puis intégré dans une conception plus heuristique de la circulation de l'air et des calories dans le bâti et les lieux de vie d'un bâtiment[9].

Principe
L'air neuf extérieur pénètre par des ouvertures situées en partie haute puis il circule entre des parois de verre et - par effet de serre- se réchauffe entre deux ou trois lames d’air réalisées grâce à un triple vitrage. Elle joue le rôle d’échangeur thermique-tampon entre l’intérieur et extérieur ; si la fenêtre est au soleil et que l'air passe de l'extérieur à l'intérieur, par "effet de serre" l'air intérieur est réchauffé, et inversement il est rafraichi si le flux est inversé. La nuit ou en l'absence de soleil l'air entrant récupère une partie des calories de l'air sortant ou inversement selon la direction du flux (généralement contrôlée par un système domotique relié à un thermostat). Le principe est d'associer le réchauffement passif solaire de l’air à un phénomène également passif de « récupération d’énergie sur la déperdition de la fenêtre »[1]. Selon les mesures faites au laboratoire de l’université de La Rochelle « les gains sont très importants sur la température de l’air entrant quelle que soit l’orientation de la fenêtre. De nuit ou sans soleil, il est de 8 °C et par temps ensoleillé, de plus de 20 °C. »[1].
Remarques
L'illumination de la surface par la lumière et les ultraviolets solaires naturels (aux vertus désinfectantes) diminue le risque sanitaire lié aux bactéries et spores de champignons (notamment par rapport aux échangeurs double-flux intégrés dans des réseaux de gaines sous plafond). De même le système étant à tout moment « transparent », toute trace de poussière, d'insecte, etc. est visible. Le renouvellement d'air se fait tout en atténuant fortement le bruit extérieur.
Nettoyage
Dans un environnement poussiéreux, les faces internes peuvent se salir par la circulation de l’air. Ces fenêtres sont conçues pour qu'un nettoyage soit possible une à deux fois par an (dans le cas de fenêtre à triple paroi, il s'agit souvent de simples châssis de survitrage encadrant des verres simples de 4 mm d'épaisseur). Le fonctionnement permanent de la ventilation (passive ou assistée selon les cas) permet d'éviter toute condensation.
Coût
Le surcoût apparent par rapport à une menuiserie classique est modeste. En 2014, lors d'une expérimentation le surcout pour le vitrage était d'environ 100 €/m2 de vitrage pour la « fenêtre EnR » (à « bouche d’entrée d’air autoréglable »[1]). Ce surcout est largement remboursé par les économies faites [1], « Des études réalisées par l’Ademe ont mis en évidence une réduction des consommations d'énergie de l’ordre de 25%. »[1])
Modélisations
Ce procédé basé sur un écoulement contrôlé d’air en régime laminaire entre deux plans proches et parallèles ou quasi-parallèles a fait l'objet de bilans thermiques et de modélisations (simulations 2D avec le logiciel de MFN Fluent et de modélisations plus complexes (des coefficients de convection thermique notamment) avec la MFN[10],[11],[12].
Calcul des économies d'énergie
depuis , une méthode a été retenue (par décret[13]) pour calculer la part de ces fenêtres dans les modélisations et calculs des bilans apports solaires/déperdition de calories, dans le cadre de la réglementation thermique 2005 (RT 2005).
Intérêts
dans un habitat presque passif et sans ventilation mécanique contrôlée de type double-flux, la fenêtre pourra jouer le même rôle que l'échangeur des systèmes double-flux (bien plus lourds et encombrants), en contribuant au renouvellement de l'air, tout en réchauffant ou rafraichissant l'air intérieur, selon que l'intérieur sera en très légère pression ou dépression par rapport à l'extérieur (une différence de 4 pascals suffit). Le calcul de la surface vitrée et du débit minimum et maximum nécessaires est plus complexe que pour la VMC classique et nécessite des compétences poussées de thermicien et hydraulicien. Ce système évite aussi la sensation de courant d’air froid par la fenêtre et diminue fortement la sensation de paroi froide en hiver.

Mur Trombe

En l'absence de rayonnement solaire, le flux convectif s'inverse provoquant un refroidissement accéléré de la pièce. Pour éviter cela, il est alors nécessaire de disposer des clapets de fermeture. L’avantage est qu’il restitue la chaleur emmagasinée durant la journée pendant la nuit (inutile pour les bâtiments commerciaux inoccupés en règle générale la nuit).

Quelques statistiques
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  • Diminution des factures de chauffage de 30 à 50 % (les économies d'énergie attendues pour le bâtiment de l'université régionale des métiers de l'art et de l'artisanat de Saint-Saulve, grâce notamment aux vitrages pariétodynamiques est de -40%[14]) ;
  • La quantité d'énergie produite se situe au-dessus des 350 kWh/m2/an ;
  • Chaque m2 de façade équipé de panneaux aérothermiques permet l'économie de 3 tonnes de rejet de CO2 dans l'atmosphère (en comparaison avec l'utilisation d'une énergie fossile)[réf. nécessaire].

Notes et références
  1. Stéphane Miget (2014) Test grandeur nature pour des menuiseries pariétodynamiques (Résidences services sénior « Les perles de nacres » la Tremblade ; dépt 17), Le Moniteur, publié2014-04-01, consulté 2014-10-28,
  2. Page consacrée à la climatisation par parois pariétodynamiques (par l'ADEME, consulté 2010/01/30)
  3. [PDF] Document ADEME intitulé Systèmes de chauffage/rafraîchissement à basse consommation d’énergie, sur le site de l'ARPE, Non trouvé le 5 décembre 2016
  4. Gloriant, F., Tittelein, P., Joulin, A., Lassue, S., 2012. Supply air window PAZIAUD®:Comparison of two numerical models for integration in thermal building simulation. Presented at the 3rd international conference engineering, project and production management, Brighton (PDF, 10 pages)
  5. Gloriant, F., Tittelein, P., Joulin, A., & Lassue, S. (2012) Comparaison de deux modèles numériques d’une fenêtre pariéto-dynamique de type PAZIAUD® en vue d’une simulation en thermique du bâtiment, trenteièmes rencontres AUGC-IBPSA, à Chambéry (Savoie) du 6 au 8 juin 2012 (PDF, 11p.)
  6. CD2E, Invitation à une journée technique consacrée au vitrage Pariéto dynamique (12-11-2014)
  7. Paziaud J (1997) "Des fenêtres pariéto-dynamiques contre les déperditions thermiques". Les Cahiers Techniques du Bâtiment, n°181, p 38-40
  8. Fraisse, G., Achard, G., Trillat-Berdal, V., & Johannes, K. (2004). "Wood-Frame Buildings: Numerical Study of an Envelope with Ventilated Walls", ASHRAE (PDF, 8 pages)
  9. Canaletti JL, Notton G.Damian A, Colda I & Cristorari C (2008) "New concept of solar air heater integrated in the building" 4th IASME/WSEAS International Conference on Energy, environment, ecosystems and sustainable development (EEESD'08), à Algarve (Portugal) du 11 au 13 juin 2008 ; Transport, 160, 180 (PDF, 8 pages)
  10. Gloriant, F., Joulin, A., Tittelein, P., & Lassue, S. Échanges convectifs entre deux parois planes, verticales, soumises à des conditions de type Fourier (dans le cadre du programme INTERREG IFORE)
  11. Mezrhab, A. "Numerical evaluation of natural convection heat transfer in a Supply air Paziaud window". Computational Thermal Sciences: An International Journal ; DOI: 10.1615/.2014011147 ; ISSN Print:1940-2503 ; ISSN Online:1940-2554.
  12. Gloriant, F., Tittelein, P., Joulin, A., & Lassue, S. (2013) Modelling supply supply-air window in a building simulation code, actes de la conférence BS2013: 13e Conférence dite Conference of International Building Performance Simulation Association, Chambéry, France, 26-28 aout 2013
  13. Arrêté du 11 septembre 2009 relatif à l'agrément de la demande de titre V relative à la prise en compte des fenêtres pariétodynamiques, dans la réglementation thermique 2005 NOR: DEVU0918568A (consulté 2010/01/30)
  14. Emmanuelle Lesquel (2018) Un bâtiment qui ne manque pas d'air le 23/02/2018

Annexes

Articles connexes

Liens externes

Vidéographie
  • Portail des énergies renouvelables
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