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Chauffage et rafraîchissement investissent le stade

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Chauffage et rafraîchissement investissent le stade

Les rayonnants infrarouges à gaz installés dans les stades sont équipés d’une chambre de mélange air-gaz et d’un brûleur composé de plaques céramique. Chaque plaque est percée de 3 600 orifices. En fonctionnement, les plaques sont portées à 950 °C. (Doc. Schwank.)

Traditionnellement construits à ciel ouvert, les stades cherchent à se sortir des aléas climatiques en étant chauffés en Europe, ou rafraîchis en Asie et au Proche-Orient à l’aide de techniques très différentes : rayonnement pour le chauffage, fermeture de la toiture et traitement d’air en rafraîchissement.

Disons-le tout de suite, cet article ne traite pas du tout du chauffage des pelouses des stades. Pour cela, il n’existe qu’une méthode - le plancher chauffant version pelouse - et deux techniques : les résistances électriques ou les tubes à circulation d’eau chaude noyés sous les pelouses. Ces deux méthodes sont employées de longue date et ne posent aucune difficulté technique particulière.

Nous nous intéressons, ici, au traitement thermique de l’ambiance dans les gradins. En chauffage comme en rafraîchissement, il s’agit d’améliorer le confort des spectateurs et non celui des joueurs, donc du traitement des gradins, et non des surfaces de jeu. Dans son « Guide de l’UEFA pour des stades de qualité », l’organisation européenne ne se montre pourtant pas enthousiaste quant à l’idée de chauffer ou de rafraîchir les gradins. Page 86, le guide explique qu’il faut naturellement chauffer et climatiser les loges, les tribunes VIP, les locaux administratifs, les vestiaires, etc., mais que le public dans les gradins doit vivre les matches à la dure. D’ailleurs, chauffer ou rafraîchir les tribunes va à l’encontre des vertus affichées par l’UEFA qui adhère au programme mondial de la Fifa « Green Goal ». Green Goal vise à promouvoir l’accès des stades par transport en commun, à inciter à la réduction des consommations d’énergie et à favoriser l’emploi d’énergies renouvelables, voire la production d’énergie verte sur site. Pourtant, les stades sont de plus en plus souvent privés et leurs propriétaires-exploitants sont soucieux d’améliorer le confort d’usage dans le triptyque sonorisation-gastronomie-thermique, notamment pour multiplier la fréquentation au-delà des matches de football, et ainsi améliorer leur rentabilité.
Voici donc les méthodes utilisées aujourd’hui pour le chauffage et le rafraîchissement des gradins de stades. Toutes permettent une grande souplesse en fonction de l’occupation des stades : traiter tout le stade, une partie du stade qu’il s’agisse d’un fractionnement vertical (un segment de camembert), ou horizontal (les gradins inférieurs seulement), etc.

Chauffage : le rayonnement ou rien

Les gradins d’un stade sont chauffés de manière extrêmement intermittente, pour des durées relativement brèves. Avec le délai d’installation, puis de sortie des spectateurs, un match de football dure trois heures, un spectacle peut atteindre quatre heures. Il s’agit d’événements prévus de longue date. Le stade demeure ouvert, pourtant, les gradins sont chauffés. La technologie retenue ne peut donc être à base de convection ou de traitement d’air : l’air chaud ayant tendance à monter, le stade se transformerait en une gigantesque cheminée. Avec, dans l’ensemble, un rendement de chauffage plus que médiocre. La technologie employée est donc celle du rayonnement, qui chauffe les masses, plutôt que l’air.
Plus précisément, les appareils utilisés sont des rayonnants lumineux qui transmettent la chaleur pour l’essentiel par rayonnement infrarouge. Pour comprendre l’efficacité du rayonnement infrarouge, prenons l’exemple de skieurs installés dans des chaises longues sur la terrasse d’un restaurant en haut des pistes. La température ambiante est négative, pourtant, au soleil, les skieurs au repos n’ont pas froid. L’un des critères majeurs dans le choix des appareils de chauffage par rayonnement infrarouge est d’ailleurs le facteur de rayonnement. Exprimé en pourcentage, il donne la part de l’émission de chaleur par rayonnement. Il faut viser plus de 75 % de facteur de rayonnement. Le record semble être détenu par le radiant lumineux infrarouge SupraSchwank, de l’allemand Schwank. Il atteint 80,9 % de rayonnement, alors que les rayonnants courants affichent des valeurs de 50 à 60 % seulement. Le reste de l’émission de chaleur est de la convection. Étant donné la configuration des installations de chauffage des gradins dans les stades, avec des émetteurs suspendus à plus d’une dizaine de mètres au-dessus des spectateurs, la chaleur émise par convection n’atteint pas les gradins et peut être considérée comme une perte pure et simple.
Il existe deux technologies d’appareils rayonnants infrarouges : les brûleurs surfaciques gaz en céramique et les barres de résistances électriques. Les deux sont utilisés dans les stades, avec des coûts d’installation et de fonctionnements très différents.
• Le rayonnant lumineux électrique. Un produit de 25 à 30 kW coûte environ 500 € HT en prix public. Son installation est très simple, puisqu’il suffit de le suspendre et de l’alimenter en électricité. Le fonctionnement revient en revanche, en Tarif vert, de 0,35 à 0,45 € TTC par spectateur et par match.
• Le rayonnant gaz équipé de brûleurs surfaciques en plaques de céramique. C’est la technologie la plus courante. La combustion du gaz s’effectue directement sous la surface des plaques, en flammes très courtes. Chaque plaque est percée d’environ 3 600 micro-orifices. La combustion du gaz porte les plaques à 950 °C. Ce qui produit le rayonnement. Les appareils portent une isolation en céramique de manière à limiter le rayonnement vers le haut. Schwank est le spécialiste de cet exercice. Il propose une gamme de rayonnants gaz de 9,7 à 38,8 kW, avec lesquels il a notamment équipé les stades du Chelsea FC, du Real Madrid, de Fenerbahçe Istanbul, du Feyenoord Rotterdam et de l’AZ Alkmarr aux Pays-Bas. Les appareils Schwank offrent une sortie en Modbus. Ce qui permet de les raccorder à la plupart des automates de régulation et de pilotage du marché. Ces rayonnants sont également pourvus d’une protection physique contre les ballons et d’un système breveté pour éviter l’extinction de flamme sous l’effet du vent. Une stratification de température apparaît dans un stade occupé (apports de chaleur gratuite par la présence physique des spectateurs, de l’éclairage, etc.) et chauffé. Ce qui provoque un courant d’air ascendant le long des gradins et risque de souffler la flamme des rayonnants gaz. Le carénage inox spécifique des radiants Schwank évite ce phénomène. Le stade du Real Madrid estime que le coût du chauffage lui revient à environ 0,045 € par siège pour un match de trois heures auquel assistent 80 000 spectateurs, soit environ 3 600 € par match.

Climatisation : un projet bien avancé à Singapour

La climatisation d’un stade intervient dans deux cas : en présence d’une chaleur humide inconfortable ou bien d’une chaleur sèche très importante.
Les quelques projets en cours correspondent soit à la première catégorie, comme le Sports Hub à Singapour, soit à la seconde avec les stades en construction pour la Coupe du monde de football en 2022 au Qatar.
Le vecteur du rafraîchissement est nécessairement l’air. Les stades rafraîchis sont donc couverts, au moins durant les périodes de rafraîchissement. Dans tous les cas connus pour l’instant, l’idée de climatiser un stade engendre malgré tout une certaine mauvaise conscience chez les maîtres d’ouvrage en cause. Ils surcompensent donc en exigeant que les technologies employées soient les plus vertes possibles, qu’elles fassent appel à des énergies renouvelables, et enfin, qu’elles soient certifiées dans l’un des référentiels vertueux mondiaux.Le cas du Sports Hub à Singapour illustre parfaitement cette surcompensation. Fin août 2010, Dragages Singapour, filiale de Bouygues Construction, a remporté le contrat du PPP (Partenariat public privé) du Sports Hub pour un montant total de 770 M€. Ce PPP englobe le financement, la conception, la construction et l’exploitation du complexe pendant vingt-cinq ans. À Singapour, la température moyenne durant la journée oscille entre 30 et 35 °C, avec une humidité relative de 85 %. La température nocturne ne descend jamais en dessous de 25 °C.
Dans le cas du Sports Hub, les autorités ont exigé, tout à la fois, que le stade soit climatisé, que les consommations d’énergie pour le rafraîchissement soient entièrement compensées par une production d’électricité verte sur site - 4 000 m² de panneaux photovoltaïques seront installés - et que l’ensemble du projet atteigne le niveau « Gold » du label de qualité BCA Green Mark (1) .
Lancé en janvier 2005 à Singapour, BCA Green Mark se traduit par quatre niveaux de performance : Certified, Gold, GoldPlus, Platinum. Les premières évaluations montrent que le projet du Sports Hub atteint le niveau GoldPlus. Pour la climatisation, cela se traduit par une puissance maximale de seulement 42 W absorbés/m². Pour parvenir à de si faibles valeurs, Byme, un bureau d’ingénierie, filiale de Bouygues Construction et spécialisé dans les opérations en Asie, a développé le concept du « Cooling Bowl » (coupe rafraîchissante) qui englobe la production de froid, sa distribution, son émission et son pilotage. Le stade, d’une circonférence de 1 km, d’un diamètre de 360 m et d’une hauteur maximale de 80 m, est équipé d’une toiture rétractable, formée d’une armature acier et de coussins gonflés en membrane Etfe.
Par contrat, la climatisation doit garantir pour les spectateurs une température moyenne de 27 °C, avec une tolérance de ±1 °C. La climatisation ne peut se mettre en route que si le toit est fermé. Byme a donc imaginé quatre locaux techniques, répartis autour du stade, le long d’une double boucle de réseau : boucle de condensation et boucle de distribution d’eau glacée. Chaque local technique abrite un stockage de glace et des groupes de production d’eau glacée eau/eau raccordés à un seul ensemble de tours de refroidissement par la boucle de condensation. Les quatre stockages, fournis par Cryogel France, représentent un volume de glace de 2 000 m 3 à - 6 °C. Lorsqu’ils sont chargés, cela se traduit par 10 MW de puissance et 100 MWh d’énergie. La puissance de pointe du site en froid est évaluée à 20 MW. Pour y faire face, les stockages de glace fournissent 10 MW, des groupes de production d’eau glacée produisent les 10 MW restants. Tous fabriqués par ClimaVeneta, ces 24 groupes eau/eau sont de deux types : d’une part des groupes à compresseurs Scroll à vitesse fixe, d’autre part des groupes à compresseurs Turbocor à variation de vitesse. La logique de fonctionnement, pilotée par une GTB Delta Dore, est la suivante.

Sports Hub : 120 centrales d’air pour assurer la climatisation

Le stockage de glace assure la base de la fourniture de froid. En plus du stockage, les groupes Turbocor fournissent la dentelle des ajustements de puissance froid, grâce à leur meilleur rendement à charge partielle. Les groupes Scroll, dont le rendement est optimal à puissance nominale, d’une part, chargent les stockages de glace, et d’autre part, remplacent les groupes Turbocor dès que ceux-ci atteignent leur puissance nominale. Le transport du froid s’effectue par un réseau d’eau non-glycolée en boucle autour du stade. Ce réseau est alimenté par les quatre stockages à travers des échangeurs à plaques eau glycolée/eau et directement par les groupes de production d’eau glacée. Il alimente à son tour 120 CTA Ciat, chargées de la production de l’air froid.
Le stade est conçu pour moduler sa capacité en 55 000, 40 000 ou 20 000 sièges. Les gradins sont divisés en 40 segments autour du stade. Chaque segment est à son tour divisé, du haut en bas, en trois parties. Chaque partie est traitée par une CTA Ciat. Elle est suspendue sous la structure des gradins. L’air est diffusé à un débit de 12 litres/seconde par des fentes dans les rangées de gradins.
Pour éviter la condensation dans un pays où la température de point de rosée est particulièrement élevée, l’air est soufflé à 23 °C avec une tolérance de ± 1 °C. Au total, pour garantir une température de 27 °C par 32 °C extérieurs et 85 % HR, il faut un débit d’air de 2 millions de m 3 /heure quand tout le stade est occupé. Pour certains sports, les parties inférieures des 40 segments de gradins se rétractent : les gaines de distribution de l’air entre CTA et gradins sont souples à ce niveau pour accepter ces mouvements. Chaque CTA est alimentée indépendamment par la boucle d’eau glacée, de façon à moduler au maximum la puissance nécessaire et à optimiser les consommations d’énergie.
Le chantier a pris un peu de retard, mais il devrait être mis en service en 2014.

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