ÉNERGIE Piloter les installations pour considérer l’intermittence

Les salles d’un collège, d’une école, d’un lycée ou même les amphithéâtres d’une université se caractérisent par une occupation intermittente, mais majoritairement prévisible. La recherche d’économies commande de les chauffer, de les ventiler voire de les rafraîchir, seulement en cas d’occupation. Cela implique de pouvoir programmer en fonction de l’occupation prévisible et déroger à la programmation en cas de modification imprévue du statut d’occupation d’une salle. Cela se traduit par la présence d’une gestion technique centralisée (GTB) dans l’établissement ou la généralisation de l’asservissement des processus consommateurs d’énergie à une détection de présence. Avec la norme NF C 15-100, tous les processus électriques dans un bâtiment scolaire sont raccordés aux tableaux généraux basse tension (TGBT). L’intermittence ou l’asservissement de l’éclairage et de la ventilation d’une salle sont donc facilement gérés, si les circuits de l’installation électrique sont correctement câblés. C’est-à-dire s’ils sont individuellement raccordés aux TGBT. Si un circuit d’éclairage alimente plusieurs salles, elles sont forcément gérées ensemble, à moins de refaire l’installation électrique.

En terme de chauffage, la réduction des besoins énergétiques signifie une forte isolation, des vitrages de qualité et une bonne étanchéité du bâti. Si l’isolation est insuffisante, il est toujours possible, sur la plupart des établissements scolaires, construits sans grâce particulière depuis les années soixante, de poser une isolation thermique par l’extérieur. Pour les bâtiments traditionnels qui datent de la iiieRépublique, certaines entreprises, comme STO avec son StoDecor Profil, ont développé des solutions pour reproduire les modénatures des façades par-dessus ­l’isolation extérieure.

Les locaux scolaires offrant le plus souvent de larges volumes de salles, il est toujours possible de recourir à l’isolation thermique par l’intérieur. Toutes les techniques nécessaires existent : isolation de sols, y compris avec des solutions de chape sèche qui permettent de faire l’économie du temps de séchage, isolation de plafond, doublages de parois, etc.

En matière de ventilation, la RT 2 005 autorise encore de ventiler les locaux scolaires par l’ouverture des fenêtres, soit la pire des solutions.

Installer une vraie ventilation

L’hiver, il fait trop froid dehors et, en période plus clémente, le bruit extérieur peut venir perturber les classes. Une vraie ventilation dans les salles de classes est nécessaire, d’autant que la mauvaise qualité de l’air, facteur de torpeur et d’inattention, est un phénomène connu dans les locaux scolaires. Une solution de ventilation simple flux fournit une qualité d’air satisfaisante, si l’environnement urbain n’est pas pollué. Mais elle ne tire pas parti de la production de chaleur due à l’occupation. En effet, au repos et pour une température ambiante de 20 °C, le corps humain dissipe une chaleur dont la puissance est comprise entre 70 W pour un enfant de 12 ans et 100 à 120 W pour un adulte. Une classe de 30 élèves et un enseignant affichent donc une puissance thermique disponible de 2 200 W au minimum. Cela suffit, à partir d’une température initiale de confort de 20 °C fournie par l’installation de chauffage, à compenser toute la journée les déperditions de chaleur par renouvellement d’air dans un bâtiment bien isolé.

La solution double-flux avec récupération de chaleur s’impose. Elle est un peu complexe à mettre en œuvre classe par classe. Le plus simple est de déterminer lors de la conception quelles sont les zones homogènes à traiter. Certaines écoles allemandes et autrichiennes très performantes optent cependant pour un double-flux par classe. Cela permet de gérer le fonctionnement au plus près des besoins, donc de profiter de l’intermittence pour réduire la ventilation au débit minimum en cas d’inoccupation.

Pour réduire les besoins de rafraîchissement, il convient de minimiser les apports de chaleur.

Combiner photovoltaïque et protections solaires

Une méthode s’impose : le choix de protections solaires efficaces, qui ne nuisent pas à l’éclairement naturel. Un grand nombre de solutions existent, en fonction de l’emplacement et de l’architecture du bâtiment. La plus classique est le pare-soleil, dont le pare-soleil porteur de cellules photovoltaïques qui combine protection contre l’ensoleillement et production d’électricité. Une autre déclinaison de cette solution consiste à incorporer les cellules photovoltaïques dans la paroi extérieure du double vitrage des ouvrants ou des parois vitrées fixes. Certaines cellules photovoltaïques, notamment fournies par le fabricant Sharp, affichent un degré de translucidité de 10 à 30 %, à choisir au moment de la demande initiale. Une bonne dizaine de marques sont entrées sur le marché avec des offres analogues depuis octobre 2007. Il est nécessaire d’anticiper cette solution, puisque fenêtres et façades vitrées serviront à évacuer l’électricité produite.

Autre solution : Robin Sun incorpore des capteurs solaires thermiques dans l’espace d’un double vitrage. Cela assure à la fois une partie de la protection solaire, la production d’eau chaude pour alimenter une machine frigorifique à absorption et rafraîchir les locaux, l’alimentation d’une pompe à chaleur eau/eau dont le COP se trouve fortement augmenté ou le préchauffage de l’eau chaude sanitaire (ECS). Cette technique est notamment distribuée en France par Technal et Buderus.

L’une des solutions les plus à la pointe pour réduire les besoins de rafraîchissement sans perdre le bénéfice de l’éclairage naturel est l’isolant transparent Nanogel, distribué par Cabot France installée à Suresnes (Hauts-de-Seine). Il s’agit d’un aérogel de silice translucide à haut pouvoir isolant. La médiathèque de Briis-sous-Forge (Essonne) a par exemple été rénovée et agrandie à l’aide de parois extérieures constituées de profilés de verre en U Profilit de Pilkington, remplis d’isolant Nanogel.

Afin d’optimiser le rafraîchissement sans climatisation, l’inertie du bâti est importante. Après la mise en œuvre de protections solaires, les solutions efficaces et peu gourmandes sont le puits canadien, l’échangeur eau glycolée/eau sur l’entrée d’air neuf et la surventilation nocturne. Les deux premières agissent en continu. La troisième absorbe les charges de chaleur la nuit et réduit la température du bâtiment. Ces trois techniques sont complémentaires. Il est parfaitement possible de surventiler la nuit avec un puits canadien ou un échangeur capteurs enterrés/air.

Chauffage : faible inertie, régulation et programmation

Les solutions de chauffage reposant sur l’inertie ne conviennent pas à un bâtiment dont l’occupation est très intermittente. Autrement dit, dans un collège, pas de plancher chauffant dans les salles de classes. Les émetteurs recommandés sont ceux dont l’inertie est faible, tels que plafond hydraulique ou électrique rayonnant, radiateurs, etc. Le système nécessite d’être asservi à une régulation et à une programmation par salle ou au moins par sous-ensembles de salles à occupation homogène. La programmation fournira la température de confort au début de l’occupation de chaque salle. Le rôle principal de la régulation sera d’éviter les surchauffes en raison de la forte dissipation de chaleur inhérente de l’occupation. Dans une installation hydraulique existante, les réseaux ne sont pas nécessairement conçus pour une gestion du chauffage par salle grâce à des organes de régulation – vannes trois voies ou vannes d’injection – motorisés et pilotables par une GTB ou par des thermostats programmables locaux. Le pire des cas, du point de vue des possibilités de régulation, reste naturellement le monotube série qui constituait la solution normale de raccordement des radiateurs ou des convecteurs à eau chaude dans les locaux scolaires jusqu’au début des années soixante-dix. Dans ce schéma hydraulique, le réseau traverse tous les radiateurs, sans dérivation. Le radiateur « n » est alimenté par un fluide qui a traversé tous les émetteurs précédents sur la boucle. En cas de coupure du radiateur « n-1 », le radiateur « n » et les suivants ne sont plus alimentés. Si la boucle ou la colonne alimente plusieurs salles successivement, ce schéma de distribution hydraulique ne permet aucune régulation. La boucle est seulement gérée au départ en chaufferie, en fonction des besoins du radiateur en plus forte demande. Toutefois, des solutions existent. Les fabricants de robinetterie de chauffage ont développé des robinets spéciaux à quatre voies, qui tiennent compte des formes spécifiques de ces émetteurs. Montés en entrée des appareils, ils créent une dérivation vers le suivant, tout en alimentant le radiateur sur lequel ils sont installés. Cela revient à transformer le monotube série non-régulable en monotube dérivé pilotable, avec des modifications de réseau réduites. Ces robinetteries particulières, comme le R304 T chez Giacomini, par exemple, sont nettement plus coûteuses que les robinets de radiateur classiques. L’économie reste conséquente par rapport à la solution alternative : refaire le réseau hydraulique dans sa totalité.

Dans les écoles les plus anciennes, les radiateurs d’une même salle sont souvent alimentés par des colonnes différentes, ou bien par des distributions horizontales qui irriguent plusieurs salles en série. Si les réseaux sont en monotube dérivé ou en bitube, il est malgré tout possible d’obtenir une régulation-programmation de la salle. Il suffit d’installer sur chaque radiateur un robinet motorisé avec un asservissement soit filaire, soit radio à un thermostat programmable dans chaque salle ou à un automate de GTB. Il ne reste qu’à rassembler les adresses des radiateurs salle par salle, de demander à l’automate de les piloter en groupe et de le programmer en fonction de l’intermittence.