Mise en œuvre

Il existe différentes techniques proposées par les constructeurs. Les photos ou schémas ci-dessous sont placés dans un but d’illustration et non pas pour promouvoir davantage l’un ou l’autre système.

Les tuyauteries  peuvent être placées au centre des dalles de béton de telle sorte qu’elles ne subissent aucun effort de traction ou de compression. Mais, d’après un constructeur, ce critère est peu important, les tuyaux (nettement plus souples que le béton) pouvant sans problèmes reprendre ces modifications de longueur. Le critère majoritaire est la répartition entre le chaud et le froid si les 2 services sont assurés : la puissance en froid et le temps de réponse peuvent être augmentés si les tuyaux sont abaissés aux 2/3 de la dalle, par exemple.

De toute façon, elles restent non accessibles face à un éventuel trou de foreuse.

Trois techniques de mise en œuvre sont possibles :

• In situ : elle consiste à directement dérouler la conduite et à le ligaturer sur un treillis spécifique ou le ferraillage existant de la dalle. Plus couteuse par sa main d’œuvre plus importante, cette technique est utilisée pour des tracés hydrauliques difficiles avec courbe. Elle sera donc généralement réalisée sur des surfaces moins importantes que celles couvertes à l’aide des autres techniques.

• Module préfabriqué : les conduites sont déjà fixées en usine sur un treillis ou sur le ferraillage en fonction des exigences de participation à la reprise de charge de la dalle. Les dalles arrivent donc sur chantier par module et sont assemblées selon le plan de calepinage, afin d’atteindre la surface du circuit voulue.

• En prédalle : comme son nom l’indique, les conduites sont placées et livrées sur une prédalle.

Une coordination doit impérativement être réalisée aussi bien sur chantier qu’à la phase conception. Le bureau d’étude en stabilité doit intégrer la présence de conduites dans la dalle selon les informations fournies par le fabricant, et ce dernier doit connaitre les spécificités de la dalle nécessaire au calcul de la puissance de refroidissement. Sur chantier, les différents corps de métier doivent être avertis de la présence de conduite dans la dalle.
Les conduites de la dalle active doivent être placées après la pose du système électrique. Les canalisations d’eau froide et d’eau chaude à proximité des conduites de la dalle active doivent être calorifugées.

Une attention particulière doit être portée pour les emplacements des joints de dilatations et aux endroits de reprises de charges. On évitera donc de placer les tubes de dalle active en périphérie de dalle et au niveau des jonctions entre plancher et mur. Des fourreaux doivent être employés pour le passage des joints de dilatation de la dalle.

Lors de toutes les opérations de montage, les tubes doivent être maintenus en pression (3 bars à 6 bars), lors du transport, du stockage, de la mise en place, du coulage et lors du séchage du béton. Cette pression doit pouvoir être vérifiée à tout moment par un manomètre. Si les tubes sont déjà sous eau et que le bâtiment peut être soumis au gel, il est impératif de prendre toute les précautions pour éviter le risque de gel dans les tubes. Si de l’antigel est utilisé, celui-ci doit être vidangé avec de l’eau propre avant la mise en service du bâtiment.

Raccordement

Plusieurs modules/conduites peuvent être reliés entre eux à l’aide des raccords spécifiques afin de former un seul circuit. Quelle que soit la technique utilisée, il est recommandé de limiter la longueur par boucle à 130 m et les pertes de charge à 300Pa. Cette limite de 130 m compte tenu des espaces entre conduites et de la limite de bord de dalle équivaut à +/- 45 m² de plancher.

Les modules peuvent être raccordés sur collecteur ou sur une boucle de Tichelmann. Un accessoire spécifique doit être employé pour traverser la dalle et se connecter au collecteur.

Le système à trois connecteurs permettant de différencier les zones en chaud ou en froid.

Variante

Il est possible également de refroidir par les murs latéraux.

Ce système s’utilisera pour des cas bien spécifiques, en effet tout comme la dalle active, il est nécessaire de laisser les murs équipés des conduites de refroidissement accessibles. On privilégiera la dalle active au mur actif, car il est plus facile de ne pas mettre de faux plafond que de ne pas mettre d’armoire. Le mur actif sera pertinent si la surface de la dalle est insuffisante pour donner la puissance nécessaire, par exemple pour des petits locaux hauts et étroits.

Acoustique des locaux

Le souhait de laisser la masse thermique accessible à l’ambiance (pas de moquettes épaisses ni de faux plafonds) peut créer un éventuel inconfort acoustique, du moins dans les bureaux paysagers.

En effet, une part importante du plafond doit être maintenue ouverte. Une telle diminution de surface pour le traitement acoustique de la pièce peut difficilement être compensée. D’autres surfaces d’absorption doivent être trouvées (panneaux mobiles, armoires avec panneaux intégrés, sous-faces des tables de travail, …).

Par exemple, les portes des armoires du bâtiment Worx à Kortrijk sont des panneaux acoustiques micro perforés :

Une campagne d’essais a été menée dans un institut de recherche suédois pour mesurer l’influence de faux plafond discontinu, morcelé en ilots flottants de petite taille, sur les échanges thermiques entre le local et la dalle active.
La campagne consistait à comparer deux configurations, un faux plafond représentant 45 % de la surface du local suspendu à deux hauteurs différentes (20 cm et 80 cm).
On constate une diminution de l’efficacité due à la présence des éléments acoustiques de 16 % lorsqu’ils sont suspendus à 20 cm et de 12 % à 80 cm. Il apparait logique que plus l’élément acoustique est suspendu bas, plus la convection de l’air autour du panneau est facilitée. De même l’efficacité acoustique est améliorée, car le son se répartit mieux autour du panneau, au contraire de panneaux trop proches l’un de l’autre qui ne permettent pas une distribution correcte autour des panneaux.

Circulation d’eau

En règle générale, on observe un débit d’eau (en régime turbulent) d’environ 10 à 15 kg/h/m² de dalle active.

Production de froid

La production de froid valorisera des sources d’énergie compatibles avec une température d’eau froide élevée (on ne descend pas sous les 16°C notamment pour éviter les risques de condensation).

L’eau froide peut être produite  par différents moyens :

	L’eau peut être refroidie par l’air extérieur, via un échangeur placé en toiture, ou une tour de refroidissement (free-chilling). Pour profiter d’un air plus frais, il apparaît que le fonctionnement aura principalement lieu durant la nuit. D’où la nécessité de stocker le froid dans l’épaisseur de la dalle.
	Une variante de géothermie consiste à exploiter l’eau refroidie par de l’eau pompée dans une nappe phréatique, via un échangeur à plaques eau/eau. Le fonctionnement peut alors avoir lieu 24h/24.
	L’eau peut être refroidie par circulation dans le sol sous le bâtiment, via un échangeur sol/eau. La présence d’une circulation d’eau d’une nappe phréatique éventuelle autour des conduits renforce le refroidissement. La puissance frigorifique varie entre 10 et 25 W/m courant (on parle de géocooling ou géothermie). Le fonctionnement peut alors avoir lieu 24h/24.
	L’eau peut être refroidie par une machine frigorifique traditionnelle, venant en appoint d’une des sources ci-dessus, notamment pour vaincre les périodes de canicule.

Production de chaud

En chauffage, la dalle active est associée à une production dont les meilleurs rendements sont obtenus grâce à la production d’eau à basse température : principalement les pompes à chaleur, accessoirement les chaudières à condensation voire des capteurs solaires.

Comment réguler ?

Afin de réguler correctement une dalle active, il faut garder en tête que sa caractéristique principale est le déphasage entre la distribution de l’énergie et sa diffusion dans le local. On doit donc tenir compte de l’effet tampon et choisir le moment le plus efficace pour faire fonctionner la production. La complexité de régulation d’une dalle active nécessiterait de pouvoir prédire le climat extérieur et les charges internes afin d’optimiser le confort intérieur. C’est pourquoi on déconseillera le chauffage d’un bâtiment à l’aide de ce système tandis qu’on l’acceptera comme mode de refroidissement en fonction des possibilités de production à très haut rendement (freechilling et geocooling).

Pour réguler une dalle active, on peut jouer sur deux éléments :

• Le débit d’eau;
• La température de départ de l’eau.

La régulation doit à la fois permettre de maintenir le climat intérieur désiré et le faire de la manière la plus économique possible, sans détruire de l’énergie. La régulation dépendra donc également du mode de production de l’énergie.
Par exemple :

• Il est possible de brûler du gaz à tout moment de la journée, mais des panneaux solaires ne peuvent rien alimenter durant la nuit.

• Il est possible de refroidir en journée à l’aide d’un géocooling alors qu’avec un freechilling, on préférera refroidir durant la nuit.

Exemples

Ci-dessous on retrouve des exemples de conditions de régulation  proposées par divers concepteurs. La diversité de propositions reflète les difficultés de régulation de ce système.

Chaque exemple ci-dessus présente des lacunes en termes d’efficacité et pourrait être amélioré ; montrant par là qu’il n’y a, à l’heure actuelle, pas de solution de régulation universellement reconnue.

Voici différents commentaires pouvant être émis à propos de ces exemples :

Exemple 1 – Commentaires

En fonction des demandes du bâtiment, il est probable que refroidir quand la température moyenne des deux derniers jours dépasse 16 °C ne soit pas suffisant pour apporter le confort entièrement à l’aide de la dalle active. En effet, si on observe ci-dessous le parallèle entre la demande de refroidissement d’un bâtiment de bureau et la température extérieure à Uccle durant une année moyenne (Meteonorm), on remarque qu’un besoin de refroidissement existe quand la température extérieure moyenne sur 48 h est de 12 °C (avril, mai, septembre, octobre).

Exemple 2 – Commentaires

Faire fonctionner le circulateur de la dalle active en permanence n’est pas optimal en termes de consommation d’électricité. De plus, maintenir la surface de la dalle à 20 °C entraine un risque important de sous refroidissement de l’ambiance et donc un inconfort ou une destruction d’énergie si une fourniture de chauffage le compense.

Exemple 3 – Commentaires

Maintenir la surface de la dalle à 19 °C durant la nuit entraine un risque important de sous refroidissement et donc une destruction d’énergie si on relance le chauffage le matin. Toutefois, il n’est pas sûr de pouvoir atteindre une telle température compte tenu de l’inertie du système. Le temps d’arriver à cette consigne (19 °C), il est possible qu’elle ait changé (22 °C).

Exemple 4 – Commentaires

Chauffer et refroidir avec une dalle active présente un grand risque de destruction d’énergie. Le traitement continu empêche de profiter d’une période de mi-saison où le bâtiment serait confortable sans être refroidi ni chauffé.

Exemple 5 – Commentaires

Une régulation sur base de la température extérieure instantanée est incohérente par rapport au déphasage entre la distribution de l’énergie dans la dalle et son émission dans le local.

Exemple 6 – Commentaires

Les besoins d’énergie d’un bâtiment ne dépendent pas directement d’une date. Le climat varie chaque année. Il semble donc peu cohérent de réguler un système de chauffage et de refroidissement uniquement sur base d’un calendrier. Il faudrait au minimum réguler le mode de fonctionnement sur base de la température extérieure moyenne sur les deux derniers jours.

• La pompe de la dalle active fonctionne quand la température de départ de l’eau n’est pas traitée et entraine une consommation électrique non négligeable tant que l’eau n’est pas totalement à température homogène. Il pourrait être intéressant de limiter le fonctionnement de la pompe de circulation sur base d’une durée maximale après arrêt du traitement de la température de départ de l’eau.

• La durée de refroidissement via la dalle est plus courte en été qu’en automne et printemps (le reste restant identique). La quantité d’énergie à fournir en été est pourtant plus importante.

• En hiver, la dalle est chargée de 6 h à 9 h alors que les ventilo-convecteurs sont en fonctionnement. L’énergie fournie à la dalle risque donc d’être source de surchauffe, car elle sera émise dans le local après qu’il ait déjà été chauffé par les ventilo-convecteurs. De plus, un risque de destruction d’énergie est présent puisque le bâtiment sera refroidi lorsque la majorité des ventilo-convecteurs passeront en demande de froid pour combattre la surchauffe due à la surcharge de chaud dans la dalle. Il faut donc tenir compte du déphasage et charger la dalle avec le décalage temporel correspondant.

• Il faut empêcher l’émission de froid via les ventilo-convecteurs quand la dalle active est (ou était) en mode chaud ; Ainsi qu’empêcher l’émission de chaud via les ventilo-convecteurs quand la dalle active est (ou était) en mode froid et leur adjoindre une courbe de chauffe.

• Le risque de destruction d’énergie et d’inconfort est d’autant plus grand que les occupants pourront régler à leur convenance la consigne (min et max) des ventilo-convecteurs.

Proposition de régulation de la température de l’eau

Sur base de l’analyse des exemples précédents, voici une proposition de régulation basée sur un débit fixe et le réglage de la température de départ de l’eau dans la dalle.

La régulation de la température de l’eau a plusieurs objectifs :

• Favoriser un haut rendement de production d’énergie;
• Fournir le confort attendu dans le bâtiment.

Postulats :

• En mode « refroidissement », le rendement de production augmente généralement avec l’augmentation de la température d’eau.

• Il est difficile de prédire les besoins futurs d’un bâtiment. En effet, il est impossible de prévoir à la fois, le climat extérieur (température et ensoleillement) et l’usage du bâtiment (occupants et équipements) de manière à prédire les besoins d’énergie à fournir au bâtiment.

• Il n’y a pas de corrélation directe entre l’énergie à fournir et la température extérieure. En effet, si on regarde le graphe ci-dessous, on remarque que les besoins d’énergie ne sont pas constants pour une même température extérieure (exemple d’un bâtiment de bureau).

Objectif d’une régulation de la température de départ de l’eau dans le cas d’un refroidissement par dalle active

Compte tenu de ces  postulats, il semble donc inutile de prévoir une loi d’eau fonction de la température extérieure dans le but d’adapter le climat intérieur du bâtiment. Le seul intérêt est donc de veiller à favoriser un haut rendement de production d’énergie. Il est donc préférable de privilégier une température d’eau proche de la température intérieure.
Pour le choix de la température de l’eau, il faut donc pouvoir dissocier les solutions sur base du contexte particulier des différents projets. On peut ainsi citer deux exemples :

• Le cas d’une source froide pratiquement gratuite (seule la pompe de circulation consommant de l’énergie) à l’aide de sondes géothermiques ou d’une rivière.

• Le cas d’une production d’eau froide à l’aide d’un compresseur si la source froide (par exemple l’air extérieur) n’est pas toujours suffisamment froide.

Dans le premier cas, on comprendra que le choix de la température de l’eau doit se faire de manière à minimiser le temps de fonctionnement des pompes puisque ce sont les seules consommations d’énergie. On pourra alors par exemple, travailler à température plus basse sur un temps plus court.

Dans l’autre cas, il s’agira de trouver un équilibre entre un temps de fonctionnement pas trop long et une température d’eau suffisamment élevée pour permettre une production d’eau froide à haut rendement.

Pistes de solution

Pour illustrer cette recherche d’équilibre, voici des pistes de solution issue de simulations thermiques dynamiques d’un immeuble de bureau refroidi par dalle active alimentée par de l’eau froide produite par un groupe de production d’eau glacée (source : MATRIciel) :

Compte tenu du mode de refroidissement, il est préférable de fonctionner la nuit de 22 h à 6 h quand la température extérieure est la plus faible donc le rendement de production est le plus élevé. Il faut veiller à ne pas commencer trop tôt, car la température peut être encore élevée en soirée et on risque de refroidir trop longtemps.

Il est également préférable de refroidir uniquement quand la température moyenne extérieure dépasse une limite de 10 à 14 °C – 12 °C semblant un optimum, mais celui-ci peut varier suivant les bâtiments (cfr le graphique, présenté précédemment, montrant la demande de refroidissement en regard de l’évolution de la température moyenne des deux derniers jours).

On observe qu’une loi d’eau fonction de la température extérieure n’est pas intéressante, car si on se limite à ces conditions de fonctionnement, la température extérieure varie peu et on finit par avoir une loi d’eau dont l’inclinaison est très faible. Une température constante est donc privilégiée en mettant l’importance sur le temps et le moment du fonctionnement.

Il ressort des résultats de l’étude qu’utiliser une température de départ de 18°C est généralement trop froid et entraine un sous-refroidissement tandis qu’une température de départ de 22°C n’est pas suffisante en terme de confort et entraine un risque de surchauffe plus important.

Ainsi l’optimum intervient quand on envoie de l’eau à 20 °C de 22 h à 6 h quand la température moyenne extérieure (sur 48h) dépasse 12 °C.

Toutefois, si le confort n’était pas atteint, il est possible :

• De compenser le manque de refroidissement durant la nuit par un fonctionnement en journée uniquement quand la température moyenne extérieure (sur 48 h) dépasse, par exemple, 18 °C ;

• D’augmenter le fonctionnement durant la nuit en déchargeant la dalle dès que la température moyenne extérieure (sur 48 h) dépasse 10 °C (au lieu de 12 °C).

Enfin, il est également possible de réguler sur base de la température moyenne de l’eau dans le circuit avec une consigne finalement proche de celles proposées pour la température de départ étant donné qu’avec le débit imposé, la différence de température entre le départ et le retour est relativement faible.

Quelques détails technologiques

>  Vannes

La batterie d’échange air-eau à tubes ailettés est encadrées par deux vannes d’isolement et une vanne de réglage du débit d’eau. Cette vanne est commandée par un thermostat dont le bulbe est situé dans la prise d’air.

>  Ventilateurs

La ventilation est assurée par une ou deux turbines, centrifuge ou tangentielle, de 40 à 50 Pa de pression totale, généralement à 3 vitesses (avec un sélecteur accessible à l’utilisateur… qui le positionne souvent en première vitesse pour limiter le bruit !). La puissance demandée est généralement de l’ordre de 80 à 125 W, suivant les modèles.

>  Condensats

Le bac de récupération des condensats sera raccordé au réseau d’évacuation. Dans le cas où le ventilo est accroché au plafond, cette évacuation n’est pas toujours aisée. On aura parfois recours à une petite pompe de relevage des eaux de condensat.

>  Habillage

L’habillage est constitué en acier galvanisé, généralement recouvert intérieurement de laine de verre ou de mousse polyuréthane pour des raisons thermiques et acoustiques. Mais il arrive que pour des raisons esthétiques, la carcasse du ventilo soit intégré dans la structure décorative du local ou dans une armoire et dans ce cas, seules les grilles restent visibles.

On peut imaginer différents niveaux, en fonction de la qualité énergétique du projet

• Gestion locale : uniquement laissé à l’initiative de l’occupant, donc pas de certitude de l’arrêt du ventilo en période d’inoccupation, ni de respect des consignes. Cela peut fonctionner toute la nuit…
• Gestion locale + gestion centrale : cette fois, l’occupant peut faire varier la température de 1 ou 2 degrés autour d’une consigne fixée centralement. Par exemple, en centrale, on peut imposer une conduite économique de 20° (chaud) – 25° (froid). La garantie d’une plage neutre est assurée. De plus, la programmation horaire est possible centralement.
• Gestion locale + gestion centrale + contrôle de présence : un détecteur de présence perfectionne la gestion dans les locaux à utilisation intermittente.

Il existe actuellement des systèmes de centralisation pour unités terminales accessibles financièrement, sortes de GTC minimum, avec une incidence non négligeable sur la consommation énergétique.

Dans tous les cas, la gestion doit considérer la température, le débit hydraulique et le débit aéraulique. Si le débit aéraulique est souvent laissé aux bons soins de l’occupant, les deux autres paramètres sont

Régulation de température du ventilo

Deux principes sont possibles

• soit la vitesse du ventilateur est constante et le régulateur module la température de l’eau en fonction des besoins de l’ambiance au moyen d’une vanne à trois voies,
• soit la température de l’eau est constante et le régulateur module la vitesse du ventilateur en fonction des besoins de l’ambiance.

La première solution est très confortable, d’autant que la vitesse du ventilateur est fixée par l’occupant (réglage manuel à 3 positions), occupant qui choisit ainsi le niveau de bruit qu’il souhaite. Bien sûr, si les besoins sont élevés et que la vitesse du ventilateur est faible, la consigne ne sera pas atteinte…

Commutateur de vitesse du ventilateur.

La deuxième solution est moins chère, mais nettement moins confortable, surtout si le ventilateur fonctionne en tout ou rien. Il faut au minimum un appareil à trois vitesses ou, mieux, un ventilateur à vitesse variable.

Dans les deux cas, on prévoira une plage neutre suffisamment large (minimum 2°C) : par exemple, une plage neutre entre 21 et 24°C. La température intérieure du local va « flotter » entre ces deux valeurs, sans consommation énergétique.

Il est préférable que la sonde de température soit placée dans l’ambiance : si elle était placée dans la reprise d’air, il faudrait laisser le ventilateur en 1ère vitesse même lorsque la température ambiante est en plage neutre…!

Ventilateur en vitesse 1 dans la zone neutre.

Ventilateur à l’arrêt dans la zone neutre.

Remarque : une technique URE consiste à placer un contact de feuillure sur les châssis de telle sorte que le fonctionnement du ventilo-convecteur soit interrompu lors de l’ouverture des fenêtres.

Régulation des débits hydrauliques du réseau

Dans les circuits avec vannes à trois voies, le débit hydraulique total de l’installation est constant.
Par contre, dans les installations avec vannes deux voies, lorsque celles-ci se ferment, la pompe risque de souffrir. Deux solutions sont possibles :

• Soit une vanne à décharge (encore appelée vanne à soupape différentielle) est placée en parallèle sur le réseau de distribution. La pompe est protégée, elle travaille à débit constant, mais sa consommation est constante également, alors qu’on aurait pu économiser de l’énergie électrique !
• Soit la pompe travaille à vitesse variable, en maintenant une pression constante dans le réseau. Ceci est nettement plus économique, mais suppose une protection des installations de production lorsque le débit d’irrigation devient faible : un by-pass pour la chaudière et un ballon tampon pour la machine frigorifique.

Gestion de la pointe électrique dans les installations 2 tubes – 2 fils

Il est utile de prévoir une technique de délestage pour éviter le fonctionnement simultané des résistances électriques des installations 2 tubes – 2 fils !

Un fonctionnement séquentiel est possible puisque le bâtiment constitue en lui-même un réservoir tampon et que la stabilité des températures intérieures ne sera que peu affectée par les coupures provoquées par le délesteur.

La programmation devrait également permettre de profiter au mieux des tarifs de nuit, en réalisant les relances du matin avant 7h00 (heure variable régionalement suivant les distributeurs).

 Deux systèmes s’entrecroisent au niveau de l’échangeur

• le circuit d’eau (transfert thermique de la production vers l’émetteur),
• le circuit d’air (transfert thermique de l’émetteur vers la pièce).

et les régulations de ces deux systèmes sont distinctes.

Sur ce schéma de base, on distingue 2 régulations :

1. Une vision de la régulation locale de chaque ventilo-convecteur

• avec vanne 3 voies,
• avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
• avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.

>> Pour plus d’informations

2. Une régulation de l’alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs

• chaud ou froid + commutation été/hiver,
• chaud ou froid par une machine frigorifique réversible,
• chaud et froid simultanément + distribution par zone,
• chaud et froid simultanément + distribution par zone + circulateur de zone.

>> Pour plus d’information

Trois systèmes s’entrecroisent au niveau de l’échangeur

• le circuit d’eau glacée,
• le circuit d’eau chaude,
• le circuit d’air (transfert de l’émetteur vers la pièce).

et les régulations de ces systèmes sont distinctes.

Sur ce schéma de base, on distingue dès lors 2 régulations :
1. Une régulation locale de chaque ventilo-convecteur :

• avec vanne 3 voies,
• avec vanne 2 voies et régulateur de pression différentielle,
• avec vanne 2 voies et circulateur à vitesse variable.

>> Pour plus d’informations

2. Une régulation  de l’alimentation eau chaude/eau glacée des ventilo-convecteurs

• production de chaud et froid distinctes,
• production combinée de chaud et froid, via une machine frigorifique avec récupération de chaleur au condenseur.

>> Pour plus d’informations