Les causes du rechauffement climatique 

L’augmentation du CO2 dans l’atmosphère est liée à une hausse de la température terrestre à cause d’une forte concentration des gaz à effet de serre (GES). Il a été constaté constaté que les émissions de CO2, en grande partie liées à la combustion d’énergie, représentent plus que les 3/4 des émissions mondiales. Selon le rapport 2010 du Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat GIEC [2], ce changement climatique serait dˆu à l’activité humaine ´ avec 90 % de certitude. Par conséquent, la communauté internationale a pris conscience de l’impact important du changement climatique et de la nécessité d’agir au niveau international. 

Bilan de la consommation energétique 

 L’épuisement à court moyen des ressources d’énergies fossiles ainsi que le réchauffement climatique poussent la communauté internationale à entreprendre des solutions notamment, la diminution de la consommation énergétique et l’utilisation des énergies propres. Or, parmi les secteurs les plus polluants, le bâtiment représente actuellement un tiers de la consommation mondiale d’énergie et pourrait réduire ses émissions deCO2 à l’aide des technologies économes.

Reduction de la consommation énerg étique du batiment en France 

La France a inscrit l’objectif de la réduction de la consommation énergétique dans sa stratégie de développement durable. Elle s’engage à réduire les émissions des GES dans le bâtiment grâce à trois plans d’action majeurs : – La réduction de consommation d’énergie du bâtiment Notre étude rentre dans le cadre des efforts menés en lien avec la production locale d’électricité. En effet, les besoins d’électricité sont en augmentation importante. Le besoin d’indépendance énergétique a poussé la France à développer l’énergie nucléaire qui est une énergie propre. Cependant, plusieurs problèmes se posent concernant cette énergie. Actuellement la seule énergie durable est l’énergie solaire qui peut être exploitée localement par la technologie du photovolta¨ıque.

Integration aux bâtiments des composants PV (IBPV) 

De nos jours, il est encore difficile de satisfaire les besoins énergétiques d’un bâtiment avec des panneaux PV en toiture à cause des faibles rendements et des surfaces de captation insuffisantes. L’intérêt actuel est tourné vers l’intégration des panneaux PV aux surfaces bâties. Les conditions d’intégration aux bâtiments des composants PV constituent un facteur limitant de tels systèmes compte tenu de la forte dépendance des cellules PV en température. En effet, l’évacuation de la chaleur par la face arrière des panneaux PV devient difficile en raison de la présence du bâtiment. Par conséquent, le fonctionnement en été, incluant la production d’énergie électrique et l’utilisation du système comme cheminée solaire, s’avère ainsi un problème très délicat. Afin de remédier à ce problème, l’intégration est faite en configuration fac¸ade type doublepeau. Une lame d’air est intercalée entre le panneau et le bâtiment afin de créer un écoulement de convection naturelle entre les deux et d’améliorer le rafraˆıchissement des cellules PV. 3 Positionnement de l’etude ´ 3.1 Fac¸ade double peau photovolta¨ıque En plus des fonctions d’une FDP classique, l’intégration des composants PV dans des fac¸ades double peau permet de produire localement de l’électricité. L’idée est d’exploiter au mieux l’énergie solaire, la double-fac¸ade PV pouvant ainsi fournir de la chaleur et de l’électricité. C’est ce type d’intégration auquel nous nous intéresserons dans notre étude. Dans le cas de ce système, la fac¸ade est recouverte entièrement (voir fig. I.6(b)) ou en partie (fig.I.6(a)) par des modules PV.

Fonctionnement d’une FDP photovolta¨ıque

 Les façades photovoltaiques intégrées aux bâtiments sont en générale formées par deux parois verticales, la première externe constituée intégralement ou partiellement recouverte de cellules PV (cf. Fig. I.7), la deuxième correspond au mur du bâtiment. Entre ces deux parois, se trouve une lame qui fait l’objet d’une circulation d’air, ce qui va influencer le transfert thermique et l’écoulement au sein de la FDP et donc va avoir un impact sur le bâtiment. Dans le cas de fac¸ade externe intégralement ou partiellement recouverte de cellules PV, le flux lumineux est rec¸u par la fac¸ade externe et en partie évacué par conduction et par rayonnement à l’arrière des panneaux PV. Le contrˆole de la lame d’air qui permet d’assurer le refroidissement des cellules PV, est soumis à deux scénarios principaux d’utilisation correspondant respectivement au fonctionnement d’hiver et au fonctionnement d’été (cf. Fig. I.7 ). En hiver, l’air chaud montant au sein du canal est redistribué dans les locaux du bâtiment (écoulement forcé à l’aide de la ventilation mécanique contrˆolée (VMC)). En été, les températures de fonctionnement sont élevées et cela entraˆıne la diminution du rendement des cellules photovolta¨ıques. Un écoulement de convection naturelle est crée à l’intérieur du canal et l’air chaud sort par la partie haute de la fac¸ade. Dans la suite de cette étude, nous étudierons d’abord la configuration académique o`u la paroi externe est entièrement ou en partie composée de panneaux photovolta¨ıques. Le cas d’une alternance de cellules PV et de vitrages sur la paroi externe fera l’objet de perspectives. Le estivale essentiellement basé sur l’effet cheminée. Les cellules PV sont considérées comme des sources de chaleur évacuant un flux qui pourra être supposé uniforme [20][21]. Ainsi, dans notre étude, nous considérons un canal vertical ouvert soumis à une densité de flux uniforme sur l’une ou sur deux de ces parois. Ces études académiques permettrons dans un premier temps, de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans une configuration type fac¸ade double-peau. 

Analyse physique 

Afin de vérifier la pertinence de la FDP photovoltaïque vis-à-vis du refroidissement des cellules PV, il est indispensable de comprendre l’ensemble des différents types de transfert thermique intervenant au sein de la lame d’air. Le schéma I.8-b présente les transferts de chaleur mis en jeu dans le cas d’une double-peau constituée en partie de panneaux PV et de vitrages. La configuration d’étude qui correspond au fac¸ade est montrée dans la figure I.8-c. C’est un schéma simplifié puisque nous avons dans un premier temps supprimé les vitrages et ainsi négligé la part du rayonnement solaire qui vient intercepter le mur primaire. Ainsi, la configuration académique à étudier sera un canal ouvert chauffé sur une ou sur deux de ses parois. L’intérieur de la double-peau (dans notre exemple) est ainsi constitué de zone chaudes et opaques situées sur les deux parois, qui vont engendrer un écoulement de convection naturelle qui va interagir avec le rayonnement de surface et créer deux couches limites thermiques le long des parois du canal. Ce système fait donc intervenir les trois modes de transfert de chaleur : – la conduction dans les panneaux PV (non prise en compte dans notre étude) ; – le rayonnement, les surfaces chaudes de la double-peau (panneaux PV et murs) vont rayonner entre elles ; – la convection naturelle qui va refroidir la face arrière des panneaux PV. Ce système peut être également très sensible aux conditions extérieures notamment l’effet du vent. L’optimisation du fonctionnement d’un tel système nécessite donc la prise en considération des mécanismes physiques mis en jeu ; c’est la raison pour laquelle une étude multi-échelle est menée au laboratoire CETHIL.