Les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments (PVIB) suscitent de plus en plus d’intérêt ces dernières années en raison d’un besoin croissant de surfaces génératrices d’énergie renouvelable. Cela permet de maximiser l’utilisation des surfaces du bâtiment pour produire de l’électricité sur place et de se rapprocher de la performance énergétique nette zéro. Sans intention énergétique particulière, les panneaux PV muraux sont habituellement séparés de l’enveloppe du bâtiment par une lame d’air qui se forme en raison de la présence de lattes ou d’ancrages pour fixer les panneaux à l’enveloppe du bâtiment. Nos études ont toutefois montré que la variation dynamique de la performance thermo-hydraulique du flux d’air naturel dans la lame d’air peut avoir un effet positif sur la performance des panneaux PV, mais négatif sur les gains de chaleur à l’intérieur.
Effet positif
En raison de l’exposition importante au rayonnement solaire pendant la journée, la température de surface des panneaux peut en effet atteindre entre 60 et 80 degrés en été. Cela a un effet négatif sur l’efficacité des cellules solaires monocristallines et polycristallines les plus utilisées. Par exemple, l’efficacité électrique des panneaux polycristallins PVIB peut chuter de plus de 2% au cours de l’après-midi d’été en raison de l’effet combiné de la température élevée de l’air extérieur et du flux solaire. Heureusement, grâce au flux d’air naturel derrière les panneaux, l’excès de chaleur est partiellement évacué des panneaux, ce qui réduit leur température et augmente leur rendement électrique de plus de 1%, ce qui est une bonne chose lorsque chaque 1% d’augmentation du rendement électrique compte.
Surchauffe estivale
Toutefois, si un flux d’air derrière les PVIB a un effet positif sur les panneaux, il a un effet inattendu à l’échelle du bâtiment: il augmente les gains de chaleur à l’intérieur, ce qui aggrave la surchauffe estivale du bâtiment. En évacuant la chaleur à l’arrière des panneaux PV, le flux d’air gagne de l’énergie thermique qui est ensuite transférée au cœur du mur. Les facteurs d’installation tels que la proximité des panneaux PV par rapport au cœur du mur peuvent affecter la quantité de chaleur dissipée de la surface arrière des modules PV et être transférée au cœur du mur.
Dans le Laboratoire d’ingénierie thermique pour l’environnement construit (TEBEL) de l’EPFL, nous étudions l’impact des cavités d’air ventilées derrière les façades passives traditionnelles (par exemple, bois, bardage en vinyle, placage de brique) et les façades actives modernes telles que les PVIB sur la performance de l’enveloppe entière du bâtiment avec une considération particulière de la performance des couches actives. Nous avons évalué la «résistance thermique effective» pour les lames d’air ventilées derrière chaque revêtement traditionnel en nous basant sur le réseau linéarisé des résistances thermiques qui est la base des applications de conformité au code énergétique des composants du bâtiment.
Propositions d’amélioration
Sur la base de cette formulation, nous avons proposé des modifications aux méthodes d’essai standard, afin d’améliorer la précision de la conception thermique pour soutenir l’utilisation conforme au code des espaces d’air ventilés en tenant compte du comportement thermo-hydrodynamique du flux d’air. Nous avons modélisé numériquement la performance transitoire du flux d’air derrière différents types de façades et effectué une validation expérimentale en utilisant un prototype de bâtiment sur le site du Smart Living Lab, à l’EPFL Fribourg.