Brevet FR3086818A1 — publié le 20200403

Description Titre de l'invention : MODULE PHOTOVOLTAÏQUE, ÉLÉMENT DE FAÇADE PRÉFABRIQUÉ LE COMPORTANT, BÂTIMENT ET ENSEMBLE DE BÂTIMENTS COMPORTANT DE TELS ÉLÉMENTS PRÉFABRIQUÉS Domaine technique [0001] La présente invention sc rapporte au domaine de la construction, notamment mais non exclusivement d'habitations. Elle concerne, plus particulièrement, un élément de construction préfabriqué conçu et réalisé pour fabriquer tout ou partie de l'enveloppe d'un bâtiment par assemblage de plusieurs dits éléments de construction préfabriqués. [0002] L'invention concerne également un bâtiment d'habitation dont l'enveloppe est construite à partir d'éléments de construction selon l'invention et équipée en outre de moyens de stockage d'électricité photovoltaïque produite par lesdits éléments de construction préfabriqués et d'un dispositif électronique de gestion et de distribution de l'électricité photovoltaïque produite. [0003] L'invention concerne enfin un parc de bâtiments d'habitation tels que précédemment définis, comportant au moins une pluralité de dits bâtiments d'habitation reliés entre eux en réseau et dont les dispositifs électroniques de gestion et de distribution de l'électricité photovoltaïque produite par chaque bâtiment sont configurés pour communiquer entre eux et pour distribuer ladite énergie électrique de manière autonome entre chaque bâtiment en fonction des besoins. Etat de la technique [0004] Depuis de nombreuses années maintenant les normes de constructions et environne- mentales promeuvent, voire exigent, que les constructions nouvelles, notamment d'habitations individuelles ou collectives, soient performantes énergétiquement. Plus simplement énoncé, ces nouvelles constructions doivent idéalement être faiblement énergivores, et donc maximiser la captation d'énergie environnementale, notamment solaire, pour le chauffage (eau, air) intérieur tout en évitant au maximum les déperditions d'énergie de l'intérieur vers l'extérieur des constructions. [0005] De plus, l'emploi de matériaux dits durables, c'est-à-dire naturels et/ou recyclables, est également promu pour obtenir des constructions dont le bilan dit « carbone » soit le plus neutre possible. [0006] Dans cette démarche, un premier axe de développement s'est focalisé sur l'amélioration de l'isolation thermique des bâtiments, notamment afin de limiter leur déperdition d'énergie aux niveaux des façades. Des parements d'isolation, par 2 l'extérieur ou l'intérieur ont ainsi été développés, permettant d'améliorer l'isolation des bâtiments nouveaux ou existants. Toutefois, de tels parements ont souvent un effet d'étanchéification des bâtiments, qui tendent notamment à mal évacuer l'humidité interne. Il faut alors aérer régulièrement pour évacuer cette humidité, ce qui péjore l'amélioration de l'isolation obtenue. [0007] Un autre axe de développement a également consisté à favoriser une autonomie énergétique des bâtiments par la production d'eau chaude et/ou d'électricité au moyen de panneaux solaires thermiques et/ou photovoltaïques ajustés sur les toits et/ou façades. Ces panneaux requièrent cependant un montage par des opérateurs spécialisés en surface externe des bâtiments, donc au détriment parfois de l'esthétique architecturale initialement définie, et un réseau hydraulique ou électrique de connexion des panneaux entre eux et à un dispositif interne de gestion/distribution doit également être aménagé, nécessitant des ouvertures dans les parois et donc de potentiels ponts thermiques non initialement envisagés. En outre, les dimensions de tels panneaux sont telles qu'ils ne couvrent pas entièrement les parois de bâtiments, limitant ainsi l'efficience énergétique en production du bâtiment par rapport à sa surface d'enveloppe totale. En effet, la mise aux dimensions des éléments de structure avec les panneaux solaires peut s'avérer problématique à cause des dimensions prédéterminées des panneaux solaires qui ne peuvent être découpés contrairement à des panneaux en bois ou en verre par exemple. A l'inverse, lorsque les panneaux sont construits à façon aux dimensions spécifiques des parois d'enveloppe équipées, il en résulte des problèmes logistiques liés à leur transport, leur stockage et leur montage et donc un surcoût de construction. [0008] Pour pallier ces difficultés, la demande EP-2374952-A1 décrit des éléments de façade préfabriqués comportant un cadre support et une armature interne délimitant au moins une ouverture fermée par un panneau solaire. Ces éléments préfabriqués sont conçus pour former des pans entiers de façade active intégrant des panneaux solaires, qu'il suffit d'assembler entre eux pour former les parois d'enveloppes verticales d'un niveau ou étage de bâtiment, entre une dalle de sol et une dalle de plafond de structure classique. Le cadre et les armatures comportent des moyens de maintien et de connexion permettant d'assurer une jonction étanche et sans ponts thermiques entre les éléments préfabriqués. [0009] Cependant, ces éléments de façade sont conçus eux aussi pour être réalisés à façon et les dimensions des ouvertures et panneaux solaires ainsi que ne sont pas optimisées pour permettre une production en série des éléments préfabriqués à des dimensions offrant une flexibilité maximale de design de parois de façade de niveaux unitaires de bâtiments d'habitation avec une garantie d'efficience énergétique en production d'électricité photovoltaïque maximale, un coût de revient et de transport optimisé 3 Divulgation de l'invention [0010] La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités par la proposition de panneaux photovoltaïques et d'éléments de façade préfabriqués configurés pour une production en série et la construction d'enveloppes d'habitations au performances énergétiques améliorées, par assemblage et sans découpe (lesdits panneaux avant leur installation. [0011] Les inventeurs ont en effet pu déterminer, après plusieurs années de recherches, un optimum dimensionnel (le panneaux photovoltaïques unitaires et éléments préfabriqués associés permettant de créer des modules de façades pour réaliser, sous forme d'ensemble à monter, l'enveloppe de chaque niveau d'habitations parfaitement isolée et productrice d'énergie photovoltaïque, tout en offrant aux propriétaires une liberté et flexibilité architecturale dans l'esthétique des modules et au monteur une grande simplicité dc montage sans reprises ni découpes. [0012] Ainsi, conformément à un premier objet, l'invention propose un module photo- voltaïque préfabriqué, comportant une pluralité de cellules photovoltaïques connectées électriquement entre elles et disposées en réseau régulier entre un premier et un second panneaux transparents au rayonnement lumineux solaire. Lesdits premier et second panneaux sont assemblés l'un à l'autre bord à bord par une couche adhésive intermédiaire dc manière à encapsuler lesdites cellules entre lesdits panneaux de manière étanche, selon un procédé dc fabrication classique en soit. Le module de l'invention trouve son caractère inventif en cc que ses dimensions sont comprises entre 650 et 700 mm en largeur et entre 1100 et 1500 mm en longueur, et le nombre de cellules photovoltaïques est compris entre 28 et 36 cellules par module. [0013] Les inventeurs ont en effet déterminé que des modules photovoltaïques ainsi configurés permettent avantageusement de produire en série des éléments préfabriqués de façade actifs, c'est-à-dire capable de produire de l'énergie électrique, adaptés à la construction d'enveloppes dc niveaux unitaires de bâtiments d'habitation, aux dimensions communes de l'industrie, c'est-à-dire de l'ordre de 2700 à 2800 mm de hauteur dc façade, pour un rendement énergétique optimal en production d'énergie, une logistique de fabrication et de transport des modules et des éléments préfabriqués optimisés n'impliquant aucun surcoût de construction par rapport aux fabrications classiques, et avec une simplicité et une fiabilité d'assemblage optimales pour les opérateurs monteurs aux sites de construction. [0014] De plus, de tels modules permettent indifféremment d'équiper des éléments pré- fabriqués de façade intégralement couverts de modules, ou partiellement couverts, intégrant ou non des ouvrants, sans qu'il soit nécessaire de modifier le dimensionnement des modules photovoltaïques ou celui des éléments préfabriqués de façade. [0015] Selon des caractéristiques particulières du module photovoltaïque de l'invention : [0016] - les cellules sont agencées linéairement sur la longueur et la largeur dudit module, et suivant un nombre pair de lignes de cellules sur la largeur dudit module, [0017] - les panneaux optiqucment transparents sont constitués de verre trempé ou durci ; [0018] - les cellules photovoltaïques sont des cellules à hase de silicium mono- ou poly- cristallin et/ou de silicium amorphe et/ou de pérovskites ; [0019] - moyens de connexion électrique entre les réseaux de cellules de deux modules identiques sont procurés. [0020] L'invention propose également selon un second objet un tel élément de façade pré- fabriqué comportant au moins un module photovoltaïque tel que précédemment défini. Un tel élément préfabriqué constitue ainsi une brique unitaire et autosuffisante de construction d'une enveloppe de façade, comportant notamment de façon avantageuse un bloc de parement parallélépipédique composé d'un multicouches structurel isolant et une armature de fixation, le(s)dit(s) module(s) photovoltaïque(s) étant fixé(s) par des moyens de maintien sur ladite armature. [0021] De tels éléments préfabriqués permettent avantageusement à un propriétaire de choisir à façon, sur catalogue, la structure et l'allure complète de l'enveloppe de façade de chaque niveau d'une maison d'habitation qu'il souhaite construire en fonction de l'autonomie énergétique et du design qu'il souhaite pour son habitation, puis de réaliser ou faire réaliser en usine les éléments préfabriqués qui sont ensuite livrés sur site de construction et assemblés équipés de leurs modules photovoltaïques, sans autres opérations additionnelles requises que l'étanchéification entre des éléments entre eux et les dalles de sol et plafond d'un niveau de construction donné. [0022] L'intégration de chaque module photovoltaïque en usine permet de s'affranchir des problèmes logistiques liés au transport et au stockage des panneaux solaires, ainsi que leur installation sur site. On réduit ainsi grandement le coût de mise en oeuvre de tels modules photovoltaïques. [0023] Enfin, de façon avantageuse, l'élément préfabriqué de l'invention est dimensionné de tel sorte qu'il puisse comporter au plus huit modules photovoltaïques juxtaposés sur toute une surface principale du bloc de parement. [0024] Conformément à un troisième objet, l'invention concerne également un bâtiment comportant au moins un niveau d'occupation délimité par une dalle de sol et une dalle de plafond séparées et reliées entre elles par des murs formant une enveloppe de façade du bâtiment, caractérisé en ce que ladite enveloppe de façade est formée d'un assemblage bord à bord d'éléments préfabriqués tels que précédemment définis. [0025] Avantageusement, un tel bâtiment comporte un dispositif de stockage et de dis- tribution d'énergie électrique produite par les modules photovoltaïques de chaque dit élément préfabriqué. 100261 L'invention concerne enfin dans un dernier objet un ensemble comportant au moins deux bâtiments tels que précédemment introduits, dont les dispositifs de stockage et. de distribution d'énergie électrique sont reliés en réseau et configurés pour communiquer entre eux de manière à distribuer à la demande entre lesdits bâtiments l'énergie électrique produite et le cas échéant stockée en fonction de leurs besoins de consommation respectifs. Un tel ensemble de bâtiments présente l'avantage unique d'être autonome et potentiellement autosuffisant en énergie électrique, indépendamment de toute connexion à un réseau d'alimentation externe. Description des figures annexées [0027] Les différentes caractéristiques du dispositif de fixation selon l'invention, ainsi que de son utilisation, ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0028] [fig.1] La figure I représente unc vue schématique en plan d'un module photo- voltaïque selon l'invention. [0029] [fig.2A] Lcs figures 2A à 2D représentent en vue de face un élément de façade pré- fabriqué selon l'invention dans des modes particuliers de réalisation de l'invention. [0030] [fig.2B] Les figures 2A à 2D représentent en vue de face un élément de façade pré- fabriqué selon l'invention dans des modes particuliers de réalisation de l'invention. [0031] [fig.2C] Les figures 2A à 2D représentent en vue de face un élément de façade pré- fabriqué selon l'invention dans des modes particuliers de réalisation de l'invention. [0032] [fig.2D] Lcs figures 2A à 2D représentent en vue de face un élément de façade pré- fabriqué selon l'invention dans des modes particuliers de réalisation de l'invention. [0033] [fig.3] La figure 3 représente unc vue en coupe transversale de l'élément de façade de la figure 2A selon un plan de coupe P vertical. [0034] [fig.4] La figure 4 représente schématiquement le mode de construction d'une façade d'habitation à l'aide d'éléments de façade selon l'invention. [0035] [fig.5] La figure 5 représente schématiquement un parc d'habitation selon l'invention reliées en réseau de distribution d'énergie autonome et au réseau électrique extérieur. Modes de réalisation de l'invention [0036] Pour les différents modes de réalisation, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description. [0037] La figure 1 représente schématiquement un module photovoltaïque 1 selon l'invention dans un mode préféré de réalisation. Ce module 1 présente une forme générale rectangulaire. Les dimensions en longueur Ll et largeur 11 de ce module 1 sont choisies comme des multiples respectivement de la largeur 12 et de la longueur L2 d'un élément de façade préfabriqué 1 selon l'invention tel que représenté aux figures 6 2A à 2D. Selon la forme de réalisation préférée présentée, le module 1 présente une longueur Ll de 1170 mm pour une largeur 11 de 690 mm et l'élément de façade préfabriqué 10 présente une longueur L2 de 2780 mm pour une largeur 12 de 2350 mm. Ainsi, un élément de façade préfabriqué 10 peut être équipé sur une face extérieure de façade de 1 à 8 modules 1 juxtaposés en hauteur et/ou en largeur pour recouvrir intégralement (Fig. 2A, 2C, 2D) ou partiellement (Fig. 2B) la surface extérieure de l'élément préfabriqué 10 comme il sera décrit par la suite. [0038] Le module photovoltaïque 1 comporte une pluralité de cellules photovoltaïques 2 connectées électriquement entre elles et disposées en réseau régulier comportant, selon une caractéristique du module inventif 1 un nombre pair de lignes de cellules 2 sur la largeur 11 dudit module 1. Lcs cellules 2 sont agencées entre un premier et un second panneau, non représentés sur les figures, transparents au spectre lumineux de rayonnement solaire. Lesdits premier et second panneaux sont collés l'un à l'autre bord à bord par une couche adhésive intermédiaire de manière à encapsuler lesdites cellules 2 entre lesdits panneaux de manière étanche, selon un procédé de fabrication classique en soit. Les panneaux du module 1 peuvent de manière préférée comporter un panneau de verre extérieur et un panneau de verre intérieur, les termes « extérieur » et « intérieur » faisant référence à l'orientation d'un dit panneau une fois le module 1 le comportant intégré sur un élément de façade 10 d'un bâtiment. [0039] Ainsi, le panneau de verre extérieur, destiné à former la surface incidente aux rayons lumineux solaire, et donc la surface d'entrée de lumière, peut être formé d'un verre feuilleté, trempé ou durci, le cas échéant traité pour être réfléchissant à certaines longueurs d'ondes du spectre lumineux solaire [0040] Le verre collé intérieur peut quant à lui comporter un vitrage feuilleté ou tout autre vent feuilleté dépoli, trempé ou non. [0041] Un intercalaire en polyvinyle butyrale ou éthylène-acétate de vinyle ou tout autre in- tercalaire transparent et préférentiellement inséré entre les panneaux de verre extérieur et intérieur dans lequel les cellules photovoltaïques 2 sont encapsulées Ces cellules photovoltaïques 2 sont des cellules à base de silicium mono- ou poly-cristallin et/ou de silicium amorphe et/ou de pérovskites. Elles sont montées en série par groupes de cellules reliés à des connecteurs 3, permettant de relier les modules 1 entre eux et à un dispositif de gestion et stockage de l'électricité produite en utilisation. [0042] Comme cela ressort de la Fig. 1, les cellules 2 sont agencées linéairement sur la longueur LI et la largeur 11 dudit module 1, espacées entre elles d'un espace el dans un sens longitudinal (sur la longueur) et d'un espace e2 dans le sens transversal (sur la largeur). Ces espacements el, e2 dépendent bien entendu des dimensions du module 1 et de celles et du nombre des cellules photovoltaïques 2. Conformément à l'invention toutefois, ces cellules 2 doivent être au nombre minimal de 28 et maximal de 36 par 7 module 1. Dans l'exemple de la figure 1, le module 1 comporte ainsi 28 cellules d'environ 150 mm de côté et espacées en cl de 7 mm environ et en c2 de 8 mm environ. Les cellules 2 sont par ailleurs disposées en retrait des bords latéraux et longitudinaux des panneaux de verre du module 1, en pratique dans l'exemple représenté de l'ordre de 18 à 22 mm. [0043] Conformément à l'invention toujours, les cellules 2 sont agencées selon un nombre de lignes horizontales paire, afin de simplifier les connexions entre deux modules adjacents et de faciliter la gestion des modules une fois les éléments de façade 10 les comportant installés pour réaliser une habitation H comme décrit ultérieurement. [0044] Ces modules photovoltaïques 1 permettent la réalisation en série d'éléments de façade préfabriqués 10 tels que représentés aux figures 2A à 2D par exemple, pour réaliser simplement des enveloppes de bâtiments d'habitation H à énergie positive, sans avoir à retoucher pour modifier les éléments de façade 10 sur le site de construction. [0045] Dans sa forme de réalisation de base, représentée à la Fig. 2A, un élément de façade préfabriqué 10 selon l'invention se présente sous une forme essentiellement rectangulaire de longueur L2 et de largeur 12 sus évoquées, ces dimensions étant choisies d'une part pour permettre l'intégration d'un nombre entier de modules photovoltaïques 1 selon l'invention tel que précédemment décrit et d'autre part, pour permettre la réalisation simple de niveaux unitaires de façades de bâtiments d'habitations, comme représenté à la fig. 4. [0046] Ainsi, comme on peut le voir sur la fig. 2A, un élément de façade unitaire 10 peut comporter jusqu'à huit modules 1 juxtaposés deux à deux en largeur 12 et quatre à quatre en longueur L2. Un tel élément de façade unitaire 10 peut également combiner un ouvrant O et des modules photovoltaïques comme sur la fig. 2B, ou encore comporter un demi-élément en fausse trame adapté pour être associer à un second demi-élément d'ouvrant (une porte ou un panneau vitré par exemple) comme représenter Fig. 2C ou constituer un élément d'angle comme représenté sur la fig. 2D, formé alors de deux éléments en fausse-trame assemblés sur une longueur L2 pour former un angle rentrant ou un angle sortant par exemple. [0047] L'élément de façade 10 préfabriqué selon l'invention se présente structurellement sous une forme analogue à celle décrite dans la demande antérieure EP-2374952-Al et sa mise en oeuvre est également conforme aux principes décrits dans ce document. Il comporte en particulier un cadre d'ossature en bois entourant un bloc de parement parallélépipédique composé d'un multicouches structurel isolant 11 et une armature de fixation solidaire d'une face principale dudit bloc de parement pour supporter les modules photovoltaïques 1. Le bloc de parement 11, dont une coupe selon un plan P de l'élément 10 de la figure 2A est représentée à la fig. 3, comporte les différentes 8 couches structurelles d'isolation de l'élément de façade garantissant les performances énergétiques des habitations construites à partir de tels éléments de façade 10. [0048] Comme illustré à la figure 3, le bloc de parement 11 comporte une face interne bâtiment INT, destinée à former une paroi murale interne d'habitation et une face externe bâtiment EXT formant la face murale externe de l'habitation. De la face interne INT à la face externe EXT, le multicouches du bloc de parement 11 comporte dans l'exemple représenté et de manière non limitative deux épaisseurs de finition principalement en plâtre A, une couche de doublage isolant B, de préférence constituée de fibres naturelles par exemple et d'un fil pare-vapeur C, ces couches A, B, C formant un premier tiers intérieur du bloc de parement 11. Suit une section médiane formée d'un panneau bois de contreventement D et d'une plaque anti-feu F, par exemple une plaque fibres-gypse fermacell®, entre lesquelles s'étend une poutre de structure E en bois, de préférence en épicéa, de part et d'autre de laquelle est logée une seconde couche isolante E' de fibres naturelles, identique ou différente à la première couche B. Le bloc de parement 11 comporte enfin une dernière section externe, composée d'un film pare-pluie G apposé sur la plaque anti-feu F. et enfin une lame d'air ventilée H aménagée entre les profilés d'armature (non représentés) de l'élément de façade 10 et sur lesquels sont fixés les modules photovoltaïques 1. [0049] Bien entendu, lorsqu'un ouvrant O doit être intégré à l'élément de façade 10, celui-ci est inséré dans des découpes idoines formées lors de la fabrication de l'élément de façade 10, ces découpes représentant alors une ouverture de surface équivalente à un nombre entier de modules photovoltaïques 1, comme sur la figure 2B, les ouvrants O venant se reprendre de manière étanche sur l'armature interne au cadre de l'élément de façade. [0050] Les éléments de façade 10 de l'invention permettent comme précédemment indiqué de réaliser des façades intégrées de niveaux unitaires de bâtiments d'habitation, dotées de performances énergétiques accrues avec une grande simplicité de mise en oeuvre, comme représenté schématiquement sur la figure 4. En pratique, les éléments de façade 10, commandés et fabriqués en usine sont livrés sur site de construction et y sont assemblés directement, selon les techniques décrites dans EP-2374952-A1 par exemple. Les éléments de façade 10 sont ainsi érigés et plaqués entre une dalle de sol DS d'un niveau et la dalle de plafond DP du même niveau, formant ainsi l'enveloppe de clôture périphérique dudit niveau. La liaison mécanique des éléments préfabriqués 10 sur les dalles DS. DP est réalisée par exemple par un sabot métallique, recevant un crochet de fixation incorporé sur la cadre ou un champ interne de l'élément de façade. De plus, les modules photovoltaïques 1 de chaque élément de façade 10 sont connectés entre eux et à un dispositif de gestion et de stockage de l'électricité produite, non représenté. L'étanchéité entre les éléments de façade 10 est elle assurée par un profil mé- 9 tallique porte joint qui accueille un joint souple élastomère de type EPDM, ne nécessitant plus aucune intervention de l'extérieur après la pose des éléments de façade, ce joint assurant totalement l'étanchéité entre les éléments. [0051] On peut ainsi réaliser des habitations s avec une grande flexibilité architecturale et des performances énergétiques accrues, permettant en pratique une autonomie énergétique totale de l'habitation pour une occupation familiale classique. Les éléments de façade 10 équipés de modules photovoltaïques selon l'invention permettent de générer une production électrique suffisante pour alimenter au quotidien tous les systèmes électriques nécessaires dans l'habitation. La consommation énergétique d'un foyer intervenant majoritairement en début de matinée en en soirée, donc en décalage avec la production de l'énergie électrique par les modules photovoltaïques 1, l'énergie électrique produite peut être avantageusement stockée temporairement dans un système de stockage écologique et durable comme par exemple à eau salée associé à un dispositif de gestion et de distribution permettant la gestion de la quantité d'énergie électrique interne à une habitation. [0052] Des panneaux hybrides peuvent également être associés sur les toitures de telles ha- bitations H1, H2, H3 afin de compléter les modules photovoltaïques 1 et produire également de l'eau chaude pour l'utilisation de chaque habitation, notamment pour le chauffage, association avec une pompe à chaleur réversible alimentant un plancher climatisant intégré aux dalles de sol DS et/ou dalles de plafond DP. L'eau froide peut quant à elle être fournie par récupération des eaux de pluie et traitement dans une cuve enten-ée HI, H2, H3 et vers laquelle les systèmes de récupération des eaux de toitures s'écoulent. [0053] L'invention propose ainsi des bâtiments d'habitation HI, H2, H3 énergétiquement autonomes, dont la production d'énergie électrique moyenne est supérieure à la consommation, pour une famille de 2 adultes et 2 enfants. Ces habitations peuvent en outre alors être reliées en réseau pour créer des ensembles énergétiquement autonomes d'habitations Hl, H2, H3 dans lesquels l'énergie disponible produite par les habitations est mutualisée, suivant un principe de priorisation. Il est ainsi possible de diminuer grandement les coûts écologiques et financiers de chaque habitation pour leurs propriétaires. L'énergie produite par chaque habitation est utilisée en priorité pour sa consommation particulière, puis si un surplus est disponible, ce surplus est mis à disposition des autres habitations de l'ensemble en réseau, ou vers le réseau d'alimentation local sur lequel le surplus d'électricité peut être revendu directement. [0054] La présente invention propose ainsi une solution globale, autonome et durable de construction d'habitations énergétiquement efficiente et autonome. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9]