Dossier 1 - Octobre 2006
Domotique sans fil avec ZigBee
Standard de transmission sans fil à bas débit pour les réseaux de proximité, ZigBee est bien adapté aux applications domotiques grâce à sa très faible consommation électrique.
Le principe de fonctionnement de ce protocole radio est analogue
à celui d’une abeille (“bee” en anglais), qui va de fleur en fleur pour butiner
Les applications domotiques nécessitent un réseau pour la transmission des informations de contrôle-commande. Divers médias peuvent être mis en œuvre : câblage filaire, infrarouge, courants porteurs en ligne (CPL) ou radiofréquences. Cette dernière technologie est souvent privilégiée pour sa simplicité et sa souplesse d’installation, notamment dans les bâtiments existants où des travaux de branchement ne sont jamais les bienvenus.
Les technologies radiofréquences recouvrent un monde très varié. Des systèmes spécifiques ont donc été créés par des groupements d’industriels pour répondre à des domaines d’applications bien délimités. Dans celui de la domotique (mais pas seulement), Zigbee est une des solutions qui émergent.
Autonomie et autoconfiguration
Fonctionnant sur la bande de fréquences des 2,4 GHz et sur 16 canaux, ZigBee est un protocole permettant des transmissions à courte portée (100 m). Il est fondé sur le standard IEEE 802.15.4 défini en mai 2003. Les débits autorisés sont relativement peu élevés (entre 20 et 250 kbit/s maximum) mais la consommation électrique est considérablement réduite, ce qui est un des atouts de cette solution. Les nœuds sont conçus pour fonctionner plusieurs mois (jusqu’à deux ans pour les moins consommateurs) en autonomie complète grâce à une simple pile alcaline de 1,5V.
ZigBee constitue le prolongement du standard HomeRF (Home Radio Frequency) qui, après son lancement en 1998, a été abandonné car dépassé par le Wi-Fi. Cette technologie est cousine de Bluetooth (dont elle s’est beaucoup inspirée) tout en étant moins chère et plus simple. A titre d’exemple, les nœuds ZigBee classiques nécessitent environ 10% du code nécessaire à la mise en œuvre de nœuds Bluetooth ou de réseaux sans fil type Wi-Fi. Un autre atout mis en avant est la possibilité de construire des réseaux étendus par la technique du multisauts (sauts de nœud en nœud) ce qui permet de ne pas être limité à la portée radio autour d’une station maître. Les réseaux ZigBee savent s’organiser automatiquement grâce à ces techniques de routage.
Les spécifications de ZigBee ont été ratifiées en décembre 2004. Elles sont disponibles auprès des membres du consortium ZigBee Alliance fondé à l’origine par neuf industriels (BM Group, Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips et Samsung) et qui compte aujourd’hui près de 200 membres. Parmi les plus connus en Europe, citons notamment Danfoss, France Télécom R&D, Grundfoss, Invensys, Insta, Johnson Controls, Legrand, Niko, Schneider Electric, Siemens, ST Microelectronics, Trane, Urmet Domus, etc.
Les premières spécifications officielles de la version 1.0 ont été publiées en juin 2005 et un dispositif de certification des produits a été mis en place en janvier 2006. Depuis lors, les annonces de produits compatibles ZigBee se multiplient et les premiers équipements dotés d’une connexion radio font leur entrée sur le marché. Citons par exemple, la télécommande pour chauffage électrique “Cyclope” développée par Kalirel.
En septembre 2004, le cabinet américain d’études de marchés ABI Research prévoyait que la barre des 80 millions de produits communicants (tous domaines d’application confondus) pourrait être dépassée avant la fin 2006.
Applications
Les principales applications visées par ZigBee sont la domotique (réseaux sans fil domestiques) et le secteur industriel pour la surveillance ou le contrôle à distance (contrôle-commande de capteurs ou d’actionneurs, télérelève de compteurs, etc.).
Dans le domaine de la domotique, les possibilités de communication entre équipements ouvrent de nouvelles perspectives : par exemple, les applications gérant la sécurité pourraient être reliées à celles prenant en charge l’éclairage. Ainsi, un capteur détectant l’ouverture d’une porte ou d’une fenêtre pourrait commander l’allumage des lumières. Un potentiel d’applications existe aussi dans le domaine de l’optimisation des ressources énergétiques avec l’utilisation de réseaux de capteurs. Dans le secteur de la santé, de nouvelles applications de télémédecine peuvent être envisagées.
Dossier 2 - octobre 2006
Bâtiments à “énergie positive” : Est-ce possible aujourd’hui ?
Avec des solutions disponibles sur le marché, il est possible pour une maison de 100 m2 habitables de descendre en dessous d’une consommation annuelle de 5 000 kWh, pour un surcoût à la construction inférieur à 20 %.
Les maisons réalisées à Rillieux la Pape (69) par MCP promotion
(architecte : Atelier Thierry Roche et associés ;
bureau d’études : Bastide-Bondoux)
consomment 58 kWh/m2/an de chauffage,
(voir « électro magazine » N°1, p 28).
Le concept de bâtiment à “énergie positive” a été développé en France depuis quelques années, notamment par le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), dans la droite ligne du concept allemand de “maisons passives”. L’objectif d’un tel bâtiment est de produire plus d’énergie qu’il n’en consomme à l’année. Car, en effet, il serait techniquement difficile et surtout économiquement onéreux de vouloir être autonome à tout moment, plus particulièrement en hiver lorsque les besoins de chauffage sont importants.
Une autre idée qui apparaît en filigrane concerne la sécurité d’approvisionnement, par exemple en cas de coupure du réseau électrique comme cela a été le cas lors des tempêtes de la fin de l’année 1999. L’objectif est cette fois-ci d’alimenter toute ou partie de l’installation électrique pendant quelques heures voire le chauffage.
Si l’idée d’une maison “zéro énergie” semble séduisante en revanche, l’investissement demeure élevé. Sans aller jusqu’à des prototypes, il existe néanmoins des solutions industrialisées dont l’association optimale permet de se rapprocher de l’objectif, d’autant que les aides accordées par les Pouvoirs publics via le crédit d’impôt sur les matériels énergétiquement performants sont substantielles (voir “électro magazine” N°2, p 21).
La première étape lors de la conception du bâtiment passe par une réduction drastique des besoins. C’est assurément le critère déterminant car les sources d’énergie qui seront retenues par la suite sont onéreuses. Or, comme le premier poste de dépense énergétique est le chauffage, il faut privilégier une architecture bioclimatique, renforcer l’isolation, limiter les pertes par renouvellement d’air.
Une architecture bioclimatique
Le principe de l’architecture bioclimatique est de tirer partie de l’environnement naturel. Par exemple, dans le cas d’une construction située au nord de la Loire, il vaut mieux placer les ouvertures au sud et à l’est, (en fin d’après midi, des ouvertures placées à l’ouest peuvent provoquer des phénomènes de surchauffe). Non seulement, il n’y aura pas d’ouverture au nord mais des “zones tampons” protégeront la maison : par exemple, un garage. Au sud, on pourra réaliser une serre qui récupérera la chaleur due à l’ensoleillement. Elle ne sera pas équipée de chauffage ou de climatisation sauf d’un dispositif de mise hors gel. Afin de ne pas provoquer de phénomène de surchauffe, en été, ou de refroidissement en hiver, il sera possible d’isoler cette pièce du reste de la maison. Pour le confort d’été, toutes les ouvertures seront équipées de systèmes d’occultation avec des dispositifs complémentaires tels que des stores bannes ou des avanceés. Les fenêtres de toit seront équipées de vitrages réfléchissants et de volets roulants.
Une isolation renforcée
Le renforcement de l’isolation constitue de loin le poste d’investissement le plus rentable et le plus sûr, dans le temps : la meilleure solution est avant tout de ne pas consommer ! Elle vient donc en complément de l’architecture bioclimatique. Pour une maison, on recherchera plutôt l’inertie des parois. Deux solutions sont possibles : soit l’isolation est placée à l’extérieur soit les murs sont réalisés avec du béton cellulaire ou du “Monomur” en terre cuite. Résultat : les variations de température sont lissées tout au long de la journée.
Pour l’isolation des parois les solutions ne manquent pas : matériaux avec une plus forte résistance thermique, double voire triple vitrage à faible émissivité avec remplissage de la lame d’air par des gaz rares tels que l’Argon, des portes et fenêtres surisolées, présence d’une chape flottante... Aujourd’hui, il est facile d’aller plus loin que la réglementation thermique en vigueur (RT 2005).
Quant à la ventilation, son poids relatif ne cesse d’augmenter au fur et à mesure que les déperditions par les parois diminuent. On estime que pour des maisons récentes, elle représente 30 % des pertes totales.
L’énergie électrique compétitive
Une première constatation s’impose : au fur et à mesure que les besoins énergétiques diminuent à commencer par ceux liés au chauffage, les système de production centraux deviennent de moins en moins intéressant d’un point de vue économique. Au contraire, de faibles sources de production de chaleur s’avèrent extrêmement rentables. C’est le cas du chauffage électrique qui est d’autant plus intéressant que les besoins sont faibles. Une maison correctement isolée (niveau RT 2005) consomme en effet, moins de 80 kWh d’énergie finale par an et par m2. Ce constat est tellement vrai que les chaudières sont aujourd’hui dimensionnées pour produire l’eau chaude sanitaire de façon instantanée et non pour le chauffage qui nécessite une puissance installée inférieure à 80 W/m2. Or, chaque étape réglementaire (2005, 2010, 2015...) fera baisser mécaniquement d’environ 15 % les besoins pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire (ECS).
Aujourd’hui, une maison correctement isolée consomme moins de 50 % de son énergie pour le chauffage. D’où le poids relatif des autres consommations : ECS, éclairage, climatisation, ventilation, usages domestiques, la bureautique... Quant au débat sur l’affectation d’un coefficient multiplicateur de 2,58 pour calculer l’énergie primaire réellement consommée (tenant compte des pertes lors de la production de l’énergie électrique et de son transport), il deviendra caduque puisque l’énergie sera produite localement. Enfin, il ne faut pas oublier le poids des contrats et de l’entretien qui militent pour le choix de l’électricité (un seul contrat d’approvisionnement).
Des équipements performants
En ce qui concerne le chauffage, la solution la plus confortable est le rayonnement par rapport à la convection bien que les différences tendent à se réduire au fur et à mesure que les apports s’amenuisent. Le meilleur confort sera apporté par une surface rayonnante la plus large possible (type plafond ou plancher chauffant), avec une isolation complémentaire renforcée pour éviter les pertes arrières (surtout pour le plancher).
Deux solutions sont possibles : soit des tubes parcourus par de l’eau chaude à basse température (en plancher ou en plafond via des nattes), soit un plancher rayonnant électrique (PRE) ou un plafond (PRP). Si on choisit la première solution, on peut alors se tourner vers des pompes à chaleur (PAC) de type géothermique (captage des calories dans le sous sol grâce à des tubes horizontaux moins onéreux par rapport à des tubes verticaux), ou de type aérothermique (captage des calories dans l’air extérieur).
Le système géothermique est le plus performant avec un COP moyen (rapport entre l’énergie thermique produite et l’énergie électrique consommée) compris entre 3 et 4. En outre, son rendement est stable quelle que soit la saison ce qui n’est pas le cas du système aérothermique dont le rendement décroît fortement en hiver lorsque les températures sont basses et le taux d’hygrométrie dans l’air est élevé ; (au nord de la Loire, il faudra impérativement prévoir un chauffage complémentaire à énergie Joule). A noter que les PAC sont désormais capables de produire de l’eau chaude sanitaire (température de sortie supérieure à 50 °C), avec une résistance électrique complémentaire ou de réchauffer une piscine, en été.
La seconde solution qui reste aujourd’hui la plus rentable (coût d’investissement réduit et tarifs attractifs) consiste à opter pour un chauffage à énergie Joule avec, pour un confort optimal, un plancher ou un plafond chauffant dans la salle de séjour. Il sera complété par des radiateurs à inertie dans les chambres et des sèche-serviettes dans les salles de bains, munis d’un système de soufflage pour une montée en température plus rapide.
Bien sûr, la régulation est indispensable pour piloter l’ensemble: individuation des températures par pièce, mode réduit la nuit, hors gel pour de longues périodes d’inoccupation, délestage pour abaisser le contrat, commande à distance...
En ce qui concerne la ventilation, la solution la plus rentable est de choisir un système hygroréglable, voire un système double-flux avec récupération de chaleur (on atteint 80 % avec les systèmes les plus performants), le nec plus ultra étant de disposer d’une pompe à chaleur intégrée permettant d’assurer les besoins de chauffage en intersaison et de rafraîchissement en été.
Des systèmes de production autonomes
Maintenant que l’on a réduit les besoins de chauffage à moins de 50 kWh/m2/an, on peut s’attaquer aux systèmes de production d’énergie. Pour l’instant, peu de solutions rentables existent même si les crédits d’impôt peuvent faire pencher la balance. Si on recherche l’autonomie pour s’affranchir d’une coupure de courant éventuelle, la meilleure solution consiste à faire appel à un groupe électrogène car il est illusoire de compter sur un onduleur, sauf pour des besoins ponctuels liés à des équipements électroniques.
La meilleure solution aujourd’hui compte tenu des nouveaux tarifs de rachat de l’énergie électrique (voir “électro magazine” N°3, p 6), est de disposer sur la toiture de panneaux photovoltaïques. Si on fait le calcul avec un tarif de rachat de 55 cts d’euros/kWh, une aide de 50 % des Pouvoirs publics, une production annuelle supérieur à 100 kWh/m2/an, on obtient de biens meilleurs résultats qu’avec les panneaux solaires thermiques. Car on a tendance à l’oublier : la production d’ECS la nuit est particulièrement intéressante grâce au tarif EDF des heures creuses qui devrait rester attractif comme on ne peut pas arrêter les centrales nucléaires la nuit ! Aujourd’hui, il faut compter 800 euros TTC pour 1m2 de capteurs photovoltaïques (fournis posés).
