Pavillon rénové à énergie positive

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1 Clémence CHARLIGNY Pavillon rénové à énergie positive Prix E+ Convention Efficience Energétique du Bâtiment

2 Sommaire 1. Maquette numérique d un BEPOS... Erreur! Signet non défini Les intervenants du projet Contexte et enjeux du projet Le pavillon support de l étude Outils de conception utilisant la maquette numérique Solutions de rénovation Objectif BBC Rénovation Surélévation en bois Travaux sur le bâti Les innovations techniques Optimisation des solutions de rénovation Calcul des consommations du bâtiment Evaluation du confort d été L analyse du cycle de vie Optimisation de l éclairage La mobilité Bilan énergétique du pavillon Définition retenue pour le BEPOS Un bâtiment à énergie positive Retour d expériences sur la maquette numérique Des liens identifiés Des perspectives encourageantes Fiche résumé du projet Synthèse du projet Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 2

3 Lexique : ACV : Analyse du cycle de vie ADEME : Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie. ASHRAE : American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning. (Agence Américaine pour le chauffage, le froid et le conditionnement d air). BBC : Bâtiment Basse Consommation. BEPOS : Bâtiment à Energie POSitive. BIM : Building Information Modelling. (maquette numérique). Cep : Coefficient de la RT, Consommation en énergie primaire. CESI : Chauffe Eau Solaire Individuel. COS : Coefficient d Occupation des Sols. CSTB : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment. DHUP : Direction de l Habitat, de l Urbanisme et des Paysages. DPE : Diagnostic de Performance Energétique. ECS : Eau Chaude Sanitaire. ENR : ENergies Renouvelables. FFB : Fédération Française du Bâtiment. HQE : Haute Qualité Environnementale. IFC : Information Foundation Class (fichier maquettes numériques). MEP : Mécanique, Electrique et Plomberie. MNB : Maquette Numérique du Bâtiment. NREL : National Renewable Energy Laboratory. (Unité de recherche pour les énergies renouvelables aux États-Unis). nzeb : nearly Zero energy Building. (bâtiment à énergie positive). PAC : Pompe À Chaleur. PREBAT : Plateforme de Recherche et d Expérimentation sur l énergie dans le BATiment. PV : Photovoltaïque. REHVA : Federation of European Heating, Ventilation and Air conditioning associations. (association européenne du chauffage, de la ventilation et du conditionnement d air). RT : Réglementation Thermique. STD : Simulations Thermiques Dynamiques Tic : Coefficient de la RT 2012, Température intérieure conventionnelle. VMC : Ventilation Mécanique Contrôlée. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 3

4 1. Pavillon rénové à énergie positive Les nouveaux référentiels thermiques européens proposent que les bâtiments neuf à l horizon 2020 présentant un bilan énergétique positif sur l année [9]. Avec l évolution des exigences réglementaires, le secteur du bâtiment pressent une modification des méthodes de travail et des technologies mises en œuvre lors de la construction. Les échanges et interactions seront plus nombreux entre les acteurs afin de proposer des bâtiments produisant d avantage d énergie qu ils n en consomment. L apparition de ces nouveaux bâtiments thermiquement performants doit être accompagnée par une rénovation des bâtiments existants. Cette rénovation est l occasion de corriger les défauts, faire évoluer le parc immobilier et valoriser son bien. Des solutions de rénovations doivent être validées afin de réduire les consommations en énergie, produire de l énergie localement et proposer une densification raisonnée à l échelle urbaine Les intervenants du projet Projet de fin d études d ingénieur Après deux années en classe préparatoire aux grandes écoles, j ai choisi d intégrer l INSA de Strasbourg, dans la spécialité génie climatique et énergétique. Cette formation fut l occasion de découvrir les enjeux liés à la performance énergétique des bâtiments et de leurs équipements techniques de chauffage, ventilation et de climatisation. Afin de valider mon diplôme d ingénieur de l INSA de Strasbourg, j ai réalisé mon projet de fin d études au Centre de Recherche et de l Innovation pour le Gaz et les Energies Nouvelles (CRIGEN) de GDF Suez durant sept mois. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 4

5 L entreprise d accueil GDF Suez Le groupe GDF SUEZ est un fournisseur d énergies et de services. Le CRIGEN est l un des huit centres de recherche de sa Direction de la Recherche et de l Innovation ; ses travaux sont dédiés aux développements technologiques qui permettront de pérenniser la compétitivité du gaz naturel et à l étude des énergies renouvelables couplées aux systèmes énergétiques existants. Cadre de l étude L étude porte sur la rénovation d un pavillon afin d atteindre un bilan énergétique positif et la requalification architecturale par surélévation en bois. GDF SUEZ a proposé de réaliser une réflexion sur un bâtiment typique des années 70 afin de valider des solutions de rénovation. C est dans ce cadre qu une maquette numérique en 3 Dimensions de ce bâtiment a été développée. Elle est utilisée pour mettre en œuvre différents outils de conception : calcul réglementaire, simulation dynamique, éclairage, ACV, etc. J interviens dans ce projet, afin de réaliser des études complémentaires à celles réalisées par le bureau d étude technique mandaté sur ce projet. L objectif de mon intervention est d assister le maitre d ouvrage afin de réaliser des études complémentaire d optimisations énergétiques. Ce sujet est également l occasion d éprouver l utilisation d outils numériques de conception à l aide d une maquette numérique. Les travaux réalisés durant le projet de fin d études d ingénieur sont présentés afin de participer au concours E+ organisé par Cardonnel Ingénierie. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 5

6 1.2. Contexte et enjeux du projet Le projet s inscrit dans un environnement réglementaire évolutif : entrée en vigueur partielle de la RT2012, arrivée du nouveau moteur de calcul RT, proposition de nouvelles définitions de labels, groupe de travail en cours sur la définition du BEPOS, lancement du groupe de réflexion sur la Réglementation Bâtiment responsable 2020, élargissement de l offre de certification, etc. Réglementaire : La loi Grenelle 2 renforce les exigences, les «bâtiments à énergie positive» sont considérés comme le standard de la construction neuve en 2020 (RT 2020). Article 4 de la loi Grenelle1 du 3 août 2009 : "toutes les constructions neuves faisant l'objet d'une demande de permis de construire déposée à compter de la fin 2020 présentent, sauf exception, une consommation d'énergie primaire inférieure à la quantité d'énergie renouvelable produite dans ces constructions, et notamment le bois énergie". Des programmes nationaux : Le programme national de recherche PREBAT, et en particulier l appel à manifestation d intérêt de l ADEME en novembre 2010 porte sur «le BEPOS dans l existant». Résultats en 2012 et objectifs : En 2012, l ADEME a recensé 118 «bâtiments à énergie positive» en France. L objectif national est de construire 6 millions de bâtiments à énergie positive entre 2020 et 2050, ce qui correspond à constructions ou rénovations par an. La rénovation des bâtiments : La France comporte 33 millions de logements, dont 18.6 millions de maisons individuelles [1], dans le cadre de la réduction des consommations d énergie d un facteur 4, la rénovation des maisons individuelles est une source d économie majoritaire. RT 2012 : La nouvelle méthode de calcul induite par la RT 2012 met l accent sur une conception bioclimatique dès la phase esquisse du projet. Ainsi, le maître d ouvrage doit remettre une attestation de calcul du coefficient Bbio lors du dépôt du permis de construire. Les acteurs de la construction pressentent une évolution des rapports au sein de l équipement de maîtrise d œuvre : des échanges et des interactions plus nombreuses entre architectes et bureaux d études techniques, tant sur la conception du bâti et de la structure, que sur l énergie et les systèmes. Actualités de la maquette numérique : De nouvelles formes de collaboration se développent autour d une représentation numérique du bâtiment et de ses équipements. Les éditeurs de logiciels profitent de cette dynamique pour mettre en avant l intérêt de travailler autour d une représentation en 3 Dimensions et couplée avec des logiciels interopérables : la maquette numérique. Ces méthodes pourraient être le standard de travail d ici Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 6

7 1.3. Le pavillon support de l étude Le sujet de l étude est une maison individuelle, de type F3, sur sous-sol sol non chauffé. Les plans et représentations en 3 Dimensions du bâtiment ont été fournis par GDF SUEZ, il est représentatif des pavillons construits dans les années La démarche, les outils et les méthodes développées par le consortium MITECH ont été retenus lors de ce projet de rénovation. MITECH propose une offre globale de rénovation de maisons individuelles afin de réduire les consommations du bâtiment au niveau BBC de 50 kwh/(m².an). Les choix mis en œuvre dans le cadre de la rénovation seront présentés dans le chapitre 2. Les résultats des calculs conduisant à la validation et à l optimisation des solutions de rénovations seront présentés dans le chapitre 3. Enfin, le bilan énergétique du bâtiment sera réalisé au chapitre 4, afin de valider le bilan énergétique positif du bâtiment. La rénovation de ce bâtiment, situé pour l étude en Ile-de-France s appuie sur plusieurs axes : une requalification architecturale, surélévation bois neuve permettant d augmenter la surface habitable (type F3 à type F5) et intégrer une production par énergies renouvelables sur le toit et une véranda bioclimatique ; des travaux sur le bâti, isolation extérieure, changement des menuiseries, traitement des ponts thermiques, traitement de l étanchéité à l air ; des équipements techniques performants, production de chaleurs par technique de condensation pour le chauffage couplé à un CESI gaz pour la production d ECS, panneaux solaires photovoltaïques et thermiques, ventilation double flux et récupération des eaux de pluie. Figure 1 : Pavillon avant et après les travaux vue Sud-est Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 7

8 1.4. Outils de conception utilisant la maquette numérique Utilisation d une maquette numérique : Schématiquement, une maquette numérique est une représentation en trois dimensions (3- D) d un bâtiment et de ses équipements techniques. Les constituants de base (portes, murs, etc.) sont modélisés sous forme d objets possédant des propriétés et des coordonnées. Les informations sont capitalisées dans la maquette numérique sous un format de fichier *.ifc (Industry Fondation Classes) standard et international. Ce format est défini par un panel de normes internationales. Figure 2 : Propriétés d'un plénum de ventilation. Le format de fichiers *.ifc est donc un «langage commun» qui, potentiellement, interopère avec des outils informatiques : graphisme, analyses quantitatives, calculs techniques, etc. La maquette numérique devient exploitable par tous les intervenants du bâtiment. La maquette numérique est une solution aux enjeux de la gestion de l information dans un projet de construction. Idéalement, cette représentation est utilisée pour la conception, le dimensionnement, etc. grâce à des outils informatiques «métiers» interopérables. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 8

9 Outils logiciels du projet : Une représentation en 3 Dimensions, à l aide d une maquette numérique, a été utilisée afin de réaliser les études techniques et de conception. Le maître d œuvre utilise le logiciel ArchiCAD pour le projet de rénovation. Aussi, a-t-il été décidé de choisir les logiciels métiers a priori compatibles avec une représentation en 3 Dimensions, développée sous ArchiCAD, notamment ceux de l éditeur BBS Slama et RayCREATIS pour les études thermiques. Des outils de conception avancés ont été utilisés afin d évaluer le confort d été du bâtiment, de caractériser son éclairage naturel et d analyser l énergie grise employée sur l ensemble de sont cycle de vie. Les outils logiciels choisis pour la réalisation de ce projet sont présentés à la Figure 3, ils correspondent aux besoins d études dans le cadre d un projet de rénovation. Figure 3 : Outils couplés à une maquette numérique identifiés pour le projet de rénovation. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 9

10 2. Solutions de rénovation 2.1. Objectif BBC Rénovation L objectif de la labellisation est de garantir au maître d ouvrage que le bâtiment respecte des performances thermiques. L obtention du label permet au propriétaire de valoriser son bien immobilier puisque la conformité au label obtenu est vérifiée par un organisme certificateur indépendant. L objectif d obtention d un label «BBC Rénovation, démarche HQE» d Effinergie a été fixé pour le projet de rénovation du pavillon. Les objectifs à atteindre sont pour ce label dans le secteur résidentiel : un objectif de consommation maximale pour le chauffage, rafraichissement, ECS, éclairage et ventilation en énergie primaire fixé à 80 kwhep/m².an, modulé selon la zone climatique et l'altitude pour les constructions résidentielles (méthode de calcul Th-CEex), soit 104 kwhep/(m².an) pour le pavillon situé en Ile de France ; une déduction maximale de la production locale d électricité à la hauteur de 12 kwhep/m².an et UbâtmaxRT % si production d'eau chaude sanitaire autre que totalement ou partiellement par électricité ; une mesure de la perméabilité à l air par un opérateur certifié et le résultat doit être inférieur à la valeur prise dans le calcul réglementaire thermique ; un affichage des consommations sous la forme d un DPE et un affichage de la part des besoins couverts par les ENR. Le label «BBC Rénovation» d Effinergie n est obtenu que si le bâtiment obtient une certification. Il est envisagé de conduire la démarche avec l organisme Céquami, le bâtiment devra répondre au référentiel de la certification «NF-Maison rénovée, démarche HQE». Ce référentiel impose des exigences techniques, administratives et organisationnelles lors des chantiers de rénovation de maisons individuelles. L organisme certificateur après réception du dossier effectue une visite de vérification sur chantier (70 points de contrôle) afin d attester du respect du référentiel. Cette visite permettra de délivrer la certification «NF Maison Rénovée», qui justifie ensuite l attribution du label «BBC Rénovation» d Effinergie. Des documents justifiant le respect du référentiel Céquami sont à produire : le DPE avant et après les travaux, les calculs réglementaires thermiques, les comptes rendus de réunions de chantier, les caractéristiques des équipements installés, etc. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 10

11 2.2. Surélévation en bois La surélévation en bois d une habitation permet d intégrer les systèmes de production par ENR solaire plus largement. La forme du toit solaire a été travaillée afin de capter un maximum d énergie solaire. Cette approche constitue également une forme de densification urbaine raisonnée. Elle est envisagée dans le cadre du Grenelle de l Environnement sous la forme d une bonification de COS. Elle permet à un ménage de bénéficier d une surface plus importante, sans déménager. Cette approche permettrait d augmenter, en France, la surface habitable de 104 millions de m² sans augmenter l emprise au sol [2]. Elle pourrait également être valorisée dans le cadre de la définition d un BEPOS. Le recours au matériau bois pour la surélévation permet de résoudre le problème du poids de la structure additionnelle, et facilite la réalisation du chantier par la préfabrication et facilite l intégration de la production solaire. Dans le cas du projet, la surélévation permet d augmenter : de 40 % la surface au sol en passant d un bâtiment type F3 à type F5, sans modification du COS ; la surface de 40 m² de panneaux solaires peut être intégrée sur le toit, alors qu'une surface de 5 m² était possible sur le toit d origine. La structure en bois réduit la durée du chantier de pose à trois jours. Quant à la production solaire accrue, elle contrebalance globalement la consommation liée aux pertes thermiques du bâti : un bilan énergétique annuel proche de zéro est pressenti Travaux sur le bâti Une véranda bioclimatique : Une véranda est accolée à la façade Sud, afin de capter des apports solaires dans le bâtiment et réduire les besoins de chauffage en hiver. Figure 4 : Véranda bioclimatique sur la façade Sud. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 11

12 Sur-isolation extérieure et ventilation : Un traitement sur l enveloppe a été réalisé afin de réduire les besoins énergétiques du pavillon. Les menuiseries sont changées afin de proposer des fenêtres à double vitrage performantes. Une isolation extérieure supplémentaire a été ajoutée à l isolation existante. La sur-isolation a constitué une opportunité afin d intégrer un système de ventilation par double flux dans le pavillon existant. Les gaines de ventilation de soufflage et de reprise ont été posées en applique de la façade, sur l isolation existante, Figure 5. Figure 5 : Intégration des réseaux de ventilation double flux à la façade Les innovations techniques Moyens de production : Le traitement de l enveloppe a minoré les besoins énergétiques. Des équipements performants sont installés afin de réduire les consommations du bâtiment. La solution envisagée après les travaux, pour la production de chaleur, est une chaudière gaz à condensation en sous sol. L ECS est produite par un chauffe-eau solaire thermique individuel. Le chauffe-eau est raccordé à une chaudière gaz à condensation afin de compléter les besoins non couverts par la production solaire. Les constructeurs Clipsol, Vergne et COMAP pourront être retenus pour la fourniture des moyens de production et régulation. Figure 6 : Un CESI gaz installé dans la salle de bain et une chaudière gaz à condensation dans le sous-sol. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 12

13 Moyens d émission : Le chauffage est assuré par un régime d eau basse température 45 C/35 C régulé par une loi d eau. Les systèmes d émission de chaleur du bâtiment sont : un plancher chauffant et des radiateurs à eau chaude basse température au rez-dechaussée ; un émetteur dynamique afin de chauffer le grand volume du salon, qui a une hauteur sous plafond de 6m ; un radiateur mixte fluide/électrique est installé dans les salles de bain, afin de garantir un confort d utilisation aux habitants en toute saison ; un mur chauffant dans la surélévation. Les constructeurs Clipsol, ACOVA et Multibéton pourront être retenus pour la fourniture des moyens de production et régulation. Moyens de ventilation : Le renouvellement de l air est assuré par une ventilation double flux. Les gaines de ventilation cheminent dans l isolation extérieure du bâtiment à partir du caisson de ventilation situé dans le sous-sol. Les gaines intérieures cheminent dans le plancher de la surélévation en bois. Le constructeur ALDES et son innovation le caisson de ventilation Dee Fly Hygro et son module Ubio pourront être retenus pour la fourniture du système de ventilation. Figure 7 : Caisson de ventilation au sous-sol et cheminement des gaines dans le plancher Moyens d économies des ressources : Une cuve de marque Graff, sous la véranda, permet de récupérer les eaux de pluie. Un lave-linge solaire est raccordé à la production d ECS solaire, afin d utiliser les ressources en énergies renouvelables lors de l entretien du linge. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 13

14 3. Optimisation des solutions de rénovation Le chapitre 3 présente les résultats des calculs menés lors de ce projet afin d optimiser les solutions de rénovation retenues. Les choix seront évalués à partir d outils numériques de dimensionnement. Les logiciels présentés et utilisés lors de cette étude, importent la représentation en 3 Dimensions du bâtiment afin de gagner en productivité. La conception des réseaux fluides est réalisée en 3 Dimensions à partir du logiciel ArchiCAD-MEP. Les consommations en énergie primaire vont être calculées selon trois approches (chapitre 3.1) : un DPE avant et après les travaux, un calcul de consommation conventionnelle (Cep) à l aide du moteur de calcul réglementaire et une simulation thermique dynamique à l aide du moteur de calcul EnergyPlus. Le confort d été et le comportement hygro-thermique du bâtiment seront évalués par une simulation thermique dynamique à l aide du moteur de calcul EnergyPlus (chapitre 3.2). L énergie grise, consommée par le bâtiment sur l ensemble de son cycle de vie, sera évaluée à l aide du logiciel Elodie du CSTB (chapitre 3.3). L éclairage naturel du bâtiment sera évalué par des critères qualitatifs et à l aide du calcul d autonomie lumineuse donné par le logiciel ArchiWIZARD (chapitre 3.4). Enfin, la mobilité des occupants sera prise en compte, afin de ne pas dégrader le bilan énergétique par le déplacement des occupants (chapitre 3.5) Calcul des consommations du bâtiment Evaluation des consommations par Diagnostic de Performance Energétique : Un DPE avant les travaux et après les travaux doit être fourni dans le cadre d une labellisation «BBC Rénovation» d Effinergie. Pour le projet, le calcul DPE utilise la méthode de calcul 3CL (arrêté du 15 septembre 2006). Pour les travaux de rénovation du pavillon, la solution de base est une chaudière gaz haute température avec une ventilation simple flux. Bâtiment initial Bâtiment après travaux Déperditions 195 W/K 204 W/K Besoins en chauffage kwh/an kwh/an Besoins en ECS kwh/an kwh/an Consommations chauffage et ECS en énergie primaire kwh/an (263 kwh/(m².an)) kwh/an (89 kwh/(m².an)) Classe énergétique F B Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 14

15 Émissions de CO 2 71 kg CO 2 /(m².an) 29 kg CO 2 /(m².an) Classe d émission CO 2 F D Figure 8 : Résultats du calcul DPE. Les travaux de rénovation programmés permettent de gagner quatre classes énergétiques et deux classes d émissions de CO2, Figure 8. Ce calcul après les travaux devra être affiné avec les choix opérés et il permettra de justifier à l organisme certificateur de l atteinte des objectifs de labellisation. Calcul réglementaire thermique, cas d une surélévation : Dans les cas mixtes neuf/rénovation, selon la configuration du projet, Figure 9, le moteur de calcul de la réglementation thermique, le label associé et la démarche à appliquer sont ceux pour le neuf ou pour l existant. Ce type d opération concerne : les surélévations, les agrandissements, etc., et les équipements techniques peuvent être communs ou non. La DHUP a publié une lettre indiquant les configurations pour ce type d opérations [3]. Le pavillon support de l étude se situe dans une de ces configurations et suit la procédure d un bâtiment rénové. Le moteur de calcul réglementaire utilisé suivra les règles pour le cas d un pavillon rénové : Th C-E-Ex. Figure 9 : Configurations d'opérations mixtes neuf/rénovation [3]. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 15

16 Conformité à la réglementation thermique par éléments : Le pavillon a une Surface Hors Œuvre Nette (SHON) inférieure à 1000 m². Le bâtiment est donc soumis à la réglementation thermique dans l existant par éléments selon les critères de la Figure 10. Figure 10 : Critères d'application de la RT dans l'existant. La réglementation thermique par élément est respectée lorsque les exigences minimales réglementaires sont atteintes pour une série de composants : ventilation mécanique, parois opaques, eau chaude sanitaire, parois vitrées, refroidissement, éclairage, chauffage et énergies renouvelables. La conformité à la RT dans l existant est évaluée par la vérification de valeurs de «gardes fous». Le tableau, Figure 11, définit les caractéristiques du bâtiment après les travaux et les performances minimales requises au sens de la réglementation thermique par élément. Exigences minimales de la RT par éléments Isolation des parois opaques Bâtiment après travaux Mur extérieur 2.3 m².k/w 4.3 m².k/w Rampant < 60 4 m².k/w 9 m².k/w Plancher bas sur LNC 2 m².k/w 1.7 m².k/w Mur sur local non chauffé 2 m².k/w 2.9 m².k/w Isolation des parois vitrées Ug 2,0 W/(m².K) 1.1 W/(m².K) Uw 2,3 W/(m².K) 1.5 W/(m².K) Uc 3 W/(m².K) Conforme Équipements : Chauffage, ECS, Rafraichissement et Ventilation Rendement minimal de la chaudière Régulation 89,0 % à 90,9 % pour une puissance nominale de 20 à 400 kw Obligation de mettre en place un appareil de régulation / programmation du chauffage Conforme Conforme Caractéristiques minimales COP minimal = 3,2 au sens de Conforme Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 16

17 PAC la norme NF EN Réseaux de distribution situés dans des locaux non chauffés. Pompes de circulation d eau chaude Robinet thermostatique Planchers chauffants à eau chaude ECS Refroidissement Protections solaires Ventilation mécanique Consommation maximale des auxiliaires de ventilation Classe minimale 2 Dispositif d'arrêt afin d éviter le fonctionnement hors période de chauffage Sur chaque émetteur sauf sur l un des radiateurs de l installation, en l'absence thermostat central, sur les radiateurs des locaux contenant un thermostat central, sur les radiateurs installés en série (monotubes non dérivés) Isolation minimale de la face inférieure du plancher sur un local non chauffé de résistance thermique totale Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Conforme Figure 11 : Caractéristiques minimales et après travaux de la RT par éléments Les choix constructifs effectués indiquent que le bâtiment projeté respecte les seuils de la réglementation thermique dans l existant par éléments. Production photovoltaïque locale Le toit solaire permet une production d électricité importante : la surface de 51,5 m 2 de capteurs polycristallin (7,5 kwc) permet la production de près de 7000 kwh d électricité par an. Cela représente un ratio annuel de 118 kwhep/m 2.an (sur la base d un ratio constant de 2,58 pour la conversion électricité/primaire) et pour une surface de référence SHONrt de 153 m². Le logiciel PVSyst a été utilisé afin de calculer la production de ce pavillon. Le label BBC Rénovation limite forfaitairement à 12 kwhep/m 2 la déduction maximale d électricité produite localement. Toutefois, la conception proposée valorise, grâce à la surélévation, le toit solaire : sa production apporte une contribution continue non négligeable au réseau électrique. Evaluation des consommations au sens de la réglementation thermique : Les consommations pour les cinq postes conventionnels ont été évaluées avec la méthode de calcul réglementaire (moteur de calcul Th-C-Eex), Figure 12, selon la pratique des labels. BBS Slama est utilisé afin de déterminer les consommations conventionnelles en énergie primaire sur les cinq usages. Les consommations réelles d éclairage du pavillon sont majorées, puisque dans le moteur de calcul utilisé, les consommations sont forfaitaires (ratio surfacique) et ne prennent pas en compte les équipements d éclairage performants installés. Le ratio de consommation global est de 89 kwhep/m 2.an, inférieur au seuil de 104 kwhep/m 2 applicable au site pour l obtention du label «BBC-Rénovation». Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 17

18 Poste Chauffage ECS Ventilation Éclairage Consommati ons en énergie primaire en kwhep/(m². an) Auxiliai re Total (hors PV) Production photovoltaï que Différence consommations totales «RT» Production totale d électricité: = - 29 kwhep/(m².an) Les coefficients de conversion entre énergie primaire et énergie finale sont de 2,58 pour l électricité et de 1 pour les autres énergies. Figure 12 : Bilan thermique au sens de la RT De fait, le bâtiment présente un bilan «positif» sur l année si le raisonnement est fait en énergie primaire : il produit plus d énergie qu il n en consomme. Evaluation des consommations électrodomestiques : Les consommations annuelles électrodomestiques, Figure 13, sont estimées à partir des équipements retrouvés dans plus de la moitié des foyers français en 2011 [4]. Les consommations moyennes ont été relevées lors d'une campagne de mesures d Enertech [5] pour des appareils performants de classe A au minimum. Le total des consommations est majoré de 10 % afin de tenir compte d autres appareils non listés. Appareil Taux équipement foyers français Consommatio ns annuelles Appareil Taux d équipeme nt en France Consommatio ns annuelles Réfrigérateur- 99 % 300 kwh Fer à repasser 89 % 40 kwh Congélateur Lave-linge 96 % 92 kwh TV kwh (chauffage boucle solaire) Lave-vaisselle 55 % 177 kwh Téléphone - 23 kwh Micro-ondes 85 % 50 kwh BOX Internet kwh Plaques 53 % 281 kwh Appareils kwh cuisson (vitrocéramiqu es) cuisine Hotte 57 % 10 kwh Équipements kwh informatiques Aspirateur 75 % 18 kwh Équipements beauté - 10 kwh Figure 13 : Consommations électriques des petits et gros appareils électroménagers [4]. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 18

19 Evaluation des consommations pas simulations thermiques dynamiques : Le moteur de calcul EnergyPlus détermine les consommations en énergie primaire du bâtiment. Les consommations calculées ont été comparées aux consommations calculées par le moteur de calcul réglementaires RT, après correction des coefficients en énergie primaire qui sont différents de ceux utilisés dans l étude et ramené à la même surface la SHONrt. Les écarts relevés entre ces deux méthodes de calculs relèvent de la méthode de calcul, le moteur de calcul EnergyPlus utilise plus d une centaine de données d entrée pour ces calculs et procède à un pas temporel inférieur à la méthode de calcul réglementaire. Cependant, les données d entrées sont différentes entre ces deux calculs, en particulier sur la modélisation des équipements techniques. Consommations calcul STD Consommations calcul RT Ecart relatif relevé Chauffage 51 kwhep/(m².an) 2 kwhep/(m².an) ECS 21 kwhep/(m².an) >1 % Auxiliaires 4 kwhep/(m².an) 4 kwhep/(m².an) -10 % Eclairage 9 kwhep/(m².an) 5 kwhep/(m².an) 86 % Electricité spécifique et ventilation 26 kwhep/(m².an) 44 kwhep/(m².an) -41 % TOTAL % Figure 14 : Évaluation des consommations selon une méthode de simulation thermique dynamique et une méthode de calcul réglementaire Evaluation du confort d été Le confort d été peut être évalué selon deux approches complémentaires selon les recommandations du guide technique de l ADEME/COSTIC [6]. L évaluation du confort d été est faite sans hypothèses de rafraichissement nocturne ou d occultations des parois vitrées, l étude est faite dans un cas défavorable. Une première approche consiste à fixer une température opérative dans le logiciel de simulation thermique dynamique et à calculer la durée où cette température est dépassée. Dans la simulation thermique dynamique, les valeurs ont été fixées à 26 C et 28 C. La Figure 15 montre que les durées de surchauffes ne sont pas excessives. Cependant, des périodes d inconfort vont apparaitre durant les mois d été entre 16h et 17h30. Température opérative dans le séjour >26 C >28 C Temps de surchauffe 91.5 h (61jours*1h30) 31.5 h (21jours*1h30) % du temps annuel % mois mai % mois juin % mois juillet % mois d août % mois de septembre 10 % 16 % 57 % 60 % 45 % 20 % 4 % 0 % 16 % 16 % 32 % 3 % Figure 15: Fréquences cumulées de température opérative dans le salon. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 19

20 Une seconde approche consiste à évaluer la température opérative maximale et la confronter à une limite variable qui dépend de la température extérieure. Dans le cas de locaux non climatisés, la norme NF EN 15251, donne en fonction d'une température extérieure journalière moyenne, des limites de température intérieure recommandée. Cette norme introduit la notion d'adaptation de l'être humain à la chaleur et défini une température maximale de confort dépendant de la température extérieure moyenne en été. D après les critères de la première approche, le mois de juillet est le plus inconfortable. La limite haute Figure 16 : Température intérieure en fonction de la température extérieure moyenne, NF EN en rouge sur la Figure 9, correspondant au cas d un bâtiment rénové et non climatisé. Pour les jours où la température intérieure dépasse 26 C, la température extérieure moyenne et la température intérieure opérative dans le salon obtenues en simulations ont été identifiées. La limite haute de la température intérieure est déterminée sur le graphique Figure 16. Ce relevé permet de dire qu une situation d inconfort est retrouvée durant 1 % du temps du mois de juillet. Text moyenne [ C] Limite haute de températ ure intérieure Top int max Dépasse ment du critère 24, , ,5 23, , , , ,5 28 non non non non non non non oui non non non non non Figure 17 : Relevé des températures pour les journées les plus chaudes du mois de juillet. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 20

21 3.3. L analyse du cycle de vie L énergie grise est la quantité nécessaire au cycle de vie et au démantèlement de la construction. L analyse comparative de l énergie grise entre plusieurs procédés constructifs ou plusieurs systèmes peut éclairer le maître d ouvrage dans ses choix. Ce critère de l ACV pourrait être intégré à terme dans la labellisation. Le logiciel Elodie du CSTB indique les consommations en énergies grises (Figure 18) et l impact du bâtiment dans son environnement (Figure 19). Ces valeurs sont comparées à celles relevées par l association HQE sur 10 maisons individuelles neuves BBC [7]. La durée de vie programmée du pavillon est évaluée dans les paramètres à 100 ans. La surface de référence est la surface utilisée dans le calcul réglementaire thermique, la SHONrt. Consommations de ressources énergie primaire totale Consommations de ressources énergie renouvelable Consommations de ressources énergie non renouvelable 172 kwhep/(m².an) 55 kwhep/(m².an) 117 kwhep/(m².an) Consommations en énergie primaire totale par étude HQE : 144 à 216 kwhep/(m².an) Figure 18 : Energie grise totale consommée par le bâtiment Consommation d eau Changement climatique Pollution de l air Pollution de l eau 1868 l/(m².an) 23 kg CO 2 /(m².an) 1637 m3/(m².an) 2192 m3/(m².an) Consommation d eau par étude HQE : 1414 à 2120 l/(m².an) Changement climatique par étude HQE : 13 à 19 kg de CO 2 /(m².an) Figure 19 : Impact du bâtiment dans son environnement Les consommations en énergie primaire totale sont deux fois supérieures aux consommations conventionnelles réglementées calculées avec le moteur de la RT. La consommation imputable aux produits et équipements est de 59 kwhep/(m².an) soit 34% des consommations totales. Les données calculées sont cohérentes avec celles relevées par l association HQE hormis pour la part des émissions de CO2 (plus importante). Ce point devra faire l objet d une étude complémentaire afin d identifier la source de ces émissions. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 21

22 3.4. Optimisation de l éclairage La diminution des consommations sur les postes de chauffage, ECS, ventilation et auxiliaires donne une part relative plus importante aux autres consommations telles que l éclairage. Pour réduire ce poste, il convient de privilégier l éclairage naturel, et de recourir à des lampes et luminaires performants. De nouveaux outils de simulation sont développés pour estimer le «confort visuel», compte-tenu des choix constructifs et du climat. La compatibilité avec une «maquette numérique» a été analysée, approche qui limiterait ici également la ressaisie de la géométrie. Approche qualitative : La réglementation dans l existant n impose pas de surface minimale de vitrage. Par contre, les fenêtres doivent représenter au minimum 1/6 de la surface totale d un bâtiment neuf (RT2012). À titre informatif, les parois vitrées du bâtiment projeté (hors véranda) représentent 1/8 de sa surface totale. Les dimensions possibles pour les ouvertures en place imposaient des contraintes sur les dimensions des nouvelles fenêtres à l étage. Les pièces où l éclairage naturel sera à priori insuffisant sont : les salles de bains et les chambres de la surélévation en bois. Calcul de l autonomie en éclairage naturel : L autonomie lumineuse quantifie le pourcentage de temps où l éclairage naturel permettra d atteindre les critères de confort dans le bâtiment dans l année entre 8h et 18h. Le logiciel ArchiWIZARD a été utilisé afin de quantifier l autonomie lumineuse dans les locaux du pavillon. Le bilan par pièce de l autonomie lumineuse et du taux de confort est donné Figure 20. Il confirme que les pièces où l éclairage naturel sera insuffisant sont : les salles de bains et les chambres de la surélévation en bois. Pièce Orientation Autonomie lumineuse Taux de confort Ratio de surfaces vitrées Cuisine Est 49 % 54 % 22 % Séjour Sud-ouest 16 % 32 % 24 % Ch.1 Ouest 34 % 44 % 13 % Ch.2 Est 40 % 48 % 13 % SDB RDC Nord 0 % 0 % 10 % Ch.3 Ouest 32 % 43 % 10 % Ch.4 Est 31 % 43 % 11 % SDB Surélévation Nord 43 % 57 % 15 % Taux de confort [%] = Durée de confort [h] / Durée de présence [h] Autonomie [%] = (Durée de présence - Durée d'éclairage) [h] / Durée de présence [h] Figure 20 : Résultats de la simulation de l'autonomie lumineuse ArchiWIZARD. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 22

23 Le logiciel permet une cartographie pièce par pièce de l autonomie lumineuse, Figure 21, et du confort lumineux, Figure 22, (fonction du scénario d usage). Figure 21 : Cartographie de l'autonomie lumineuse dans le séjour, logiciel ArchiWIZARD. Figure 22 : Cartographie du confort lumineux dans le séjour, logiciel ArchiWIZARD La mobilité L étalement urbain doit être limité afin de ne pas consommer l énergie produite par le bâtiment dans des trajets entre le domicile et le lieu de travail ou autres besoins de mobilité du foyer. Effinergie proposera, avant la fin 2012, un outil d évaluation de la mobilité des occupants sur son site internet. L outil n étant pas disponible au moment de l étude, l évaluation a été réalisée à partir de critères qualitatifs. Le bâtiment est desservi par les transports en commun. Deux modes de transport en commun sont à une distance inférieure à 1 km, ce qui permet de conclure que la mobilité est bonne pour un bâtiment situé dans cette zone. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 23

24 4. Bilan énergétique du pavillon 4.1. Définition retenue pour le BEPOS Contexte européen : Le concept de «nzeb» (nearly Zero Energy Building) a été défini par la REHVA en mai 2011 [8], en marge de la refonte de la directive européenne sur la performance énergétique des bâtiments [9]. Le document publié par REHVA a pour objectif d accompagner les pays européens dans la transcription de la directive européenne. Ce document définit un bâtiment dont : les besoins en énergie primaire sont faibles (chauffage, rafraichissement, eau chaude sanitaire, ventilation, éclairage et auxiliaires) ; les besoins en énergie primaire sont compensés par une production locale par énergie renouvelable afin d atteindre un bilan global en énergie primaire proche de l équilibre. La REHVA propose un schéma de présentation des flux énergétiques, basé sur la norme EN , qui est didactique ; il sera commenté avec les résultats spécifiques au pavillon. Des facteurs de conversion seront pris en compte entre l énergie primaire et secondaire. Des limites sont posées à cette définition : le «coût raisonnable» de la performance, la limitation de la production locale permettant de compenser les consommations et la définition de plusieurs niveaux de performance. Des travaux sont en cours au sein de la REHVA pour définir plus précisément cette optimisation technico-économique [10]. Contexte français : En France, la notion de bâtiment à énergie positive a été formalisée avec le lancement début 2012 du label «Effinergie+» [11]. Celui-ci vise les améliorations suivantes, par rapport au label BBC d Effinergie : conception performante du bâtiment (Bbio < Bbiomax - 20 %, étanchéité à l air, étanchéité des réseaux de ventilation) ; définition d une consommation maximale pour le chauffage, rafraichissement, eau chaude sanitaire, éclairage et ventilation par limitation de la consommation conventionnelle d énergie primaire ; sensibilisation de l occupant sur l ensemble des consommations (évaluation et suivi par comptage) ; compensation des consommations par une production locale. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 24

25 Un bilan est effectué sur l énergie achetée (hors ENR et bois énergie) et sur l énergie produite localement, Figure 23. Rappelons sur ce point qu à ce jour, la quantité d énergie produite à prendre en compte est limitée dans la méthode RT2012 à 12 kwhep/m², alors qu un toit solaire peut produire beaucoup plus d énergie que ce seuil. Le bilan devra être à l équilibre avec un écart admissible maximum, ECARTMAX entre l énergie achetée et l énergie produite localement. Cet écart dépendra de la localisation du bâtiment, de l usage du bâtiment, de l utilisation des énergies telles que les réseaux de chaleur par productions ENR, ainsi que d autres facteurs en cours de définition. Figure 23 : Définition d un BEPOS selon l'expérimentation Effinergie [11]. Enfin, des pistes sont envisagées sur l évaluation des consommations électrodomestiques, l analyse du cycle de vie du bâtiment et la prise en compte des déplacements des habitants. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 25

26 4.2. Un bâtiment à énergie positive Dans le bilan, les besoins en chauffage, ventilation, ECS, éclairage et électricité électrodomestique sont pris en compte. La production d énergie par panneaux photovoltaïques intervient dans le bilan général. Les coefficients de conversions entre énergie primaire et énergie finale sont de : 2,58 pour l électricité et de 1 pour les autres énergies. La Figure 24 didactique, basée sur la norme EN , et utilisée par la REHVA, a été reprise afin d effectuer le bilan énergétique du pavillon. Les consommations prises en compte dans ce bilan sont celles données par le calcul réglementaire. La production locale a été déterminée à partir du logiciel PVSyst. En énergie primaire, le bilan est de - 1 kwhep/(m².an). Figure 24 : Bilan du pavillon selon la définition de la REHVA. Afin de compléter ce bilan, l impact environnemental (ACV) a été évalué ainsi que la mobilité des occupants. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 26

27 5. Retour d expériences sur la maquette numérique Les outils utilisés durant ce projet de rénovation permettent de tirer des enseignements sur les limites et leviers rencontrés lors de l utilisation d une maquette numérique. Le projet de fin d études a évalué la mise en œuvre des logiciels couplés aux maquettes numériques de ce projet de rénovation Des liens identifiés Les liens entre la maquette numérique et les logiciels ont été évalués, Figure 25. Le logiciel de CAO enrichit et inscrit les données dans un fichier *.pln ou *.ifc. Les logiciels utilisés par les acteurs du projet de rénovation importent soit un fichier *.ifc, soit un fichier *.pln tous deux issus du logiciel de CAO. Figure 25 : Outils et liens de la maquette numérique identifiés dans l étude Des perspectives encourageantes Si la maquette numérique permet aujourd hui de ne plus ressaisir l architecture du bâtiment dans les logiciels couplés, nous pouvons imaginer que l interopérabilité sera totale demain. Les propriétés des objets seront utilisées par les logiciels et ces mêmes logiciels pourront inscrire leurs résultats de calculs dans la maquette. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 27

28 6. Fiche résumé du projet Maquette numérique d un BEPOS Description : Le pavillon des années 1970 comporte : un sous-sol non chauffé ; un rez-de-chaussée de structure parpaing isolé à l extérieur par 14 cm de polystyrène ; une surélévation en bois neuve isolée par 20 cm d isolant issus de la valorisation des vêtements (Emaus-Métisse). Ce pavillon est équipé de systèmes gaz performants pour la production de chaleur : chaudière à condensation, des capteurs solaires thermiques couplés à une chaudière à condensation permettent la production d eau chaude sanitaire (CESI gaz). Le chauffage est assuré par des radiateurs basse-température, d un plancher chauffant et d un mur chauffant solaire dans la surélévation. La production locale d énergie est assurée par des panneaux photovoltaïques intégrés au toit de la surélévation. Les performances de ce pavillon seront garanties par le label «BBC rénovation» d Effinergie et la certification «Ma maison rénovée, démarche HQE» de Céquami. La méthode de calcul réglementaire thermique retenue est celle dans l existant, selon la note de la DHUP [3]. Site Localisation : Ile-de-France Coefficient climatique : Zone H1a SHON : 143 m² Système constructif Structure et Isolation du RDC Parpaing (20 cm) et 14 cm isolation Structure et Isolation de la surélévation Isolation Emaus-Metisse de 20 cm. Vitrages Double vitrages isolants. Traitement des ponts thermiques Réduction des ponts thermiques par isolation extérieure. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 28

29 Equipements Chauffage Chaudière gaz à condensation. Emetteurs du RDC Plancher chauffant et radiateurs basse température. Emetteurs de la surélévation Mur chauffant. Ventilation Double flux, gaines de ventilation intégrées à l isolant extérieur. Eau Chaude Sanitaire Panneaux solaires thermiques couplés à une chaudière gaz à condensation en appoint. Perméabilité à l air Valeur théorique de 0,4 m3/h.m² Energies renouvelables Panneaux solaires photovoltaïques. Récupération des eaux de pluie Cuve de 1500 l. DPE Classe énergétique B Classe d émission de CO2 D Résultats du calcul réglementaire Cep/Cepmax 77 / 104 kwh/(m².an) Tic/Ticréf 32 / 33 C Bbio/Bbiomax 64 / 70 Bilan énergétique Production en énergie primaire 118 kwh/(m².an) [calcul logiciel pvsyst] Consommation conventionnelle en énergie primaire 72 kwh/(m².an) hors déduction photovoltaïque [calcul RT dans l existant] Consommation électrodomestiques en énergie 49 kwh/(m².an) primaire BILAN ANNUEL - 1 kwh/(m².an) 7. Synthèse du projet L étude menée à permis de valider des solutions de rénovation afin de transformer un bâtiment existant en un BEPOS. L étude a évalué la conformité à la RT par éléments, vérifié que le bilan énergétique global était «positif». Des études poussées ont évaluées des critères qui devraient entrer en compte à l horizon de la RT 2020 : l analyse du cycle de vie du bâtiment, le confort visuel et l évaluation de la mobilité des occupants. L intérêt de la surélévation du bâtiment en bois a été confirmé. Elle permet d augmenter la surface habitable sans construction de pavillon neuf et permet également de revaloriser son bien immobilier. L impact environnemental est réduit par la limitation de l étalement urbain en proposant une surface habitable plus importante. La surélévation en bois couplée à la sur-isolation du bâtiment permet également de réduire les besoins énergétiques du bâtiment et d intégrer la production locale par ENR afin d atteindre un bilan énergétique positif. Les travaux ont également permis d analyser les échanges entre les logiciels couplés aux maquettes numériques. À ce jour, il apparait que la conception entièrement «virtuelle» du bâtiment et de ses équipements présente une interopérabilité minimale. Compte-tenu des différents travaux en cours (normatifs, évolution des logiciels de CAO, ouverture des logiciels métiers et interopérabilité des outils avancés), il est vraisemblable que le recours à la maquette numérique dans les projets de construction va connaître un essor progressif. Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 29

30 Bibliographie : Ouvrages [1] Les chiffres du bâtiment en 2011, mars 2012, ADEME. [2] Promotoit : Le toit, solutions pour libérer la production de logements. [3] DHUP : Courrier d application des labels HPE 2005 et HPE rénovation, 16 septembre [4] NEOMAG, le magasine des professionnels de l électroménager et solutions numériques : Electroménager 2011, tous les chiffres, février [5] ENERTECH : Connaissance et maîtrise des usages spécifiques des usages spécifiques de l électricité dans le secteur résidentiel, avril [6] COSTIC/ADEME : Les bâtiments à basse énergie, guide technique. Retour d expériences en Rhône-Alpes, [7] CSTB : Rapport final. Évaluation de la performance environnementale des bâtiments. Définition d ordres de grandeur. Étude statistique, décembre [8] REHVA (Fédération Européenne pour le chauffage, la ventilation et le conditionnement d air) : How to define nearly net zero energy buildings nzeb. REHVA proposal for uniformed national implementation of EPBD recast. (Comment définir un bâtiment dont les consommations sont proches de zéro. Les propositions de REHA pour l intégration nationale de la directive sur la performance énergétique des bâtiments.), mai Texte repris dans CVC 873: Comment définir des bâtiments à consommation d énergie quasi nulle?, mai/juin [9] EPBD : Directive Européenne sur la performance énergétique des bâtiments, 09 juillet [10] REHVA : Task force on Energy boundaries and scientific definition of nzeb. (Groupe de travail sur les limites rencontrées dans la définition d un bâtiment à énergie positive.), mai [11] Collectif Effinergie : Dossier de presse A l occasion du lancement du nouveau label Effinergie +, 17 janvier Cardonnel Ingénierie Pavillon rénové à énergie positive Page 30

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