Les transferts de chaleur dans les bâtiments (régime statique).

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1 Les transferts de chaleur dans les bâtiments (régime statique). Notions de base. Les trois modes de transfert de chaleur. Le bilan thermique d un bâtiment. Les pertes thermiques par transmission. Les pertes thermiques par ventilation. Les pertes thermiques par rayonnement. Les gains solaires. Les gains internes La réglementation thermique. 1 1

2 Directive Européenne Les exigences de la directive concernent : le cadre général d une méthode de calcul de la performance énergétique intégrée des bâtiments l application, aux bâtiments neufs, d exigences minimales en matière de performance énergétique l application d exigences minimales en matière de performance énergétique aux bâtiments existants de grande taille lorsque ces derniers font l objet de travaux de rénovation importants la certification de la performance énergétique des bâtiments l inspection régulière des chaudières et des systèmes de climatisation dans les bâtiments ainsi que l évaluation de l installation de chauffage lorsqu elle comporte des chaudières de plus de 15 ans. 3 Un certificat attestant la PE des bâtiments neufs aux moments-clés de la vie du bâtiment lors de sa construction : communiqué au propriétaire lors de sa vente : propriétaire acheteur lors de sa location : propriétaire locataire validité maximale du certificat = 10 ans bâtiments publics : certificat affiché 4 2

3 En pratique proposition PEB lors de l introduction du permis d urbanisme annexe PEB à la déclaration de commencement des actes et travaux, constitution d un dossier technique PEB disponible sur chantier déclaration de PEB au plus tard 6 mois après la réception provisoire contrôles (procédure et PEB) par la commune: contrôle succinct lors de l introduction de la demande de permis par la Division de l Énergie (DGTRE) coups de sonde sur chantiers sanctions: amendes administratives vers le demandeur, le déclarant et / ou le responsable PEB possibilité de réaliser des travaux de mise en conformité 5 Historique 3

4 4

5 Evolution des exigences..1 Evolution des exigences..2 5

6 Evolution des exigences..3 6

7 7

8 Paroi Murs U max [W/m 2 K] depuis 1996 U max [W/m 2 K] au 1/09/08 U max [W/m 2 K] au 1/09/09 - extérieurs 0,6 0,5 0,4 - en contact ave le sol, un vide san. ou une cave 0,9 0,9 Rmin=1 Toitures extérieures et plafonds 0,4 0,3 0,3 Planchers - extérieurs 0,6 0,6 0,6 - sur vides sanitaires 0,6 0,6 Umax = 0.4 ou Rmin = sur terre-plein 1,2 0,9 Umax = 0.4 ou Rmin = sur un local non chauffé à l abri du gel (caves) 0,9 0,9 Umax = 0.4 ou Rmin = 1.0 Portes et portes de garage (cadre inclus) 3,5 2,9 2,9 Parois «mitoyennes» Briques de verre 3,5 3,5 3,5 Fenêtres et portes-fenêtres - la seule partie vitrée - 1,6 1,6 - au total : châssis + vitrage 3,5 2,5 2,5 8

9 Calcul des déperditions par transmission par les parois. Calcul des déperditions par transmission par les ponts thermiques. Calcul du niveau d isolation thermique global. 18 9

10 Niveau d isolation thermique globale (niveau K) Compacité d un bâtiment C Coefficient de transfert de chaleur moyen d un bâtiment m V A T W/m 2 K U m H A T T Niveau de l isolation thermique globale (niveau K) U K 100 U m m, ref Pour C 1 m: U m,ref = 1 [W/m ² K] Pour 1 m < C < 4 m: U m,ref = (C + 2)/3 [W/m²K] Pour 4 m C: U m,ref = 2 [W/m²K] 10

11 Besoins nets pour le chauffage? 22 11

12 Besoins bruts pour le chauffage? 24 12

13 Energie finale pour le chauffage? 26 13

14 Energie primaire pour le chauffage? 28 14

15 Energie primaire pour le chauffage? 29 15

16 16

17 Energie primaire pour toutes les installations? 33 17

18 18

19 19

20 Régime statique et régime dynamique. En régime thermique permanent la température en un point d'une paroi ou d'un local est indépendante du temps, et donc indépendante des variations climatiques des variations des caractéristiques de l'ambiance intérieure. En réalité le régime thermique est dynamique dû aux variations climatiques à l évolution des températures intérieures 40 20

21 Dans la réalité, tout bâtiment a un comportement thermique dynamique principalement dû aux variations climatiques extérieures température rayonnement solaire vent aux régimes d occupations intérieures températures de consigne comportement des occupants (ventilation, apports internes,.) installation de chauffage et de régulation 41 Influence des conditions climatiques. Température - action directe perte par infiltration et ventilation - action indirecte évolution de la temp. dans les parois 42 21

22 La température. 43 La température. Influence directe Influence indirecte 44 22

23 Influence des conditions climatiques. Température - action directe perte par infiltration et ventilation - action indirecte évolution de la temp. dans les parois Rayonnement solaire - action directe captage par les fenêtres puis stockage dans les murs et planchers - action indirecte absorption par les parois opaques 45 Influence directe L ensoleillement

24 Influence directe L ensoleillement. 47 Influence directe L ensoleillement

25 Influence indirecte. L ensoleillement. 49 Influence des conditions climatiques. Température - action directe perte par infiltration et ventilation - action indirecte évolution de la temp. dans les parois Rayonnement solaire - action directe captage par les fenêtres puis stockage dans les murs et planchers - action indirecte absorption par les parois opaques Vent - action directe taux d infiltration et de ventilation - action indirecte le coefficient de transmission de surface est fonction de la vitesse du vent influence sur la temp. dans les parois 50 25

26 Le vent. 51 Influence directe. Le vent. Influence indirecte. he = ,6 v en W/m² K 52 26

27 Simulations avant conception impact de différents scénarios éviter un mauvais scénario Connaître les performances énergétiques d un bâtiment nécessite des modèles complexes. Développement de l informatique milliers de modèles. But premier : nouveaux algorithmes, nouvelles méthodes, résultats précis. Actuellement, effort pour rendre ces outils utilisables Outils développés si rapidement difficile à suivre et à comprendre 53 Problèmes posés lors de l utilisation des outils nécessité d avoir une bonne connaissance en thermique connaître les hypothèses choix des conditions initiales et des conditions frontières nature aléatoire de certains imputs fournir une réponse dynamique Outils spécifiques Outils globaux Outils destinés à l enseignement 54 27

28 Outils spécifiques phénomènes de transfert dans les parois opaques. transferts de chaleur dans les surfaces vitrées. phénomènes de transfert de masse (ventilation, infiltration): problèmes du contrôle solaire microclimat autour du bâtiment lumière et éclairage naturel dans les bâtiments systèmes. composants solaires passifs. passive cooling et composants. confort thermique. traitement des données climatiques et solaires. qualité de l air post-evaluation des performances d un bâtiment 55 Modèles. Méthode statique - régime permanent ou stationnaire. Unizone (méthode des degrés-jours, K-BE) multizone (LPB4) Méthode dynamique - régime dynamique unizone (SOLPA1) multizone (TRNSYS - MBDS) 56 28

29 DCC DJ équ méthode des degrés-jours équivalents. ks A 0.34 V DJéqu i n i 1 Tnc Ti Tnc Tsc Gi P mois G/G o mois G/G o Janvier 67 Février 72 mars 67 Avril 62 Mai 60 Juin 60 0,53 0,55 0,59 0,56 0,66 0,67 Juillet 58 Août 62 Septembre 58 Octobre 67 Novembre 68 Décembre i G Tsc Te R G0 Mois Janvier 67 Février 72 Mars 67 Avril 62 Mai 60 Juin 60 Juillet 58 Août 62 Septembre 58 Octobre 67 Novembre 68 Décembre 75 R Modèle multizone statique (LPB4) Objectifs: Calcul de la consommation annuelle d un bâtiment Calcul de la température moyenne des zones non chauffées (chaque mois) Calcul de la puissance déperditive Données Caractéristiques des locaux taux de ventilation hiver et été volume apports gratuits température moyenne de consigne des pièces chauffées nombre d'heures de chauffe température nécessaire pour le calcul de la puissance 58 29

30 Modèle multizone statique (LPB4) Caractéristiques des parois surface des parois coefficient de transmission thermique W/m² C les deux zones que la paroi sépare numéro du cas d'ensoleillement coefficient d'absorption facteur solaire (0. pour les parois opaques) facteur d'émissivité Données météo (d'uccle) Pour chaque mois nombre de jours Pour chaque type de ciel (couvert - moyen - serein) le facteur de fréquence (fraction de temps qui est couvert, moyen ou serein) la température extérieure moyenne Pour les différentes inclinaisons et orientations 59 le rayonnement solaire en W/m² 60 30

31 Modèle unizone dynamique (SOLPA1) Ce programme permet d'étudier la réponse d'un local à une évolution rapide des conditions internes et externes et ce pour des périodes de quelques jours. Le pas de calcul peut être très fin (quelques minutes). Il utilise la méthode des différences finies. 61 Modèle unizone dynamique (SOLPA1) Résultats 62 31

32 Résultats Modèle unizone dynamique (SOLPA1) 63 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 64 32

33 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 65 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 66 33

34 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 67 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 68 34

35 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 69 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 70 35

36 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 71 Modèle multizone dynamique (TRNSYS) 72 36

37 Modèle multizone dynamique (TAS) Programme thermique dynamique multizone intégrant le calcul des mouvements d air. 73 Application de TAS 74 37

38 Ventilation naturelle dans la double-peau 75 Ventilation naturelle dans la double-peau Les deux moteurs de la ventilation naturelle Le tirage thermique ou effet de cheminée L effet dû au vent 76 38

39 Ventilation naturelle dans la double-peau 1. Le tirage thermique ou effet de cheminée Qv Cd A T g H Te Hypothèses: ouverture = fente de 50 cm T 0.5 C 1 C 2 C 4 C 10 C Qv (m³/s) Qv (VOL/h) Vit. d air moy. dans la DP (m/s) Ventilation naturelle dans la double-peau 2. L effet dû au vent Qv Cd A v² Cp

40 Ventilation naturelle dans la double-peau Pas de vent 79 Ventilation naturelle dans la double-peau Vent du nord, double-peau sous le vent 80 40

41 Ventilation naturelle dans la double-peau Vent du sud, double-peau face au vent 81 Ventilation naturelle des bureaux via la double-peau 742 kwh/jour d été ensoleillé 82 41

42 Ventilation naturelle des bureaux via la double-peau Vent de face DP ouverte uniquement en partie supérieure 986 kwh par jour + 33% 83 Ventilation naturelle des bureaux via la double-peau Vent de face DP ouverte en partie supérieure et inférieure 883 kwh par jour + 19% 84 42

43 Ventilation naturelle des bureaux via la DP Comment améliorer? 85 Ventilation naturelle des bureaux via la double-peau Vent de face Ouverture uniquement supérieure sur la façade sous le vent. 763 kwh par jour + 3% 86 43

44 Ventilation naturelle des bureaux via la double-peau Vent de face Ouverture inférieure supérieure sur la façade sous le vent. 818 kwh par jour + 10% 87 Effet de serre 88 44

45 Effet de serre Niveau d ensoleillement 89 Effet de serre Niveau d ensoleillement 90 45

46 Effet de serre Orientation et utilisation de stores 91 Effet de serre Ouverture de la double-peau 92 46

47 Stratégies spécifiques à la double-peau Où placer les protections solaires dans une double-peau? 93 Stratégies spécifiques à la double-peau Où placer les protections solaires dans une double-peau? 94 47

48 Objectifs: Opti-maisons. L objectif du programme OPTI est d apporter une aide aux architectes à concevoir leur bâtiment en tenant compte de l impact de leur choix sur la consommation énergétique, sur le confort estival sur le confort lumineux. Ce logiciel doit être utilisé dès le début de la conception, lorsque l architecte ne connaît que le terrain et le programme du bâtiment à concevoir. 95 Qualités nécessaires: être très convivial nécessiter un minimum de données être très rapide Utilisation de programmes thermiques dynamiques multizones pour le calcul des besoins énergétiques le calcul des surchauffes 96 48

49 Nécessité d utiliser un programme dynamique Or, les programmes thermiques dynamiques ne sont pas conviviaux nécessitent énormément de données demandent beaucoup de temps calcul OPTI se base sur des études paramétriques 97 DEP GSH VH SDEP Facteurs influençant les consommations de chauffage : les déperditions par transmission : les gains solaires captés durant la période de chauffe : le volume d'air extérieur à chauffer en moyenne toutes les heures en hiver (ventilation + infiltration) : la surface déperditive de l enveloppe (liée directement au volume) 12 types d habitations unifamiliales ont été définis mitoyennes, 3 façades et 4 façades avec un profil d occupation continu ou intermittent avec beaucoup ou peu d inertie

50 Des études paramétriques ont alors été effectuées sur une habitation d un gabarit déterminé. 99 Une procédure permettant d automatiser les calculs a été écrite

51 Ces modélisations ont été réalisées pour des valeurs de DEP, GSH, VH et SDEP bien définies DEP = 100, 200, GSH = 0, 20000, 40000, VH = 100, 300, 500, SDEP = 100, 200, Soit 7200 simulations et cela pour les 12 types d habitations. Le programme OPTI dispose donc de 12 matrices à 4 dimensions contenant les résultats des 7200 simulations. Les quelques paramètres que l architecte introduit dans le programme déterminent les valeurs de DEP, GSH, VH et SDEP du cas concret étudié. Le programme OPTI effectue alors une interpolation linéaire sur ces 4 paramètres pour obtenir directement la consommation de chauffage

52 Facteurs influençant les surchauffes VOLDEP: le volume déperditif VJ: le taux de ventilation durant la journée (6h à 22h) VN: le taux de ventilation durant la nuit (22h à 6h) GM: les gains solaires qui pénètrent dans l habitation durant la matinée (6h à 13h) GS: les gains solaires qui pénètrent dans l habitation durant l après midi (14h à 21h) Six types d habitations unifamiliales ont été définies - mitoyennes, 3 façades et 4 façades - avec beaucoup ou peu d inertie. 103 Surchauffes calculées uniquement en été (juillet). Simulations réalisées pour une période de 28 jours très chauds, le dernier jour étant le jour choisi pour être analysé

53 Ces modélisations réalisées pour des valeurs de VOLDEP, VJ, VN, GM et GS bien définies. VOLDEP = 250, 500, 750, VJ = 1.5, 3, 4.5, 6, 7.5, 9 VN = 1.5, 3, 4.5, 6, 7.5, 9 GM = 0, , , , , , , , , , GS = 0, , , , , , , , , , Soit simulations et cela pour les 6 types d habitation. Interpolation linéaire impossible, le programme OPTI va simplement chercher la courbe dont les paramètres se rapprochent le plus des paramètres calculés par OPTI. 105 Simulations en éclairage naturel. Simulations d éclairage naturel réalisées avec le programme Superlite faisant partie du groupe de logiciels «Adeline 2.0». Ce programme donne les valeurs d éclairement (lux) les facteurs de lumière du jour en tous points d une trame du plan de référence (plan de travail). Choix d un modèle de base (local de forme parallélépipédique)