Bâtiments démonstrateurs du programme PREBAT

Transcription

1 Bâtiments démonstrateurs du programme PREBAT Enseignements opérationnels tirés de 32 constructions et rénovations à basse consommation d énergie évaluées de 2012 à 2014 Version publiée Juin 2015

2 La réalisation de ce document a été confiée par : la direction générale de l aménagement, du logement et de la nature (DGALN) du ministère de l Écologie, du Développement durable et de l Énergie et du ministère du Logement, de l Égalité des territoires et de la ruralité ; et l agence de l Environnement et de la Maîtrise de l Énergie (ADEME), dans le cadre de la capitalisation-exploitation-valorisation des campagnes de suivi-évaluation des bâtiments démonstrateurs PREBAT, à: la direction technique Territoire et ville (DTec TV) du centre d études sur les risques, l environnement, la mobilité et l aménagement (Cerema) ; en partenariat avec les directions territoriales Ouest et Méditerranée (Cerema). Remerciements Sous la direction de Pascal Cheippe (Cerema) et dans le cadre du groupe de travail restreint comprenant Fabien Auriat (DGALN) et Florian Piton (ADEME), ont contribué à l élaboration du présent rapport : en tant qu auteurs (Cerema) : Pascal Cheippe (DTec TV), Myriam Humbert (DTer Ouest) et Jean-Alain Bouchet (DTer Méditerranée) ; avec les contributions de Laurent Laloge (DTec TV), Pierrick Nussbaumer (DTer Est) et Constance Lancelle (DTer Ouest) ; en tant que relecteurs : Fabien Auriat (DGALN) ; Florian Piton (ADEME) ; Julien BURGHOLZER (Cerema / DTer Est) ; avec la contribution du groupe de travail national Exploitation et valorisation des campagnes de mesures réalisées sur les bâtiments exemplaires PREBAT auquel le document a été présenté le 22 avril

3 Sommaire 1.Introduction Contexte et objectifs généraux de l expérimentation PREBAT démonstrateurs Objectifs de la capitalisation des évaluations d opérations Limites de la première capitalisation L échantillon d opérations Le rapport, ses différentes consommations et ses conventions de présentation Méthode de suivi et d analyse des performances énergétiques et du confort Objectif de l évaluation des projets PREBAT Méthode de suivi Méthode d analyse des écarts entre consommation mesurée et consommation de l étude thermique réglementaire Première analyse de la consommation mesurée et de la production d électricité photovoltaïque Répartition des postes de consommation Evolution de la consommation de la première à la deuxième année de suivi Production d électricité photovoltaïque Climat, occupation et leur impact sur la consommation Le climat L occupation Performances énergétiques des bâtiments et leur impact sur la consommation Performance du bâti Performance énergétique des systèmes techniques Performances d ensemble : vers une caractérisation in situ Confort thermique Conclusion Annexes Détail de l échantillon Détail de la méthode de suivi et d analyse mise en œuvre par le Cerema..52 Table des matières...66 Conventions de présentation des consommations, glossaire et abréviations

4 1. Introduction Contexte et objectifs généraux de l expérimentation PREBAT démonstrateurs 1.1. Les mesures mises en place par l État pour réduire les consommations et les émissions de gaz à effet de serre sont accompagnées d un programme de recherche et d expérimentation sur l énergie dans le bâtiment (PREBAT) pour apporter aux professionnels et aux particuliers des solutions performantes. Le premier objectif, au regard de son importance relative, s adresse aux bâtiments existants. La construction neuve est également visée, que ce soit pour faciliter la mise en œuvre de la réglementation thermique 2012 qui généralise les bâtiments à basse consommation d énergie, ou pour préfigurer les bâtiments à énergie positive de demain. Dans le champ de l expérimentation, depuis 2006, conjointement avec les directions régionales de l ADEME, toutes les régions métropolitaines ainsi que la Réunion, ont soutenu la réalisation de près de 3000 bâtiments à basse consommation dans le cadre du programme Bâtiments démonstrateurs, au sens de modèles reproductibles, disséminés sur le territoire, qui présentent des ensembles de solutions architecturales, techniques et financières très performantes. Parmi eux, plus de 200 bâtiments ont été instrumentés pour mesurer leur performance énergétique sur 2 ans. Par ailleurs, les suivis-évaluations comportaient un volet d observation et d enquêtes auprès des habitants et plus largement des usagers, afin de mieux connaître l utilisation du bâtiment une fois la construction ou la rénovation achevée. Les suivis-évaluations sont répartis entre le centre d études et d expertise sur les risques, l environnement, la mobilité et l aménagement (Cerema), pour près de 70 % des bâtiments, et les bureaux d études Enertec, Omegawatt, Adret, Costic, Manaslu et Pouget. L ADEME et la direction générale de l aménagement, du logement et de la nature (DGALN) du ministère du développement durable ont également confié au Cerema la capitalisation nationale de ces suivis-évaluations à vocation opérationnelle. Cette capitalisation est consolidée chaque année au fil de l augmentation de la taille de l échantillon des opérations évaluées. Mais elle s inscrit d ores et déjà dans une cohérence finale d ensemble, structurée par objectifs Objectifs de la capitalisation des évaluations d opérations Cette capitalisation s adresse aux acteurs de la construction-rénovation, de l utilisation, de la gestion ou de l entretien, pour qu ils puissent opérer des améliorations dans leurs bâtiments, que celles-ci soient d ordre technique ou organisationnel, voire comportemental. Elle a donc pour but de tirer des enseignements qui permettent d améliorer principalement la performance énergétique de leurs bâtiments, tant sur le plan technique, des performances par composant aux performances plus globales, que sur les pratiques des acteurs (cf. Illustration 1). 4

5 Illustration 1 Objectifs détaillés de la performance énergétique La capitalisation porte aussi sur le niveau de qualité d usage et de service rendu de ces bâtiments basse consommation (cf.illustration 2), avec approfondissement du confort thermique (mesures) et mise en évidence de l impact que peut avoir le niveau plus élevé de performance énergétique. Illustration 2 Objectifs détaillés de la performance d usage et de service rendu Enfin, la capitalisation porte sur les coûts constatés d investissement et de fonctionnement, et leur cumul dans le temps, à savoir le coût global. Toutefois, cette première capitalisation est limitée aux objectifs dont les données sont en nombre suffisant pour en tirer des enseignements Limites de la première capitalisation Cette première capitalisation traite essentiellement de la performance énergétique relative aux postes de consommation réglementés, mais pas encore de celle relative aux autres équipements, et sans l impact des pratiques des acteurs à ce stade des travaux. Concernant la qualité d usage, les résultats sont actuellement limités au confort thermique d hiver et d été. Enfin, la performance économique ne commencera à être traitée que dans la capitalisation

6 M Le nombre d'opérations concernées varie selon le sujet traité. Il peut se réduire encore en fonction des données disponibles. Les conclusions ne peuvent alors être considérées comme définitives. Les enseignements quantitatifs sont plus particulièrement à relativiser compte tenu de la faible taille de leurs échantillons actuels L échantillon d opérations Ce premier échantillon est constitué de 32 suivis-évaluations d opérations de niveau de performance au minimum à basse consommation. 19 ont été réalisés par des bureaux d études, et 13 ont été effectués par les directions territoriales du Cerema (ex-cete), avec utilisation du moteur de calcul réglementaire (version RT 2005) pour faire des simulations comparatives. Les mesures ont été réalisées sur 2 ans entre début 2009 et début 2013, et les évaluations ont été produites de 2012 à Cet échantillon couvre un ensemble varié de types de bâtiment, tant dans la nature de leurs travaux (neufs, de rénovation ou mixant les deux), que dans la nature de leur fonction (ou destination d usage au sens de la réglementation thermique). Illustration 3 L échantillon en natures de travaux et fonctions représentées 1 Les zones climatiques représentées sont également variées, avec des implantations réparties en Rhône-Alpes, Lorraine, Bretagne et Provence-Alpes-Côte d Azur. 1 Détail en annexe

7 Le rapport, ses différentes consommations et ses conventions de présentation 1.5. Ce rapport présente la méthode de suivi-évaluation des performances énergétiques et du confort propre au Cerema, les premiers résultats issus des bâtiments démonstrateurs en condition réelle d utilisation, ainsi que leurs principaux enseignements à destination des acteurs opérationnels. Les définitions et conventions de présentation des consommations présentées dans ce rapport sont les suivantes. Dans ce document, toutes les consommations sont données en énergie primaire, sauf indication contraire, et toujours en surface hors œuvre nette (kwhep / m2 SHON / an). Pour simplifier, cette unité sera notée : kwhep/m².an. Méthode de calcul réglementaire Th-CE (ou, en raccourci, méthode Th-CE) : méthode de calcul thermique des bâtiments neufs utilisées obligatoirement lors de la construction de bâtiments neufs soumis à la réglementation thermique (RT) de 2005 en France métropolitaine Les différentes natures de données de consommation sont définies comme suit, avec une couleur spécifique pour faciliter leur lecture dans les histogrammes. Consommation de l étude thermique réglementaire : résultat du calcul d énergie primaire consommée en phase d utilisation du bâtiment objet de la demande de permis de construire, suivant la méthode de calcul réglementaire Th-CE. Consommation recalculée avec le paramètre constaté : consommation calculée suivant la méthode de calcul réglementaire Th-CE, excepté pour le paramètre analysé qui est remplacé par sa valeur mesurée (ou déduite des mesures et, le cas échéant, des enquêtes auprès des occupants). Pour l analyse d une opération donnée, sont distingués les deux recalculs suivants (cf. 2.3) : consommation recalculée suivant le climat et l occupation observés ; consommation recalculée suivant le climat, l occupation et les performances observés. Consommation mesurée : consommation d énergie mesurée par le dispositif expérimental propre à l évaluation. Figurent également en fin de document, un glossaire plus complet (avec rappel des conventions de présentation) et les abréviations employées. 7

8 Méthode de suivi et d analyse des performances énergétiques et du confort 2. Pour les deux tiers des opérations suivies par les directions territoriales du Cerema, les évaluations disposent d apports supplémentaires par rapport à celles des bureaux d études, tant en matière de caractérisation des performances que d analyse des consommations. La performance d isolation de l enveloppe du bâtiment est caractérisée par la mesure, et enquête auprès des utilisateurs, par déduction de l équilibre des flux thermiques entrants et sortants de l enveloppe (cf ). La température intérieure de consigne est caractérisée par la méthode d analyse statistique des températures intérieures mesurées pendant l occupation et la fourniture du chauffage (cf ). Des explications sur les écarts de consommation sont tirées de la transposition du calcul de l étude thermique réglementaire dans les conditions observées du climat et des modes d occupation, puis avec les performances mesurées ou évaluées du bâtiment. Sont également quantifiés, les effets sur les consommations des variations du climat, de l occupation et des performances de l enveloppe et des installations techniques. Concernant l analyse du confort, la méthode est basée sur l agrégation de données mesurées de température et d hygrométrie intérieure en période d occupation, en utilisant plusieurs indicateurs de confort (cf ). En particulier, pour le confort d été, est calculé le nombre d heures d inconfort selon la norme du confort adaptatif Objectif de l évaluation des projets PREBAT L objectif premier de l évaluation des opérations lauréates des appels à projets PREBAT est de : 8 situer les performances énergétiques réelles des bâtiments ; analyser et expliciter les écarts entre les performances mesurées et celles de l étude thermique réglementaire (en relevant les écarts éventuels entre le marché des entreprises et la mise en œuvre) ; quantifier ces écarts en termes d impact sur la consommation d énergie et sur les systèmes énergétiques ; évaluer le confort thermique (été & hiver) ; mesurer la rentabilité d une opération (analyse en coût global).

9 2.2. Méthode de suivi Les données nécessaires aux évaluations du Cerema sont récupérées avec les moyens suivants : analyse des documents produits aux différentes étapes de la conception du projet et des travaux (pièces écrites, plans et notes de calcul) ; visites de chantier pour suivre la mise en œuvre : repérage des écarts entre études et réalisation, et appréciation de la mise en œuvre ; thermographie et mesure d étanchéité ; enquête par questionnaire auprès des occupants : recueil des données liées à l occupation, la gestion et la satisfaction ; instrumentation durant 2 ans : le cahier des charges de l instrumentation a été défini pour pouvoir mesurer d une part les consommations poste par poste, d autre part les données mesurables, permettant d interpréter les écarts éventuels entre la consommation calculée et mesurée : données climatiques (température hygrométrie, vitesse du vent, rayonnement solaire global horizontal), températures et hygrométries intérieures, fourniture d eau chaude pour le chauffage, de l eau chaude sanitaire, des consommations d électricité, d éclairage, des ventilateurs et auxiliaires ; Ces données sont vérifiées, consolidées, puis analysées. L analyse des mesures effectuée par le Cerema est double : caractériser la performance de l enveloppe du bâtiment et des systèmes (cf. 8.2) ; confronter le calcul à la mesure en identifiant la cause des écarts, et en distinguant notamment ce qui relève des conditions climatiques et d occupation, de ce qui relève de la performance du bâtiment (enveloppe, systèmes). Méthode d analyse des écarts entre consommation mesurée et consommation de l étude thermique réglementaire 2.3. Il s agit ici d identifier si on atteint bien l objectif visé de performance de l étude thermique réglementaire, et sinon, d identifier la cause des écarts en distinguant notamment ce qui relève des conditions climatiques et d occupation de ce qui relève de la performance intrinsèque du bâtiment et de ses systèmes. Pour pouvoir hiérarchiser les différentes causes d écarts identifiés par le suivi et l exploitation des mesures, une analyse de sensibilité sur ces écarts dans un outil de simulation énergétique est réalisée. La comparaison s effectue par rapport à l étude thermique réglementaire en phase chantier. La qualité de l étude thermique a été vérifiée pour limiter les imprécisions (exactitude des caractéristiques des produits et matériaux mis en œuvre). Toutefois, certaines caractéristiques de l étude thermique, telles que la perméabilité à l air, sont celles prises en compte comme objectif, pour être comparées aux valeurs réelles mesurées à la réception. 9

10 L outil retenu est le moteur de calcul de la réglementation thermique ( RT2005 pour le neuf ou RT existant pour les rénovations) en version faisabilité en approvisionnement d énergie 2. Les raisons en sont les suivantes : nous pouvons disposer des fichiers de données d entrée du projet, fournis au format xml par les BET, car le calcul selon la méthode de calcul de la réglementation thermique est obligatoire ; l objectif de performance est exprimé vis-à-vis de la réglementation thermique : une consommation en énergie primaire, généralement au niveau du label BBC ; utiliser les mêmes règles de calcul permet de comparer les consommations des différentes opérations et facilite ainsi la capitalisation. Une précaution toutefois s impose : les consommations calculées selon la méthode de calcul de la réglementation thermique ne peuvent être comparées directement aux consommations mesurées in situ. Les conditions effectives d occupation et météorologiques peuvent différer des conventions prises dans le calcul réglementaire. Ainsi, même si le bâtiment est parfaitement réalisé et les systèmes bien installés et réglés, la consommation mesurée ne pourra pas correspondre aux consommations de l étude thermique réglementaire, sauf si les écarts sur les divers paramètres viennent à se compenser. La consommation de l étude thermique réglementaire doit ainsi être recalculée en prenant en compte le climat local et l occupation réelle. La consommation Cep obtenue peut alors être considérée comme l objectif de consommation pour lequel le bâtiment a été conçu. Illustration 4 Comparaison entre consommation mesurée et consommation recalculée de l étude thermique réglementaire L approche retenue se déroule donc en trois étapes : 1. Recalcul du Cep avec les conditions environnementales de l année de suivi : le Cep (climat + occupation) comprend la prise en compte du climat (cf ) et des conditions d occupation de l année de suivi (cf ) ; 2 Le moteur RT2005 faisabilité est basé sur le moteur RT2005 (règles Th-CE) ou RT existant (règles Th-CE ex) mais avec certaines données conventionnelles ouvertes, comme les scénarios d occupation et les apports internes ou le volume d ECS puisé. 10

11 2. Recalcul de la consommation de l étude thermique avec la performance réelle du bâti et des systèmes : le Cep (climat + occupation+ performances) comprend outre la prise en compte du climat et de l occupation de l année de suivi, la performance observée sur l enveloppe (cf ) et sur les systèmes (cf ) ; 3. Interprétation des écarts restants non modélisables avec la méthode à disposition. Illustration 5 Exemple de comparaison des Cep calculés, recalculés et mesurées Limites de la méthode : Toutes les observations relevées lors du suivi ou de l analyse des mesures ne peuvent être prises en compte dans le recalcul, du fait que : les scénarios d ouverture des fenêtres ne sont pas accessibles et modifiables dans le logiciel à disposition du Cerema. De plus, la modélisation des ouvertures des fenêtres est délicate en soi : il faudrait connaître le taux d ouverture des fenêtres et les pressions intérieures et extérieures pour calculer les débits, ce qui ne peut pas être réalisé dans le cadre des suivis ; le scénario de gestion des protections solaires n est pas modifiable (par exemple, les occupants peuvent fermer plus souvent les volets, pour des raisons d intimité ou de sécurité) ; les débits de ventilation ne sont pas modifiés, car ils ne sont pas mesurés dans le cadre des suivis ; les apports internes physiologiques (occupants) évalués à partir d enquête sont imprécis ; les défauts de réglage sont difficilement modélisables en général ; le scénario de température de consigne n est pas modifiable. Or on peut observer en résidentiel un fonctionnement réduit de nuit et en inoccupation, voire parfois, dans certains logements collectifs fonctionnant au chauffage collectif, une absence de réduit. 11

12 Première analyse de la consommation mesurée et de la production d électricité photovoltaïque 3. Ce chapitre donne les premiers enseignements sur les consommations mesurées, puis sur la production mesurée d électricité photovoltaïque. Pour les consommations, l analyse porte également sur la répartition entre postes de consommation, ainsi que sur l évolution de la première à la deuxième année Répartition des postes de consommation La consommation totale comprend : les postes de consommation réglementés : chauffage, refroidissement, production d eau chaude sanitaire, auxiliaires des systèmes thermiques, auxiliaires de ventilation et éclairage) ; et les postes non réglementés : autres équipements immobiliers (ascenseurs, portes automatiques, pompes de relevage, systèmes de sécurité incendie, gestion des accès ) et équipements mobiliers (bureautique, éclairage d appoint, électroménager, audio-visuel ). La répartition des postes de consommation réglementés et non réglementés est donnée en pourcentages dans l illustration 6. Illustration 6 Part des postes réglementés et non réglementés dans la consommation totale mesurée (neuf et rénovation) Beaucoup de variations s expliquent par l usage, de par les différences de durée d utilisation ou d intensité. 12

13 Pour un bâtiment de bureau en Rhône-Alpes : «La moitié des consommations électriques, tous usages confondus, a même lieu en dehors des périodes d occupation. Et la plupart pourraient être arrêtées.» L analyse de la répartition de la consommation totale montre une part relativement importante des postes non réglementés pour les bâtiments tertiaires de bureaux et pour l habitat. L échantillon actuel ne permet pas d avoir suffisamment de données sur les postes non réglementés pour montrer la répartition de ceux-ci. Par contre, en se limitant aux postes réglementés, la répartition poste par poste peut mettre en évidence le poids relatif des différents postes de consommation de chauffage, de production d eau chaude sanitaire (ECS), de ventilation, des auxiliaires, d éclairage et de refroidissement, d abord en pourcentages (cf. Illustration 7), puis en valeurs (cf. Illustration 8). Illustration 7 Répartition en pourcentages, de la consommation mesurée des postes3 réglementés (neuf et rénovation) 3 Le poste ECS n a pas toujours été renseigné pour les bureaux. Toutefois, ce poste est généralement très faible pour ce type de fonction. 13

14 Illustration 8 Répartition en valeurs, de la consommation mesurée des postes4 réglementés (neuf et réhabilitation) Pour les bâtiments de bureaux et d habitation, dont les échantillons ne sont pas trop faibles, quelques enseignements peuvent être dégagés, notamment pour les postes de chauffage et d ECS. Poste chauffage La consommation de chauffage mesurée des bureaux de l échantillon est généralement en dessous de 30 kwhep/m2.an, et peut descendre à 5-6 kwhep/m2.an pour les bâtiments les plus performants. Pour un bâtiment de bureau en Lorraine : «Une consommation de pompe à chaleur à 30 kwhep/m2.an aurait même pu être divisée par 5, soit ramenée à 6 kwhep/m2.an, si la valeur prescrite pour le coefficient de performance avait été respectée à la fourniture (déduction par le calcul)!» Cependant le chauffage reste, dans 2/3 des cas, le premier poste de consommation réglementé. 4 Le poste chauffage peut inclure les auxiliaires ou le refroidissement (cas possible en pompe à chaleur réversible). Le poste ECS n a pas toujours été renseigné pour les bureaux. Toutefois, ce poste est généralement très faible pour ce type de fonction. Et en habitat collectif, le poste éclairage ne comprend pas toujours les logements (mesure uniquement des parties communes). 14

15 Poste ECS Dans les bâtiments d habitation, maintenant fortement isolés thermiquement, la diminution de la consommation de chauffage met en évidence la part importante de l eau chaude sanitaire. Pour les bâtiments de bureaux, la consommation d ECS est très faible, de 2 à 1 kwhep/m².an. La réglementation thermique 2005 ne donne d ailleurs pas d exigence sur ce poste dans les bâtiments tertiaires de bureaux, d enseignement et crèches, en raison de la faible utilisation d ECS en général. Pour le 7ème bâtiment de bureau, en Rhône-Alpes : «La consommation d ECS 4 fois plus élevée la 1ère année s explique par la mise en place d une programmation horaire entre les 2 années.» Il est à noter enfin, que les consommations d ECS sont minimisées dans notre échantillon, puisque 40 % des opérations sont équipées de capteurs solaires. À retenir : Une répartition des consommations très différentes de celle des bâtiments RT2005 courants. La part importante prise par les postes non réglementés en habitat et en tertiaire de bureaux, au regard des postes réglementés : près de la moitié de la consommation totale. La part importante prise par le poste ECS pour les bâtiments d habitation. Evolution de la consommation de la première à la deuxième année de suivi 3.2. Sur notre échantillon de 6 opérations pour lesquelles on dispose de la consommation totale, celle-ci diminue toujours de la première à la deuxième année de suivi. 15

16 Illustration 9 Consommation totale mesurée des première et deuxième années de suivi (neuf et rénovation) Cette baisse reste prononcée pour la part des postes réglementés même si elle est un peu moins systématique. Illustration 10 Consommation réglementée mesurée des première et deuxième années de suivi (neuf et rénovation) Les principaux facteurs concourant à la baisse de la consommation de la première à la deuxième année sont les suivants : l amélioration des réglages des équipements techniques, le séchage du bâtiment, voire les recommandations données en fin de première année de suivi-évaluation, qui peuvent être suivies par les exploitants des bâtiments évalués. 16

17 Il n est pas rare, en effet, que les équipements livrés ne soient pas ajustés sur les besoins réels du bâtiment dès la première année, voire, soient restés sur leurs réglages d usine. Pour une rénovation de bâtiment de bureaux en Rhône-Alpes : «La programmation horaire des équipements, ajustée à l utilisation, a permis de faire baisser d environ 25 % les consommations réglementées.» Le cumul de tous les facteurs variant de la première à la deuxième année tend in fine à une baisse globale de la consommation d énergie, bien que certains facteurs pris individuellement puissent influer dans le sens d une augmentation : la rigueur du climat a été plus importante la deuxième année pour certaines opérations. Illustration 11 Evolution de la consommation mesurée de chauffage entre la première et la deuxième année de suivi (neuf et réhabilitation). Pour les consommations mesurées de chauffage, la baisse est toujours marquée, même si elle n est plus constatée que dans deux cas sur trois, et ce, indépendamment du sens d évolution du climat. À retenir : Une baisse quasi systématique de la consommation entre la première et la deuxième année de suivi, de l ordre de 10kWhep/m².an, que ce soit sur la consommation totale ou la part réglementée. 17

18 3.3. Production d électricité photovoltaïque Plus d une opération sur trois est dotée de capteurs photovoltaïques. Toutefois neuf opérations seulement ont leur mesure de production électrique disponible (en énergie électrique finale). Illustration 12 Production mesurée d électricité photovoltaïque et valeur de l étude thermique Les productions sont très variables, avec des petites et des grosses installations. Les 2 plus petites sont limitées à des auvents de protection solaire de fenêtres en façade Sud, de 20 et 45 m², avec des surfaces SHON élevées, respectivement de 3500 et 2000 m², expliquant les très faibles ratios de production de 1 et 3 kwh/m².an. Concernant les plus grosses installations, la production peut monter à un niveau élevé de 70 kwh/m².an en énergie finale. 18

19 Illustration 13 Comparaison des mesures de production d électricité photovoltaïque et de consommation des postes réglementés Ramenées en énergie primaire, les productions d électricité photovoltaïque peuvent être supérieures à la consommation des postes réglementés du bâtiment (cf. illustration 13). Pour le 3ème bureau, la production de 180 kwhep/m².an est même supérieure la consommation totale, ce qui en fait un bâtiment dont le bilan énergétique global est positif, même si la production et la consommation ne coïncident pas toujours dans le temps. 19

20 Climat, occupation et leur impact sur la consommation 4. Nous nous intéressons ici à l impact de la réalité du climat et de l occupation sur les consommations de chauffage calculées par la méthode de calcul de la réglementation thermique. La méthode Th-CE retient les hypothèses suivantes : les données météorologiques sont celles du climat trentenaire de la zone climatique de référence (la France métropolitaine étant répartie en 8 zones climatique pour la réglementation thermique) ; les horaires d occupation et les températures de consigne de chauffage correspondent à des pratiques moyennes, différenciées par destination d usage des bâtiments Le climat Le climat réel Avec des bâtiments performants, la prise en compte du climat dans la consommation de chauffage ne peut plus se faire uniquement au travers de la température extérieure. C est pourquoi sont également mesurés le rayonnement solaire global, et dans une moindre mesure, la vitesse du vent (cf. Annexe 8.2.1). La grandeur des degrés jour unifiés (DJU)5 qui pouvait caractériser auparavant la rigueur climatique sur une saison de chauffe ne peut plus être basée sur une température de non chauffage de 18 C. Le confinement des apports internes et solaires dans des enveloppes très isolées conduit à abaisser le seuil de 18 C à 14 C Impact calculé du climat réel sur la consommation de chauffage La consommation d énergie de chauffage de l étude thermique réglementaire a été recalculée avec les valeurs du climat réel mesurées in situ ou à la station météorologique la plus proche (cf. Annexe 8.2.1). Il est à noter que sur notre échantillon, selon les opérations, les zones climatiques peuvent être différentes, et que trois saisons de chauffe sont concernées, de mi 2010 à fin Les degrés jour unifiés (DJU), également appelés Base 18, sont l addition des écarts de température journaliers d un lieu par rapport à 18 C, sur une période de chauffage de 232 jours (du 1er octobre au 20 mai). 20

21 Illustration 14 Consommations de chauffage recalculées avec le climat réel On observe pour les bâtiments étudiés que le climat réel fait varier la consommation de chauffage de l étude thermique réglementaire jusqu à +/-15 kwh/m².an. Ces simulations se confirment dans la réalité. Pour la rénovation d un immeuble de petits logements en Rhône-Alpes : «Une variation de climat suite à un hiver clément a conduit à une division par 2 des consommations de chauffage.» Compte tenu de la diminution de la période de chauffage dans les bâtiments performants, on assiste à un très fort effet de levier du climat. Les variations relatives du nombre de jours de chauffage peuvent ainsi être importantes d une année où l hiver est rude à une année où l hiver est doux. Cet effet est d autant plus important dans les bâtiments ou l enveloppe est compacte par rapport à la surface utile et en particulier dans les petits logements d habitation collective où la densité d apports thermiques internes tend alors à augmenter, réduisant encore un peu plus le besoin de chauffage et la période de chauffe. À retenir : En fonction du climat, la consommation de chauffage d'un bâtiment à basse consommation peut varier jusqu'à +/-15 kwhep/m².an. 21

22 4.2. L occupation Dans la méthode Th-CE, l occupation est prise en compte au travers : de la présence des personnes (scénario d occupation) ; des besoins des occupants : en température de consigne de chauffage (ou de refroidissement, le cas échéant) ; et en volume d eau chaude sanitaire (ECS) puisée à 40C ; ainsi que des apports thermiques des personnes et des appareils électriques (y compris d éclairage), appelés apports internes La température de chauffage Les températures de consigne constatées La température de consigne du système de chauffage est la température ambiante d un local que l on souhaite maintenir constante. Pour l obtenir en permanence dans le local, il faut que la température de consigne de l installation de chauffage soit supérieure à la température minimale de confort. Cette variation temporelle est caractérisée par un écart moyen de 0 à 2 C selon la précision des régulations et l inertie des émetteurs (à titre d exemple, la valeur par défaut du coefficient de variation temporelle d un robinet thermostatique certifié est de 1,2 C). Illustration 15 La température de consigne La température conventionnelle minimale de la réglementation thermique, indiquée en rouge sur le graphique suivant, est de 19 C en général (21 C pour l établissement d hébergement pour personnes âgées dépendantes de notre échantillon). À cette valeur conventionnelle prise comme température minimale de fonctionnement des émetteurs, il convient d ajouter la variable temporelle correspondant à la régulation du local pour obtenir la température de consigne de l étude thermique réglementaire. La température de consigne pratiquée est reconstituée selon la méthode exposée en annexe

23 Si l on prend en compte les caractéristiques de la régulation, l histogramme suivant montre que sur notre échantillon (cf. Illustration 16), la température de consigne pratiquée (en vert) est généralement supérieure à celle de l étude thermique réglementaire (en bleu). L habitat collectif semble pratiquer des températures de consignes supérieures aux autres types de bâtiments. Cela n est pas nécessairement dû au fait que l occupant est moins vertueux, mais que celui-ci ne peut pas toujours agir sur le réglage de cette température, lorsque l installation de chauffage est collective. Pour le 3ème habitat collectif, en Lorraine : «La méconnaissance du fonctionnement de la régulation contribue à l explication de la température de consigne pratiquée particulièrement élevée.» À retenir : Dans les hypothèses du calcul réglementaire, la température de consigne vue par les équipements de chauffage est toujours supérieure à la température minimale de confort (19 C généralement), afin que le local chauffé ne soit jamais en défaut de confort. En général, les températures de consigne pratiquées sont supérieures aux valeurs de l'étude thermique réglementaire de 0,2 C à 2,5 C Impact calculé des températures de consigne pratiquées sur la consommation de chauffage Le recalcul de la consommation de chauffage avec les températures de consigne pratiquées a été effectué sur l échantillon. Fort logiquement, la consommation de chauffage évolue dans le même sens que celle de la température de consigne, donc à la hausse (cf. Illustration 17, avec les mêmes opérations que pour la température de consigne). Cependant, ces évolutions varient de plusieurs kilowattheures (1,5 à 10 kwhep/m².an) dès que la température évolue de 1 C. Sur l échantillon, les écarts à la hausse s étalent jusqu'à 13 kwhep/m².an (avec un écart de 5 C). Pour un immeuble de logements en Rhône-Alpes : «La mesure confirme cet ordre de grandeur calculé, avec une hausse de 5 kwhep/m².an pour 1 C d augmentation de température.» La très forte isolation des bâtiments basse consommation abaisse beaucoup la consommation de chauffage. Ainsi la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température est proportionnellement beaucoup plus importante. Avec une augmentation de 2,3 C et un faible niveau de consommation, la consommation peut doubler (+100 %, au lieu de +7 % par degré supplémentaire, soit 16 % avec la règle qui prévalait précédemment pour des bâtiments peu performants). Un cas d habitat individuel montre la même ampleur, mais dans l autre sens, avec une baisse de consommation de plus de la moitié. 23

24 Illustration 16 Les températures de consigne cibles et pratiquées Illustration 17 Consommation de chauffage recalculée avec la température de consigne pratiquée 24

25 Pour un immeuble de logements en Rhône-Alpes : «L augmentation mesurée de la température de 2 C a conduit à un doublement de la consommation.» Les effets de la température sur les consommations de chauffage exprimées en valeur absolue sont plus stables pour formuler une règle générale. De plus, le graphique suivant (cf. Illustration 18) montre une légère dissymétrie dans ces effets en zone méditerranéenne. Cet effet s explique par la douceur du climat qui fait que le besoin de chauffage disparaît plus rapidement en climat doux qu en climat froid lorsque la température intérieure descend. Illustration 18 - Sensibilité de la consommation des postes réglementés à la température de consigne6 Ainsi pour une maison individuelle basse consommation en zone méditerranéenne une diminution de la température entraîne une baisse de consommation de l ordre de 2 kwhep/m² par degré, alors qu une augmentation de la température entraîne une surconsommation de l ordre de 3 kwhep/m² par degré. À retenir : Pour les bâtiments fortement isolés thermiquement : - la règle générale d'une sensibilité de 7 % de la consommation de chauffage à la température intérieure n est plus utilisable. Il faut davantage raisonner en valeur absolue ; - la consommation de chauffage demeure très sensible à la température de consigne, avec une hausse de 1,5 à 10 kwhep/m².an, pour 1 C supplémentaire. 6 Simulation pour une maison individuelle. 25

26 Les apports thermiques des occupants et des appareils et leur impact sur la consommation de chauffage Dans la méthode Th-CE, les apports internes sont calculés, de manière conventionnelle, par un apport horaire moyen par m² chauffé (surface utile ou surface habitable) pendant les périodes d occupation, associé à des horaires d occupation. Ce ratio, propre à la destination d usage du bâtiment, comprend : les apports thermiques des occupants ; et ceux générés par l ensemble des équipements électriques hors éclairage Les apports internes dus à l éclairage sont obtenus à partir du calcul de la consommation d éclairage spécifique au bâtiment. Dans le cas de l habitation, l éclairage est pris en compte de manière forfaire. Aussi convient-il de nous intéresser distinctement, aux apports internes hors installation d éclairage d une part, aux apports spécifiques de l éclairage d autre part, puis au cumul des deux, d abord en ampleur, et ensuite en impact sur la consommation de chauffage Les niveaux d apports internes évalués Apports internes hors éclairage Les apports internes sont évalués à partir, d une part, des taux horaires d occupation issus des enquêtes auprès des occupants, d autre part, de la mesure de la consommation électrique totale (hors production de chaleur, en cas de chauffage électrique, et hors installation d éclairage ; cf. annexe ). Ils sont donnés en W/m² de surface chauffée sur la durée moyenne d occupation. Sur ce premier échantillon de taille réduite, les écarts entre les apports internes évalués et ceux de l étude réglementaire peuvent être importants, mais aussi variables (cf. Illustration 19). En bureaux, les deux premiers exemples montrent que la convention du calcul réglementaire est bien au-delà des apports internes évalués. En logement, la variabilité des apports internes s explique par celle du taux d équipements des ménages et de la densité d occupation des surfaces. Les apports semblent moins importants en habitat collectif qu'en maison individuelle, de par probablement, un taux plus faible d équipements électriques. Au-delà de cette comparaison, il est intéressant de noter l ordre de grandeur des apports internes, hors éclairage, de 3 à 8 W/m² (cf. Illustration 19). Apports thermiques de l éclairage L énergie électrique pour l éclairage qui se dissipe entièrement dans l espace intérieur, représente une part significative des apports internes. Lors de la réalisation de l étude thermique réglementaire, l absence de données précises sur les luminaires en phase conception conduit souvent à une surestimation des puissances installées d éclairage, donc à des consommations supérieures d éclairage, entraînant une surestimation des apports internes dus à d éclairage. 26

27 Apports internes cumulés Les apports internes dans les bâtiments à basse consommation représentent une part de plus en plus importante dans la couverture des besoins de chauffage. Pour une rénovation d habitat collectif en Rhône-Alpes : «Les apports internes, ajoutés aux apports solaires, peuvent couvrir les besoins de chauffage à hauteur de 80 % au lieu de 70 % avant isolation, dans un contexte de forte densité d occupation (immeuble de 8 logements et 550m² SHON) et de forte inertie permettant de récupérer la quasi-totalité des apports gratuits sans créer de surchauffes importantes.» 27

28 Illustration 19 Apports internes hors éclairage Illustration 20 Consommation de chauffage recalculée avec les apports internes évalués, hors éclairage 28

29 Impact des apports internes constatés sur la consommation de chauffage Impact calculé des apports internes constatés, hors éclairage Nous nous intéressons ici à l impact des apports internes hors éclairage sur la consommation de chauffage de l étude thermique réglementaire. Les consommations de l étude réglementaire ont été recalculées avec les apports internes constatés. Logiquement, lorsque les apports internes constatés sont supérieurs aux apports internes conventionnels, la consommation de chauffage baisse et inversement (cf. Illustration 20). Toutefois, l impact sur la consommation résulte de l effet combiné de la densité d apports internes et de la durée d occupation ; ainsi par exemple, pour le cas de l habitat pour personnes âgées, la densité d apports internes de l étude thermique n a pas été modifiée suite à l étude in situ, mais la durée d occupation a été réévaluée à la hausse, entraînant une diminution de la consommation de chauffage. Sur ce premier échantillon de taille réduite, les écarts entre les consommations de l étude réglementaire et celles recalculées au travers du paramètre apports internes peuvent être relativement importants. Impact des apports thermiques de l éclairage La consommation d éclairage mesurée étant généralement inférieure à celle de l étude thermique réglementaire, les consommations de chauffage et de refroidissement du bâtiment en sont affectées (cf ). Impact des apports internes cumulés Dans les bâtiments basse consommation, les apports internes cumulés, ajoutés aux apports solaires, peuvent être suffisamment importants pour que la température intérieure dépasse la température de consigne du chauffage. Ce gain en chaleur est perdu lorsque les fenêtres sont ouvertes pour évacuer les surchauffes. En absence de données sur la position des fenêtres, nous ne pouvons en quantifier l impact énergétique. À retenir : Dans les bâtiments à basse consommation les apports internes représentent une part plus importante dans la couverture des besoins de chauffage. Ils sont assez variables d un usage à l autre ; d'où une grande sensibilité de la consommation de chauffage à leur variation. 29

30 Performances énergétiques des bâtiments et leur impact sur la consommation 5. Nous nous intéressons ici aux performances énergétiques réelles du bâti puis de ses équipements techniques. Leur impact sur la consommation, notamment de chauffage, est également analysé. Pour cela, la consommation de l étude thermique réglementaire est recalculée avec la valeur de la performance constatée, et non plus, comme dans la modélisation de la méthode Th-CE, avec les valeurs théoriques et des conditions de mise en œuvre conformes aux règles de l art Performance du bâti Nous nous intéressons ici aux éléments du bâti (enveloppe, inertie ) qui participent à la performance énergétique des systèmes thermiques : isolation thermique de l enveloppe ; étanchéité à l air de l enveloppe Isolation thermique de l enveloppe Coefficient évalué de déperdition par transmission thermique (Ubât évalué) Le coefficient de déperdition par transmission thermique U bât de l étude thermique réglementaire est calculé selon les régles Th-Bat. Le coefficient Ubât évalué est déduit du bilan thermique des mesures selon la méthode exposée au M L incertitude de la méthode en développement ne peut toutefois permettre de tirer des conclusions définitives sur les premiers résultats qui suivent. Le Ubât évalué apparaît ici plus élevé que le Ubât de l étude thermique réglementaire, et ce, jusqu à 60% (cf. Illustration 21). Les écarts entre le Ubât évalué et le Ubât ont plusieurs origines constatées lors des visites de chantier et par thermographie, sans toutefois avoir pu être quantifiées individuellement : la qualité des études thermiques (détermination précise des ponts thermiques structurels et singuliers, en particulier pour les structures métalliques et les bardages) ; le changement de matériaux et de caractéristiques pendant le chantier par rapport aux prescriptions du CCTP (comme l isolation du plancher bas) ; la qualité de la mise en œuvre : présence de zones humides qui dégradent la performance de l isolation, isolation insuffisante des linteaux des baies vitrées, des volets roulants ou des acrotères, épaisseur des joints monomur Par ailleurs, les écarts peuvent s expliquer par de mauvaises conditions de mesure du Ubât évalué, notamment des températures extérieures pas assez basses ou trop d ouvertures de fenêtres, ce qui amène à prendre ces résultats avec précautions. 30

31 Pour la crèche en Bretagne : «Les fenêtres oscillo-battantes étaient entr ouvertes toute la nuit, les occupants ne sachant pas comment gérer autrement les surchauffes dues aux grandes baies vitrées.» Illustration 21 Les coefficients de déperdition Ubât et Ubât évalué Illustration 22 Consommation de chauffage recalculée avec le Ubât évalué 31

32 Impact calculé du Ubât évalué sur la consommation de chauffage Les consommations de chauffage de l étude réglementaire ont été recalculées avec les Ubât évalué (cf. Illustration 22). La consommation de chauffage est directement sensible au U bât, avec des augmentations pouvant être fortes par rapport à l étude thermique réglementaire, jusqu à 19 kwhep/m².an, valeur de la crèche exclue. Plus généralement, nous pouvons en déduire que, dans les bâtiments fortement isolés thermiquement, la consommation de chauffage est sensible en relatif à toute variation de performance d isolation de l enveloppe. À retenir : La méthode mise en place par le Cerema, qui reste à consolider, laisserait apparaître un écart systématique négatif entre la performance réelle de l enveloppe et sa valeur calculée dans l étude thermique réglementaire. Cela s expliquerait, notamment, par des imprécisions dans l étude, des changements pendant le chantier, des défauts de mise en œuvre et des conditions de mesure non idéales Perméabilité à l air de l enveloppe Perméabilité à l air mesurée Dans la méthode Th-CE la perméabilité à l air est caractérisée par l indicateur de perméabilité à l air Q4Pa_surf, qui indique le débit de fuite à une pression différentielle de 4 Pascals divisé par la surface de parois froides hors plancher bas. Cet indicateur est mesuré, soit à la demande du maître d ouvrage, soit dans le cadre des suivis-évaluations PRÉBAT. Pour les bâtiments tertiaires (cf. Illustration 23), l étude thermique réglementaire s est souvent contentée de la valeur par défaut (Q4P_surf = 1,7 m3/h.m²). Par contre, les bâtiments d habitation ont visé le niveau du label BBC Effinergie pour la maison individuelle neuve (Q4P_surf = 0,6 m3/h.m²), voire le niveau du label «Passivhauss» (Q4P_surf < 0,2 m3/h.m²). L étanchéité à l air mesurée est généralement satisfaisante. Elle est même inférieure à 1m3/h.m2 pour 2/3 des bâtiments. Elle est également souvent meilleure que la valeur prise par défaut, ou visée, dans l étude thermique réglementaire (pour 5 bâtiments sur 9 dont la valeur a été fournie). Impact calculé de la perméabilité à l air mesurée sur la consommation de chauffage Les consommations de chauffage de l étude réglementaire ont été recalculées avec les perméabilités à l air mesurées (cf. illustration 24). 32

33 L impact calculé est en général assez faible (moins de 2 kwhep/m².an). Cependant, les bâtiments équipés de système de ventilation double-flux sont très sensibles à la perméabilité à l air de l enveloppe, car les transferts d air parasites engendrent un renouvellement d air supplémentaire qui shunte le passage de l échangeur de la VMC double flux et ne permet pas de récupérer la totalité des calories de l air renouvelé. Par conséquent, plus un bâtiment est étanche, plus l efficacité du système de VMC double flux sera efficace, ce qui est illustré ici par le cas de la crèche. À retenir : L'étanchéité à l air est globalement bien réalisée sur les bâtiments de l échantillon. Les pertes énergétiques par infiltration d'air restent ainsi limitées. 33

34 Illustration 23 Les perméabilités à l air mesurées et leur comparaison à leur valeur visée dans l étude thermique Illustration 24 Consommation de chauffage recalculée avec la perméabilité à l air mesurée 34

35 5.2. Performance énergétique des systèmes techniques Ventilation Ventilation et récupération d énergie sur air extrait Le poste des déperditions par ventilation est sensible dans les bâtiments à basse consommation, en particulier lorsque la densité d occupation impose des débits de renouvellement d air importants. Avec une VMC double-flux à récupération de chaleur, la réduction de consommation de chauffage liée au renouvellement d air est conséquente. Pour un immeuble de logements en Rhône-Alpes : «Une économie de kwhep/m².an a été obtenue avec une efficacité de %.» Efficacité constatée des échangeurs double flux Dans notre échantillon, 80 % des bâtiments sont équipés d une ventilation mécanique contrôlée double flux avec récupération d énergie sur air extrait. L efficacité mesurée des échangeurs de chaleur est toujours supérieure à 65 % (cf. Illustration 25). Globalement, les échangeurs tiennent leurs promesses par rapport à la valeur indiquée dans l étude thermique réglementaire (au-delà des 4 opérations des illustrations 25 et 26, qui sont les seules à disposer des données d impact sur la consommation de chauffage). 35

36 Illustration 25 Efficacité des échangeurs double flux Illustration 26 Consommation de chauffage recalculée avec l efficacité mesurée des échangeurs double flux Impact calculé de l efficacité mesurée des échangeurs double flux sur la consommation de chauffage Les consommations de chauffage de l étude réglementaire ont été recalculées avec les efficacités mesurées des échangeurs double flux (cf. Illustration 26). 36

37 Même si les écarts d efficacité mesurée sont faibles, leur impact calculé sur la consommation de chauffage est relativement plus important (jusqu à plus de 2 kwh/m².an). Ceci est dû au fait que le poste de déperdition par la ventilation prend une place importante dans le bilan thermique Autres enseignements sur la ventilation Les enseignements relatifs à la ventilation portent sur la ventilation mécanique contrôlée (VMC) double flux, présente sur 80 % de l échantillon, mais aussi sur la VMC simple flux (20% de l échantillon). Par ailleurs, dans trois bâtiments, l installation est complétée par un puits canadien ; Mais les premiers enseignements restent à consolider. Consommation des ventilateurs Les premières mesures montrent que des valeurs inférieures à 3 kwhep/m²/an peuvent être atteintes, notamment en VMC simple flux hygroréglable (en maison individuelle). Programmation Pour un immeuble de bureaux et une crèche en Rhône-Alpes : «Dans les bâtiments à usage intermittent, la ventilation gagnerait à être arrêtée en dehors des heures d occupation (économie allant jusqu à 50 % de la consommation de ventilation d une VMC simple flux).» Qualité des installations Au-delà de l efficacité des échangeurs de chaleur, des problèmes d étanchéité des réseaux sont rencontrés sur plusieurs opérations. Entretien Le maintien dans le temps des performances de ventilation représente un enjeu important pour la consommation de chauffage. Pour un immeuble de logements en Rhône-Alpes : «L encrassement du filtre de soufflage, qui conduit à une diminution du débit d air soufflé, donc à une augmentation des infiltrations à travers l enveloppe du bâtiment (phénomène de compensation), peut entraîner une surcharge de chauffage de l ordre de 8 kwhep/an/m².» Cas de la ventilation d été En bâtiment très isolé thermiquement, et à forte inertie, la ventilation mécanique nocturne sans augmentation du débit réglementaire n est généralement pas suffisamment efficace pour réduire la température des locaux. Une ventilation naturelle par ouverture de baies qui présente des débits plus important, serait plus performante pour refroidir, et ne consommerait pas d énergie. 37

38 À retenir : Dans les bâtiments fortement isolés thermiquement et sans fuites d air parasites, le poste de déperdition par ventilation prend une place plus importante dans le bilan thermique. La consommation de chauffage y est d autant plus sensible. L efficacité des échangeurs de récupération d énergie sur air extrait des VMC double flux s avère conforme aux prévisions. La consommation des ventilateurs peut être inférieure à 3 kwhep/m²/an, notamment en VMC simple flux hygroréglable. Pour le confort d été, la ventilation nocturne est davantage indispensable pour éviter le confinement des apports internes et solaires. S il est possible, le recours à l ouverture des fenêtres est plus efficace que la VMC et non consommateur d énergie Chauffage Les générateurs de chaleur Deux grandes familles de générateurs de chaleur sont utilisées dans les bâtiments PREBAT (cf. Illustration 27) : les pompes à chaleur, principalement dans les bureaux et les autres bâtiments tertiaires (8 tertiaires sur 15 et 3 bâtiments de logements sur 16). Parmi les pompes à chaleur (PAC), on retrouve des pompes air/eau et des pompes eau/eau (ie PAC géothermique). Parmi les PAC, un nouvel équipement innovant est apparu. Il s agit d un système multi fonction (tour compacte assurant le chauffage, l ECS et la ventilation) installé dans un bâtiment de logement ; les chaudières gaz à condensation principalement installées dans les logements (6 bâtiments de logements sur 16 et 2 bâtiments tertiaires sur 15). Ont été mis en place dans une moindre mesure des chaudières bois (3 chaudières avec pour combustible granulés, bois déchiqueté ou plaquettes), ainsi qu une chaudière gaz classique, une chaudière basse température et une chaudière micro-cogénération. Quatre bâtiments sont chauffés via un réseau de chaleur (2 tertiaires et 2 bâtiments de logements). 38

39 Illustration 27 Répartition des différents types de production de chaleur Enfin, un bâtiment de logement collectif est doté d un système de chauffage intégré au système de ventilation. Le chauffage de l air insufflé se fait par des batteries chaudes électriques. Les pompes à chaleur Lorsque l énergie consommée et l énergie produite par la pompe à chaleur ont été mesurées, il a été possible d évaluer un coefficient de performance (COP) saisonnier. Dans aucun des cas, il n a été possible de séparer les consommations des circulateurs de la consommation du compresseur de la PAC. Ce COP saisonnier comprend donc la consommation des circulateurs. En attendant une capitalisation sur les COP à charge partielle dans des régimes standard (de 7 à 35 pour les PAC air/eau), nous mettons ici en regard les COP saisonniers issus des mesures de consommation et les COP nominaux des machines. La différence est de 1, ce qui correspond à l écart attendu entre ces deux critères de performance. 39

40 Illustration 28 Comparaison du COP nominal saisi dans l étude thermique avec le COP saisonnier évalué à partir des mesures Le COP nominal saisi dans le calcul RT et le COP saisonnier mesuré ne corresponddent pas aux mêmes conditions de températures amont et aval. En effet, le COP nominal affiché dans les brochures des fabricants et repris dans le calcul RT est issu d essais réalisées en laboratoire. Les conditions de températures amont et aval sont alors fixées par des normes ou des protocoles d essais (par exemple pour une PAC air/eau on se place aux températures 7/35). De même, les machines sont testées en régime permanent. Pour obtenir le COP saisonnier à partir des mesures, on fait le rapport de l énergie produite par la PAC sur l énergie utilisée. Sur le terrain, les températures et le régime ne sont pas maîtrisés et les mesures sont réalisées sur l ensemble de la saison de chauffe. Outre les différences de conditions dans lesquelles le COP a été mesuré, des cycles courts sont couramment observés ; ils sont souvent liés à un surdimensionnement du système du fait que les besoins de chauffage sont fortement réduits. Un ballon tampon a permis de limiter ces cycles trop courts qui dégradent fortement le COP et peuvent détériorer le compresseur (surchauffe). Enfin, pour les PAC air/eau, les besoins réduits de chauffage les amènent également à fonctionner à des températures extérieures basses, températures pour lesquelles le COP est dégradé. Dans deux cas (bureaux), le climat du Nord Est de la France n est pas favorable au fonctionnement de la PAC air/eau. Pour un immeuble de bureaux en Lorraine : «Les performances de la pompe à chaleur air/eau sont plus faibles que prévues : le climat rude du Nord Est de la France pénalise significativement le COP de ce type de pompe à chaleur qui ne semble pas être le système de chauffage le plus efficace dans le cas d un bâtiment de bureau.» 40

41 Pour un immeuble de bureaux en Rhône-Alpes : «Il faut éviter qu une pompe à chaleur ne démarre et ne s arrête trop souvent, car des enclenchements répétitifs entraînent une surchauffe du moteur et des baisses de rendement. De même, un temps de fonctionnement minimal est nécessaire pour évacuer cet excédent de chaleur. De plus, il est nécessaire, pour protéger le compresseur, de respecter un délai minimal d arrêt entre deux cycles.» À retenir : Les besoins de chauffage étant réduits, les PAC fonctionnent souvent en cycles courts, ce qui dégrade fortement la performance du système et affecte sa durée de vie. Toutefois ce problème a pu être limité par association d un ballon tampon. En outre, pour les PAC air/eau, le climat aura un impact plus important sur leur coefficient de performance. Un système innovant de tour compacte combinant chauffage, ECS et ventilation, a été installé sur une opération avec PAC. Mais il révèle un manque de maîtrise, tant en dimensionnement qu en paramétrage. En effet, lors des jours les plus froids, la puissance maximale de la machine ne permet pas de produire simultanément de l ECS et du chauffage. Les chaudières gaz à condensation Comme pour les PAC, on peut observer un surdimensionnement relativement courant de ces systèmes. Les puissances observées n atteignent peu ou pas la puissance nominale. Dans ces conditions, les chaudières fonctionnent sur des cycles courts même en présence d un brûleur modulant. Les pertes au démarrage et à l arrêt sont exacerbées et la récupération sur la condensation est plus faible. Dans de nombreux cas, une puissance plus faible de chaudière aurait pu être installée. Le marché des chaudières gaz condensation propose peu de chaudières à faible puissance. De plus, l installation d une puissance importante par rapport aux besoins de chauffage est souvent dictée par le besoin de produire de l ECS instantanément. À retenir : Les besoins de chauffage étant réduits, les chaudières gaz à condensation fonctionnent souvent à faible puissance, ce qui dégrade fortement la performance du système et affecte sa durée de vie. 41

42 Le réseau de distribution De manière générale des efforts sur l isolation des réseaux linéaires ont pu être observés sur les opérations. Des progrès sont encore possibles sur l isolation des pompes et des vannes. À retenir : Les pertes thermiques des réseaux sont encore très importantes, notamment au niveau des organes de régulation, avec un enjeu plus important pour les réseaux bouclés Eau chaude sanitaire Dans le panel de bâtiments étudiés, la production d eau chaude sanitaire (ECS) solaire est très présente (13 bâtiments de logements sur 15 et 2 bâtiments tertiaires). La chaudière gaz en place assure l appoint dans la majorité des cas. Dans deux bâtiments d habitation, le complément est assuré par le réseau de chaleur. De façon générale, l ECS est produite par des ballons électriques dans les bureaux du panel, ainsi que dans deux écoles et deux crèches. Illustration 29 Répartition des différents types de production d ECS 42

43 Dans un bâtiment, l ECS est produite en hiver via la chaudière bois. En été, une chaudière gaz prend le relais de la production. Les retours sur la production d ECS ne sont pas suffisants pour réaliser une capitalisation complète. Reviennent de façon récurrente les problèmes liés à des pertes de stockage et de distribution importantes. Une isolation plus conséquente pourrait être envisagée aussi bien au niveau du stockage que de la distribution. Dans certains cas, les pertes de bouclage représentent jusqu à 100 % des besoins en ECS. Dans des bâtiments d habitation collectifs en Rhône-Alpes : «Dans la mesure où le puisage de l eau chaude sanitaire est ponctuel, voire nul en cas d inoccupation, les pertes de bouclage (en collectif) sont continues. Il faut donc comprendre et accepter la nécessité de sur-isoler ces distributions en recourant à des isolants n ayant pas moins de 30 ou 40 mm d épaisseur, de même que tous les points singuliers devront aussi être isolés, les ponts thermiques supprimés : colliers, vannes, compteurs» Éclairage En logement, la puissance d éclairage est à une même valeur forfaitaire dans l étude thermique réglementaire et la consommation d éclairage n est pas toujours mesurée en habitat collectif. Sur notre échantillon réduit, nous ne nous intéressons donc qu aux bâtiments tertiaires. Les données collectées sur les puissances installées ne sont pas suffisantes pour une analyse fine, mais certaines tendances semblent se dessiner : dans la moitié des cas, les puissances d éclairage installées en éclairage général sont plus faibles que celles prises en compte dans l étude thermique, à moins de 50 % ; les puissances d éclairage maximales appelées sont nettement inférieures aux puissances installées du fait de l occupation partielle ou temporaire des locaux. Pour 3 bureaux, nous disposons à la fois des données de puissance et de consommation d éclairage. 43

44 Illustration 30 Puissance d éclairage et son impact sur la consommation d éclairage Les consommations d éclairage sont bien plus faibles que celles prévues par l étude thermique, à moins de 30 %. Les éclairages d appoint (lampes de bureaux) contribuent également à cette baisse. Les consommations de chauffage, ou de climatisation pour les bâtiments concernés, en sont alors impactées. En effet, la puissance d éclairage diminuant, les apports de chaleur de celle-ci diminuent aussi, entraînant alors une augmentation des besoins de chauffage, ou une diminution des besoins de froid en été. À retenir : Les puissances d'éclairage constatées en tertiaire sont inférieures à celles prises en compte par le bureau d'étude dans l étude thermique ; d où une consommation d éclairage et des apports thermiques internes moindres. Pour une rénovation de bureaux en Rhône-Alpes : «La réduction de la puissance installée et la mise en place de détection et de gradation permet d économiser kwh par an (réduction des consommations de 38 %).» La technologie majoritairement choisie dans le tertiaire est le tube fluorescent. Pour certains bureaux, cet éclairage général est complété par des luminaires de table. 44

45 Pour un immeuble de bureaux en Rhône-Alpes : «Une bonne efficacité de l installation d éclairage dans les bureaux est atteinte grâce à un éclairage artificiel à 2 composants : un éclairage de base avec détection de mouvement et des éclairages d appoint par luminaire de table en fonction des besoins localisés, le tout couplé à une bonne exploitation de l éclairage naturel, grâce à une surface vitrée représentant 39 % de la surface extérieure totale.» En ce qui concerne la gestion de l éclairage artificiel, le détecteur de présence est souvent mis en place en association avec un interrupteur et/ou un gradateur et/ou parfois une horloge selon l usage des locaux et de la zone. Pour un immeuble de bureaux en Rhône-Alpes : L utilisation d interrupteurs simple allumage dans les circulations conduit à ce que l éclairage reste allumé, ce qui entraîne des gaspillages conséquents : il convient donc de ne plus prescrire ce type de commande. Les réglages des détecteurs sont souvent mal, voire pas réalisés. Ces réglages portent sur la temporisation d extinction et le seuil lumineux de déclenchement/extinction. Comme pour d autres systèmes, un premier réglage doit être effectué lors de la réception du bâtiment, mais aussi lors de la première année de fonctionnement afin d affiner ce réglage. Pour une crèche en Rhône-Alpes : «Si le seuil de non allumage de l éclairage artificiel est réglé trop haut ou que la position du capteur ne lui permet pas de donner une bonne image du niveau d éclairement du local, les gains liés aux apports d éclairage naturel sont nuls et seule la fonction de détection de présence reste bénéfique. La temporisation des détecteurs de présence est très différente d un détecteur à l autre, de 1 à 10 minutes. Si le détecteur est bien positionné et permet de couvrir l ensemble du local, il est préférable de choisir la temporisation la plus courte possible.» Pour un immeuble de bureaux en Rhône-Alpes : «Pour minimiser les consommations d électricité liées à l éclairage extérieur, l allumage de celui-ci doit s effectuer par détecteur crépusculaire et son extinction, autour de 1h du matin, par horloge.» L automatisation du déclenchement de l éclairage artificiel des locaux pouvant bénéficier de la lumière du jour est souvent mal vécue par les occupants, en particulier en absence de gradateur de lumière. En effet l allumage se voit immédiatement et conduit l usager à rejeter un service qu'il n a pas demandé et qu'il considère alors comme un gaspillage d énergie. Il est préférable de recourir à un allumage manuel, ou sinon il est nécessaire pour ces espaces d associer des gradateurs aux détecteurs. 45

46 Enfin, le matériel choisi pour la régulation ne répond pas toujours aux besoins de la zone, notamment par non prise en compte des aspects suivants : zonage des espaces en fonction des apports d éclairage naturel, en particulier pour les circulations ; la qualité de la détection (positionnement du détecteur, distance de détection, sensibilité aux mouvements, temporisation à l extinction compatible avec l activité) facilité de mise en œuvre des réglages (durée des temporisations, seuil crépusculaire ) consommations électriques des auxiliaires d éclairage (veille des détecteurs, télécommande ) ; facilité d accès pour l entretien et la maintenance compatible avec la durée de vie des équipements. À retenir : Le système de gestion de l'éclairage doit être choisi en fonction des besoins des locaux et de leurs occupants et doit être réglé afin d optimiser son fonctionnement Performances d ensemble : vers une caractérisation in situ Après avoir pris en compte le climat et les modes d occupation, pour s affranchir de leur caractère variable et non lié au bâtiment, l indicateur de consommation rend compte des performances intrinsèques du bâtiment : il représente pour l année étudiée, l objectif de consommation fixé à la conception. Ainsi la consommation de chauffage rend compte de l association des performances de l enveloppe et de l installation de chauffage, comme celle d éclairage, de l association de la performance d éclairage naturel à celle de l installation d éclairage artificiel. Ensuite, ces différentes performances des systèmes se combinent à leur tour pour rendre compte de la performance du bâtiment dans son ensemble, à travers sa consommation des postes réglementés. La démarche adoptée dans les suivis-évaluations du Cerema permet cette caractérisation in situ des performances des bâtiments à différents niveaux, des composants du bâtiment à sa performance d ensemble. Elle apparaît globalement satisfaisante, en particulier sur des aspects peu répandus dans les méthodes d analyses : évaluation du Ubat réel par la méthode du bilan thermique équilibré sur les semaines les plus froides (cf. Annexe 8.4) ; caractérisation de la température intérieure de consigne par la méthode d analyse statistique des températures intérieures pendant l occupation et la fourniture thermique, chaude ou froide (cf. Annexe 8.3.3) ; 46

47 transposition du calcul conventionnel dans les conditions observées de climat et de mode d occupation pour obtenir des consommations théoriques recalculées (cf. Annexe 8.2 et 8.3) ; évaluation des effets des écarts de performances de l enveloppe (Ubat, perméabilité à l air) et des systèmes (efficacité échangeurs double flux, rendements à charge partielle ) sur les consommations à l aide du moteur de calcul dynamique de la RT. Ces méthodes permettent d expliquer une grande partie des écarts bruts constatés entre valeur de l étude thermique réglementaire et la valeur mesurée. Le bilan des consommations sur une maison individuelle près de Montpellier montre que l on peut atteindre un niveau élevé dans la reconstitution des consommations pour le chauffage et les auxiliaires, même si une explication manque pour l ECS7. Illustration 31 Bilan des consommations d une maison individuelle Mais toutes les opérations suivies ne permettent pas d atteindre ce niveau de corrélation entre consommation recalculée et consommation réelle. En effet, l ensemble des performances du bâtiment ne peuvent être évalué (scénario précis d ouverture de fenêtre, scénario des fermetures des occultations ) ou ne peuvent pas être modifiée dans le moteur de calcul (scénario des réduits de chauffage ) ou simplement ne peuvent pas être modélisées dans le modèle numérique horaire (système de chauffage complexe ). Au-delà des difficultés rencontrées pour la mise en place et le fonctionnement correct de la métrologie, une partie des écarts résiduels entre la consommation recalculée et la consommation mesurée est aussi imputable aux incertitudes de mesures, de recueil d information auprès des occupants et de méthodologie d analyse. 7 Dans ce cas, les paramètres utilisés pour établir les consommations recalculées n impactent pas les consommations de ventilation et d éclairage. 47

48 Les méthodes de suivis-évaluations du Cerema nous montrent aussi l intérêt du comptage thermique pour le suivi énergétique des opérations. Ce comptage permet en effet de séparer ce qui relève de l efficacité des systèmes placée sous la responsabilité de l exploitant de ce qui relève de la gestion thermique de la demande qui est du ressort des occupants et leur écocomportement. 48

49 6. Confort thermique Globalement, les enquêtes réalisées auprès des occupants dans les bâtiments suivis montrent que le confort thermique est jugé globalement satisfaisant, qu il s agisse du confort d hiver ou d été. Confort d été Dans les bâtiments à basse consommation, le confort d été demande toutefois une attention particulière, de par leur forte isolation thermique. En effet, celle-ci permet de retenir plus la chaleur dans le bâtiment, ce qui est l objectif en hiver, mais pas en été où les apports thermiques internes et solaires doivent être évacués. Ce risque de surchauffe d été fait alors porter l enjeu, à la fois, sur la protection solaire pour réduire les apports solaires, sur l inertie pour amortir les apports internes et solaires à travers l enveloppe, et sur la ventilation pour les évacuer. Dans les suivis-évaluations réalisés par le Cerema, plusieurs indicateurs de confort ont été utilisés. Le plus commun est le nombre d heures cumulées de température intérieure supérieures à 27 C en période d occupation. Les suivis Cerema comprennent également le calcul du nombre d heures d inconfort selon la norme relative au confort adaptatif (EN ), pour tenir compte du phénomène d adaptation. En effet, plus il fait chaud longtemps, plus les personnes s habituent à une même température élevée ; et plus la température extérieure est élevée les trois derniers jours, plus une température élevée est acceptée à l intérieur des locaux. Illustration 32 Nombres d heures supérieures à 27 C et nombres d heures d inconfort 49

50 Sur notre échantillon, le nombre d heures supérieures à 27 C est important (supérieur à 100 heures) pour 2/3 des bâtiments. Ces inconforts sont toutefois à relativiser, puisque lorsque nous disposons du nombre d heures acceptables selon la norme EN , le nombres d heures inconfortables est divisé par 3, voire 4, et passe en dessous de 100h. En outre, les deux maisons individuelles sont situées en zone méditerranéenne, et selon les enquêtes, les occupants semblent satisfaits du confort. Les résultats qualitatifs sur 2 bâtiments d enseignement montrent aussi une évacuation insuffisante de la chaleur par la ventilation (ventilation mécanique et ouverture des fenêtres en période d inoccupation). Seul un logement collectif présente un nombre très important d heures d inconfort : le pic de chaleur est amorti la journée par l inertie lourde du bâtiment, mais le potentiel de rafraîchissement nocturne n est pas exploité : en effet la température ne baisse que d 1 C la nuit alors que l on observe des écarts allant jusqu à dix degrés entre la température intérieure et extérieure. La ventilation par ouverture des fenêtres parait insuffisante. Le rafraîchissement apporté par le bypass de la ventilation mécanique nocturne est insuffisant pour compenser la faiblesse de la ventilation naturelle par ouverture des fenêtres, car les débits du double flux semblent insuffisants. Une maison individuelle construite en ossature bois et paille (plancher, murs et toiture), en zone méditerranéenne, ne présente pas de surchauffe trop importante du fait, d une part, de la protection solaire apportée par l isolation de la toiture et des murs, d autre part, de l évacuation de la chaleur par ouverture des fenêtres. L application du critère de confort adaptatif fait au contraire apparaître un inconfort froid, dû à des températures intérieures trop basses en fin de nuit, du fait de la faiblesse de l inertie thermique apportée par une seule chape de béton. Enfin, les suivis des bâtiments équipés de dispositifs de rafraîchissement par ventilation mécanique (puits thermiques, double flux avec bypass) nous enseignent sur leur mode de fonctionnement : les échangeurs des ventilations double flux doivent être neutralisés en période estivale (bypass de l échangeur à plaque, arrêt de l échangeur à roue) pour faciliter l évacuation de la chaleur ; l utilisation estivale des puits thermiques est contre-productive la nuit, par rapport à l introduction directe de l air extérieur, à lui préférer. À retenir : Le confort thermique des bâtiments à basse consommation évalués est jugé globalement satisfaisant par les occupants, en accord avec les mesures, qu il s agisse du confort d hiver ou d été. Toutefois ce dernier demande une bonne maîtrise, à la fois, des protections solaires pour réduire les apports solaires, de l inertie pour amortir les apports internes et solaires, et de la ventilation pour les évacuer. 50

51 7. Conclusion Malgré un panel d opérations relativement limité et hétérogène, mais d un niveau de performance énergétique relativement élevé, des enseignements commencent à se dégager des premières évaluations. La proportion des postes de consommation non réglementés prend plus d importance, comme la part du poste d eau chaude sanitaire en habitat. La consommation totale et sa part réglementée baissent quasi systématiquement de la première à la deuxième année de suivi. L analyse de l impact du climat et de l occupation nous montre que la consommation de chauffage de ces bâtiments fortement isolés thermiquement est très sensible aux variations de ces paramètres, et que l on ne peut plus utiliser la règle des +7 % par degré supplémentaire de chauffage. La consommation de chauffage est également très sensible aux écarts de performance d isolation de l enveloppe. La perméabilité à l air mesurée est généralement satisfaisante. La ventilation double flux avec récupération d énergie sur air extrait est très répandue parmi les bâtiments lauréats des appels à projet PREBAT et tient globalement ses promesses. Deux types de générateurs de chaleur équipent la majorité des bâtiments de l échantillon : les pompes à chaleur et les chaudières gaz à condensation. Toutes deux fonctionnent souvent en sous-régime, dégradant ainsi fortement leur performance. De plus, leurs réseaux de distribution mériteraient d être mieux isolés. En matière d éclairage, les puissances constatées sont généralement inférieures à celles prises en compte par les bureaux d étude dans l étude thermique réglementaire, d où des consommations d éclairage d autant plus basses. Cependant des progrès sont à faire au niveau de leur système de gestion. Enfin, le confort thermique est jugé globalement satisfaisant, qu il s agisse du confort d hiver ou d été, même si ce dernier nécessite plus de soins dans la gestion du bâtiment notamment. Lors de la prochaine capitalisation, ces enseignements seront consolidés. L analyse sera approfondie sur chacun des sujets déjà traités ici, avec en outre, un échantillon plus important d opérations. Par ailleurs, elle sera étendue, notamment à l impact des pratiques des différents acteurs professionnels et utilisateurs sur la performance énergétique, à l impact du niveau plus élevé de performance énergétique sur la qualité d usage, au-delà du confort thermique, puis plus tard au coût global d investissement et de fonctionnement de ces opérations. 51

52 8. Annexes Détail de l échantillon 8.1. La répartition en fonction des bâtiments et nature des travaux est la suivante : 9 bureaux : 8 neufs + 1 réhabilitation ; 2 crèches neuves ; 3 écoles : 1 neuve + 1 réhabilitation + 1 mixte ; 1 habitat pour personnes âgées, neuf ; 15 habitats collectifs : 11 neufs + 4 réhabilitations ; 2 habitats individuels, neufs. Détail de la méthode de suivi et d analyse mise en œuvre par le Cerema Conditions climatiques de l année de suivi Pour recalculer la consommation d énergie primaire avec les conditions climatiques de suivi, nous créons un fichier météo comprenant les données climatiques horaires mesurées pendant l année de suivi : Température extérieure ( C) ; Humidité de l air (g/kg d air sec) déduite de l humidité relative (%) mesurée ; Vitesse du vent (m/s) ; Ensoleillement direct et diffus selon les 5 orientations : c'est l ensoleillement global horizontal (W/m²) qui est mesuré, la répartition direct/diffus et selon les 5 orientations (est, ouest, nord, sud, horizontal) est celle du fichier climatique de la réglementation thermique, propre à la zone climatique. Restent identiques au fichier de la RT : Température du Ciel ( C) ; Température de l eau froide ( C). Limites de la méthode : la répartition direct/diffus est définie pour la zone climatique, alors qu'en réalité elle dépend de la latitude et de la nature du ciel couvert/ensoleillé ; la vitesse du vent mesurée ne correspond pas à celle de Météo France (hauteur différente) ; des capteurs d ensoleillement peuvent dysfonctionner et ne pas permettre de suivre l ensoleillement ; 52

53 l emplacement de la station météo joue sur la qualité des données mesurées, mais vu la configuration de certains sites il n a pas toujours été possible de placer la station hors perturbations dues à des masques par exemple (au soleil ou au vent). La qualité de la mesure de la température extérieure est toutefois peu touchée Conditions d occupation de l année de suivi La prise en compte des conditions d occupation pour le re-calcul selon la méthode de calcul Th-CE est faite au travers des trois indicateurs suivants : scénario d occupation, apports internes et besoins des occupants (température et volume d eau) Scénario d occupation Un scénario d occupation hebdomadaire correspondant à l année de suivi est pris en compte. Ce scénario est relevé par enquête auprès des occupants et du gestionnaire. Il comprend heure par heure l indication d occupation ou non du bâtiment. Selon la méthode de calcul réglementaire, ce scénario est pris en compte dans le calcul des apports internes. Limites de la méthode : le scénario d occupation ci-dessus n impacte que le calcul des apports internes selon la méthode de calcul Th-CE ; il n est pas possible de prendre en compte un scénario de température de consigne. Seul le niveau de la température de consigne peut être modifié (cf ) Estimation des apports internes Pour le re-calcul selon la méthode de calcul réglementaire, il est nécessaire d estimer un taux horaire moyen d apport interne en occupation. Pour cela : nous nous basons sur un scénario d occupation hebdomadaire (déduit par enquête) avec un taux horaire d occupation d adultes et d enfants. Les apports internes annuels liés à l occupant sont ensuite déduits en fonction de leur activité (par ex. pour une activité sédentaire de type logement, école ou travail, la production d énergie métabolique est de 70W/m²) et de leur surface corporelle (1,8 m² pour un adulte, 0,8 m² pour un enfant) ; les apports internes annuels dus aux équipements sont déduits des consommations d électricité spécifiques horaires mesurées hors éclairage : selon la méthode de calcul de la réglementation thermique, les apports internes pour le résidentiel sont hors éclairage. En effet, les apports internes liés à l éclairage ne sont pas une donnée d entrée mais un résultat à partir du calcul de la consommation d éclairage ; le taux moyen horaire d apport interne est obtenu avec la somme annuelle des apports internes dû à l occupation et aux équipements, le tout divisé par le nombre d heures d occupation annuelles. Limite de la méthode : conformément à la méthode de calcul Th-CE, accès limité à une donnée horaire moyenne, et pas de variation possible du taux d apport interne horaire selon un scénario Température de consigne observée La température de consigne est la température ambiante d un local que l on souhaite maintenir constante. La température cible réglementaire est 19 C, auquel doit être rajouté la variable temporelle correspondant à la régulation du local suivi. 53

54 L analyse statistique des températures en période de chauffe permet d estimer la température de consigne en hiver en se basant sur la mesure de la température intérieure pendant les heures de fonctionnement du chauffage et pendant les heures d occupation identifiées par enquête. Illustration 33 Détermination de la température de consigne en hiver Limites de la méthode : la méthode n est pas applicable en logement collectif avec chauffage collectif : il peut y avoir fourniture de chauffage, mais pas nécessairement dans le logement suivi. Dans ce cas-là, on se base sur une estimation de besoin de chaud pour savoir si l on est en mode chauffage, et non sur la mesure ; nous n avons accès qu à une seule donnée d entrée, la température de consigne : pas d accès au scénario qui dépend, selon la méthode de calcul Th-CE, de l usage du bâtiment (au sens de la réglementation thermique), au niveau de réduit, et encore moins à un scénario horaire de température de consigne Besoins d eau chaude sanitaire (ECS) Selon la méthode de calcul de la réglementation thermique, les consommations d ECS sont calculées en fonction : 54 de la performance du système de production d ECS ;

55 et du besoin d ECS, exprimé en volume hebdomadaire (litres) d ECS à 40 C au puisage, réparti selon un scénario hebdomadaire de puisage, fonction de l usage du bâtiment (logement, bureau, hôtel, etc.) des règles Th-CE 10 (tableaux 36 et 37) : C'est pourquoi un recalcul est effectué en prenant en compte le besoin d ECS annuel réel en kwh estimé à partir de la mesure du volume d ECS produit, de sa température de préparation et de la température d eau froide. 55

56 Caractérisation de la performance de l enveloppe Suivi de chantier et mesure à réception Pour caractériser la performance de l enveloppe et l atteinte des objectifs, le Cerema met en œuvre un suivi de chantier, des mesures ponctuelles et une analyse des mesures spécifiques en phase exploitation. Plusieurs visites sur chantiers permettent de vérifier la bonne mise en œuvre des isolants tel que prévue dans le calcul réglementaire et le CCTP. Les écarts sont répertoriés dans un cahier de suivi. Lors de la réception des travaux, le suivi prévoit une mesure d étanchéité à l air avec localisation des fuites, qui est effectuée par une entreprise privée, ou, à défaut, par le Cerema. Le Cerema effectue aussi, en période de chauffe, un diagnostic thermographique pour repérer des défauts de mise en œuvre (tout ne pouvant pas être identifié lors des visites de chantiers). Enfin, les mesures en exploitation sont analysées pour reconstituer un coefficient de transmission thermique expérimental Ubât évalué Détermination d Ubât évalué Le coefficient de déperdition thermique du bâtiment Ubât est reconstitué à partir d un bilan thermique des mesures sur une semaine de chauffe, selon la méthode d équilibre des flux thermiques entrants et sortants de l enveloppe. Les apports solaires, les apports internes, les déperditions liées à la ventilation et à l étanchéité de l air et les apports du système de chauffage sont estimés heure par heure à partir des mesures. Cela peut se traduire par l équation suivante pour chaque heure, en négligeant le stockage (cf. Illustration 34) : Q app.chauf Q soit +Q app.int app.chauf +Q +Q app.sol app.int +Q +Q pert.ventil app.sol +Q +Q pert.permea pert.ventil +Q +Q pert.env pert.permea =0 +U bât (T i T e ) Aenv =0 avec : Q app.chauf Q app.int Qapp.sol les apports solaires reçus au sein du bâtiment ; Q Q pert.permea les pertes liées au renouvellement de l air dû aux défauts la production de chauffage délivrée en zone chauffée au bâti- ment ; 56 les apports internes du bâtiment ; pert.ventil les pertes liées au renouvellement de l air par ventilation ; d étanchéité à l air du bâtiment ; Q pert.env les pertes par transmission thermique au travers de l enveloppe ; T i et T e respectivement la température intérieure (moyenne volumique) et la température extérieure ; Aenv la surface déperditive de l enveloppe du bâtiment.

57 Illustration 34 Flux thermiques entrants et sortants de l enveloppe Tous les termes de l équation sauf les déperditions par transmission thermique de l enveloppe peuvent être estimés sur une semaine d après les mesures horaires : les apports solaires globaux sont estimés à partir de la mesure de rayonnement global horizontal (ou à défaut des données de l atlas solaire de la ville la plus proche) et du calcul de la surface d ouverture équivalente horizontale en prenant en compte les surfaces vitrées et opaques de chaque façade, leur facteur solaire, leur orientation et la présence de masques proches ou lointains. La gestion des protections solaires est prise en compte via un coefficient de gestion des protections solaires horaire journalier (taux de fermeture). Celui-ci est déduit par enquête auprès des occupants ; les gains internes dus aux équipements sont estimés à partir des mesures horaires de consommation d électricité spécifique et d éclairage. Les gains internes dus à l occupation sont estimés à partir du nombre et de l âge des occupants, ainsi que de leur scénario d occupation, recueilli par enquête ; les déperditions liées à la ventilation sont basées sur la mesure des consommations horaires des ventilateurs. Les débits de ventilation sont alors déduits des consommations du ventilateur à partir de ses caractéristiques puissance/débit avec l équation suivante : P ventilateur =0,34 Débit (T entrant T sortant )/1000 ; les déperditions liées à l étanchéité à l air du bâtiment sont calculées selon les règles Th-CE à partir de la mesure de étanchéité à l air du bâtiment, Q4P_surf (m3/h.m²), et des vitesses du vent horaires mesurées ; les apports du système de chauffage sont mesurés (à la sortie du générateur). L équilibre des flux thermiques doit être effectué sur une semaine (168h) : pour s affranchir de l inertie quotidienne ; pour obtenir une meilleure précision, en considérant comme relativement stables les rythmes hebdomadaires d occupation du bâtiment. 57

58 Le Ubât retenu correspond à la valeur qui répond au mieux à l équilibre thermique en période froide en considérant le Ubât comme constant. Le choix des semaines se fait sur la base de plusieurs critères : les semaines choisies sont en régime d occupation habituel (sans vacances ou fermetures) ; les semaines précédant immédiatement les semaines choisies sont à occupation habituelle (pas de relance exceptionnelle de chauffage) ; les semaines choisies sont parmi les plus froides de l année, en évitant les périodes clémentes, car les actions de l occupant ont un poids relatif élevé dans le bilan thermique (notamment l ouverture des fenêtres) ; les bilans thermiques à Ubât constant sur l ensemble des semaines froides doit présenter le meilleur équilibre possible, à savoir, une somme des apports proche de celle des déperditions. Le Ubât évalué ainsi obtenu traduit la performance de l enveloppe modulo les actions de l occupant non prises en compte. Illustration 35 Exemple de bilan thermique sur la semaine la plus froide d un logement collectif réhabilité BBC Limites de la méthode : débit de ventilation : le fonctionnement de la ventilation ne correspond pas toujours aux pressions préconisées et les courbes puissance/débits ne s appliquent alors pas toujours. Par défaut, sont alors utilisés les couples puissance/débit de l étude thermique réglementaire. Cela peut être une source importante d incertitude du calcul, les déperditions par ventilation étant en général le deuxième poste de déperdition après celles par transmission thermique et l incertitude relevée se trouvant être assez influente sur le résultat ; 58

59 apports internes : l enquête ne concerne en général qu un échantillon de 5 logements sur un bâtiment résidentiel, les scénarios d occupation et les apports internes en découlant peuvent alors être source d incertitudes. Toutefois, même si ces apports internes ne sont pas négligeables, le niveau d incertitude reste limité et est en général peu influent sur le bilan, sauf cas particulier (où les apports internes sont du même ordre de grandeur que les apports de chauffage) Caractérisation de la performance des systèmes Ventilation double flux La performance de la ventilation est caractérisée, d une part, par l énergie récupérée, et d autre part, par son efficacité. La formule de l énergie récupérée instantanée est la suivante : Energie récupérée= T 4 T 1 Débit Cp en Wh, avec : ρ : la masse volumique de l air (1,25 kg/m³) ; Cp : la capacité thermique massique de l air (1005 J/kg.K) ; Débit : le débit horaire mesuré (ou débit fixe) ; T1 : la température extérieure échangeur ( C), correspondant à la température de l air venant de l extérieur avant l entrée dans l échangeur ; T4 : la température d air soufflé ( C), correspondant à l air soufflé vers l intérieur juste après son passage dans l échangeur de chaleur. Extérieur T1 Intérieur CTA T2 T3 T4 Illustration 36 Principe de mesure de la ventilation double flux Dans l analyse seront distinguées l énergie Chaud et l énergie Froid, récupérées sur une année. L efficacité de l échangeur est le pourcentage de l énergie récupérable qui a été effectivement récupérée. La formule de l efficacité instantanée est la suivante : Eff = T 4 T 1 T 3 T 1 avec : T1 : la température extérieure échangeur ( C), correspondant à la température de l air venant de l extérieur avant son entrée dans l échangeur ; T2 : la température d air rejeté ( C) ; T3 : la température d air repris ( C), correspondant à la température de l air intérieur avant l entrée dans l échangeur ; T4 : la température d air soufflé ( C), correspondant à l air soufflé à l intérieur juste après son passage dans l échangeur de chaleur. 59

60 L efficacité de l échangeur est calculée sur les deux mois où la différence entre la température extérieure et la température intérieure est la plus grande. Limite de la méthode : la mesure des températures T2 et T4 n est pas toujours réalisée et/ou réalisable Chaudière (gaz, fioul, bois) Pour les chaudières, la performance est caractérisée par son rendement saisonnier et par l analyse de ses taux de charges. Le rendement moyen correspond au rapport entre la somme de l énergie produite (sur la période d étude) et la somme de l énergie consommée. La formule est la suivante : Rendement = énergie produite, PCI énergie consommée avec le PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) du combustible concerné (pour le gaz, il est indiqué sur les factures du bâtiment concerné). La somme d énergie produite est exprimée en kwh et la somme d énergie consommée est exprimée en volume ou en masse selon le type de combustible et l expression de son PCI. Illustration 37 Principe de mesure d une chaudière Limite de la méthode : le rendement est très sensible au PCI que l on utilise, or par exemple pour le gaz, il est variable d un lieu à un autre et durant l année. 60

61 Les Pompes à Chaleur (Air/eau, Eau/eau, Sol/eau) Pour l analyse des performances des pompes à chaleur (PAC), on détermine le coefficient de performance (COP) saisonnier d une part, et on analyse, d autre part, l évolution du COP hebdomadaire moyen en fonction de la température extérieure hebdomadaire moyenne et du nombre d heures de fonctionnement hebdomadaire moyen. Le COP moyen correspond au rapport entre la production totale d énergie produite sur la période d étude et la consommation de la PAC sur cette même période : COP= Energie produite Energie consommée COP= Energie produite Energie consommée Conso des auxiliaires ou bien. Illustration 38 Principe de mesure d une PAC L eau chaude sanitaire solaire Sur un système d ECS solaire, il est possible de mesurer les trois données suivantes (cf. Illustration 39) : les besoins en ECS (Besoins) ; l énergie fournie par les panneaux solaires (ECS solaire) ; l énergie fournie par l appoint (Appoint). 61

62 Illustration 39 Principe de fonctionnement de l ECS solaire Cependant, seules deux d entre elles sont nécessaires à l analyse (la troisième étant déduite par soustraction ou addition) : Besoins d ' ECS =ECS solaire Appoint. Pour évaluer la performance du système solaire, nous analysons le taux de couverture solaire hebdomadaires par rapport aux besoins d ECS hebdomadaires. La couverture solaire correspond à la part des besoins en ECS qui sont couverts par les panneaux solaires sur la période d étude : Couverture solaire= ECS solaire besoins d ' ECS Le Puits canadien L énergie chaude récupérée par un puits canadien correspond à l énergie récupérée par l air lors de son passage dans le puits canadien. Le calcul de cette énergie récupérée est la suivante : Energie récupérée= T i T e Débit Cp en kwh, avec : Ti : la température de l air sortant du puits canadien du côté intérieur (en C) ; Te :la température de l air entrant dans le puits canadien du coté extérieur (en C) ; Cp :la chaleur massique de l air (1005 J/kg.K) ; ρ : la masse volumique de l air (1,25 kg/m3). L énergie récupérée n est calculée que lorsque la température de l air extérieur est inférieure à 16 C et inférieure de 2 C à la température intérieure (conditions hivernales). 62

63 L énergie Froide récupérée correspond à l énergie libérée par l air chaud lors de son passage dans le puits canadien. Elle se calcule de la même manière que l énergie chaude récupérée. Cependant, elle est calculée uniquement si la température de l air extérieur est supérieure à 25 C et si la différence de température avec l air intérieure est supérieure à 2 C Analyse du confort thermique L analyse du confort d été et d hiver est effectuée pour les périodes d occupation via l estimation des indicateurs de confort à partir des mesures de températures intérieure, extérieure et des données d occupation. Les indicateurs analysés sont notamment les suivants : diagramme de l air humide : son objectif est de vérifier le confort lié à l humidité et la température de l air dans le bâtiment. La température de l air ambiant figure en abscisse, et l humidité absolue en ordonnée (en kg de vapeur d eau par kg d air sec). Les courbes noires sont des courbes à humidité relative constante (la plus haute correspond à la saturation). Les quadrilatères vert, bleu et rouge correspondent à différentes zone de confort ; Illustration 40 Exemple de diagramme de l air humide pour un logement en été nombre d heures d inconfort correspondant au niveau d ambiance de type IV de la norme EN NF (annexe A). Il prend en compte l adaptation physiologique des usagers à l épisode climatique. Le nombre d heures selon les différentes catégories de confort de la norme EN NF en ambiance non contrôlée et en ambiance contrôlée est également fourni ; 63

64 Illustration 41 Exemple de tableau détaillant le nombre d heures selon les catégories de confort de la norme sur le confort adaptatif EN NF pour un logement en été Illustration 42 Exemple de graphe des températures acceptables selon EN NF pour un logement en été 64 fréquence cumulée des températures, et, pour l été, le nombre d heures supérieures à 27 C ;