VOLUME 2 BRIQUES TECHNOLOGIQUES ET PACKS DE SOLUTIONS

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1 PHÉNIX Évolution CSTB EDF R&D Armines "Outil d aide à la Décision pour des Maisons Individuelles Réhabilitées facteur 4" BRIQUES TECHNOLOGIQUES ET PACKS DE SOLUTIONS

2 AVANT-PROPOS Le présent document est le premier volume du rapport final du projet "ODMIR 4 : Outil d aide à la Décision pour des Maisons Individuelles Réhabilitées facteur 4". Ce document a été rédigé conjointement par : Phénix Evolution (mandataire du projet) : filiale de GEOXIA, Le Centre énergétique et Procédés de l école des Mines de Paris (ARMINES), Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment : Département Développement Durable (coordinateur du projet) et le département Technologie de l Information et Diffusion du Savoir, Electricité de France EDF : Centre de recherche des Renardières, Département Services Energies et Espace de Vie.

3 3/147 INTRODUCTION GENERALE L appel d offre de la fondation se donne comme objectif un renforcement des performances énergétiques centré sur l existant. L enjeu de la maison individuelle, qui représente logements et 57% du parc existant de logements, est important. Parmi les maisons individuelles existantes 81% ont été construites avant la première réglementation thermique et sont donc peu performantes. 65% des maisons individuelles sont des maisons non mitoyennes c'est-à-dire «isolées». C est dire l enjeu du gisement des économies énergétiques potentielles des maisons individuelles isolées. La question énergétique est clairement liée à celle des travaux et des modifications que pourraient connaître ces maisons. Phénix évolution souhaite disposer d un panel d outils facilitant son rôle d améliorateur de logements lui permettant d une part de disposer d un ensemble de solutions techniques cohérentes pour la réhabilitation du parc de maisons individuelles du groupe Géoxia et d autre part d un outil d aide à la décision permettant de convaincre les propriétaires de maison individuelle de l'intérêt d actions de réhabilitation énergétique. Il s'agit ici de valoriser l'intérêt de ces actions en montrant leur impact sur la facture énergétique et ses conséquences environnementales, le confort global et la valorisation du patrimoine mais aussi les temps de retour sur investissement. A lui seul, le parc de Maisons Phénix, représente environ maisons avec clients identifiés, complété par possesseurs de maison traditionnelle. Le marché visé est celui du logement existant pour lequel on souhaite voir se mettre en place des actions de réhabilitation permettant d améliorer les performances énergétiques. Ce parc est dispersé sur tout le territoire national et comprend une large typologie de maisons individuelles : maisons phénix de différentes générations, maisons traditionnelles avec différents modes de construction et de différentes époques. En travaillant en étroite collaboration avec un des leaders du marché de la réhabilitation de maison individuelle et plus particulièrement sur l ensemble du parc de maisons issues des marques du groupe GEOXIA, le consortium cherche à pousser ce marché vers des solutions de réhabilitation innovante à très haute performance énergétique et à provoquer une réaction d'émulation sur le thème d'actions de réhabilitation prenant en compte fortement les aspects énergétiques. L objectif de ce projet de recherche est de définir des axes de réhabilitation permettant d aller dans le sens d une réduction d un facteur 4 des dépenses énergétiques pour les maisons existantes. Il s agit donc de dégager des solutions de réhabilitation

4 4/147 industrialisables pouvant être proposées par l améliorateur aux propriétaires de maisons individuelles dans le cadre de demande d amélioration. L ensemble des travaux réalisés dans le cadre du projet ODMIR4 est synthétisé sous la forme d un rapport final décliné en 5 volumes : VOLUME 1 : Retour d expérience : le parc de maisons Phénix et les acteurs Dans ce volume sont répertoriés les premiers travaux réalisés dans le cadre du projet ODMIR4 visant à mettre en place une typologie du parc de maisons Phénix et à identifier les modes de fonctionnement, les besoins et attentes des différents acteurs que sont l améliorateur de logement Phénix Evolution et les propriétaires de maisons individuelles Phénix. : Briques technologiques et packs de solutions Dans ce volume sont proposés l ensemble des travaux ayant permis la mise en place d une base de données de solutions technologiques et leur évaluation. Ce document restitue de plus la méthodologie élaborée par le consortium pour l assemblage des solutions techniques et la mise en place d une bibliothèque de packs de solutions adaptés, cohérents et industrialisables. Des éléments de spécification pour l industrialisation des packs des solutions sont de plus précisés. VOLUME 3 : Outil ODMIR4 Ce volume décrit l ensemble des éléments du développement informatique de l interface de l outil ODMIR4. Il propose de plus notamment un descriptif du cœur de calcul des performances énergétique embarqué basé sur une méthode calcul 3CL améliorée. Les améliorations apportées à la méthode 3CL sont explicitées dans cette partie. La méthode d évaluation de l outil OMDIR4 ainsi que les résultats de ces évaluations sont de plus proposés. VOLUME 4 : Opération de Réhabilitation de Saint Fargeau Ponthierry Ce document présente l ensemble des actions menées autour de la réhabilitation d une maison Phénix de Saint Fargeau Ponthierry : bouquet de travaux de réhabilitation, performances attendues, les contraintes et difficultés de mise en œuvre rencontrées, les essais réalisés à la livraison et la mise en place d un suivi des consommations. VOLUME 5 : Généralisation Ce document vise à expliciter de quelle manière les résultats issus de ce programme sont extrapolables au parc de maisons individuelles dans sa diversité de modes constructifs.

5 5/147 SOMMAIRE 1. INTRODUCTION Notion et définition de «briques technologiques» de rénovation Notion et définition de «packs de solutions» de rénovation BRIQUES TECHNOLOGIQUES Recensement des briques existantes et des briques innovantes Evaluation des briques Evaluation de la brique «couplage PAC et sources d air tempérées» Potentialité des sources d air tempérées Modèle de PAC air-air Mise en œuvre informatique Applications et premiers résultats Conclusion et perspectives Evaluation des briques «gestions du chauffage» La régulation au sens de la RT Approche sensibilisation sur les régulateurs Approche sensibilisation sur la consigne de température Evaluation de la brique «perméabilité à l air» Les atouts d une bonne perméabilité à l air Méthode d évaluation Quantification des débits d air liés à la perméabilité Impact sur la consommation énergétique Conclusion Evaluation des briques «équipements» Introduction Méthodologie générale Première phase : étude de sensibilité Comparaisons des résultats aux valeurs disponibles Conclusion PACKS DE SOLUTIONS Objectif et méthode de conception des packs Description de la méthode de conception des packs Description pour une maison Description pour une typologie Recherche d objectif Réduction de typologies Description complète Conclusion, retour critique, adaptation et perspectives Philosophie de la méthode Domaine d application et limites CONCLUSION GENERALE...65 Annexe 1 : Exemple de fiche brique de renovation...66 Annexe 2 : Couplage PAC et sources d air temperees...70 Annexe 3 : Modélisation sous SIMBAD et simulation des automatismes...85 Annexe 4 : Le facteur solaire ou coefficient de reduction Annexe 5 : Application de la methode de conception des packs Annexe 6 : Répartition des déperditions par poste, suivant les types de travaux d enveloppe...139

6 6/ INTRODUCTION 1.1 NOTION ET DEFINITION DE «BRIQUES TECHNOLOGIQUES» DE RENOVATION Dans le contexte de l élaboration d une solution ODMIR4 de rénovation/extension d une maison Phénix existante, il est apparu nécessaire d introduire la notion de briques technologiques et d assemblages techniques optimisés répondant à une exigence claire d efficacité énergétique. On intègre dans cette réflexion à la fois les travaux sur les équipements énergétiques (chauffage, production d ECS, ) et les travaux améliorant les caractéristiques du bâti (ventilation, isolation, menuiseries, solaire passif, ), soit toutes les opérations d évolution et d amélioration ayant un impact direct ou indirect sur la consommation d énergie du logement. 1.2 NOTION ET DEFINITION DE «PACKS DE SOLUTIONS» DE RENOVATION La notion de packs de solutions repose sur l idée de considérer la rénovation d une maison de manière globale. Dans le cadre du projet ODMIR4, il s agit justement d éviter une logique de rénovation poste à poste, relevant de la mise en œuvre de briques technologiques poste à poste sans cohérence d ensemble, pour au contraire proposer des packs pertinents et cohérents constitués d un assemblage bien conçu de ces briques technologiques. L enjeu était de concevoir ces packs en cohérence avec des objectifs chiffrés, notamment des objectifs de performances. En effet, la définition de tels packs est généralement plutôt le fruit : Du dire d expert : quelques packs sont définis sur la base du dire d expert, puis on calcule leurs performances pour valider leur pertinence ; Du retour terrain : on travaillera alors avant tout sur les compatibilités ou non de briques technologiques, sur un mode proche du dire d expert ; Des possibilités commerciales : on disposera alors généralement d une gamme de produits limitée pour définir une offre, ce qui reviendra quasiment à prédéterminer les solutions à promouvoir au final. Par ailleurs, l idéal d une définition totalement rationnelle et objective de ces packs, et plus encore la recherche d un pack «optimal», est largement mis à mal par le contexte technico-réglementaire dans lequel s inscrivent ces travaux. Un grand nombre de critères sont à prendre en compte pour juger de la qualité d une rénovation, et il est utopique de les optimiser tous simultanément. A titre d illustration, du fait du mix énergétique français, la minimisation de la consommation d énergie ne permet pas toujours la minimisation des émissions de CO2. Quant à minimiser simultanément consommation et coût d investissement, c est par nature impossible, puisque le coût minimum d investissement, c est celui de l absence de rénovation. Nous nous attacherons dans ce volume 2 à synthétiser les travaux qui ont été effectué pour définir ces packs de rénovation adaptés au cas à traiter, à savoir : Identification des briques de rénovations, Evaluation de leur impact énergétique, Mise au point d une méthode de constitution de packs de rénovation visant à atteindre un objectif de performance adapté au parc de maisons à rénover. 2. BRIQUES TECHNOLOGIQUES 2.1 RECENSEMENT DES BRIQUES EXISTANTES ET DES BRIQUES INNOVANTES Ce travail a été réalisé à partir d un catalogue de technologies disponibles couramment utilisées par Phénix Evolution pour aboutir à des «assemblages d aujourd hui» proches de l offre technique et commerciale actuelle, et d autre part, à partir d un catalogue de technologies émergentes, en développement ou en terme de ruptures attendues pour aboutir aux «assemblages innovants».

7 7/147 Ces solutions techniques ventilées sur sept familles de briques technologiques sont capitalisées dans une base de données Access : Famille A : Isolation des parois vitrées et fermetures, Famille B : Combles : isolation thermique, Famille C : Surélévation : isolation thermique, Famille G-1 à 4 et G-6 : Chauffage électrique et régulation (Gestion des énergies), Famille G-10 : Isolation thermique des parois opaques en rénovation, Famille G-5 et G-12 : Solaire et climatisation. A chaque brique correspond une fiche proforma décrivant ses caractéristiques principales : performance énergétique, compatibilité croisée, avantages et contraintes des solutions (aspects technique, économique, de mise en œuvre). Annexe 1 : Exemple de fiche Brique de rénovation 2.2 EVALUATION DES BRIQUES Avant d établir des packs de rénovations, il convenait d étudier les briques qui en sont la base, et de s intéresser à la manière d optimiser leur performance. Ce travail est largement commenté dans le rapport N 4. En particulier, la possibilité de cou pler une PAC R/R avec des sources d air tempérées pour optimiser sa performance a été étudiée. Les résultats montrent que l influence du couplage sur le comportement de la PAC semble plutôt positive. Mais plusieurs aspects doivent être approfondis. Ces travaux ouvrent des perspectives suivantes : Les résultats sont à affiner notamment en ce qui concerne la modélisation des auxiliaires supplémentaires et la régulation du renouvellement d air dans les zones tempérées. Une étude de sensibilité doit être menée sur les paramètres du modèle, le dimensionnement de la PAC, et le climat. Le couplage avec un puits canadien est à approfondir ainsi que le couplage avec un capteur à air. Par ailleurs, l impact de la gestion du chauffage tant sur les aspects régulation que programmation a été étudié. L option retenue est de sensibiliser le client Phénix Evolution sur cet impact, sachant que sa prise en compte est implicite dans les rendements globaux d installation qui ont été établis et intégrés au cœur de calcul de l outil ODMIR4. En effet, les équipements de chauffage et de production d ECS ont été modélisés afin de déterminer les nouveaux rendements d installations qui ont été implémentés dans l outil ODMIR4. En ce sens, les briques «équipements» ont été évaluées et leur influence sur les performances énergétiques après rénovations démontrées. Les travaux sur l évaluation des rendements des équipements de chauffage et de production d ECS pour l évolution de la méthode 3CL sont présentés au chapitre suivant Evaluation des briques «équipements». L influence de la perméabilité à l air des maisons sur la performance énergétique a été mise en évidence. Les résultats ont montré qu il était essentiel dans une maison individuelle équipée d un système de ventilation mécanique, de travailler à améliorer l étanchéité à l air du bâti pour diminuer la part des débits d infiltrations, source de déperditions énergétiques notables. Les éléments à considérer pour la mise en œuvre de l amélioration de la perméabilité sont en particulier l amélioration de l étanchéité des équipements électriques (prises, interrupteurs tableau électrique ), des coffres de volets roulants, des trappes d accès aux combles, des portes d entrée par remplacement des joints ou colmatage. 2.3 EVALUATION DE LA BRIQUE «COUPLAGE PAC ET SOURCES D AIR TEMPEREES» Dans des opérations de réhabilitation où il est difficile d utiliser l eau ou le sol somme sources froides, les pompes à chaleur (PAC) air-air apparaissent parmi les systèmes de production de chauffage les plus performants et offrant la plus grande marge d économie d énergie par rapport à d autres systèmes (notamment les convecteurs électriques). Elles ne nécessitent pas d aménagements intérieurs et

8 8/147 extérieurs trop contraignants, (contrairement aux PAC géothermiques et aux systèmes à distribution à eau), et restent parmi les plus abordables du marché dans cette catégories de système de production de chaleur. Cependant, ces PAC fonctionnent à des rendements (coefficient de performance : COP) relativement faibles pour les températures extérieures basses. Leurs performances décroissent pendant les périodes les plus froides, là où les besoins de chauffage sont les plus importants : ceci étant essentiellement dû aux cycles de dégivrage nécessaires pour supprimer la formation de givre au niveau de l échangeur extérieur, et au déclenchement de résistances électriques d appoint intégrées au système pour satisfaire les besoins de chauffage les plus importants. D où l idée d évaluer l intérêt du couplage d une PAC air-air avec des sources d air tempérées intégrées au bâtiment. En effet, différents composants d une maison, se comportent comme des capteurs solaires passifs ou des zones tampons : une véranda, un comble perdu, et d une certaine façon un vide sanitaire ou encore un puits canadien. L air de sortie d un échangeur double flux peut également servir à préchauffer l air de la source froide de la PAC. Le potentiel énergétique de différents composants pouvant servir de sources froides a été évalué à l aide du logiciel de simulation Comfie+Pléiades. Un modèle de pompe à chaleur y a été implémenté. Ce modèle calcule les consommations horaires d énergie en fonction de la température des sources chaudes et froides de la PAC, des besoins de chauffage de la maison, ainsi que des données constructeurs à pleine charge. Il comprend un modèle polynomial de puissance calorifique et un modèle polynomial de COP à pleine charge, un modèle empirique de dégradation des performances due au dégivrage de l échangeur extérieur. Un modèle additionnel permet de simuler l effet du fonctionnement à charge partielle, augmentant ainsi les performances de la PAC dans le cas d un compresseur de type Inverter. Enfin différentes variantes ont été testées permettant d aboutir à une première comparaison entre les performances saisonnières d une PAC couplée avec des sources d air tempérées et celles d une PAC installée de façon conventionnelle POTENTIALITE DES SOURCES D AIR TEMPEREES La potentialité des sources d air tempérées a été évaluée et comparée à l ambiance extérieure pour la semaine la plus froide au climat de Trappes. Les courbes correspondantes sont présentées en 6.4 Evolution des températures. On y aperçoit très clairement l influence du renouvellement d air sur la température de ces sources d air tempérées ainsi que l influence du rayonnement solaire (surtout au niveau des combles et des vérandas). En effet, plus le taux de renouvellement d air est grand, plus la température de la source s abaisse et plus les déperditions du logement augmentent. Une autre façon d évaluer la potentialité d une source d air tempérée est de comparer l occurrence des températures des sources d air tempérées pendant le fonctionnement de la PAC avec celle des températures extérieures.

9 9/ Tair_ext TVide sanitaire (Nombres d'heure) TComble 1 TComble 2 TsortieGAHE Tmelange (Température en C) Figure 1 : Occurrence des températures au cours d une saison de chauffe dans la région de Trappes Chacune des courbes d occurrence présentées ci-dessus correspond aux occurrences de températures des zones tempérées dont les caractéristiques constructives sont décrites au paragraphe «Application et premiers résultats». La courbe marron étant le résultat du mélange de toute les sources d air tempérées afin d alimenter l échangeur de l unité extérieure. Une dernière façon d illustrer la potentialité d une source froide est de proposer un indicateur qui pourrait s apparenter aux degrés heures. L indicateur correspond à l occurrence des écarts de température entre la source et l ambiance extérieure. La courbe ci-dessous présente l évolution de l occurrence des écarts de température pour les zones tempérées dont on souhaite tirer partie. Mais la potentialité d une source ne peut être évaluée uniquement en termes d occurrence comme sur les courbes présentées dans ce paragraphe. En effet, juger et trancher sur la potentialité d une source à être une source froide acceptable ou non est plus difficile que cela. L étude et l évaluation de la potentialité passe par les questionnements suivants : Quel est l impact de l élévation d un degré Celsius de la température de la source froide de la pompe à chaleur sur sa consommation? Un écart de x degrés Celsius à 5 C, a-t-il le même impact sur la consommation que l augmentation de x degrés à +6 C? Mais il n y a pas de réponse unique à ce type de questionnement. En effet, les performances d une PAC dépendent de la température de ses sources chaudes et froides, mais également des besoins de chauffage à satisfaire. Il y a une interaction directe entre le comportement du bâtiment et la charge de la PAC.

10 10/147 (Nombres d'heure) TVide sanitaire TComble 1 TComble 2 TsortieGAHE (Ecart de température (Tsource-Text) en C) Figure 2 : Occurrence des écarts de températures entre les sources et l ambiance extérieure au cours d une saison de chauffe dans la région de Trappes Les réponses aux questions précédentes ne peuvent être éclaircies que par simulation à l aide d un système global, intégrant à la fois le comportement du bâtiment soumis aux sollicitations extérieures et le comportement de la PAC MODELE DE PAC AIR-AIR Le choix du modèle intégré à Pléiades+Comfie a fait l objet d une étude bibliographique et phénoménologique antérieure aboutissant au choix du modèle le plus adapté au cahier des charges fixés (voir 6.1 Cahier des charges et contraintes). L étude bibliographique fait ressortir deux grandes familles de modèles. D un coté, les modèles physiques basés sur une description détaillée des phénomènes physiques prenant place au sein de chaque composant du système (compresseur, échangeur, détendeur), de l autre, les modèles empiriques basés sur une observation du comportement global du système 6.2 Modèle empirique de PAC). Compte tenu du cahier des charges que nous nous étions fixés lors des travaux précédents et des contraintes notamment en termes de disponibilité de données caractérisant les pompes à chaleur, l emploi d un modèle physique s est avéré très difficile, voire dans notre cas impossible (cependant l utilisation et l étude d un modèle détaillé ne sont pas totalement exclues, dans le cas où les données nécessaires pour un paramétrage seraient à notre disposition). C est pourquoi nous avons choisi de nous orienter vers les modèles empiriques, nécessitant beaucoup moins de données pour leur paramétrage, et se suffisant des données constructeurs. Le modèle choisi [ROUJ2003] 1 caractérise le système de pompe à chaleur dans son ensemble par ses températures de sources chaudes et froides et permet ainsi d obtenir la puissance appelée par la pompe à chaleur intégrant la puissance du compresseur, des ventilateurs et des éléments de veille, ainsi que la puissance calorifique fournie par la pompe à chaleur au bâtiment. Le modèle polynomial est basé sur deux équations de modélisation polynomiales adimensionnelles établies à partir de l expression de coefficient de performance théorique et d une régression à partir des données constructeur par la méthode des moindres carrés. 1 Les références sont disponibles en 6.5 Bibliographie.

11 11/ Entrées/sorties du modèle La Figure 3 rappelle de façon synthétique les entrées et sorties de ce modèle. Figure 3 : Entrées/sorties du modèle de PAC Modèle de COP à pleine charge La puissance absorbée intégrant la puissance du compresseur, des ventilateurs et des éléments de veille, est calculée par un polynôme de deuxième degré en fonction de la température de l air à l entrée de l évaporateur (unité extérieure) et de la température d entrée de l air au condenseur (unité intérieure) et également du rapport des puissances absorbées et de la puissance calorifique à pleine charge dans les conditions nominales. Pabs_pc abs = ( ).1 ( B 1. T B 2. T2) Pcalo_pc P P + + ext ext T= ( T ) ( T calo nom Où Tint Tint )nom Modèle de puissance calorifique à pleine charge La puissance calorifique à pleine charge dans les conditions non nominales est modélisée d une manière similaire. Pcalo_pc = 1+ A 1.T ( int Tint_nom ) + A 2.T ( ext Text_nom ) Pcalo_nom Modèle de dégradation de la puissance calorifique due au dégivrage Afin de prendre en compte la dégradation de la puissance calorifique fournie par la pompe à chaleur compte tenu du givrage de l échangeur extérieur (évaporateur) et des cycles nécessitant son dégivrage, le modèle simplifié suivant est choisi : Si Text > 7 C alors P calo= Pcalo_pc P calo= calo_pc Si Text < 7 C alors La valeur du coefficient de dégradation C d provient d essais [SCHI2000] 2 évaluant la dégradation moyenne au cours d un cycle de fonctionnement intégrant à la fois le fonctionnement normal de pompe à chaleur et les cycles de dégivrage. La valeur par défaut est 90%. P Modèle de dégradation des performances à charge partielle Le modèle de dégradation des performances à charge partielle permet de prendre en compte l évolution des performances lorsque la pompe à chaleur ne fonctionne pas à pleine charge et utilise la variation de fréquence (Inverter). Traditionnellement, on définit un coefficient de charge partielle pour les systèmes régulant la puissance par un fonctionnement marche arrêt par la formule suivante: reel C = COP = τ +α τ CP COPnom. C d 2 La bibliographie est disponible en 6.5 Bibliographie.

12 12/147 τ est défini comme étant le taux de charge partielle : rapport entre les besoins de chauffage du bâtiment et la puissance calorifique capable d être fournie par la pompe à chaleur. τ= P Bch calo α est la part de puissance des éléments de veille par rapport à la puissance totale de la pompe à chaleur. α= P Pveille abs_nom Dans le cas, d une pompe à chaleur équipée d un Inverter (variateur de vitesse au compresseur), les performances du système s améliorent pour des taux de charge compris entre 40% et 100%. L évolution du coefficient de charge partielle en fonction du taux de charge est donnée à la figure suivante. Cette courbe a été établie à partir de données communiquées par des fabricants de pompes à chaleur japonais [RIVI2007] dans le cadre du projet européen Eco-Design. Ainsi la technologie Inverter, permet d augmenter les performances de la pompe à chaleur lors de son fonctionnement à charge partielle jusqu à un taux de charge partielle de 40%. Pour un taux de charge partielle inférieur à cette valeur, la pompe à chaleur fonctionne en mode marche arrêt et ne permet plus de bénéficier de la technologie Inverter. Ce modèle peut se décomposer en deux parties : l une caractérisant les performances de la pompe à chaleur grâce à l Inverter (40%<τ<100%) de façon linéaire, et l autre caractérisant les performances pour un fonctionnement marche arrêt (τ<40%) CCP= COP/COPnom Taux de charge Figure 4 : Coefficient de charge partielle en fonction du taux de charge MISE EN ŒUVRE INFORMATIQUE L algorithme de calcul est présenté en 6.6 Algorithme de calcul APPLICATIONS ET PREMIERS RESULTATS Nous avons souhaité tester le couplage d une PAC air-air avec plusieurs sources d air tempérées environnant sur une maison type du parc des maisons Phénix (vide sanitaire, combles perdus, sortie de la ventilation double flux, véranda). Afin d écarter toute éventualité d échange de chaleur entre les sources d air tempérées et la zone de vie (c est-à-dire d une rétroaction positive venant favoriser la température des sources par simple transfert de chaleur entre la partie chauffée et les sources), une isolation conséquente a été envisagée. La maison dispose d une surface habitable de 135 m², située en région parisienne, les simulations ayant été faites pour le climat de Trappes. Elle est composée d un volume chauffé de 372 m² comprenant un séjour, une salle à manger, une cuisine, quatre chambres, 2 salles de bains. La terrasse (dont certaines variantes est équipée d une véranda) est orientée au sud. Un schéma de la maison est donné ci-dessous.

13 13/147 Figure 5 : Schéma de la maison et du couplage avec les sources d air tempérées Le volume et le renouvellement d air des espaces jouant le rôle de sources froides sont : Pour le vide sanitaire : 44 m 3 et renouvellement d air (RA) = 1 volume /heure Pour le comble 1 : 19 m 3 et RA = 1 volume/heure Pour le comble 2 : 46 m 3 et RA = 1 volume/heure Pour la sortie de la double flux, on dispose d un espace chauffé de 372 m 3 et RA=0,6 volume/heure Pour la véranda : 49 m 3 et RA = 0,1 volume/heure. La PAC testée est d une puissance de 8 kw chaud équipée de la technologie Inverter permettant d adapter au mieux la puissance calorifique délivrée par la machine et les besoins de chauffage. Les données constructeur de la PAC sont données en 6.7 Données constructeurs. Le tableau ci-dessous présente les premiers résultats du couplage d une PAC air-air avec un vide sanitaire, puis des combles, puis une véranda, et enfin le couplage avec les trois en même temps. Variantes Besoins de chauffage (kwh) Conso PAC (kwh) Conso PAC + Appoint (kwh) Conso PAC + Appoint + aux (kwh) COP PAC COP PAC + Appoint COP PAC + appoint + aux Maison avec véranda. Fonctionnement normal (unité extérieur à l'extérieur) 5861 % 1914 % 1914 % 1914 % 3,05 % 3,05 % 3,05 % Couplage avec vide sanitaire , , ,7 3,13 2,62 3,13 2,62 3,1 1,64 Couplage VS + Combles , , ,4 3,15 3,28 3,15 3,28 3,09 1,31 Couplage VS + Combles + DF ,5 14,8 3,5 14,8 3,43 12,5 Couplage VS + Combles + DF + véranda ,52 15,4 3,52 15,4 3,43 12,5 Couplage unique avec puits canadien ,33 3,73 22,3 3,73 22,3 2,9-4,9 Tableau 1 : Consommations et COP d une PAC pour différentes variantes de couplage avec des sources d air tempérées Les premiers résultats montrent clairement une diminution des consommations saisonnières de la PAC lors du couplage avec les différentes sources. Un gain de 11% sur les consommations est noté pour le couplage avec les trois sources en même et une augmentation du COP de 12% est constatée. L ensemble de ces résultats prennent en compte la consommation des ventilateurs supplémentaires qui acheminent l air des sources vers l échangeur de la PAC. Pour l instant un simple ratio (0.25 W/(m 3.h)) modélise l influence de ces ventilateurs dans la consommation globale du système couplé. Le travail demande encore à être approfondi et aucune conclusion définitive ne peut être donnée sur l évaluation de l intérêt du couplage d une PAC air-air avec un vide sanitaire, des combles et une véranda CONCLUSION ET PERSPECTIVES Comme le montre le tableau ci-dessus, la tendance de l influence du couplage sur le comportement de la PAC semble plutôt positive. Mais plusieurs aspects doivent être approfondis avant de pouvoir se

14 14/147 prononcer sur l efficacité ou non de ce type de couplage, notamment sur la modélisation des ventilateurs supplémentaires. Pour l instant, les débits de renouvellement d air dans les zones tempérées sont constants tout au long de la simulation. Mais une augmentation de ces renouvellements lorsque les températures sont favorables pourrait permettre d exploiter au mieux ces sources. -Perspectives : Les résultats sont à affiner notamment en ce qui concerne la modélisation des auxiliaires supplémentaires et la régulation du renouvellement d air dans les zones tempérées. Une étude de sensibilité doit être menée sur les paramètres du modèle, le dimensionnement de la PAC, et le climat. Le couplage avec un puits canadien est à approfondir ainsi que le couplage avec un capteur à air.

15 15/ EVALUATION DES BRIQUES «GESTIONS DU CHAUFFAGE» La régulation terminale régule les systèmes d émission de chauffage et de refroidissement (radiateurs, ventilo-convecteur, etc.). Dans le bâtiment les différents systèmes d émission de chaleur ou de froid, possèdent un régulateur qui leurs est associé. Ce régulateur appelé régulateur terminal sert à assurer dans les locaux, la température de consigne de manière constante dans le temps. L étude qui suit porte sur la régulation du chauffage et le rôle central des régulateurs. Les résultats découlent de simulations dynamiques sur le logiciel SIMBAD, avec les hypothèse de modélisation décrites à l ANNEXE 3 : Modélisation sous SIMBAD et simulations des automatismes LA REGULATION AU SENS DE LA RT2005 La précision de la régulation terminale détermine la variation temporelle de la température de consigne. La surconsommation d énergie qui en découle est modélisée dans la RT2005 par une augmentation de la température de consigne par rapport à la température de consigne conventionnelle. On modélise trois cas de régulateur : un premier cas où la température de consigne est parfaitement respectée (cas idéal) ; un second cas où on a un régulateur assez bon (+0,5 C par rapport à la consigne) ; un troisième cas avec un mauvais régulateur (+2 C par rapport à la consigne) APPROCHE SENSIBILISATION SUR LES REGULATEURS On représente, sur le graphique suivant, les besoins de chauffage pour les trois cas précédents. Les simulations sont réalisées avec le scénario d intermittence n Trappes 250 Nice 200 Besoins chauffage (kwhef/m².an) Régulation idéale Bonne régulation Régulation mauvaise (+0 C) (+0,5 C) (+2 C) Figure 6 : Besoins en chauffage pour la maison 1 Les résultats comparent les consommations des maisons pour deux régulateurs : un bon (+0,5 C sur la consigne) et un mauvais (+2 C sur la consigne). Les écarts entre les deux permettront de sensibiliser les propriétaires sur l avantage d un bon régulateur et de compléter les fiches de présentation.

16 16/147 Ci-dessous, on présente les gains sur les besoins de chauffage en passant d un mauvais à un bon régulateur (régulateur certifié). Type de maison Situation géographique Gain sur les besoins de chauffage Trappes 14,0% Maison1 Nice 18.2% Trappes 15.3 % Maison3 Nice 21.7% Tableau 2 : Gains réalisés sur les besoins de chauffage en changeant de régulateur Le choix d un régulateur performant génère des économies sur le chauffage (et donc sur la facture) allant de 14 à 22%, selon le type de maison. L intérêt ici n est pas de modifier le cœur de calcul et donc de jouer sur l étiquette énergie, mais de sensibiliser les gens sur la qualité du matériel utilisé. Cela d autant plus que les propriétaires ne connaissent généralement pas le type de régulateur qu ils possèdent. L approche consiste donc à montrer aux propriétaires de maisons Phénix qu un bon régulateur assure des gains sensibles sur les consommations de chauffage APPROCHE SENSIBILISATION SUR LA CONSIGNE DE TEMPERATURE D un autre point de vue, les résultats précédents peuvent être interprétés en considérant la température de consigne effective et non plus en illustrant le type de régulation. Si l on trace en effet les pertes sur les besoins de chauffage par rapport à une régulation idéale à 19 C : Pertes sur les besoins de chauffage par rapport à une régulation parfaite à Trappes Pertes sur les besoins de chauffage par rapport à une régulation parfaite à Nice 30,0% 25,0% 20,0% Maison1 Maison3 Trappes 23,0% 25,4% 45,0% 40,0% 35,0% 30,0% Maison1 Maison3 Nice 31,7% 39,9% Pertes 15,0% 10,0% 5,0% 5,7% 6,2% Pertes 25,0% 20,0% 15,0% 10,0% 5,0% 7,8% 9,6% 0,0% Régul 0,5 Régul2 0,0% Régul 0,5 Régul2 Figure 7 : Pertes sur les besoins de chauffage par rapport à une régulation parfaite, à Trappes et à Nice. On constate que le choix d une programmation à 19,5 C au lieu de 19 C engendre une augmentation des besoins de chauffage d environ 7% et qu une programmation à 21 C au lieu de 19 C est responsable d une augmentation des besoins de 20% à presque 40% suivant le climat. On remarque également que, dans cette gamme de température, les besoins sont une fonction linéaire de la régulation, c'est-à-dire linéaire par rapport à l augmentation de température de consigne de chauffage.

17 17/ Besoins en chauffage Besoins chauffage (kwhef/m².an) Sans régulation Régulation moyenne Trappes Régulation mauvaise 0 Nice -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Augmentation de la température de consigne due au régulateur Figure 8 : Besoins de chauffage en fonction de l augmentation de température de consigne par rapport à 19 C, pour la maison3 On peut donc interpoler les besoins de chauffage en fonction de la température. Ces informations constituent des éléments de sensibilisation importants qui seront capitalisés et restitués au travers de fiches descriptives dans l outil d aide à la décision : On informe les utilisateurs de l impact sur les besoins énergétiques d une augmentation de la température de consigne. Pour 2 C de plus dans la m aison, on augmente de 20% les besoins en chauffage. Température intérieure Augmentation des besoins de chauffage à Trappes Nb de kwhef/an consommés en plus pour 75m² (maison1) Nb de kwhef/an consommés en plus pour 75m² (maison3) 19.0 C 0% C 6% C 12%* 1940* 800* 20.5 C 18%* 2900* 1200* 21.0 C 24% *interpolation des données Tableau 3 : Gains réalisés sur les besoins de chauffage suivant la consigne de température Pour avoir un ordre de grandeur, par exemple, programmer 21 C comme température de consigne de chauffage (comparé au 19 C réglementaire) dans sa m aison génère un surcoût d environ 230 euros 3 sur l année pour une maison de type 1 ou de 100 euros pour le type 3. 3 En prenant 1 kwhef = 0.06 pour l électricité.

18 18/ EVALUATION DE LA BRIQUE «PERMEABILITE A L AIR» L étude réalisée vise à apporter des éléments sur la modélisation des briques technologiques propres à la ventilation. Est abordée en particulier la problématique de prise en compte des débits d air liés à la perméabilité. L objectif de cette étude est de donner un référentiel de valeur des débits d infiltrations dans une maison individuelle et d évaluer l impact sur la facture énergétique de travaux d amélioration de la perméabilité LES ATOUTS D UNE BONNE PERMEABILITE A L AIR Le renouvellement d air dans une maison est primordial. Il permet de pourvoir à nos besoins en oxygène, d évacuer les odeurs et les polluants ou bien encore d éliminer l excès d humidité. Le renouvèlement d air dans un bâtiment est composé : du renouvèlement d air «spécifique» assuré par un système de ventilation et nécessaire aux différents besoins des occupants du logement et à la conservation du bâti. du renouvèlement d air «supplémentaire» dû à la perméabilité des ouvrants et aux défauts d étanchéité de l enveloppe. Ce renouvèlement d air «non maîtrisé» lié à la perméabilité du bâtiment engendre potentiellement : un gaspillage de l énergie par la génération de déperditions supplémentaires durant la période de chauffe. une altération de la qualité d air par chargement en polluants (fibres, poussières, moisissures, composés organiques volatils ) lors du passage au travers des parois de l enveloppe du bâtiment. une altération du confort à la fois acoustique (bruits extérieurs) et thermique (courant d air, paroi froide ) des désordres au niveau du bâti. Durant la période de chauffe, l air exfiltré (de l intérieur vers l extérieur du bâtiment) se refroidit dans l isolant et potentiellement condense, diminuant ainsi les performances de l isolant et favorisant l apparition de corrosion et de moisissures. Source : document CETE de Lyon 4 Procurer aux occupants un air de qualité et en quantité suffisante sans excès suppose par conséquent de limiter le débit d air supplémentaire parasite et donc de travailler à assurer une bonne perméabilité à l air du bâtiment. 4 Extrait de «Perméabilité à l air de l enveloppe des bâtiments Généralités et sensibilisation» octobre 2006 CETE de Lyon

19 19/ METHODE D EVALUATION Comme précisé précédemment, le débit d air lié à la perméabilité est notamment source de déperditions énergétiques durant la période de chauffe. Ce paragraphe propose par conséquent l utilisation d une méthode adaptée pour l évaluation des débits d infiltration dans un bâtiment Méthode générale Les calculs des débits d infiltration ont été réalisés selon la méthode utilisée dans les réglementations thermiques RT2005 et RT existant. Cette méthode, inspirée de la norme européenne EN15242, est basée sur un calcul itératif permettant l évaluation à chaque pas de temps de la pression à l intérieur du bâtiment Pib par résolution du bilan massique faisant intervenir l ensemble des débit mis en jeux illustrés sur la Figure 9, à savoir : le débit massique repris par le système de ventilation mécanique : Qm_rep (en kg/s), le débit massique soufflé par le système de ventilation mécanique (ventilation mécanique double flux) : Qm_sou (en kg/s), le débit massique traversant lié à la perméabilité du bâtiment : Qm_def (en kg/s), le débit massique traversant les entrées d air : Qm_ea (en kg/s), le débit massique du aux conduits à tirage naturel : Qm_cond (en kg/s). Pib correspond par conséquent à la valeur vérifiant la conservation de la masse, i.e. l équation suivante : Qm_def (Pib) + Qm_ea (Pib) + Qm_sou + Qm_rep + Qm_cond = 0 DEBIT DU AUX CONDUITS A TIRAGE NATUREL DEBIT EXTRAIT VENTILATION MECANIQUE DEBIT SOUFFLE DEBIT LIE A LA PERMEABILITE DEBIT TRAVERSANT LES ENTREES D AIR Figure 9 : Schématisation des débits d air entrants et sortants dans une maison individuelle Cette méthode implicite permet l évaluation à chaque pas de temps des débits traversant les entrées d air et liés à la perméabilité et ceci notamment en fonction des conditions climatiques extérieures. Ces derniers peuvent être positifs (entrants) ou négatifs (sortants) selon la différence de pression entre l intérieur et l extérieur du bâtiment. Les paragraphes suivants donnent des informations complémentaires sur la caractérisation de ces débits massiques Evaluation de la Pression extérieure La pression extérieure au niveau du bâtiment est calculée à chaque pas de temps. Elle est fonction de la différence de température entre l intérieur et l extérieur et de la vitesse du vent Caractérisation de la perméabilité de l enveloppe Le débit Qm_def traversant un défaut d étanchéité s exprime selon une loi en puissance 2/3 de la différence de pression entre l intérieur et l extérieur du bâtiment. Cette valeur par défaut de 2/3 pour

20 20/147 l exposant est intermédiaire entre celles caractérisant un écoulement laminaire et turbulent (respectivement 1 et ½.). Qm_def est de plus proportionnel à la perméabilité sous 4 Pa Qv4Pa déterminée de la manière suivante : Qv4Pa = Qv4Pa conv/m² A TBAT Avec : A TBAT : surface des parois déperditives (m²) dont les planchers bas sont exclus. Qv4Pa conv/m² : valeur conventionnelle de la perméabilité sous 4Pa (m3/h sous 4 Pa) par unité de surface déperditive dont les planchers bas sont exclus Le Tableau 4 restitue les valeurs conventionnelles données par la Règlementation Thermique sur l existant de la perméabilité à l air sous 4Pa dans le secteur résidentiel. Cet indicateur ramène le débit de fuite à une dimension caractéristique du bâtiment et permet donc de comparer les constructions entre elles. Qv4Pa conv/m Fenêtres sans joints ET cheminée sans trappe de fermeture Fenêtres sans joints OU cheminée sans trappe de fermeture Autres cas (en m3/h/m² sous 4 Pa) Tableau 4 : Valeurs conventionnelles de la perméabilité à l air sous 4Pa - secteur résidentiel Caractérisation des entrées d air Le débit Qm_ea traversant les entrées d air s exprime selon une loi en puissance 1/2 de la différence de pression entre l intérieur et l extérieur du bâtiment (si inférieure à 20Pa). Il est de plus proportionnel à la somme des modules des entrées d air Smea, i.e. le débit en m 3 /h pour une différence de pression de 20Pa. Smea s exprime de la manière suivante : Smea = Smea conv A Avec : A : surface utile en m² Smea conv : valeur conventionnelle de la somme des modules d entrée d air exprimée en m 3 /h/m² de surface utile sous 20 Pa.

21 21/147 Le Tableau 5 restitue les valeurs conventionnelles données par la Règlementation Thermique sur l existant des valeurs conventionnelles de la somme des modules d entrée d air. Smeaconv m3/h/m² Ventilation par ouverture de fenêtres 0 Systèmes de ventilation par entrées d air hautes et basses 4 Ventilation mécanique autoréglable «avant 1982» 2 Ventilation mécanique autoréglable «après 1982» 2 Ventilation mécanique à extraction hygroréglable 2 Ventilation mécanique gaz hygroréglable 2 Ventilation mécanique à extraction et entrées d air hygroréglable 1.5 Ventilation mécanique double flux avec échangeur 0 Ventilation mécanique double flux sans échangeur 0 Ventilation par conduit 4 Ventilation hybride 3 Extracteur mécanique sur conduit non modifié de ventilation naturelle existante 4 Tableau 5 : Valeurs conventionnelles de la somme des modules d entrée d air Calcul des débits repris et soufflés Le calcul du débit spécifique du bâtiment s effectue à partir du débit d air à reprendre (débit repris) ou à fournir (débit soufflé) dans les locaux. Le débit et repris et soufflés se calculent respectivement de la manière suivante : Qva_sou = Crdb conv Cdep conv Cfres conv Qva_sou spec/m²_conv A Qva_rep = Crdb conv Cdep conv Cfres conv Qva_rep spec/m²_conv A Avec : Crdb conv : valeur conventionnelle du coefficient de régulation des débits Ce coefficient de régulation est un facteur multiplicatif destiné à prendre en compte les systèmes de gestion du débit (dispositif de détection d utilisation du local, dispositif de comptage d occupation ou encore sondes CO 2 ). Cdep conv : valeur conventionnelle du coefficient de dépassement Le coefficient de dépassement est un facteur multiplicatif visant à prendre en compte les contraintes de dimensionnement des installations de ventilation. Cfres conv : valeur conventionnelle du coefficient de fuite des réseaux Le coefficient de fuite est également un facteur multiplicatif fonction de la classe de fuite du réseau. La classe de fuite est déterminée selon le type de réseau (basse pression ou autres cas) et selon la classe d étanchéité (définie par une norme). Qva_sou spec/m²_conv : valeur conventionnelle du débit spécifique moyen soufflé par unité de surface habitable exprimé en m 3 /h/m². Qva_rep spec/m²_conv : valeur conventionnelle du débit spécifique moyen repris par unité de surface habitable exprimé en m 3 /h/m². A : surface habitable desservie par le système de ventilation.

22 22/147 L ensemble des valeurs conventionnelles disponibles dans la RT existant sont répertoriées dans le Tableau 6. Qva_rep Qva_sou Crdb conv Cdep conv Cfres conv spec/m²_conv spec/m²_conv Ventilation par ouverture de fenêtres Systèmes de ventilation par entrées d air hautes et basses Ventilation mécanique autoréglable «avant 1982» Ventilation mécanique autoréglable «après 1982» Ventilation mécanique à extraction hygroréglable Ventilation mécanique gaz hygroréglable Ventilation mécanique à extraction et entrées d air hygroréglable Ventilation mécanique double flux avec échangeur Ventilation mécanique double flux sans échangeur Ventilation par conduit Ventilation hybride Extracteur mécanique sur conduit non modifié de ventilation naturelle existante Tableau 6 : Valeurs conventionnelles pour le calcul des débits repris et soufflés NB : dans le secteur résidentiel, les débits d air spécifiques sont permanents, i.e. il n y a pas de période d inoccupation pour les débits soufflés et repris QUANTIFICATION DES DEBITS D AIR LIES A LA PERMEABILITE Paramètres Comme il a été montré précédemment, le débit d infiltration résulte d un bilan complexe et dépend principalement des paramètres suivants : la différence de température entre l intérieur et l extérieur du bâtiment : calcul de la pression extérieure, la vitesse du vent : calcul de la pression extérieure, le système de ventilation : détermination des débits repris et soufflé et somme des modules d entrée d air sous 20 Pa, les surfaces habitables et déperditives, La perméabilité sous 4 Pa : caractérisation du débit d infiltration. Les températures et les taux d humidité extérieurs et intérieurs, sont de plus impactant dans la détermination des masses volumiques de l air intérieure et extérieure. Des calculs ont été réalisés selon la méthode décrite afin de peser l impact des différents paramètres sur le débit d infiltration. Le champ d investigation concerne les maisons individuelles du parc Phénix Gamme de travail La différence de température entre l intérieur et l extérieur et la vitesse du vent

23 23/147 La RT existant utilise un découpage de la France en 8 zones climatiques. Dans le Tableau 7 sont proposées la valeur annuelle moyenne des températures extérieures et vitesse du vent. METEO Température extérieure annuelle moyenne ( C) Vitesse du vent (m/s) Zone H1a - TRAPPES Zone H1b - NANCY Zone H1c - MACON Zone H2a - RENNES Zone H2b - LA ROCHELLE Zone H2c - AGEN Zone H2d - CARPENTRAS Zone H3 - NICE Tableau 7 : Température extérieure et vitesse du vent annuelle moyenne RT existant Afin d évaluer au premier ordre de manière décoléré les impacts de la différence de température et de la vitesse du vent, les météos suivantes seront retenues : Impact de la différence de température extérieure : o o Rennes : Température extérieure C (vent : 3.54 m/s) Nice : Température extérieure C vent : 3.47 m/s) Impact de la vitesse du vent : o o Agen: Vitesse du vent 2.55 m/s (température extérieure: C) La Rochelle : Vitesse du vent 3.97 m/s (température extérieure: C) Les surfaces habitables et déperditives La maison de référence retenue est la maison rectangulaire identifiée comme représentative dans le cadre du projet ODMIR4. Le calcul de la surface déperditive peut alors être raisonnablement exprimé en fonction de la surface habitable de la manière suivante : A TBAT = A + 10 A 0.5 Concernant le parc de maisons individuelles Phénix, les surfaces habitables sont principalement comprises entre 60 m² et 150 m² Le système de ventilation O se propose de considérer trois systèmes de ventilation distincts : Ventilation naturelle par ouverture de fenêtres Ventilation mécanique autoréglable «après» 1982 Ventilation double flux avec échangeur La perméabilité sous 4 Pa : caractérisation du débit d infiltration Le Tableau 4 donne les valeurs conventionnelles données par la RT existant de la perméabilité à l air sous 4Pa dans le secteur résidentiel. Ces valeurs s échelonnent de 2.5 à 1.7. Concernant les bâtiments neufs, on retiendra les valeurs suivantes pour le logement individuel : RT 2005 : valeur par défaut 1.3 m 3 /h.m² RT 2005 : valeur de référence 0.8 m 3 /h.m² Label «BBC-Effinergie» pour les bâtiments neufs : objectif de perméabilité inférieur ou égal à 0.6 m 3 /h.m² en maison individuelle. Label «Passivhaus» 0.16 m 3 /h.m² (si Volume chauffée/ A TBAT = 1.4m)

24 24/147 L ensemble de ces valeurs sont restituées sur la Erreur! Source du renvoi introuvable. sur laquelle est proposée l échelle d appréciation des valeurs de perméabilité à l air élaborée par le CETE de LYON 5. BBC-Effinergie Bâtiments neufs Valeurs conventionnelles RT existant 2.5 Figure 10 : Echelle d appréciation du CETE de Lyon Résultats Les calculs réalisés ont pour vocation de mesurer la sensibilité du débit d infiltration aux différents paramètres. Il a été choisi de travailler pour une surface habitable de 75m² correspondant à la surface moyenne des maisons individuelles Phénix. Les valeurs conventionnelles correspondantes sont répertoriées dans le Tableau 8 et le Tableau 9. Toutes les moyennes des débits d infiltration présentées ont été réalisées sur la période de chauffe. Qva_rep (m3/h) Qva_sou(m3/h) Smea (m3/h) Ventilation naturelle Ventilation Simple Flux Ventilation Double Flux Tableau 8 : Valeurs conventionnelles (1) - MI surface habitable de 75 m² Qv4Pa conv/m² Qv4Pa (m 3 /h) Tableau 9 : Valeurs conventionnelles (2) - MI surface habitable de 75 m² Résultats pour les ventilations Simple et Double Flux Impact de la vitesse du vent Sur les figures suivantes sont proposés des graphes représentant pour des ventilations simple et double flux le ratio entre le débit volumique d infiltration qv_inf et le débit volumique repris au niveau de la ventilation qv_rep. Les débits volumiques repris sont ici identiques pour les ventilations simple et double flux, les résultats sont donc directement comparables. Sur la Figure 11 sont proposées les valeurs de qv_inf/qv_rep pour La Rochelle et Agen. Ces deux zones climatiques sont rappelons le, caractérisées par des températures extérieures moyennes sur 5 Extrait de «Perméabilité à l air de l enveloppe des bâtiments Généralités et sensibilisation» octobre 2006 CETE de Lyon

25 25/147 l année identiques et des vitesses moyennes de vent sur l année correspondant aux extrêmes en France : vitesse moyenne du vent à Agen : 2.55 m/s, vitesse moyenne du vent à La Rochelle : 3.97 m/s. Ventilation Simple Flux - Impact de la vitesse du vent Ventilation Double Flux - Impact de la vitesse du vent LA_ROCHELLE AGEN + 47 m 3 /h 1.0 LA_ROCHELLE AGEN +33 m 3 /h qv_inf / qv_rep m 3 /h qv_inf / qv_rep m 3 /h m 3 /h m 3 /h Perméabilité (m3/h.m²) (i) Ventilation Simple Flux (ii)ventilation Double Flux Figure 11 : Impact du vent sur le débit d infiltration On constate dans un premier temps que les valeurs des débits d infiltrations sont particulièrement significatives quelque soit le système de ventilation mécanique. Pour la valeur par défaut RT bâtiments neuf de la perméabilité (P = 1,3), les débits d infiltrations atteignent autour de 20% du débit repris pour une ventilation simple flux et 40% pour une ventilation double flux! Le débit d infiltration apparait de plus, très sensible à la vitesse du vent. Cet effet est d autant plus marqué que la perméabilité du bâtiment est importante. En effet, pour une perméabilité de 2.5, on observe entre une configuration «faiblement ventée» et «fortement ventée» une augmentation du débit de l ordre de 37% du débit repris par les systèmes de ventilation mécanique alors que pour une perméabilité de 0.8 (valeur de référence RT bâtiments neuf) cette augmentation n est plus que de 10% environ. Enfin, comme souligné précédemment les débits d infiltration en ventilation double flux sont particulièrement importants. Ces infiltrations «parasites» vont directement générer des déperditions de chaleur supplémentaires en permettant l entrée d air froid extérieur durant la période de chauffe. Ce débit d air ne passant pas par l échangeur et ne bénéficiant par conséquent d aucune récupération de chaleur, la performance énergétique globale du système de ventilation est directement pénalisée Impact de la température extérieure Perméabilité (m3/h.m²) D une manière générale, l impact de la température extérieure est nettement moins significatif que l impact de la vitesse du vent. A titre d illustration, la Figure 12 propose la représentation de qv_inf/qv_rep pour Rennes et Nice, deux zones climatiques à vitesse moyenne de vent équivalente et dont les températures moyenne extérieures sont : température extérieure moyenne à Rennes : C, température extérieure moyenne à Nice : C.

26 26/147 Ventilation Simple Flux - Impact de la température extérieure NICE RENNES qv_inf / qv_rep Perméabilité (m3/h.m²) Figure 12 : Impact de la température extérieure sur le débit d infiltration Les températures intérieures et extérieures vont de plus intervenir directement dans le calcul des masses volumiques nécessaires pour l écriture de l équation de continuité à partir des débits volumiques. Au global, l impact de la température extérieure induit des variations de l ordre de quelques pourcents.

27 27/ Résultats pour la ventilation naturelle Sur la Figure 13 est tracé le débit volumique d infiltration en fonction de la perméabilité dans le cas d une ventilation naturelle par ouverture de fenêtres. La ventilation naturelle par ouverture de fenêtres est ici modélisée comme une ventilation double flux avec des débits repris et soufflés fixés de manière à assurer un renouvellement d air par l ouverture des fenêtres qui soit conforme au débit imposé par la règlementation sanitaire, i.e. 90m 3 /h ici. Globalement les valeurs des débits de fuite sont très importantes et lorsque le niveau d étanchéité de la maison est faible, le débit d infiltration devient largement supérieur au débit repris. Une maison très peu étanche (P = 2.5) laissent donc passer au travers de ces défauts d étanchéité l équivalent du débit extrait par une ventilation mécanique autoréglable pour la même surface d habitation. Les maisons du parc Phénix de première génération rentrent a priori dans ce cadre Ventilation Naturelle qv_inf (m3/h) TRAPPES Perméabilité (m3/h.m²) Figure 13 : Débit d infiltration Ventilation naturelle IMPACT SUR LA CONSOMMATION ENERGETIQUE Les résultats précédents ont montrés la part particulièrement significative du débit dus aux infiltrations dans une maison peu étanche. Les maisons individuelles de première génération du parc Phénix ont été construites entre 1950 et Les procédés constructifs de l époque laissent supposer que l étanchéité du bâti est probablement peu travaillée, i.e. une perméabilité en ordre de grandeur proche de 2.5. Ces maisons ne sont en général pas équipées de ventilation mécanique et le renouvèlement d air s effectue principalement par les ouvertures de fenêtre et les défauts d étanchéité. Dans une optique de réhabilitation énergétique d une maison individuelle de ce type, les bouquets de solutions élaborés dans le cadre du projet ODMIR4 proposent en premier lieu un travail sur la réduction des besoins en chauffage par l amélioration de l enveloppe. Les premiers travaux envisagés consisteront donc à améliorer l isolation par le remplacement des menuiseries, le remplissage des murs double paroi et le renforcement de l isolation du plancher haut. Les interventions relatives à ces travaux engendrent une amélioration de l étanchéité globale du bâtiment. La mise en place d une ventilation mécanique est alors impérative pour assurer un renouvèlement d air suffisant et éviter une altération du bâti (humidité, corrosion, moisissures ). On peut raisonnablement estimer qu une valeur de 2 pour la perméabilité est atteinte. Il est alors intéressant de mesurer l impact sur l étiquette énergétique d une action spécifique qui viserait à améliorer la perméabilité du bâti pour atteindre la valeur par défaut de la RT sur les bâtiments neuf, soit 1.3. Les calculs réalisés permettent d estimer que dans cette configuration, ces travaux complémentaires permettraient (cf. Figure 14) une division par 2 des débits d infiltrations, soit une réduction de l ordre de 10kWhep/m²/an sur la consommation en énergie primaire (pour un chauffage électrique).

28 28/147 P~2.5 m3/h m² P~2 m3/h m² Chauffage électrique Chauffage électrique 75 m² 75 m² Briques technologiques Remplacement des menuiseries Remplissage des murs double paroi Renforcement de l isolation plafond MI Ventilation naturelle Ventilation Simple Flux P~1.3 m3/h m² Chauffage électrique Débit infiltration / 2-10 kwh/m²/an 75 m² Briques technologiques Amélioration de l étanchéité Ventilation Simple Flux Figure 14 : Briques technologiques amélioration de l étanchéité

29 29/ CONCLUSION Les résultats précédents ont montrés qu il était essentiel dans une maison individuelle équipée d un système de ventilation mécanique, de travailler à améliorer l étanchéité à l air du bâti pour diminuer la part des débits d infiltrations, source de déperditions énergétiques notables. Les éléments à considérer pour la mise en œuvre de l amélioration de la perméabilité sont en particulier l amélioration de l étanchéité des équipements électriques (prises, interrupteurs tableau électrique ), des coffres de volets roulants, des trappes d accès aux combles, des portes d entrée par remplacement des joints ou colmatage. Pour illustration : Une mesure réalisée sur la maison de Saint-Fargeau-Ponthierry a permis d évaluer une perméabilité de 1.65 m 3 /h.m². Le colmatage de la trappe d accès aux combles a permis de faire descendre cette valeur à 1.54 m 3 /h.m². La surface équivalente des défauts d étanchéité à colmater pour passer d une perméabilité de 2 à 1.3 pour une maison de 75m² est de 202.8cm² est représentée échelle 1 sur la Figure cm cm² SURFACE EQUIVALENTE DES DEFAUTS D ETANCHEITE A COLMATER POUR PASSER D UNE PERMEABILITE DE 2 à cm (pour une MI phénix de surface habitable 75m²) Figure 15 : Surface équivalente des défauts d étanchéité à éliminer - Surface habitable de 75m²

30 30/ EVALUATION DES BRIQUES «EQUIPEMENTS» INTRODUCTION Le but de cette partie est de présenter la démarche adoptée pour l évaluation des nouveaux rendements simplifiés des systèmes de production de chauffage et d ECS. Il s agit de proposer une mise à jour des rendements pour faire évoluer le tableau de la méthode 3CL actuelle. Ces nouveaux coefficients ont été obtenus à partir de modélisations de référence réalisées sur le logiciel de simulation dynamique CA-SIS développé par EDF R&D METHODOLOGIE GENERALE Deux phases distinctes ont permis d établir les rendements globaux d installation pour divers équipements. La première phase consiste à évaluer la dispersion des résultats en fonction de paramètres a priori influents comme la zone climatique, le niveau d isolation, la forme de la maison. Pour cette première phase, nous avons utilisé la modélisation des typologies de maison Phénix équipées d une pompe à chaleur air/air, et calculé les besoins de chauffage et les consommations associées pour ces différentes configurations. Fort de ces premiers résultats qui permettent une extrapolation réaliste, la phase deux s attache à définir les rendements globaux recherchés PREMIERE PHASE : ETUDE DE SENSIBILITE Modélisation des maisons Nous présentons, dans ce paragraphe, les hypothèses prises pour réaliser la modélisation des maisons. Les documents utilisés pour construire cette étude thermique sont les suivants : - plans et métrés des étages des maisons, - coefficients de conduction des parois et des vitrages des maisons, - avis techniques des maisons Phénix pour les années 83, 92 et Description des maisons Nous avons modélisé trois maisons Phénix dénommées comme suit : Maison carrée de plain-pied : surface habitable de 76,7 m². Maison en L : surface habitable de 85,9 m². Maison carrée à étage : maison de type R+1 surface habitable de 153,4 m² Maison carrée de plain-pied Le schéma suivant montre l'emplacement des différentes zones de la maison «carrée de plain-pied» :

31 31/147 C h a m b r e 3 E n t r é e C h a m b r e 1 D é g a g e m e n t S a l l e d e b a i n s S é j o u r C h a m b r e 2 C u i s i n e Figure 16 : Plan du rez-de-chaussée de la maison carrée de plain-pied Nord La surface habitable est répartie de la manière suivante : Local Surface en m² Chambre 1 14,1 Chambre 2 9,4 Chambre 3 10,7 Salle de bains 3,6 Entrée dégagement 9,8 Séjour 18,6 Cuisine 10,5 TOTAL 76,7 m² Tableau 10 : Répartition de la surface habitable pour la maison carrée de plain-pied Maison en L Le schéma suivant montre une vue de la maison modélisée et des différentes zones de la maison «en L» :

32 32/147 C u i s i n e S a l l e d e b a i n s C h a m b r e 1 D é g a g e m e n t P l a c a r d S é j o u r C h a m b r e 2 C h a m b r e 3 S a l o n N o r d Figure 17 : Plan du rez-de-chaussée de la maison en L Les pièces de cette maison ont les surfaces suivantes : Local Surface en m² Chambre 1 14,0 Chambre 2 7,2 Chambre 3 8,7 Salle de bains 4,2 WC 1,0 Séjour 14,8 Salon 15,6 Cuisine 10,2 Divers (placard dégagement) 10,2 TOTAL 85,9 m² Tableau 11 : Répartition de la surface habitable pour la maison en L Maison carrée à étage Le schéma suivant montre une vue de la maison «carrée à étage» modélisée, les deux niveaux ayant été supposés identiques :

33 33/147 Figure 18 : Plan du rez-de-chaussée de la maison carrée à étage (étage identique) La surface habitable totale est donc découpée de la manière suivante : Local Surface en m² RDC TOTAL 76,7 R+1 TOTAL 76,7 TOTAL Tableau 12 : Répartition de la surface habitable pour la maison carrée à étage Tableau récapitulatif des surfaces et longueurs : On récapitule ci-dessous les surfaces de parois et les longueurs de linéiques utilisées dans le calcul du Ubât sur le logiciel CA-SIS. Maison carrée Maison carrée de plain-pied à étage Maison en L Parois opaques verticales m² m² m² Plafonds donnant sur combles

34 34/147 Planchers bas Portes Fenêtres/portes-fenêtres Pont thermique plancher bas Pont thermique plafond combles Pont thermique appui fenêtres 6.62 m m 7.47 Pont thermique angle sortant Pont thermique angle rentrant Tableau 13 : Récapitulatif des surfaces et longueurs des maisons modélisées Description des parois maison carrée de plainpied m Maisons construites avant 1975 Les coefficients de conduction des parois d une maison carrée «avant 1975» correspondent à une maison individuelle construite entre 1964 et Murs : - murs extérieurs verticaux : panneaux de type Fontex d un U de 1,59 W/m².K ; - plafonds : isolation par 40 mm de laine de verre dans des combles perdus sur une plaque de plâtre, soit un U de 0,85 W/m².K. On suppose, pour le tau de la paroi sur le comble que celui-ci est fortement ventilé (tau de 1). - plancher sur terre-plein : dalle béton sur hérisson, U de 2,73 W/m².K, soit un Ue de 0,763 W/m².K. Portes et vitrages : - fenêtres et portes-fenêtres en simple vitrage de 3 mm d épaisseur, encadrement en tôle pliée pour un Uw de 4,5 W/m².K ; - portes : U w = 4,5 W/m².K. En ce qui concerne les caractéristiques lumineuses du vitrage, on s est basé sur un simple vitrage présentant un facteur solaire de 0,35. (Voir Annexe 4 : Le facteur solaire ou coefficient de réduction) Ponts thermiques : Les valeurs ci-dessous sont soit issues des avis techniques du CSTB consacrés à la technologie «Phénix», soit issues du R.E.E.F de la réglementation thermique Liaison de la façade avec des menuiseries en appui au nu intérieur : k de 0,12 W/m.K - Pont thermique du plancher bas sans isolation sur terre-plein : k de 1,75 W/m.K - Pont thermique du comble non aménagé : k de 0,05 W/m.K (on tient compte ici du fait que la mise en place de l isolation n est pas parfaite). Ubât de la maison carrée de plain-pied «avant 75» : Le coefficient moyen de déperdition par les parois et les baies du bâtiment U bât, selon la Réglementation Thermique du 1 er septembre 2006, est de 1,475 W/m².K Maisons construites entre 1975 et 1982 Les coefficients de conduction des parois d une maison carrée « » sont les suivants : Murs : - murs extérieurs verticaux : placopan de 50 mm + polystyrène de 60 mm + vide de 40 mm + dalle béton de 45 mm, soit un U de 0,503 W/m².K ; - plafonds : isolation par 100 mm de laine de verre dans des combles perdus sur une plaque de plâtre, soit un U de 0,374 W/m².K.

35 35/147 On suppose, pour le tau de la paroi sur le comble que celui-ci est fortement ventilé (tau de 1). - plancher sur terre-plein : 7 mm de polystyrène + dalle béton sur hérisson, U de 1,40 W/m².K. Portes et vitrages : - fenêtres et portes-fenêtres en simple vitrage de 3 mm d épaisseur, encadrement en tôle pliée pour un Uw de 4,5 W/m².K ou en double vitrage encadrement en tôle pliée pour un Uw de 2,7 W/m².K ; - portes : U w = 4,5 W/m².K. En ce qui concerne les caractéristiques lumineuses du vitrage, on s est basé sur un simple vitrage de 3 mm d épaisseur type Planilux qui présente un facteur solaire de 0,87 et un double vitrage de facteur solaire 0,35. Ponts thermiques : Les valeurs prises en compte pour les ponts thermiques sont les mêmes dans ce cas de figure que dans le précédent, concernant la maison «avant 75». Ubât de la maison carrée de plain-pied « » : Le coefficient moyen de déperdition par les parois et les baies du bâtiment U bât, selon la Réglementation Thermique du 1 er septembre 2006, est de 0,977 W/m² pour la maison avec simple vitrage et 0,910 W/m².K avec double vitrage Maisons construites après 1982 Les coefficients de conduction des parois d une maison carrée «après 1982» sont le coefficient d une maison construite entre 1982 et Murs : - murs extérieurs verticaux : placopan de 50 mm + polystyrène de 60 mm + vide de 40 mm + dalle béton de 45 mm, soit un U de 0,503 W/m².K ; - plafonds : isolation par 100 mm de laine de verre dans des combles perdus sur une plaque de plâtre, soit un U de 0,374 W/m².K. On suppose, pour le tau de la paroi sur le comble que celui-ci est faiblement ventilé (tau de 0,7). - plancher sur vide-sanitaire : 25 mm de polystyrène sur hourdi, U de 0,50 W/m².K. Portes et vitrages : - fenêtres et portes-fenêtres en double vitrage encadrement en tôle pliée pour un Uw de 2,7 W/m².K ; - portes : U w = 4,5 W/m².K. En ce qui concerne les caractéristiques lumineuses du vitrage, on s est basé sur un double vitrage de facteur solaire 0,35. Ponts thermiques : Les valeurs prises en compte pour les ponts thermiques sont les mêmes que celles concernant la maison «avant 75». Ubât de la maison carrée de plain-pied «après1982» : Le coefficient moyen de déperdition par les parois et les baies du bâtiment U bât, selon la Réglementation Thermique du 1 er septembre 2006, est de 0,645 W/m² Description des parois maison carrée à étage

36 36/147 Les maisons à étage ne sont apparues qu en La composition des parois et des vitrages constituant la maison carrée à étage est donc basée sur la composition des parois et des vitrages de la maison carrée de plain-pied «après 1982» (cf ). Pour le plancher intermédiaire, on prend la valeur suivante : - plancher intermédiaire : dalle béton de 20 cm, U de 4,17 W/m².K. Ubât de la maison carrée à étage : Le coefficient moyen de déperdition par les parois et les baies du bâtiment U bât, selon la Réglementation Thermique du 1 er septembre 2006, est de 0,747 W/m².K Description des parois maisons en L La composition des parois et des vitrages constituant les maisons en L des époques «avant 75», «1975 à 1982»et «après 82», sont les mêmes que pour la maison carrée de plain-pied (cf ) Synthèse des «Ubât» On regroupe, dans le tableau ci-dessous, les différents Ubât des maisons modélisées : Maison carrée Maison carrée de plain-pied à étage Maison en L Avant ,472-1, (SV) 0,975-0, (DV) 0,907-0, (DV) 0,643 0,744 0, (DV) 0,625 0,731 0,801 Tableau 14 : Récapitulatif des Ubât des maisons Phénix types [W/m².K] La courbe d évolution des Ubât est donc la suivante : 1,700 1,500 1,300 1,100 0,900 0,700 0,500 MI 1ET MI 2ET MI en L SV DV DV DV Figure 19 : Evolution des Ubât des trois types de maisons Phénix en fonction de l époque [W/m².K] Simulations Afin d évaluer les paramètres influents sur le rendement global d une installation de chauffage thermodynamique, nous avons choisi d étudier une maison équipée d une pompe à chaleur air/air. Nous avons ainsi pu mettre en lumière, en multipliant les modélisations sur ce système, les différentes composantes à analyser plus finement ou les raccourcis pouvant être faits pour réaliser la phase deux de l étude Méthodologie

37 37/147 Nos simulations se sont basées sur les maisons modélisées décrites précédemment. Ces maisons de différentes époques ont été placées dans plusieurs météos (Trappes pour la zone H1, Agen pour la zone H2 et Nice pour la zone H3), sans scénario d occupation ni apport gratuit, avec une consigne de chauffage constante à 19 C. On fait donc l hypothès e que les apports gratuits n ont pas d influence sur le ratio besoins (ou déperditions)/consommation. Le logiciel CA-SIS nous permet ensuite de réaliser le calcul des besoins au pas de temps horaire. Ce résultat est récupéré ainsi que la température humide extérieure associée à la météo correspondante (la température intérieure restant idéalement maintenue à 19 C) pour alimenter une modélisation PAPTER de la machine thermodynamique au travers de deux équations du type : Pc = A 1 x Th.ext + A 2 x T.int + A 3 Pe = B 1 x Th.ext + B 2 x T.int + B 3 Avec : Pc : Puissance calorifique (kw), Pe : Puissance électrique absorbée (kw), Th.ext : Température humide extérieure ( C), T.int : Température sèche intérieure ( C), A i, B i : Coefficients issus du modèle PAPTER. Ce modèle établit une courbe de performance par la méthode des moindres carrés en fonction de plusieurs points de fonctionnement de la machine issus de la documentation du constructeur. Ces calculs nous permettent donc d obtenir : - les besoins de chauffage de la maison ; - les COP instantanés par le ratio suivant : - les consommations horaires de la machine : Pc COP instantané = Pe Conso horaire Pe Besoin = Pc horaire Le rapport entre besoin annuel et consommation annuelle, qui sont les sommes respectivement des besoins horaires et des consommations horaires, permet l évaluation d un rendement global qui est ensuite utilisé pour évaluer par pondération les quatre rendements de la méthode3cl Résultats et analyse Pour présenter les résultats, nous nous concentrerons sur la maison carrée de plain-pied pour ne pas surcharger les graphes. Les tendances sont exactement les mêmes pour les autres types de maisons. Notre approche consiste à étudier les facteurs d influence pour une maison équipée d une PAC air/air de caractéristiques données Ces facteurs sont a priori : la zone climatique au travers des DJU qui induisent notamment des besoins de chauffage différentiés, le niveau de performance du bâti. Les graphes présentés par la suite concernent le cas des maisons carrées de plain-pied pour plus de concision. L analyse exposée repose néanmoins sur tous les cas testés Facteur d influence sur le COP La figure 9 montre que le COP annuel moyen varie assez peu en fonction des périodes de construction pour une même météo.

38 38/147 3,80 3,70 3,60 3,50 3,40 3,30 Trappes Agen 3,20 Nice Moyennes carrée 1ET carrée 1ET carrée 1ET carrée 1ET SV carrée 1ET DV carrée 1ET DV carrée 1ET DV Figure 20 : Evolution du COP annuel moyen en fonction de la période de construction, pour différentes météos (cas de la maison Phénix carrée de plain-pied) L amplitude de variation du COP annuel moyen en fonction de la performance du bâti à iso-météo est de 0,15 à Nice, 0,17 à Trappes et 0,20 à Agen. L écart du COP annuel moyen pour une même performance du bâti entre les zones climatiques H1 et H3 est en revanche plus important de l ordre de 0,35. Il est donc à souligner que la zone climatique a plus d incidence sur la valeur du COP que le niveau de performance du bâti. De fait nous proposons de pondérer la valeur du COP moyen annuel de manière à prendre en compte la régionalisation des conditions climatiques Facteurs d influence sur le rendement global Le rendement global d une installation est évalué à partir du ratio besoin de chauffage sur consommation. Nous présentons ci-dessous une analyse des facteurs d influence sur ce rendement global en s intéressant tout d abord au calcul des besoins et des consommations associées.

39 39/ Trappes Agen Nice 1,475 0,977 0,910 0,645 Ubât Ecart H3/H1 1,475-50,8% 0,977-52,9% 0,910-52,8% 0,645-54,9% Figure 21 : Variation des besoins en fonction de la météo à iso Ubât (exemple de la maison carrée de plain-pied) Besoins annuels en kwh Avant (SV) (DV) Trappes Agen Nice Moyennes Après 82 Ecart Météo Avant 75/Après 82 Trappes -67,5% Agen -68,2% Nice -70,4% Figure 22 : Variation des besoins en fonction de la période de construction à iso météo (exemple de la maison carrée de plain-pied) Consommations annuelles en kwhep Avant (SV) (DV) Trappes Agen Nice Moyennes Après 82 Ecart Météo Avant 75/Après 82 Trappes -66,6% Agen -67,2% Nice -69,6% Figure 23 : Variation des consommations en fonction de la période de construction à iso météo (exemple de la maison carrée de plain-pied)

40 40/147 Ces trois figures permettent la première analyse suivante : 1. Diminution de plus de 50% des besoins entre la zone H1 et la zone H3 : 2. Les besoins annuels diminuent de près de 70% entre les maisons «Avant 1975» et les maisons «Après 1982» : 3. L évolution de la consommation annuelle en fonction des périodes de constructions suit celle des besoins : Il est à remarquer que le rapport besoins annuels sur consommations annuelles est quasi constant par zone, et ce quelle que soit la période de construction (donc le niveau de performance du bâti) : 3,60 3,50 3,40 3,30 3,20 3,10 3,00 2,90 2,80 Trappes Agen Nice Moyennes carrée 1ET carrée 1ET carrée 1ET carrée 1ET SV carrée 1ET DV carrée 1ET DV carrée 1ET DV Figure 24 : Evolution du ratio besoins annuels sur consommations annuelles en fonction de la période de construction, pour différentes météos (cas de la maison Phénix carrée de plain-pied) L amplitude de variation de ce rapport pour une même météo est inférieure à 0,2 pour l ensemble des maisons modélisées, et à 0,11 pour les maisons carrées de plain-pied. Notons par ailleurs que l étude de sensibilité est menée sur un large panel en termes de performance du bâti pour mieux observer les tendances. Dans les faits, les pompes à chaleur seront installées dans des bâtis isolés après rénovation. L amplitude de variation du rapport besoin / consommation sera ainsi encore plus faible. L écart du ratio besoin sur consommation pour une même performance du bâti entre les zones climatiques H1 et H3, de l ordre de 0,5, est en revanche plus important. Moyennant les hypothèses prises, le facteur d influence prépondérant sur le rendement global d une installation de chauffage est la zone climatique qui est du premier ordre devant la performance du bâti. Nous proposons donc de pondérer le rendement global par une prise en compte de la régionalisation des besoins de chauffage.

41 41/ Généralisation Nous avons fait l hypothèse que des simulations simples de ce type permettent d évaluer de façon suffisamment fine la valeur des rendements globaux des installations de chauffage et en particulier la valeur des COP moyens annuels des machines thermodynamiques. On considère que ces simulations prennent en compte l impact des paramètres influents. Le fait de ne pas considérer les apports gratuits ne perturbe pas l analyse que nous avons faite : les apports gratuits viennent en effet réduire les besoins et donc les consommations, le ratio besoins sur consommation restant alors fixe. Nous avons vu de plus que ce ratio varie peu en fonction du niveau d isolation (et donc des besoins), par rapport à sa variation selon la zone climatique. Nous avons en effet supposé que la puissance de la pompe à chaleur choisie est adaptée aux besoins de la maison en zone H1 : le taux de charge est ainsi optimisé dans cette zone. En conservant la même machine dans les 3 zones climatiques, celle-ci est moins optimisée en zone H3 qu en zone H1 la puissance installée devrait y être plus faible. Ses performances sont donc moins bonnes que celles d une PAC de puissance inférieure adaptée. On se place dans le cas le plus défavorable et ceci nous assure de ne pas obtenir des résultats surévalués. Par ailleurs, si dans la réalité le COP varie en fonction du taux de charge de la pompe à chaleur, il est primordial de garder à l esprit que ces coefficients seront intégrés à une méthode simplifiée qui proposera pour un système le même coefficient quelle que soit la maison et la météo renseignée. Il est donc important de positionner ces rendements au plus près de ce qui sera rencontré sur le terrain, en prenant une moyenne jugée représentative. Enfin, pour que le rendement global pour une installation de chauffage type soit le plus représentatif possible sur l ensemble du territoire, nous proposons de prendre en compte la différence de densité des maisons par zone climatique. Plusieurs solutions se présentent alors pour déterminer les coefficients adaptés à proposer pour faire évoluer la méthode 3CL : 1 Considérer une moyenne globale, pour le COP et pour le rendement global; COP H1 moyenne des COP COPH1 + COPH2 + COPH3 COPmoyen1 = 3 2 Prendre une moyenne pondérée par le parc existant des maisons individuelles. Dans notre cas nous avons considéré le parc existant des maisons Phénix en donnant plus de poids au coefficient correspondant à la zone climatique possédant le plus de maisons Phénix, le COP devient plus proche du cas réel pour chaque maison ; COPH1 TauxMIH1 + COPH2 TauxMIH2 + COPH3 TauxMIH3 COPmoyen2 = 3 H1 H2 H3 Répartition des maisons Phénix 66,3% 23% 10,7% Tableau 15 : Répartition des maisons Phénix en fonction de la zone climatique, toutes époques confondues 3 Prendre une moyenne pondérée par les DJU : en prenant en compte les DJU, la donnée météo, très influente sur le rendement global et le COP, est incluse dans la moyenne effectuée et atténue les différences géographiques ; COP moyen3 COP = H1 DJU H1 + COPH2 DJUH2 + COP Somme des DJU DJU Trappes Agen Nice H3 H3

42 42/147 DJU Poids respectifs 42,6% 33,6% 23,8% Tableau 16 : DJU moyens à Trappes, Agen et Nice 4 Faire la moyenne des deux solutions précédentes : prenant en compte à la fois le parc et la correction du climat. COP moyen4 COP = moyen2 + COP 2 moyen3 COP et η glob à retenir COP η glob 1 Moyenne 3,43 3,16 2 Moy pondérée PARC Phénix 3,35 3,04 3 Moy pondérée DJU 3,40 3,11 4 Moy pondérée PARC+DJU 3,37 3, Systèmes de chauffage Méthodologie Compte tenu des faibles variations que nous avons observées dans le cadre de l étude menée pour la PAC air/air, du COP d une part et du ratio besoins sur consommations d autre part, nous avons fait l hypothèse que ceux-ci sont constants et égaux aux valeurs obtenues dans le cas des maisons les mieux isolées. Nous avons donc fait le choix de nous intéresser à une maison type bien isolée. En plus de modéliser un cas «logique» d un point de vue thermique (installation d un nouveau système de chauffage dans une maison déjà bien isolée), les coefficients ainsi obtenus constituent la limite basse de ce que l on peut observer (voir les conclusions de la première phase). La maison choisie est la MI3 au niveau d isolation Ubât-26% Résultats Le tableau ci-dessous récapitule les résultats obtenus pour les autres systèmes de chauffage : Rd Re Rg Rr Total PAC Air/Eau Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 2,6 0,95 2,16 Evolution proposée 0,92 0,97 3,55 0,97 3,07 PAC Eau/Eau Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 3,2 0,95 2,66 Evolution proposée 0,92 0,97 4,3 0,97 3,72 PAC Eau Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 3,2 0,95 2,66 glycolée/eau Evolution proposée 0,92 0,97 4,3 0,97 3,72 PAC Sol/Eau Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 4 0,95 2,66 Evolution proposée 0,92 0,97 4,5 0,97 3,9 PAC Sol/Sol Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 4 0,95 2,66 Evolution proposée 0,92 0,97 4,5 0,97 3,9 Systèmes splits Coefficients 3CL initiaux 1 0,95 2,6 0,95 2,66

43 43/147 Evolution proposée 0,92 0,97 3 0,97 2,82 Chaudière gaz Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 0,83 0,95 0,69 condensation Evolution proposée 0,92 0,97 1,05 0,97 0,91 Chaudière bois Coefficients 3CL initiaux 0,92 0,95 0,47 0,9 * 0,37 classe 3 Evolution proposée 0,92 0,97 0,73 0,97 0,62 Tableau 17 : Coefficients simplifiés proposés pour les autres systèmes de chauffage (* 0,95 si les radiateurs sont munis de robinets thermostatiques ; 0,9 sinon) Systèmes de production d ECS Méthodologie Pour modéliser les rendements des systèmes de production d ECS, nous avons considéré la même maison que dans le paragraphe précédent (MI3), à laquelle nous avons appliqué différents scénarios de puisage issus de la méthode Th-CE. La méthode Th-CE utilise, en termes de volume d eau chaude soutirée, la formule suivante : V uw = a x ah x Nu Avec : a : besoins unitaires exprimés en litres d eau mitigés à 40 C, ah : coefficient horaire de la clé de répartition des besoins d ECS afférente à l usage considéré, Nu : nombre d unité à considérer. En maisons individuelles, on a : Nu = m² de surface habitable ln(nu) a = si Nu > 27m², = 17,7 sinon Nu Les valeurs de ah sont récapitulées ci-dessous : Tranche horaire Valeur de ah 7 8h 0, h 0, h h 0, h h 0, h 0, h h 0 Tableau 18 : Valeurs de ah prises en compte pour le calcul du volume soutiré La somme de ces coefficients est égal à 0,143 soit 1/7 ème. En effet, le calcul est réalisé de manière hebdomadaire. On détermine donc, pour chacune des maisons, à partir de leur surface habitable et de la clé de répartition ci-dessus, les volumes d eau soutirés mitigés à 40 C. Afin de pouvoir utiliser ces valeurs dans CA-SIS, il nous faut retrouver le volume d eau chaude soutiré à la température de production, soit 65 C (paragrap he 16.2 de la méthode Th-CE). On utilise pour cela la température d eau froide de la méthode Th-CE qui est incluse dans les météos du logiciel au pas de temps horaire. On peut ainsi déterminer un volume d eau chaude horaire soutiré pour une température de production de 65 C : un volume soutiré pour les zones H1 et H2, un pour la zone H3.

44 44/147 Maison MI3 : - Volume mitigé soutiré à 40 C : 60,6 m 3 à Trappes et à Nice. - Volume soutiré à 65 C : 32,7 m 3 à Trappes, 30,5 m 3 à Nice. Maison MI5 : - Volume mitigé soutiré à 40 C : 69,5 m 3 à Trappes et à Nice. - Volume soutiré à 65 C : 37,5 m 3 à Trappes, 34,9 m 3 à Nice Résultats Les modélisations menées nous ont permis d établir les résultats suivants : Iecs = 1 / Rendement Ancien Nouveau Accumulation électrique 1,44 1,10 PAC Eau/Eau séparée 0,86 0,33 Gaz condensation accumulation 1,89 1,70 Tableau 19 : Coefficients proposés pour les systèmes de production d ECS COMPARAISONS DES RESULTATS AUX VALEURS DISPONIBLES Pour pouvoir statuer de la validité de ces nouveaux coefficients, nous avons comparé les rendements globaux aux : - Coefficients 3CL actuels, - Valeurs proposées par les experts, (pour le chauffage seulement), - Valeurs obtenues grâce à des suivis sur sites (pour le chauffage seulement) Les valeurs à dire d expert Ces valeurs sont issues de dires d experts et de la littérature sur le sujet Les valeurs des suivis sur sites Ces valeurs permettent de connaître les performances d installations collectées par l équipe de suivis sur sites et les EPE (Experts Produits Electricité) en région dans le cadre de l opération 2000 Références. Elles permettent d adopter un regard plus critique sur les simulations aux vues des retours terrain. Ces suivis nous permettent d accéder : - Au GV de la maison, - Aux consommations électriques du système de chauffage, - Aux DJU de la région concernée. Pour accéder aux besoins on utilise l équation suivante :

45 45/147 Avec : 24 GV DJU 0,75 Besoins = : Durée journalière de chauffage (h), GV : Coefficient global de déperdition (W/ C), DJU : Degrés-jours unifiés cumulés sur une saison de chauffe (232 jours) pour la région concernée, 0,75 : Coefficient réducteur englobant à la fois le fonctionnement par intermittence, les apports internes, les apports externes par ensoleillement. Nombre de données Min Max Moy PAC Air/Air 9 1,27 2,52 1,66 PAC Air/Eau 46 0,95 3,43 1,98 PAC Eau/Eau 38 1,25 5,23 2,56 sur PCBT 4 2,32 4,79 3,13 sur PCBT réversible 26 1,25 3,75 2,38 PAC Sol/Eau 14 1,54 3,90 2,45 PAC Sol/Sol 12 1,29 3,13 2,42 Tableau 20 : Ratios besoin/consommation pour les installations de chauffage des maisons suivies dans le cadre de 2000Réf Les écarts importants que l on peut observer et la faiblesse de certains résultats ont sans doute plusieurs causes : - Des GV perfectibles : ces valeurs sont données par les EPE en région et sont peut-être mal renseignées, - Certaines installations ne sont pas suffisamment détaillées pour les exploiter complètement : la présence de convecteurs en appoint peut-être plus ou moins importante, et affecte les performances ; les informations ne sont pas suffisantes pour estimer la part assurée par la PAC et la part d effet Joule. La série de suivis dont nous nous sommes servis ne comprend pas d installation gaz Tableau comparatif Ces différentes valeurs peuvent être regroupées dans le tableau suivant : 3CL Dire d'expert Simulations Suivis sur sites PAC Air/Air 1, ,66 PAC Air/Eau 2,16 2,49 à 2,91 3,07 1,98 PAC Eau/Eau 2,66 3,32 à 3,74 3,72 2,56 PAC Eau glycolée/eau 3,32 3,32 à 3,75 3,72 - PAC Sol/Eau 3,32 3,32 à 3,76 3,9 2,45 PAC Sol/Sol 3,32 3,32 à 3,77 3,9 2,42 PAC HT sur radiateurs - 2,36 - -

46 46/147 Système splits 2,35 2,71 2,82 - Chaudière gaz à condensation 0,69 * ou 0,65 ** 0,79 * ou 0,75 ** 0,91 - Chaudière bois Classe 3 0,37-0,62 - * si les radiateurs sont munis d'un robinet thermostatique, ** sinon. Tableau 21 : Comparaison entre les différentes valeurs de rendements globaux disponibles Les rendements proposés Pour proposer de nouveaux coefficients 3CL Rd, Re, Rg et Rr, nous avons pris le rendement global, qui représente le produit des 4 rendements, et le COP de la PAC air/air, appelé Rr dans la méthode 3CL. Le rendement global nous a permis de connaître les coefficients Rd, Re et Rr une fois Rg fixé. Plusieurs méthodes sont possibles pour déterminer Rd, Re et Rr : - Méthode 1 : donner la même valeur à ces trois valeurs restantes ; - Méthode 2 : fixer Rd, et calculer Re et Rr en fonction (pour que Re et Rr restent inférieurs à 1, Rd ne peut pas dépasser une certaine valeur) ; - Méthode 3 : fixer Re, et calculer Rd et Rr en fonction (pour que Rd et Rr restent inférieurs à 1, Re ne peut pas dépasser une certaine valeur) ; - Méthode 4 : fixer Rr, et calculer Rd et Re en fonction (pour que Rd et Re restent inférieurs à 1, Rr ne peut pas dépasser une certaine valeur). Il faut conserver à l esprit que, de manière générale, seul le produit, fixé car résultant des simulations, importe. La méthode choisie afin d obtenir ce produit n a pas d incidence sur le résultat : il s agit simplement d une volonté de cohérence. Voici des répartitions possibles pour l exemple de la PAC air/air : Rd Re Rg Rr Total Coefficients 3CL initiaux 0,85 0,95 2,20 0,95 1,69 PAC Air/Air M1 0,97 0,97 3,30 0,97 3,00 PAC Air/Air M2 0,92 0,99 3,30 0,99 3,00 PAC Air/Air M3 0,98 0,95 3,30 0,98 3,00 PAC Air/Air M4 0,98 0,98 3,30 0,95 3,00 Tableau 22 : Coefficients simplifiés proposés pour la PAC Air/Air Ici aussi, cet écart sera réduit dans les faits pour des pompes à chaleur installées dans des maisons isolées. 2.7 CONCLUSION L analyse des résultats obtenus dans la première phase de l étude nous permet tout d abord de remarquer que le rapport besoins annuels sur consommations annuelles (rendement global de l installation) est quasi constant à zone climatique donnée. En particulier, ce ratio reste quasi constant quelle que soit la période de construction et donc le niveau d isolation. Deuxièmement, le COP moyen annuel varie également assez peu en fonction du niveau d isolation de la maison. Cependant, nous devons garder à l esprit que ces coefficients seront intégrés à une méthode simplifiée : chaque système n est représenté que par quatre rendements, qui restent identiques pour chaque maison, quelle que soit sa situation géographique ou thermique. Comme la zone climatique a bien un impact sur les performances de la machine, il faut donc faire une moyenne

47 47/147 de ces rendements cohérente pour rester représentatif du parc, et proposer une valeur la plus proche possible de celle qui pourrait être obtenue sur le terrain. Les résultats de suivis du panel 2000 Références sont assez éloignés des résultats de simulations. Ils concernent des équipements anciens (périodes avant 2004) et même si les consommations ont été ramenées à une base 19 C, elles sont associées à un comportement et une météo réels qui ne sont pas ceux retenus dans les modélisations plus proches de cas réglementaires. Nous proposons donc de remplacer les anciens rendements globaux de la méthode 3CL par ceux obtenus à partir des simulations dynamiques. Malgré l incertitude dont sont entachés ces résultats, il ne faut pas perdre de vue la dispersion des rendements associés à des machines de différents constructeurs. Cette dispersion engendre une imprécision qui détermine la finesse qu il est raisonnable de rechercher dans notre approche. 3. PACKS DE SOLUTIONS 3.1 OBJECTIF ET METHODE DE CONCEPTION DES PACKS Notre objectif a donc été de pouvoir définir des packs de solutions dans une perspective de recherche et développement. Il s agit de proposer une méthode permettant de définir ces packs en s appuyant sur des éléments déterministes et quantifiables. La clef de discrimination des bouquets à retenir finalement est ainsi un objectif chiffré. Pour autant, la méthode doit fournir des résultats réalistes et reproductibles. Ainsi, le but de cette méthode n est pas de remplacer les trois logiques exposées dans les paragraphes précédents, mais de les compléter et les éclairer. Enfin, la méthode devait également permettre de donner du sens à la notion de «pack de solutions optimal». C est sur cette notion que nous nous sommes d abord focalisés. Nous avons tout d abord voulu tester un grand nombre de packs possibles pour définir les exigences réalistes. Sur cette base, nous avons déterminé comment préférer un pack à un autre, et choisir au final les packs à retenir. Cette méthode est présentée ici de manière généraliste, son application plus particulière dans le cadre du projet ODMIR4 faisant l objet d une partie propre présentée en Annexe 5 : Application de la méthode de conception des packs. 3.2 DESCRIPTION DE LA METHODE DE CONCEPTION DES PACKS La méthode que nous décrivons ci-dessous allie calculs déterministes et données subjectives (dire d expert, intentions du MOE, ) pour permettre de définir les packs de rénovation à partir d une liste de briques technologiques que nous souhaitions mettre en œuvre. L assemblage des packs de solutions est sous-tendu par un objectif choisi par l utilisateur, ce choix étant également éclairé par la méthode. Cette méthode ne vise pas à définir un pack unique, mais une gamme de packs adaptée à un logement ou une typologie de logements. Pour expliquer le déroulement de cette méthode le plus simplement possible, nous allons d abord décrire son application à un logement seul, puis voir le cas plus général d une typologie de logements. Enfin, nous expliquerons comment se greffe sur cette méthode la définition d un objectif pertinent, ce qui permettra d obtenir in fine une description complète de la méthode DESCRIPTION POUR UNE MAISON Pour un logement unique, la méthode se déroule selon 3 étapes comme schématisé sur la Figure 25. L idée directrice de la méthode est simple : on effectue d abord toutes les combinaisons possibles des briques technologiques, pour obtenir une liste de tous les packs que l on pourrait proposer avec ces briques. Cette liste de packs «candidats» (flèches jaunes sur la figure) diminue au fur et à mesure des étapes de la méthode (en rouge) qui agissent comme des filtres. Tout au long de la méthode, différentes entrées (en bleu) sont nécessaires, pour obtenir finalement une bibliothèque de solutions

48 48/147 (en vert). Figure 25 : déroulement de la méthode pour un logement unique Combinaison et calculs La combinaison des briques technologiques est une étape purement logique. Le plus simple est de répartir les briques technologiques par poste d application (les murs, les combles, le système de chauffage, etc. ) de manière à ce qu au sein d un même poste, une seule brique puisse être réalisée à la fois. A ce moment là, réaliser un pack de rénovation revient à piocher (ou non) une brique dans chaque poste (voir Exemple 1). Exemple 1 : combinaison de briques en packs Supposons le cas simplifié ou l on ne dispose que de 3 leviers d actions : - agir sur les murs : isolation par l intérieur (ITI) ou l extérieur (ITE) - agir sur le système de chauffage : remplacement par pompe à chaleur air/eau (PAC R/O) ou eau/eau (PAC O/O) - agir sur le système de production d eau chaude sanitaire (ECS) : remplacement par un chauffe-eau solaire individuel (CESI) appoint électrique. Cela définit nos 3 postes. Dans chaque poste, les possibilités sont les suivantes : - murs : ne rien faire ; ITI ; ITE ; ITI+ITE - chauffage : ne rien faire ; PAC R/O ; PAC O/O - ECS : ne rien faire ; CESI Notons bien que pour les murs, il faut considérer «ITE+ITI» comme une brique à part entière pour que les briques proposées soient bien exclusives les unes des autres. Avec ces hypothèses, on a donc 4 * 3 * 2 = 24 packs possibles qui sont listés ci-dessous N MURS CHAUFFAGE ECS 1 ø ø ø 2 ø ø CESI 3 ø PAC R/O ø 4 ø PAC R/O CESI 5 ø PAC O/O ø 6 ø PAC O/O CESI 7 ITI ø ø 8 ITI ø CESI 9 ITI PAC R/O ø

49 49/ ITI PAC R/O CESI 11 ITI PAC O/O ø 12 ITI PAC O/O CESI 13 ITE ø ø 14 ITE ø CESI 15 ITE PAC R/O ø 16 ITE PAC R/O CESI 17 ITE PAC O/O ø 18 ITE PAC O/O CESI 19 ITI+ITE ø ø 20 ITI+ITE ø CESI 21 ITI+ITE PAC R/O ø 22 ITI+ITE PAC R/O CESI 23 ITI+ITE PAC O/O ø 24 ITI+ITE PAC O/O CESI Une fois effectués les packs par combinaison, il est nécessaire de calculer les qualités de chaque packs, et ce selon les besoins de l utilisateur. Ces qualités peuvent être de différentes sortes : Performance énergétique Emissions de CO2 Coûts d investissement, de revient, temps de retour sur investissement, etc. Autres : confort, propriété acoustiques, etc. Dans le cadre du projet ODMIR4, nous nous sommes focalisés sur le Ubat, les déperditions, besoins et performances au sens du DPE et le coût. Tous les calculs de type DPE ont été effectué avec la méthode 3CL améliorée qui est le cœur de calcul de l outil ODMIR4. On peut tout à fait voir la combinaison de briques et le calcul des qualités des packs comme deux étapes successives, le plus simple restant de mener ces étapes de front. Après cette étape de combinaison et calcul, la liste de packs obtenue passe par une série de filtres Vérification de l atteinte d un objectif Cette étape suppose que l utilisateur se soit fixé auparavant un objectif de rénovation. Il peut s agir par exemple d un objectif de performance, de coût, ou encore d objectifs multiples. Cet objectif doit pouvoir être quantifiable et vérifiable via les calculs de qualités effectués précédemment. Nous verrons plus loin comment définir ou éclairer le choix de cet objectif (chapitre 3.2.3). Donnons simplement quelques exemples : Etiquette A en CO2 Au plus 80 kwh EP/m².an sur les usages du DPE ou des règles Th-CE Rénovation au moins C en énergie primaire et d au plus 50 k Etc. D un point de vue pratique, il ne s agit donc plus que d éliminer, dans notre liste de packs associés à leurs calculs de qualités, tous ceux qui ne passent pas l objectif de rénovation. On réalise ici un premier filtre, la liste des packs candidats se réduit aux packs qui vérifient l objectif fixé. Bien entendu, on peut s arrêter à ce stade si l on choisit des objectifs simple de type «meilleur(s) pack en énergie primaire». Toutefois, de manière générale, ce pack unique peut se retrouver «à dire

50 50/147 d expert» ou par un calcul simple, sans nécessité de méthode particulière Restrictions A ce stade, l utilisateur peut éprouver le besoin d éliminer des packs qui ne lui paraissent pas intéressants malgré leur atteinte de l objectif de rénovation. On vient alors effectuer différentes restrictions, qui seront généralement le reflet du dire d expert, des intentions du maître d œuvre ou encore des contraintes du maître d ouvrage. Ces restrictions peuvent aussi pallier les difficultés de quantifier certains objectifs : on peut par exemple avoir du mal à évaluer le coût de chaque brique, et pour cela ne pas être en mesure de vérifier si un objectif de coût d investissement est atteint ou non par les packs. A ce moment, l étape de restriction est l occasion d éliminer les packs jugés «onéreux» à dire d expert. Cette phase prend particulièrement son sens lorsqu on applique la méthode à plusieurs logement, certaines briques pouvant être pertinentes pour certains d entre eux seulement et n ayant donc pas été exclues directement. Voici trois exemples de formulation de restrictions : Ne pas retenir les bouquets de travaux pour lesquels l énergie de chauffage et de production d ECS n est pas la même Ne pas retenir les bouquets de travaux pour lesquels le système de chauffage après travaux nécessite de revoir toute la distribution (par exemple installation d une PAC R/O en remplacement de convecteurs) 7 Ne pas retenir les bouquets de travaux sur lesquels aucun acte n a été effectué sur le bâti Sur la Figure 25 nous avons représenté comme entrée de l étape de restriction le dire d expert et la volonté du MOE. Il va de soi que ces entrées peuvent être complétées par la volonté du MOA et, de manière générale, toute contrainte relevant du facteur humain Résultats Une fois procédé à ce dernier filtre, on obtient la bibliothèque de bouquets de travaux. Ces bouquets ont les caractéristiques suivantes : Ils sont constitués des briques portables dans le cadre du projet de rénovation (étape de combinaison) ; Ils atteignent l objectif de rénovation (étape de vérification) ; Ils constituent des solutions pertinentes dans le cadre du projet (étape de restrictions). Cette bibliothèque ne comporte qu une seule étagère, correspondant au logement à rénover, et dans 6 Ici, le meilleur pack en énergie primaire est forcément celui où l on a usé de toutes les meilleures briques bâti dont on dispose, et utilisé les systèmes dont le rapport facteur de conversion sur rendement est le plus bas. Mais bien souvent, ce simple objectif n est pas réaliste : on va vouloir tenir compte également des coûts, ou des émissions de CO2, et la notion de «meilleur pack» ne sera alors plus définie. C est pour ces cas que la présente méthode a été conçue. 7 Ici, on voit une manière de prendre en compte indirectement des critères économiques : ce n est pas qu il est impossible d installer un plancher chauffant dans une maison qui n en avait pas, par exemple, mais c est très coûteux, surtout s il n est pas prévu de travailler l isolation du plancher. Pour autant, ce coût supplémentaire peut être difficile à chiffrer.

51 51/147 laquelle seraient stockés ensembles tous les packs de rénovation possibles DESCRIPTION POUR UNE TYPOLOGIE La détermination de bouquets de travaux à l échelle d un logement individuel par une méthode telle que celle présentée dans cette note présente peu d intérêt vis-à-vis d une étude thermique personnalisée. L intérêt en revanche est de pouvoir appliquer cette méthode à l ensemble d un parc, dont les logements ne seront a priori pas identiques mais qui pourra être divisé en typologies au sein desquelles les maisons seront similaires les unes aux les autres Principe général L idée générale est de caractériser chaque typologie par un logement type, et de reproduire la méthode pour chaque logement (voir Figure 26). Toutefois, un grand nombre d étapes peut être mutualisées : de fait, la phase de combinaison est toujours la même, l objectif de manière générale pourra ne pas varier en fonction des logements, et les restrictions également sont supposées être générales. Ainsi, la seule étape de la méthode qui varie est la phase de calcul des qualités des packs, puisque ceux-ci sont appliqués à des logements différents. Toutefois, cette étape se trouvant en amont de la méthode, elle influe sur toute la suite.

52 52/147 Figure 26 : application de la méthode de conception des bouquets de travaux à une typologie sans adaptation On applique donc bien la méthode autant de fois qu il y a de logement représentatif de typologies, mais ces multiples applications ne sont pas réalisées de manière décorrélée Etape de récurrence En issue de notre méthode, on obtient un jeu de bouquets de travaux par typologie. Eventuellement, ces jeux peuvent différer les uns des autres. Or, dans le cadre d une opération de rénovation et dans un souci d industrialisation et de reproductibilité, on peut être amené à ne vouloir retenir que le ou les bouquets qui vérifient notre objectif de rénovation pour toutes les typologies. Si l on a un grand nombre de typologies et que cette volonté paraisse, de ce fait, utopique, on peut être amené à sélectionner le ou les bouquets qui fonctionnent pour un grand nombre de typologies : il s agira alors en somme de regrouper les typologies en leur trouvant des bouquets communs. L idée directrice dans ce cas est de ne pas prendre en compte les bouquets de travaux qui ne vérifieraient l objectif de rénovation que pour un petit nombre de typologies, ce nombre étant à fixer par l utilisateur. Pour répondre à cette question, il est donc intéressant de regrouper dans un tableau les typologies en colonne et les packs candidats en ligne, chaque cellule prenant la valeur «oui» ou «non» suivant que le pack correspondant vérifie ou non l objectif de rénovation pour la typologie concernée. On est alors en mesure de visualiser combien de fois chaque bouquet de travaux vérifie l objectif de rénovation, et dans quelles typologies. Cette opération est détaillée dans l Exemple 2. L étape ainsi réalisée est donc une étude de récurrence. Exemple 2 : étude de récurrence Supposons le cas simplifié ou l on ne dispose que de 5 typologies et 6 packs de solutions. Le tableau reliant packs candidats aux typologies pourrait être de la forme ci-dessous : Typologie 1 Typologie 2 Typologie 3 Typologie 4 Typologie 5 Pack 1 X Pack 2 X X Pack 3 X X Pack 4 X X X Pack 5 X X Pack 6 X X Chaque croix représente le fait que, pour la typologie correspondante, le pack vérifie l objectif de rénovation et a passé l étape de restriction. Sans soucis de simplification et d industrialisation, ce tableau peut tout à fait constituer la bibliothèque des solutions, et il est complètement envisageable de s arrêter là. Dans le cas idéal, certains packs seraient valables quelles que soient les typologies : ce seraient alors ces packs qu il faudrait mettre en œuvre en priorité. Dans cet exemple, ce n est pas ce qui se passe. Identification d un pack unique (par typologie) «le plus récurrent» On peut alors par exemple commencer par rechercher le pack le plus récurrent. Dans notre cas, c est le n 4. Il est valable pour les typologies 1, 2 et 3. Nous pouvons donc le retenir pour ces

53 53/147 typologies, et ne nous préoccuper que des autres. Pour les typologies restantes, recherchons de nouveau le pack le plus récurrent : il s agit du pack n 2. Ici, il convient à toutes les typologies restantes (4 et 5). Sinon, nous aurions pu continuer à procéder ainsi par itération : rechercher le pack le plus récurrent, l associer aux typologies correspondantes, puis recommencer l opération pour les typologies restantes. Si l on s en tient à cette étude uniquement, on a donc bien un pack pour chaque typologie. Le tableau simplifié qui constituerait notre bibliothèque de solutions deviendrait alors : Pack 1 Typologie 1 Typologie 2 Typologie 3 Typologie 4 Typologie 5 Pack 2 X X Pack 3 Pack 4 X X X Pack 5 Pack 6 Identification de plusieurs packs Par ailleurs, l objectif de la méthode n est pas forcément d identifier un pack unique. Au contraire, plusieurs variantes sont éventuellement souhaitables, pour correspondre à la réalité du terrain. A ce titre, il n est pas indispensable de trancher entre l une ou l autre solution s il y avait des cas d égalité dans la recherche du pack «le plus récurrent». L essentiel est simplement de pouvoir proposer a minima un pack par typologie. Dans la perspective de proposer plusieurs packs, il ne faut pas oublier que le tableau sans simplification reste la réponse la plus large possible. Si l on souhaite simplifier, il faut donc savoir dans quel but. Identification de plusieurs packs : approche par un minimum d occurrence Une nécessité peut être celle d éviter des solutions «marginales», allant à l encontre d une logique de reproductibilité. Dans ce cas, une bonne méthode est d éliminer du tableau tous les packs qui sont valables dans moins d un nombre fixé de typologies. Si l on fixe ce nombre à 2, alors le tableau simplifié constituant la bibliothèque deviendrait le suivant : Pack 1 Typologie 1 Typologie 2 Typologie 3 Typologie 4 Typologie 5 Pack 2 X X Pack 3 X X Pack 4 X X X Pack 5 X X Pack 6 X X Le pack 1 n est plus jamais retenu. Identification de plusieurs packs : approche par regroupement logiques Il peut être aussi intéressant de rechercher des packs communs pour répondre à des typologies

54 54/147 similaires. Ici, la recherche des packs les plus récurrents amène à regrouper les typologies 1, 2 et 3 d une part, 4 et 5 d autre part, mais ces typologies sont peut-être très différentes. Au contraire, on peut mener l étude de récurrence (c est à dire rechercher le pack le plus récurrent) sur un nombre réduit de typologies ayant un point commun. En pratique, ces points communs pourront être la zone climatique, la surface, le nombre de niveaux, la période de construction, l énergie de chauffage, etc. Ici, imaginons que regrouper les typologies de numéro pair d une part et impair d autre part ait du sens. Pour les numéros pairs, le pack n 3 est toujours val able. Pour les numéros impairs, il n y a pas de pack toujours valable, les packs 5 et 6 sont les plus récurrents. Si l on s en tient à ces éléments, le tableau peut alors être simplifié comme suit : Pack 1 Pack 2 Typologie 1 Typologie 2 Typologie 3 Typologie 4 Typologie 5 Pack 3 X X Pack 4 Pack 5 X X Pack 6 X X Ces regroupements logiques ne doivent pas être nécessairement systématiques : rien n empêche, si aucun pack n est vraiment récurrent pour un regroupement donné, de procéder également à l étude de récurrence présentée en premier dans cet exemple de manière à pourvoir ce regroupement-là d un pack, et de par ailleurs trouver d autres packs par regroupement logiques lorsque cela est possible. Conclusion Les 3 démarches proposées ci-dessus sont bien évidemment complémentaires. On pourra par exemple d abord rechercher les packs les plus récurrents, puis éliminer les moins récurrents et, pour compléter la bibliothèque, voir si certains packs ne sont pas pertinents dans le cadre de regroupements logiques de typologies. Il est important de noter qu une part de subjectivité entre dans l étude de récurrence, dans la mesure où, sur la base d une comptabilité déterministe, l utilisateur est amener à fixer lui-même les règles du jeu qui font qu un pack est retenu ou non en fonction de son nombre d occurrence pour des typologies données. Enfin, insistons sur le principe suivant : si un pack est très peu récurrent, il est probable qu il vérifie «juste» l objectif de rénovation lorsqu il est valable. Au contraire, s il est très récurrent, il sera certainement au-delà de l objectif dans bien des cas. Ici par exemple, en reprenant notre premier tableau, il semble qu il soit plus facile d atteindre l objectif de rénovation pour la typologie 1 (4 des 6 packs sont valables, contre 2 seulement pour les autres typologies). Par conséquent, le pack 4 permettra peut-être d atteindre juste l objectif pour les typologies 2 et 3, mais sans doute plus largement pour la typologie 1. Au contraire, ne pas considérer le pack n 1 c est éviter de prendre en compte une solution qui permet difficilement d atteindre l objectif, pour un cas isolé où les contraintes sont sans doute moindres. La simplification par l étude de récurrence va donc dans le sens d un renforcement des exigences. En intégrant cette étape, qui constitue donc l étude de récurrence, la méthode peut être représentée comme sur la Figure 27.

55 55/147 Figure 27 : déroulement de la méthode pour une typologie de logements RECHERCHE D OBJECTIF Il n est pas toujours évident de savoir quel objectif viser dans le cadre d une rénovation, en particulier, comment être à la fois réaliste et ambitieux? On ne peut pas pour autant souhaiter simplement déterminer les packs «optimaux», les plus performants et les plus pertinents, sans savoir à quoi correspond cette notion d optimum. packs de travaux? C est justement l impossibilité de cette définition qui pousse à la nécessité de fixer un objectif quantitatif. La méthode prévoit une étape supplémentaire qui vient se greffer sur le déroulement décrit plus haut et qui peut permettre d éclairer le choix de l objectif (voir Figure 28). Il s agit en somme de tester la faisabilité et l équité de différents objectifs possibles, pour ne retenir que le plus pertinent dans le cadre des packs appliqués d une étude bien précise. Cette étape permet par ailleurs de simplifier encore la recherche des packs par réduction du nombre de typologies, ce qui sera présenté dans le chapitre suivant (chapitre 3.2.4) Elaboration d une liste d objectif La méthode nécessite tout de même d avoir une idée des objectifs pertinents. Tout d abord sur quelles grandeurs souhaite-t-on travailler : les consommations en énergie finale? primaire? les émissions de CO 2? la performance du bâti? les coûts? etc. Une fois la ou les grandeurs cibles déterminées, il s agit de bien définir les indicateurs ou qualités correspondantes. De fait, si l on sait que l on travaille sur l énergie primaire, par exemple, cela peut encore s exprimer de différentes manières : valeur, étiquette DPE, saut d étiquette, facteur de gain par rapport à l état existant, etc. Enfin, il faut quantifier pour chaque qualité quelles valeurs sont pertinentes. Pour cela, il s agit surtout de ne pas perdre de vue le niveau d ambition recherché. Par exemple, si l on décide de travailler sur des étiquettes en énergie primaire, on peut tester trois objectifs (A, B et C) mais tester des objectifs moins ambitieux n a peut-être pas de sens. Notons bien que l on peut tout à fait définir un grand nombre d objectifs différents, et que chaque objectif peut avoir différentes composantes (par exemple une composante énergétique et une composante carbone) Test des objectifs : étude de sensibilité Une fois cette gamme d objectifs définie, il s agit de tester si ces objectifs sont : Ambitieux Réalistes Equitables

56 56/147 Le caractère «ambitieux» implique que l on n ait pas un grand nombre de bouquets de travaux possibles pour réaliser cet objectif. De fait, si l on dispose d un grand nombre de solutions, c est sans doute que l objectif de rénovation est «facile à atteindre». Le caractère «réaliste» est garant de faisabilité : il ne s agit pas non plus de promouvoir un objectif pour lequel il n existe pas de solution! Le caractère «équitable» correspond à un souci de globalité : il peut être problématique de considérer un objectif très facile à atteindre pour certaines typologies et très difficile à atteindre pour d autres (par exemple des objectifs sur le besoin suivant les zones climatiques). Si l objectif n est pas équitable visà-vis d un ou plusieurs paramètres définissant les typologies (zone climatique, surface habitable, etc.) on sera amené à définir des objectifs différents pour chaque typologie, ou des objectifs modulés (de type BBC). Ces trois caractères vont être testés sur chaque pack appliqué. Autrement dit, pour chaque objectif, en faisant varier les typologies, on va tester pour chaque pack appliqué s il vérifie ou non l objectif donné. De manière encore plus précise, il s agit : de fixer l un des objectifs possibles de déterminer tous les paramètres qui permettent de définir les typologies de faire varier un à un et sur des plages pertinentes ces paramètres, par rapport à une situation de référence pour chaque jeu de paramètre (i.e., normalement, chaque typologie) de noter combien de packs vérifient l objectif de rénovation enfin, d itérer sur les objectifs On itère ainsi sur les objectifs, sur les typologies et enfin, indirectement, sur les bouquets de travaux. Ce procédé ne doit pas effrayer par sa lourdeur. Il est alors possible de mesurer la sélectivité de chaque objectif, c est à dire le nombre de packs qui permettent d attendre cet objectif. On peut ramener ce nombre au nombre total de packs proposés par combinaison, et exprimer la sélectivité en pourcentage (ou pour-mille) de packs atteignant l objectif. Si l objectif est très sélectif, il est ambitieux S il n est jamais trop sélectif (aucun pack ou presque), il est réaliste S il est également sélectif pour toutes les typologies, il est équitable Bien souvent, on ne trouvera pas d objectif parfaitement ambitieux, parfaitement réaliste et parfaitement équitable. Mais l on peut via cette étude choisir, de manière éclairée, l objectif le plus pertinent. En tout état de cause, il faudra a minima qu il soit parfaitement réaliste. La démarche à mettre en place est illustrée par l Exemple REDUCTION DE TYPOLOGIES Il peut également être intéressant de réduire le nombre de typologies différentes afin de limiter le temps d application de la méthode. On peut avoir été amené à distinguer un grand nombre de typologies pour représenter des logements aux caractéristiques réellement différentes, mais ces différences peuvent s avérer neutres du point de vue de l objectif recherché. En effet, il est par exemple plus difficile d atteindre une certaine étiquette énergie suivant la surface habitable, mais en revanche, il peut être aussi facile d atteindre un facteur de division des consommations quelle que soit cette SHAB. Si l on choisit ce second objectif, il n est alors pas forcément pertinent de retenir la SHAB comme un paramètre sensible, autrement dit, il n est pas pertinent de distinguer deux typologies qui ne différeraient que par la surface habitable. Une fois fixé l objectif de rénovation, les résultats de l étude de sensibilité permettent de voir quels paramètres sont sensibles par rapport à notre objectif. On ne retient alors plus que ceux-là pour reconstituer des typologies «réduites» que nous nommerons contextes. On peut alors remplacer les logements représentatifs de chaque typologie par des logements

57 57/147 représentatifs de chaque contexte, ces seconds logements étant logiquement à piocher parmi les premiers.

58 58/147 Exemple 3 : étude de sensibilité Supposons le cas simplifié ou l on ne dispose que de 3 paramètres et trois objectifs à tester. Pour les paramètres : Zone climatique : H1, H2 ou H3 Période de construction : avant 74 ou après 74 Surface habitable : moins de 75 m², 75 à 150 m², plus de 150 m² Cela définit donc = 18 typologies. Nous allons définir un cas «témoin», de préférence celui qui est le plus représenté dans notre parc. Supposons qu il s agisse ici de la typologie zone H1, avant 74, 75 à 150 m². C est par rapport à ce témoin que nous ferons varier chaque paramètre (ceci par soucis de simplification, mais on peut bien sûr effectuer l étude de sensibilité sur l ensemble des typologies, les résultats étant alors plus difficile à exploiter cependant). Pour les objectifs, nous les désignerons simplement par des numéros de 1 à 3. Enfin, supposons que dans notre cadre, les résultats de l étude de sensibilité soient ceux proposés ci-dessous (les pourcentages correspondent au pourcentage de packs qui passent l objectif pour la typologie donnée, ramené au pourcentage de packs candidats). Sensibilité à la zone climatique 20% H1* H2 H3 Objectif 1 1% 5% 30 % Objectif 2 8% 20 % 50 % Objectif 3 15 % 8% 9% 15% 10% 5% 0% Objectif 1 Objectif 2 Objectif 3 H1 H2 H3 Sensibilité à la période de construction 20% avant 74* après 74 Objectif 1 1% 1% Objectif 2 8% 2% Objectif 3 15% 8% 15% 10% 5% 0% Objectif 1 Objectif 2 Objectif 3 avant 74 après 74

59 59/147 Sensibilité à la surface habitable 20% <75m ² 75 à 150 m² * 150 m² Objectif 1 0% 1% 1% Objectif 2 5% 8% 15% Objectif 3 15% 15% 17% 15% 10% 5% 0% Objectif 1 Objectif 2 Objectif 3 <75m² 75 à 150 m² 150 m² * Le témoin est indiqué par un astérisque Choix d objectif L objectif 1 est clairement trop ambitieux, il ne peut même jamais être atteint pour une SHAB inférieure à 75 m². Les objectifs 1 et 2 sont remarquablement inéquitables au regard de la zone climatique, mais également au regard des autres paramètres en ce qui concerne l objectif 2. L objectif 3 n est pas parfaitement équitable au regard de la zone climatique et de la période, mais les variations restent raisonnables comparées à celles de l objectif 2. Il est toujours possible, et reste ambitieux surtout en zone H2 et H3 une étude complémentaire pourrait porter sur ces zones spécifiques, alors qu en l occurrence la référence est en zone H1 où notre objectif 3 est le moins ambitieux par rapport aux autres. Ces éléments peuvent amener à choisir l objectif 3 comme objectif de rénovation. Réduction de typologies L objectif 3 est équitable vis à vis de la surface habitable : le nombre de solutions est presque le même quelle que soit la SHAB. La question est de savoir si ces packs sont les mêmes, ou si une variation de SHAB peut être associés à un nombre égal de packs mais de nature différentes. Seule une connaissance du modèle de calcul peut permettre de répondre à cette question. Si l on suppose qu il n y a pas de raison que, de manière générale, les packs qui permettent d atteindre l objectif 3 dans le cas où il y a le moins de possibilités (SHAB < 75 m²) ne se retrouvent pas dans les autres cas, alors on peut estimer que la SHAB n est pas un paramètre sensible, dans la mesure où la liste des packs atteignant l objectif 3 ne varie qu à la marge en fonction de la SHAB. Par soucis de simplification, on peut donc renoncer à inclure ce paramètre dans nos calculs, et remplacer les typologies par des contextes définit par une zone climatique et une période de construction. Ainsi, les contextes sont des ensembles de typologies définis de manière à représenter l ensemble des paramètres sensibles vis à vis de l objectif fixé. Il y a donc ici 6 contextes seulement. Il s agit en sortie de cette étude de procéder à l étape de vérification non plus sur 18 logements représentatifs des typologies, mais sur 6 logements représentatifs des contextes, ce qui coûte naturellement 3 fois moins de temps DESCRIPTION COMPLETE L ensemble des étapes de la méthode est représenté ci-dessous.

60 60/147 Figure 28 : représentation complète de la méthode 3.3 CONCLUSION, RETOUR CRITIQUE, ADAPTATION ET PERSPECTIVES Après l explication du déroulement de la méthode, nous apportons ici quelques éclairages et éléments de compréhension supplémentaires pour bien maîtriser les tenants et les aboutissants de cette méthode et mettre en lumière ses forces, ses points à améliorer, ce qu elle implique et ce dont elle dépend PHILOSOPHIE DE LA METHODE Idée forte Cette méthode repose sur l idée forte de tester un très grand nombre de solutions. Même avec un petit nombre de briques technologiques, on peut par combinaisons obtenir un grand nombre de packs possibles : l idée est justement de tous les considérer, puis de voir lesquels vérifient un objectif donné. Tout l enjeu des étapes suivantes (vérification, restriction et surtout récurrence) est l exploitation synthétique de la grande quantité de données fournies Importance et impact des différentes étapes Comme on la vu, la méthode comporte 4 grandes étapes : 1. Combinaison et calculs 2. Vérification d atteinte d un objectif 3. Restrictions 4. Récurrence Parallèlement, une 5 eme étape peut-être menée avant l étape 2 : l étude de sensibilité. Cette étape est la seule étape qui ne vienne pas réduire le nombre de packs candidats. Les étapes 1 (combinaison et calcul) et 2 (vérification) sont le cœur même de la méthode.

61 61/147 Le but de l étape de restrictions est de permettre l intervention du facteur humain (dire d expert, volontés des différents acteurs, ) pour agir comme garde-fou sur les résultats donnés par les étapes précédentes. Il s agit de ne pas promouvoir des bouquets de solutions déconnectés de la réalité des chantiers du moment, laquelle s appréhende principalement de manière subjective. L étape de récurrence n est pas indispensable à la méthode. Elle permet simplement de post-traiter efficacement les résultats (en grand nombre) des étapes précédentes. En effet, la richesse d exposer toutes combinaisons et calculs associés est également une faiblesse : il n est pas toujours facile de tirer des conclusions de fichiers comportant des milliers de résultats! Enfin, l étude de sensibilité est un surcroît de méthode, et n est donc pas non plus absolument nécessaire. Elle permet d éclairer la définition d objectif de travaux ou de rénovation et de réduire le nombre de typologies. Il est à noter que même dans le cas où l on possède déjà un objectif de rénovation bien défini, l étude de sensibilité est nécessaire à l établissement des contextes en remplacement des typologies. Cette étude ne portera alors plus que sur un seul objectif, l objectif choisi par l utilisateur. Ainsi, une version simplifiée de la méthode pourrait ne comporter que les étapes 1 à 3. On aboutirait alors certainement à un plus grand nombre de possibilités Qu apporte de nouveau cette méthode? La méthode proposée répond au besoin de déterminer des bouquets de solutions d une manière rigoureuse et déterministe. Elle s inscrit en complément de diverses approches : L approche experte : il s agit de proposer une liste réduite de packs à dire d expert, dont on vient calculer dans un second temps les performances. Si celles-ci conviennent, le choix de ces packs est validé. L approche terrain : il s agit de faire la liste des contraintes du projet pour en déduire les solutions portables pour ce cas. Selon le projet, le nombre de solutions restantes peut être plus ou moins réduit. S il y en a peu, on peut les valider par un calcul comme précédemment. Sinon, il faut apporter d autres éléments. L approche commerciale : on dispose d un nombre de briques limitées que l on souhaite porter dans le cadre d une offre commerciale. Il est facile d en déduire les bouquets associés, dont on peut calculer les performances pour validation. Dans les trois cas, il s agit d une logique de validation, on part d un champ de contrainte pour définir les packs, si ce champ est fort, il y a peu de solutions possibles, et l on vient s assurer qu elles sont pertinentes par un calcul final. La méthode proposée s inscrit au rebours de cette logique : elle place au contraire l objectif de performance en amont. On ne peut pas prévoir de manière fine à dire d expert quels bouquets permettent de répondre à un objectif dans un champ de contrainte donné. Inversement on ne peut pas prévoir non plus quels objectifs sont accessibles dans un champ de contraintes données. La méthode propose : 1. De définir les objectifs «intelligents» pour un ensemble de briques technologiques données. L étude de sensibilité est à la fois une étude de faisabilité (qu est-ce qui est accessible? qu est-ce qui n est pas ambitieux?) et une étude d aide à la décision (quels segments du parc et type de bouquets de travaux sont favorisés par le choix d un tel objectif? comment n en favoriser aucun si tel est le souhait?) 2. De mettre en évidence les bouquets qui permettent d atteindre cet objectif : il s agit tout autant de faire émerger des solutions pratiques que de voir apparaître des tendances (quelle énergie favorise l atteinte d un objectif donné? quel effort sur le bâti? etc.). Elle peut donc tout à la fois éclairer le dire d expert et permettre de proposer des résultats finaux. 3. D aller de l industrialisation massive à la maille d un jeu de bouquets différents par typologies définie, via l étude de récurrence : elle offre donc une réponse avec une large profondeur à la question de la constitution de bouquets 4. Enfin, elle est particulièrement pertinente pour mener des approches multicritères avec des volontés contraires. Elle permet par exemple de faire émerger les solutions qui seraient audelà d un objectif de performance et en-deçà d un coût maximum

62 62/147 Ce dernier point est primordial. A dire d expert, on peut toujours estimer qu on va atteindre une certaine performance en proposant des bouquets qui vont aller très au-delà. Pour rechercher les meilleures performances CO2, il paraît évident qu isoler au maximum, installer des systèmes thermodynamiques très performants et des systèmes solaires est une bonne solution. Avec cette approche, on aura toutefois tendance à excéder l objectif (par exemple une étiquette CO2). Si l on ajoute une contrainte en terme de coût d investissement, par exemple, comment trouver le ou les bouquets qui permettent de passer l objectif sans en faire trop et dépasser le budget autorisé? Répondre à cette question en deux temps (est-ce possible et si oui comment?) est précisément l objet de la méthode. Enfin, notons que la méthode ne se coupe pas des approches expert, terrain et commerciales : cellesci sont prises en compte lors du choix des briques d une part, lors des restrictions d autre part Quand ne pas appliquer la méthode? Il peut arriver que l on dispose d un champ de contraintes tel que l ensemble des restrictions suffit presque à définir les bouquets de travaux. Il ne reste plus alors qu à observer les performances des quelques bouquets obtenus par restriction pour choisir les plus pertinents : c est la «logique de validation». Dans ce cas, appliquer la méthode n a aucun sens : si les restrictions ont notablement plus de poids que la vérification d objectif, alors les résultats finaux ne seront le reflet que des restrictions et l on aura consacré un temps inutile aux parties calcul, combinaison et vérification d objectif. Imaginons un exemple de mauvaise pratique : on souhaite appliquer la méthode pour atteindre un objectif d étiquette CEP et CO2. Pour autant, porteur d une volonté forte de valoriser les actes bâti, on impose de travailler sur l ensemble des postes de l enveloppe (murs, combles, ouvrants, planchers). Par ailleurs, on dispose d un nombre de systèmes limité. Sans surprise, les bouquets émergeants après la phase de restrictions sont alors ceux pour lesquels on a tout fait sur le bâti (pourvu qu ils passent l objectif), les variantes ne se faisant que sur les systèmes : ceux-ci étant peu nombreux, cela fait un nombre réduit de bouquets. Ces bouquets auraient pu par ailleurs être conçus «à la main», et il n aurait pas été très coûteux en temps d en calculer les performances. Toute la phase de combinaison, calcul et vérification est inutile. Dans ce cas, il faut donc soit procéder à la «logique de validation», soit remplacer la restriction par des données quantitatives. Une bonne pratique ici serait d intégrer dans l objectif un Ubat maximal, et de ne pas imposer de restrictions sur le bâti : celui-ci serait naturellement performant s il passe l objectif. Les résultats finaux ne serait pas nécessairement différents, mais ils seraient le reflet non pas d un dire d expert mais d un objectif chiffré, et le temps pour obtenir ces résultats serait cohérent avec le nombre d hypothèses fournies. Dans tous les cas, il est nécessaire de bien établir la liste des restrictions avant d appliquer la méthode, et de s interroger ainsi sur le poids de ces restrictions. C est le moyen déterminant pour juger s il est utile ou non d appliquer cette méthode DOMAINE D APPLICATION ET LIMITES Application générale Cette méthode a été conçue pour s appliquer avant tout à la définition de packs de rénovation, et donc avant tout à l existant. Pour autant, rien ne s oppose a priori à son utilisation dans le neuf, avec, à ce moment là, un autre algorithme de calcul que celui de 3CL. Elle peut couvrir tous types de logements, aussi bien dans l individuel que dans le collectif. Enfin, toutes les entrées sont par nature des variables. Ainsi, l utilisateur peut appliquer la méthode : Quelles que soient les briques technologiques, du moment qu elles sont représentables par le moteur de calcul choisi ; Quelles que soient les typologies et contextes retenus, du moment qu elles sont représentables par le moteur de calcul choisi ;

63 63/147 Pour tout objectif quantifiable par le moteur de calcul choisi ; Quelles que soient ses règles de restrictions. La méthode est prévue pour permettre la création d une bibliothèque de solution, dans laquelle les packs sont reliés aux contextes où ils peuvent être appliqués. Cette bibliothèque peut être intégrée dans un outil informatique sous forme de base de données ou d arborescence Le cas de l extension Dans le cadre d une rénovation, l éventualité de l extension reste un point complexe à traiter. En effet, dans ce cas, la morphologie de la maison change. De ce fait, l étape «combinaison et calcul» n est pas des plus évidente : il faut combiner les briques pour obtenir les packs, appliquer ces packs aux typologies, ajouter l extension dont les performances thermiques seront différentes (et qui peuvent être de différentes sortes : agrandissement, étage, ) et calculer la performance globale du résultat obtenu. Il n en reste pas moins possible d appliquer une adaptation de la méthode sur la base d une approximation consistant à ramener les logements composés d une partie ancienne rénovée et d une partie neuve à un logement équivalent du points de vue des performances thermiques du bâti et possédant les mêmes systèmes. Il s agit donc de remplacer les typologies par des typologies équivalentes, et les briques de rénovation bâti par des briques équivalentes. Ces équivalents n ont de sens physique qu appliqués les uns aux autres. On se ramène alors au cas précédent. L Exemple 4 permet de comprendre la démarche à mettre en œuvre.

64 64/147 Exemple 4 : traitement des cas d extension Supposons le cas simplifié ou l on ne dispose que d un logement de Umur ex=1,5 W/m²K pour une surface de mur Smur ex = 80m². Après rénovation et extension on effectue les actes suivants : La surface de mur passe à 100m², dont 70m² d existant (10m² ont été détruits) La résistance additionnelle sur l existant est de 2,4 m²k/w Le U pour la partie neuve est Umur neuf = 0,3 W/m²K En conclusion, au final, le U équivalent pour les 100m² est donné par : U eq_après = (Smur ex_après x Umur ex_après + Smur neuf x Umur neuf ) / Smur _après Soit : U eq_après = [70 x (1/[2,4+1/1,5]) + 30 x 0,3]/100 = 0,32 W/m²K Le principe de recherche d une typologie équivalente est de supposer que l extension est réalisée avant la rénovation. On définit ainsi le U équivalent avant travaux : U eq_avant = (Smur ex_après x Umur ex_avant + Smur neuf x Umur neuf ) / Smur _après U eq_avant =1,14 W/m²K Ainsi, pour cette rénovation/extension tout se passe comme si sur un mur de 100m², de U=114 W/m²K, on appliquait une isolation de R=1/ U eq_après 1/ U eq_avant = 2,25 m²k/w : c est notre brique technologique équivalente. Ni le logement dont la surface de mur fait 100m² dont 30% en neuf, ni la brique «isolation avec R=2,25» n ont de sens dans la réalité des travaux à représenter. En revanche, l application de cette brique à ce logement correspond à un véritable état après rénovation. On comprend bien toutefois avec cet exemple comment la multiplicité des possibilités d extension et de rénovation entraîne la multiplication des calculs d équivalences et donc une lourdeur forte dans la méthode. De manière générale, on peut aussi chercher à mesurer l erreur commise en considérant que tout se passe comme s il n y avait pas d extension, et voir a priori ce que cela implique sur l objectif de rénovation. Imaginons par exemple un objectif de rénovation en étiquette énergie. Si l on rénove sans extension, il va être plus difficile d atteindre l objectif qu en prenant en compte l extension : l augmentation de surface va en effet dans le sens de la diminution des besoins ramenés au m², donc de l amélioration de l étiquette. Dans ce cas, on peut d autant plus légitimement ne pas se poser la question de l extension que cela va dans le sens du renforcement des exigences.

65 65/ CONCLUSION GENERALE Les travaux menés dans le cadre du projet ODMIR4 ont permis de définir, d évaluer et de capitaliser (dans une base de données type Access) des briques technologiques adaptées à la rénovation des maisons individuelles. Et, même au-delà, de proposer des solutions pour en optimiser la performance énergétique comme cela a été le cas pour le couplage d une PAC R/R avec des sources d air tempérées. L influence de la perméabilité à l air des maisons sur la performance énergétique a été mise en évidence. Les résultats ont montré qu il était essentiel dans une maison individuelle équipée d un système de ventilation mécanique, de travailler à améliorer l étanchéité à l air du bâti pour diminuer la part des débits d infiltrations, source de déperditions énergétiques notables. Les éléments à considérer pour la mise en œuvre de l amélioration de la perméabilité sont en particulier l amélioration de l étanchéité des équipements électriques (prises, interrupteurs tableau électrique ), des coffres de volets roulants, des trappes d accès aux combles, des portes d entrée par remplacement des joints ou colmatage. Par ailleurs, l impact de la gestion du chauffage tant sur les aspects régulation que programmation a été étudié. L option retenue est de sensibiliser le client Phénix Evolution sur cet impact, sachant que sa prise en compte est implicite dans les rendements globaux d installations qui ont été établis et intégrés au cœur de calcul de l outil ODMIR4. En effet, les équipements de chauffage et de production d ECS ont été modélisés afin de déterminer les nouveaux rendements d installations qui ont été implémentés dans l outil ODMIR4. En ce sens, les briques «équipements» ont été évaluées et leur influence sur les performances énergétiques après rénovations démontrées. Malgré l incertitude dont sont entachés ces résultats, il ne faut pas perdre de vue la dispersion des rendements associés à des machines de différents constructeurs. Cette dispersion engendre une imprécision qui détermine la finesse qu il est raisonnable de rechercher dans notre approche. Ces nouveaux rendements pourraient venir en remplacement des rendements actuellement utilisés par la méthode 3CL qui, dans l état, ne représentent pas la performance des équipements récents. Enfin ces travaux ont permis de mettre au point une méthode ayant pour objectif de définir des packs de rénovation en s appuyant sur des éléments déterministes et quantifiables. La clef de discrimination des bouquets à retenir finalement est ainsi un objectif chiffré. La méthode propose : 1. De définir les objectifs «intelligents» pour un ensemble de briques technologiques données. L étude de sensibilité est à la fois une étude de faisabilité (qu est-ce qui est accessible? qu est-ce qui n est pas ambitieux?) et une étude d aide à la décision (quels segments du parc et type de bouquets de travaux sont favorisés par le choix d un tel objectif? comment n en favoriser aucun si tel est le souhait?) 2. De mettre en évidence les bouquets qui permettent d atteindre cet objectif : il s agit tout autant de faire émerger des solutions pratiques que de voir apparaître des tendances (quelle énergie favorise l atteinte d un objectif donné? quel effort sur le bâti? etc.). Elle peut donc tout à la fois éclairer le dire d expert et permettre de proposer des résultats finaux. 3. D aller de l industrialisation massive à la maille d un jeu de bouquets différents par typologies définie, via l étude de récurrence : elle offre donc une réponse avec une large profondeur à la question de la constitution de bouquets 4. Enfin, elle est particulièrement pertinente pour mener des approches multicritères avec des volontés contraires. Elle permet par exemple de faire émerger les solutions qui seraient audelà d un objectif de performance et en-deçà d un coût maximum Le projet ODMIR4 n offre donc pas une illustration complète du potentiel de la méthode en tant qu approche multi-critère, mais donne une bonne illustration de sa mise en œuvre et de son potentiel pour la définition d objectif pertinent avant tout et pour la définition de packs de rénovation permettant d atteindre cet objectif dans un second temps.

66 66/147 ANNEXE 1 : EXEMPLE DE FICHE BRIQUE DE RENOVATION

67 67/ ANNEXE 1 : EXEMPLE DE FICHE BRIQUE DE RENOVATION Appellation : Pompe A Chaleur eau/eau et sol/eau Définition : Générateur thermodynamique utilisant les propriétés d évaporation et de condensation d un fluide frigorigène. Fonctionnement : Le générateur thermodynamique récupère les calories contenues dans l eau ou le sol grâce à l évaporation d un fluide frigorigène. Devenu gazeux, le fluide est comprimé par un compresseur, il monte en température et cède ses calories en se condensant dans le condenseur par échange avec le fluide qui assure le chauffage du logement. Après détente, il redevient liquide et le cycle recommence. La pompe à chaleur puise la chaleur de deux manières différentes : Récupération de la chaleur dans le sol La chaleur est prélevée dans le sol à l'aide : o Soit d'un capteur horizontal composé d'un réseau de tubes enterré dans le sol à faible profondeur (de 0.6m à 1.2m). Pour cela, il est nécessaire de disposer d'une surface de terrain d'environ 1.5 fois la surface à chauffer sur laquelle aucune plantation avec des racines profondes ne pourra être réalisée. o Soit d'un capteur vertical composé de sondes qui peuvent atteindre une profondeur d'environ 100 mètres. L'installation des sondes verticales est soumise, selon la région, à déclaration ou à autorisation préalables. Informations complémentaires à collecter auprès de la Direction Régionale de l'industrie, de la Recherche et de l'environnement (D.R.I.R.E.) ou auprès de la préfecture. Récupération de la chaleur dans l eau La chaleur est prélevée dans une nappe phréatique par pompage puis amenée dans un échangeur eau/eau avec l évaporateur de la PAC. L eau refroidie est ensuite réinjecter par un autre puits dans la nappe phréatique. Les forages nécessaires au puisage et à la réinjection de l eau doivent être garantis sur la ressource en eau souterraine par une procédure Aquapac. Capteurs enterrés horizontaux eau glycoléeeau PAC sur eau de nappe

68 68/147 Installation : La pompe à chaleur s'installe généralement à l'intérieur du logement (cave, buanderie, garage). Très performant, cet appareil peut chauffer l'ensemble du logement. Schéma de principe : Energie utilisée : Electricité Domaine d applicabilité : Dans le cadre d une rénovation, solution plutôt réservée aux installations de chauffage individuel déjà équipées d un plancher chauffant existant. L utilisation d un circuit de radiateurs est possible si le dimensionnement des radiateurs permet de baisser la température d eau sans créer d inconfort. Dans ce cas, la pompe à chaleur (PAC) sol-eau ou eau-eau vient remplacer la chaudière existante. Jonction avec d autres briques : Possibilité d un couplage avec une installation de production d ECS. Coût de la mise en œuvre : Le prix dépend notamment du type de pompe à chaleur et du type d'émetteurs de chauffage installé dans le logement. Pour une pompe à chaleur récupérant l'énergie dans le sol ou l'eau alimentant un plancher chauffant rafraîchissant, les prix sont compris en moyenne, selon les caractéristiques techniques, entre 100 et 150 TTC par m² de surface chauffée. Délai de la mise en œuvre : En fonction de l installation existante (réseau de distribution existant ou non). Facilité de la mise en œuvre : Moins facile à mettre en œuvre qu une PAC air/air, nécessité de réaliser un forage dans cas d un puisage en nappe ou d un fonctionnement sur capteurs enterrés verticaux. Travaux de terrassement nécessaires pour les solutions sur capteurs enterrés horizontaux. Faisabilité (autorisation, disponibilité de la source, ) : Encombrement (contraintes particulières, ) : Surface extérieure libre de plantations, de taille équivalente à celle de la surface chauffée pour les capteurs enterrés horizontaux. Durée de vie du produit : 16 ans (cf. certificats d économies d énergie). Maintenance : Non obligatoire, il est cependant conseillé de souscrire un contrat d'entretien pour conserver un fonctionnement optimal de l'installation. Equiper les circuits de filtres et les nettoyer régulièrement. Performance énergétique : Pour 1 kwh consommé, une PAC restitue de 3 à 4 kwh (COP pour coefficient de performance). Emission de gaz à effet de serre : Performances en CO 2 à préciser mais cependant la PAC est très bien placé sur ce critère en raison du recours aux énergies renouvelables (sol ou eau comme source froide ou chaude), à l électricité pour le fonctionnement du compresseur et au rendement (COP) de la machine. L outil de simulation envisagé : TRNSYS, outils réglementaires, outils CSTB, ARMINES, EDF R&D. Industrialisation : Utiliser des produits ayant un PV d'essai du CETIAT ou la certification EUROVENT. Commentaires : Prévoir l'adaptation du tarif d énergie électrique avec l option Heures Creuses ainsi qu une augmentation de la puissance souscrite.

69 69/147 Avantages Diminution du coût du chauffage grâce à la chaleur gratuite récupérée dans le sol ou l eau. Suppression de la chaudière et de sa combustion avec flamme et du conduit de cheminée. Valorisation du bien immobilier grâce à l'argument d'un système de chauffage économique et relevant du domaine des énergies renouvelables. Possibilité d assurer le confort d été dans le cas d un système réversible Inconvénients Surface extérieure libre de plantations, de taille équivalente à celle de la surface chauffée pour les capteurs enterrés horizontaux. Perte de hauteur sous plafond si création d'un plancher chauffant sur sol existant. Critère Appréciation CO2 économisé Economie d'énergie Amélioration du confort Facilité de mise en œuvre Rentabilité des travaux Coût des travaux

70 70/147 ANNEXE 2 : COUPLAGE PAC ET SOURCES D AIR TEMPEREES

71 71/ ANNEXE 2 : COUPLAGE PAC ET SOURCES D AIR TEMPEREES 6.1 CAHIER DES CHARGES ET CONTRAINTES Le cahier des charges du modèle établi au cours des travaux précédents est le suivant: Modéliser le COP et la puissance calorifique fournie par le système en fonction de la température des sources chaudes et froides, Prendre en compte les phénomènes de givrage, Prendre en compte le fonctionnement à charge partielle du système, Prendre en compte la consommation des auxiliaires. Le choix du modèle s étant fait sous certaines contraintes : Précision des résultats et sensibilité aux paramètres de conception Temps de calcul adapté au modèle de thermique du bâtiment Polyvalence Accessibilité des données de paramétrage

72 72/ MODELE EMPIRIQUE DE PAC Modèle 8 Modèle Consoclim [ROUJ2003] Modèle BLAST [ALLE1983] [KNEB1983] Modèle DOE-2 [DOE1982] [KNEB1983] [ASHR2005] Méthode Th-CE 2005 [THCE2006] Équations Modèle de puissance calorifique calo 1 A 1. Tint Tint_nom A 2. T P P = + + calo_nom ( ) ( ext Text_nom ) ( ) ( ) Modèle de COP Pabs Pabs =.1+ B 1. T+ B 2. T Pcalo Pcalo nom ext ext T= ( T ) ( T Tint Tint )nom Modèle de puissance calorifique calo B1 B 2. T B 2. T2 P P = + + calo_nom T= ( ) ( T ) ext Text_nom Tint Tint_nom Modèle de COP = COP 1 P P abs calo = K 1 2 ( ) abs calo calo. C C 2. C 3. P P P calo nom calo_nom P P P calo_nom Modèle de puissance calorifique calo a0 a 1.T ext a 2.T 2 3 int 4 2 ext a.t a.tint a 5.Text. P P = calo_nom Modèle de COP COP nom = c0+ c 1.T ext+ c2.t 2 3 int 4 2 ext+ c.t + c.t + int COP Modèle de COP c5.t ( COP+ 7 COP 7,degiv ) ( ) COP3 0, COP 14 COP 7,degiv COP 7,ssdegiv = 0,93 Au dessus de 7 C ( COP+ 7 COP 7,ssdegiv ) COP θ e= ( θe 7 ) + COP Entre 3 C et 7 C ( COP+ 7 COP+ 3) COP θ e= ( θe 7 ) + COP = + 7 ext T. T int int En dessous de 3 C COP+ 3 COP COPe= 10 ( 7,degiv ) ( ) 7,degiv θe+ 7 θ + COP Modèle Gordon et Ng [GORD2000] Modèle de COP T T ( 1 ) T. Qleak ext int eqv ( Tint Text ) 1 R. calo + = ( 1 ) ext.1 + int int calo int COP P S calo T.P T P COP 8 Pour les références, voir Bibliographie.

73 73/147 Modèle 8 Méthode du ratio constant Équations COP COP COP Carnot Carnot COP= K. = K = int T T int Text Tint T int T ext

74 74/ NOMENCLATURE Nom Description Unité min max défaut A1, A2, B1, B2 coefficients de régression identifiant le modèle de fonctionnement à pleine charge sous conditions non nominales en mode chauffage P calo_pc puissance calorifique délivrée par la PAC à pleine charge dans W 0 + P calo_nom P calo les conditions non nominales puissance calorifique délivrée par la PAC à pleine charge dans les conditions nominales puissance calorifique délivrée par la PAC tenant compte de la dégradation de performance due au givrage de l échangeur extérieure P abs_pc puissance absorbée (compresseur + ventilateur + veille) à W 0 + P abs_nom P abs pleine charge dans les conditions non nominales puissance absorbée (compresseur + ventilateur + veille) à pleine charge dans les conditions nominales puissance absorbée (compresseur + ventilateur + veille) tenant compte du fonctionnement à charge partielle de la PAC T int température d entrée d air au niveau de l échangeur de l unité intérieure C T int_om température d entrée d air au niveau de l échangeur de l unité 20 C intérieure dans les conditions nominales T ext température d entrée d air au niveau de l échangeur de l unité extérieure C T ext_nom température d entrée d air au niveau de l échangeur de l unité 7 C extérieure dans les conditions nominales T s_int température d air à la sortie de l échangeur de l unité intérieure C B ch besoins de chauffage de la zone à chauffer W C d coefficient de dégradation prenant en compte les pertes de puissance calorifique dues au cycle de dégivrage C CP coefficient de charge partielle permettant de prendre en compte l évolution des performances lors du fonctionnement à charge partielle du système τ taux de charge partielle 0 1 α part de la puissance des éléments de veille par rapport à la puissance totale de la pompe à chaleur % 1 à 2 %

75 75/ EVOLUTION DES TEMPERATURES 1) Vide sanitaire

76 76/147 2) Véranda

77 77/147 3) Ventilation double flux

78 78/147 3) Puits canadien

79 79/147 4) Combles

80 80/ BIBLIOGRAPHIE [ALLE1983] Allen J.J and J.F. Hamilton. Steady-State reciprocating water chiller models. ASHRAE Transactions, vol. 89, part 2A, pp, [ASHR2005] ASHRAE. Energy estimating and modeling methods. Chapter 32, The ASHRAE Handbook 2005.CD, Fundamentals, SI Edition. [DOE1980] DOE DOE-2: Reference Manual, Part 1, Version 2.1, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, [GORD2000] Gordon J.M. and K.C Ng. Cool thermodynamics. Cambridge international science publishing [KNEB1983] Knebel David. Simplified energy analysis using the modified bin method. ASHRAE, [RIVI2007] Riviere Philippe EcoDesign European Project.Preparatory study on the environnemental performance of residential room air conditioning appliance (airco and ventilation). Technical analysis of existing products. Draft report of Task 4 (V4). October 2007 [ROUJ2003] Roujol Stéphane. Méthodes de calcul prévisionnel des consommations d'énergie des bâtiments climatisés - Incertitudes et validation. Thèse de doctorat en énergétique, École des Mines de Paris, 16 décembre [SCHI2000] Schibuola Luigi Heat pump seasonal performance evaluation: a proposal for european standard. Applied Thermal Engineering 20 (2000): [THCE2005] Réglementation thermique Règles Th-CE 2005,Version 7.3, 15 mars En ligne:

81 81/ ALGORITHME DE CALCUL

82 82/ DONNEES CONSTRUCTEURS Pompe à chaleur air-air DAIKIN - Unité intérieure

83 83/147 Pompe à chaleur air-air DAIKIN - Unité extérieure

84 84/147 Pompe à chaleur air-air DAIKIN - Tableau de puissances

85 85/147 ANNEXE 3 : MODELISATION SOUS SIMBAD ET SIMULATION DES AUTOMATISMES Coordinateur du projet :

86 86/ ANNEXE 3 : MODELISATION SOUS SIMBAD ET SIMULATIONS DES AUTOMATISMES 7.1 CARACTERISTIQUES DES MAISONS SIMULEES SOUS SIMBAD PLANS DE LA MAISON RECTANGULAIRE Les plans suivants sont fournis par Phénix Evolution. Cette maison est de plain pied comme 93% des maisons Phénix. Plans de la maison Phénix construite avant 1975 La géométrie sera identique pour les trois générations de maisons. L orientation de cette maison est très importante pour le calcul des apports solaires. Le séjour, dont la porte-fenêtre donne plein sud, est la pièce la plus sensible au rayonnement solaire.

87 87/ SURFACE ET VOLUME DE CHAQUE PIECE Les surfaces sont définies ici. La hauteur sous plafond est de 2,5 mètres. Surface (m²) Volume (m 3 ) Chambre Séjour Chambre Chambre Entrée Salle de bains Cuisine (Grenier) Surfaces et volumes des pièces La maison Phénix est pourvue de combles souvent perdues car ni utilisées ni isolées. C est pourquoi le toit ne sera pas modélisé. Il n y a pas d intérêt à ajouter une zone «Grenier», qui ne participe pas aux échanges aérauliques du bâtiment. Les ponts thermiques et les pertes à travers le plafond sont quand à eux considérés CARACTERISTIQUES CONSTRUCTIVES DE L ENVELOPPE Coefficients de transferts thermiques Les coefficients de transferts thermiques U des différentes parois retenues pour les simulations sont donnés dans ce tableau, fourni par le constructeur Phénix. Coefficient de transmission thermique U [W/(m².K)] U max [W/(m².K)] Maison1 Maison 2 Maison 3 Avant 1975 Entre 1975 et 1982 Après 1982 RT2005 Murs extérieurs Cloisons intérieures Plafond Plancher sur vide sanitaire Fenêtres 3mm menuiserie bois Simple Vitrage Fenêtres 4/12/4 menuiserie bois Double Vitrage Maison construite avant 1975

88 88/147 Ces valeurs prennent en compte les échanges convectifs des parois. Autrement dit, on a e U global + λ = h Les valeurs de U max sont les valeurs de la RT2005. Les parois des nouvelles constructions ne doivent pas dépasser ces «garde-fous». On a un aperçu des écarts entre la réalité des maisons existantes (notamment les maisons Phénix) et le cadre réglementaire actuel. Les valeurs de la RT sur l existant (en cours de publication) pourraient nous permettre d avoir une comparaison avec les autres maisons du parc immobilier actuel mais les valeurs ne sont pas encore disponibles. Coefficients de référence Calcul d U bât Il est intéressant de calculer le coefficient U bât des maisons Phénix. C est un coefficient moyen de déperdition par transmission à travers les parois et les baies du bâtiment dont la méthode de calcul est décrite dans la RT2005. Il caractérise tout le bâti. On pourra ainsi comparer plus facilement les trois typologies de maisons Phénix. Ce coefficient se calcule avec cette formule : Où U bât = U i A i + A i 1 1 Ψ L Ψ i : coefficient de transmission thermique linéaire du pont thermique de la liaison j [W/m.K] i i U i : coefficient de transmission thermique de la paroi déperditive i [W/m².K] A i : l aire intérieure de la paroi déperditive [m²] Calcul d Ubât-réf U bât-ref est un coefficient de référence, appelé «coefficient moyen de référence de déperdition par les parois du bâtiment». Il est définit dans la RT2005 et est donc un coefficient de référence pour les bâtiments neufs. Il permet de situer la déperdition par transmission à travers l enveloppe des bâtiments par rapport à une valeur de référence. Cette dernière est calculée en fonction de caractéristiques thermiques de référence des composants d enveloppe. Il se calcule de la même façon que le U bât mais dépend, en plus des caractéristiques géométriques du bâtiment, de coefficients de références climatique). a i (donnés dans l arrêté de la RT et dépendants de la zone

89 89/147 Par définition, on a U a A + a A = + a A + a A + a A + a A + a A + a8l8 + a9l9 + a10l A bât ref A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + A + 6 A L Les i et les i sont respectivement les surfaces déperditives et les linéaires du bâtiment. Résultats A partir de la géométrie détaillée au paragraphe 7.1.1, le calcul des coefficients donne U bât typo W/m²K U bât typo W/m²K U bât typo W/m²K U bât-réf 0.47 W/m²K Soit 2,5 2 2, Ubât [W/m².K] 1,5 1 0,5 Ubât-ref = 0,47 1,10 0,68 Valeur de réf. pour le "neuf" 0 Typo1 Typo2 Typo3 Evolution du coefficient U bât pour différentes maisons Phénix On peut voir que les maisons Phénix deviennent de plus en plus performantes. Plus U bât est faible, meilleure sera l enveloppe. La maison de dernière génération (construction entre 1982 et 2000) se rapproche du cadre réglementaire actuel, c'est-à-dire du U bât-réf.

90 90/ CALCUL DES COEFFICIENTS D ECHANGE AUX PAROIS Résistance superficielle Rs(Rsi et Rse), en m².k/w : Inverse du flux thermique passant par mètre carré de paroi, de l'ambiance à la paroi pour une différence de température d'un kelvin entre celles-ci. Les parois du bâtiment échangent avec l extérieur par convection et par rayonnement. Ces deux échanges thermiques sont regroupés dans un seul terme : la résistance superficielle. Cette résistance s exprime sous la forme R s A défaut d avoir des données spécifiques pour le parc de maisons Phénix, je choisis de prendre les valeurs de la RT Les résistances superficielles données par la RT sont égales à : - 0,13 m²k/w à l intérieur et 0,40 m²k/w à l extérieur pour les parois verticales. - 0,10 m²k/w à l intérieur et 0,04 m²k/w à l extérieur pour le plafond. Coefficient d échange radiatif On distingue maintenant les deux modes de transferts de chaleur pour s intéresser d abord au 3 h 4εσT rayonnement, représenté par le coefficient r qui vaut m et s exprime en W/(m²K). ε = h est l émissivité hémisphérique (corrigée) de la surface. A défaut de valeurs données dans les Avis Techniques, on prend 0,9 ; T m est la température moyenne de la surface et des surfaces environnantes, en K ; Que la paroi soit verticale ou horizontale, les coefficients d échanges radiatifs sont les mêmes. Côté intérieur (T m = 20 C) Côté extérieur (T m = 0 C) h ray W/(m².K) Coefficient d échange convectif Le fichier texte doit être renseigné des valeurs de h c qu on peut obtenir de deux manières. Soit on les calcule à partir des résistances superficielles, soit on utilise des formules issues de la RT2005 (Règles Th-U fascicule 4) et détaillées ci-dessous. Les deux méthodes reviennent sensiblement au même. c 1 + h r 1 Règles Th-U 1/5 et Th-U 4/5

91 91/147 - Pour les faces extérieures de la maison, la formule est la suivante : h conv = v, où v est la vitesse du vent à proximité de la surface, en m/s. - Pour les faces intérieures, les valeurs sont constantes. Côté intérieur (T m = 20 C) Côté extérieur (T m = 0 C, v = 4m/s) Paroi verticale Paroi horizontale flux ascendant 5 20 Paroi horizontale flux descendant Coefficient d'échange convectif hconv pour différentes parois On peut récapituler les échanges convectifs sous la forme suivante h = 24,5 W/m²K * h = 20.0 W/m²K h = 5.0 W/m²K h = 2.5W/m²K Coefficients d échange convectifs de la maison sans toit (en W/m²K) *Afin de prendre en compte l influence du toit et le peu d échanges convectif dans les combles, je choisis de prendre un coefficient convectif égal à 24,5 W/m²K. Cela correspond à un coefficient convectif équivalent, prenant en compte la surface totale des tuiles. Autrement dit on a h S = h S conv équivakent plafond RT totale du toit Cette approche, bien que simplifiée, permet de conserver une conductance du plafond équivalente.

92 92/ PONTS THERMIQUES Les valeurs des linéaires de la maison et les valeurs des coefficients linéiques sont supposées être les mêmes d une génération à une autre de maisons Phénix, ce qui implique que les pertes par ponts thermiques sont égales pour les trois typologies de maisons Phénix. En réalité, on devrait trouver quelques écarts dû aux techniques de construction dépendantes des années mais on ne recherche pas la précision ici. Les valeurs des coefficients linéiques de ponts thermiques sont prises dans les Avis Techniques du CSTB pour les maisons Phénix, datant de Elles ne sont valables que pour des bâtis existants avant 2002 et sans isolation par l extérieur. Type de Ponts Thermiques i Coefficients linéiques [W/m.K] mur / plancher bas sur Vide-Sanitaire 1 menuiseries 0,25 Valeurs des coefficients linéiques de ponts thermiques Pour l outil ODMIR4, l équation choisie pour les ponts thermiques est la suivante Où PT Ψi Li + k = menlmen avec L = 3 S men fenêtres Ψ i : coefficient de transmission thermique linéaire du pont thermique de la liaison j [W/m.K] L i k men : longueur d arrête des murs i [m] : coefficient surfacique des menuiseries [W/m².K] S fenêtre : surface des fenêtres [m²] On trouve alors une valeur de pertes par ponts thermiques égale à 43,4 W/K. 2 Tous les calculs effectués dans cette partie nous permettent de renseigner le fichier texte qui sert d entrée au modèle multizone de Simbad. 2 Avec l outil 3CL, je trouve une valeur de 35 W/K. Il faut cependant accorder plus d importance aux ponts thermiques définis dans des Avis Techniques de maisons Phénix.

93 93/ CLIMAT ET SCENARIOS POUR LES SIMULATIONS SIMBAD Si les caractéristiques thermiques et géométriques de la maison sont des paramètres essentiels de la simulation, les données extérieures au bâtiment telles que le climat ou les apports internes influent également sur les besoins de chauffage ou de refroidissement et doivent être intégrés au modèle CLIMATS Les calculs seront effectués d abord avec les fichiers climatiques de la ville de Trappes (zone H1a, Yvelines) car la plupart des maisons Phénix (70%) ont été construites dans la zone H1. Cependant, pour comparer les besoins en chauffage et en refroidissement, certaines simulations seront réalisées également dans la ville de Nice (zone H3, Alpes-Maritimes) SCENARIOS D OCCUPATION Les scénarios d occupation sont définis dans les règles Th-CE de la RT2005 grâce au tableau suivant. Horaires d occupation Longs Heures par jour 16 (de 0h à 10h et de 18h à 24h) 24h Jours par semaine 5 (lundi au vendredi) Samedi et dimanche Moyens 10 (de 8h à 18h) 5 (lundi au vendredi) Courts 5 (de 9h à 14h) 5 (lundi au vendredi) Scénarios d'occupation (RT2005) Concernant les habitations individuelles, le scénario de référence est le long. 1,2 Scénario d'occupation Occupation 1 0,8 0,6 0,4 0, Heure de la semaine Scénario hebdomadaire d'occupation Autrement dit, la maison est occupée en matinée, en soirée et la nuit. Durant la journée, entre 10 et 18h, on considère la maison vide SCENARIO APPORTS INTERNES Les règles Th-CE 2005 préconisent des apports internes suivant : 5 W/m² pendant les périodes d occupation. Soit un total de 375 W par heure d occupation pour les maisons Phénix de 75m². Ces apports intègrent la présence des habitants (dégageant chacun entre 80 et 100 W), tout l électroménager et plus généralement tout ce qui produit de la chaleur dans une maison. Remarque : Si on double cette valeur (c'est-à-dire si on rajoute l équivalent de cinq personnes dans la maison), la température moyenne annuelle de la maison3, c'est-à-dire la maison la plus isolée, croît en moyenne de 3 C à Trappes et de 4,5 C à Nice! ECLAIRAGE Les règles Th-CE 2005 préconisent des apports d éclairage de 2W/m² pour le résidentiel avec un des scénarios d utilisation suivants : Horaires d occupation Longs Heures par jour Jours par semaine 5 (de 7h à 9h et de 19h à 22h) 5 (lundi au vendredi) 15 (de 7h à 22h) Samedi et

94 94/147 dimanche Moyens 10 (de 8h à 18h) 5 (lundi au vendredi) Courts 5 (de 9h à 14h) 5 (lundi au vendredi) Scénarios d'éclairage (RT2005) Comme pour l occupation, le scénario d éclairage pour le résidentiel est le scénario long. Scénario d'éclairage Si la consommation d éclairage n est pas un poste majeur pour le résidentiel, il en est autrement pour les bâtiments tertiaires. La définition d un bon scénario d éclairage peut alors être source d économies CONSIGNE DE TEMPERATURE Les règles Th-CE 2005 préconisent une température intérieure de chauffage de 19 C quand la maison est occupée, de 16 C en inoccupation et une température de refroidissement égale à 28 C. Températures de consigne conventionnelles en chauffage et refroidissement (RT2005) AUTRES SCENARIOS D autres scénarios doivent être renseignés dans le modèle multizone de Simbad : - La ventilation doit fonctionner en permanence, en occupation comme en inoccupation. C est le règlement sanitaire qui impose cela. - La position des protections solaires n est pas prise en compte pour les bâtiments résidentiels, d après la RT2005. Tous ces scénarios et consignes permettent de calculer les apports internes instantanés dont la valeur servira aux calculs du modèle multizone TEMPS DE CHAUFFE Pour le confort, la maison doit être à la température de consigne en occupation lorsque l habitant est présent. D après le scénario de la RT2005, cette température vaut 19 C. Lorsqu on coupe le chauffage en journée, il faut donc le rallumer avant l heure d arrivée de l occupant pour que la maison ait le temps de monter en température et que l habitant ne soit pas en situation d inconfort thermique. D après les calculs, ce temps de chauffe est estimé à deux heures. C est pourquoi le chauffage fonctionnera en mode réduit de 10h à 16h.

95 95/147 Températures sur une journée. Scénario 2. Des temps de relance sont déterminés dans la RT2005 en fonction du type de programmateur mais cela n est pas pertinent ici puisque nous n avons pas défini de systèmes de chauffage PERIODE DE CHAUFFE Lorsqu on regarde le profil de température de la ville de Trappes (par exemple), on s aperçoit que les températures sont assez faibles. On ne dépasse que rarement 25 C sur l année et pendant l été, les températures peuvent avoisiner les 10 C. Température extérieure(a) et besoins(b) à Trappes Or les besoins de chauffage sont calculés à partir de cette température. On se retrouve donc, dans les simulations, avec du chauffage en plein mois d août. Dans la pratique, on considère que ces besoins ne nécessitent pas le redémarrage du système de chauffage. C est pourquoi on définit une période de chauffe hors de laquelle on supposera qu il n y a pas de chauffage. Période de chauffe Trappes (zone H1a) Nice (zone H3) Du 15 sept. au 15 mai Du 30 sept. au 1er avril Tous les besoins de chauffage seront exprimés durant cette période de chauffe estimée COMPARAISON DE COMPORTEMENT Pour conclure sur les deux précédentes parties, le tableau suivant démontre que des économies sont facilement réalisables dès lors qu on assure une bonne gestion du système de chauffage. Comparons les différences sur les besoins de chauffage entre un comportement «gaspilleur» et un comportement «économe». MAISON1 MAISON3