Inertie dans les bâtiments passifs constante de temps. PECOURT Alexandre

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1 Inertie dans les bâtiments passifs constante de temps PECOURT Alexandre

2 Sommaire 1. Constante de temps = couple isolation / inertie 2. Influences de la constante de temps 3. Conclusions et proposition de règles pour une bonne conception en climat Français

3 1. Constante de temps = couple isolation / inertie La constante de temps La constante de temps d un bâtiment, exprimée en heures, caractérise la rapidité d évolution de la température dans ce bâtiment par rapport à une sollicitation extérieure. Elle dépend de l isolation globale de l enveloppe ( R ) et de l inertie mobilisée dans le contour isolé ( C ) τ= RC

4 1. Constante de temps = couple isolation / inertie L inertie L inertie est la capacité de stockage de chaleur du bâtiment. Elle dépend de la masse des matériaux mis en œuvre dans le bâtiment et de leurs surfaces développées et accessible à l air ambiant intérieur. C = Wh/ C

5 1. Constante de temps = couple isolation / inertie La résistance globale de l enveloppe La résistance thermique de l enveloppe correspond à l inverse du coefficient de déperditions thermiques (infiltrations et VMC comprises) de l habitation R = C / W

6 1. Constante de temps = couple isolation / inertie La constante de temps: analogie avec un système électrique Modèle d une maison Schéma électrique équivalent

7 1. Constante de temps = couple isolation / inertie La constante de temps: analogie avec un système électrique La constante de temps d un circuit électrique RC caractérise le temps de charge ou décharge du condensateur soumis à un échelon de tension U c = U x (1-e (-t/rc) ) τ= RC = Temps nécessaire à atteindre 63% de la variation totale 5τ= Temps nécessaire à atteindre 99% de la variation totale

8 1. Constante de temps = couple isolation / inertie La constante de temps: Courbe théorique 25,00 Courbe de refroidissement 20,00 Température ( C) 15,00 10,00 5,00 0, Temps (h) τ= 200h

9 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Comportement thermique d un bâtiment: analogie avec un système électrique Modèle électrique équivalent hiver:

10 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps dans le bâti traditionnel Les lieux à très forte inertie et résistance La caverne Le blockhauss Le métro Produit RC Très élevé =Température constante toute l année

11 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps dans le bâti traditionnel Le bâti ancien Pas d isolation accès complet à l inertie souvent élevée grâce à des murs épais Produit RC faible = confort thermique d hiver principalement lié au type d émission de chaleur et à la régulation associée. Source: virginiatrailguide.com

12 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps dans le bâti traditionnel Constructions neuves faisant suite à la première réglementation thermique (1974) Faible isolation intérieure (ITI) Faible accès à l inertie limité par l ITI Produit RC faible = confort thermique d hiver principalement lié au type d émission de chaleur et à la régulation associée. Source: Isover.com

13 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps dans un bâtiment passif Une inertie très variable 60 Wh/m² SRE. C 132 Wh/m² SRE. C 204 Wh/m² SRE SRE. C

14 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps dans un bâtiment passif Une résistance thermique équivalente de l enveloppe toujours élevée? Élevée mais variable selon: La localisation (hiver plus ou moins froid) La compacité Le taux de vitrage Attention au survitrage côté SUD

15 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps dans un bâtiment passif La constante de temps dans le PHPP 8.5 La valeur de temps n est pas accessible à l utilisateur mais calculée dans le feuille besoin de chauffage (méthode mensuelle) case R113

16 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps: Valeurs typiques

17 1. Constante de temps = couple isolation / inertie Constante de temps: Valeurs typiques Passif: constante de temps minimale de 100h (4 jours) à 150h (6 jours)

18 Etude du comportement d un logement passif par STD Etude comparative sur une maison passive pour 6 constantes de temps de temps différentes dues à: Des systèmes constructifs différents faisant varié l inertie Des taux de vitrages différents faisant varié la résistance thermique équivalente

19 Etude du comportement d un logement passif par STD Variante 1 Ossature bois - Taux de vitrage standard Plancher Léger Murs Léger Toiture Léger Plancher intermédaire Léger Cloison Léger Taux de vitrage Nord Taux de vitrage Est Taux de vitrage Ouest Taux de vitrage Sud 5% 15% 15% 30% Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps (h) rapport apport gratuit / déperditions besoin de chauffage (kwh/m²/an) ,84 15

20 Etude du comportement d un logement passif par STD Variante 2 Ossature bois + chape par niveau -Taux de vitrage élevé Plancher Léger Murs Léger Toiture Léger Plancher intermédaire Léger + chape Cloison Léger Taux de vitrage Nord Taux de vitrage Est Taux de vitrage Ouest Taux de vitrage Sud 20% 30% 30% 55% Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps (h) rapport apport gratuit / déperditions besoin de chauffage (kwh/m²/an) ,79 15

21 Etude du comportement d un logement passif par STD Variante 3 Ossature bois + chape par niveau -Taux de vitrage standard Plancher Léger Murs Léger Toiture Léger Plancher intermédaire Léger + chape Cloison Léger Taux de vitrage Nord Taux de vitrage Est Taux de vitrage Ouest Taux de vitrage Sud 5% 15% 15% 30% Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps (h) rapport apport gratuit / déperditions besoin de chauffage (kwh/m²/an) ,65 15

22 Etude du comportement d un logement passif par STD Variante 4 Maçonnerie traditionnelle ITE - Taux de vitrage standard Plancher Dalle béton ITE Murs Parpaing béton ITE Toiture Léger sur comble Plancher intermédaire Léger + chape Cloison Léger Taux de vitrage Nord Taux de vitrage Est Taux de vitrage Ouest Taux de vitrage Sud 5% 15% 15% 30% Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps (h) rapport apport gratuit / déperditions besoin de chauffage (kwh/m²/an) ,65 15

23 Etude du comportement d un logement passif par STD Variante 5 Béton ITE - Cloison Lourde- Taux de vitrage élevé Plancher Dalle béton ITE Murs Parpaing béton ITE Toiture Dalle béton ITE Plancher intermédaire Plancher béton Cloison Béton Taux de vitrage Nord Taux de vitrage Est Taux de vitrage Ouest Taux de vitrage Sud 20% 30% 30% 55% Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps (h) rapport apport gratuit / déperditions besoin de chauffage (kwh/m²/an) ,69 15

24 Etude du comportement d un logement passif par STD Variante 6 Béton ITE - Cloison Lourde- Taux de vitrage standard Plancher Dalle béton ITE Murs Parpaing béton ITE Toiture Dalle béton ITE Plancher intermédaire Plancher béton Cloison Béton Taux de vitrage Nord Taux de vitrage Est Taux de vitrage Ouest Taux de vitrage Sud 5% 15% 15% 30% Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps (h) rapport apport gratuit / déperditions besoin de chauffage (kwh/m²/an) ,65 15

25 Etude du comportement d un logement passif par STD Système constructif Ossature bois Ossature bois + chape à chaque niveau survitré Ossature bois + chape à chaque niveau Maçonnerie traditionnelle ITE - Plancher bois avec chape, cloisons légères et toiture légère Maçonnerie traditionnelle ITE - Planchers, toitures et cloisons lourdes Survitrée Maçonnerie traditionnelle ITE - Planchers, toitures et cloisons lourdes Inertie (Wh/K / m²sre) Taux de vitrage Standard Elevé Standard Standard Elevé Standard rapport apports gratuits / déperditions 0,84 0,79 0,65 0,65 0,69 0,65 Constante de temps (h)

26 Etude du comportement d un logement passif par STD Synthèse des variantes étudiées

27 Etude du comportement d un logement passif par STD Plan du logement Rez-de-chaussée R+1

28 Etude du comportement d un logement passif par STD Hypothèses de simulation Données Climatiques : Paris 5 occupants; scénario standard d occupation (55%) Lave vaisselle raccordement eau froide Séchage du linge extérieur Combiné réfrigérateur/congélateur Cuisson électrique Stockage ECS dans local technique; déperditions 105W Profils d usage courants Consigne de chauffe 20 C Apports internes moyen de 2.1 W/m² Source: Darty.com

29 Constante de temps: vérification des courbes théoriques Chute de température dans le séjour pour chaque variante

30 Constante de temps: vérification des courbes théoriques Chute de température dans chaque pièce de la variante 2

31 Besoin de chauffage: Peu d influence de l inertie

32 Besoin de chauffage: Peu d influence du système de chauffage Le type d émission de chaleur et sa régulation ont-ils un impact sur ces résultats? Pour vérifier cela, nous étudions 3 solutions: Le chauffage traditionnel Le chauffage sur l air mono-régulé Source: HAVERLAND Le chauffage sur l air bi-régulé (2 batteries) Source: PAUL Ventilation

33 Besoin de chauffage: Peu d influence du système de chauffage Chauffage traditionnel

34 Besoin de chauffage: Peu d influence du système de chauffage Chauffage sur air ( )

35 Besoin de chauffage: Peu d influence de l inertie Le type d émission de chaleur et sa régulation ont-ils un impact sur ces résultats? Chauffage sur air avec 1 batterie de chauffe

36 Besoin de chauffage: Peu d influence de l inertie Le type d émission de chaleur et sa régulation ont-ils un impact sur ces résultats? Chauffage sur air avec 2 batteries de chauffe

37 Besoin de chauffage: Peu d influence de l inertie Variation des consommations de chauffage selon la constante de temps pour 3 systèmes d'émission différents 17,00 16,00 consommations avec chauffage traditonnel (kwh/m²/an) Beseoin de chauffage (kwh/m².an) 15,00 14,00 13,00 12,00 consommations chauffage 1 batterie sur l'air (kwh/m²/an) consommations avec chauffage 2 batteries sur l'air (kwh/m²/an) Linéaire (consommations avec chauffage traditonnel (kwh/m²/an)) 11,00 Linéaire (consommations chauffage 1 batterie sur l'air (kwh/m²/an)) 10, Linéaire (consommations avec chauffage 2 batteries sur l'air (kwh/m²/an)) Variante 1 Constante de temps (h) Variante 3 Variante 4 Variante 6 Variante 2 Variante 5

38 Confort en hiver Maison traditionnelle Maison passive

39 Confort en hiver: avec un chauffage traditionnel

40 Confort en hiver: avec chauffage traditionnel La constante de temps n a pas d impact

41 Confort en hiver: particularités du chauffage sur l air Puissance adaptée au passif (puissance de chauffe 10 W/m²) mais limitée par: Les débits de ventilation hygiénique La limite haute de température de soufflage (52 C) La capacité calorifique de l air (0.34 Wh/m 3. C)

42 Confort en hiver: particularités du chauffage sur l air Synoptique de chauffe

43 Confort en hiver: particularités du chauffage sur l air Puissance de chauffe P (W) P (W/m²) ΔT max int/ext ( C) T ext min /20 C ( C) PHPP , EN12831 sans relance , EN12831 avec relance 22W/m² * ,1 so so * équivaut à une relance de 1h pour un réduit de 2 C ou à une relance de 2h pour un réduit de 3 C

44 Confort en hiver: particularités du chauffage sur l air 20.0 C 19.9 C -1 C -5 C Variation de la température dans le séjour du 14 au 16 février

45 Influence sur le confort en hiver: Le séjour Variation de températures dans le séjour du 5 au 14 janvier, rayonnement solaire et températures extérieures

46 Influence sur le confort en hiver: Les chambres Variation de températures dans la chambre 4 du 18 au 25 mars avec régulation séjour

47 Influence sur le confort en hiver: Les chambres Variation de températures dans la chambre 4 du 5 au 14 janvier

48 Influence sur le confort en hiver: Les chambres Température dans le séjour (graphe a.), puissance de chauffe dans la chambre 4 (graphe b.) et température dans la chambre 4 (graphe c.) la journée du 11 janvier

49 Influence sur le confort en hiver: Les chambres Recommandation: Ajout d un second point de régulation

50 Influence sur le confort en hiver: Les chambres Variation de températures dans la chambre 4 du 5 au 14 janvier avec 2 points de régulation

51 Influence sur le confort en hiver: Les chambres Variation de températures dans la chambre 4 du 5 au 14 janvier avec 2 points de régulation

52 Influence sur le confort en été Variation de la constante de temps par: Le by-pass de la centrale de ventilation double flux (automatique ou à date fixe) L ouverture des fenêtres la ventilation complémentaire naturelle ou mécanique Source: construction-durable.over-blog.com Rafraichissement naturel

53 Influence sur le confort en été Modèle électrique équivalent en été:

54 Influence sur le confort en été Variation de la constante de temps en été Système constructif Ossature bois Ossature bois + chape à chaque niveau survitré Ossature bois + chape à chaque niveau Maçonnerie traditionnelle ITE - Plancher bois avec chape, cloisons légères et toiture légère Maçonnerie traditionnelle ITE - Planchers, toitures et cloisons lourdes Survitrée Maçonnerie traditionnelle ITE - Planchers, toitures et cloisons lourdes Inertie (Wh/K / m²sre) Constante de temps hiver (h) Constante de temps avec Bypass (h) Constante de temps avec Bypass et nightcooling 0,5 vol/h (h)

55 Influence sur le confort en été: Séjour Variation de températures dans le séjour du 16 au 21 juillet sans protections solaires

56 Influence sur le confort en été: Séjour Variation de températures dans le séjour du 16 au 21 juillet (occultation 35% ; VN 0.5 vol/h)

57 Influence sur le confort en été: Séjour Variation de températures dans le séjour du 16 au 21 juillet (occultation 75% ; VN 1.5 vol/h)

58 3. Conclusions et règles de bonne conception en climat Français La constante de temps est un bon critère de caractérisation de la variation de température dans un bâtiment Une constante de temps de 200h est idéale dans un logement passif ne disposant pas de régulation de température par pièce Le survitrage d un bâtiment passif réduit l efficacité de la constante de temps sur ses variations de température interne En été une bonne constante de temps ne suffit pas à éviter les surchauffe mais participe au tamponnement des surchauffes

59 3. Conclusions et règles de bonne conception en climat Français Règles de bonne conception: Limiter le survitrage au sud, surtout en inertie légère à mi lourde 5% 15% 15% 30% Taux de vitrage par m² de façade recommandé

60 3. Conclusions et règles de bonne conception en climat Français Règles de bonne conception: Eviter l isolation par l intérieur

61 3. Conclusions et règles de bonne conception en climat Français Règles de bonne conception: Mettre en place une batterie de chauffe avec sa propre régulation pour chaque niveau et/ou zone jour/nuit.

62 3. Conclusions et règles de bonne conception en climat Français Règles de bonne conception: Augmenter l inertie des logements à structure légère par: La mise en place d une chape à chaque niveau Le doublement des épaisseurs de plâtre Un cloisonnement intérieur «lourd» (mur terre crue, ) Matériaux à changement de phase Source: Vincent Delsinne

63 3. Conclusions et règles de bonne conception en climat Français Règles de bonne conception: Resistance thermique glo bale croissante Légende: Bâtiment passif raisonnablement vitrée, fort raisonnablement compact vitrée, peu compact fortement vitrée, fort compact fortement vitrée, peu compact ossature bois ossature bois + chapes Inertie croissante Béton cellulaire ou bois massif ITE Maçonnerie traditionnelle ITE Tout béton ITE Remarques / préconisations Chauffage sur l'air gestion des protections solaires Chauffage sur l'air gestion des protections solaires Chauffage sur l'air gestion des protections solaires Chauffage sur l'air gestion des protections solaires Faible constante de temps (< 150 h) Une batterie de chauffe avec sa propre régulation PAR NIVEAU ET/OU ZONE JOUR/NUIT fortement recommandé moyenne constante de temps (151 h < < 250 h) Une batterie de chauffe avec sa propre régulation PAR NIVEAU ET/OU ZONE JOUR/NUIT indispensable Bonne constante de temps (> 250 h) Protections solaires AUTOMATISEE indispensables

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