Consommation d'énergie et émissions de CO 2 des bâtiments

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1 Atelier Géothématique Energie et Climat Jeudi 11 mars 2010 Consommation d'énergie et émissions de CO 2 des bâtiments Approche méthodologique CETE du Sud-Ouest: Bassam Moujalled et Lionel Ferreira CETE S.O. - DAI 1

2 SOMMAIRE 0. La commande 1. La démarche 2. Les résultats obtenus 3. Les limites de l étude 4. La poursuite de l étude 5. Les perspectives CETE S.O. - DAI 2

3 0. La commande Contexte Lutter contre le changement climatique en divisant par quatre ses émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) entre 1990 et 2050 Les mesures de réduction porteront principalement sur la baisse de la consommation d énergie des bâtiments et des transports Le secteur du bâtiment devrait être la principale source d économie d énergie la plus rapide à mettre en oeuvre CETE S.O. - DAI 3

4 0. La commande Commande du CERTU : Modélisation et calcul des émissions de CO2 des bâtiments liées au chauffage Disposer à l'échelle macro-territoriale d'une évaluation des besoins énergétiques et des émissions de CO2 par quartier ou îlots Activer des leviers pour engager un processus de réduction massive : intervention sur le bâtiment, amélioration des équipements, modification des comportements,... CETE S.O. - DAI 4

5 0. La commande Objectifs Développer une méthode de calcul des consommations énergétiques et des émissions de GES des bâtiments d'habitation à l'échelle d'une agglomération en s appuyant sur les travaux de l APUR (consommation d énergie et émissions de gaz à effet de serre liées au chauffage des résidences principales parisiennes Décembre 2007) et de l A URBA (caractérisation thermique du bâti résidentiel de la CUB 2009) La méthode devra être facilement reproductible et privilégiera l'exploitation des données et d'outils accessibles par les services du MEEDDM CETE S.O. - DAI 5

6 1. La démarche Le principe consiste à calculer pour chaque bâtiment les besoins et les consommations liés au chauffage La méthode de calcul retenue est 3CL-DPE de l'arrêté du 9 novembre CL-DPE calcule les consommations et les dépenses énergétique d'un bâtiment. Il est utilisé pour réaliser les Diagnostics de Performance Energétique dans les bâtiments résidentiels Calcul statique des déperditions à travers l'enveloppe et par renouvellement d'air en tenant compte des apports solaires et internes gratuits Niveau de précision statisfaisant par rapport aux incertitudes sur les données d'entrée CETE S.O. - DAI 6

7 1. La démarche Données d'entrée Les données d'entrée pour 3CL-DPE sont les caractéristiques thermiques et géométriques du bâtiment, son implantation, ainsi que les propriétés du système de chauffage Ces données sont déterminées à partir: De la typologie du bâtiment : qui donne en fonction de la période de construction le mode constructif, la composition et les propriétés thermiques des parois, le taux de vitrage et le taux de renouvellement d'air De la morphologie du bâtiment : la hauteur, l'emprise au sol, périmètres déperditifs, orientation des façades, mitoyenneté, effet de masques,... CETE S.O. - DAI 7

8 1. La démarche Les paramètres typologiques Les paramètres typologiques du bâtiment peuvent être déterminés à partir d'une étude typologique existante. S'il n'existe pas une étude typologique pour une agglomération, la méthode de 3CL-DPE inclut des algorithmes qui les donnent en fonction de l'année de construction Les paramètres morphologiques Les paramètres morphologiques seront déterminées en s'appuyant sur un Système d'information Géographique. CETE S.O. - DAI 8

9 1. La démarche Algorithme de calcul 3CL-DPE (DP murs + DP plafond + DP plancher + DP fenêtres + DP portes + DP véranda + PT) + a RA (2,5xSH) Io/(1+0,1x(G-1)) G = ENV / CORH CORH = HSP / 2,5 ENV x SH x INT x METEO CLIMAT x COMPL Besoins pour le chauffage B ch x (1 F ch) x I ch = f(département ; altitude) Becs x (1 F ecs) x I ecs Becs = f(sh) Consommation en Énergie Finale C ch C ecs C clim Chauffage ECS Climatisation CETE S.O. - DAI 9

10 1. La démarche Calcul des déperditions ENV (W/m 3. C) ENV = DP = PT = U k i DPparois + PT 2,5 SH i S l i i + a RA U i = Coefficient de transmission surfacique (W/m². C) k i = Coefficient de transmission linéique (W/m. C) a RA = déperdition par renouvellement d'air (W/m 3. C) S i = Surfaces des parois déperditives (m²) l i = Longueurs des ponts thermiques (m) S H = Surface habitable (m²) Typologie Morphologie CETE S.O. - DAI 10

11 1. La démarche Site et apport METEO METEO = 2,5 x (1 F) x DH/1000 F = f(s H, S se, E, DH, ENV) F = Taux de couverture par les apports gratuits DH = Degrés-Heure ( C.h) E = Ensoleillement (kwh/m²) Sse = Surface sud équivalente Sse = f(svitrage, Orientation, masque) Données météo Morphologie CETE S.O. - DAI 11

12 1. La démarche Besoin de chauffage Bch (kwh) B ch = ENV x S H x INT x METEO INT : Facteur d'intermittence Consommation de chauffage en énergie finale Cch (kwh) C ch = Bch x (1 F ch ) x I ch F ch = 0 si pas de système solaire I ch : rendement du système de chauffage Calcul de Bch et Cch pour chaque bâtiment d'une agglomération en utilisant une base de données crées à l'aide du Système d'information Gégraphique CETE S.O. - DAI 12

13 1. La démarche Calcul des besoins B ch (W/m 3. C) Bch = ENV x SH x INT x METEO METEO = CLIMAT S i = Surfaces des parois déperditives (m²) l i = Longueurs des ponts thermiques (m) S H = Surface habitable (m²) U i = Coefficient de transmission surfacique (W/m². C) k i = Coefficient de transmission linéique (W/m. C) a RA = déperdition par renouvellement d'air (W/m 3. C) Morphologie Typologie CETE S.O. - DAI 13

14 1. La démarche Synthèse des paramètres à calculer par analyse spatiale: Datation des bâtiments Nature du local Paramètres déperditifs et non déperditifs Hauteur du bâtiment Orientation du bâtiment Apport solaire (effet de masque) Surface habitable Énergie utilisée (pour le calcul des émissions de CO2) Pour le calcul des besoins énergétiques Pour le calcul des émissions de CO2 CETE S.O. - DAI 14

15 1. La démarche Le test méthodologique est réalisé sur la commune du Bouscat (urbanisation diversifiée): 16 Sections cadastrales 190 Ilots (regroupement de parcelles contiguës) 7283 Parcelles 9089 Bâtiments Les bases de données utilisées sont : PCI Vecteur, MAJIC, BDTOPO Les Logiciels utilisés sont : MapInfo 7.8, Vertical Mapper, Excel CETE S.O. - DAI 15

16 1. La démarche : typologie des bâtiments Datation des bâtiments Les fichiers MAJIC indique pour chaque parcelle la date de mutation ou la date du bâtiment le plus ancien. Cette information est ensuite transmise aux bâtiments de la parcelle par une jointure attributaire. CETE S.O. - DAI 16

17 1. La démarche : typologie des bâtiments Nature du local MAJIC indique le nombre de maisons, d'appartements, de commerces et autres qui composent chaque parcelle. Classification des parcelles en fonction du type d'habitation (individuel ou collectif). Transposition de l'information aux bâtiments de la parcelle par une jointure attributaire. CETE S.O. - DAI 17

18 1. La démarche : morphologie des bâtiments Périmètres déperditifs et non-déperditifs 1.Création d'une couche d'occupation du Sol avec 3 entités : Rue (Section) Cour (Parcelle) Bâtiments (Bâtiments) 2.Conversion des entités polygones en polylignes (en conservant l'identité des polygones frontaliers) 3.classification des polylignes par type de façades (mitoyenne, côté cour, côté rue) CETE S.O. - DAI 18

19 1. La démarche : morphologie des bâtiments Hauteur de Bâtiment Hauteur gouttières BDTOPO des ensembles de bâtiments Une jointure graphique permet de transposer cette information aux bâtiments du PCI Vecteur Détermination de différentes classes de hauteur. Déduction du nombre de niveau CETE S.O. - DAI 19

20 1. La démarche : morphologie des bâtiments Orientation du bâtiment Création d'un MNT (raster) fictif en affectant une altitude constante et provisoire aux bâtiments. Calcul de l'orientation des pentes du MNT (en réalité l'orientation des façades) Classification de l'orientation des pentes en fonction des points cardinaux CETE S.O. - DAI 20

21 1. La démarche : morphologie des bâtiments Orientation du bâtiment Récupération pour chaque façade de l'angle median d'orientation par analyse zonale. CETE S.O. - DAI 21

22 1. La démarche : morphologie des bâtiments Apport solaire (effet de masque): les façades «rue» L'effet de masque dépend de la largeur de la voie (attribut BDTOPO) Récupération de la voirie la plus proche par analyse de proximité. Détermination de l'emprise de voirie et d'éloignement des constructions avoisinantes sont déterminés. CETE S.O. - DAI 22

23 1. La démarche : morphologie des bâtiments Apport solaire (effet de masque): les façades «cour» Détermination pour chaque façade «cour» des masques situés à 5m, d'une orientation polaire inverse et de bâtiment différent Identification des obstructions et de leurs hauteurs CETE S.O. - DAI 23

24 1. La démarche : morphologie des bâtiments Surface habitable Les objets graphiques du PCI Vecteur permettent de calculer la surface au sol des bâtiments. Les fichiers MAJIC indiquent la surface totale des pièces d'habitation regroupées au niveau de la parcelle. La surface au sol est utilisé pour le calcul des périmètres déperditifs / non déperditifs. La surface des pièces d'habitation (source MAJIC) représente la surface chauffée sur la parcelle, elle est utilisée pour le calcul des apports solaires et des besoins en chauffage. CETE S.O. - DAI 24

25 2. Les résultats obtenus Un bâtiment est constitué de n façades. Chaque façade est renseignée (1 identifiant par façade et par bâtiment). Un tableau Excel est remis au thermicien qui calcule pour chaque bâtiment les besoins théoriques en chauffage. Le géomaticien effectue ensuite une cartographie de ces besoins par bâtiment. Le calcul au bâtiment ne constitue qu une étape intermédiaire. Une synthèse à l îlot, au quartier, est nécessaire avant toute communication! CETE S.O. - DAI 25

26 2. Les résultats obtenus Les besoins en chauffage CETE S.O. - DAI 26

27 2. Les résultats obtenus L énergie utilisée Les quantités d émissions de gaz à effet de serre dépendent du mode d'énergie utilisée. La table des parties principales d'habitations des fichiers MAJIC indique lorsque l'information est disponible, le type d'énergie des locaux présents sur la parcelle Cette information est transposée aux bâtiments de la parcelle CETE S.O. - DAI 27

28 2. Les résultats obtenus Les émissions de CO2 Calcul des émissions de CO2 (kg CO2) à partir des consommations d énergie finale (kwh d énergie finale) en utilisant les coefficients de conversion selon le type d énergie utilisée pour le chauffage (gaz, électricité, ) Mettre une explication CETE S.O. - DAI 28

29 3. Les limites d étude Méthode de calcul simpliste basée sur la RT88 Avantages : nombre de paramètres limité et récupérables à l'aide d'un SIG Inconvénients : méthode peu adaptée pour les bâtis anciens avant 1948 (aucune méthode réglementaire disponible pour le moment) Disponibilité d'une étude typologique pour définir certains paramètres sensibles comme le taux de vitrage Disponibilité des informations sur les énergies et les systèmes utilisés pour le chauffage Quelques limites lors de l analyse spatiale (surface au sol bâtiments/surface habitable de la parcelle, différence d actualité des données entre les bases de données, CETE S.O. - DAI 29

30 4. La poursuite de l étude Achèvement du test sur la commune du Bouscat (calcul des émissions) Analyse critique des résultats obtenus Optimisation de la méthode pour la rendre reproductible Rédaction d un guide méthodologique CETE S.O. - DAI 30

31 5. Les perspectives Étude sur les émissions de CO2 multi-sources (bâtiments, trafic routier, ) sur une agglomération test (bassin d Arcachon?) Études sur le potentiel de réhabilitation des bâtiments et des équipements de chauffage Études sur le logement (insalubrité) Test des résultats obtenus par calcul avec la thermographie aérienne sur l agglomération de Bordeaux CETE S.O. - DAI 31