GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE

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1 Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE PROJET FFQCD (FRONT FRANCO-QUÉBÉCOIS DE COOPÉRATION DÉCENTRALISEE) DE RÉHABILITATION DES HABITATIONS INUITES DANS LE GRAND NORD QUÉBÉCOIS Projet de Fin d Études réalisé pour le Pôle Alsace ÉnergiVie à l école d architecture de l Université Laval de Québec par Laetitia MAS Tuteur : D. BURGER Responsable entreprise : P. JACGLIN MAI 2014

2 Fiche d objectifs - Travail collaboratif avec les élèves en architecture de Québec et de Strasbourg. o Mettre en place un protocole d aide à la conception architecturale avec les élèves ; o Répondre aux questions des élèves en phase d esquisse et de conception grâce à des Simulations Thermiques Dynamiques (STD) avec le logiciel Pleiades+COMFIE (IZUBA énergies) ; o Fournir des documents de résultats clairs et didactiques ; o Aider les élèves sur les questions d appareillage du génie climatique ; - Documents de présentation des projets finaux ; o Synthétiser les principales caractéristiques thermiques des projets ; o Évaluer les performances énergétiques des projets ; o Produire des fiches comparatives claires et éloquentes ; - Aider à sélectionner les meilleurs projets (du point de vue thermique). o Produire un tableau comparatif des projets d aide à la sélection des meilleurs projets sur critères énergétiques uniquement ; Le projet FFQCD a été proposé aux élèves de l école d architecture de l Université Laval de Québec et de l INSA de Strasbourg. Il a pour objectif de proposer des habitations qui correspondent à la culture ancestrale et au mode de vie moderne des Inuits du Nunavik dans le grand Nord québécois. En plus des enjeux socioculturels, les projets devront s adapter au climat exceptionnellement dur de la région et (selon les premières exigences du projet) tendre vers les performances "énergie positive" (BEPOS). C est dans ce cadre que vient s inscrire ce PFE en Génie Climatique et Énergétique. Le but de ce PFE est de proposer une aide à la conception architecturale, auprès des élèves en charge des projets. Pour ce faire, un protocole de travail découpé en phases d «esquisse» et de «conception» a été mis en place avec les étudiants. Grâce à un travail de Simulation Thermique Dynamique (STD) adapté aux demandes des architectes, les habitations conçues possèdent des intentions climatiques intéressantes dans le contexte nordique tout en conservant les qualités architecturales souhaitées. Dans un second temps, le but de ce PFE est de rédiger des «fiches projets» permettant de comparer les programmes entre eux et avec le parc immobilier existant afin de constater les progrès réalisés et de sélectionner les meilleurs projets. Finalement, un tableau comparatif des caractéristiques thermiques des projets sera dressé au terme du PFE. La majorité de ce PFE a été réalisé au Québec afin de travailler en collaboration directe avec les dix étudiants québécois, répartis en quatre équipes de projet. En parallèle, un travail à distance a été mis en place sous forme de visio-conférences et d échanges électroniques avec les quinze élèves strasbourgeois, répartis en cinq équipes de projet. C est donc un total de neuf projets d habitation inuite qui émerge de ce PFE dans le cadre de l initiative FFQCD.

3 1. CONTEXTE DE L HABITAT MODERNE DANS LE NUNAVIK Le travail d amélioration des habitations inuites a commencé par l étude du contexte climatique et du contexte habité de la région. Au-delà du 55ème parallèle, réside un climat rigoureux où la neige et la glace sont présentes 240 jours par an. En effet, les conditions climatiques du Nunavik sont telles, qu elles engendrent contraintes et problèmes à tous les niveaux de vie du bâtiment. Les habitations actuelles sont exclusivement en structure bois, ce qui leur donne la qualité d être rapidement assemblable après l acheminement de tous les matériaux par bateau. Elles sont chauffées au mazout et dans la grande majorité des cas, le chauffage s effectue par soufflage d air chaud à travers des grilles positionnées au sol, grâce à un réseau de Figure 1 : carte d'amérique du nord, encadré du Nunavik gaines dans le double plancher. Le mazout stocké dans un réservoir extérieur à l habitation sert également à chauffer l eau chaude sanitaire dans un ballon à part. Les maisons actuelles rencontrent de graves problèmes d étanchéité notamment dus aux cadres des ouvrants. Par ailleurs, aucun système de contrôle de la qualité de l air intérieur n est mis en place. On trouve uniquement des ventilateurs d extraction dans les salles de bain et des hottes de cuisine. La production d électricité est assurée à l échelle du village par une centrale électrique au mazout dont le rendement est d environ 30%. Un réseau local assure l acheminement de l électricité jusqu aux maisons. La documentation technique concernant le jumelé J2.2 Makivik étant à disposition, c est sur ce modèle que nous nous sommes appuyés pour le reste de l étude et pour la comparaison avec les nouveaux projets proposés par les étudiants architectes. Figure 2 : habitation SHQ unifamiliale (gauche), habitation jumelée Makivik J2.2 (droite) Étudiante Figure 6 : : Laetitia habitation MAS SHQ unifamiliale Projet (gauche), FFQCD habitation jumelée Makivik J2.2 P(droite) a g e 1

4 2. PROTOCOLE D AIDE A L A CONCEPTION ARCHITECTURALE Afin d atteindre l objectif énergétique d habitation à énergie positive (BEPOS) dans le Nunavik, il est indispensable qu un thermicien intervienne au cœur du projet. C est pourquoi nous avons proposé un protocole d aide à la conception architecturale entre l architecte et l ingénieur climaticien et tenté de le mettre en place dans le cadre du projet FFQCD. Dans ce nouveau protocole, l ingénieur thermicien appuie l architecte pour penser l architecture et les systèmes thermiques avant que le projet soit envoyé au dimensionnement. La frise de projet peut être représentée comme suit : Cahier des charges Cahier des charges reformulé Modèle exploitable Modèle final Phases Besoins Esquisse Conception Dimension. Réalisation Acteurs Client Architecte Ingénieur Thermicien Architecte Ingénieur Ingénieur Thermicien Entreprise d installation Concepts Tests Donnée environnement Transcription des besoins Concepts concrétisés Thermique Dessins Calculs Validation Tracés Travaux Contrôles Activités Formulation du besoin Retours Consultation Figure 3 : Frise chronologique revisitée des étapes d'un projet d'architecture 2.1. PHASE D ESQUISSE La phase d esquisse est la phase de genèse du projet. Le but de cette étape est de tester des concepts architecturaux et bioclimatiques afin d en proposer finalement les meilleurs à conserver dans un «cahier des charges reformulé. Ces concepts sont testés grâce à un travail de STD rapide afin d affirmer ou d infirmer leur utilité et leur pertinence. Alors que les élèves réfléchissent aux concepts de base de leurs projets respectifs, ils tombent sur une interrogation en lien avec la thermique qu ils ne peuvent résoudre par leurs propres moyens. Pour pouvoir progresser judicieusement dans leur démarche en faisant les bons choix architecturaux et climatiques combinés, ils ont besoin de réponses et de démonstrations. Il est nécessaire de saisir et de simplifier le problème jusqu à obtenir un système paramétrique qui pourra facilement être modélisé avec un logiciel de STD et dont les résultats permettront de prendre position sur la marche à suivre. En plus de l identification des paramètres variables, il est indispensable d identifier l information dont on souhaite observer l évolution pour répondre au problème. Une fois l ensemble des tests réalisés, il faut imaginer Étudiante : Laetitia MAS Projet FFQCD Page 2 Tuteur : Denis BURGER Mai 2014

5 le meilleur moyen d illustration possible des résultats afin qu ils soient éloquents pour un observateur extérieur. Afin que les élèves puissent comprendre les tenants et aboutissants des simulations, j ai créé des documents au format PDF dans lesquels j expose non seulement les illustrations des résultats mais aussi : le but recherché, les hypothèses de simulations et les conclusions, point par point puis générales qui répondent au but recherché en en-tête. De cette façon tous les groupes de projet, français et québécois, qu ils soient à l origine de la demande ou non, peuvent avoir accès aux informations des tests réalisés. Dans ces documents apparaissent toujours : - L objet général des tests ; - L énoncé des questions auxquelles le document s intéresse ; - Les hypothèses de simulation ; - L exposé de chaque expérience correspondant à une question particulière. Il comprend une description rapide des simulations réalisées, les illustrations des résultats et les commentaires associés ; - Les conclusions relatives à chacune des questions posées. Au terme de la phase d esquisse, dans le cadre du projet FFQCD, j ai classé toutes les solutions testées dans un organigramme des systèmes. Celui-ci a pour but d aider à distinguer les solutions pertinentes thermiquement des solutions non pertinentes ou sans effet notable. Par "système pertinent" on entend un système capable de réduire les besoins de chauffage du bâtiment. La résolution du problème de la grande consommation d énergie dans le Nunavik réside en partie dans une ou plusieurs combinaisons possibles de ses solutions pertinentes. Dans le classement on trouvera aussi des systèmes technologiques (panneaux solaires) ayant un lien avec l architecture car ils impactent la forme du bâtiment. L influence de ces systèmes actifs n a pas toujours pu être testée au cours du projet. Dans ce cas, c est sur la base de références de réalisations dans des climats semblables à celui du Nunavik (par exemple ceux de l Alaska et du Yukon) que nous nous sommes appuyés pour classer les systèmes. Ce classement des intuitions nous permet de mettre à plat et en commun toutes les idées de tous les groupes de travail. Il pourra être utile pour la suite du projet FFQCD, si l on désire reproduire l expérience, un livret des intuitions sera déjà à disposition. Ainsi on pourra se diriger directement vers des solutions pertinentes. Étudiante : Laetitia MAS Projet FFQCD P a g e 3

6 Systèmes - Non pertinent - Verrière en toiture (une seule fenêtre) ; - Surface vitrée (une seule fenêtre) ; Indifférent - Couleur du parement extérieur ; - Espace tampon vitré intégré au bâtiment ; Existant Pertinent - Regroupement des logements ; - Partie de structure lourde pour le stockage des apports solaires ; - Grande épaisseur d isolant dans les parois ; Invention - Espace tampon vitré accolé au bâtiment ; - Double fenêtre ; - Mur capteur ; - Panneaux solaires photovoltaïques ; - Panneaux solaires thermiques et stockage saisonnier PHASE DE CONCEPTION Au cours d un projet d architecture, le système climatique retenu peut se dégrader ou bien se simplifier tout en gardant un intérêt énergétique. De manière générale, il arrive rarement qu il soit repris littéralement dans les projets, ceci afin de répondre aux autres paramètres du projet. Il est alors impératif de se servir de la STD afin de vérifier que le système est toujours intéressant. Dans ce protocole, la phase de conception est l étape de concrétisation des systèmes pertinents retenus en phase d esquisse. Grâce à des outils de représentation plus précis et un travail de STD approfondi, l architecte et l ingénieur vont pouvoir appréhender l impact des systèmes sur le projet en cours d aboutissement. Afin que ces scénarios soient basés sur la réalité des conditions du Nunavik et que les simulations nous permettent de comparer les nouveaux projets avec le parc immobilier existant, nous avons, avant toute autre simulation, valider le modèle de la maison jumelée J2.2 Makivik grâce à des relevés de consommations annuelles de mazout (c est-à-dire : retrouver les consommations réelles avec la STD). Cette validation a permis d extraire des scénarios réalistes à appliquer aux simulations des nouveaux projets. Étudiante : Laetitia MAS Projet FFQCD P a g e 4

7 3. SYNTHESE ET COMPARAISON : LES FICHES PROJETS Pour parvenir à retenir les meilleurs projets il est nécessaire que ceux-ci soient comparés sur les mêmes critères énergétiques. Pour ce faire, nous avons réalisé une «fiche projet» pour chacune des propositions d habitation. Les fiches ont pour but de décrire les caractéristiques thermiques de chaque projet et de les comparer entre eux. Nous nous sommes appuyés sur l estimation de quatre des cinq usages de consommations règlementaires : le chauffage, l ECS, le rafraichissement et l éclairage. Les estimations de besoin de chauffage et de froid ont été réalisées en phase de conception grâce aux logiciels Alcyone (pour le dessin) et Pleiades+COMFIE (pour la STD). L estimation de la consommation de mazout liée aux besoins d ECS est basée sur celle du jumelé Makivik. Nous avons choisi de nous intéresser uniquement à ces quatre usages car ils ont un lien avec l architecture et les phases d esquisse et de conception. En effet, les consommations des auxiliaires de ventilation et de chauffage ont d avantage de lien avec la phase de dimensionnement qui ne fait pas partie de notre travail dans le cadre de ce PFE. La partie inférieure des fiches est dédiée aux propositions d amélioration énergétique. Ces propositions ont été pensées pour ne pas modifier les concepts architecturaux des projets. Cette partie est également dédiée aux indicateurs énergétiques qui comparent le projet en question avec les jumelés J2.2 Makivik (illustration des progrès réalisés par rapport au parc existant). Ces fiches sont destinées à un public large, c est pourquoi nous avons tenté de rendre les indicateurs les plus marquants et parlants possible : - Équivalence énergétique entre la maison jumelée J2.2 Makivik et le projet ; - Équivalence énergétique par personne logée [kwh/m².personne.an] ; - Équivalence en coût de mazout par an [$CA/an]. 4. BILAN ET PERSPECTIVES À ce stade du projet, nous avons été capables de proposer neuf modèles d habitation pour le grand Nord québécois et estimer leurs futurs besoins d énergie. Grâce au protocole de travail collaboratif employé, ces habitations possèdent des intentions climatiques intéressantes dans le contexte nordique et qui sont autant d avantages pour atteindre de meilleures performances énergétiques. Grâce à un travail de réflexion et de Simulation Thermique Dynamique au terme des projets d architecture, ces habitations ont des profils thermiques les plus optimisés possibles tout en conservant les qualités architecturales souhaitées par les élèves architectes. Selon les premières exigences du projet, les nouveaux habitats proposés par les étudiants devaient tendre vers le niveau BEPOS. Le travail réalisé durant ce PFE constitue la première étape de cette démarche. L expérience à montrer que ces exigences, applicables à nos climats français et sud-québécois, n étaient pas aussi évidentes à réaliser dans le climat arctique. Le projet FFQCD nous oblige à repenser le type de collaboration mis en place entre les architectes et les professionnels du génie climatique. Il a montré que les performances énergétiques des projets d architecture dépendent de notre capacité à travailler ensemble. Au travers de projets pionniers comme le FFQCD, l expérience du Nunavik a encore beaucoup à nous livrer sur la problématique énergétique de l habitat nordique et sur le travail collaboratif entre les domaines de l architecture et de la climatique. Étudiante : Laetitia MAS Projet FFQCD P a g e 5