Maîtrise de l énergie dans les bâtiments

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1 Maîtrise de l énergie dans les bâtiments Techniques par Robert ANGIOLETTI Diplômé de l École supérieure d ingénieurs de Marseille (ESIM) Chef du Département maîtrise de la demande d électricité à ADEME et Hubert DESPRETZ Ingénieur de l École centrale de Lyon Coordonnateur secteur bâtiment à ADEME 1. Aspects économiques et environnementaux... BE Confort des occupants Conservation des bâtiments et des biens Préservation de l environnement Techniques de maîtrise de l énergie Économies d énergie Économies liées aux tarifs Approche «système» Aide à la décision Réglementation énergie des constructions neuves Audit énergétique des bâtiments Gestion énergétique Rentabilité des investissements d économie d énergie Temps de retour brut Coût global actualisé Pour en savoir plus... Doc. BE L a maîtrise des consommations d énergie dans les bâtiments repose, d une part, sur des actions comportementales qui relèvent principalement de l information et de la formation des acteurs et, d autre part, sur la mise en œuvre de techniques ou procédés spécifiques qui, tout en préservant le service ou le confort rendu, visent à réduire les consommations d énergie de façon pérenne. Ces techniques sont présentées pour chacun des usages de l énergie, et leur intérêt ainsi que leur rentabilité peuvent être appréciés selon différents critères économiques et environnementaux. L étude complète du sujet comprend les articles : BE Maîtrise de l énergie dans les bâtiments. Définitions. Usages. Consommations ; BE Maîtrise de l énergie dans les bâtiments. Techniques (le présent article) ; Form. BE Maîtrise de l énergie dans les bâtiments. Tarifs de l énergie ; Doc. BE Maîtrise de l énergie dans les bâtiments. Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

2 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS 1. Aspects économiques et environnementaux 1.1 Confort des occupants Le confort des occupants comporte plusieurs aspects liés directement à la consommation d énergie pour traiter l ambiance thermique, l ambiance lumineuse, la qualité de l air et, plus globalement, les impacts sur santé. On aborde ici essentiellement la notion de «confort thermique». Il s agit d une notion physiologique qui s appuie sur les définitions et éléments suivants. L humidité : la teneur en eau de l air d un local est un élément du confort ; ses limites dépendent cependant du niveau de température requis et sont habituellement présentées sous la forme d une zone sur un diagramme, par exemple celui de Mollier (cf. article Air humide dans le traité). Les taux d humidité couramment rencontrés dans les locaux sont variables ; ils augmentent avec la température extérieure, le nombre d occupants et certaines activités telles que la cuisson ou les soins sanitaires. L effet de paroi : les parois d une pièce rayonnent de l énergie, laquelle contribue largement à la sensation de confort thermique. Les parois intérieures, sensibles à la température du local, introduisent peu de perturbation. Il n en est pas de même des parois extérieures : leur température dépend de leur isolation ; cela est particulièrement vrai pour les parois vitrées. Un tel effet, généralement appelé effet de paroi froide, entraîne, par manque de rayonnement de la paroi, un malaise qui conduit à augmenter la température ambiante. Le gradient thermique : sans brassage suffisant, l air chaud s accumule près du plafond et la température moyenne du local est supérieure à celle de la zone effectivement occupée. Sous nos climats, le confort thermique le plus usuel entraîne deux besoins essentiels : le chauffage en hiver et en mi-saison (environ 7 mois au total) ; la ventilation dans les locaux petits, afin d y maintenir un taux d humidité et de dioxyde de carbone suffisamment bas, et d éliminer les odeurs. À ces deux besoins s ajoutent parfois : le rafraîchissement en période de canicule, surtout dans le Sud du pays ; le rafraîchissement dans les locaux fermés comportant de nombreux apports thermiques inévitables (grands bâtiments tels que tours, magasins, salles de spectacles, ateliers avec de nombreuses machines, etc.) ; le conditionnement d air dans des bâtiments de prestige ou d usage spécifique (grands hôtels, magasins, hôpitaux, etc.). 1.2 Conservation des bâtiments et des biens Conservation des biens abrités On rencontre cette exigence dans des entrepôts de matériels ou de produits fragiles (musées, bibliothèques...) où la température doit être maintenue entre certaines limites par une installation de chauffage ou de climatisation. Conservation des bâtiments et de leurs installations Certaines contraintes nécessitent un conditionnement des locaux afin d assurer le maintien en bon état du bâtiment et de ses installations. La plus fréquente est le maintien hors gel : la plupart des bâtiments comportent des circuits de distribution d eau ; en cas d inoccupation, il faut donc soit ajouter de l antigel dans les canalisations, soit vidanger, soit maintenir la température des locaux au-dessus de 0 C. Les activités humaines génèrent de la vapeur d eau (respiration, toilette, cuisson, etc.). Si cette génération dépasse les possibilités d évacuation par ventilation, le taux d humidité de l air augmente et il y a condensation sur les parois froides, ce qui entraîne la dégradation de ces dernières. Cela nécessite une ventilation suffisante (mécanique si nécessaire) et l élimination ou l isolation renforcée de certains points plus froids de la paroi appelés ponts thermiques. 1.3 Préservation de l environnement La consommation d énergie pour satisfaire les besoins dans les bâtiments, outre son impact financier sur le revenu des ménages ou les charges d exploitation des entreprises, a des conséquences sur l environnement qui justifient à elles seules que des mesures d économie soient prises dans une logique de préservation des ressources et de développement durable. Les principaux impacts globaux sur l environnement sont les suivants : Effet de serre L effet de serre est causé par la présence, dans l atmosphère, de gaz qui absorbent et réémettent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la terre, conduisant ainsi à un échauffement de la partie basse de l atmosphère. Ce phénomène n est pas nouveau et sans lui aucune vie ne serait possible sur terre. Mais le risque potentiel d augmentation est dû à la présence accrue dans l atmosphère de dioxyde de carbone, de méthane, de composés chlorés (CFC, HCFC) ou d oxyde nitreux NO 2 (le seul CO 2 est passé d une concentration de 310 p.p.m. en 1960 à 350 p.p.m. en 1993 et cette concentration croît à un rythme de 0,5 % par an). La consommation d énergie dans les bâtiments est responsable d émissions de gaz à effet de serre, principalement CO 2, et cette contribution peut être estimée sur la base des équivalences du tableau 1. Tableau 1 Bilan des émissions de CO 2 selon les énergies Combustible CO 2 (g/kwh) Fioul domestique Fioul lourd Gaz naturel Propane Charbon Bois... 0 (1) Électricité : pointe autres (1) Par convention, il est considéré que le bilan d émission de CO 2 du bois est nul compte tenu du stockage pendant la croissance du végétal. Sources : CEA/DSE, CITEPA - ADEME (0) BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

3 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS NO x (mg/kwh) Chaudière standard Figure 1 Émissions de NO x selon le type de chaudière, source BRE (Building Research Establishment) Pluies acides Chaudière à condensation Lors de la combinaison, dans la haute atmosphère, des oxydes d azote (et de soufre) avec de l eau, il se forme des composés acides qui retombent sous forme de pluies «acides». Ces précipitations sont responsables de dommages aux plantes, à la vie aquatique et aux bâtiments. Les générateurs à combustion du secteur du bâtiment utilisent des combustibles contenant très peu de soufre et sont donc seulement responsables d émissions d oxydes d azote (NO x ). Les NO x sont générés durant la combustion lorsque l azote atmosphérique se combine à l oxygène sous l effet des hautes températures du brûleur. La quantité de NO x générée par une chaudière est principalement fonction de la conception du brûleur. Les différences sont illustrées (pour une chaudière de 300 kw fonctionnant h/ an) sur le graphique de la figure Couche d ozone Les chlorofluorocarbones (CFC), les hydrochlorofluorocarbones (HCFC) et les halons sont des composés chimiques utilisés à divers titres dans les bâtiments et principalement : pour les halons, dans les extincteurs et équipements de lutte contre les incendies ; pour les composés carbonés chlorés ou chlorofluorés, comme agents de moussage pour la fabrication d isolants, et comme fluides réfrigérants dans les installations de froid domestique, industriel et commercial, les installations de conditionnement d air et les pompes à chaleur. Ces composés, lorsqu ils sont relâchés dans l atmosphère, détruisent la couche d ozone stratosphérique qui protège la terre du rayonnement UV. L ODP d une substance (ozone depletion potential) est le pouvoir destructeur relatif de la substance, sachant qu a été attribuée la valeur 1 au CFC Techniques de maîtrise de l énergie 2.1 Économies d énergie Isolation de l enveloppe Chaudière bas NO x Chaudière à condensation bas NO x Le calcul des déperditions thermiques à travers les parois D p (en W) repose sur la loi générale du transfert de chaleur à travers une paroi. Les déperditions sont dues à trois modes de transferts qui ont lieu en cascade : la convection sur la paroi intérieure du local ; la conduction à travers la paroi ; la convection sur la paroi en contact avec l extérieur. On ne tient pas compte, du fait des températures considérées, des échanges par rayonnement (ce qui ne serait plus vrai, par exemple, pour le calcul de l isolation d un four de cuisson domestique) : D p = h int S (θ i θ pi ) = λ S/e (θ pi θ pe ) = h ext S (θ pe θ e ) avec S surface de la paroi, e épaisseur de la paroi, λ coefficient de conductivité thermique, θ i, θ e respectivement températures des ambiances intérieures et extérieures, θ pi, θ pe respectivement températures de surface de la paroi côté intérieur et côté extérieur, h int, h ext respectivement coefficients d échanges par convection de la paroi à l intérieur et l extérieur. En pratique, on utilise des paramètres globaux. Le coefficient de transfert global K : qui permet d écrire : 1 1 e = K h int λ h ext D p = KS (θ i θ e ) et qui caractérise une paroi donnée, simple ou complexe, la formule pouvant comporter plusieurs termes en e/λ, pour chaque couche de matériau homogène. Le coefficient volumique de déperditions thermiques G comporte la somme de deux déperditions : la première relative à la déperdition de l enveloppe et calculée à partir de la somme des déperditions de chaque paroi ; on calcule ces déperditions en sommant celles de chacune des parois (K i x S i ), puis en rapportant cette somme au volume V du local : G K i S i 1 = i V la seconde relative à la déperdition thermique due à la ventilation ( et [BE 9 020] 2.2). En pratique, le coefficient G permet d avoir un accès rapide à la puissance maximale P (en W) nécessaire au chauffage d un bâtiment de volume V (en m 3 ) à la température extérieure minimale θ b par la relation : P = G V (θ i θ b ) x 10 3 On peut aussi avoir une estimation de la consommation annuelle Q (en kwh/an) nécessaire au chauffage du même bâtiment, pour un climat de degrés-heures DH (en K h), par la relation : Q = B V DH x 10 3 Le coefficient B, qui exprime les besoins nets du bâtiment, c est-àdire tenant compte des apports gratuits, s obtient, à partir du coefficient G précédemment défini, par la relation : B = [G 1,5/(θ i θ e )](1 F ) Le premier terme tient compte des apports gratuits internes ; θ e est la température extérieure moyenne en saison de chauffe. Le second terme tient compte des apports solaires ; F est un coefficient de couverture solaire. On se reportera aux méthodes de calcul réglementaires pour la construction neuve, publiées par le CSTB dans les Cahiers techniques du bâtiment, pour la détermination de ce coefficient. Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

4 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Parois opaques Pour toutes les parois opaques, la plupart des isolants employés doivent leur faible conductivité thermique à la présence d air emprisonné dans leur masse : soit sous forme de bulles fermées (mousse expansée) ; soit sous forme d un entrelacs de fibres, ce qui leur confère une grande légèreté, mais une résistance mécanique faible les rendant impropres au support de charges. Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) classe les parois, en fonction de leur coefficient K, en neuf classes. Ce coefficient augmente de classe en classe avec une progression d environ 0,3 W m 2 K 1 : la classe I va de 1 à 1,3 W m 2 K 1 ; la classe IX va de 3,41 à 3,7 W m 2 K Construction neuve Mur homogène Le mur est construit en employant des matériaux suffisamment isolants pour en limiter l épaisseur à une valeur acceptable. Pour un mur de classe IV (1,9 à 2,1 W m 2 K 1 ), le tableau 2 donne, en fonction du matériau utilisé, une épaisseur e de matériau à mettre en œuvre. (0) Tableau 2 Conductivité thermique et épaisseur équivalente pour divers matériaux de construction Matériau Conductivité λ (W m 1 K 1 ) Épaisseur e (cm) Granit... 3,5 170 Calcaire... 1,5 70 Maçonnerie tout venant... 0,9 40 à 50 Béton banché... 0,6 30 Béton en blocs : creux... 0,45 22 alvéolaires... 0,38 20 Briques : pleines... 0,5 25 creuses... 0,42 20 Bois... 0,15 7 à 8 Seuls les matériaux très isolants ( λ 045, W m Ð 1 K Ð1 ) sont encore employés dans ce mode de construction. Mur hétérogène Le mur est composé d une paroi support, généralement en béton, doublée de parois isolantes ; ce type de réalisation est très employé actuellement, car il permet des isolations de haut niveau avec une épaisseur faible et un coût raisonnable. On y parvient : par construction au moyen de matériaux différents accolés ; par montage d éléments composites préfabriqués. En cours de mise en œuvre, un contrôle du bon raccordement des différents éléments isolants est indispensable. Dans les deux cas, une attention particulière devra être accordée à certains points de grande transmission thermique (abouts de dalle ou de refends, poteaux, linteaux de poutres, balcons, bardeaux d acrotères, etc.), que l on nomme ponts thermiques, afin d en limiter les déperditions Construction existante Isolation par l extérieur (prix de revient en 2000 de l isolation par l extérieur : de 500 à 800 F/m 2 ) Sur le plan technique, c est la façon la plus satisfaisante de procéder car : elle assure une isolation complète et supprime la plupart des ponts thermiques ; elle conserve une bonne inertie au local. Par contre, elle modifie souvent l aspect de la façade. Sur le plan économique, cette solution est onéreuse et nécessite la mise en place d un échafaudage ; elle est donc difficilement rentable sauf si un ravalement de façade s impose. On y parvient de différentes façons : par un isolant en plaques collées au mur ou empalées sur des tiges ; le tout est alors protégé par un bardage (tôles métalliques ou plastiques, ardoises, bardeaux, etc.) fixé à distance sur une ossature afin qu une lame d air permette la respiration du mur ; par un isolant en plaques collées au mur et recouvertes d un enduit plastique armé de toile de verre ; par revêtement d un isolant projeté, plus épais qu un simple enduit de façade. Isolation par l intérieur (prix de revient en 2000 de l isolant posé : de 250 à 400 F/m 2 ) La réalisation de l isolation, techniquement plus accessible et moins onéreuse que la précédente, rencontre d autres inconvénients : elle diminue la surface du local ; elle nécessite la réfection de la décoration intérieure ; elle dérange les occupants ; elle diminue l inertie thermique du local, ce qui rend plus difficile la régulation de son chauffage. On a le choix entre deux techniques : des plaques en plâtre intégrant l isolant et le parement ; un isolant caché par une cloison en carreaux de plâtre ou de briquettes, ce qui conduit à des épaisseurs plus grandes. Dans les deux cas (isolation par l extérieur ou l intérieur) pour une construction existante, l isolation de l ensemble des murs n est pas toujours nécessaire. Un calcul des déperditions permet souvent de limiter cette action aux façades Nord ou ventées, surtout si ce sont des murs pignons dépourvus de fenêtres, cas où la mise en œuvre de l isolation est beaucoup plus facile Terrasses Deux techniques sont employées : un isolant placé sous l étanchéité soit directement sur le plancher support, soit directement sous l étanchéité ; un isolant placé au-dessus de l étanchéité. Seuls certains isolants peuvent convenir. Les déperditions du dernier étage d un bâtiment dépendent fortement de cette isolation et sa mise en place facilite l équilibrage thermique de l installation Combles S il s agit de combles perdus, l isolation sur plancher est préférable : la surface est plus faible, la pose est plus facile et l isolant est moins exposé à se détériorer ; de plus, la ventilation des charpentes reste bien assurée. On utilise alors très généralement des fibres minérales en rouleaux. S il s agit de combles habités, l isolant est placé sous la toiture et protégé de la condensation par un pare vapeur (feuille étanche en plastique) placé sous l isolant. On utilise alors soit des isolants de fibres minérales en rouleaux placés sous le rampant, soit des plaques de mousse expansée. BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

5 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Plancher bas Il s agit du plancher inférieur sur sous-sol, vide sanitaire ou terreplein. L isolation se fait de deux façons : entre le plancher porteur et la chape ; en sous-face du plancher porteur, éventuellement intégré comme voûtain isolant. Les matériaux généralement employés sont alors des plaques de mousse expansée. Une autre possibilité est le flocage (projection) de laine minérale Parois vitrées Ouvrants Les parois vitrées constituent une zone particulière dans l enveloppe du bâtiment : d une part, ce sont des points faibles pour l isolation, inconvénient limité par l ampleur de leur surface habituelle (15 à 20 % des parois) ; les constructions des années 1955 à 1975 ont souvent des surfaces très supérieures (baies vitrées) ; d autre part, elles permettent des échanges de rayonnement avec l extérieur, globalement bénéficiaires au bâtiment (apports gratuits). Il y a donc lieu de bien analyser ce phénomène. Les déperditions dépendent : de la structure du vitrage : simple vitrage (K = 3,6 à 3,8 W m 2 K 1 ), double vitrage (K = 0,9 à 1,3 W m 2 K 1 ) ; du matériau de l encadrement : bois ou plastique sont satisfaisants ; le métal introduit un pont thermique non négligeable ; de la qualité de l étanchéité : les ouvrants modernes répondent à des classes de qualité, les ouvrants anciens sont souvent très défectueux. Deux échanges thermiques opposés traversent les vitrages : le rayonnement solaire, qui est une source d apport gratuit soit par action directe, soit par action réfléchie ou diffusée sur d autres immeubles ; en période froide, un rayonnement à effet inverse qu il convient d atténuer par des voilages ou des persiennes. De nuit, il est donc bon de se rapprocher de l isolation d une paroi opaque par l emploi de rideaux ou mieux de volets étanches Vérandas Le phénomène décrit pour les ouvrants ( ) est alors amplifié : l apport gratuit et le rayonnement déperditif peuvent devenir importants, voire excessifs, et poser de sérieux problèmes de confort, nécessitant l emploi de vitrages isolants ou de moyens d occultation efficaces. Sinon, cela conduit à la fermeture et à l inoccupation périodique de la véranda Figure 2 Recensement des ponts thermiques sur un logement (source CSTB) Rendement et pertes sur PCI Pertes par eau non condensée Fumées Excès d'air balayage Rayonnement Convection 4 Rendement et pertes sur PCS Immeubles largement vitrés Leur conception doit alors intégrer correctement ces phénomènes afin de s en prémunir de façon efficace : gestion centralisée, éventuellement complétée par une climatisation Ponts thermiques Les ponts thermiques sont fortement dépendant du nombre de planchers ou murs de refend ainsi que du procédé constructif et de l isolation associée. Les possibles ponts thermiques sont répertoriés sur l exemple de maison individuelle de la figure Générateurs Pertes thermiques Les principales causes de pertes thermiques des générateurs thermiques à combustion sont indiquées sur le graphique de la figure 3. Taux de charge mi-saison Taux de charge en hiver Taux de charge (%) Taux de charge = charge utile puissance nominale Figure 3 Pertes d un générateur à combustion Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

6 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Pertes par les parois (rayonnement, convections) Elles sont inévitables, sauf dans le cas du générateur divisé, lequel est lui-même émetteur. On les minimise : en calorifugeant au mieux le générateur (gain de 3 à 6 % pour les chaudières récentes, on va jusqu à une épaisseur de 10 cm, ce qui réduit les pertes à 1 % de la génération ; en baissant le plus possible la température de fonctionnement du générateur, ce qui nécessite de grandes surfaces d émission et un retour de distribution à basse température Pertes par les produits de combustion ou fumées On les minimise en maintenant au plus bas la température de sortie des fumées (gain de 2 à 4 %) : vers 180 C avec une chaudière classique ; vers 150 C avec une chaudière basse température ; vers 40 à 50 C avec une chaudière en période de condensation totale ; dans ce cas, on récupère en plus la chaleur de condensation d une partie plus ou moins importante de la vapeur d eau contenue dans les fumées : le gain dépend alors du combustible utilisé et de la température de sortie des fumées avec un maximum de 9 % avec le gaz naturel, 8 % avec le propane et 6 % avec le fioul domestique. La limite dans ce domaine est donnée par : la capacité du matériau de la chaudière à résister à la corrosion sulfurique, au-dessous de la température de rosée ; les possibilités de tirage de la cheminée Pertes par balayage Au cours de l arrêt de fonctionnement du brûleur, le tirage de la cheminée entraîne un balayage du foyer qui le refroidit. L installation d un clapet coupe-tirage peut éliminer une grande partie de ces pertes (de 3 à 10 %) Pertes par les imbrûlés On les minimise par une adaptation du brûleur : optimisation de l excès d air et fragmentation la meilleure possible des combustibles concernés : pour le fioul domestique, le gicleur doit être adapté à la puissance désirée ; pour le charbon, il faut utiliser, des grains de bonne taille ; pour le bois, il faut une découpe adaptée au foyer de la chaudière. Le gain peut être variable, de 2 à 5 % selon les cas. Dans le cas d un matériel domestique trop usagé, son remplacement s impose, car les chaudières modernes procurent des gains de rendement parfois spectaculaires (de 0,7 à 0,9 pour le générateur). Il existe également des générateurs à combustion localisée, sous des formes diverses : poêles ou radiateurs de cheminées, fonctionnant avec différents combustibles : gaz naturel, propane, fioul domestique, charbon ou bois. Ces appareils sont de plus en plus réservés aux résidences secondaires ; radiateurs à ventouse, fonctionnant au gaz naturel ou au propane. Ces générateurs ont l avantage d être localisés et de permettre facilement un chauffage adapté à chaque pièce, d où une économie de consommation Générateurs à résistance électrique Les plus courants sont les convecteurs. Leur avantage principal provient de leur simplicité et de leur qualité de générateur émetteur, laquelle procure d excellents rendements. Il existe également des générateurs radiants sous deux formes principales : des panneaux rayonnants à infrarouge ; des panneaux rayonnants à basse température et grande surface dont la version la plus répandue est un film plastique en rouleau, d origine nordique. L intérêt énergétique majeur de ces générateurs réside dans le fait qu ils sont localisés, ce qui leur permet une grande souplesse de fonctionnement et autorise une forte intermittence. De plus, les panneaux radiants de grande surface conduisent, généralement, à une température ambiante plus faible. À confort égal, ces générateurs permettent une économie de consommation comprise entre 5 et 15 % à condition d utiliser une régulation ayant un thermostat adapté à ce type d émission. Il existe également des chaudières à résistance électrique pour chauffage central ; leur encombrement et l entretien qu elles nécessitent sont faibles mais elles ne procurent pas les avantages ci-dessus Générateurs thermodynamiques Ce sont les pompes à chaleur pour le chaud et les groupes frigorifiques pour le froid (cf. articles spécialisés dans ce traité). Un même appareil peut assurer les deux fonctionnements successivement. Deux grandes catégories sont actuellement utilisées : les générateurs à compression, entraînés par un moteur électrique (petites et moyennes puissances) ou thermique (moyennes et grandes puissances) ; dans ce dernier cas, la récupération de la chaleur perdue est importante ; les générateurs à absorption, nécessitant une source de chaleur à température moyenne ou élevée. La deuxième famille d appareils est nettement moins répandue que la première. Pour assurer leur fonctionnement, il est nécessaire de disposer d une source thermique extérieure froide pour la pompe à chaleur (sol, eau, air extérieur ou extrait, capteur statique, etc.) ou chaude pour le groupe frigorifique (condenseur à eau ou à air). Cycle thermodynamique et source thermique entraînent des appareils de complexité plus grande et donc des coûts plus élevés. Ces coûts sont compensés par : une performance nettement supérieure à 1 ; par exemple, 2,4 à 2,8 pour une pompe à chaleur sur air extérieur et 2,6 à 3,5 pour une pompe à chaleur sur eau ; une possibilité de réversibilité, c est-à-dire une génération alternative de chaud ou de froid. La performance de ces machines est très sensible à leurs conditions d installation, la meilleure étant obtenue pour une faible différence de température des sources : source froide la plus chaude possible [de 10 à 25 C (1) ] et source chaude (distribution) la plus froide possible (de 30 à 45 C) [cas du chauffage]. Nota (1) : un tel niveau de température est rarissime (cas de stations thermales par exemple) et, à ce niveau de température, on peut utiliser directement et simplement un échangeur) Générateur par échange Sous-station Il s agit alors d un échangeur de chaleur interposé entre un réseau primaire de transport de chaleur (par eau ou par vapeur) et le circuit de distribution du bâtiment. La seule économie possible réside dans une bonne isolation de la sous-station. La sous-station fait en général partie du réseau de chaleur et un compteur placé sur la distribution de l immeuble permet la facturation de la chaleur fournie (cf. articles spécialisés dans ce traité) Récupérateur de chaleur sur les déperditions Les pertes thermiques du bâtiment peuvent faire l objet d une récupération ; celle-ci viendra en diminution de la génération. BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

7 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Sonde extérieure Sonde capteur Capteurs Soupape Chaudière d'appoint Soupape Régulation du chauffage d'appoint Sonde température départ Vase d'expansion Pompe Vase d'expansion Clapet antiretour Ballon de stockage eau chaude solaire Compteur volumétrique Sonde ballon Sonde dalle Bouteille casse-pression Régulation différentielle Sonde de température maximale de la dalle Réseau de plancher chauffant Pompe Clapet antiretour Figure 4 Schéma de principe de plancher solaire direct avec appoint chaudière Les systèmes les plus employés portent sur les déperditions de l air extrait avec récupération : par échangeur avec l air neuf : cette technique est d autant plus efficace que l air extérieur est plus froid. Pour les petites puissances, on utilise des échangeurs à plaques ; pour les puissances plus importantes, on utilise également des échangeurs à caloducs ou des échangeurs rotatifs à silicagels ou à saumure ; par évaporateur de pompe à chaleur sur air extrait : la récupération est plus importante en climat tempéré, mais elle nécessite une bonne constance de la température de l air extrait (occupation permanente du bâtiment). Certains systèmes se développent pour la récupération de chaleur à travers l enveloppe ; on parle alors d isolation dynamique. Pour y parvenir, on fait circuler un fluide à l intérieur de cette paroi, généralement de l air ; selon le mode de circulation de ce fluide, on les divise en deux catégories : isolation pariétodynamique qui comporte des cavités parallèles à la paroi ; isolation perméodynamique où le mouvement du fluide est perpendiculaire à la paroi, au travers d un isolant poreux. Exemple : l air extérieur se réchauffe dans cette circulation avant d être introduit dans le local ou de venir céder sa chaleur à un évaporateur de pompe à chaleur Générateurs par rayonnement solaire Les capteurs utilisés dans le bâtiment sont des capteurs plans de deux types principaux. Les capteurs vitrés, de construction soignée, sont conçus pour produire de l eau à une température comprise entre 40 et 80 C, destinée essentiellement à la fourniture d eau chaude sanitaire. Les capteurs nus, de construction simplifiée, sont soit en tubes, soit en tapis plastique. Ils sont conçus pour fournir de l eau à une température comprise entre 15 et 50 C, destinée plutôt au préchauffage d eau chaude sanitaire ou au chauffage de bassin de piscine. Ils peuvent également servir de source froide pour pompe à chaleur ; on en rencontre alors de deux sortes : de véritables capteurs solaires nus ; des capteurs à tubes, généralement métalliques, exposés à la ventilation naturelle ; leur captation provient alors plus de l air extérieur que du solaire proprement dit. Beaucoup fonctionnent à l eau glycolée mais certains sont de véritables évaporateurs où circule directement le fluide frigorigène. Certains de ces capteurs sont enterrés et récupèrent la chaleur accumulée dans le sol durant la saison chaude. Un système de recours à l énergie solaire est particulièrement bien adapté au chauffage des logements, il s agit du plancher solaire direct. Dans le principe, il repose sur une circulation directe du fluide (eau glycolée), chauffé par les capteurs, dans les tuyauteries noyées dans les dalles des planchers. Le schéma de la figure 4 illustre ce dispositif avec un appoint par chaudière Bi-énergie Les énergies sont de types différents : stockable ou de réseau, à tarif constant ou périodique, fossile ou renouvelable, etc. De même, les générateurs ont leur qualité propre ; par exemple, complexe mais performant, simple et bon marché, etc. Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

8 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Les combiner peut apporter des avantages car on met à profit ces différences pour employer chaque générateur et chaque énergie dans les meilleures conditions : 1 er cas : on utilise le générateur le plus performant en base, c est-à-dire pour assurer, durant toute la saison de chauffage, l essentiel de la génération ; on utilise l autre en appoint, durant la saison. Avec 40 % de la puissance de base, on peut assurer 80 % du besoin utile. Par exemple : chaudière à condensation en base et chaudière normale en appoint ; 2 e cas : on utilise une chaudière en pointe lorsque sa charge est élevée et une pompe à chaleur sur air extérieur en relève lorsque sa performance est élevée ; 3 e cas : on utilise en fond un chauffage central à eau chaude et l on évite de rencontrer des problèmes d équilibrage thermique par l emploi en complément de convecteurs électriques Distribution et émission de chaleur ou de froid La distribution s effectue à l aide d un fluide caloporteur dont le débit est inversement proportionnel à la capacité thermique volumique du fluide : deux fluides simples sont couramment employés pour cet usage : l eau (1 160 Wh m 3 K 1 ) et l air (0,38 Wh m 3 K 1 ). À cause de sa grande capacité thermique volumique, le fluide le plus employé, notamment en France, est l eau en raison de sa mise en œuvre facile, de la détection rapide de ses fuites et d une longue habitude. L air nécessite des débits beaucoup plus importants, ce qui entraîne des conduites de plus gros diamètre dont les fuites sont plus difficilement décelables et il peut générer des bruits gênants ; par contre, il supprime la fonction émission et son inertie thermique relativement faible est avantageuse dans les locaux très isolés. Cependant, le système est ouvert sur l extérieur, ce qui le rend très sensible aux perturbations (ouvrants, vent, etc.) et diminue grandement sa stabilité de fonctionnement. La vapeur d eau et l eau surchauffée sont des fluides parfois employés à cause de leurs grandes capacités thermiques ; elles sont plutôt utilisées dans les réseaux de chaleur Pertes dans le circuit Compte tenu des surfaces de conduites très importantes, les pertes devraient être énormes : en fait, dans tout le volume chauffé, les conduites ne sont pas isolées et jouent partiellement le rôle d émetteur. En dehors des volumes chauffés, il y a lieu : de limiter la longueur des conduites ; de les isoler soigneusement (gains de 2 à 4 % en maison individuelle et de 4 à 8 % en bâtiment collectif) ; de veiller à leur bonne étanchéité, surtout avec l air (pertes potentielles très importantes) ; enfin, de distribuer à la température la plus basse possible. Le chauffage à basse température (de 25 à 40 C) est une tendance qui se répand rapidement. Il présente de nombreux avantages : utilisation de générateurs modernes à haut rendement, diminution de pertes en distribution, facilité de régulation et augmentation du confort due à une température plus régulière. Un circuit de distribution est souvent complexe ; il comporte des vannes qui permettent un équilibrage correct des débits. On peut ainsi répartir les débits afin d assurer un niveau de température convenable dans toutes les pièces du bâtiment ; cette opération se dénomme équilibrage thermique. En immeuble collectif et dans les bâtiments du tertiaire, cette opération délicate à réaliser, doit être relativement fréquente, mais peut améliorer sensiblement les résultats (gains de 3 à 8 %) Inertie de la distribution On prend en compte une inertie volumique I V (Wh m 3 K 1 ). Sa valeur dépend des paramètres suivants : volumes et capacités thermiques du fluide contenu et du matériau contenant ; différence de température entre fluide de distribution et ambiance à traiter. Elle dépend donc beaucoup de la structure de la distribution (par eau ou par air). Cependant, sa valeur relativement faible par rapport à l inertie structurelle limite son influence aux variations de température rapides que la régulation impose à la distribution. Cela peut entraîner une émission plus ou moins pulsée, avec une période de l ordre de quelques dizaines de minutes Émission Les émetteurs de chaleur sont de plusieurs types : certains fonctionnent par convection naturelle ou forcée, d autres par radiation et beaucoup combinent les deux. Le choix d un émetteur est capital ; il conditionne la bonne adaptation de l installation de chauffage au besoin utile et à ses variations. Le choix doit se faire en fonction des caractéristiques du local à chauffer (volume, hauteur, inertie, etc.) et de l activité qui s y exerce (sédentaire, mobile, bruyante, selon les conditions d habillement, etc.). Cette remarque est d autant plus vraie que l activité est plus spécifique (entrepôt, élevage, piscine, etc.). En règle générale, il y a lieu de rechercher, selon le local : l homogénéité de température, par convection, si la hauteur de plafond est basse ; le chauffage des objets et des personnes par rayonnement si la hauteur de plafond est élevée, afin de ne pas y accumuler, des masse d air plus chaud (gradient vertical de température). Cet objectif peut être atteint par l emploi de grandes surfaces d émission à basse température (plancher, ou plafond chauffant, à eau chaude ou électrique). L effet de rayonnement permet de baisser un peu la température de l air de la pièce et conduit alors à une légère économie de chauffage ; une inertie d émission adaptée aux variations de besoin utile : si ces dernières sont lentes, une forte inertie (plancher chauffant ou gros radiateurs) favorise le confort par un maintien de la température ; si elles sont rapides, une faible inertie est préférable (petits radiateurs, convecteurs ou chauffage par air) ; une émission à basse température diminue le gradient d émission et rend cette dernière plus sensible à toute variation de température du local, d où une autorégulation de l émission favorable à son rendement et au confort de l occupant ; un niveau sonore de l émetteur adapté à celui du milieu : tout local de séjour (lieu de passage, bureau, salle de séjour, etc.) tolère un léger niveau sonore à l émission [30 à 35 db(a), ventilation par exemple] ; dans un local calme (chambre à coucher), il faut l éviter. Parmi les générateurs-émetteurs, on peut signaler deux grandes catégories de matériels : les appareils de faible puissance, destinés au chauffage d une seule pièce, tels que les convecteurs électriques ; les appareils plus puissants, qui assurent en plus, surtout en demi-saison, le chauffage des pièces voisines : poêles, radiateurs à gaz (avec cheminée ou à ventouse), pompe à chaleur réversible airair, etc. Ce mode de chauffage, très utilisé dans les maisons individuelles campagnardes, impose certaines contraintes (ouverture permanente des portes) et n assure par une distribution de chaleur très équilibrée, ce qui n est pas forcément un inconvénient. BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

9 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Ventilation économe Le renouvellement d air d un local est nécessaire afin d y maintenir la qualité de l air, surtout s il y a des occupants. Les principaux défauts à combattre sont : l accumulation de dioxyde de carbone et de vapeur d eau due à la respiration, à la combustion, à la cuisson ou aux soins sanitaires ; l accumulation de mauvaises odeurs. D autres contraintes peuvent également intervenir : par exemple, risques de fuite de gaz combustible. Le taux de renouvellement d air suscite un débat qui n est pas achevé : diminuer les débits de ventilation permet de réduire les déperditions thermiques, mais nuit à la qualité de l air intérieur. De nombreux travaux internationaux sont en cours mais aucune position définitive n est retenue. Il importe, du point de vue des économies d énergie, de maîtriser le débit de renouvellement d air et de le maintenir le plus exactement possible, à chaque moment, au minimum hygiénique fonction de la présence des occupants. Ce renouvellement d air se fait de diverses façons Ventilation naturelle La ventilation est dite naturelle si elle est simplement due à de petites ouvertures spécialement aménagées à cet effet, reliées ou non à des gaines, et complétée par les défauts d étanchéité des ouvrants (portes ou fenêtres) ou par leur ouverture temporaire ; elle est donc variable et très sensible au vent. Pour fixer les idées, on peut retenir les ordres de grandeur suivants, pour une ouverture de 1 cm 2 : 0,3 m 3 /h en site urbain ; 0,5 m 3 /h en site rural ; 1 m 3 /h en site venté. L amélioration de l étanchéité des ouvrants se fait aisément et à peu de frais à l aide de joints : soit en injectant des pâtes élastiques au silicone ; soit avec des lames métalliques souples clouées, de fiabilité meilleure. Quant aux parois opaques hétérogènes, leur étanchéité n est pas toujours bonne ; des fuites se décèlent souvent aux joints et en particulier dans les angles. Dans ce cas, des points froids apparaissent, avec condensation et dégradation rapide Ventilation mécanique Dans un local très étanche, la ventilation doit être mécanique, soit : par extraction simple placée dans les pièces de service avec entrée d air dans les pièces principales au moyen de petites ouvertures ; par insufflation d air placée dans les pièces principales et évacuation par les pièces de service ; par double flux (insufflation et extraction) au moyen d un double circuit de gaines et de ventilateurs ; on parle alors de ventilation mécanique contrôlée (VMC). Celle-ci n a de sens que si l étanchéité du bâtiment est suffisante et l ouverture des ouvrants limitée au strict minimum. Cette disposition est nécessaire dans le cas d un local climatisé. Les déperditions thermiques par ventilation D v, sont importantes et données par la relation : D v = QC p (θ i θ e ) avec Q débit d air renouvelé, θ i température intérieure, θ e température extérieure, C p capacité thermique de l air. Dans le cas de la ventilation mécanique, un abaissement nocturne du débit d air (par exemple de 30 %) se justifie par la diminution des activités ; il est souvent réalisable et procure des économies d énergie intéressantes (de 5 à 10 %). Renouveler, en permanence, un débit d air de 1 m 3 /h consomme 25 kwh/an (déperditions thermiques plus consommation électrique du ventilateur). Cela représente une part non négligeable des déperditions thermiques d un bâtiment : de 10 à 30 % selon le degré de l isolation de l enveloppe. Dans bien des cas, à l exception de celui des petits logements, les débits d air renouvelés peuvent être diminués de 20 à 30 %. Modifier l état de la ventilation d un local coûte très cher ; en particulier, y installer des gaines techniques non prévues à l origine est très difficile. On peut cependant signaler qu il existe des expériences où des gaines ont été installées à l extérieur des bâtiments, à l occasion d une réhabilitation de façades Interventions sur la ventilation Les interventions ont été évoquées ( et ). Elles sont de deux types essentiellement, interventions sur les bouches et interventions sur l extracteur. Les interventions sur les bouches consistent au nettoyage ou au remplacement des unités terminales lorsqu elles sont encrassées ou hors d usage. Ces interventions ne sont pas chiffrées, simplement parce que l état des bouches varie d un local à l autre, et que la visite d un expert n aura pas permis d affecter un coefficient de mauvais fonctionnement à chacune d entre elles. Plus qu une économie, il s agit par cette intervention de conserver en bon état le bâti : une mauvaise aération des locaux porte préjudice à la conservation du bâtiment, et par là même au moral et à la santé des occupants. Les interventions sur l extracteur, mis à part ici aussi l entretien nécessaire au bon fonctionnement, concernent d abord la marche de l appareil. La possibilité d arrêter la marche du ventilateur ou de réduire son débit pendant certaines périodes ne peut s appliquer qu à des locaux à usage intermittent, c est-à-dire les bureaux et les locaux d enseignements. Ces interventions, surtout l arrêt, entraînent des économies non négligeables sur la consommation électrique du ventilateur et sur la consommation de chauffage. Le remplacement des appareils anciens avec un mauvais cosinus ϕ, ou la pose de condensateurs, entraîne une diminution de l énergie réactive. Une économie financière est réalisable dans le cas d un tarif vert [Form. BE 9 022] avec une tangente ϕ supérieure à 0,40. On peut trouver le cas, la nuit lorsque la VMC est seule à fonctionner. La récupération de chaleur obtenue par l installation d un échangeur sur l air extrait offre de l énergie thermique gratuite pour le réchauffage de l air introduit (échangeur air/air) ou le préchauffage de l eau (échangeur air/eau), mais la consommation électrique du ventilateur est majorée à cause de l augmentation de perte de charge due à l échangeur Eau chaude sanitaire (ECS) Hors une réduction des besoins, les économies d énergie sur le service d eau chaude sanitaire proviendront d une intervention ou d une combinaison des interventions sur les systèmes (encadré 1). Comme pour le chauffage, la génération peut être : divisée, c est-à-dire située près des points de puisage ; centralisée par logement ou individuelle ; centralisée par immeuble ou collective ; centralisée et distribuée à chaque immeuble par un réseau. Il est souvent pratique de lier la production d eau chaude sanitaire à celle du chauffage, sur le plan du choix de l énergie et aussi sur celui de la génération. En fait, pour les petites installations (génération individuelle ou collective en petit immeuble), on utilise un Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

10 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS générateur mixte afin de diminuer les investissements. Son choix dépend de la disponibilité et du coût de l énergie. Encadré 1 Interventions eau chaude sanitaire 1. Sur la tarification Autorisation de marche par horloge tarifaire Accumulation de nuit Fonctionnement du brassage en fin de période nuit 2. Sur la production Abaissement de la température de production Détartrage des épingles chauffantes Calorifugeage des ballons Adaptation du stockage aux besoins Décentralisation suivant les usages ou les principes Comptage eau froide du ballon ECS Comptage électrique Remplacement des appareils vétustes Systèmes de récupération de chaleur 3. Sur la distribution Calorifugeage des tuyauteries Remplacement du bouclage par le traçage Séparation du réchauffage de la boucle Température de boucle autorisée pendant l inutilisation Pose d un mitigeur thermostatique au départ Production terminale ou décentralisée Le deuxième critère retenu dans ce choix est celui du confort, lequel s apprécie par les caractéristiques souhaitées pour le puisage : débit, fréquence, niveau et constance de la température. Le troisième critère pris en compte est celui de la longueur de la distribution : mieux vaut un générateur supplémentaire qu une longue distribution. On peut même envisager une solution mixte : génération, stockage et distribution à température faible (35 à 40 C) et surchauffe près du point de puisage. Les rendements de génération sont très variables ; en particulier, ceux des générateurs instantanés sont assez faibles car il y a des pertes importantes à la fin de chaque puisage. Pour les générateurs mixtes : en période de chauffage, les pertes à l arrêt sont récupérées par le chauffage ; en période de non-chauffage, ce sont de véritables pertes Stockage Son volume doit être calculé en fonction des caractéristiques du puisage (débits et périodicité) et des tarifs de l énergie (heures creuses). Dans l habitat, on constate deux grandes périodes de pointe pour l utilisation : le matin et le soir, avec une petite pointe complémentaire en milieu de journée. En stockage individuel, un ballon de forme cylindrique vertical, avec une arrivée d eau froide à la base et un départ d eau chaude en tête, permet un fonctionnement du stockage avec effet piston : l eau froide déplace l eau chaude avec un front à fort gradient de température et sans mélange ; cette disposition permet une fourniture continue d eau à la température désirée malgré un chauffage périodique de durée limitée. En stockage collectif, un effet voisin peut être obtenu par l emploi de deux ballons en série, le premier servant au préchauffage et le second au chauffage définitif. L isolation du ballon de stockage est le principal élément dont il faut tenir compte dans l appréciation du rendement ; l isolation soignée des points de fixation et celle des tuyauteries de raccordement sont également des éléments importants. Enfin, ces déperditions étant, en gros, proportionnelles à la surface, elles sont proportionnelles à V 2/3 ; les stockages de grand volume ont donc des pertes relativement plus faibles que ceux de petit volume Distribution Comme pour le chauffage, les pertes sont proportionnelles à la longueur du circuit de distribution. En saison de chauffe, ces pertes sont récupérées pour le chauffage des locaux dans la mesure où ce circuit passe dans le volume chauffé. En dehors de cette période et hors du volume chauffé, ces pertes ne sont pas récupérées. Pour réduire les pertes, les mesures suivantes sont conseillées : pour la partie privative de la distribution, limiter la longueur du circuit : au-delà d une longueur de 10 m environ, il est préférable d installer un générateur instantané proche du point de puisage (par exemple, cas d un évier situé loin de la salle de bain) ; pour la partie collective, la boucle de distribution constitue la source principale de pertes thermiques, surtout si elle est localisée dans les parties communes (cage d escalier) ; ces pertes représentent de 30 à 60 % de l énergie consommée. Afin de les minimiser, il convient : de calorifuger soigneusement les tuyauteries de distribution soit par des coquilles, soit par insufflation de mousse ou empilage de granulés dans les gaines de passage des tuyauteries, de colmater les gaines pour éviter une circulation d air, par tirage naturel, dans la mesure où l on accepte une fourniture d eau tiède ou froide la nuit, de diminuer, ou de supprimer le bouclage nocturne, ce qui apporte une économie proportionnelle à la durée de cette diminution. Si de telles mesures ne peuvent être prises, il convient alors d envisager de remplacer la boucle par une production individuelle. Un traçage de la boucle par un cordon électrique permet d en diminuer, voire d en annuler le débit, tout en conservant une fourniture rapide d eau chaude. Cela réduit ou annule la consommation de la pompe de circulation mais diminue peu les pertes thermiques de cette boucle Émission Deux techniques sont possibles : produire l eau chaude sanitaire à la température désirée ; encore faut-il que cette demande soit identique pour chaque puisage ; produire l eau chaude à une température plus élevée et adapter cette dernière par mélange avec de l eau froide. Le rendement global sera un peu plus faible, mais le service rendu sera meilleur ; les mitigeurs thermostatiques modernes sont précis et fiables. Une cause importante de pertes est constituée par les fuites au robinet (ou ailleurs) : une goutte par seconde correspond à une consommation de 1 à 2 m 3 /an, soit 2 à 5 % d une consommation familiale ; un entretien périodique de l installation est nécessaire. Le coût de production d eau chaude sanitaire dépend de l énergie employée ; elle est également liée à la consommation de chauffage. Pour fixer les idées, on peut citer les chiffres (en F TTC/m 3, hors coût de l eau) concernant l habitat (tableau 3) Contrôle Régulation En production instantanée au gaz, la régulation comporte une vanne qui règle le débit du gaz selon la température désirée. Un système aussi rudimentaire s adapte mal aux variations des débits d eau et la température obtenue est assez variable, d où un rendement et un confort moyens. BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

11 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Tableau 3 Coût (1995) de l ECS en logement individuel (en F TTC/m 3 ) Caractéristiques Maison individuelle (70 m 2 ) Habitat collectif (65 m 2 ) Bâtiment construit avant 1955 ; production : par ballon électrique au gaz individuel au fioul domestique Bâtiment construit depuis 1983 ; production : par ballon électrique au gaz individuel au fioul domestique Source : fiches ADEME (0) ne pas dépasser 160 à 180 C comme température de cuisson pour une friteuse, etc Appareils performants Récupérateurs de chaleur : placés sur la gaine d extraction d air de la cuisine, ils récupèrent une quantité de chaleur importante. La difficulté rencontrée est celle de leur encrassement par les graisses ; les échangeurs à plaques de verre paraissent les mieux adaptés à cet usage. La chaleur récupérée peut servir à réchauffer l air frais de renouvellement ou à préchauffer l eau chaude sanitaire, en particulier en utilisant une pompe à chaleur air/eau. Four à convection forcée : l action du ventilateur favorise l homogénéité de la température et la rapidité de la cuisson. Cette technique permet une économie d énergie allant jusqu à 50 %. Brûleur séquentiel à gaz : il permet de bien maîtriser l apport de chaleur tout en conservant un rendement optimal car le rapport combustible sur comburant est peu modifié. Machine à laver la vaisselle avec récupérateur de chaleur : l air extrait est très humide ce qui rend efficace une récupération pour le préchauffage de l eau. En production à accumulation électrique, c est un thermostat qui commande le fonctionnement du générateur : selon l abonnement souscrit, ce dernier est susceptible : d un fonctionnement potentiel continu ; d un fonctionnement potentiel discontinu, par exemple en heures creuses. La sonde de température se recouvre peu à peu d un dépôt de calcaire et le point de consigne du stockage dérive vers le haut, ce qui entraîne une baisse du rendement si, de temps en temps, on ne procède pas soit à un nettoyage du capteur, soit à un réajustement du point de consigne Programmation En génération individuelle électrique, il devient avantageux d utiliser le tarif heures creuses dès que la consommation devient suffisante (supérieure à 35 L/j). De plus, il peut être intéressant de programmer la période de chauffage à l aide d un relais-décaleur pour assurer la mise en température optimale juste avant la fin de cette période ; les déperditions du ballon seront alors limitées le plus possible, ce qui optimise le rendement (gains de 2 à 3 %) Cuisson Bonnes pratiques de gestion Les économies les plus importantes peuvent être obtenues par une bonne utilisation des appareils existants, au moyen des recommandations suivantes : arrêter le fonctionnement des appareils en dehors des périodes de cuisson ; limiter la durée de préchauffage des appareils, de 5 à 20 min selon le cas ; donner la priorité à la propreté des appareils : nettoyer les filtres toutes les semaines, les ailettes des échangeurs tous les mois, et périodiquement les gaines de ventilation ; ne pas laisser la porte du four à rôtir ouverte ; vérifier périodiquement le bon fonctionnement du ventilateur du four à convection forcée et le garnir au maximum en enchaînant les cuissons ; mettre en veilleuse la marmite dès l ébullition ; respecter exactement le temps de cuisson pour un cuiseur à vapeur et l utiliser pour la cuisson de divers aliments en même temps ; Usages spécifiques de l électricité Éclairage performant Il est aisé de classer les interventions conduisant à un éclairage performant en six familles : le remplacement des lampes et des luminaires ; la réduction des temps de fonctionnement ; l optimisation de l éclairage en fonction de la lumière naturelle ; l adaptation du tarif électrique ; le remplacement du matériel de distribution et de commande ; le comptage Maintenance L efficacité des systèmes d éclairage n est pas constante dans le temps : elle diminue pour les raisons suivantes : salissure des lampes et luminaires : de la poussière plus ou moins grasse selon l activité du local se dépose et absorbe le flux lumineux de façon importante : de 25 % par an dans les pièces propres (habitat, bureaux, etc.) jusqu à 50 % par an dans les ateliers ; baisse de l efficacité des lampes par vieillissement, essentiellement due à des dépôts internes. Exemple : on peut retenir, comme durée d usage d une lampe, h pour une lampe à incandescence, h pour un tube fluorescent. Dans les grands bâtiments, un programme de maintenance systématique pour nettoyage et remplacement des lampes en fonction de leur durée de vie est nécessaire pour le maintien du confort sans augmentation de la consommation des lampes Contrôle En production de lumière, les perturbations ne constituent pas un phénomène essentiel ; aussi la régulation est-elle peu développée. Dans le bâtiment, on pourrait adopter des techniques récentes pour adapter la génération de lumière à l éclairement, au moyen de photomètres. Une telle régulation permettrait d intégrer les apports gratuits naturels et fluctuants tout en conservant un éclairement constant. La programmation est, par contre, très utilisée ; elle peut générer des économies d énergie importantes : Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

12 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS par l emploi de minuteries qui enregistrent une demande de lumière et l accordent durant une période prédéterminée de quelques minutes (couloirs, escaliers, etc.) ; par la division en zones d un bâtiment complexe dont l éclairage est assuré, au moyen d une horloge, durant des périodes prédéterminées. Les économies d énergie obtenues par de telles méthodes sont difficiles à chiffrer car elles dépendent beaucoup des comportements. Certaines économies ne nécessitent aucune modification de l installation ; pour cela, il suffit d appliquer des notions simples : utiliser au mieux l éclairage naturel ; éteindre l éclairage inutile ; régler et entretenir les minuteries ; maintenir l efficacité des luminaires par un entretien régulier. Certaines font appel à un investissement léger, telles que : fractionner les circuits pour limiter le nombre de lampes allumées pour un usage donné ; limiter la durée d éclairage par des minuteries ou des horloges ; installer des luminaires bien adaptés à l éclairement recherché. D autres, enfin, nécessitent des modifications notables de l installation telles que le remplacement de lampes à incandescence par des lampes fluorescentes. La puissance comparée des lampes pour un même éclairement est donnée [BE 9 020], tableau Froid alimentaire Pour le froid domestique (réfrigérateur, congélateur ménager) les économies d énergies, outre l entretien régulier des surfaces d échanges dégivrage de l évaporateur, nettoyage dépoussiérage du condenseur et les précautions d installation (éloignement des sources chaudes, fours de cuisson, vitrages fortement ensoleillé...), résident essentiellement dans le choix des appareils qui se trouve maintenant facilité par l étiquette énergie (voir [BE 9 020], 3.4, «Best practice» Pratiques performantes). Les installations de froid alimentaire professionnelles (souvent dénommées froid alimentaire commercial) se trouvent principalement dans les commerces et les activités de restauration. Elles recouvrent deux familles distinctes : les équipements à «groupe logé», qui sont des systèmes autonomes et s apparentent de ce fait aux appareils domestiques et pour lesquels on fera les recommandations analogues (mais il n existe pas encore de système d étiquetage des performances énergétiques) ; les systèmes centralisés où divers équipements (meubles frigorifiques de vente) sont raccordés à un système unique de compression par un large circuit de distribution de froid. Pour ces derniers systèmes les voies de réalisation d économies d énergie sont (hors modification profonde de l installation (2) ) de trois types : action sur les températures d évaporation : mise en place de volets ou rideaux sur les meubles frigorifiques de vente (MFV) ; action sur les températures de condensation : haute pression flottante ; amélioration du cycle frigorifique : accroissement du sousrefroidissement. Nota (2) : l examen de l ensemble des paramètres de dimensionnement et de fonctionnement des installations de froid alimentaire commercial centralisées, ainsi que des configurations alternatives à la solution dite «à détente directe» dépasse le cadre de cet article ; on n abordera ici que les actions d économies d énergie qu il est possible de mettre en œuvre sur des installations existantes et sans modification des principes généraux de fonctionnement ni des organes ou composantes principales (compresseurs, condenseurs, MFV...). Le coefficient de performance du système frigorifique est directement lié à l écart de température entre évaporateur et condenseur comme illustré sur la figure 5. Ce graphique est caractéristique d un groupe motocompresseur hermétique ouvrable du commerce fonc- Coefficient de performance Température de condensation 50 C Température de condensation 40 C Température de condensation 30 C Température d'évaporation ( C) Figure 5 Influence des températures d évaporation et de condensation sur l efficacité du système frigorifique (d après Les meubles frigorifiques de vente, G. RIGOT chez PYC édition) tionnant au R22 pour un sous-refroidissement de liquide de 5 K et une surchauffe utile à l entrée du compresseur de 10 K Volet ou rideau en protection nocturne La température d évaporation maximale est déterminée par la nature des produits à conserver et l efficacité de l échangeur. Toutefois, dans la distribution alimentaire, comme il est fait appel à des meubles réfrigérés ouverts, les transferts de chaleur de l ambiance s en trouvent augmentés ce qui impose d abaisser la température d évaporation ; en outre dans les magasins, les produits sont soumis à d importants apports par rayonnement (du fait de l éclairage notamment). Un moyen de lutter contre ces différents apports, et donc d éviter d avoir à abaisser inutilement la température d évaporation, consiste à mettre en place, en période d inoccupation, des systèmes de volets ou de rideaux isolants pour fermer les meubles une partie du temps (tableau 4). Tableau 4 Utilisations préconisées des protections nocturnes (1) Type de MFV Application Type de protections Économie d énergie (durant l utilisation) Horizontal Froid négatif Rideau de nuit à 15 à 25 % enrouleur manuel Couverture souple 8 à 15 % Couverture rigide 15 à 30 % non isolée Couverture rigide 25 à 45 % isolée Vertical Froid positif Rideau de nuit à 12 à 30 % enrouleur manuel Rideau de nuit 10 à 25 % motorisé Couverture rigide non isolée 5 à 8 % (1) D après Les meubles frigorifiques de vente. RIGOT (G.), PYC Édition. (0) BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

13 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Haute pression flottante Comme on l a vu précédemment (figure 5), la température de condensation a aussi une influence notable sur l efficacité du système frigorifique. Cette température dépend essentiellement de celle du médium de rejet et, dans le cas de l air extérieur, peut varier selon la saison. Toutefois, la variation de la température de condensation a des répercussions sur le cycle frigorifique modification de la haute pression qui ne sont pas compatibles sans modification avec le fonctionnement des compresseurs, la bonne alimentation des évaporateurs, etc. Pour mettre en œuvre cette haute pression flottante, il est nécessaire de remplacer les détendeurs thermostatiques classiques : par des détendeurs à orifices multiples qui permettent des variations de la section de l orifice de détente en fonction de l évolution de la haute pression ; par des détendeurs électroniques qui offrent le même service que les précédents mais avec une variation progressive plus fine (mais à un coût supérieur). Les économies entraînées par ces dispositifs sont de 15 à 20 % des consommations des systèmes frigorifiques avec des économies financières allant jusqu à %, car l électricité est surtout économisée en hiver et en demi-saison, au moment où l énergie électrique est au tarif le plus élevé Accroissement du sous-refroidissement L accroissement du sous-refroidissement du liquide frigorigène entrant dans le détendeur d un cycle à compression est toujours bénéfique à ce cycle (voir figure 6). En effet cet accroissement (θ 3 θ 4 ) est obtenu par une diminution de la température θ 4 donc de l enthalpie. La variation utile d enthalpie dans l évaporateur (h 6 h 5 ) est donc accrue alors que le point 6 étant inchangé, le débit aspiré par le compresseur reste le même. La puissance frigorifique a donc augmenté alors que les conditions de fonctionnement du compresseur sont les mêmes, c est-à-dire que la puissance qu il absorbe est inchangée. Le coefficient de performance est augmenté et ce gain est d autant plus important que l enthalpie avant vaporisation du frigorigène est plus réduite. Pour un frigorigène donné et un écart de température entre condensation et évaporation fixé, le gain croît à peu près linéairement avec le sous-refroidissement. Exemple : pour du R22 dans un cycle à compression monoétagé entre 10 C et + 30 C, le gain (en %) est : g = 0,75 θ avec θ le sous-refroidissement (en K). Il convient cependant d insister sur le fait que le raisonnement cidessus n est valable qu à la condition de garder une température de condensation constante pour une température d évaporation donnée. Augmenter le sous-refroidissement impose alors d augmenter la surface d échange du condensateur ou l efficacité du transfert thermique par des processus divers. Sans intervenir dans ce sens, l augmentation du sous-refroidissement se traduit par une augmentation de la température de condensation donc une augmentation de la puissance de compression. Le gain est alors aléatoire Moteurs et auxiliaires De nombreux moteurs électriques sont en usage dans les bâtiments. Il est possible d envisager des économies d énergie sur les consommations de ceux dont le fonctionnement est permanent comme, par exemple, les pompes de circulation de chauffage ou les pompes de bouclage des circuits d ECS. Toutes les installations modernes comportent une distribution accélérée au moyen d un circulateur (pour l eau) ou d un ventilateur (pour l air). Bien que la puissance électrique de ces appareils soit faible (de 50 à 150 W par logement), leur fonctionnement ininterrompu durant à h entraîne une consommation non négligeable (de 300 à 600 kwh/an par logement). p condensation Pression p p h 5 3 Refroidissement Évaporation Fluide réfrigérant Condensation Compression h 6 Enthalpie massique h Figure 6 Cycle thermodynamique monoétagé dans le diagramme enthalpie/pression Le fonctionnement d un circulateur de bouclage d ECS est également continu : 24 h sur 24 et 365 j/an. Sa consommation d énergie est donnée figure 7 pour l habitat collectif et pour les hôtels. En immeuble collectif, leur consommation peut être réduite par l emploi de deux circulateurs de puissance différente fonctionnant simultanément ou alternativement selon l importance du besoin utile. À cela s ajoute, dans le cas du fioul, le fonctionnement du brûleur (de 200 à 500 kwh/an par logement) et, s il s agit de fioul lourd, le réchauffage des bacs et des lignes. Pour des combustibles solides (bois ou charbon), il convient également d alimenter la chaudière et d en extraire les cendres ; cela entraîne aussi une consommation électrique Autres usages On décrit essentiellement ici, les interventions d amélioration de la performance énergétique relatives à la bureautique Interventions sur l informatique Les interventions sur l informatique classées par familles sont : le remplacement des matériels ; la mise en place d un dispositif de compensation de l énergie réactive ; la réorganisation des réseaux de distribution ; la mise en place d un onduleur centralisé ; la mise en place de dispositifs «antigaspillages» ; le comptage. Remplacement des matériels Des constructeurs proposent des matériels répondant à un label «économie d énergie» désigné «Energy Star» ( ). Ce label 3 X Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

14 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Puissance (kw) 0,2 0,15 0,1 0,05 Habitat Nombre de logements Hôtels Nombres de chambres Figure 7 Pompe de bouclage ECS fixe la puissance maximale appelée en mode «veille» d un microordinateur et celle d une imprimante «standard» (matricielle, laser noir et blanc...). Le choix de ce type d équipement en micro-informatique est conseillé lors de l achat de nouveaux matériels. Des gains sensibles peuvent, en particulier, être apportés dans le cas d une utilisation ponctuelle du matériel (environ 50 % d économie d énergie pour 4 h d utilisation discontinue dans la journée). Mise en place de dispositifs «antigaspillages» Des programmateurs «antigaspillages» peuvent être mis en place dans les zones où l équipement informatique est groupé et où l alimentation électrique le permet (réseaux de distribution électrique spécifiques pour l informatique). Mise en place d un onduleur centralisé Des gains sur les consommations électriques de l ordre de 10 % sont envisageables par la mise en place d un onduleur centralisé. En effet, son rendement est meilleur que ceux d onduleurs de faible puissance installés sur chacun des postes. Il faut envisager une telle solution lorsque les équipements informatiques sont groupés sur un réseau de distribution électrique réservé à cet usage. Comptage Pour des équipements groupés, il est conseillé de mettre en place un compteur divisionnaire pour mieux suivre les consommations électriques à mesure que le parc d équipements bureautiques croît dans le bâtiment Label «Energy Star» EPA (Environnemental Protection Agency), l agence pour la Protection de l Environnement des États-Unis a lancé en 1992 le programme «Energy Star Computer» en partenariat avec des constructeurs d appareils informatiques afin de fixer des spécifications au niveau des puissances maximales à atteindre en mode «veille». Les matériels se référant à ce label doivent se mettre en mode «veille» au bout d un temps d inactivité paramétrable par l opérateur. Les niveaux à ne pas dépasser dans ce mode sont de : 30 W pour les boîtiers contenant l unité centrale des microordinateurs ; 30 W pour les écrans ; 30 W pour les imprimantes à capacité d impression de 15 pages par minutes ; 45 W pour les imprimantes de capacité supérieure à 15 pages par minutes ainsi que pour les imprimantes couleurs «haut de gamme» (lasers, sublimation...). Pour information, en octobre 1994 la pénétration des produits «Energy Star», en terme de ventes, sur le marché nord-américain était de 40 % pour les micro-ordinateurs et de 85 % pour les imprimantes. En 1999, la quasi-totalité des appareils proposés à la vente sur ce même marché est «Energy Star» Label «Énergie 2000» Un autre label élaboré par la Suisse pourrait prévaloir sur le label «Energy Star». En 2000, tous les matériels informatiques commercialisés doivent être conformes aux valeurs de puissance suivantes en mode «veille» : 10 W pour les boîtiers contenant l unité centrale des microordinateurs ; 30 W pour les écrans ; 2 W pour les imprimantes Recommandations STEM (ex NUTEK) Depuis 1990, NUTEK (maintenant STEM), l agence suédoise de Développement Industriel et Technique, met en œuvre des programmes de maîtrise de la demande en électricité (MDE). L un de ces programmes s appuie sur la labellisation des matériels informatiques. Le tableau 5 présente les valeurs maximales de puissance proposées pour les deux modes suivants : «veille» et «extinction». BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

15 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Tableau 5 Les deux alternatives du label NUTEK concernant les puissances des écrans en mode «veille» et «extinction» Délai Alternative de déclenchement 1 re alternative : mode veille... 5 à 60 min après la dernière opération mode extinction min après la dernière opération 2 e alternative : mode veille... 5 à 30 min après la dernière opération mode extinction min après la dernière opération Régulation et gestion Adapter la production au besoin n est pas simple. Si l on est exigeant, on ne peut plus se contenter des automatismes simples mis en place lors de l apparition du chauffage central et l on doit faire appel à une régulation, à une programmation, voire à une centrale programmable de contrôle Régulation Puissance maximale et souhaitée 30 W maxi, 15 W souhaités 8 W maxi, 3 W souhaités 30 W maxi, 15 W souhaités 8 W maxi, 3 W souhaités Les valeurs recommandées par NUTEK pour les autres équipements informatiques sont identiques à celles fixées dans le label «Energy Star». (0) quelques semaines. De plus, la loi de chauffe n est plus linéaire et tient mieux compte des courbes d émission de chaleur. Le coût de ces différents systèmes va croissant, de 250 F pour un thermostat d ambiance à F F pour une régulation par loi de chauffe et jusqu à plusieurs dizaines de milliers de francs pour une régulation complexe (prix 2000). Dans ce dernier cas, ils sont réservés aux bâtiments à usage tertiaire Programmation d intermittence Pour de nombreuses raisons, on peut désirer changer le point de consigne d un local chauffé : c est le phénomène d intermittence. Si le changement est périodique, on peut utiliser une horloge mécanique à programme journalier et/ou hebdomadaire ; des cavaliers permettent alors de déclencher la commande désirée. Ce type de programmateur convient bien à un ralenti nocturne ou de fin de semaine. Il est cependant souhaitable de tenir compte de l inertie du bâtiment pour anticiper judicieusement la commande. Si les changements sont complexes, soit que le bâtiment possède plusieurs zones chauffées à usages différents, soit que la périodicité est plus compliquée, il faut faire appel à une horloge électronique complétée d un microcalculateur programmable. Dans un tel cas, il importe de tenir compte soigneusement des inerties du bâtiment et de l installation ainsi que du supplément de puissance demandé au générateur par les remontées en température. Si ce dernier utilise une bi-énergie ou un tarif multiple, il convient également d en tenir compte pour consommer en utilisant au mieux les possibilités tarifaires. Une alimentation du programmateur sur batterie autochargeable est indispensable pour assurer un fonctionnement continu de l horloge en cas de coupure de secteur. Système par tout ou rien Les régulations anciennes comportent un thermostat placé sur le générateur, maintenant sa température au niveau désiré ; une modification manuelle de la consigne permet d adapter sa puissance au besoin saisonnier. Les régulations plus récentes ont ajouté un thermostat dans le local chauffé, qui maintient la température entre les deux niveaux de coupure (différence de 0,5 à 1,5 K selon sa qualité). Système par loi de chauffe Il s agit d un système qui fait correspondre la température du fluide de chauffage à une température de référence, généralement la température de l air extérieur, au moyen d une sonde de température. Le générateur fonctionne en circuit fermé à température constante et l on règle la température du fluide distribué au moyen d une vanne trois voies. L amélioration obtenue provient du fait que le système est continu et réagit à la source, à partir de la température extérieure. Cependant, il ne tient aucun compte des apports gratuits, lacune que l on peut corriger en ajoutant une autre sonde sur la température intérieure ou par l utilisation de robinets thermostatiques sur les émetteurs à eau chaude. La détermination des paramètres de la loi de chauffe est délicate, car on doit tenir compte de l influence de l inertie du bâtiment ; la meilleure façon d y parvenir est l expérience et le réglage par approximations successives en hiver et en mi-saison. Avec l apparition des microcalculateurs, on peut aisément mettre sur pied un système qui réalise de lui-même ces tests et se règle en L économie d énergie apportée par une intermittence dépend essentiellement de la durée de celle-ci et de l inertie thermique du bâtiment : de 1 à 3 % pour une intermittence journalière, de 3 à 5 % pour une intermittence de fin de semaine. Par contre, le coût d une horloge est faible : quelques centaines de francs Suivi de gestion Tout système présentant un microcalculateur permet, à moindre coût, d apporter une aide précieuse à la gestion de l exploitation par : la détection automatique des défauts de fonctionnement avec émission d une alarme ou déclenchement de l installation ; la mise en mémoire de l état antérieur au défaut autorise même une recherche accélérée des causes de la panne ; l enregistrement de chiffres clés (température, débit, pression) caractérisant le fonctionnement de l installation, et qui permet d en assurer un suivi efficace, aussi bien en exploitation qu en maintenance ; l édition de journaux, qui permet d assurer plus aisément la comptabilité de l exploitation et, éventuellement, d aider à la facturation des dépenses partielles zone par zone et période par période. Une telle utilisation de la micro-informatique n est d ailleurs que partielle ; elle s intègre peu à peu dans une gestion plus vaste des activités du local ; on parle alors de domotique et cela concerne tous les aspects de la vie quotidienne. Télégestion L exploitation d installations énergétiques à distance, en particulier des chaufferies, et leur télégestion sont de plus en plus Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

16 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS pratiquées ; cela est rendu possible, depuis quelques années, par un ensemble de progrès récents : qualité technique des matériels modernes dont le taux de panne est faible ; maintenance systématique des installations : mise au point d appareils automatiques locaux, présence de réseaux capables de transmettre ces informations (téléphone, réseau Transpac, liaisons radio, etc.) ; mise au point de postes centraux capables de traiter les données d exploitation (télésurveillance), les données de gestion et de facturation (télégestion) et les alarmes (téléalarme). Tout cet ensemble, d un coût d investissement élevé, se rentabilise par des résultats plus rigoureux, avec une baisse des frais de maintenance (gain de 4 à 7 %) et une économie d énergie due à cette meilleure gestion. Cette pratique se développe de plus en plus chez les exploitants assurant la maintenance d un grand nombre de chaufferies. 2.2 Économies liées aux tarifs Optimisation tarifaire Il est possible de réaliser des économies financières par un choix judicieux du tarif de l énergie, principalement dans le cas de l électricité. En effet l alimentation électrique suppose un choix de compromis entre la puissance nécessaire à souscrire en fonction des besoins maximaux et la durée et le moment de l utilisation des équipements. Cet exercice d optimisation ne génère pas forcément des économies d énergie, il peut même induire des surconsommations (pertes de stockage pour une consommation différée...) mais, dans la mesure où le tarif reflète les coûts économiques (voire environnementaux) de production et de distribution de l énergie considérée, la minimisation du coût total est aussi bénéfique pour la collectivité Stockage, inertie, comportement dynamique La plupart des descriptions précédentes sont statiques car elles sont relatives à des fonctionnements en régime permanent. Or, des phénomènes inévitables viennent perturber la production thermique : le besoin utile et la génération correspondante ne sont pas forcément simultanés. Il se peut également que la génération ne puisse pas suivre le besoin, par excès temporaire, voire par apparition de besoin négatif (ensoleillement important en période de chauffage) ; les matériaux utilisés pour la construction du bâtiment, pour son installation thermique et pour son ameublement, possèdent une capacité thermique non négligeable. En régime permanent, cette capacité ne joue aucun rôle mais, en régime transitoire, elle ralentit toute variation de température intérieure ; on la désigne sous le terme d inertie thermique ; certains bâtiments ont un usage tel que le niveau de température demandée n est pas constant, ce qui entraîne une variation du besoin utile ; enfin, pour répondre à tous les besoins, les inerties peuvent être insuffisantes ; il peut être alors utile d en ajouter une supplémentaire sous forme de stockage Inertie La mesure de l inertie d une structure est faite expérimentalement : par exemple, en laissant dériver la température du local à flux de chauffage constant (nul par exemple) ; les régulateurs modernes procèdent de cette façon. On classe parfois les bâtiments au moyen de leur inertie ; le CSTB utilise les évolutions parallèles de l inertie I S, et de la masse surfacique ρ S, des structures courantes des bâtiments pour les répartir en trois classes : inertie faible... ρ S < 150 kg/m 2 de surface habitable, inertie moyenne < ρ S < 400 kg/m 2 de surface habitable, inertie forte... ρ S > 400 kg/m 2 de surface habitable. L inertie du bâtiment s exprime alors par une pondération surfacique de chaque paroi de la forme : ρ S = ( ρ Si S i ) S À l exception de bâtiments très légers et compte tenu du mobilier, la plupart des bâtiments ont une inertie moyenne ou forte. Cette inertie doit être prise en compte dans la mise en œuvre d une régulation. On peut, en particulier, constater deux comportements inertiels des bâtiments selon l origine de la perturbation : si elle est d origine extérieure (variation rapide de la température), l inertie concerne essentiellement l enveloppe des bâtiments ; le phénomène se traduit par une constante de temps plus ou moins longue, mais a peu d influence sur la consommation ou le confort des occupants ; si elle est d origine intérieure (apport gratuit, défaut de régulation, etc.), l inertie concerne essentiellement la structure interne du bâtiment (y compris le mobilier) ; elle amortit plus ou moins bien les variations de température. Quantitativement, l effet de l inertie mal prise en compte augmente la consommation par surchauffe ; cette perte n excède pas 3 % en saison froide, mais peut atteindre de 10 à 20 % en mi-saison Stockage Pour le stockage, on considérera une inertie volumique I V (Wh m 3 K 1 ) qui se caractérisera par : sa capacité thermique volumique C V (Wh m 3 K 1 ) ; sa puissance ou capacité de restitution (W m 3 ), laquelle s exerce à court terme (heure), à moyen terme (jour) ou à long terme (mois) ; son rendement, qui est lié à sa forme (laquelle doit être compacte), à son isolation et à sa période d utilisation. Les techniques les plus employées utilisent la capacité thermique volumique d un fluide ou de matériaux connexes : pour l eau, on emploie un ballon cylindrique vertical isolé ; pour l air, on emploie une cavité remplie de matériaux solides (galets, par exemple). Certaines techniques utilisent l enthalpie de changement d état (ou chaleur latente) : stockage par congélation de l eau : c est le cas de certaines pompes à chaleur où l on stocke ainsi de l énergie thermique, sous forme de glace, dans la source froide ; utilisation de boules remplies d un liquide congelable : paraffine, cryolithe, etc. Le rendement d un stockage augmente avec son volume et son isolation. Par contre, il diminue avec sa durée ; en pratique, on utilise des cycles : horaires, surtout dans l industrie ; journaliers, pour s adapter à des variations tarifaires (production d eau chaude sanitaire la nuit) ; hebdomadaires, pour les capteurs solaires. On commence à utiliser les structures du sous-sol comme lieu de stockage thermique saisonnier en nappe aquifère immobile par injection et prélèvement successif d eau chaude dans deux zones peu éloignées servant respectivement de source froide ou chaude à BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

17 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS une pompe à chaleur réversible ; cette technique en améliore la performance. Nombre de bâtiments Autoproduction d énergie Il existe des systèmes permettant une production «sur place» d énergie, réduisant ainsi les pertes liées à la distribution et permettant également une valorisation maximale de l énergie (cogénération) ou d énergies locales (énergies renouvelables, réseau de chaleur...). Ces options font l objet de développement particuliers dans d autres articles de ce traité. Situation actuelle Recherche et développement 2.3 Approche «système» Un bâtiment ne peut être considéré comme un empilage d équipements, de composants ou de technologies et, par voie de conséquences, le choix d un ensemble d optimums localisés ne conduit pas nécessairement, en matière de performance énergétique, à un optimum global. Toute modification apportée à un bâtiment devra entraîner une réappréciation de l ensemble des causes et consommations d énergie. Exemple : l isolation renforcée de l enveloppe d un bâtiment peut conduire, même avec une chaudière de très bonnes performances, à un fonctionnement de cette dernière loin de sa puissance nominale, donc dans des conditions de rendement dégradées. C est dans cet esprit qu a été développée l aide à la décision qui conduit à une prise en compte intégrée des différents paramètres influant sur la consommation énergétique d un bâtiment. 3. Aide à la décision L aide à la décision dans le secteur du bâtiment se décline en deux démarches selon qu il s agit : de bâtiments neufs où la réglementation, en fixant des niveaux minimaux d exigence, indique au maître d ouvrage et aux concepteurs les orientations de performance énergétique ; de bâtiments existants où il faut passer par des études préalables particulières : diagnostic, audit... Niveau réglementaire Figure 8 Effet des réglementations sur la «qualité» d un parc de bâtiments 3.1 Réglementation énergie des constructions neuves Performance énergétique L ensemble des éléments constitutifs d un parc ou segment de parc de bâtiments peut être représenté, pour ce qui est de ses performances énergétiques selon une courbe en cloche du type courbe de Gauss. Le réglementation vise à faire évoluer les caractéristiques de l ensemble du parc comme indiqué sur la figure 8 et pour cela à supprimer d abord les moins bons bâtiments offerts (ou présents) sur le marché. Toutefois, l augmentation de la performance ne se répercutera sur les meilleurs qu à condition que des actions de Recherche et développement les y amènent Voies d expression réglementaire Situation future En matière de réglementation, deux écoles s affrontent : celle qui prône l obligation de résultats par opposition aux défenseurs de l obligation de moyens. Dans le secteur du bâtiment ces deux voies réglementaires se traduisent par un ensemble de choix qui ont leurs avantages et inconvénients respectifs tels que représentés sommairement dans le tableau 6. En France c est l option «obligation de résultat» qui a été choisie après une large concertation avec l ensemble des acteurs concernés ainsi qu on peut le constater sur le rappel chronologique des réglementations énergétiques dans le bâtiment (cf. tableau A [Doc. BE 9 023]). (0) Tableau 6 Comparaison des voies d expression réglementaire Voie réglementaire Mode d expression Avantages Inconvénients Obligation de résultats Niveau d isolation minimal pour l enveloppe du bâtiment Valeur maximale de consommation d énergie Grande liberté de conception Porte ouverte aux produits nouveaux Plus complexe de mise en œuvre et d application Plus difficile à contrôler Obligation de moyens Épaisseur minimale par paroi et par type d isolant... Simplicité d application et de contrôle Outil de diffusion industriel Limitant pour la conception et pour l innovation technologique Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

18 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Résultats observés 100 % % % Le traitement statistique des bases de données CEREN (5 200 logements sur les années ) permet de constater que l on retrouve, sur les échantillons de logements construits aux différentes périodes réglementaires, les gains attendus pour chaque étape (figures 10 et 11). 50 % % -- 5 à 10 % Rappel chronologique détaillé des différentes étapes réglementaires Années Suite aux premiers chocs pétroliers, diverses mesures réglementaires ont été prises pour réduire les consommations d énergie des constructions neuves. Les étapes de renforcement successif des exigences, tant pour le secteur résidentiel que pour les bâtiments tertiaires sont énumérées dans le tableau A [Doc. BE 9 023]. Figure 9 Évolution des exigences relatives de consommation d énergie du fait des réglementations énergie dans les logements neufs Situation réglementaire actuelle La réglementation française actuelle différencie les bâtiments de logements des autres bâtiments. Pour le secteur résidentiel, et du fait d un dispositif d encadrement important (ministère du logement, Fédération des organismes de logements sociaux...) les performances minimales exigées ont fait l objet de réajustements périodiques tels qu indiqués sur la figure 9. À chacune des «étapes» réglementaires, les exigences en performance énergétique ont été renforcées par rapport à la situation de référence précédente. 3.2 Audit énergétique des bâtiments Dans le secteur résidentiel et tertiaire, l aide à la décision s est principalement appuyée sur le diagnostic thermique, outil développé et promu par l ADEME dès sa création en Le diagnostic thermique vise à établir une étude objective, complète et indépendante de considérations commerciales, destinée à aider le maître d ouvrage dans le choix d un programme de travaux adapté à l état de son patrimoine et à ses possibilités financières. Un cahier des charges précis a été proposé afin, d une part, de définir les critères d attribution des aides publiques, d autre part, de fixer des limites claires et cohérentes de la prestation à réaliser. On trouvera dans l encadré 2 (situé en fin d article) les éléments et concepts de base du diagnostic énergétique qui doit couvrir toutes les énergies et tous les usages du bâtiment analysé, le diagnostic thermique n étant qu une déclinaison de l exercice, limitée aux usages chauffage et eau chaude sanitaire. Consommation (kwh PCI/logement) 4000 Consommation unitaire théorique CCI gaz Consommation unitaire théorique CEI Consommation unitaire observée CCI gaz Consommation unitaire observée CEI Avant 1975 Rég. 75 Rég. 77 Rég. 82 HPE 1*, 2* Rég. 89 HPE 3*, 4* Surface = 100 m 2, climat normal Réglementation CCI CEI chauffage central individuel chauffage électrique intégré HPE = haute performance énergétique. Dénomination d'un label recompensant des constructions présentant une performance améliorée de 10 à 30 % par rapport à la référence réglementaire. Figure 10 Comparaison des consommations théoriques et observées de chauffage et d ECS en maison individuelle équipée en chauffage central gaz ou électrique années 1990 à 1993, source CEREN, ADEME BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

19 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Consommation (kwh PCI/logement) Consommation unitaire théorique CCI gaz Consommation unitaire théorique CEI Consommation unitaire observée CCI gaz Consommation unitaire observée CEI Avant 1975 Rég. 75 Rég. 77 Rég. 82 HPE 1*, 2* Rég. 89 HPE 3*, 4* Surface = 70 m 2, climat normal HPE = haute performance énergétique Réglementation Figure 11 Comparaison des consommations théoriques et observées de chauffage et d ECS en logements collectifs équipés en chauffage central individuel gaz ou électrique années 1990/1993, source CEREN, ADEME 3.3 Gestion énergétique La gestion énergétique comme outil d économie et d utilisation rationnelle de l énergie repose sur deux principes généraux : suivre l évolution des consommations (facturées, mesurées...) et les rapprocher de valeurs de référence (conventionnelles) ou cibles (monitoring and targetting). Différentes démarches sont supportées par les pouvoirs publics pour contribuer à cette gestion : l affichage des consommations ; la comptabilité énergétique Affichage des consommations La loi sur l air et l utilisation rationnelle de l énergie du 30 décembre 1996 prévoit l obligation d information sur les dépenses d énergie des bâtiments dans les conditions rappelées ci-après : «Art. 22. Les décrets prévus à l article 21 fixent les conditions dans lesquelles les autorités administratives compétentes sont habilitées à : [...] 3 prescrire l obligation de fournir une estimation normalisée du montant annuel des frais de consommation d énergie des logements ou locaux à l usage tertiaire proposés à la vente ou à la location et préciser les règles d élaboration de cette estimation.» L objectif est d informer le futur acquéreur ou locataire avant toute signature de contrat de vente ou de location afin qu il puisse orienter son choix vers des logements ou locaux à usage tertiaire de conception performante sur le plan énergétique. Il ne s agit donc pas d estimer avec précision quelle sera la consommation exacte du logement ou du local, mais bien de pouvoir le comparer avec un autre. Les principes retenus pour l affichage sont les suivants : les consommations affichées sont calculées sur la base de conventions. Seules les consommations d énergie liées plus particulièrement au bâtiment sont prises en compte dans la méthode de calcul : chauffage, eau chaude sanitaire, ventilation, climatisation ; en outre, pour l habitat, il est aussi prévu d afficher les autres usages pour un ensemble d équipements type par logement, de manière globale et forfaitaire, pour que soit possible un affichage de la consommation totale ; pour les locaux à usage tertiaire, la consommation d éclairage sera prise en compte ; l affichage doit être exprimé en francs, les abonnements seront pris en compte de façon conventionnelle dans le calcul du coût du kilowattheure ; les vendeurs ou bailleurs seront responsables des informations fournies pour la bonne application de la méthode. Les principes des méthodes de calcul envisagées sont les suivants. Pour le logement neuf : constructions conçues suivant les nouvelles règles ThC, option C de la nouvelle réglementation thermique (NRT) : une estimation conventionnelle du coût des consommations d énergie sera possible au moyen d une méthode de calcul de type DEL (adaptée par bâtiment) qui exploitera les données d entrées des règles ThC ; des données climatiques locales seront appliquées pour le calcul des consommations ; le calcul des consommations sera effectué par bâtiment puis rapporté en francs par mètre carré. L information sera donnée au consommateur par logement avec une indication des limites de validité et des amplitudes possibles de variation (position du logement dans le bâtiment, comportements extrêmes...) ; les maîtres d ouvrage choisissant les solutions techniques auront recours à des tableaux conventionnels basés sur la typologie de la construction (année de construction de l immeuble, taille du logement, type de chauffage, énergies utilisées, zones climatiques). Pour le logement existant : une méthode de calcul simple basée sur la méthode de calcul des consommations d énergie de chauffage utilisant des degrés-heures par décade pourra être utilisée. Pour les locaux à usage tertiaire proposés à la vente ou à la location, le champ d application devrait concerner les bureaux dans un premier temps : Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique BE

20 MAÎTRISE DE L ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS Encadré 2 Les principes de base du diagnostic énergétique Le diagnostic énergétique est un préalable. Préalable à l avant-projet sommaire, préalable à la mission d ingénierie, préalable à la mise en place d une comptabilité énergétique, il aide le maître d ouvrage à décider, en connaissance de cause, chiffres en main, le programme des interventions que nécessite son bâtiment. À lui ensuite de choisir des intervenants compétents, de faire réaliser les travaux et de les réceptionner et enfin de gérer ses consommations énergétiques. Loin d être une analyse sommaire d améliorations évidentes, ou un devis de travaux, le diagnostic est une méthode d étude qui doit être déroulée dans sa totalité et qui se décompose en trois phases indissociables. Cette méthodologie participe de la bonne collaboration de deux interlocuteurs coresponsables du résultat final attendu : le demandeur, maître d ouvrage, et son conseil, appelé souvent diagnostiqueur. 1. Description de la prestation Afin que le maître d ouvrage bénéficie d un regard d expert extérieur à l établissement, le diagnostic devra être réalisé par un intervenant ci-après dénommé le prestataire, ayant l indépendance, la compétence nécessaire et les références attestant de cette compétence. Dans un souci de qualité, ce prestataire s attachera à respecter les règles suivantes : évaluer avec précision les économies d énergie réalisables sur le bâtiment faisant l objet d une étude d aide à la décision, et en chiffrer les conditions économiques de réalisation ; suivre une démarche rigoureuse explicitée et justifiée dans ses rapports d études ; être exhaustif dans ses recommandations et fournir toutes les informations objectives nécessaires au maître d ouvrage pour décider des suites à donner ; ne pas privilégier a priori un type d énergie ni certaines modalités de fourniture d énergie ou de tout autre service (vapeur, froid, chaud, air comprimé, électricité...) ; ne pas intervenir dans un établissement vis-à-vis duquel il ne présenterait pas toute garantie d objectivité, notamment sur des installations conçues, réalisées ou gérées pour l essentiel par lui-même ; n adjoindre aucune démarche commerciale concernant des biens ou services (ayant un lien avec les recommandations) au cours de son intervention. Lors de ce diagnostic, le prestataire fera l analyse de l existant, en prenant en compte les modalités d occupation et d exploitation du bâtiment, la nature des activités hébergées et les équipements en découlant, ainsi que tout autre paramètre pouvant peser sur les bilans thermiques et énergétiques. 2. Modalités de réalisation du diagnostic Cette approche nécessitera des mesures et une instrumentation de base (mesures de combustion, éclairement moyen, températures...) ; elle s appuiera également sur les données existant dans l établissement et sur la compétence et l expérience du prestataire Trois phases La prestation devra toujours comporter les trois phases suivantes : le relevé sur le site, examen et description précis et minutieux des locaux (utilisation, état du bâti et des installations, exploitation, usages spécifiques des énergies, équipements particuliers, consommations facturées...), examen des modes de gestion, contrats ; exploitation et traitement des données recueillies : calculs et interprétations de ces derniers pour mettre en évidence les améliorations à envisager, indication pour chaque intervention de son coût, des économies à attendre et du temps de retour brut des investissements ; proposition(s) de programmes de travaux cohérents : adaptés aux caractéristiques propres de chaque bâtiment étudié, ces propositions sont présentées à part, dans le rapport de synthèse directement utilisable par le maître d ouvrage, pour lui permettre d orienter son choix de travaux dans les meilleures conditions de coût, de rentabilité et de délai, accompagnées d un outil de suivi des consommations permettant d apprécier les résultats Quatre points En matière de diagnostic (couramment dénommé audit) énergétique, quatre points méritent d être soulignés : la phase initiale du diagnostic, le relevé (examen et description des locaux, entretien avec le maître d ouvrage) représente la partie fondamentale de l étude. La qualité des relevés, l analyse rigoureuse des informations saisies, la pertinence des observations, la recherche des possibilités d intervention, déterminent la justesse des calculs et des simulations ultérieurs et, par voie de conséquence, l intérêt des interventions techniques proposées... ; la phase centrale du diagnostic (exploitation et traitement des données) doit utiliser des méthodes de calcul adaptées aux bâtiments et aux équipements considérés. La méthode de calcul bien maîtrisée et le recours à l informatique sont pratiquement indispensables ; le diagnostic ne préconise pas seulement des solutions pour réduire les consommations, mais doit également examiner des substitutions d énergie possibles (biomasse, solaire, réseaux...) ; certaines interventions complexes ne sont que globalement évaluées au stade du diagnostic, les études complémentaires nécessaires doivent alors être mentionnées. Lorsque les actions préconisées consistent à faire réaliser une étude complémentaire, le prestataire établira en outre un court document correspondant au cahier des charges technique de l étude proposée. BE Techniques de l Ingénieur, traité Génie énergétique

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