LE BÂTIMENT DE DEMAIN : l innovation et la relation aux énergies?

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1 LE BÂTIMENT DE DEMAIN : l innovation et la relation aux énergies? Conférences 13h45 Thierry DUFORESTEL, ingénieur-chercheur, EDF R&D «L enveloppe des bâtiments très performants».

2 L enveloppe des bâtiments très performants T. Duforestel. EDF R&D.

3 Contexte général

4 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Avant 1974

5 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Avant

11 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Avant Recherche de nouveaux gisements.

12 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Maison individuelle Avant 1974 Avant Recherche de nouveaux gisements.

13 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Maison individuelle Avant 1974 Avant Recherche de nouveaux gisements.

14 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Maison individuelle Logement Collectif Avant 1974 Avant Avant Recherche de nouveaux gisements.

15 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Maison individuelle Logement Collectif Avant Recherche de nouveaux gisements. Avant Avant

16 La situation pour le neuf et l existant Construction neuve Maison individuelle Logement Collectif Avant Avant Avant Recherche de nouveaux gisements. Exploiter le gisement de performance. Trouver les technologies adaptées

17 Innovations pour l existant. Amélioration des systèmes existants Ruptures technologiques

18 Processus d innovation technique Compétences matériaux Outils de modélisation énergétique des bâtiments Concepts de produits et composants Prototype et évaluation Protection industrielle Co-développement avec partenaires industriels

19 Nouveau système d ITE Faire une ITE plus décorative, moins chère et de pose plus rapide. Un brevet pour un enduit renforcé. Des gammes de profilés isolants décoratifs. Un partenariat en cours pour le développement industriel.

20 Fenêtre intégrant la fonction d extraction d air Combiner techniquement le changement de fenêtres et l établissement d une ventilation performante. Brevet EDF. Prototypes EDF. Licence à un industriel de la ventilation. Intégration et distribution par les industriels de la fenêtre.

21 L évolution du gain énergétique avec l épaisseur de l isolant. Le gain relatif ne cesse de diminuer avec l épaisseur. Le premier cm d isolant permet 43% du gain possible. Le 40 ème cm ne permet que moins de 0,1 % du gain possible, soit environs 540 fois moins que le premier cm. Les temps de retour s allongent très rapidement Facteur 40 pour le 10 ème cm. Facteur 300 pour le 30 ème cm.

22 L intérêt technique de la super-isolation. L exemple d un matériau très isolant de conductivité 0,007 W/m.K. Dès le premier cm on gagne plus de 80% du gain possible.

23 Les super-isolants sous vide. Une âme en silice nano-poreuse, opacifiée et renforcée de fibres. Une pression initiale de l ordre de quelques Pascals. Un complexe barrière assurant l étanchéité aux gaz atmosphériques. Une conductivité moyenne de l ordre de 0,007 W/m.K pendant 50 ans Un coût de l ordre de 8 par point de résistance thermique. Premiers concepts de systèmes en cours d expérimentation (ITI).

24 Les super-isolants à pression atmosphérique (SIPA). Une base d aérogel de silice. Des méthodes d assemblage des grains d aérogel avec une structure plus résistante. Des matériaux de conductivité thermique de l ordre de 0,015 W/m.K. A terme, un coût de l ordre de 15 par point de résistance thermique. Quelques prototypes de laboratoire et des embryons de produits.

25 L intérêt économique des super-isolants. Les super-isolants sont notablement plus chers que les isolants traditionnels à niveau d isolation égal (coût du point de résistance thermique) : Matériau Coût du point de R ( /m2) Conductivité (W/mK) MW EPS PUR SIPA VIP Calcul d un coût d investissement pour une résistance thermique, intégrant le coût de l isolant et de la surface habitable perdue. Si l on n accorde aucune valeur à la surface habitable perdue, pour toutes les résistances thermiques la solution la moins chère est celle de l isolant le moins cher.

26 L intérêt économique des super-isolants. Par contre, dès que l on intègre un coût du m2 habitable dans le calcul, même modéré, le PIV est la solution la plus intéressante. Pour les coûts du m2 les plus élevés, les solutions les plus intéressantes sont les plus performantes. Le coût du point de résistance thermique n a plus aucun impact. L écart de coût en faveur des super-isolants est d autant plus grand que la résistance thermique est élevée et que le coût du m2 est élevé.

27 Nouveaux gisements de performance pour l enveloppe des bâtiments neufs.

28 L exemple des «Passive Haus». Les isolants sont employés dans un domaine où ils n ont plus d effet significatif.

29 Comportement énergétique des bâtiments très isolés. La sensibilité aux apports solaires. 30 % d écart sur les consommations. 330 % d écart sur les consommations.

30 Puissance de chauffage et puissance solaire absorbée. Les puissances solaires absorbées sont du même ordre que les puissances de chauffage. On peut avoir l idée de puiser dans cette ressource pour couvrir les besoins du bâtiment.

31 Nouvelle approche par le projet VALERIE VALERIE : «VALorisation par l Enveloppe du bâtiment des Ressources énergétiques Immédiatement Exploitables» Lauréat de l appel HABISOL 2008 et lancé en mars Cinq partenaires. EDF R&D ARMINES LOCIE/CNRS CETHIL OASIIS Durée de 3 ans et demi (mars 2009 à août 2012) pour un coût total de 1,5 M. Objectif principal : Définir des méthodes et des concepts techniques qui permettront d aller chercher dans l environnement les sources et les puits d énergie dont le bâtiment a besoin.

32 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

33 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Différence des besoins Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

34 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Différence des besoins Ressource utilisée Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

35 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Ressource utilisée Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

36 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Existence d une Ressource? Ressource utilisée Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

37 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Existence d une Ressource? Ressource utilisée Ressource utile Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

38 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Existence d une Ressource? Ressource utilisée Ressource utile Potentiel utile de la ressource Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

39 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Existence d une Ressource? Ressource utilisée Ressource utile Potentiel utile de la ressource Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

40 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Taux de couverture du besoin Existence d une Ressource? Ressource utilisée Ressource utile Potentiel utile de la ressource Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

41 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Taux de couverture du besoin Existence d une Ressource? Ressource utilisée Ressource utile Potentiel utile de la ressource Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

42 Nouvelle approche Simulations avec les ressources Simulations sans une ressource Besoin réel Différence des besoins Taux de couverture du besoin Existence d une Ressource? Ressource utilisée Taux d exploitation du potentiel Ressource utile Potentiel utile de la ressource Objectif : obtenir des informations quantifiées sur les ressources; leur utilité, leur quantité et leur exploitation.

43 kwh/(m².an) Application à un bâtiment non isolé. Capacity and performance indicators for an old single house in Chambéry 1000 Simultaneous capacity Exploited capacity Real energy needs Adjusted capacity kwh/m2.an Marge = Besoin % 25% % 23% 13% 26% Sun Sky Air

44 kwh/(m².an) Application à un bâtiment BBC. Capacity and performance indicators for a low-energy single house in Chambéry 1000 Simultaneous capacity Exploited capacity Energy needs Adjusted capacity kwh/m2.an Marge = 17*Besoin % 78% 2% 9% 8% 79% 0 Sun Sky Air

45 kwh/(m².an) Quelques constatations. Potentiel et besoins : Le potentiel de toutes les ressources est toujours supérieur au besoin qui lui correspond. Il y a donc suffisamment de ressources disponibles pour répondre à tous les besoins. Couverture des besoins : Le BBC couvre 80% de ses besoins en n exploitant que quelques % des ressources. L isolation augmente la marge bioclimatique Capacity and performance indicators for a low-energy single house in Chambéry Simultaneous capacity Exploited capacity Energy needs Adjusted capacity 500 Exploitation des ressources : Les parois opaques échouent totalement à exploiter la ressource solaire. L exploitation des potentiels utiles est, dans toutes les configurations, extrêmement faible : moins de 15% Sun Sky Air Les bâtiments actuels, même très performants, ne sont pas conçus pour exploiter les ressources de leur environnement.

46 Le recours à une méthode d optimisation. Optimiser, c est rechercher un minimum ou un maximum sur un critère (la cible). Un grand classique de la thermique du bâtiment est la minimisation de la consommation énergétique. Les outils d optimisation fournissent la valeur de tous les paramètres du modèle qui permettent d atteindre l optimum. L analyse de sensibilité donne l impact de chaque paramètre sur le critère à optimiser. Ca permet par exemple de limiter le nombre de paramètres à traiter pour l optimisation. On peut optimiser sur plusieurs cibles, mais il faut alors gérer les conflits. Ré-exploitation de l analyse de sensibilité.

47 Application à une maison individuelle non isolée. Cible 1 : minimum du besoin de chauffage. Cible 2 : maximum d exploitation du potentiel solaire. Aucun dilemme, sauf pour l isolation des parois opaques. Une voie possible par le renforcement de l isolation thermique. Une voie possible sans isolation avec maximisation de l exploitation par les parois opaques.

48 Application à la maison individuelle isolée. L optimisation sur les résistances thermiques disparaît du jeu. Sensibilités très faibles sur les deux critères (besoin et exploitation). Des critères bioclimatiques apparaissent nettement avec une forte sensibilité. Pourcentage de parois vitrées. Transmission solaire par les parois vitrées.

49 Comparaison entre la maison optimisée pour la cible 1 et celle optimisée pour les deux cibles. L optimisation mène à une augmentation de 30% du potentiel exploité qui entraîne une diminution de 20% du besoin de chauffage. Réduction du besoin de chauffage supérieure au double de ce qu il restait à gagner avec l isolation. On peut donc optimiser une enveloppe au-delà des capacités de l isolation

50 Conclusions.

51 Pour répondre aux enjeux énergétiques, mettons à jour notre logiciel La période est à la rupture. Ruptures technologiques pour l existant pour répondre à la priorité n 1 : isoler ce qui ne l est pas. Ruptures méthodologiques pour le neuf pour exploiter les gisements de l environnement. Plus la performance est élevée, plus il faut penser globalement. Globalement à l échelle du bâtiment. Pour des raisons économiques, traiter tous les usages simultanément. Pour l exploitation des ressources de l environnement, attribuer la meilleure ressource pour chaque usage. Globalement à l échelle des territoires Le vrai climat local. Convergence entre bâtiments (habiter, travailler) et transport.