Le bâtiment est un tonneau percé

Bilan thermique EN 832, EN 13790, SIA 380/1 LESOSAI 5 Le bâtiment est un tonneau percé Niveau de prestations 1

Bilan thermique d'un bâtiment Apports d'énergie Déperditions par aération Déperditions par transmission Niveau de prestations Gains solaires et internes Bilan thermique Déperditions Transmission thermique Aération Eau chaude Chaleur stockée Pertes techniques Gains Gains internes Gains solaires passifs Gains solaires actifs Chaleur restituée Apports d'énergie onéreuse Total des déperditions = Total des gains 2

Délimitation du système Volume chauffé Isolation thermique Délimitation temporelle Chauffage Refroidissement Année entière 3

Délimitation par utilisation le système de chauffage l'eau chaude la cuisson l'électroménager l'éclairage la climatisation les transports et télécommunications etc. Délimitation par vecteur les combustibles mazout, charbon, gaz, bois, etc la chaleur à distance l'électricité le soleil la chaleur humaine et animale etc. 4

Les flux d'énergie dans le bâtiment Soleil Gains Ventilation Production de chaleur Transmission Eau chaude Utilité du bilan Calcul de la consommation d'énergie Détection des points faibles Etude de variantes Scénarios de rénovation Mise à l'enquête 5

Bilan thermique instantané La chaleur produite dans le bâtiment est Soit perdue vers l'extérieur Soit stockée dans la structure, augmentant ainsi sa température Calcul détaillé: Résolution de l'équation de la chaleur pour la conduction Equation de Navier Stokes pour la ventilation Approximation quasi stationnaire P c = P t + P v + P w - [P s + P i ]+ P A >0 Q c = >0 P c dt Q c = Q t +Q v + Q w -η [Q s + Q i ] 6

Déperditions Q l = H (θ i - θ e ) t θ i θ e t H est la température intérieure moyenne; est la température extérieure moyenne; est la durée de la période; est le coefficient de déperditions du bâtiment : Coefficient de déperditions H = H T + H V HT HV coefficient de déperditions par transmission coefficient de déperditions par renouvellement d'air. 7

Coefficient de déperdition par transmission H T = H D + H S + H N H D H N H S H D H S H N transmission directe vers l'extérieur, à travers l'enveloppe du bâtiment; déperditions par le sol; à travers les espaces non chauffés. Déperditions par transmission Réalité Modèle Eléments d'envelope plans: EN ISO 6946 Fenêtres et portes, avec leurs chassis: EN ISO 10077 Ponts thermiques potentiels: EN ISO 14683 ou EN ISO 10211 Non chauffé Limite d application de l EN ISO 13370 8

Transmission directe H T = U A + Ψ l + i i i j j j k χ k Déperditions par transmission Φ T = ( θ θ ) i Pour diminuer ces pertes Isoler Réduire les surfaces Réduire les différences de température e j U j A j 9

20 C H S = Q ( θ θ ) t i G e Δ 10 C Transfert de chaleur par le sol 0 C Déperditions d'une dalle sur sol Dalle mal isolée, d t <B,: R m Rf d m U 0 2λ πb = ln + 1 πβ + dt d t B = 2A P Dalle bien isolée: B < d t: : U λ = 0, 457 B + d t = d m + λ R f H s = A U 0 0 d t 10

Inertie thermique Stockage de chaleur Extérieur Atténuation des variations Intérieur L inertie thermique du bâtiment Dépend autant de sa capacité thermique que de son niveau d isolation Capacité thermique Niveau d isolation H C 11

Capacités typiques [kj/k] Type de construction Lourd, tout béton Tout en bois massif Pièce de 20 m² Dalles béton, parois brique Idem, sol avec moquette do, plus faux plafond do, parois placoplâtre Tout en bois mince (20 mm) C [kj/k] 11'300 8500 7400 5300 2400 4000 2000 C/A [kj/m²k] 550 425 370 275 120 200 100 Constante de temps du bâtiment Rapport entre la capacité thermique du bâtiment et le coefficient de déperditions = H C τ J W K K H C 12

Constantes de temps typiques Piéce de 20 m², aération 30 m 3 /h Lourd, tout béton, isolation U= 0,2 W/(m 2 K) Lourd, tout béton, isolation U= 0,5 W/(m 2 K) Lourd, tout béton, façade simple vitrage Idem, sol avec moquette et faux plafond, U= 1 W/(m 2 K) Tout en bois massif, façade vitrée U= 1 W/(m 2 K) Tout en bois mince (20 mm) U= 1 W/(m 2 K) Serre horticole 10 jours 8 jours 1½ jour 3 jours 2 jours 1 jour 8 heures Déperditions par aération Q V ( )( ) θ θ η = m c 1 a a i e r m a c a θ η r masse d'air chauffé chaleur spécifique de l'air, à savoir environ 1000 J/(kg K) température rendement de récupération de chaleur sur l'air évacué. 13

Espaces non chauffés H ne H N = H in b H in b= H in H ne + H ne Apports de chaleur Q g = Q i + Q s Q g apport total de chaleur "gratuite" Q i apports internes Q s apports solaires 14

Apports internes des personnes P h P h P = h N A 24 = 24D où : N est le nombre d'habitants présents dans la zone chauffée P est la puissance dégagée par habitant h est le temps de présence par jour A est la surface brute de plancher chauffé occupée par les habitants D est la surface disponible par habitant. Apports internes des personnes Puissance thermique dégagée par les habitants, selon SIA 380/1 Type de Occupation Présence Puissance bâtiment [m²/pers] [h/j] [W] Logement 60 12 70 Bureau 20 6 80 Ecole 10 4 70 Restaurant 5 3 100 15

Apports internes - appareils P a = P el f e Type de bâtiment Consommation annuelle Facteur de correction MJ/m ² fe Habitation 80-100 0.7 Commercial 80 0.9 Ecole 40 0.9 (f e tient compte du fait que les appareils ne se trouvent pas tous dans la zone chauffée) Apports internes où: P ih P iu P i b Q i = [P ih + (1-b) P iu ] t = P i t est la puissance moyenne des apports internes dans les espaces chauffés; est la puissance moyenne des apports internes dans les espaces non chauffés; est la puissance moyenne des apports internes; est le facteur de déperditions par un espace non chauffé. 16

Le rayonnement solaire Energie [kw/(m² µ)] 2,0-1,5-1,0-0,5 - Corps noir à 5800 K Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère Rayonnement solaire au niveau de la mer. Ciel serein, soleil à 30 au-dessus de l'horizon UV visible IR 0-0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Longueur d'onde [µm] Le soleil en chiffres A la surface du soleil: Aux confins de l'atmosphère Rayonnement global annuel: Sahara sud 2000 kwh/m² Zermatt 1480 kwh/m² Lucerne 1109 kwh/m² 64 MW/m² 1367 W/m² 17

Rayonnement direct Rayonnement diffus Optimisation des gains solaires Excellente isolation thermique Grandes surfaces de captage Protections solaires efficaces, extérieures (et intérieures) Bon contrôle du chauffage Inertie thermique suffisante 18

Protections solaires efficaces: à l extérieur! α g α ρ τ ρ τ g Protections solaires Doit être efficace, donc extérieure Doit être modulable: éviter les vitrages réfléchissants ou teintés et les protections fixes. En investissant 500.-dans un store, on évite de recevoir 1 kw en pointe. Il faut plus de 2 000.- pour un groupe de climatisation capable d évacuer 1 kw. 19

Surfaces de captage Fenêtres et portes vitrées Sol et murs des vérandas Parois opaques Captage passif du rayonnement solaire Direct Direct et indirect Indirect Hybride 20

Gains solaires Q s = Q = j sj j I sj n A snj I sj A snj irradiance = énergie du rayonnement solaire par mètre carré de surface de captage d'orientation j Aire réceptrice équivalente de type n et d'orientation j Modélisation des éléments d'enveloppe transparents Apports d'énergie solaire de la surface j: Q = sj A I sj : Irradiance = énergie du rayonnement solaire par mètre carré de surface de captage A sj : Aire réceptrice équivalente. sj I sj 21

Aire réceptrice équivalente A s = A F o F F g A aire de la surface réceptrice; F o facteur d'ombre sur la surface; F F facteur de cadres; g coefficient de transmission énergétique. Rayonnement solaire sur un vitrage Transmission secondaire Rayonnement solaire incident Angle d'incidence i q s Rayonnement absorbé α Ε q s Rayonnement global g q s transmis Rayonnement réfléchi ρ Ε q s Rayonnement transmis τ Ε q s directement 22

Caractéristiques de vitrages Type de vitrage U v g p g g τ Vitrage simple VS 5,6 0,82 0,84 0,9 Vitrage simple VS, avec couche sélective IR 4,3 0,66 0,69 0,73 Double vitrage (DV) avec air sec 2,9 0,69 0,75 0,81 Double vitrage (DV) avec argon 2,7 0,69 0,75 0,73 Double fenêtre (2 SV) 2,7 0,69 0,75 0,81 DV avec couche sélective et air sec 1,6 0,62 0,67 0,78 DV avec couche sélective et argon 1,3 0,62 0,67 0,7 DV avec couche sélective et xénon 0,9 0,58 0,63 0,76 Double, double vitrage DV 1,5 0,59 0,53 0,66 Triple vitrage (TV) avec air sec 2 0,62 0,7 0,74 Triple vitrage (TV) avec argon 1,9 0,62 0,7 0,71 TV avec 2 couches sélectives et air sec 1,1 0,43 0,5 0,68 TV avec 2 couches sélectives et argon 0,9 0,43 0,5 0,56 TV avec 2 couches sélectives et xénon 0,4 0,42 0,48 0,64 Pavé de verre 3 0,6 0,65 0,75 Type d'isolation transparente U v g p g g 5 cm isolation nid d'abeille derrière SV 1,4 0,75 0,83 10 cm isolation nid d'abeille derrière SV 0,9 0,72 0,8 20 cm isolation nid d'abeille derrière SV 0,55 0,66 0,73 5 cm isolation nid d'abeille derrière DV 1,4 0,67 0,74 10 cm isolation nid d'abeille derrière DV 0,9 0,64 0,71 Vitrages: gains et déperditions g [-]; g/u [m²k/w] 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 2 4 6 U [W/m²K] g g/u 23

Gains solaires des serres H is H se Q Si Q Sd Q Si Gains solaires des serres I Q Ss = Q Sd +(1-b) Q Si Q sd g w A w H is Q es H se i s e H se b = H + H is se (1-b)Q si g p A p g e A e α p A j α j Gains directs Gains indirects U Q Sd = I p F S F Fe g e F Fw gwaw + α Sp Ap U Q Si = F S F Fe g e IS j αsj Aj - I pα j p Sp pe A p U U p pe 24

Parois opaques avec isolation transparente Q s = U A U e F O g α I TI sj Gains de chaleur Rayonnement solaire incident U pour toute la paroi U e pour la partie extérieure Surface absorbante Isolation transparente Pertes Parois extérieures opaques Apports solaires ne représentant qu'une faible part des déperditions. Ils peuvent donc être négligés Si toutefois on désire les prendre en compte, il faut aussi tenir compte des pertes radiatives vers le ciel froid. 25

Besoins en chauffage Besoins: déperditions - gains utiles Q h = Q l -η Q g Facteur d'utilisation, η, dépend du rapport gains/pertes de l'inertie thermique du bâtiment, caractérisé par une constante de temps γ = τ = Q Q C H g l Constante de temps du bâtiment Rapport entre la capacité thermique du bâtiment et le coefficient de déperditions τ = C H C = c H = H + H = U A + ψ l + χ + ρc T k m V * k 1000 M [ J i i i i / K] i V& 1 η ) ( r 26

Facteur d'utilisation si γ 1 si γ =1 η 1 γ = a+ 1 1 γ a a η = a +1 a = a 0 τ + τ 0 Type de bâtiment a 0 τ 0 h I II Bâtiments chauffés en continu (plus de 12 h/jour) tels que logements, hôtels, hôpitaux, etc. Méthode de calcul mensuelle. 1 15 Méthode de calcul saisonnière 0,8 30 Bâtiments chauffés de jour seulement (moins de 12 h/jour) tels que écoles, bureaux, locaux de réunion, magasins, etc. 0,8 70 (γ = rapport gains/pertes) 1 γ Facteur d'utilisation η = a+ 1 1 γ a 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 η 168 48 24 8 Continuously heated buildings τ [h] 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 γ 27

Bilan thermique d'une façade sud Paroi de 15 m², dont 7 m² de vitrage, placé en façade sud dans la région lausannoise. Type de U [W/m² K] g Pertes Gains Besoins norme Paroi Vitrage Vitrage kwh kwh kwh Ancienne 0,80 5,60 0,84 3 686 2 531 1 216 SIA 180:1988 0,60 3,00 0,70 2 160 2 109 293 SIA 380/1:1988 0,40 2,00 0,60 1 440 1 808 71 Optimal 0,20 0,70 0,50 569 1 506 0,4 Calcul du bilan thermique d'une construction Selon SIA 380/1, Minergie, EN832 et pren 13790 Résultat de 15 ans d'expérience Installation et utilisation simplifiées Conforme aux dernières normes suisses et européennes Permet le calcul de bâtiments à plusieurs zones, selon la méthode la plus précise proposée dans SIA 380/1 28

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Fournit les formulaires conformes aux exigences officielles Outils connus: Déperditions par le sol Calcul d incertitude Graphiques mensuels Nouveaux outils: Calcul du coefficient de transmission thermique U Calcul de température et humidité dans les parois Calcul de l ombrage 30

Calcul de l'ombrage 31