Thermique du bâtiment RT 2012 : Etude d un bâtiment collectif
Table des matières
I. Aspects généraux A. Organisation de l étude En premier lieu, il est impératif de prendre connaissance des plans du bâtiment étudié. Dans un deuxième temps, un scénario de base est envisagé (choix technique et méthode «pièce par pièce» ou globale). Il prend en compte la totalité des contraintes géographiques, de la physique du bâtiment et des exigences des parties prenantes afin de respecter la réglementation tout en proposant des solutions cohérentes et réalisables. Puis, le calcul règlementaire est réalisé selon le scénario établi préalablement. Au regard du résultat obtenu, des ajustements seront effectués afin de respecter la règlementation dans sa limite basse. Enfin nous proposons au maître d ouvrage plusieurs solutions afin de l aider dans sa prise de décision. B. Analyse du bâtiment Le bâtiment se situe à Ludres (54) à moins de 500 mètres d altitude dans la zone géographique H1B. La ville est alimentée au gaz de ville et possède un réseau de chauffage urbain. Les plans de l architecte nous présentent un bâtiment de plein pied en L, de 3 niveaux qui possède une mitoyenneté coté Est et Ouest. La façade coté rue est orientée au Sud, elle possède de larges ouvertures ainsi que des loggias à chaque niveau. Ce choix a une conséquence non négligeable sur le calcul réglementaire, il agit sur le calcul du Bbio en maximisant les apports externes mais peut également augmenter de manière significative la TIC pouvant potentiellement rendre le calcul non conforme.
Une part importante des façades Est et Ouest sont mitoyennes, elles n engendrent donc aucune déperdition. Toutefois, des problèmes acoustiques peuvent apparaître, ils ne sont pas de notre ressort mais doivent néanmoins être signalés. La façade Est en contact avec l extérieur possède un balcon au 1 er et 2ème étage. Les balcons sont des sources importantes de ponts thermiques et doivent être traités par des rupteurs afin de les minimiser. La façade Nord ne présente pas de signe particulier. Une part importante des logements aux derniers niveaux est sous les rampants, cette situation nous informe sur la structure légère de la toiture. De manière générale, le bâtiment apparaît comme relativement complexe dans sa géométrie, ce qui peut engendrer un nombre important de ponts thermiques. Le rapport des surfaces vitrées sur les surfaces pleines parait relativement faible et peut poser des problèmes de règlementation. Nous réaliserons notre étude en métré global et non en «pièce par pièce». II. Scénario de départ : A. Le Bâti : Les murs extérieurs sont constitués d un voile en béton armé et d un isolant extérieur de type polystyrène. Les murs extérieurs doivent être lourds afin de «porter» les 4 niveaux. Des façades légères type bois sont possibles mais posent des problèmes de structure. Nous choisissons d isoler le bâtiment par l extérieur afin de minimiser les ponts thermiques et d augmenter l inertie interne. Le plancher sur terre plein est constitué d une dalle béton et d un isolant en polyuréthanne pour plancher chauffant et d une chape de compression afin d obtenir les meilleurs performances avec un minimum d épaisseur.
Les planchers intermédiaires sont constitués d une dalle en béton armé ou prèscontrainte selon le choix du bureau d étude structure ainsi que d un isolant en polyuréthanne pour plancher chauffant et d une chape de compression afin d obtenir les meilleures performances avec un minimum d épaisseur. Au vue des constatations effectuées sur la toiture, il est judicieux de la réaliser avec un panneau sandwich. Récapitulatif : Code 01 02 06 07 04 03 05 Type Désignation Mur extérieur (A1) Mur intérieur (A1) Mur intérieur (A1) Plafond extérieur (A3) Plancher intérieur (A4) Plancher sur terre-plein (A4) Plafond intérieur (A2) B. U W/m². b Mur extérieur Mur intérieur LNC mur intérieur bois Toit Plancher LNC C 0,184 0,501 0,384 0,151 0,266 1,000 0,700 0,450 1,000 0,900 Plancher Terre Plein 0,275 1,000 Plafond LNC 0,239 0,900 Parois vitrées : Les menuiseries du bâtiment collectif représentent un poste important de déperditions, compte tenue de la grande quantité de fenêtres et de portes implantés. Plusieurs solutions techniques s offrent à nous afin d atténuer l impact des menuiseries sur les pertes énergétiques globales du bâtiment. La menuiserie de type bois a une meilleure performance thermique et acoustique que le PVC et l aluminium. La durée de vie de ce type de menuiserie dépend de la qualité du matériau, et celui-ci nécessite un entretien régulier (lasure ou peinture) afin de garantir une durée de vie équivalente aux autres matériaux proposés. Le bâtiment étant destiné à la location sociale, l entretien représente un coût et une contrainte supplémentaire.
De plus le bois reste un matériau noble, permettant toutes modifications (couleur, forme), ce qui entraine un prix plus élevé que les autres matériaux. La menuiserie de type Aluminium a des performances thermiques moindres que le bois et le PVC. La durée de vie de l aluminium est la plus importante, celle ci se rapproche de la durée de vie du bâtiment et ne nécessite aucun entretien. L aluminium permet un grand choix de tailles et de couleurs des ouvrants, de plus ce matériau est recyclable. Le prix des menuiseries aluminium se situe entre celui de bois et celui du PVC. La menuiserie de type PVC a des performances thermiques très élevés. Il ne nécessite aucun entretien pendant sa durée de vie. Celle-ci est équivalente à celle du bois. Le PVC propose un grand nombre de possibilités esthétiques, mais ne permet pas de grands formats. Le PVC est un matériau 100% recyclable. De plus le prix des menuiseries PVC est très compétitif et représente son principal atout à performance quasi équivalente à celle du bois. Le triple vitrage peut être une solution adaptable à l ensemble des matériaux définis ci-dessus. Le triple vitrage engendre un meilleur confort acoustique mais n augmente pas significativement la performance thermique par rapport à une menuiserie de type double vitrage. De plus le prix du triple vitrage est bien supérieur au double vitrage. Le triple vitrage n apparait donc pas comme une solution adéquate. Les calculs avec Perrenoud indiquent que la menuiserie aluminium entraîne une déperdition de 32.4% du bâtiment contre 31.2% pour le PVC. Compte tenu du type de bâtiment, et de son usage, la partie financière est très importante ce qui oriente notre choix vers une menuiserie de type PVC double vitrage, couplée à un volet roulant PVC d épaisseur de 12mm.
Les caractéristiques et performances des menuiseries choisies sont les suivantes : CATALOGUE DES VITRAGES : Code Désignation Long m Hau t m Type Type Type Ouvrant Vitre Fermeture Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Double Vol. Roul. PVC +15mm (e>12mm) Fen. F01 Fen 0.70x1.55 0,80 1,55 bat. (Uf=1,2) PVC Argon (E=0,03) Fen. F02 Fen 1.00x1.55 1,10 1,55 bat. (Uf=1,2) PVC Argon (E=0,03) Fen. F03 Fen 1.10x1.55 1,15 1,55 bat. (Uf=1,2) PVC Argon (E=0,03) Fen. F04 Fen 1.00x1.00 1,00 1,00 bat. (Uf=1,2) PVC Argon (E=0,03) Pf PF01 Porte Fen 1.00x2.15 1,00 2,15 PVC (Uf=1,2) avec soub. Argon (E=0,03) Pf PF02 Porte Fen 2.00x2.15 2,00 2,15 PVC (Uf=1,2) avec soub. Argon (E=0,03) Fen. V01 Velux 1.14x1.18 1,14 1,18 bat. (Uf=1,2) PVC Argon (E=0,03) Fen. V02 Velux 1.14x1.40 1,14 1,40 bat. (Uf=1,2) PVC Argon (E=0,03) P01 Porte pleine 1.00x2.15 1,00 2,15 F010 Fen 0.70x1.55 0,70 1,55 Porte pleine PVC isolée Fen. bat. PVC Double Vol. Roul. PVC
Code Désignation Long m Hau t m Type Type Type Ouvrant Vitre Fermeture +15mm (e>12mm) (Uf=1,2) 0 Argon (E=0,03) C. Les systèmes énergétiques : Le bâtiment est de type HLM, le bailleur souhaite en priorité que les systèmes soient simples d utilisation et de maintenance aux coûts les plus faibles. Nous choisissons de chauffer chaque logement avec une chaudière gaz à condensation avec un couplage solaire individuelle, cette solution nécessite un investissement relativement faible et un entretien à la charge du locataire, de plus la condensation et le solaire permettent de réelles économies. La production d eau chaude sanitaire est produite par la chaudière et un appoint solaire. Le chauffage des logements est produit par un plancher chauffant, il permet un grand confort et est parfaitement adapté au bâtiment de par son inertie. La ventilation mécanique est assurée par une VMC simple flux du type hygro B, ce système représente le meilleur rapport qualité/prix. D. Récapitulatif :
Parois Descriptions R isolant U parois m².k/w W/m².K 5,15 0,184 1,61 0,501 isolant : KNAUF Xtherm ITEx + ép. = 16 Mur extérieur isolation extérieure cm Béton armé ép. = 20 cm isolant : KNAUF Xtherm ULTRA 30 Mur Mur intérieur Sur lnc Mur intérieur mur bois Plancher sur terre ép. = 5 cm Béton armé ép. = 20 cm Lame d air ép. = 5 cm Laine de verre ép. = 20 cm 0,18 4,88 0,384 plein dalle béton isolant : plaque polyuréthane ép. = 10 cm 4,65 chape flottante 0,202 Toiture isolation : polystyrène ép. = 20 cm 6,5 Panneaux sandwich fenêtres châssis PVC double vitrage argon Vitrage Uw = 1,2 W/m².K Systèmes Ventilation Chauffage ventilation simple flux type hygro B chaudière gaz à condensation marque Viessmann type : Vitodens 343 Eau Sanitaire Chaude préparateur ECS solaire + chaudière solaire : capteur Viessmann 0,15
E. Résultats : Au regard des résultats trois constats se dégagent : Tout d abord, le résultat du coefficient Bbio est extrêmement favorable, ce qui nous permet d en déduire que notre bâtiment a une enveloppe très performante. Ensuite, le résultat du coefficient Cep est également très favorable, il indique donc un bon état général de la gestion de l énergie du bâtiment. Enfin, le ratio des surfaces vitrées n étant pas conforme, il est donc nécessaire d augmenter de manière conséquente la surface vitrée du bâtiment (nous avions respecté les dimensions d origine)
En conclusion, pour optimiser le bâtiment, nous pouvons diminuer l isolation générale pour réaliser des économies à l achèvement. Nous devons également augmenter les dimensions des fenêtres pour être conforme au ratio exigé. F. Ajustement du Calcul : Parois Descriptions R isolant U parois m².k/w W/m².K isolant : KNAUF Xtherm ITEx + ép. = Mur extérieur isolation extérieure 10 cm 3,03 Béton armé ép. = 20 cm isolant : KNAUF Xtherm ULTRA 30 Mur 0,301 Mur intérieur Sur lnc Mur intérieur mur bois Plancher sur terre ép. = 5 cm Béton armé ép. = 20 cm Lame d air ép. = 5 cm Laine de verre ép. = 20 cm 1,61 0,501 0,18 4,88 0,384 plein dalle béton isolant : plaque polyuréthane ép. = 10 cm 4,65 chape flottante 0,202 Toiture isolation : polystyrène ép. = 20 cm 6,5 Panneaux sandwich fenêtres châssis PVC double vitrage 0,15 argon Vitrage Systèmes Ventilation Chauffage Uw = 1,4 W/m².K ventilation simple flux type hygro A chaudière gaz à condensation marque Viessmann type : Vitodens 343 Eau Chaude Sanitaire préparateur ECS solaire + chaudière solaire : capteur Viessmann Afin de limiter les coûts, nous avons choisi de réduire l épaisseur de l isolant et de changer la ventilation. Ainsi, nous nous attendons à des performances légèrement moindres, mais restant conformes à la RT 2012. G. Résultat final de la version de base :
Comme prévu, les résultats attendus sont moins bons que sur la version d origine. En effet, nous passons d un Bbio de 57.7 à 63.3 et d un Cep de 58.7 à 67.9. Cependant nous avons ainsi pu gagner en coûts financiers tout en restant conforme à la réglementation en vigueur. Les résultats sont satisfaisants. III. Etudes de différents scénarios : A la suite de cette étude nous avons décidé de faire varier les systèmes de production de l énergie et des paramètres de structure (isolation inclue).
A. Changement des systèmes de chauffage pour l étude de base: 1. Chauffage Gaz collectif Systèmes Ventilation Chauffage ventilation simple flux type hygro A chaudière gaz à condensation collective marque Viessmann type : Vitocrossal 300 Eau Chaude Sanitaire préparateur ECS solaire + chaudière solaire : capteur Viessmann 2. Systèmes Chauffage urbain
Ventilation Chauffage Eau Sanitaire ventilation simple flux type hygro A Réseau urbain type : incinérateur Chaude préparateur ECS stockage avec ballon de
B. Changement de l ossature du bâtiment : 1. Paroi monomur terre cuite Choix du matériau : Nous avons souhaité utiliser ce type de brique car c est un produit de maçonnerie couramment employé et dont nous voulions tester la cohérence avec la RT 2012. Cette brique monomur se différencie par 2 aspects : Son épaisseur est plus importante qu une brique standard Elle renferme de multiples cavités afin de diminuer les déperditions pour une épaisseur de 30cm : U brique creuse = 1.65 W/m². C ; U brique monomur = 0.36 W/ m². C L inconvénient majeur du monomur reste son utilisation limitée par la hauteur du bâtiment. En effet, au-delà de R+3, il devient compliqué de maintenir une structure. Dans le cadre de notre étude le monomur peut encore être utilisé car le bâtiment est en R+3.
Caractéristique de la paroi extérieure en ITE : Désignation Epaisseur Lambda cm W/m. C Brique monomur 25cm 25,0 Polystyrène 12,0 0,032 Résistan ce Proportion Type m². C/W % 1,610 100 ThU 3,750 100 ThU Pour renforcer mécaniquement les murs nous y avons incorporé des ferraillages ce qui a presque fait doubler notre U (on passe de 0, 36 W/m². C à 0, 62 W/m². C). Influence des générations de chauffage sur les résultats Bbio et Cep Type de génération Bbio et gain sur Bbio Cep (kwh/m².an) et gain max sur Cep max Gaz individuel 63,7 (gain de 24,7%) 68,2 (gain de 8,62%) Gaz collectif 63,1 (gain de 24,88%) 72,7 (gain de 2,81%) Réseau de chaleur 63,1 (gain de 24,88%) 69,3 (gain de 7,35%)
Répartitions des déperditions : Chauffage individuel gaz à condensation : Chauffage collectif gaz à condensation :
Réseau de chaleur : Etiquette énergétique Chauffage individuel gaz :
Chauffage collectif gaz : Réseau de chaleur :
Conclusion sur la variante 1 : Le changement des types de génération n affecte, quasiment pas, ni les résultats des déperditions, ni le Bbio ; ce qui est totalement normal. En revanche on remarque que la génération gaz collective n est pas la meilleure (Cep et étiquette énergétique). Nous aurions pu croire qu une production centralisée engendre un rendement global meilleur, comparé à une multitude de chaudières individuelles. En effet nous aurions pu raisonner qu une chaudière à condensation avec un rendement général saisonnier de 88% sur PCS (pertes de distribution incluses), soit plus performante que la multiplication des rendements (92% sur PCS) des X chaudières murales au court de l année. L élément de réponse doit certainement résider dans le rendement estival de l installation centrale, car en été son rendement est fortement dégradé pour produire l ECS (pertes à l arrêt et sur le réseau pour maintien en température de la boucle).
Enfin sur les GES aucune solution ne présente un gain notable (delta de 2 points entre les extrêmes). Le réseau de chaleur n est donc pas du tout favorisé dans le collectif en RT 2012, à l inverse du résidentiel collectif.
2. Isolation par l intérieur : Modifications par rapport à la version de base : Isolation par l intérieur (polystyrène : 10 cm), puis béton et crépi extérieur Une modification de l isolation va engendrer une modification des ponts thermiques. Nous avons, pour chaque cas, choisi la solution la moins déperditive, en s appuyant sur la base de données de Perrenoud : TYPE DE LINEIQUE Angle de 2 murs exterieurs Angle mur Refend Mur ext. exterieur / DESIGNATION ψ [W/m. C] Angle sortant 0,02 Angle entrant 0,15 / Refend Refend particulier Plancher Plancher 0,8 0.8 0,23 intermediaire intermediaire Mur ext. / Plafond lourds Toiture 0,03 Terre plein Terre plein 0,07 Nous avons conservé ces données pour les 3 types de générateur : - Gaz collectif Gaz individuel Réseau de chaleur
Ce qui donne les résultats suivants pour les 3 types de générateur: DONNEES DE BASE Bbio MAX 84 Ratio Bbio Moy. 64 Pts Ratio Cep MAX Moy. thermiques MAX 0,28 thermiques 0,069 Psi Moyen MAX Psi Moyen 0,6 0,35 Cep (kwh/m².an) 74,8 68,4 Pts Ratio surface vitrée Ratio surface MIN 1/6 vitrée 0,172 - BESOINS BIOCLIMATIQUES Coefficient Bbio 64 Besoins annuels en chaud [ kwh/m²] 27 Besoins annuels en froid [ kwh/m²] 0 Besoins annuels d'éclairage [ kwh/m²] ENERGIE 2 ENERGIE DETAILS CONSO [kwh / m² / an] FINALE PRIMAIRE Coefficient C (kwhef/m².an) 60,2 (kwhep/m².an) 68,4 Chauffage 34,5 36,2 Refroidissement 0 0 Eau chaude sanitaire 22,4 23,5 Eclairage 2 5,1 Aux. Distribution 0,1 0,3 Aux. Ventilateur 1,3 3,3 Conclusion sur la variante 2 : En réalisant les résultats de cette variante, on s est aperçu qu il n y avait aucune incidence du générateur ni sur le Bbio, ni sur le Cep. On retrouve le même résultat sur le Bbio de la variante 1, mais pas pour le Cep. Cette différence est quelque peu inexplicable car selon le type de générateur nous devrions avoir une incidence liée aux performances de la machine.
IV. Récapitulatif et classement des études : Etude Générateur Bbio Cep Chaudière gaz individuelle 63,3 67,9 Chaudière gaz collective 63,3 68,9 63,3 69,4 Chaudière gaz individuelle 63,7 68,2 Monomur terre cuite Chaudière gaz ITE collective 63,1 72,7 63,1 69,3 Chaudière gaz individuelle 64,0 68,4 Chaudière gaz collective 64,0 68,4 64,0 68,4 Béton armé ITE Réseau de chaleur Réseau de chaleur Béton armé ITI Réseau de chaleur Somme Bbio et Cep 131,2 132,2 132,7 131,9 135,8 132,4 132,4 132,4 132,4 Il ressort des résultats que le mode constructif le plus intéressant dans notre étude est celui en béton armé avec Chaudière gaz collective. Le plus défavorable est le monomur terre cuite avec chaudière collective. Entre ces deux extrêmes, les autres études ont des performances semblables. Nous avons pu remarquer que l élément prépondérant entre le bâti et le générateur est de toute évidence le bâti.