Étude expérimentale et numérique d'un bâtiment de dépôt et tertiaire à basse consommation Emmanuel Bozonnet 1, Lilian Clerjaud 1, Patrick Salagnac 1, Abdelkrim Trabelsi 2, Rémi Perrin 3 1 Université de la Rochelle, LaSIE, av. Michel Crépeau, 17041 La Rochelle, emmanuel.bozonnet@univ-lr.fr 2 Université Lyon 1, France 3 SOPREMA, France RÉSUMÉ. Le concept de bâtiments basses consommations pour les constructions industrielles et commerciales est récent et les références sont rares. Nous présentons ici un bâtiment industriel en construction métallique, construit en 2011, très fortement isolé étanche à l'air et qui a fait l'objet d'un monitoring détaillé par postes de consommation. Le volume intérieur étudié est constitué en particulier d un hall de dépôt de grand volume, pour lequel les conditions d ambiance et d éclairage naturel sont contrôlées par des lanterneaux de toiture. Un modèle numérique thermoaéraulique de l'ensemble du bâtiment et des systèmes de conditionnement d'air est présenté. Le couplage thermoaéraulique complet développé avec TRNSYS et CONTAM nous permet d étudier le fonctionnement standard du bâtiment, et de retrouver les niveaux de consommation observés, pour, à terme, définir des alternatives optimales de fonctionnement de ce type de bâtiment. ABSTRACT. The concept of low energy buildings for industrial and commercial buildings is recent and references are rare. We present an industrial building in steel construction, built in 2011, heavily insulated and airtight. It has been subject to detailed monitoring by consumption items. The interior volume studied consists of a depository with large volume, for which environmental conditions and natural lighting are controlled by roof skylights. A multizone numerical model of building and air conditioning systems is presented. The thermoaerodynamics model was carried out by coupling the codes TRNSYS and CONTAM and, allows to study the functioning of the building, and to find the levels of consumption, to eventually establish alternative optimal functioning of this building type. MOTS-CLÉS : bâtiment industriel basse consommation, suivi de consommation de bâtiment, simulation thermique dynamique, ventilation naturelle. KEY WORDS: low energy industrial building, building energy monitoring, transient building energy simulation, natural ventilation.
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 2 1 Introduction La directive européenne du 19 mai 2010 (Directive 2010/31/UE) sur la performance énergétique des bâtiments prévoit la construction de bâtiments neufs à consommation énergétique quasiment nulle à l horizon 2020. Ces évolutions réglementaires portent aussi sur le parc construit via des exigences minimales sur les opérations de rénovation qui concernent en particulier les bâtiments de grande surface tels que le cas d étude envisagé ici typique d un bâtiment de grand volume industriel ou commercial. En effet, le secteur du bâtiment est responsable de plus de 40% de la demande énergétique, mais les bâtiments neufs ne représentent qu un faible pourcentage du parc construit et ce travail sur l amélioration de la performance de l enveloppe concerne aussi la réhabilitation des bâtiments existants. Les bâtiments industriels et commerciaux ont un comportement énergétique fortement lié aux interactions par l élément toiture qui représente pour cette typologie de grandes surfaces horizontales, dans le cas général des toitures terrasses. Alors que ces bâtiments sont conçus traditionnellement par rapport à leur fonction première de couverture, la surface de toiture, dont la fonction d étanchéité est souvent assurée par un revêtement bitumineux (de couleur sombre), représente alors une part importante des transferts de chaleur liés au rayonnement solaire absorbé en été (Figure 1). Le cas des supermarchés est symptomatique, et les charges internes font que les consommations de climatisation d été deviennent prépondérantes par rapport aux besoins de chauffage. L éclairage artificiel représente aussi une part importante des consommations, renforcé en particulier avec les exigences commerciales, et participe aux apports de chaleur alors même que des charges de rafraîchissement importantes sont nécessaires, notamment pour maintenir l ambiance de certaines zones (chambres froides et zones frigorifiques et congélation). a) b) Figure 1 a) Surface de toiture de supermarché traitée par SOPREMA, b) Détail du procédé constructif d une toiture-terrasse en construction métallique Les développements actuels sur les procédés constructifs et les solutions de bâtiment à basse consommation se sont naturellement portés sur l habitat. Ces
Étude expérimentale et numérique d'un bâtiment de dépôt et tertiaire à basse consommation. 3 développements sont soutenus par la mise en œuvre de bâtiments démonstrateurs et d opérations exemplaires qui permettent ensuite de promouvoir la mise en œuvre dans la construction via des labels incitatifs (BBC, Effinergie, ). Pourtant, on ne retrouve pratiquement pas de telles opérations généralisables dans le domaine des bâtiments industriels et commerciaux pour lesquels les opérations exemplaires sont beaucoup plus rares (Renzi and Corgier, 2008). Les solutions généralement préconisées de rénovation ou de constructions neuves par de fortes isolations thermiques et de très faibles perméabilités à l air provoquent parfois des surchauffes en conditions d été ou, sans impact direct sur le taux d inconfort, des surconsommations de climatisation (Langmans et al., 2010). Le cas d étude présenté dans cet article correspond à un bâtiment très fortement isolé, chauffé mais non climatisé, avec une fonction de dépôt (stockage de produits industriels) et de bureaux accolés sur deux niveaux. Pour atteindre un niveau de performance élevé tant en conditions d hiver que d été, une stratégie de ventilation naturelle nocturne par lanterneaux a été mise en place, et une récupération sur ventilation double flux est active en hiver. L ouvrant de toiture type lanterneaux, typique de cette catégorie de bâtiment, est utilisé ici au-delà de sa fonction de désenfumage pour les apports en éclairage naturel et la ventilation par tirage thermique. Les surfaces de toitures sont également exploitées par des systèmes de toiture végétale, panneaux photovoltaïques et matériaux dits «cool roofs». Les matériaux «cool roofs» sont caractérisés par leurs propriétés radiatives : une forte réflectivité solaire combinée à une forte émissivité thermique qui permet de maintenir une température de surface faible même en situation extrême. Ces traitements de surface intéressants pour ce type de toiture ont été étudiés par de nombreux auteurs (Akbari et al., 2005; Bozonnet et al., 2011; Jo et al., 2010; Kolokotroni et al., n.d.; Trabelsi et al., 2011; Zinzi and Agnoli, n.d.). 2 Cas d étude 2.1 Description du bâtiment Le bâtiment étudié, représenté Figure 2, est une construction métallique située à Poitiers (46,35 N, 0,20 E). Il a une fonction de dépôt de marchandises (631,10 m²) et de bâtiment de bureaux (651,35 m²). S u S u Figure 2 Vue d ensemble et maquette numérique du bâtiment
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 4 Pour profiter au mieux des apports solaires d hiver et de l éclairage naturel, les bureaux sont orientés au sud (Figure 2) et les baies vitrées sont surmontées de casquettes solaires. L étage qui comprend une salle de réunion est équipé d un l anterneau de toiture ouvrant qui permet en plus d exploiter le tirage thermique pour la ventilation naturelle nocturne. Le dépôt est lui équipé de 12 lanterneaux de toiture qui représentent 4,5% de la surface de toiture. L isolation thermique est constituée de laine minérale de 150 mm pour le dépôt (maintenu à 12 C au minimum), 250 mm pour les bureaux et 280 mm en toiture. L inertie thermique du bâtiment est liée principalement au dallage et au sol, par une dalle béton de 160 mm en rez-de-chaussée et de 120 mm au 1 er étage de l espace bureaux. Le détail des matériaux constituants les parois extérieures est donné par le Tableau 1. Tableau 1 Constitution des parois extérieures et propriétés des matériaux Paroi Matériau Épaisseur (mm) Conductivité thermique (W.m -1.K -1 ) Densité (kg.m -3 ) Chaleur massique (J.kg -1.K -1 ) Bardage bureaux Acier 2 50 7800 419 Laine de roche 250 0,035 50 920 Plâtre 13 0,25 825 801 Paroi depot/bureaux Acier 2 50 7800 419 Laine de roche 140 0,035 50 920 Acier 2 50 7800 419 Bardage dépôt Acier 2 50 7800 419 Laine de roche 150 0,035 50 920 Acier 2 50 7800 419 Toiture bureau Rockacier 230 0,041 55 920 Acier 2 50 7800 419 Dallage RdC Béton 160 2 2450 920 La ventilation est assurée par une centrale de traitement d air double flux pour la zone bureaux et un extracteur simple flux pour la zone dépôt (0,5 vol/h). La perméabilité à l air de l ensemble du bâtiment bureau et dépôt compris a été testé avec une valeur de 0,5 m 3 /(h.m²). 2.2 Instrumentation Le suivi du fonctionnement du bâtiment est assuré par un ensemble de capteurs de température, d éclairement, et des relevés de compteurs d énergie par poste. L ensemble des données est collecté par une GTC. L implantation des principaux capteurs d ambiance a été réalisée de façon à suivre l évolution dans les locaux modélisés par la suite et conforme au zonage thermique envisagé (cf. Figure 3 et Figure 4).
Étude expérimentale et numérique d'un bâtiment de dépôt et tertiaire à basse consommation. 5 Sonde de température Luxmètre Plan RDC T atelier 2 (H: 1 m) Côté Nord (H: 1 m) T atelier 4 (H: 1 m) Stockage résine Dépôt Local Soprassistance T atelier 1 (H: 1 m) T atelier 3 (H: 1 m) Local SAS 2 vélo Côté Sud (H: 1 m) Archives 01 Archives 02 Vestiaires H. Local petit mat. Vestiaires F. Magasinier Circulation + SAS 1 Métreurs Directeur Resp. Sopra. Travaux Soprassistance Secrétariat Figure 3- Instrumentation RdC Plan 1er Etage T atelier 6 (H: 4 m) T atelier 8 (H: 4 m) Sous lanterneau T atelier 5 (H: 4 m) T atelier 7 (H: 4 m) Palier Salle de réunion Cuisine Figure 4 - Instrumentation R+1 En particulier, les mesures dans le grand volume de l atelier sont réparties en plusieurs points en partie basse (1m) et haute (4m), avec la contrainte de l accès à l espace de stockage et aux circulations nécessaires. 2.3 Analyse du suivi de température et des consommations Le suivi des consommations réelles du bâtiment sont réalisées en distinguant le chauffage par zones thermiques (secrétariat, bureaux métreurs, direction, annexes, salle de réunion, dépôt), l éclairage (ensemble bureaux, dépôt), la VMC (double flux bureaux, extracteur dépôt), le chauffe-eau, et les consommations auxiliaires (ordinateurs). Les bureaux sont chauffés et maintenus entre 18 et 20 C en période d occupation (voir Figure 5).
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 6 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 T extérieure T ambiante moyenne Figure 5 - variation des températures extérieures et intérieures pour les mois de janvier à février 2012 Les températures extérieures étant particulièrement basses par rapport aux normales saisonnières, les degrés-heures mesurés pour janvier-février sont de 9760 C.h et la consommation globale de 1051,6 kwh pour la zone bureaux avec la répartition par postes telles que donnée par la Figure 6. La zone dépôt n a pas été prise en compte ici vu que la limite inférieure de 12 C en hiver a été maintenue avec une consommation de chauffage et une ventilation négligeable. Répartition des consommations énergétiques pour la période du 01/01/2012 au 29/02/2012 5.26% 6.69% 0.39% 3.75% 83.90% Chauffage Eclairage VMC dble flux Chauffe-eau PC Figure 6 - Consommation d'énergie pour l'hiver 2012 (2 mois) par poste pour la partie bureaux (hors dépôt) La part principale de la consommation, 83,9%, est due au chauffage sur cette période très froide de l année, soit 18,5 kwh/m². Viennent ensuite la consommation de la centrale de traitement d air avec 1,48 kwh/m², et de l éclairage avec 1,16 kwh/m². Ramenée à une année de référence pour le site avec 14 902 C.h sur la saison de chauffage, la part théorique du chauffage tombe alors à 57 % (voir Figure 7).
Étude expérimentale et numérique d'un bâtiment de dépôt et tertiaire à basse consommation. 7 Répartition des consommations énergétiques sur une année type VMC dble flux 18% Chauffe-eau 1% PC 10% Chauffage 57% Eclairage 14% Figure 7 - Répartition des consommations d'énergie électriques sur une année type en % La part sur l année de l éclairage et de la ventilation mécanique devient alors beaucoup plus importante avec 14 % et 18 %. 3 Modélisation 3.1 Modélisation thermoaéraulique couplée Le bâtiment a été simulé par les outils multizones TRNSYS et CONTAM couplés dynamiquement pour déterminer les débits de ventilation naturelle en particulier dans la zone dépôt en conditions estivales. Les 15 zones aéraulique et énergétique ainsi définies sont identiques et correspondent au dépôt ainsi qu aux différents bureaux tels que représentés sur la Figure 8. Météo Météo Météo T air,zones Q m,air Q m,air T air,zones Modèle aéraulique Modèle énergétique Boucle itérative Figure 8 - vue du zonage thermique du bâtiment dépôt et bureaux et couplage thermoaéraulique Le couplage dynamique se traduit par l échange des données thermiques et aérauliques à même échelle de résolution pour les 2 modèles. La simulation porte alors sur le cas de référence mesuré et présenté dans la partie précédente avec une toiture terrasse bitume d un albédo de 0,2 et d une émissivité de 0,9.
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 8 Cette solution de base est comparée à 2 variantes simulée, en modifiant les propriétés radiatives de la surface de toiture pour un matériau partiellement réfléchissant (albédo de 0,4 et émissivité de 0,9) et un matériau très réflectif et émissif, dit cool roof (albédo de 0,8 et émissivité de 0,9). L impact de ces solutions est étudié sur une année type et pour la localisation de référence de Poitiers. 3.2 Résultats de simulation et analyses Les résultats obtenus montrent bien l impact sur la température de surface extérieure de toiture, comme le montre la Figure 9 pour une journée d été type à Poitiers. Figure 9 - évolutions des températures de surface extérieures pour une journée d'été et pour le cas de base (standard), un albédo de 0,4 (Sol.1) et un albédo de 0,8 (Sol. 2) On observe une atténuation importante des pics en journée, avec ici un écart maximum de 20 C entre la solution standard et la solution cool roof. Pour cette dernière solution, la température de surface suit nettement la température d air. La forte émissivité et la faible inertie de la structure permet également de bénéficier du rafraîchissement radiatif nocturne. Cette évolution se retrouve au niveau de la température opérative simulée dans le bâtiment, représentée de même pour une journée type Figure 10.
Étude expérimentale et numérique d'un bâtiment de dépôt et tertiaire à basse consommation. 9 Figure 10 variations des températures opératives pour les 3 solutions envisagées à l intérieur de la zone dépôt On observe ainsi une limitation intéressante des pics de températures intérieures avec une limite supérieure qui passe en-dessous de 28 C. Ceci se traduit par une diminution non négligeable du taux d inconfort d été en période d occupation. On passe ainsi à de périodes d inconfort estival (définies par la part des périodes d occupation où la température opérative dépasse 26 C) de 61 % à 53 % pour la solution 1 et à 36 % pour la solution 2. Enfin, nous avons vérifié que la ventilation naturelle nocturne de la zone dépôt et des bureaux par tirage thermique et ouverture des lanterneaux de toiture permettait dans tous les cas d annuler quasiment ces périodes d inconfort thermique. 4 Conclusions et perspectives Le suivi de ce bâtiment industriel montre l intérêt de cette technique constructive en construction métallique pour des performances énergétiques intéressantes liées en particulier à la très forte étanchéité à l air de l ensemble. La modélisation thermoaéraulique a montré l intérêt potentiel de l utilisation de la technique des cool roofs, solution qui devient complètement satisfaisante avec la ventilation naturelle d été par les lanterneaux de toiture pour le climat considéré. Des simulations pour un cas climatisé et chauffé ont été réalisées et montrent également l impact global positif sur les consommations annuelles. Néanmoins, l analyse des consommations et du comportement thermique sur une année complète, incluant la période estivale, nous permettra de calibrer plus finement le modèle numérique et d analyser de façon complète l impact de solutions constructives d amélioration des performances, mais aussi de proposer des améliorations de la gestion et de l utilisation des dispositifs existants.
XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 10 5 Bibliographie [AKB 05] AKBARI, H., LEVINSON, R., AND RAINER, L. (2005). Monitoring the energy-use effects of cool roofs on California commercial buildings, Energy and Buildings 37, 1007 1016. [BOZ 11] BOZONNET, E., DOYA, M., AND ALLARD, F. (2011). Cool roofs impact on building thermal response: A French case study, Energy and Buildings 43, 3006 3012. [JO 10] JO, J. H., CARLSON, J. D., GOLDEN, J. S., AND BRYAN, H. (2010). An integrated empirical and modeling methodology for analyzing solar reflective roof technologies on commercial buildings, Building and Environment 45, 453 460. [KOL] KOLOKOTRONI, M., GOWREESUNKER, B. L., AND GIRIDHARAN, R. (in Press). Cool roof technology in London: An experimental and modelling study, Energy and Buildings. [LAN 10] LANGMANS, J., KLEIN, R., DE PAEPE, M., AND ROELS, S. (2010). Potential of wind barriers to assure airtightness of wood-frame low energy constructions, Energy and Buildings 42, 2376 2385. [REN 08] RENZI, V., AND CORGIER, D. (2008). Bâtiment industriel à consommations d énergie maîtrisées Démarche GENHEPI, (Lyon, France). Presented at the IBPSA France 2008. [TRA 11] TRABELSI, A., BOZONNET, E., SALAGNAC, P., BELARBI, R., AND PERRIN, R. (2011). Roof design and skylights effects on the energy performance and comfort of low energy industrial buildings, (Kassel, Germany). Presented at the ISES Solar world congress 2011. [ZIN] ZINZI, M., AND AGNOLI, S. (in Press). Cool and green roofs An energy and comfort comparison between passive cooling and mitigation urban heat island techniques for residential buildings in the Mediterranean region, Energy and Buildings.