[1] ETUDE DE L EFFICACITE ENERGETIQUE D UN BATIMENT MULTIZONE A DEUX NIVEAUX DANS LA REGION DE TUNIS ABBASSI FAKHREDDINE 1, DEHMANI LEILA 2 1,2. Laboratoire des Procédés Thermiques, Centre de Recherche et des Technologies de l Energie, BP 95 Hammam-Lif 2050, Tunisie *E-mail : abbassifakhreddine@live.fr; leila.dehmani@yahoo.fr Résumé : En Tunisie le secteur du bâtiment est un grand consommateur d énergie. Vu l augmentation des prix du pétrole, du gaz et de l électricité, la crainte d'un épuisement des combustibles fossiles, et le problème du réchauffement climatique dû à l émission des gaz à effet de serre, plusieurs stratégies nationales d économie d énergie ont été mises en place. Parmi ces stratégies on trouve l arrêté du 1er juin 2009, concernant la réglementation thermique des bâtiments en Tunisie, qui fixe les spécifications techniques minimales de maîtrise de l énergie dans les projets de construction et d extension des bâtiments à usage résidentiel. L objectif visé dans le cadre de ce travail est le diagnostic de l efficacité énergétique d un bâtiment multizone à deux niveaux, dans la région de Tunis, tout en se basant sur les propriétés thermo-physiques de l enveloppe du bâtiment, du taux des baies vitrées des espaces chauffés et/ou refroidis, ainsi que leur répartition sur les différentes orientations. Cette étude a été réalisée à l aide du logiciel de simulation TRNSYS, et a permis de situer dans chaque cas, la consommation énergétique du bâtiment par rapport à la règlementation thermique tunisienne. Les résultats obtenus ont tout d abord pu mettre en évidence la grande consommation énergétique, en termes de climatisation et de chauffage du premier étage par rapport à celle du rez-de-chaussée. Par la suite, quelques idées d'améliorations à apporter au premier étage ont été examinées, concernant notamment l augmentation de l épaisseur des isolants thermiques des différentes parois, la ventilation nocturne pendant l été ainsi que l application des protections solaires. Mots clés : efficacité énergétique, habitat bioclimatique, règlementation thermique, TRNSYS. 1. INTRODUCTION Le diagnostic des performances énergétiques d un bâtiment est une étude concernant la quantité d'énergie effectivement consommée ou estimée en termes de chauffage et de climatisation liés au confort thermique. Ceci se fait initialement à travers le calcul des besoins calorifiques et frigorifiques annuels par (m²) du bâtiment considéré en fonction des propriétés thermo-physique de son enveloppe, de la zone climatique, du taux des baies vitrées des espaces chauffés et/ou refroidis ainsi que de leur répartition sur les différentes orientations. En Tunisie l arrêté du 1er juin 2009 de la réglementation thermique des bâtiments fixe les spécifications techniques minimales de maitrise de l énergie dans les projets de construction et d extension des bâtiments à usage résidentiel [journal officiel Tunisie (2009)]. La zone du confort thermique ainsi recommandée se situe été entre 20 C et 26 C et la consommation énergétique ne doit pas dépasser les 51 kwh/m².an. On se propose ici d étudier les performances énergétiques d un bâtiment multizone à deux niveaux situé dans la région de Tunis et d examiner l effet des améliorations que l on peut réaliser à ce bâtiment afin de minimiser ses besoins énergétiques. 1
2. DESCRIPTION DU CAS ETUDIE 2.1 Description générale du bâtiment La maison étudiée est à structure multizone à deux niveaux dont la face principale est orientée nord-est. La modélisation à l aide du logiciel TRNSYS a conduit à définir 6 zones thermiques pour le rez-de-chaussée représentées sur la figure 1, comprenant une chambre, un salon, une cuisine, une salle de bain, une chambre de séjour et une autre pièce contenant l escalier du bureau. Le tout ayant une surface habitable d environ 84 m². Le premier étage, possédant pratiquement la même surface habitable que le rez-de-chaussée, est également partagé en 6 zones thermiques (figure 2). Figure 1. Plan du rez-de-chaussée Figure 2. Plan du premier étage 2.2 Caractéristiques thermo-physique de l enveloppe du bâtiment La description de la composition des différentes parois du bâtiment est effectuée de l intérieur vers l extérieur. On se propose également d identifier le coefficient de transmission thermique, le coefficient de transfert convectif interne et externe, ainsi que les conditions aux limites de chaque paroi. Le plancher bas sur sol Il s agit d un plancher bas en contact direct avec le sol, et pour la condition à la limite on choisit 20 C comme température moyenne du sol durant toute l année [Abbassi (2010)]. Pour le coefficient de transfert convectif interne on prend la valeur 9.09 W/m 2 K [ANME (2004)] et pour la face externe on choisit une très faible valeur égale à 10-5 W/m 2 K pour indiquer un contact direct [TRNSYS 16]. 2
Le plancher intermédiaire Le plancher intermédiaire qui sépare le rez-de-chaussée du premier étage est constitué d une dalle pleine qui a un coefficient de transmission thermique du même ordre de grandeur qu une dalle en hourdis, sauf qu elle est favorisée par sa grande capacité thermique. Le coefficient de transfert convectif interne et externe est pris égal à 9.09 W/m 2 K étant donné que les deux faces du ce plancher ne sont pas en contact avec le milieu extérieur [ANME (2004)]. Le coefficient de transmission thermique ainsi obtenu est de 0.572 W/m 2 K, et le coefficient d absorption solaire est pris égal à 0.3 caractérisant un carrelage clair. La toiture extérieure Ayant la même surface que le plancher intermédiaire, la toiture extérieure est une paroi horizontale qui a un coefficient de transfert convectif interne de 5.88 W/m 2 K et externe de 16.66 W/m 2 K. Les murs extérieurs Les murs extérieurs de ce bâtiment sont constitués de parois doubles en parpaing (figure 3) et en briques plâtrières séparées par une couche de laine de roche (4cm) avec du mortier bâtard sur la surface interne et du mortier ciment sur la surface externe (tableau 1). Figure 3. Le bloc parpaing Tableau 1. Composition des murs extérieurs Couche Epaisseur (m) Conductivité thermique (W/mK) Mortier bâtard 0.02 1.15 Plâtrière 0.065 0.47 Laine de roche 0.04 0.045 Parpaing 0.2 1.05 Mortier ciment 0.025 1.40 Le coefficient de transmission thermique de ces murs est égal à 0.67 W/m 2 K avec un coefficient de transfert convectif de 9.09 W/m 2 K pour la face interne et de 16.66 W/m 2 K pour la face externe. Les murs de séparation Les murs de séparation sont des murs simples qui séparent les différentes zones thermiques ; ils sont constitués de briques plâtrières couvertes de part et d autre par du mortier bâtard. Leur coefficient de transmission thermique est égal à 2.94 W/m 2 K sachant que leurs coefficient de transfert convectif est de 9.09 W/m 2 K pour les deux faces. Les fenêtres Les fenêtres utilisées sont des fenêtres à double vitrage avec un cadre en aluminium. Les vitres ont chacune une épaisseur de 2.5 mm et sont séparées par une lame d air d épaisseur 12.7 mm. Cette configuration permet d obtenir un coefficient de transmission thermique égal à 2.95 W/m².K, un coefficient de transmission solaire égale à 0.72 et un coefficient de réflexion égal à 0.12 [TRNSYS 16]. Pour les taux d infiltration, on admet un taux moyen de 0.2 changement d air par heure pour toutes les zones. 3
3. RESULTATS ET INTERPRETATIONS 3.1 Etude énergétique du bâtiment Les figures 4 et 5 indiquent respectivement la consommation énergétique mensuelle et annuelle du rez de chaussée et du premier étage. On remarque bien que pendant la période allant du mois de décembre jusqu au mois de mars, caractérisée par une baisse importante de la température ambiante, les deux niveaux du bâtiment nécessitent un appoint de chauffage alors que pendant la période allant du mois de juin jusqu au mois de septembre ces deux niveaux nécessitent un appoint de climatisation. En calculant les besoins énergétiques annuels par m² pour chaque niveau on obtient ainsi les résultats mentionnés dans le tableau 2 où l on constate une grande différence concernant la consommation énergétique. Le rez de chaussée est caractérisé par une faible consommation énergétique annuelle que ce soit pour le chauffage (1041 kwh/an) ou pour la climatisation (773 kwh/an). Alors que pour le cas du premier niveau on a obtenu une consommation énergétique de chauffage annuelle de 2758 kwh/an et de 1964 kwh/an pour la climatisation Le rez de chaussée Besoins annuel de chauffage (kwh/an) Tableau 2. Besoins énergétiques du bâtiment Besoins annuel de Besoins énergétiques climatisation (kwh/an) annuels par m² Classe énergétique (kwh/m².an) 1041 773 21.6 Classe 1 36 (kwh/m².an) Le premier étage 2758 1964 56.21 51< Classe 5 60 (kwh/m².an) Figure 4. Les besoins énergétiques du rez de chaussée 4
Figure 5. Les besoins énergétiques du premier étage En effet la différence de consommation énergétique entre les deux niveaux du bâtiment est due à cause de plusieurs raisons : - La toiture du premier étage est une paroi horizontale extérieure et qui va provoquer de grandes déperditions de chaleur vers l extérieur durant l hiver et va recevoir un taux élevé d irradiation solaire indésirable pendant l été. - La toiture du rez-de-chaussée est adjacente au premier étage ce qui ne va pas lui entrainer de grandes déperditions thermiques ou d apports thermiques indésirables. - La grande inertie du sol auquel on a attribué une température moyenne constante de 20 C durant toute l année va intervenir dans la modération de l ambiance thermique du rez-de-chaussée aussi bien pendant l hiver que pendant l été. - 3.2 Améliorations proposées Sur la base des résultats de l étude précédente on a montré que le rez de chaussée est caractérisé par une bonne classe énergétique (classe 1) avec un taux de consommation énergétique de 21.6 kwh/m².an par rapport au premier étage qui occupe la 5 ème classe énergétique avec un taux de 56.21 kwh/m².an. On se propose ici d étudier l effet de quelques modifications essentiellement bioclimatiques que l on peut réaliser à ce niveau et qui servent à améliorer l ambiance thermique du premier étage et par conséquent à réduire les consommations énergétiques. - Tout d bord on sait bien que l épaisseur de la couche de l isolant thermique est un paramètre important qui permet l augmentation de la résistance thermique de la paroi avec un minimum d espace possible [Cabeza et al (2009)][Daouas et al (2010)]. Pour cela on a augmenté l épaisseur de la couche de laine de roche passant de 4 cm à 6 cm dans les murs extérieurs et pour la toiture extérieure on a augmenté l épaisseur de la couche du polystyrène passant de 5 cm à 7.5 cm. - La ventilation nocturne pendant l été [Kubota et al (2009)] abaisse la température intérieure d'une pièce ; alors on admettra ici un taux de renouvellement d air de 1 changement d air par heure que l on applique de 22 heures à 06 heures du matin. - Pendant les périodes chaudes de l année, l application des protections solaires sur les surfaces vitrées non protégées sert à augmenter le coefficient d ombrage de ces parois se qui entraine une diminution du taux de rayonnement solaire indésirable pénétrant dans le bâtiment [Incropera and Witt (1985)]. Pour cela on utilise des stores de telle sorte que l on obtienne un coefficient d ombrage égal à 0.6 pour les fenêtres du premier étage. 5
Le tableau 3 résume l effet de chaque amélioration proposée sur la consommation énergétique du premier étage. Tableau 3. Besoins énergétique du premier étage selon les améliorations proposées Cas initial Isolation Isolation supp + Isolation supp + Ventilation Protection nocturne solaire Isol supp + vent nocturne + protection solaire supplémentaire Chauffage (kwh/an) 2758 2149 2149 2149 2149 Climatisation (kwh/an) 1964 1938 1725 1204 960 Total annuel (kwh/an) 4722 4087 3874 3353 3109 Taux de réduction total (%) 13 18 29 34 En effet l augmentation de l épaisseur de la couche d isolant thermique nous a permis de diminuer principalement les besoins de chauffage de 13% par rapport au cas initial. D autre part, la ventilation nocturne et l application des protections solaires visent initialement à diminuer les besoins de climatisation ; on remarque bien que la ventilation nocturne permet de diminuer les besoins de climatisation passant de 1938 kwh/an à 1725 kwh/an alors que les protections solaires ont permis de diminuer ses besoins jusqu à 1204 kwh/an. Et si, durant la période estivale, on applique des protections solaires pendant le jour et de la ventilation nocturne pendant le soir on arrive à avoir une consommation énergétique ne dépassant pas 960 kwh/an pour la climatisation. 4. CONCLUSION Ce travail a été consacré à l étude de la conformité des performances énergétiques, d un bâtiment multizone à deux niveaux, aux spécifications techniques minimales de maitrise de l énergie des bâtiments résidentiels en Tunisie, fixées par l arrêté du 1 er juin 2009. Les besoins énergétiques de chauffage et de climatisation de ce bâtiment ont été calculés en se basant sur l emplacement et la composition des différentes parois et en utilisant le logiciel de simulation TRNSYS. Ces résultats ont montrés que le premier étage consomme 2.5 fois la quantité d énergie utilisée par le rez de chaussée. Pour cela quelques améliorations ont été proposées afin de limiter les besoins énergétiques du premier étage et qui se traduisent par l augmentation de l épaisseur de la couche de l isolant thermique des parois verticales et de la toiture extérieure ainsi que l application de protections solaires et d un taux de ventilation nocturne de 1 changement d air par heure. Tout cela à permis de réduire la consommation énergétique annuelle du premier étage passant de 4722 kwh /an à 3109 kwh/an, soit une diminution de 34% par rapport au cas initial. 5. REFERENCES 1. Abbassi.F (2010)., Etude de l impact des matériaux de construction sur le confort thermique dans les bâtiments, Diplôme de mastère. 2. ANME (2004), agence nationale pour la maîtrise de l énergie, guide pratique de conception de logements économes en énergie. 3. Cabeza L.F., Castell A., Medrano M., Martorell I., Perez. G., Fernandez. I(2009), Experimental study on the performance of insulation materials in Mediterranean construction, Energy and Buildings. 4. Daouas.N, Hassen.Z, Aissia.H (2010), Analytical periodic solution for the study of thermal performance and optimum insulation thickness of building walls in Tunisia, Applied Thermal Engineering 30 319 326. 5. Incropera.F, Witt. D (1985), Introduction to heat transfer, Ed John Wiley. 6. Journal Officiel de la République Tunisienne (2009), Arrêté du 1er juin 2009 concernant la réglementation thermique des bâtiments en Tunisie. 7. Kubota.T, Hooi Chyee. D.T, Supian.A (2009), The effects of night ventilation technique on indoor thermal environment for residential buildings in hot-humid climate of Malaysia, Energy and Buildings 41 829 839. 8. TRNSYS 16 help manual. 6