De la conception au retour d expérience de maisons passives en pin maritime Stéphanie ARMAND-DECKER 1,2*, Philippe LAGIERE 1,2 1 Univ. Bordeaux, I2M, UMR 5295 F-33405 Talence, France 2 Nobatek - Centre de Ressource Technologique 67 rue de Mirambeau - 64600 Anglet *(auteur correspondant : sdecker@nobatek.com) Résumé Cet article présente l expérimentation de deux logements mitoyens à ossature bois construits en Aquitaine. Ces logements ont été conçus, réalisés et instrumentés dans le cadre du projet «Maison Passive en Pin Maritime» (MPPM). L objectif : concevoir des habitats à partir de pin maritime, à basse consommation d énergie et adaptés au climat chaud et humide du Sud Ouest de la France tout en démontrant la faisabilité d une telle opération. Une fois les logements livrés une campagne de mesures a été menée. Cet article expose les résultats de cette campagne avec une analyse du confort hygrothermique estival et hivernal, une étude énergétique et l étude d un puits canadien couplé à un système de ventilation double flux. 1. Introduction Le projet MPPM a pour objectif de démontrer la faisabilité de la construction d'habitats bois basse énergie en pin maritime adaptée aux conditions du Sud-Ouest de la France dans une démarche de gestion durable avec la prise en compte de confort d hiver mais aussi d été. Le lien a été établi avec les industriels de la filière bois de la région Aquitaine. Pour ce faire, deux logements (R+1, contigus) inscrits dans une opération de 41 logements, situés sur la commune du Taillan Médoc (33), ont été conçus de manière différenciée, construits et instrumentés. Ces logements sont aujourd hui exploités depuis 2 ans en location sociale par Gironde Habitat. Durant l étude de ces logements l accent a été porté sur l architecture bioclimatique, l optimisation de l enveloppe (étude des ponts thermiques et de la perspirance des parois) et l usage de solutions passives permettant de combiner basse consommation énergétique et confort thermique hivernal et estival. Cette étude consiste donc à valider la conception. Une fois les logements livrés et occupés ils ont été équipés d un système d instrumentation permettant d analyser les données mesurées et de vérifier la performance énergétique des bâtiments et le respect du confort estival. Les aboutissements de cette instrumentation ont permis de fournir un retour d expérience complet en comparant les résultats aux objectifs initiaux du projet d une part et aux performances des logements voisins d autre part. Les différents éléments de conception et l ensemble des résultats sont alors présentés et commentés ici pour apporter des recommandations sur les futures réalisations et renforcer le potentiel économique de la filière bois régionale.
2. Le programme MPPM 2.1. Objectifs de performance fixés Durant la phase conception du projet (2006-2008) un bâtiment passif désignait au sens strict du terme une construction qui respectait le label PassivHaus définit par le Passivhaus Institut [1] c est à dire un bâtiment qui répondait principalement aux critères suivants : Besoin de chauffage, en énergie finale, de moins de 15 kwh/(m².an) Consommation de chauffage, d eau chaude sanitaire et d électricité spécifique (électroménager inclus), en énergie primaire, de moins de 120 kwh/(m².an) Puissance de chauffage de moins de 10 W/m² Niveau d étanchéité à l air de : < 0,6 vol/h à 50 Pa Dans le cadre d un climat atlantique chaud et humide, tel que celui de l Aquitaine ce label allemand n est pas tout à fait adapté. En effet, il se concentre principalement sur la thermique d hiver tandis qu en Aquitaine, les questions de confort d été sont cruciales. Ainsi pour cette étude, faute de critères de très basse énergie existants pour l Aquitaine, les consignes sur la consommation de chauffage et sur le système de chauffage se sont inspirées du label Passiv Hauss. Des consignes ont aussi été prises en compte en ce qui concerne le confort d été. Ces dernières sont : l interdiction d utiliser un système de refroidissement, une température maximale durant l été et une ambiance intérieure confortable selon la zone de confort défini par Brager et de Dear [2]. Les objectifs de performance fixés et utilisés durant la phase de conception sont les suivant : Besoins de chauffage 15 kwh/( m ² shab.an) Puissance de chauffage < 15 W/ m ² shab Pas de système de chauffage classique hydraulique Pas de système de refroidissement Température maximale estivale < 28 C Pourcentage de points en dehors de la zone de confort (selon zone Brager de Pléiades Comfie) < 8 % En Juin 2007, un label français a été mis en place, le label BBC-Effinergie [3]. Celui-ci s adapte en fonction de la zone géographique dans laquelle s implante le bâtiment. Un nouvel objectif à atteindre était alors de répondre aux exigences de ce label. 2.2. Description des logements MPPM Afin de répondre aux objectifs de performance fixés, la conception des bâtiments a été optimisée à l aide de différents calculs et outils de simulations permettant d évaluer le comportement du bâtiment sur l année et d en déduire les consommations énergétiques, les températures et le niveau de confort accessible. L accent porté sur l architecture bioclimatique et l optimisation de l enveloppe couplé à un système de ventilation double flux permet à la construction à ossature bois d atteindre des performances thermiques d hiver élevées pour une épaisseur de parois faible par rapport à de la maçonnerie. En revanche, le manque d inertie des constructions à ossature bois, requiert une attention particulière pour la thermique d été.
L opportunité d avoir un bâtiment constitué de deux logements a permis de tester deux solutions axées sur le maintien d un niveau de confort thermique estival adéquat. Le premier logement a été conçu pour associer inertie, par l usage d un plancher intermédiaire constitué de bois massif, et ventilation naturelle, par optimisation des menuiseries avec des volets de ventilation (MPPM 2). La seconde solution, plus légère (entièrement en ossature bois), fait usage de l inertie du sol par le biais d un puits canadien aéraulique (MPPM 1) (figure 1 et 2). Ventilation naturelle Puits Canadien Figure 1 : Photographie des deux logements MPPM avec système du puits canadien et ventilation naturelle Figure 2: Détails des parois du logement avec plancher intermédiaire en bois massif (gauche) et du logement entièrement à ossature bois (droite) Cette conception a menée vers des performances globales permettant d obtenir des besoins en chauffage calculés, selon la Règlementation Thermique 2005, de 8,4 kwh/( m ² shab.an) pour le logement entièrement à ossature bois et de 7,2 kwh/( m ² shab.an) pour le logement avec plancher intermédiaire en bois massif. Ces résultats sont inférieurs à la limite fixée à 15 kwh/( m ² shab.an). Les simulations thermiques dynamiques effectuées à partir de la plateforme Pleiades- Comfie [4] sur le logement à ossature bois montrent qu avec le puits canadien la température maximale atteinte au sein du logement est de l ordre de 29 C avec moins de 2% du temps audessus de 28 C contre 31 C avec 13% du temps au-dessus de 28 C sans puits. Ce système est donc un système adéquat pour pallier au manque d inertie du logement à ossature bois. L association de ces enveloppes à des systèmes d eau chaude solaires, à des panneaux photovoltaïques, à une ventilation double flux pourvue d un échangeur à 89% de rendement et à de simples radiateurs à panneaux rayonnant permet d atteindre les objectifs requis par le label BBC-Effinergie. A l issue de la phase conception ces logements répondaient tous deux aux objectifs principaux du projet, soit à l association du concept de maison passive au matériau issu du pin maritime et aux contraintes climatiques d Aquitaine [5]. Les retours d expérience sur de tels opérations sont rares et pourtant nécessaires pour valider les méthodes et la conception. 2.3. Campagne de mesures Les deux logements du projet MPPM ainsi que le bâtiment voisin THPE (Label Effinergie Très Haute Performance Energétique), constitué aussi de deux logements mitoyens de même superficie (84 m² habitables), ont été instrumentés sur une période de 18 mois (figure 3). Les conditions extérieures, les consommations sur différents postes (Chauffage, Eau Chaude
Consommation de chauffage cumulée (kwh) Sanitaire ), la température, l humidité et les périodes d occupation des logements ont alors été mesurées. Figure 3 : Photographie des logements instrumentés (gauche : logements MPPM ; droite : logements RT2005 THPE) Ces mesures ont permis une analyse du confort hygrothermique estival et hivernal des logements, une étude énergétique, et une étude d un puits canadien couplé à un système de ventilation double flux. L objectif de cette campagne de mesure est de valider les résultats issus du calcul et des simulations thermiques, de vérifier si les objectifs de performance de départ ont été respectés, de comparer le fonctionnement de tels logements à des logements plus traditionnels et de mettre en avant les principaux dysfonctionnements à corriger dans les futures opérations. 3. Analyse des résultats 3.1. Etude des consommations de chauffage et des températures de consigne Les consommations de chauffage ont été mesurées durant l hiver 2010-2011 pour les quatre logements. La figure 5 présente l évolution des consommations de chauffage cumulées. La période de chauffe des logements MPPM a démarré plus tardivement que les logements THPE. Aussi les consommations MPPM sont nettement inférieures avec 6,1 kwhef/(m²shab.an) pour le logement MPPM 1 et 9,1 kwhef/(m²shab.an) pour le logement MPPM 2 contre 32 et 24,8 kwhef/(m²shab.an) pour les logements THPE 1 et 2 respectivement. Les objectifs fixés pour les logements MPPM ont donc été atteints en terme de besoins de chauffage ( 15 kwh/(m²shab.an) ) sur l hiver 2010/2011. 3000 2500 2000 1500 1000 500 THPE 1 THPE 2 MPPM 1 MPPM 2 17/10 17/11 25/11 26/11 23/03 21/03 2/04 2630 kwh 2080 kwh 760 kwh 510 kwh 0 9/10 29/10 18/11 8/12 28/12 17/1 6/2 26/2 18/3 7/4 Temps (J/M) Figure 4 : Evolution des consommations de chauffage mesurées durant l'hiver 2010/2011
Température ( C) Température ( C) La figure 6 représente la courbe des fréquences cumulées des températures moyennes mesurées au sein des quatre logements instrumentés. Pour la période de chauffe de l hiver 2010-2011 les températures moyennes des logements étudiés sont, pour les logements THPE et le logement MPPM 2 supérieures 20 C pendant plus de 50% du temps, le niveau réglementaire de 19 C n étant atteint que très exceptionnellement pour les logements THPE. Au contraire la température moyenne du logement MPPM 1 s établit à 18,3 C et n est supérieure à 19 C que 20% du temps expliquant alors que les performances atteintes pour ce logement soient supérieures aux prévisions. 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Occurrences Figure 5 : Courbe de fréquences cumulées de la température moyenne mesurée au sein des quatre logements durant leur période de chauffe respective 3.2. Etude du confort thermique estival THPE 1 THPE 2 MPPM 1 MPPM 2 En moyenne, durant l été 2010, la température moyenne des quatre logements est acceptable car elle est inférieure à 26 C. Elle est en moyenne plus faible pour les logements MPPM que pour les logements THPE (figure 7). Dans le logement MPPM 1 la température moyenne passe au-dessus des 28 C moins de 1% du temps ce qui est très favorable est répond à l objectif fixé. Cependant il y a une surchauffe importante dans le logement MPPM 2 (logement massif équipé d un système de ventilation naturelle optimisé) avec une température moyenne qui dépasse les 28 C près de 10% du temps. C est le logement ayant les surchauffes les plus fréquentes mais aussi celui où les températures sont les plus basses durant cette même période. La température de ce logement est très variable et laisse supposer à une ouverture des fenêtres de jour comme de nuit. 32 30 28 26 24 22 20 THPE 1 THPE 2 MPPM 1 MPPM 2 18 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Occurrences 70% 80% 90% 100% Figure 6: Courbe de fréquences cumulées de la température moyenne mesurée au sein des quatre logements durant la période estivale 2010
Consommation électrique annuelle (kwh) Température ( C) L évolution des températures de salon des quatre logements (figure 8), montre que les températures au sein des logements THPE restent assez constantes alors que celles des logements MPPM ont une forte amplitude au cours de la journée. Celle du logement MPPM 2 est plus importante. Une enquête menée auprès des occupants indique que les fenêtres et volets ont tendance à être laissé ouvert durant l après-midi. C est l ouverture des différentes menuiseries extérieures qui va créer un courant d air, c est pourquoi un inconfort très marqué peut être observé durant toute la période d après-midi : la température à l intérieur du logement sera toujours très proche de la température extérieure. Les habitants du logement MPPM 1 quant à eux ont une gestion des apports solaires qui leur permet de garder un confort très acceptable dans leur maison. Enfin la ventilation traversante des deux logements permet d évacuer facilement les calories et de rafraichir rapidement les bâtiments en période nocturne ce qui n est pas le cas des logements THPE. En conclusion, les comportements des usagers ont un rôle important qui impacteront sensiblement le confort au sein du bâtiment. 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 THPE 1 THPE 2 MPPM 1 MPPM 2 Extérieur 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 Temps (hh:mm) Figure 7: Température dans le salon des quatre logements durant une journée chaude du 8 au 9Juillet 2010 3.3. Comparaison aux calculs réglementaires Les mesures énergétiques du logement MPPM 1 ont été comparées avec les calculs réglementaires pour les trois postes de consommation que sont le chauffage, la ventilation et le chauffe-eau (figure 9). La consommation électrique de l éclairage n ayant pas été mesurée les calculs réglementaires ont été repris dans cette étude. Les résultats mesurés montrent qu au total la consommation dépasse les prévisions. En effet malgré une consommation de chauffage inférieure aux calculs la ventilation et les consommations électriques du chauffeeau (appoint électrique) dépassent les prévisions. Au final le logement atteint un Cep (Consommation en énergie primaire) de 52 kwhep/(m².an) contre une exigence de référence fixée à 45 kwh/(m².an) pour l obtention du label BBC Effinergie. 2500 2497 Calculs réglementaires 2025 2000 Mesures 1500 1163 1000 703 508 474 540 562 500 286 286-38% +14% +106% +23% 0 Chauffage Eclairage Ventilation Chauffe-Eau Total Figure 8:Comparaison des consommations électriques estimées par les calculs réglementaires et mesurées pour le logement MPPM 1
Température ( C) La surconsommation électrique due au système de ventilation s explique par la non-prise en compte du puits canadien dans les calculs réglementaires. En effet la surconsommation induit par les pertes de charge dues à ce système n est pas prise en considération. Mais l écart le plus important résulte de la consommation électrique du chauffe-eau, celle-ci est plus de deux fois supérieure aux calculs réglementaires (1163 kwh pour 562 kwh). Cette surconsommation peut soit être due au dysfonctionnement du système solaire thermique soit à un usage réel différent du calcul réglementaire. Une analyse plus fine a permis d éliminer le dysfonctionnement du système de capteurs solaire thermiques. Il se peut donc que l écart soit dû à l usage de l eau chaude sanitaire : température d eau chaude mitigée ou consommation d eau trop élevée par rapport aux hypothèses du calcul réglementaire. Au final l eau chaude sanitaire représente 47% du total mesuré sur les quatre postes de consommations considérés contre 28% estimés par le calcul réglementaire. Le poste de l eau chaude sanitaire est indéniablement celui où l effort reste à faire. 3.4. Etude du couplage du puits canadien et de la ventilation double flux Une étude fine a été menée sur le couplage du puits canadien (PC) et de la ventilation mécanique contrôlée double flux (VMC) du logement MPPM 1. Les résultats indiquent que le puits peut atteindre des coefficients de performances de 11 en hiver et de 8 en été. Néanmoins le potentiel du puits est mal exploité. Un dysfonctionnement du by-pass permettant de permuter l arrivé d air neuf (AN) dans la VMC entre l air extérieur ou le PC a été mis en évidence. L air neuf provient donc toujours du PC qui n est pourtant pas toujours utile surtout en mi-saison. Le système présente un autre by-pass qui permet de passer la VMC double flux en simple flux afin de ne pas préchauffer l air. Celui-ci doit être activé manuellement. La figure 10 montre que la température arrivant dans la VMC et provenant du PC se situe aux alentours de 23 C avec une température extérieure pouvant atteindre les 37 C. La différence de température atteint donc 14 C, ce qui montre l efficacité du PC. Néanmoins, cet air se retrouve préchauffé par la ventilation double flux et arrive dans le logement aux alentours de 26 C. La différence de température passe donc à 11 C. Le by-pass n a donc pas été activé par les usagers. La sensibilisation des occupants apparaît ici comme essentielle pour obtenir un meilleur confort. 37 35 33 31 29 27 25 23 21 0:00 6:00 12:00 Temps (hh:mm) 18:00 0:00 Figure 9: Température du réseau de ventilation durant une journée chaude du mois d'août 2011 En hiver, le puits permet d avoir un air réchauffé autour de 6 C alors que la température extérieure se situe autour de 0 C (figure 11). Le couplage avec la VMC permet alors d accroitre ce gain de température d environ 9 C ce qui n est pas négligeable. Cela démontre que la VMC fonctionne bien.
Température ( C) 21 19 17 15 13 11 9 7 5 3 1-1 -3 Temps (hh:mm) Figure 10: Température dans le réseau de ventilation durant une journée froide du mois de Janvier 2011 Le couplage des deux systèmes en période hivernale est alors très efficace pour réchauffer l air neuf et permet de diminuer la consommation de chauffage de l habitation. 4. Conclusions et préconisations Le projet de construction de maisons passives en pin maritime alliant performance énergétique et confort thermique hivernal mais aussi estival dans un climat atlantique chaud et humide a été un vrai challenge dans le contexte défini. La solution obtenue a permis d atteindre, à l état de la conception, les exigences requises par le label BBC-Effinergie Les résultats obtenus permettent de valider la conception théorique des logements que ce soit en terme de besoin de chauffage ou de confort thermique estival. Néanmoins la réalité est différente avec les aléas du comportement humains qui ont un impact non négligeable sur les résultats et montrent que les occupants doivent être pris en compte dès la phase de conception du projet pour identifier leurs besoins et les actions qu ils sont prêts à mener. Une fois le logement livré il faut veiller à ce que les futurs occupants soient sensibilisés et formés sur le fonctionnement du logement. Aussi les systèmes récemment utilisés et peu connus dans le bâtiment tels que le puits canadien ou la ventilation double flux pour notre étude nécessitent un contrôle et une maintenance particulière. Tous les corps d état doivent être formés à cette typologie de bâtiment jusqu aux techniciens de la maintenance. Pour conclure, le projet MPPM a abouti à des résultats cohérents et à la hauteur des espérances fixées. Il prouve qu il est possible d allier construction bois à très basse consommation et confort estival dans le climat du Sud-Ouest de la France. Références 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 [1] W.Feist, Certification en tant que «Maison Passive certifiée» - Critères pour les maisons passives en tant que bâtiment d habitation, Passive House Institute (2011) [2] G. Brager, R. de Dear, Thermal adaptation in the built environment: a literature review, Energy & Buildings, 27 (1), (1998) [3] Arrêté du 3 mai 2007 relatif au contenu et aux conditions d'attribution du label «haute performance énergétique», NOR: SOCU0750649A [4] T. Salomon, R. Mikolasek, B. Peuportier, Outil de simulation thermique du bâtiment, Comfie, Journée thématique SFT-IBPSA, La Rochelle (France), 2005 [5] JL. Kouyoumjy et Al., Conception et réalisation d une maison à ossature bois à très faible consommation d énergie essentiellement réalisée en pin maritime, Rapport final, DGE Convention : n 07-2-90-6114 - CRA Convention : n 06011645-451, (2010)