LUMIERE Ensemble, valorisons la Lumière Naturelle Etude d impact de l installation de lanterneaux sur les consommations et le confort d été d un bâtiment industriel.
Sommaire Page 4 Page 4 Page 5 Page 6 Page 7 Page 7 Page 8 Page 9 Page 10 Page 11 Page 13 Page 14 Page 15 Objectif de l étude Les acteurs Les données Incidence du % de lumière sur le Bbio total Incidence du % de lumière sur le Cep total Incidence du % de lumière sur le Cep éclairage Incidence du % de lumière sur le Cep chauffage Etude suivant la Simulation Thermique Dynamique Bilan énergétique suivant étude STD Comparaison entre les calculs STD et RT2012 Température d été Influence de la perméabilité à l air sur les besoins de chaufage Conclusions 2
Afin de répondre aux objectifs fixés par le Grenelle de l Environnement 2012, à savoir diviser par 4 les émissions de gaz à effet de serre d ici 2050, la RT 2012 a vu le jour, succédant à la RT 2005. Son principe : miser sur une meilleure conception du bâti pour réduire de moitié la consommation globale d énergie et les besoins en chauffage. Le but est d atteindre pour 2020 une autosuffisance énergétique des bâtiments, voire une production d énergie supérieure à la consommation (énergie positive). Cette nouvelle réglementation thermique est applicable dans tous les bâtiments dont le permis de construire ou demande de déclaration préalable est déposé à compter du 1 er janvier 2013 (Décret et arrêté du 28 décembre 2012). Contrairement à la RT 2005, elle n impose plus de règles techniques particulières mais repose sur des exigences de résultats, accordant ainsi aux maîtres d œuvre une plus grande liberté dans la conception énergétique du bâtiment. Ces exigences de résultats sont de 3 types : L indice «Bbio» permet de caractériser l impact de la conception bioclimatique sur la performance énergétique du bâti. Le «Bbio» du bâtiment considéré doit être inférieur à une valeur maximale «Bbio max». L indice «Tic» propre au bâtiment, caractérise sa température intérieure conventionnelle. L exigence relative au confort d été est maintenue : le «Tic» du bâtiment considéré doit être inférieur à une valeur de référence «Tic ref» L indice «Cep», propre au bâtiment, caractérise sa consommation d énergie primaire. La RT 2012 pose une exigence de consommation conventionnelle maximale d énergie primaire du bâti : l indice «Cep» du bâtiment considéré doit être inférieur à une valeur maximale «Cepmax». Bbio Bbio max Tic Tic ref Cep Cep max à retenir Le Bbio est une innovation majeure de la RT2012 par rapport à la RT2005. Il valorise la qualité intrinsèque de la conception du bâti. La démarche bioclimatique optimise l orientation, les apports solaires, l éclairage naturel, le niveau d isolation, etc. 3
Objectif de l étude : Généralement connus pour leur fonction de désenfumage, les lanterneaux apportent de la lumière naturelle. L objectif de cette étude est d étudier l impact de la variation du nombre de lanterneaux d éclairement zénithal sur un bâtiment industriel soumis à la RT2012. La démarche est basée sur la méthode de calcul réglementaire RT2012 avec le moteur (1) Th-BCE du CSTB. Afin de compléter cette analyse, il apparait nécessaire de calculer les consommations de chauffage et d éclairage et d évaluer le confort d été par une étude (2) de Simulation Thermique Dynamique (STD). Les acteurs : démarches environnementales globales dans une perspective d innovation technologique constante. Ses missions vont des calculs énergétiques à la définition de stratégies énergétiques complexes pour des industriels et des collectivités. L entreprise se positionne comme un acteur majeur dans le domaine de la réhabilitation énergétique, de par sa maîtrise des risques et pathologies. Consultant auprès des pouvoirs publics pour la mise en place des différents dispositifs réglementaires liés à l énergétique dans les bâtiments (RT2012, RT2005, DPE, labels, réglementations dans les bâtiments existants, éco-prêt), Tribu Energie a participé au développement d outils et de méthodes de calcul qui font aujourd hui référence. Elle a pour objet le développement des connaissances en matière de lumière naturelle et la promotion de l éclairage naturel auprès des acteurs de la construction et de la rénovation des bâtiments (architectes, bureaux d étude, CHSCT ). Bureau d études «Energie et Développement durable» crée en 2002, Tribu Energie synthétise à travers ses ingénieurs plus de trente années d expérience en énergétique du bâtiment. Pionner dans le domaine de l énergie positive, Tribu Energie conçoit des bâtiments et des zones urbaines plus économes en énergie et respectueux de Ensemble, valorisons la lumière naturelle Membre de l Association française de l éclairage (AFE), le GIF-Lumière est une association professionnelle regroupant les acteurs de l éclairage naturel zénithal. 4
Les données : Le bâtiment étudié a une surface utile de 5000m² (50mx100m), avec une toiture plate étanchée. Il n a aucune menuiserie vitrée en façade verticale et comporte deux portes industrielles pleines de 4x4,4m. La ventilation dans ce bâtiment est considérée comme naturelle, permise par l ouverture des portes et des lanterneaux (en occupation du bâtiment). Le chauffage se fait par radiant gaz, et le bâtiment n est pas climatisé mais isolé de 160 mm en toiture et 110 mm en bardage. L éclairage du bâtiment a été défini par une étude sur logiciel Dialux en considérant 90% de la surface comme étant dédiée à la production et 10% de la surface comme étant dédiée à la circulation du personnel. Les études ont été réalisées suivant une variation de la hauteur sous-plafond du bâtiment (4m-6m-8m-12m). Le scénario proposé en occupation du personnel pour toutes les études est celui d une occupation en journée de 8h à 18h et en semaine, du Lundi au Vendredi. La perméabilité à l air sur ce bâtiment prise par défaut est de 3 m 3 /h.m² sous une pression différentielle de 4Pa. Caractéristiques du lanterneau : Coefficient de déperdition thermique : Urc= 2.0 W/m²K Dimensions : 2.00 m x2.00 Remplissage : PCA 16 mm (polycarbonate alvéolaire) Transmission Lumineuse : TL = 0.52 Facteur Solaire calculé : S w = 0.38 % de lanterneaux en toiture 2% 8% 10% 12% Nombre de lanterneaux *dont 13 lanterneaux en 25* aération naturelle 100* 125* 150* 5
Incidence du % de lumière sur le Bbio total: 100 90 80 70 60 50 Bbio total Bbio max Hauteur 12 m Hauteur 8 m Hauteur 6 m Hauteur 4 m Le nombre de lanterneaux d éclairement zénithal influe directement sur le Bbio total du bâtiment de référence*. Le Bbio total de chaque bâtiment diminue avec le pourcentage croissant de lumière et ce quelle que soit la hauteur du bâtiment. % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% Remarque: Sans l apport de lumière dans le bâtiment type ayant une hauteur de 12m, le Bbio max ne peut être respecté. * Bâtiment de 5000 m² en zone H1a. Même conséquence sur la zone H3. Le seuil minimum, souvent cité dans ces études, de 300 lux avec 50 % du temps en autonomie de lumière naturelle permet d atteindre un niveau suffisant de confort et une économie réelle sur les besoins. Cet objectif correspond pour la zone H1a à 11% de lumière zénithale et 7% pour la zone H3. Valeur du Bbio pour 300 lux avec 50% du temps en autonomie de lumière naturelle 90 65 40 25 5x (B_éclairage) 2x (B_chauffage + B_refroidissement) Bbio max Bbio total Marge de sécurité 30% 72 46 40 Bbio max Bbio total 5x (B_éclairage) Marge de sécurité 30% + = 8 2x (B_chauffage + B_refroidissement) + = Bâtiment industriel 5000m² Ht 8.00 -Paris 11% de lumière Bâtiment industriel 5000m² Ht 8.00 Zone H3 - Marseille 7% de lumière à retenir L apport de lumière naturelle confirmé par des études européennes est essentiel pour la santé et le confort des usagers. Le seuil minimum de 300 lux avec 50% du temps en autonomie de lumière naturelle garantit une marge de sécurité du respect du Bbio max de l ordre de 30%. 6
Incidence du % de lumière sur le Cep total: 140 64 Valeur du Cep total pour 300 lux avec 50% d autonomie de lumière naturelle Cep max 112 Cep total Cep max Quelles que soient les zones concernées la somme de la consommation en éclairage et de chauffage ne dépasse pas le Cep max. Cep chauffage 47 39 Cep total 16 Cep éclairage 21 17 Cep éclairage Cep chauffage + = + = en Kwhep/an.m² en Kwhep/an.m² Bâtiment industriel 5000m² Ht 8.00 -Paris 11% de lumière Bâtiment industriel 5000m² Ht 8.00 Zone H3 - Marseille 7% de lumière Incidence du % de lumière sur le Cep éclairage: Logiquement l augmentation du pourcentage de lanterneaux sur la couverture du bâtiment impacte à la baisse la consommation en éclairage. Ce phénomène se vérifie également sur la zone H3. Gain de 45% en Kwhep/an.m² 35 30 25 20 Ht:12m Ht:8m Ht:6m Ht:4m Consommation Cep éclairage Gain du Cep éclairage de 45% 15 % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² Hauteur 8 m 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 300 lux avec 50 % d autonomie de lumière naturelle 7
Incidence du % de lumière sur le Cep chauffage: en Kwhep/an.m² 70 60 50 40 Ht:12m Ht:8m Consommation Cep chauffage Ecart Cep chauffage de 15% La conception des lanterneaux améliorés thermiquement permet de limiter une augmentation du Cep chauffage y compris pour des pourcentages élévés de lumière naturelle. 30 Ht:6m Ht:4m 20 10 % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 300 lux avec 50 % d autonomie de lumière naturelle à retenir Les gains de Cep de 10% à 20 %, selon les types de locaux et de région climatique, sont permis par le respect des 300 lux 50% du temps 8
étude suivant la Simulation Thermique Dynamique: Les calculs énergétiques suivant la Simulation Thermique Dynamique (STD) permettent de réaliser des bilans énergétiques selon une méthode scientifique proche de la réalité. L étude STD confirme la tendance d amélioration de performances énergétiques avec l augmentation de l éclairage naturel et montre que la méthode de calcul RT 2012 sous-estime les gains énergétiques réalisables. Les besoins de chauffage et leurs évolutions, calculés par les logiciels RT et STD pour les 2 zones climatiques, sont récapitulés ci-après. La comparaison des besoins (et non des consommations) permet de s affranchir des variations dues aux systèmes utilisés. On ne mesure donc que les impacts liés au bâti, ce qui est l objet de cette étude. La comparaison en valeur absolue s avère délicate car la prise en compte des débits d air est extrêmement différente entre la méthode RT2012 et la méthode utilisée par la simulation dynamique. En effet : Pour la RT2012 : les débits sont forfaitaires et correspondent pour le calcul des besoins RT2012 aux débits hygiéniques réglementaires (soit 10600 m 3 /h dans notre cas). De plus, le calcul des besoins de chauffage se fait en considérant une récupération de chaleur (à hauteur de 50%) sur les débits extraits, quand bien même le bâtiment ne serait pas muni de récupération de chaleur. A ces débits conventionnels viennent s ajouter les débits dus à la perméabilité à l air de l enveloppe, qui sont eux calculés au pas de temps horaire en fonction des conditions climatiques extérieures, et sur lesquels aucune récupération de chaleur n est possible. En calcul STD : les débits dus à l ouverture des lanterneaux et à la perméabilité à l air de l enveloppe sont tous calculés au pas de temps horaire, en fonction notamment de l ouverture des ouvrants et des conditions climatiques extérieures. Aucune récupération de chaleur n est réalisée. Les débits calculés en STD sont systématiquement inférieurs aux débits forfaitaires du calcul RT2012, puisqu ils se situent dans une plage allant de 50% à 90% des débits forfaitaires de la RT2012. De plus, les besoins en RT2012 sont calculés pour assurer 15 C dans tout l espace, alors qu en STD la consigne de 15 C ne concerne que l espace en bas des volumes, et la stratification de l air est prise en compte. 9
Bilans énergétiques suivant étude STD: en Kwhep/an.m² 40 STD Total 35 STD Eclairage 30 25 20 Bilan énergétique suivant étude STD Gain de 30% La mise en place d éclairage naturel permettant d assurer une autonomie de 50% du temps à 300 lux permet un gain énergétique de 30% par rapport à une situation sans éclairage naturel. 15 10 STD Chauffage 5 % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² Hauteur 8 m 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 300 lux avec 50 % d autonomie de lumière naturelle Pour la zone H3, l autonomie de 50% d éclairage naturel à 300 lux permet de baisser le bilan énergétique de 50% par rapport à une situation sans éclairage naturel. en Kwhep/an.m² 40 35 STD Total 30 25 STD Eclairage 20 Bilan énergétique suivant étude STD Zone H3 Gain de 50% 15 10 5 STD Chauffage % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² Hauteur 8 m Zone H3 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 300 lux avec 50 % d autonomie de lumière naturelle à retenir L augmentation de pourcentage d éclairage naturel améliore le bilan énergétique du local. En fonction de la zone climatique et la hauteur du bâtiment, la plage du gain énergétique est comprise entre 20% et 60%. La baisse des besoins énergétiques d éclairage artificiel est significative et plus importante que dans le calcul réglementaire. 10
Comparaison entre les calculs STD et RT 2012: Une nette tendance se dégage de ces calculs alors que les consommations RT2012 et STD sans accès à l éclairage artificiel sont proches, une décorrélation importante s effectue au fur et à mesure que la surface lumière augmente. En effet, le gain en consommation d éclairage lors du passage de 0% à 2% de surface lumière n est que de 7% en moyenne en RT2012, alors qu il est de l ordre de 30% en STD en moyenne. Pour des surfaces lumières de 8 à 12%, le calcul RT donne un gain sur l éclairage indépendant de la en Kwhep/an.m² 35 30 25 20 15 10 5 % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² Hauteur 8 m Suivant les calculs STD Comparatif consommation éclairage STD / RT2012 Suivant les calcul RT2012 Zone H3 Zone H3 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% hauteur du bâtiment, qui varie entre 37 et 55% selon les surfaces lumière et zones climatiques ; ce même gain est de l ordre de 80 à 90% pour le calcul STD. en Kwhep/m².an 14 12 10 8 6 4 2 % de surface d éclairage zénithal Bâtiment 5000m² Hauteur 8 m Suivant les calculs STD Comparatif besoin en chauffage STD / RT2012 Suivant les calcul RT2012 Zone H3 Zone H3 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% A défaut de comparer les valeurs absolues, le suivi de l évolution relative des besoins de chauffage est possible. Ainsi, au fur et à mesure que la surface lumière augmente, les besoins de chauffage augmentent plus vite avec le calcul STD qu avec le calcul RT2012. Cela correspond au fait qu en STD, les débits d air (et donc les déperditions associées) sont calculées par le logiciel, et augmentent avec la surface lumière installée. Au contraire, le calcul RT2012 s effectue à débit constant : l impact des débits dus aux ouvrants n est donc pas pris en compte. Les hausses du besoin de chauffage ne sont 11
donc dues aux facteurs de perte des lanterneaux et aux différences de facteurs solaires. Sans surprise, les besoins de chauffage calculés avec la RT2012 sont très dépendants de la hauteur du bâtiment, car l ensemble du volume est considéré comme chauffé. Cette tendance est beaucoup moins marquée pour le calcul STD, car l espace chauffé reste celui utilisé pour le travail, au niveau du sol. La corrélation entre les besoins de chauffage et la hauteur du bâtiment est donc moindre en STD. Le calcul STD valorise de façon beaucoup plus importante l accès à la lumière naturelle que ne le fait le calcul RT2012. Cela provient sans doute du fait que l accès à l éclairage naturel est une donnée d entrée du calcul RT2012, égale à 1 (=100%) dès lors qu il y a accès à l éclairage zénithal, et donc quel que soit le pourcentage de surface lumière. à retenir L étude STD montre que les calculs RT 2012 sur-estiment les consommations énergétiques et sous-estiment les gains réalisables par l apport d éclairage naturel en toiture. 12
Températures d été : L indicateur de confort d été suivant la RT 2012 est en cours de reformulation, il devrait être remplacé par un indicateur plus global suivant un nombre d heures d insatisfaction durant la période d été. Les références des normes de confort sont : NF-EN-15251 Critères_ ambiances_intérieures NF-EN-ISO 7730 Ergonomie_ ambiances_thermiques Nous nous sommes appuyés sur les résultats du calcul STD La valeur des apports internes, correspondant à l occupation humaine, considérée est de 2W/m² identique en STD et en RT2012. Les études STD et CFD montrent que les températures d été maxi sont admissibles avec des % élevés d éclairage naturel ; La température de 26 C n est jamais dépassée ce qui correspond à un niveau Très Performant selon le référentiel HQE Le calcul STD montre une augmentation du nombre d heures de dépassements au dessus de 21 C (en H1a) et au-dessus de 23 C (en H3) avec la surface lumière. Ces résultats montrent que le surplus de ventilation introduit par les lanterneaux ne permet pas de compenser intégralement la hausse des apports solaires due à ces mêmes lanterneaux. Toutefois, les valeurs de température atteintes sont relativement basses, comme indiqué ci-après et ne permettent pas de parler d inconfort d été. T C maxi 18 C 20 C 22 C 24 C 26 C Nombre d heure 24 C en fonction du % de lumière 25h 11h 7h A titre d exemple, la température de 26 C n est jamais dépassée, ni en zone H1a, ni en zone H3, ce qui correspond à un niveau Très Performant d après le référentiel HQE «bâtiments tertiaires septembre 2011». 0 0 % de lumière sur le bâtiment Ht 8 m Zone H3 Marseille 0% 2% 8% 10% 12% à retenir Dans cette étude la température de 26 C n est jamais dépassée ce qui correspond à un niveau Très Performant selon référentiel HQE. Toutefois selon l activité dans le bâtiment, il existe des solutions type protection solaire, store, remplissage spécifique qui permettent de limiter davantage l apport calorifique solaire. 13
Influence de la perméabilité à l air sur les besoins de chauffage : Besoin en chauffage suivant calcul STD en KWh/m².an 16 Incidence de la perméabilité à l air des lanterneaux Bâtiment 5000m² Ht8 m Paris avec 10 % de lanterneaux 15 Perte 17% Gain 8% 14 Gain 4% 13 12 Valeur donnée par les calculs de la RT2012 3 m³/h.m² 11 10 Classe AP 0 0 m³/h.m Classe AP 1.2 0.14 m³/h.m Classe AP 6.3 0.75 m³/h.m Classe AP 21 2.50 m³/h.m Classe AP 84 10 m³/h.m² Classe AP suivant norme CE EN 1873 et EN 14963 Perméabilité à 4 Pa La perméabilité à l air de 3 m 3 /h.m² est une valeur conventionnelle prise par la RT 2012 pour les locaux industriels. Des calculs suivant la méthode STD ont été réalisés pour évaluer l influence de la variation de perméabilité à l air de lanterneaux sur les besoins de chauffage sur un bâtiment de 5 000m² de hauteur 8 m avec 10% de lanterneaux en zone H1. Dans ce cas les lanterneaux améliorés avec des perméabilités à l air suivant marquage CE AP1.2 et AP6.3 permettent des améliorations de 5% et 4% des besoins de chauffage. Par contre des lanterneaux de perméabilité AP84 demandent 17 % de besoins supplémentaires de chauffage. 14
Conclusions Un apport significatif de lumière naturelle zénithale permet de répondre entièrement aux éxigences de la RT 2012, tout en améliorant le bien être et la santé des occupants. Les lanterneaux installés en toiture sur un local industriel permettent d améliorer les coefficients BBio et Cep. En absence d éclairage naturel, et selon les cas, le BBiomax n est pas respecté. Le confort d été reste tout à fait raisonnable, tout en veillant à bien prendre en compte l activité du bâtiment, pouvant induire l utilisation de solutions avec protection solaire, store ou autre technique. Pour palier aussi à cette problématique, il faut prévoir plus d appareils permettant une ventilation naturelle (nocturne par exemple). L étude STD menée en parallèle montre que la RT 2012 sous-estime les gains énergétiques réalisables avec l installation significative de lanterneaux. à retenir Le respect de la recommandation du GIF LUMIERE d assurer une autonomie d éclairage naturel pendant 50% du temps avec un niveau de 300 lux, à l intérieur du local permet de se placer dans une zone optimale pour les consommations énergétiques. 15
Retrouvez toutes les informations sur la lumière naturelle sur le site www.gif-lumiere.com et pour toute demande contact@gif-lumiere.com Les acteurs du GIF-Lumière Groupement des fabricants et fabricants-installateurs de matériels coupe-feu et dévacuation des fumées Immeuble Maison de la mécanique 39, rue Louis Blanc Courbevoie 92038 Paris La Défense Cedex Tél. 01 47 17 63 04 - Fax 01 47 17 63 05 Mail : contact@gif-lumiere.com - www.gif-lumiere.com