Développement d’une méthodologie de conception de bâtiments à basse consommation d’énergie

Bâtiments très performants

Il s’agit en général de bâtiments ’’passifs’’ dont le concept a été défini par le Dr. Wolfgang Feist de l’institut de recherche allemand Passivhaus (Passivhaus, 2007). Les constructions passives à une large échelle ont débuté en 1998 avec le projet européen CEPHEUS (CEPHEUS, 2001). Des bâtiments passifs ont ainsi été construits dans cinq pays Européens. Le retour d’expérience de ce projet a montré la faisabilité de ce type de bâtiment, ainsi que les précautions à prendre en compte lors de leurs mises en œuvre (Feist et al, 2005). Un bâtiment passif est défini comme étant un bâtiment dans lequel l’ambiance intérieure est confortable tant en hiver qu’en été, sans devoir faire appel ni à un système conventionnel de chauffage ou de refroidissement. Ces bâtiments sont en rupture profonde par rapport aux modes de construction conventionnels en France. Ils se caractérisent par une forte réduction des besoins de chauffage, conduisant souvent à supprimer le système de chauffage traditionnel. Le chauffage est alors assuré par le système de ventilation. Cet objectif peut être atteint grâce à une forte isolation thermique (30 à 40cm), une forte réduction de ponts thermiques et une très bonne étanchéité à l’air. De plus, les déperditions par ventilation sont réduites à travers un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur sur l’air extrait. La ventilation double flux est parfois couplée à une installation de puits climatique afin de préchauffer l’air neuf et de protéger la centrale double flux des risques de givrage. Les apports gratuits fournis par le soleil, les occupants et les équipements sont pris en compte lors du dimensionnement du système de chauffage (Feist et al, 2005).  Pour assurer le confort thermique d’été, des solutions passives sont favorisées. L’air neuf est rafraîchi à l’aide d’un puits climatique et les apports solaires sont réduits à l’aide de protections solaires. De plus, le couplage surventilation nocturne – inertie thermique permet d’évacuer les apports internes accumulés durant la journée et de refroidir la structure et stocker ainsi de l’énergie afin d’éviter une surchauffe le lendemain. La réduction des besoins énergétiques, tant pour le chauffage que pour le refroidissement, permet d’adopter des systèmes de production d’énergie spécifiques et efficace, combinant des sources d’énergie diversifiées, y compris des énergies renouvelables. Suite au projet CEPHEUS, des labels de bâtiments passifs ont été créés en Allemagne et en Suisse. Le label Allemand s’appelle Passivhaus (Passivhaus, 2007) et le label Suisse MINERGIE-P® (MINERGIE, 2007). Le programme Passivhaus se décline en Klimahaus en Autriche, CasaClima en Italie et Passiefhuis en Belgique (CSTB, 2006). Cependant, les exigences de ces labels sont définies pour l’Europe centrale. Toute transposition dans un autre pays nécessite une étude préalable prenant en compte le contexte climatique et le mode de vie du pays, même si la méthodologie de conception et la physique des phénomènes restent les mêmes. 

Le label MINERGIE-P®

MINERGIE-P® est un label de la marque MINERGIE® qui correspond au standard ‘’bâtiment passif’’. Les exigences de ce standard en termes de consommations d’énergies sont évidemment plus basses que celles du standard MINERGIE® . Il est destiné aux catégories suivantes de bâtiments : habitat collectif, habitat individuel et administration. MINERGIE-P® pose des exigences concernant les cinq domaines suivants: • Besoins spécifiques de puissance thermique : La puissance maximale de chauffage doit être inférieure ou égale à 10 W/m². • Besoins de chaleur pour le chauffage selon la norme SIA 380/1 (SIA 380/1, 2001) : Qh  20 % de la valeur limite Chli • Indice pondéré de dépense d’énergie (voir équation (1.2)) : Pour les bâtiments d’habitation, Epond  30 kWh/m² Pour les bâtiments administratifs, Epond  25 kWh/m² • Etanchéité à l’air de l’enveloppe du bâtiment : L’étanchéité à l’air du bâtiment pour une différence de pression de 50 Pa doit être inférieure ou égale à 0,6 vol/h. • Les appareils électroménagers : Dans les constructions MINERGIE-P® , les meilleures conditions permettant une faible consommation d’électricité doivent être réunies. Ceci exige d’une part des luminaires et des lampes à faible consommation énergétique et d’autre part l’utilisation exclusive d’appareils électroménagers de la classe d’efficacité A. • Coût : Les bâtiments MINERGIE®-P peuvent présenter un surcoût de 15 % au maximum par rapport aux objets conventionnels comparables. 

Le label Passivhaus

Le Label Passivhaus est délivré par l’institut de recherche allemand Passivhaus, crée par le Dr. Wolfgang Feist en 1996 (Passivhaus 2007, Feist 2005). Ce label est destiné aux bâtiments résidentiels et tertiaires. Pour atteindre le standard Passivhaus, il est nécessaire d’avoir : • Un besoin annuel de chauffage < 15 kWh/m²an. • une demande annuelle d’énergie primaire inférieure à 120 kWh/m²an pour le chauffage, l’eau chaude et l’électricité (incluant les applications domestiques), Un bâtiment Passivhaus est la combinaison d’une enveloppe avec une isolation thermique très performante, d’une perméabilité à l’air très faible, de la récupération d’énergie sur la ventilation et de préchauffage d’air neuf (double flux avec récupération, puits climatique) et des sources d’énergies renouvelables. Le Tableau 1.10 indique les solutions techniques préconisées afin d’obtenir un bâtiment Passivhaus. Une exigence supplémentaire du label Passivhaus est que la puissance maximale de chauffage n’excède pas 10 W/m². En effet, lorsque cette condition est respectée, il est possible d’utiliser le système de ventilation pour le chauffage des locaux et d’éviter ainsi d‘avoir recours à un système de chauffage traditionnel. Orientation Sud Solaire passif Parois opaques U  0,15 W/(m²K)   0,01 W/(mK) Baies vitrées U  0,8 W/(m²K) g  0,5 environ Perméabilité à l’air Inférieure à 0,6 vol/h sous 50 Pa Préchauffage de l’air neuf Puits climatique Température de sortie  5°C Ventilation Double flux et échangeur Efficacité > 80% Ventilation : < 0,4 Wh/m3 ECS Capteurs solaires ou PAC Equipements Equipements efficaces Tableau 1.10 : Solutions techniques préconisées pour un bâtiment PASSIVHAUS L’analyse du coût global des bâtiments Passivhaus est difficilement quantifiable exactement et peut fortement différer d’un projet à l’autre. Les études réalisées à l’étranger montrent cependant que, par une approche d’intégration dès la conception, le coût total (coûts additionnels à la construction et consommations sur une période de 30 ans) ne devrait pas excéder, en moyenne, celui d’une construction neuve. Ceci est principalement dû à la suppression des coûts liés aux systèmes conventionnels de chauffage devenus inutiles et aux niveaux des factures énergétiques pour une durée de 30 ans (Chlela et al, 2005).

Exemples de réalisations ChristophorusHaus :

ChristophorusHaus est un immeuble de bureaux de 1550m² de surface utile, situé en Autriche (voir Figure 1.7). Ce bâtiment a été construit en 2003 selon les exigences du standard Passivhaus. L’air est utilisé pour le chauffage et le refroidissement du bâtiment. Il comprend les systèmes suivants (Blümel et al, 2005) : • Un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur sur l’air extrait. L’efficacité de l’échangeur est de 86%. • Une installation de capteur solaire de 6 m² de surface et qui couvre 70% des besoins en ECS. • Une pompe à chaleur réversible couplée à 8 capteurs enterrés verticaux de 100 m de longueur. La pompe à chaleur possède une puissance nominale pour le chauffage de 43 kW et un COP nominal de 4,03. Les capteurs enterrés ont été dimensionnés de façon à refroidir directement le bâtiment sans avoir recours à la pompe à chaleur. La puissance de refroidissement obtenue est de 25 W/m². La pompe à chaleur peut éventuellement fonctionner en mode froid. • Une installation de capteurs photovoltaïques de 10 kWc de puissance. Cette installation sert à alimenter la pompe à chaleur et les auxiliaires du système de ventilation Figure 1.7 : Vues de l’immeuble de bureaux ChristophorusHaus (Blümel et al, 2005) Des simulations ont été effectuées afin d’évaluer les performances énergétiques du bâtiment. Les besoins de chauffage obtenus sont inférieurs à 15 kWh/m²an, le besoin de refroidissement est inférieur à 10 kWh/m²/an et la consommation d’énergie primaire est inférieure à 80 kWh/m²an. PassivSolarHaus de Cölbe : Il s’agit d’un immeuble de bureaux de 2180 m² de surface utile, situé à Cölbe en Allemagne (voir Figure 1.8). Construit en 1998, ce bâtiment est le premier Passivhaus tertiaire en Europe (Schweitzer, 2005). Le Tableau 1.11 indique les caractéristiques de l’enveloppe de ce bâtiment. Parois Caractéristiques Plancher haut U = 0,11 W/m²K (jusqu’à 40cm d’isolation – laine minérale) Plancher bas U= 0,12 W/m²K (jusqu’ 24 cm d’isolation – mousse de verre) Mur extérieur U= 0,14 W/m²K Fenêtre U= 0,75 W/m²K (triple vitrage) Tableau 1.11 : Caractéristiques de l’enveloppe du bâtiment PassivSolarHaus L’air est utilisé pour le chauffage du bâtiment. Il comprend les systèmes suivants :  • Un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur sur l’air extrait. L’efficacité de l’échangeur à air est égale à 80%. • Une pompe à chaleur réversible couplée à 4 capteurs enterrés verticaux de 32 m de longueur. • Une installation de capteurs solaires thermiques de 65 m². • Une unité de cogénération : 12,5 kW thermique et 5,5 kW électrique. • Un ballon de stockage d’eau chaude de 85 m3 à 95°C, isolé avec 50 cm de laine minérale. L’eau chaude stockée est utilisée pour le chauffage de l’air. • Une installation de puits climatique pour le préchauffage de l’air en hiver et le rafraîchissement en été. • Un système de surventilation naturelle nocturne pour le rafraîchissement passif du bâtiment. Des protections solaires sont également mises en place afin de réduire les gains solaires en été. Figure 1.8 : Vues de l’immeuble de bureaux PassivSolarHaus (Schweitzer, 2005) Energon : Energon est un immeuble de bureaux de 7000 m² de surface utile, situé à Ulm en Allemagne (voir Figure 1.9). Ce bâtiment a été construit en 2002 selon les exigences du label Passivhaus. Figure 1.9 : Vues de l’immeuble de bureaux Energon (Faigle, 2005) Le Tableau 1.12 indique les caractéristiques de l’enveloppe de ce bâtiment (Faigle, 2005). Le bâtiment comprend les systèmes suivants : • Un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur sur l’air extrait. L’efficacité de l’échangeur est égale à 80% • Une installation de puits climatique pour le préchauffage et le rafraîchissement de l’air neuf. • Une pompe à chaleur réversible couplée à 4 sondes géothermiques verticales de 100 m de profondeur, utilisée pour le chauffage en hiver et pour le refroidissement en été (120 kW de puissance de refroidissement). La pompe à chaleur alimente une installation de plancher chauffant et rafraîchissant. • Une installation de capteurs photovoltaïques de 150 kWp de puissance électrique. • Des protections solaires ont été mises en place afin de réduire les apports solaires en été et améliorer le confort visuel.  De plus, le bâtiment est relié à un réseau de chauffage urbain qui fournit une puissance maximale de chauffage de 185 kW. Parois Caractéristiques Plancher haut U = 0,12 W/m²K Plancher bas U = 0,22 W/m²K (30 cm d’isolation) Mur extérieur U = 0,11 – 0,13 W/m²K (30cm d’isolation) Fenêtre Double et triple vitrage .

Bâtiments zéro énergie ou à énergie positive

Un bâtiment zéro énergie ou à énergie positive est défini comme étant un bâtiment qui produit autant ou plus d’énergie qu’il n’en consomme. Ces bâtiments sont la combinaison de bâtiments basse énergie ou passifs avec des toits solaires photovoltaïques et parfois thermiques. Leur réalisation en France n’est possible aujourd’hui que via des subventions permettant de limiter le surcoût lié aux systèmes photovoltaïques. Leur développement à large échelle nécessite des évolutions fortes en ce qui concerne le coût des systèmes photovoltaïques (Chlela et al, 2005). De nombreux programmes d’opérations concernant les bâtiments zéro énergie ou à énergie positive sont en cours à l’étranger, comme au Japon, Etats-Unis, Canada, Allemagne et Nouvelle-Zélande. A l’exception du Japon, ces opérations sont basées sur le même concept de bâtiment. Les besoins d’énergie pour le chauffage, le refroidissement et l’électricité sont réduits à travers une bonne conception de l’enveloppe et des équipements performants et économes. Le complément des besoins d’énergie est comblé par des sources d’énergie renouvelables comme le solaire photovoltaïque et thermique. Au Japon, Une isolation thermique vraiment efficace, garantissant aux habitants le confort le plus élevé et la meilleure rentabilité, est plutôt l’exception que la règle. Il n’y a pas non plus de valeurs limites à respecter. Les maisons vendues au Japon comme «zéro énergie» sont des maisons avec une isolation conventionnelle utilisant les technologies solaires photovoltaïques et thermiques pour produire autant voire plus d’énergie que leurs besoins annuels (CSTB, 2006).

Exemples de réalisation Maison à énergie positive de Fellbach 

Il s’agit d’une maison individuelle située dans la ville de Fellbach en Allemagne (Chlela et al, 2005). Le principe de cette maison est de réduire les besoins de chauffage en travaillant l’enveloppe, soit à environ 11 kWh/m²an, et d’assurer ces besoins à l’aide d’une pompe à chaleur réversible alimentée en électricité photovoltaïque. La maison est compacte avec la présence d’une véranda au sud, et une façade nord aveugle. Les caractéristiques de l’enveloppe vérifient les exigences du label Passivhaus (voir Tableau 1.13) Parois Caractéristiques Parois opaques U = 0,1 W/m²K Fenêtres vitrages triples avec argon, U = 0,7 W/m²K, facteur solaire d’environ 0,5 Etanchéité à l’air 0,5 Vol/h sous 50 Pa Ponts thermiques Pas de ponts thermiques Tableau 1.13 : Caractéristiques de l’enveloppe de la maison à énergie positive de Fellbach Le bâtiment comprend les systèmes suivants : • Un système double flux avec échangeur haute efficacité sur l’air extrait. • Une installation de puits climatique qui sert au préchauffage de l’air neuf en hiver et au rafraîchissement en été. • Un toit photovoltaïque assurant une puissance de pointe de 8 kWp et produisant environ 7500 kWh/an.  La production d’énergie électrique photovoltaïque est supérieure aux besoins des équipements et permet d’alimenter tous les usages. La consommation électrique pour le chauffage (pompe à chaleur et pompes de circulation) s’élève à 1500 kWh, celle de la production d’ECS à 700 kWh et celle de la ventilation à 600 kWh. Figure 1.10 : Vues de la maison à énergie positive de Fellbach (Chlela et al, 2005) Plusenergiehaus® de Freiburg : Il s’agit de maisons solaires bioclimatiques dont la principale caractéristique est de produire plus d’énergie que nécessaire aux occupants. Les bâtiments sont conçus comme un système préfabriqué modulaire avec ossature métallique ou bois (Chlela et al, 2005). Le concept est une amélioration de la maison passive avec de larges baies vitrées au sud qui constituent la principale source de chaleur et assurent l’éclairage des pièces principales, ainsi qu’une toiture photovoltaïque. Les balcons sont en acier galvanisé et partiellement solidaires de la structure pour limiter les ponts thermiques. Le coefficient de transmission des parois opaques est de 0,12 W/m²K et les baies vitrées sont constituées d’un triple vitrage. Les besoins annuels de chauffage varient entre 10 et 15 kWh/m². Figure 1.11 : Vues des maisons à énergie positive de Freiburg (Chlela et al, 2005) Les déperditions par ventilation sont réduites via un système de ventilation avec récupération de chaleur sur l’air extrait. Une toiture photovoltaïque produit entre 3 et 12 kWp suivant la taille du bâtiment. Le débord de cette toiture joue également le rôle de brise soleil.

Etat de l’art des technologies

L’analyse bibliographique des bâtiments à basse consommation d’énergie montre que celles-ci sont basées sur les mêmes critères, à savoir, réduire les besoins énergétiques, et produire le complément d’énergie de façon efficace tout en utilisant des sources d’énergies renouvelables. On a donc une approche portant sur : • La réduction des besoins de chauffage à travers une isolation performante, la réduction des ponts thermiques, l’amélioration de l’étanchéité à l’air et le remplacement d’une ventilation non maîtrisée par un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur sur l’air extrait, parfois couplé à un puits climatique ;  • Le traitement du confort d’été est effectué par des solutions passives, associées dans certains cas à des systèmes de climatisation performants. Comme solutions passives on peut citer : protections solaires, puits climatique pour le rafraîchissement de l’air neuf, couplage inertie thermique et surventilation nocturne ; • La réduction des consommations d’électricité via des usages performants ; • Le recours à une conception architecturale bioclimatique et à des sources d’énergies renouvelables pour la production d’énergie, comme le solaire, l’air, l’eau, la géothermie et le bois ; • L’utilisation de générateurs d’énergie à haute efficacité et la réduction des pertes de distribution. Dans cette partie nous présentons les principales technologies utilisées dans les bâtiments à faibles consommations d’énergie. Ces techniques concernent l’enveloppe, la ventilation, les systèmes de production d’énergie, les sources d’énergie renouvelables et les usages. 

Enveloppe

L’analyse des études sur l’utilisation rationnelle de l’énergie dans le bâtiment montre la tendance à réduire les besoins en chaud et en froid à travers une optimisation de l’enveloppe. Parois opaques : Les deux caractéristiques primordiales agissant sur les besoins de chauffage sont l’isolation thermique (ponts thermiques inclus) et l’étanchéité à l’air. En utilisant les matériaux isolants disponibles, la voie la plus directe pour renforcer l’isolation thermique est l’augmentation de l’épaisseur. C’est la solution préconisée dans les labels Passivhaus, MINERGIE® et MINERGIE-P®. Pour traiter les ponts thermiques, trois procédés se dégagent : l’isolation thermique par l’extérieur, l’utilisation de rupteurs de ponts thermiques et les structures à ossature bois, surtout utilisées pour les maisons individuelles. Le point critique reste la rénovation dans les cas où l’isolation par l’extérieur n’est pas possible. Pour répondre à ce défi, un effort important est fait par exemple en Suisse et en Allemagne pour développer des isolants « sous-vide » à très haute performance et de faible épaisseur (Chlela et al, 2005). Ces isolants utilisent les principes de basse pression et de confinement pour réduire le nombre et la mobilité des molécules de gaz. Les conductivités thermiques obtenues sont de l’ordre de 5.10-3 W/mK. Etanchéité à l’air : un effort tout particulier est porté sur l’étanchéité à l’air, afin d’éviter les pertes de chaleur dues aux infiltrations d’air. Pour les labels les plus exigeants, comme Passivhaus et MINERGIE-P®, une valeur maximale de 0,6 vol/h sous 50 Pa est imposée. Parois transparentes : Afin de réduire les besoins de chauffage, les performances thermiques des parois transparentes doivent être améliorées. Les innovations technologiques récentes ont permis de faire des progrès. Le Tableau 1.14 donne des valeurs du coefficient de transmission Ug de divers type de vitrages. Ces performances restent malgré tout, encore loin de celles atteintes pour les parois opaques.