Ecole d'été Modélisation et évaluation pour la planification urbaine 1-5 septembre 2014, Paris - Marne-la-Vallée DJ2 : Energie – impacts globaux Diagnostic et modélisation de la performance énergétique d’un ensemble immobilier Bruno PEUPORTIER MINES ParisTech – CES
Objectifs et principes Contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre (facteur 4 à l’horizon 2050) et les consommations énergétiques g q Construction neuve annuelle = 1% du parc existant -> importance de la réhabilitation Diagnostic -> identification des bâtiments à traiter en priorité et des mesures d’amélioration adéquates Evaluation des consommations énergétiques -> mise en œuvre d’outils de simulation Retour d’expérience, vers la garantie de performance 1
1
Consommation d’énergie finale en France
Bâtiment (résidentiel + tertiaire) = 70 Mtep = 45% de la consommation totale en France (1 tep = 11 700 kWh)
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Consommation énergétique du secteur du bâtiment
3
2
Emissions de gaz à effet de serre en France
9 tonnes eq. CO2 par habitant et par an Bâtiment = 20% + effets indirects (électricité, transport…)
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Enjeux, autres aspects Préservation des ressources : 40 à 60 ans de réserves pour le pétrole, 60 ans pour l’uranium I Impacts t sur la l santé té (smog, ( COV) Déchets radioactifs (30 000 m3 par an) Confort thermique, gestion des canicules Importance de l’ingénierie, en lien avec l’architecture Conception intégrée : dialogue en amont entre architecte et ingénieur, au lieu d’une conception séquentielle (esquisse - > avant-projet détaillé) 5
3
Consommation énergétique d’un logement
6
Secteur tertiaire, consommation d’énergie par m2
7
4
Déperditions thermiques d’un bâtiment Conduction, convection, rayonnement, échanges d’air Murs, sol, toit Ouvertures Ponts thermiques Ventilation et infiltrations d’air Fonction de la température intérieure (régulation, zonage) et du climat (latitude, altitude)
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Illustration : isolation par l’extérieur Réhabilitation d’immeuble HLM à Montreuil 10 cm laine de verre
9
5
Ponts thermiques
= 0.05 = 0.5 -> 1 = 0.5 05 -> 1 W/m/K = . L . (Tint – Text)
en W/m/K 10
Préchauffage d’air neuf
déperditions x (1- ) efficacité de l’échangeur = 60 à 80%
11
6
Apports par les vitrages Partie réfléchie, absorbée (une partie est ré-émise vers l’intérieur), transmise Facteur solaire g = transmission + partie absorbée et ré-émise vers l’intérieur Tenir compte des protections solaires
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Evolution des vitrages 200
100
m ur
ar go n vi tra ge
-100
tri pl e
kWh/m2/an si m pl e vi tra do ge ub le vi tra co ge uc he co du uc re he te nd re
0 gains kWh/m2 pertes kWh/m2
-200
-300
-400
Basse émissivité et lame d’argon préférable, bilan global pertes / apports -> couches dures au sud 13
7
Architecture solaire, véranda
Architecte : Michel Gerber 14
Véranda, protection solaire, inertie thermique, ventilation nocturne Températures relevées le 24/07/98 40 E té i Extérieur
35 30
Véranda
°C
25
Séjour
20 15 10 5 0 00:00
03:00
06:00
09:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Heure
Source : Olivier Sidler 15
8
Gains directs et gains différés (murs solaires)
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Exemple, siège de l’ISES, Freiburg
Villa Tannheim, contruite en 1904 et rénovée en 1994 chauffage : 250 -> 75 kWh/m2/an, triple vitrage (U=0.4 W/m2/K) 50 m2 TI façade ouest = 10% des économies d’énergie
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9
Application en réhabilitation de HLM
Sonnenäckerweg, Freiburg, Allemagne 8 flats, 400 m2, heating : 225 -> 43 kWh/m2/y Solar gains = 38% of the heating load
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Façade double peau photovoltaïque
Université de Trondheim, Norvège 19
10
Diagramme de confort (Givoni)
B : avec un ventilateur 20
Protections solaires
Taux de transmission
21
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Effet d’un masque architectural
casquette q sud
hiver
casquette q ouest
été
22
Inertie thermique
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Bilan thermique Apports – déperditions = énergie stockée Qsol + Qint - (T – Text) = C dT/dt Si C est petit, énergie stockée ≈ 0 fenêtres, parois légères, air : régime permanent Si C est grand, dT/dt est petit : l’inertie thermique atténue les fluctuations de température
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Résolution des équations différentielles dT/dt = a T + b
(a < 0)
T’= T+b/a dT’/dt = dT/dt=a (T’-b/a) +b = a T’ dT’ / T’ = a dt Log T’ = a t + c T’ = c eat t = 0, T’ = Tin +b/a = c t = ∞,, T T’= 0 -> T = -b/a, b/a, régime statique a = -1/ : constante de temps T = Tin e-t/ – b/a (1-e-t/)
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Simulation thermique Plusieurs zones dans un bâtiment Plusieurs couches de matériaux dans les parois Système d’équations différentielles Résolution matricielle
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Outil de simulation thermique du bâtiment PLEIADES+COMFIE Thierry SALOMON Thi et Renaud MIKOLASEK IZUBA ENERGIES
Bruno PEUPORTIER MINES ParisTech – CEP
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Objectifs et principes Aide à la conception bioclimatique : réduction des besoins de chauffage et de climatisation, prise en p des apports pp solaires,, amélioration du compte niveau de confort analyse en dynamique (captage, stockage et distribution de l’énergie) -> simulation simplicité d ’utilisation, description d ’un projet et comparaison i de d variantes i t structuration en objets, ajout de nouveaux composants (PV, solaire thermique, éclairage…)
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Algorithme C . dT /dt = A . T + E . U Y = J.T + G.U T = To - A-1 . E . U (To = partie dynamique) dTo/dt = C-1 . A . To + A-1 . E . dU/dt Y = J . To + (G - J .A-1 . E) . U
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15
Influence de la réduction modale 40
températures (°C)
35 30 25 20 15 10 1
3
9
7
5
11
15
13
heures T 3 modes
T non réduit
17
19
21
23
T 1mode
Il faut au moins 3 constantes de temps, parfois davantage 30
Procédure « Bestest » de l ’AIE
besoins de chauffage, kW Wh/m2
300 250 200 TRNSYS 150
DOE2 COMFIE
100 50
m itt en t in te r
es t -o ue st
in er te
su d
in er te
in er te
ud itt en ts
in te rm
es t-o ue st
ba se
su d
0
20% d’écart entre DOE et TRNSYS, COMFIE un peu plus élevé 31
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Comparaison dans le cas de maisons passives
Plate forme INCAS, INES (Chambéry) A maisons passives 32
Comparaison dans le cas de maisons passives
Comparaison sur les besoins de chauffage et les puissances maximales
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Comparaison simulationsimulation-mesures avec incertitudes
Cas d’application : maison INCAS, différents scénarios de fonctionnement (chauffage, ventilation, volets…) 34
Modeleur graphique 2D– 2D–3D ALCYONE, www.izuba.fr
Quelques journées de travail pour un projet Intérêt : comparaison de variantes Travail dès l’esquisse 35
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Garantie de performance énergétique
Propagation d’incertitudes Approche par une loi normale • Moyenne 132 kWh/m kWh/m² • Ecart Type 7 kWh/m² Distribution de Consommation du bâtiment (chauffage + ecs)
0,07
Prob babilité
0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 115000
109 kWh/m2
130000 145000 Consommation (kWh)
160000
153 kWh/m2 36
Bâtiment HLM à Montreuil
Construction : 1969, non isolé, simple vitrage Besoins de chauffage : 160 kWh/m2/an 37
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Etude des masques, exposition des façades
azimut, 0° = sud 90° = ouest
hauteur h t 0° = horiz. 90° = vert.
Juin Décembre
38
Résultats de l’analyse thermique 180
beso oins de chauffage (kWh/m2/an n)
160 simple p vitrage g 140
120 double vitrage 100 vitrage basse émissivité 80 balcon vitré 60
40 0
2
4
6
8
10
12
14
épaisseur d'isolant (cm) 39
20
Canicule 2003 (15 000 décès) August 1-14 2003
temperatures (°C)
50 45 5 40 35 30
Outdoor Balcony Living room
25 20
bedroom
15 10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14
days
Écart de 10°C entre extérieur et intérieur grâce à la forte inertie L’isolation thermique protège du froid mais aussi du chaud 40
Bâtiment après rénovation
Besoins de chauffage : - 32% et non –50% car températures logements +3° +3°C (de 20° 20°C à 23 23°°C), action en cours de l’OPHLM Emissions : - 76 tonnes CO2 par an
41
21
Projet européen SOLANOVA, Hongrie
Ventilation double flux Traitement des ponts thermiques Consommation de chauffage mesurée : 39 kWh/m2/an 42
Exemple d’application : Formerie (Oise), 2007
2 maisons passives, Oise, 2 x 135 m2 Entreprise : Les Airelles EN ACT architecture 43
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Résultats des simulations, hiver Besoins annuels de chauffage 80 70
kWh/m m2
60 50
Comparaison à la référence RT2005 avec la même géométrie
40 30
Chauffage à 19°C
20 10 0
RT2005
Maison passive
Variation des besoins de chauffage en fonction de l’épaisseur d’isolation
6 kWh/m2/an
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Résultats des simulations, été (canicule 2003) Modélisation du puits canadien
sans climatisation : 40°C Températures en période caniculaire, d degrés-jours é j >27°C 27°C divisés par 2 avec le puits canadien Climatisation : 2,5 kWh/m2
34°C
31,5°C avec le puits 45
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Maisons à énergie positive, Freiburg
Architecte : Rolf Disch Consos de chauffage+ecs mesurées (U. Wuppertal) : 25 kWh/m2/an Consommation élec : 21 kWh/m2/an Production PV : 43 kWh/m2/an 46 -> bilan positif en énergie primaire
Exemple d’application : Lyon Confluence Îlots A, B et C, environ 60 000 m2 de logements et 15 000 m2 de bureaux, 70 000 m2 d’espaces verts, erts rues, r es quais… Quelle est la performance environnementale de ce projet, pourrait-on l’améliorer ? 47
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3 îlots, 20 bâtiments Prise en compte des masques générés par les bâtiments adjacents
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Beso oins de chauffage en kW Wh / m².an
Résultats de l’analyse thermique, logiciel COMFIE 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Standard
Base
Meilleures Pratiques
Moyenne sur l’ensemble des bâtiments Variation de 1 à 3 selon l’architecture (bâtiments 1 et 10 de l’îlot B, mêmes technologies) 49
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Différentes morphologies, îlot B Bâtiment 1, peu compact, Exposition Nord Variation de 1 à 3 selon l’architecture : bâtiments 1 et 10 (mêmes technologies) Bâtiment 10, orienté Sud
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Conclusions et perspectives Outil opérationnel, adapté aux pratiques professionnelles (BET, Architectes) 700 utilisateurs (2500 ( licences), ) formations f Limites (espaces stratifiés) et perspectives d’amélioration Chaînage avec l’analyse de cycle de vie (évaluation des impacts environnementaux) environnementaux), logiciel EQUER
51
26
