Bilans énergétiques et environnementaux de bâtiments à énergie positive

Typologie des bâtiments performants

   Les concepts de bâtiments performants se trouvent le plus souvent définis dans le cadre de certifications, de labels ou de réglementations. Ils sont alors associés à un cahier des charges décrivant leurs objectifs ou à une méthode d’évaluation de leur niveau de performance. Leurs dénominations sont variées, chacune mettant l’accent sur une caractéristique majeure du bâtiment. Pourtant le concept sous-jacent ne se résume pas à cette simple caractéristique ; ces dénominations sont nécessairement réductrices. Une typologie des dénominations rencontrées dans la littérature a été réalisée, de manière à faire ressortir les principales caractéristiques de ces bâtiments et les principaux concepts associés. Deux types d’approches se distinguent : des approches purement énergétiques et des approches plus larges.
Concepts purement énergétiques Les concepts purement énergétiques accompagnent des réglementations visant la performance énergétique des bâtiments (Réglementation Thermique 2005 [JORF 2006] en France,réglementation Energieeinsparverordnung [EnEV 2004] en Allemagne) ou sont simplement associées à des labels (Minergie® en Suisse1 [Minergie 2008], Passivhaus en Allemagne [Passivhaus 2008], CasaClima/Klimahaus en Italie [Klimahaus 2008]). En France, la réglementation propose cinq labels (HPE, THPE, HPE EnR, THPE EnR et BBC 2005), soit plusieurs niveaux de performance différents, et incite à l’intégration de sources d’énergies renouvelables au bâtiment [JORF 2007]. Pour ces approches, les critères évalués sont peu nombreux, bien définis et quantifiables ce qui facilite l’identification des concepts sous-jacents. Ceux qui ont été identifiés sont les suivants :
– Le bâtiment à basse consommation ou « basse énergie » (en anglais : low energy house) Ce bâtiment se caractérise par des besoins énergétiques plus faibles que les bâtiments standards. Ce premier niveau de performance peut être atteint par l’optimisation de l’isolation, la réduction des ponts thermiques et l’accroissement des apports passifs. Ce concept ne comprend a priori aucun moyen de production local d’énergie, sans toutefois l’exclure.
– Le bâtiment « passif » (en allemand : Passivhaus, en anglais : passive house) Ce bâtiment très faiblement consommateur d’énergie ne nécessite pas de systèmes de chauffage ou de rafraîchissement actifs : les apports passifs solaires et internes et les systèmes de ventilation suffisent à maintenir un ambiance intérieure confortable toute l’année. Ce concept inclut également une réduction des besoins en électricité spécifique et éventuellement une production d’électricité à base de sources d’énergie renouvelables. En pratique, un petit système d’appoint est nécessaire au maintien du confort thermique durant les jours les plus froids ; il est le plus souvent associé à la ventilation.
– Le bâtiment « producteur d’énergie » (en anglais : near zero energy house) Il est doté de moyens de production d’énergie locaux. Cependant, cette dénomination ne spécifie ni le niveau de consommation ni la part de cette consommation couverte par la production ni même la nature de l’énergie produite. Il s’agit donc plus d’une caractéristique du bâtiment que d’un concept de bâtiment à proprement parler. L’expression « bâtiment producteur d’énergie » est néanmoins parfois employée pour désigner un « bâtiment à énergie positive ».
– Le bâtiment « zéro énergie » ou « zéro net » (en anglais : net zero energy house) Ce bâtiment combine de faibles besoins d’énergie à des moyens de production d’énergie locaux. Sa production énergétique équilibre sa consommation si celle-ci est considérée sur une année. Son bilan énergétique net annuel est donc nul [Bernier 2006].
– Le bâtiment « à énergie positive » (en allemand : Plusenergiehaus) Ce bâtiment producteur d’énergie dépasse le niveau « zéro énergie » : il produit globalement plus d’énergie qu’il n’en consomme. Comme le précédent, ce bâtiment est raccordé à un réseau de distribution d’électricité vers lequel il peut exporter le surplus de sa production électrique [Disch, 2008 ; Maugard et al. 2005].
– Le bâtiment autonome :Un bâtiment est autonome lorsque sa fourniture énergétique ne dépend d’aucune ressource distante. Ainsi la totalité de l’énergie consommée par le bâtiment est produite sur place à partir de ressources locales. En pratique, le bilan net d’énergie de ce bâtiment est nul à tout instant. Un tel bâtiment se passe des avantages apportés par les réseaux d’approvisionnement (foisonnement,sécurité d’approvisionnement), ce qui impose l’usage de moyens de stockage d’énergie (batteries d’accumulateurs, inertie thermique etc.). Ce type de bâtiment est particulièrement adapté aux sites isolés ou insulaires car il évite les coûts de raccordement aux divers réseaux.
Concepts plus larges Certains concepts découlent d’approches globales qui prennent en compte un grand nombre d’interactions du bâtiment avec son environnement, la question énergétique ne formant qu’une partie de ces interactions. C’est le cas des méthodes CASBEE (Japon) [CASBEE 2008], LEED (États-Unis d’Amérique) [USGBC 2008] et BREEAM (Royaume-Uni) [BREEAM 2008] qui visent une labélisation ou une certification, mais aussi de la norme R-2000 au Canada, qui est associée à une réglementation [R2000 2005]. En France, la démarche HQE® (Haute Qualité Environnementale), proposée aux maîtres d’ouvrage, ne fixe aucun objectif de performances [AssoHQE 2006]. Des organismes certificateurs proposent des référentiels. Ces différentes approches globales visent à apprécier la « qualité environnementale » du bâtiment. Cependant, les critères de performances environnementales considérés sont nombreux et variables selon les approches, parfois subjectifs, et donc sujets à débats et controverses. D’autres concepts sont basés sur une approche économique. Les principaux concepts identifiés sont les suivants :
– « zero utility cost house », « net zero annual energy bill » ou « zero energy affordable housing » Ces expressions, plutôt évoquées au Japon ou aux Etats-Unis d’Amérique, désignent des bâtiments dont la facture énergétique est nulle : la vente d’une partie de la production énergétique du bâtiment compense les frais engendrés par l’achat de l’énergie consommée (électricité, hydrocarbures etc.). Cette approche est privilégiée dans l’habitat social pour lequel la facture énergétique représente une part importante du budget des occupants. L’objectif est atteint grâce à la réduction des consommations et à l’usage de ressources énergétiques renouvelables gratuites. Mais le bilan dépend de facteurs non physiques tels que les prix des énergies ou les offres commerciales des fournisseurs.
– « maison neutre en carbone », « maison zéro carbone » ou « bâtiment à émission zéro » (en anglais : carbon neutral house ou low carbon house) Ces expressions désignent un bâtiment dont le fonctionnement n’induit aucune émission de CO2. Cette orientation, qui s’inscrit dans la démarche du protocole de Kyoto, vise à réduire la participation du bâtiment à l’accroissement de l’effet de serre. La démarche « zéro carbone » est généralement associée à un mode de vie, dont la portée, au-delà du bâtiment, englobe les modes de déplacement, voire les modes de consommation des occupants du bâtiment. L’une des conséquences de cette démarche est l’utilisation exclusive de ressources énergétiques renouvelables. Le projet BedZed, en Angleterre, a été réalisé selon ce principe [BedZed 2008].
– Le bâtiment « vert », « durable », « soutenable » ou « écologique » (en anglais : green building) Ces qualificatifs font référence à des notions surtout symboliques dont les concepts associés sont mal définis. Ils dépassent très largement le cadre énergétique et soulignent plutôt le faible impact environnemental du bâtiment, par exemple par les matériaux mis en œuvre. L’une des multiples facettes de tels bâtiments peut éventuellement correspondre à l’un des concepts présentés plus haut.
– Le bâtiment « intelligent » (en anglais : intelligent building) : Cette expression désigne un bâtiment qui présente une forme « d’intelligence », généralement apportée par des automates programmables et des systèmes informatiques de supervision. Ces équipements visent à améliorer la gestion de certaines fonctions modulables du bâtiment, telles que la protection solaire, la ventilation, le chauffage, l’éclairage ou la sécurisation des accès. Il existe une multitude de définitions de ce concept [Wong et al. 2005], cependant l’objectif essentiel du bâtiment intelligent semble être l’amélioration du confort et de la productivité des occupants à l’intérieur du bâtiment. Par conséquent les préoccupations énergétiques et environnementales peuvent y être secondaires, voire absentes

Projet européen CEPHEUS

   Le projet CEPHEUS, inscrit dans le programme THERMIE de la Commission Européenne, s’est déroulé de 1998 à 2001. Il représente la première étude à grande échelle des performances de bâtiments passifs. Il a abouti à la réalisation de 14 bâtiments, répartis dans 5 cinq pays européens différents (Allemagne, Autriche, France, Suède et Suisse) et comportant au total 221 logements,conçus selon le standard Passivhaus. Les bâtiments réalisés (Figure 2) ont permis d’acquérir un important retour d’expérience, exposé dans le rapport final du projet [Feist et al. 2001 ; Feist et al.2005] Les techniques mises en œuvre dans la majorité des logements réalisés ont visé à réduire les déperditions thermiques. Conformément aux recommandations du standard Passivhaus, l’enveloppe a été fortement isolée (U < 0,15 W.m-2.K-1), les vitrages performants ont été installés (Uw < 0,8 W.m-2.K-1), les ponts thermiques ont été supprimés et les fuites d’air ont été réduites au minimum (infiltrations < 0,6 vol.h-1 pour une surpression de 50 Pa). La ventilation mécanique contrôlée (VMC) (débit limité au débit hygiénique) associée à un échangeur de chaleur performant (efficacité supérieure à 75 %), et de manière optionnelle à un échangeur air-sol, a permis de réduire grandement les pertes thermiques par renouvellement d’air. Enfin, la température intérieure des bâtiments a été fixée à 20 °C. Ainsi, les besoins de chauffage ont été réduits de 80 % par rapport à des bâtiments neufs réglementaires. Les 20 % restants ont été satisfaits par des pompes à chaleur ou des chaudières à bois utilisées en appoint, fournissant leur chaleur à l’air neuf, directement dans le circuit de ventilation, entre l’échangeur de chaleur et les bouches d’aération. L’intégration de poêles ou de cheminées à bois ne semble pas évidente dans ce type de bâtiment en raison de l’incompatibilité entre la grande étanchéité du bâtiment et le besoin d’air neuf permanent nécessaire au fonctionnement correct des systèmes à combustion. Pourtant, le bois est capable de couvrir la totalité des besoins d’une maison passive. La mise en place d’amenées d’air indépendantes et l’amélioration des rendements des poêles et inserts pourraient mener à une plus grande utilisation du bois-énergie dans les maisons passives. Le rapport final du projet [Feist et al. 2001] met en évidence la part importante prise par la consommation électrique dans les bilans énergétiques final et primaire. En effet, le standard Passivhaus n’impose rien en matière d’équipement électrique à faible consommation, ce qui amène la consommation d’électricité à représenter environ 50 % de la consommation totale utile et 75 % environ de la consommation totale en énergie primaire. D’autre part, la forte réduction des besoins de chauffage associée à un chauffage d’appoint à air dans le circuit de ventilation a mis en évidence l’importance des pertes thermiques dues à la distribution de la chaleur dans les différentes pièces du bâtiment. Le rapport indique aussi qu’un traitement de ces pertes pourrait réduire encore la consommation d’énergie finale de 20 à 30 %. Le projet CEPHEUS, à travers ses diverses réalisations, a démontré la faisabilité technique et économique des maisons satisfaisant au standard Passivhaus. Cependant, les solutions techniques mises en œuvre ne semblent pas encore entièrement optimales. De plus, un effort peut être apporté facilement en réduisant les besoins énergétiques autres que ceux de chauffage.

Maison ZEN

  La maison ZEN (Zéro Energie Net) a été bâtie à Montagnole (Savoie, France) et est habitée depuis fin 2007 par son concepteur, Alain Ricaud, et sa famille [Ricaud 2007]. Cette maison de 200 m2 vise à la fois le bilan d’énergie positif, l’absence d’émission de CO2 et la reproductibilité. Sa structure en bois massif s’appuie sur une conception bioclimatique. Elle est isolée par une couche de liège expansée et est équipée de larges fenêtres à triple vitrage peu émissif avec lame argon et de protections solaires. Les équipements consommateurs sont très efficaces : une pompe à chaleur sur air extrait couplée à un échangeur air-sol assure le chauffage ou le rafraîchissement par l’air de ventilation et une pompe à chaleur air-eau produit l’eau chaude sanitaire ainsi qu’un complément de chauffage par les murs. La totalité de l’énergie consommée est donc de l’électricité. Celle-ci est produite par la toiture photovoltaïque du bâtiment (13,5 kWc) (Figure 7).

Production d’énergie

   L’électricité nécessaire au fonctionnement du bâtiment peut être produite sur place à partir de ressources renouvelables disponibles localement : le soleil (conversion photovoltaïque), le vent (conversion électromécanique par aérogénérateur) ou l’énergie mécanique de l’eau (hydroélectricité). La chaleur nécessaire au maintien du confort intérieur et au chauffage de l’eau sanitaire est assurée, soit par des panneaux solaires thermiques (dits aussi « héliothermiques »), soit par un équipement de cogénération fonctionnant de préférence avec un combustible renouvelable. L’usage d’une pompe à chaleur peut-être envisagé dès lors que la production locale d’électricité à partir de ressources renouvelables est suffisante (cf. [Malz 2000, Disch 2008]). Théoriquement, une petite pompe à chaleur air-air, couplée à un récupérateur de chaleur sur air vicié, pourrait assurer l’appoint de chaleur nécessaire au bâtiment avec un très bon coefficient de performance [Bojić 2000]. Cependant, pour des raisons économiques, cette solution n’est pas présente sur le marché et ne sera pas étudiée ici. La technologie des piles à combustible, qui ne semble pas être suffisamment mûre pour une mise en œuvre dans un bâtiment à énergie positive, n’a pas été retenue pour notre étude. Elle peut toutefois représenter une perspective intéressante pour le stockage saisonnier dans le cas de bâtiments autonomes (cas des piles réversibles ou régénératives). Les apports internes de chaleur, issus du métabolisme des occupants ou du fonctionnement des appareils domestiques doivent être comptabilisés car ils peuvent fortement contribuer au chauffage du bâtiment en hiver ou à sa surchauffe en été.

Table des matières

INTRODUCTION
I CADRE DE LA THESE
I.1 INTRODUCTION
I.2 LE BATIMENT A ENERGIE POSITIVE
I.2.1 Les concepts de bâtiments performants
I.2.2 Définition du bâtiment à énergie positive
I.2.3 Discussion sur la définition proposée
I.2.4 Quelques réalisations de bâtiments performants
I.2.5 Les techniques retenues
I.3 ANALYSE ENERGETIQUE ET ENVIRONNEMENTALE
I.3.1 Méthodes d’évaluation et d’analyse
I.3.2 Les outils de calcul
I.4 CONCLUSION
II MODELISATION D’UN SYSTEME DE VENTILATION INTEGRANT UN ECHANGEUR AIR-SOL
II.1 INTRODUCTION
II.1.1 Principe de l’échangeur sur air vicié
II.1.2 Principe de l’échangeur air-sol
II.1.3 Objectif du chapitre
II.2 LES ECHANGEURS AIR-SOL
II.2.1 État de l’art des modèles d’échangeurs air-sol
II.2.2 Principaux paramètres de dimensionnement
II.2.3 Autres paramètres de dimensionnement
II.2.4 Synthèse
II.3 MODELISATION DU SYSTEME DE VENTILATION
II.3.1 Objectifs du modèle
II.3.2 Structure du modèle
II.3.3 Modélisation de l’échangeur air-sol
II.3.4 Modélisation de l’échangeur sur air vicié
II.3.5 Modélisation de la régulation
II.3.6 Contributions des ventilateurs aux performances du système de ventilation
II.3.7 Conclusion
II.4 MISE EN ŒUVRE INFORMATIQUE DU MODELE
II.4.1 Structure du module de calcul réalisé
II.4.2 Méthodes de l’objet COMPOSANTE_TYPE_6
II.4.3 Paramètres de l’objet COMPOSANTE_TYPE_6
II.4.4 Aperçu de l’interface graphique du module COMPO6
II.5 TEST ET VALIDATION DU MODELE
II.5.1 Évaluation des performances du système
II.5.2 Étude de sensibilité du modèle d’échangeur air-sol
II.5.3 Validation des modèles
II.5.4 Validation du système de ventilation complet
II.6 CONCLUSION
III MODELISATION D’UN SYSTEME DE CHAUFFAGE AERAULIQUE ALIMENTE PAR MICRO-COGENERATION
III.1 INTRODUCTION
III.2 ETAT DE L’ART ET CHOIX DU SYSTEME ETUDIE
III.2.1 Cogénération
III.2.2 Micro-cogénération
III.2.3 Moteur Stirling
III.2.4 Micro-cogénération par moteur Stirling
III.2.5 Chauffage aéraulique et micro-cogénération
III.2.6 Description de l’architecture du système modélisé
III.3 CARACTERISATION SUR BANC D’ESSAI
III.3.1 L’unité de micro-cogénération à moteur Stirling
III.3.2 Description des composants du banc d’essai mis en œuvre
III.3.3 Liste des paramètres mesurés
III.3.4 Stratégie des essais
III.3.5 Essais réalisés
III.3.6 Conclusions
III.4 MODELISATION
III.4.1 Objectifs du modèle
III.4.2 Structure du modèle
III.4.3 Modèle de circuit
III.4.4 Modèle de canalisation
III.4.5 Modèle d’émetteur du chauffage aéraulique
III.4.6 Modèle d’échangeur eau-eau
III.4.7 Modèle de ballon stratifié
III.4.8 Modèle d’eau chaude sanitaire
III.4.9 Modèle du système de micro-cogénération
III.4.10 Hypothèses sur les régulations
III.5 MISE EN ŒUVRE INFORMATIQUE
III.5.1 Structure du module de calcul réalisé
III.5.2 Méthodes de l’objet COMPOSANTE_TYPE_8
III.6 SIMULATION SUR UN CAS DE REFERENCE
III.6.1 Paramètres de simulation pour le cas de référence
III.6.2 Résultats pour le cas de référence
III.7 ETUDE DE SENSIBILITE
III.7.1 Sensibilité à la charge de chauffage
III.7.2 Sensibilité au volume du ballon de stockage
III.7.3 Sensibilité à la position du thermocouple de régulation dans le ballon
III.7.4 Autres phénomènes remarquables
III.8 CONCLUSION
IV APPLICATIONS
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 LES EQUIPEMENTS DU BATIMENT A ENERGIE POSITIVE
IV.2.1 Modèles énergétiques
IV.2.2 Analyse de cycle de vie
IV.3 MAISONS PASSIVES MITOYENNES A FORMERIE
IV.3.1 Présentation du bâtiment
IV.3.2 Modélisation du bâtiment
IV.3.3 Simulations
IV.3.4 Résultats
IV.3.5 Conclusion
IV.4 MAISON DE ST FARGEAU-PONTHIERRY
IV.4.1 Présentation du bâtiment
IV.4.2 Modélisation du bâtiment
IV.4.3 Simulations
IV.4.4 Résultats
IV.5 LOGEMENT SOCIAL COLLECTIF A MONTREUIL
IV.5.1 Présentation du bâtiment
IV.5.2 Modélisation du bâtiment
IV.5.3 Simulations
IV.5.4 Résultats
IV.6 SYNTHESE
IV.6.1 Confort thermique
IV.6.2 Performances énergétiques
IV.6.3 Performances environnementales
IV.7 CONCLUSIONS
V CONCLUSIONS
V.1 CONCLUSIONS TECHNIQUES
V.2 CONCLUSIONS CONCERNANT LE BATIMENT A ENERGIE POSITIVE
V.3 PROLONGEMENTS
SYMBOLES ET NOTATIONS
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
ANNEXE 1 PRESENTATION DETAILLEE DE QUELQUES CONCEPTS DE BATIMENT
ANNEXE 2 ANALYSE DE FOURIER
ANNEXE 3 PARAMETRES D’ENTREE DU MODULE COMPO6 : SYSTEME DE VENTILATION INTEGRANT UN ECHANGEUR AIR-SOL
ANNEXE 4 ETUDE DE MARCHE DES SYSTEMES DE MICRO-COGENERATION
ANNEXE 5 DETAIL DE QUELQUES MODELES APPROCHES DU CYCLE DE STIRLING
ANNEXE 6 INSTRUMENTATION DU BANC D’ESSAI
ANNEXE 7 PHOTOS DU BANC D’ESSAI MIS EN PLACE AU CEP
ANNEXE 8 ETAT DE L’ART DES MODELES DE TEMPERATURE D’EAU FROIDE
ANNEXE 9 DIFFUSION DES TRAVAUX REALISES DURANT CETTE THESE

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