Développement des BBC et réexamen de la modélisation des systèmes énergétiques

Développement des BBC et réexamen de la modélisation des systèmes énergétiques 

La réduction de la consommation énergétique des bâtiments est une préoccupation internationale grandissante depuis le premier choc pétrolier de 1973, jusqu’à nos jours marqués par le dérèglement climatique. Pour répondre à ces enjeux, des mesures ont été mises en place afin d’améliorer l’efficacité énergétique du bâtiment. La première partie de ce chapitre contextuel est consacrée à l’évolution de la performance énergétique des bâtiments. Parallèlement à cette amélioration de l’efficacité énergétique des bâtiments, l’informatique (software et hardware confondus) s’est considérablement développée permettant l’élaboration d’outils de calcul toujours plus poussés pour l’évaluation de la consommation énergétique des bâtiments. L’évolution de la modélisation énergétique des bâtiments est présentée dans une seconde partie. La réduction de la consommation énergétique des bâtiments et le développement d’équipements de chauffage, rafraichissement, ventilation et production d’eau chaude sanitaire plus performants et plus complexes nécessitent un réexamen de la modélisation des systèmes énergétiques des bâtiments. La troisième partie fait converger les deux premières pour observer dans quelle mesure les outils actuels de simulation énergétique des bâtiments doivent évoluer pour répondre aux contraintes des bâtiments dits BBC, pour « Bâtiments à Basse Consommation d’énergie ».

Evolution des bâtiments et de leur consommation énergétique

Le secteur du bâtiment représente près d’un tiers des consommations énergétiques totales dans de nombreux pays [IEA, 2011]. En France, il absorbe près de 44% de la consommation totale d’énergie finale en 2011 ∗ . Afin de réduire la consommation énergétique de ce secteur particulièrement énergivore, des mesures ont été appliquées qui visent à réduire par 4 la consommation des bâtiments existants. Par la suite, l’évolution de la consommation énergétique des bâtiments est présentée en trois temps : passé, présent, futur.

Historique des consommations énergétiques des bâtiments

Depuis le premier choc pétrolier de 1973, de nombreuses mesures volontaristes et réglementaires ont été mises en place dans différents pays [Harvey, 2006] visant à réduire la facture énergétique liée au secteur du bâtiment. Aux États-Unis, la première mesure sur la consommation énergétique a été développée par l’ASHRAE en 1974 pour les bâtiments du tertiaire : ASHRAE 90.1-1975. La réglementation des bâtiments est régie par les juridictions des états. Pour le secteur tertiaire, plusieurs normes ont été établies par l’ASHRAE (1980, 1989, 1999, 2001, 2004, 2007, 2010, 2013). En janvier 2013, l’ASHRAE 90.1-2007 est la plus appliquée avec un total de 33 états l’ayant adoptée [BCAP, 2012]. Cette norme fixe des valeurs seuil de performance pour les bâtiments et les systèmes (par exemple, elle impose des minima pour la résistance des parois et les niveaux de performances des machines thermodynamiques). L’ASHRAE a également développé un standard pour les bâtiments du secteur résidentiel en 1993 (ASHRAE 90.2) qui est peu utilisé au profit de l’International Energy Conservation Code (IECC). Ce dernier est issu du Model Energy Code, MEC, (1992, 1993, 1995) proposé par le gouvernement fédéral. Parmi les différentes versions de la norme (1998, 2000, 2003, 2006, 2009, 2012), le code 2009-IECC est le plus utilisé dans les états américains au 1er janvier 2013 [28 états d’après BCAP, 2012].

Comme aux États-Unis, la consommation globale du parc résidentiel français a tendance à se stabiliser avec une part croissante des usages électriques (avec un léger déclin entre les années 2010 et 2011). Cependant, malgré la diminution de la consommation du poste de chauffage ces dix dernières années, celui-ci représente toujours en 2013, 68% des besoins énergétiques (en énergie finale) du parc résidentiel français [CEREN, 2013].

Avec une part de 40% de la consommation énergétique (tous secteurs confondus), la mise en place de mesures visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments semble un levier important et technologiquement accessible pour la réduction de la consommation énergétique. Malgré un impact relativement lent sur la consommation énergétique à l’échelle nationale, la consommation énergétique dans les nouveaux bâtiments a fortement diminué ces dernières années [Haas et al., 1998 ; Zimmermann, 2004], au point que le comportement énergétique de ces bâtiments performants se démarque fortement des bâtiments existants.

Etat actuel : les bâtiments BBC, définition et comportement énergétique

Le terme « Bâtiment à Basse Consommation d’énergie » (BBC) a une définition différente suivant l’époque et le pays dans lequel il est utilisé. Il est donc important que ce terme soit défini dans la thèse. Ensuite quelques impacts liés à la performance énergétique de ces bâtiments sont présentés.

Caractérisation d’un BBC : « Bâtiment à Basse Consommation d’énergie »

La notion de BBC, ou Low energy building en anglais, est un concept récent qui découle des améliorations successives de la performance énergétique des bâtiments présentées dans la partie précédente. Le terme de « low energy building » apparait pour la première fois en 1973 dans une publication de Mackillop [1973] mais les recherches académiques n’ont évolué exponentiellement qu’à partir du protocole de Kyoto (1997) (voir Figure 1.3 présentant le nombre de références propres aux termes de « low energy building(s) », « zero energy building(s) » ou « passive house(s) » à partir des bases accessibles sur Google Scholar).

Le concept de bâtiment à basse consommation d’énergie est désormais très répandu mais sous des appellations différentes. En effet, l’amélioration de la performance énergétique est souvent mise en place sur les postes les plus énergivores et/ou pour lesquels existent des solutions techniquement et économiquement viables. Dans la pratique, la réduction de la consommation énergétique est mise en application différemment suivant les pays en fonction de différents facteurs :
– la rigueur climatique. Le label Passivhaus ∗ préconise l’utilisation d’un système de ventilation par double-flux avec récupération d’énergie car cet équipement permet un gain considérable de chaleur pour les hivers rudes de l’Allemagne, ce qui n’est pas le cas d’un bâtiment situé dans le sud de l’Europe [Fouih et al., 2012].
– la part de la climatisation. Aux États-Unis, les systèmes de climatisation sont très répandus. Dès 1989, l’ASHRAE préconise des seuils de performance minimale pour ces systèmes (ASHRAE 90.1-1989).
– le potentiel d’utilisation des ressources d’énergie renouvelable. Par exemple, en Espagne, l’Ordonnance Solaire Thermique profite du climat ensoleillé méditerranéen. Elle est initialement mise en œuvre en 1999 à Barcelone, puis impose à partir de 2006 à tous les bâtiments neufs d’Espagne l’utilisation de panneaux solaires thermiques pour la production d’eau chaude sanitaire [ADEME et al., 2007].
– le coût des ressources énergétiques. Le consommateur peut être amené à choisir d’investir dans telles ou telles mesures de performance énergétique en fonction d’un calcul économique intégrant la réduction de la facture énergétique en fonction du coût des énergies (par exemple, renouvellement d’une chaudière par une pompe à chaleur).
– la composition du parc énergétique. Les mesures législatives ont tendance à viser la part du parc de bâtiments la plus énergivore. A ce titre, les deux premières réglementations thermiques françaises ont été élaborées pour les bâtiments résidentiels uniquement (RT1974 et RT1988).

Les mesures volontaristes (labels, aides au financement, etc.) ou contraignantes (textes de loi) se présentent donc sous des formes diverses suivant les pays. De plus, dans le cas de mesures instaurant des seuils de consommation d’énergie, le nombre d’usages (chauffage, usage spécifique, production d’énergie renouvelable décentralisée, etc.) pris en compte peut varier fortement [Marszal et al., 2011].

Face au grand nombre de définitions, une première définition générique définissant le concept de « Bâtiment à basse consommation d’énergie » est établi à partir de la définition de « Sustainable buildings » établie par Harvey [2006] : « buildings whose on-site energy use can eventually be met entirely through renewable energy, either through active building-integrated solar and wind energy or from energy grids. From this it was argued that the gross on-site energy intensity of new buildings needs to be reduced by a factor of four or five in OECD countries and by a factor of three to four in non OECD countries, compared to the average of existing buildings ». Cette définition ne caractérise pas les « Bâtiment à basse consommation d’énergie » mais la notion d’une consommation suffisamment faible pour pouvoir avoir un bilan de consommation annuelle nulle ou positif s’inscrit dans la logique de la future génération de bâtiments. Les besoins énergétiques seront toujours existants sont alors définis par leur capacité à les minimiser (forte isolation, ventilation performante, production d’eau chaude à partir de l’énergie solaire) pour que le bâtiment puisse éventuellement couvrir ses besoins à partir d’une production locale d’énergie d’origine renouvelable.

Table des matières

Introduction générale
1 Développement des BBC et réexamen de la modélisation des systèmes énergétiques
1.1 Evolution des bâtiments et de leur consommation énergétique
1.2 Evolution de la modélisation énergétique des bâtiments
1.3 Modélisation des systèmes énergétiques adaptée à la simulation énergétique des BBC
1.4 Choix de bouquets énergétiques « BBC »
2 Développement de modèles adaptés aux BBC et règles retenues
2.1 Modèle de bâtiment : présentation de l’environnement de simulation
2.2 PAC air/air tout ou rien – Qu’implique un modèle dynamique ?
2.3 Plancher chauffant – Comment modéliser un système énergétique intégré à l’enveloppe ?
2.4 Chaudière à condensation – Comment modéliser et connaître les phénomènes prépondérants ?
2.5 PAC air/air à vitesse variable – Etude complète avec validation expérimentale
3 Interaction bâtiment et systèmes énergétiques
3.1 Présentation d’un assemblage type d’un bâtiment et de son système énergétique
3.2 Dans quelle mesure la simulation dynamique affine-t-elle le dimensionnement des systèmes énergétiques dans les BBC ?
3.3 Étude de la dynamique des systèmes énergétiques
Conclusion générale
Bibliographie

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