Garantir la performance énergétique des bâtiments

Pourquoi garantir la performance énergétique des bâtiments ?

Contexte énergétique mondial

La demande en énergie primaire ayant doublé durant les trois dernières décennies (IEA, 2014), l’épuisement conséquent des ressources naturelles est devenu une préoccupation mondiale majeure. La communauté internationale s’est fixée, lors de la conférence de Copenhague en 2009, de diminuer l’émission de gaz à effet de serre ainsi que les consommations énergétiques globales avant 2020 afin de ne pas dépasser une augmentation de la température moyenne de 2°C avant la fin du siècle (COP15 2009). Cette problématique est d’autant plus d’actualité qu’en Novembre 2015 est organisée la COP21 (Conférence pour le Climat) à Paris, durant laquelle chaque État participant définira de nouveaux objectifs pour lutter contre le réchauffement climatique et l’épuisement des ressources (COP21 2015).

Selon les statistiques de l’IEA, les bâtiments sont responsables de 32% de la consommation d’énergie finale totale et représenteraient plus de 40% de la consommation l’énergie primaire dans la plupart des pays de l’IEA (IEA, 2015). Les besoins des bâtiments représentent 43% d’énergie primaire en France (ADEME, 2011), devant les secteurs du transport et de l’industrie. De ce fait, différentes initiatives internationales ont été adoptées pour créer des bâtiments durables et garantir leur performance. Par exemple, l’Union Européenne a statué qu’à partir du 31 Décembre 2020, tous les nouveaux bâtiments devront présenter une consommation d’énergie quasi-nulle (« Nearly Zero Energy »), c’est-à-dire produire leur propre énergie et en consommer le moins possible (European Union 2012). Chaque État a proposé un plan d’action pour arriver à cet objectif (European Comission 2015). À l’échelle nationale, la France a publié le 17 Aout 2015 la loi « relative à la transition énergétique pour la croissance verte », visant à réduire les consommations énergétiques globales et l’utilisation d’énergies fossiles en faveur d’un bouquet énergétique principalement constitué de ressources renouvelables (LOI n° 2015-992, JORF, 2015). Le Titre II de la loi, nommé « Mieux rénover les bâtiments pour économiser l’énergie, faire baisser les factures et créer des emplois » a notamment pour objectif d’encourager la création de bâtiments à énergie positive conformément à la Réglementation thermique 2020 prévoyant que chaque nouveau bâtiment construit après 2020 soit totalement autonome énergétiquement.

Ces nouvelles réglementations demandent aux différents acteurs d’être particulièrement vigilants sur les consommations énergétiques des bâtiments. Aussi, ces initiatives à l’échelle nationale ou internationale mènent les entreprises à créer de nouvelles solutions énergétiques pour assurer ces objectifs, mais demandent également d’adopter de nouvelles stratégies pour assurer les acheteurs ou exploitants que les bâtiments respectent bien les normes exigées. C’est pourquoi la problématique de la garantie de performance énergétique des bâtiments est désormais un enjeu majeur pour l’ensemble des décideurs de la construction de bâtiments.

Un nouveau défi pour les constructeurs et installateurs 

Au regard des différentes initiatives internationales, les bâtiments neufs doivent consommer le moins d’énergie possible. Or, les bâtiments à basse consommation ont un comportement thermique différent des bâtiments existants.

En effet, pour optimiser la gestion de l’énergie, les déperditions thermiques sont minimisées notamment grâce à une meilleure isolation, des doubles vitrages et une meilleure gestion des infiltrations d’air (Goffart 2013). De ce fait, les apports internes dus aux occupants et aux équipements ont des effets bien plus importants que dans les bâtiments « classiques » et la corrélation entre consommation et température extérieure devient moins évidente, comme le montre l’étude de Mohareb & al (2011). Les nouveaux enjeux de ces bâtiments consistent donc à optimiser les transferts thermiques dans le bâtiment en profitant notamment au maximum des apports solaires et en utilisant des systèmes de ventilation naturelle pour diminuer les besoins de refroidissement. Les systèmes CVC (chauffage, ventilation et climatisation) utilisés dans ces bâtiments doivent être régulés de manière optimale afin d’adapter leur fonctionnement à la charge pour consommer le moins possible sans pour autant altérer le confort des occupants.

Ces nouveaux enjeux bouleversent la construction des bâtiments neufs : en plus de livrer un bâtiment conforme au cahier des charges, la consommation du bâtiment et le confort des occupants doivent être garantis après construction et tout au long de l’exploitation du bâtiment. Garantir la performance énergétique d’un bâtiment avant construction consiste à prédire l’énergie nécessaire pour fournir aux utilisateurs le confort et les fonctionnalités attendues (IEA, 2010). Ces attentes sont fortes pour les maîtres d’ouvrage, acquéreurs ou locataires qui souhaitent que les promesses de consommations énergétiques correspondant à un label ou à une réglementation thermique soient respectées lors de l’exploitation du bâtiment (Costa and Jouvent 2012). Des garanties peuvent être requises par des banquiers ou inscrites dans les contrats de location dans le cas de baux verts, désormais obligatoires pour la location de bureaux de plus de 2000 m² à usage de bureaux ou de commerce, selon la Loi Grenelle II du 12 juillet 2010 (LOI n° 2010 788, JOFR, 2010).

Qu’attend-on d’une garantie de performance énergétique ?

Les acteurs d’un projet de construction

Lors d’un projet de construction, différents acteurs entrent en jeux : le maître d’ouvrage, le maître d’œuvre et les entreprises. La loi « relative à la maîtrise d’ouvrage publique et à ses rapports avec la maîtrise d’œuvre privée » dite loi MOP (Loi n° 85-704, JORF 2015b) définit, pour les marchés publics, la relation entre maîtrise d’ouvrage et maîtrise d’œuvre, dont nous allons définir les rôles et attentes.

La maîtrise d’ouvrage (MO) est l’entité formulant le besoin et définissant l’objectif du projet de construction. Le maître d’ouvrage est le client (par exemple une collectivité, une chaîne hôtelière, un aéroport, etc.) à qui sera livré le projet réalisé (l’ouvrage). Dans la majorité des cas, celui-ci n’a pas forcément ni les compétences techniques ni le temps d’assurer en intégralité la bonne réalisation de l’ouvrage. Aussi, il peut faire appel à un AMO : assistant à maîtrise d’ouvrage l’aidant à définir et piloter le projet. Le rôle de la maîtrise d’ouvrage est de formaliser les caractéristiques du projet, sa localisation, le calendrier à respecter ainsi que l’enveloppe globale. Il doit également s’assurer de la faisabilité du projet. À ce titre, il est juge final des arbitrages concernant les coûts et le calendrier : c’est lui qui démarre la réalisation du projet et réceptionne le bâtiment une fois achevé.

La maîtrise d’œuvre (MOE) désigne l’entité qui mettra en place le processus pour réaliser l’ouvrage dans les conditions de coûts, délais et performance exigés par le maître d’ouvrage. La maîtrise d’œuvre est constituée de professionnels du bâtiment (architectes et bureaux d’études) dont la mission principale est de proposer une offre architecturale, technique et économique conforme aux besoins du maître d’ouvrage. Le maître d’œuvre est chargé de concevoir le projet (plan des locaux, architecture), d’élaborer les cahiers des clauses techniques particulières (CCTP) définissant les caractéristiques précises des travaux à exécuter (électricité, gros œuvre, CVC, etc.). Il doit, de plus, s’assurer de la bonne réalisation des travaux respectant les délais et budgets. Pour cela, il assure l’interface entre le maître d’ouvrage et les entreprises de réalisation.

Les entreprises de réalisation sont choisies par le maître d’ouvrage, éventuellement d’après les conseils du maître d’œuvre. Leur rôle est d’effectuer les travaux nécessaires à la réalisation du projet, en respectant les contraintes définies dans les CCTP. Ces entreprises appartiennent à différents corps de métier selon les objectifs du projet (électricité, CVC, génie civil, etc.). Dans le cadre d’un marché public, les entreprises et la maîtrise d’œuvre ne doivent pas présenter de liens juridiques. Cette limite n’est plus présente dans le cadre d’un marché privé, on parle alors de « constructeur » ou de « contractant ».

Les différents types de projets de construction et leurs étapes 

Schématiquement, la vie d’un bâtiment se déroule en trois phases : la conception, la construction et l’exploitation. Les marchés publics sont soumis à des procédures décrites dans le code des marchés publics (Code Des Marchés Publics, 2006). En général, les marchés privés utilisent la même structure de projet, bien qu’ils ne soient pas soumis aux mêmes obligations juridiques :

❖ L’étude de faisabilité: Avant la phase concetion, un diagnostic préalable est réalisé par le maître d’ouvrage afin d’évaluer la faisabilité générale du projet, comme par exemple des analyses hydrogéologiques et le repérage de l’existant.
❖ La conception est la phase pendant laquelle la maîtrise d’oeuvre définit les plans du bâtiment et choisit les systèmes énergétiques qui l’équiperont. Traditionnellement, la conception se déroule en suivant ces étapes :
o La programmation et les études préalables : Le maître d’ouvrage évalue les attentes et objectifs du projet afin de définir un programme en tenant compte des moyens à sa disposition, il établit un budget et un planning prévisionnel.
o L’esquisse est la phase durant laquelle un premier exposé du programme est réalisé. C’est une phase essentiellement architecturale durant laquelle une première étude volumétrique est réalisée. Pendant cette étape, sont établis les premiers plans du bâtiment ainsi qu’une étude de faisabilité technique, afin de confronter le budget aux solutions techniques souhaitées. À la fin de cette étape sont fournis les premiers plans de masse, de coupe, de façade ainsi qu’une description générale du fonctionnement technique du bâtiment, alliés à un planning et une estimation financière du projet.
o L’APS (avant-projet sommaire) est l’étape où les choix réalisés durant l’esquisse sont précisés et adaptés aux réglementations. C’est une phase de réajustement du projet et de concertation entre la maîtrise d’ouvrage et la maîtrise d’œuvre. Les documents de l’esquisse sont précisés ou validés. Durant cette phase, une première estimation des performances du bâtiment peut être proposée. Cependant, il faudra tenir compte du fait que les paramètres techniques ne sont pas arrêtés et peuvent être amenés à évoluer. o L’APD (avant-projet détaillé) est la phase qui va aboutir à la constitution d’un dossier de demande de permis de construire. Aussi, les dimensions précises du bâtiment, les choix techniques et constructifs et l’estimation financière et temporelle du projet seront affinés et arrêtés. L’estimation de la performance proposée durant la phase d’APS peut être précisée en tenant compte des nouveaux éléments du dossier.
o Projet (PRO) : cette phase permet d’établir la description technique détaillée du bâtiment. Chaque lot ou ouvrage est décrit précisément. À l’issue de cette phase sont produits les CCTP (cahiers des clauses techniques particulières) pour chaque lot, le planning détaillé, le règlement de consultation et le CCAP (cahier des clauses administratives particulières).
o DCE : Le DCE (dossier de consultation des entreprises) permet d’établir les devis et de fixer les interventions sur le chantier. Dans un projet « classique », c’est seulement à cette phase que les enteprises commencent à participer, en répondant à un appel d’offre à partir du DCE. C’est le maître d’ouvrage qui choisit les entreprises participant au projet.
o La phase d’exécution : C’est durant cette phase que la maîtrise d’œuvre, ou plus communément les entreprises de réalisation, établissent tous les plans détaillés nécessaires permettant la réalisation de l’ouvrage. Ils fournissent les plans d’exécution ainsi que les spécifications à l’usage du chantier.
❖ La construction/mise en œuvre : Pendant cette étape, le planning établi et validé lors de la phase projet est mis à exécution. Chaque lot réalise les travaux nécessaires à la construction du programme. Le terrassement est tout d’abord réalisé, puis, les fondations et le gros œuvre comprenant l’ensemble des ouvrages enterrés nécessaires à la stabilité de la construction interviennent. Le clos (enveloppe extérieure) et le couvert (charpente et toiture) sont construits. Les lots techniques (chauffage, plomberie, électricité) sont installés pour ensuite laisser place au second œuvre et finitions (pose des cloisons, décoration). Une phase d’essais techniques de mise au point précède la livraison du bâtiment. Toutes les étapes de la construction peuvent être sujettes à des malfaçons, adaptations techniques ou travaux modificatifs générant des écarts entre les hypothèses retenues pour la simulation et la consommation réelle du bâtiment. Aussi, l’établissement de la valeur de performance énergétique garantie doit encore tenir compte d’un risque de modification, sans, bien entendu, pouvoir les prédire en amont.
❖ L’exploitation est la phase de vie et d’utilisation du bâtiment, gérée par une entreprise exploitante en assurant la maintenance. Cette entreprise peut parfois être la même que celle qui a construit le bâtiment. Une instrumentation adaptée du bâtiment peut être installée, et permet de mesurer la consommation réelle et ainsi la comparer à celle qui était proposée par simulation lors de la phase conception. L’usage du bâtiment par les occupants ainsi que la météo diffèrent des scénarios simulés. Aussi, lors de la création d’un contrat de performance énergétique, il faudra prévoir de tenir compte des écarts liés à l’usage et à la rigueur climatique .

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : Garantir la performance énergétique des bâtiments : contexte et enjeux
1.1. Pourquoi garantir la performance énergétique des bâtiments ?
1.1.1. Contexte énergétique mondial
1.1.2. Un nouveau défi pour les constructeurs et installateurs
1.2. Qu’attend-on d’une garantie de performance énergétique ?
1.2.1. Les acteurs d’un projet de construction
1.2.2. Les différents types de projets de construction et leurs étapes
1.2.3. Comment définir un engagement de performance énergétique ?
1.2.4. Définition de l’engagement
1.3. La simulation thermique dynamique, une réponse limitée à la garantie de performance
1.3.1. Qu’est-ce que la simulation thermique dynamique ?
1.3.2. Les outils de simulation thermique dynamique
1.3.3. Les limites de la simulation thermique dynamique
1.3.4. Identification des sources d’incertitude dans la simulation thermique dynamique
1.4. La prise en compte des incertitudes en simulation thermique dynamique
1.4.1. Terminologie
1.4.2. Le couplage physico-probabiliste pour garantir la performance énergétique
1.4.3. Approches existantes
1.5. Objectifs de la thèse
Chapitre 2 : Définition du modèle physico-probabiliste
2.1. Comment appréhender les différentes formes d’incertitudes ?
2.1.1. Incertitudes liées aux pratiques de modélisation
2.1.2. Incertitudes de mise en œuvre
2.1.3. Incertitudes d’exploitation
2.2. Constitution du modèle physique
2.2.1. Modélisation du bâtiment : le zonage thermique
2.2.2. Modélisation des systèmes et phénomènes physiques
2.3. Choix des paramètres probabilistes
2.3.1. La nécessité de réduire le nombre de paramètres d’entrée
2.3.2. Présentation du cas d’étude
2.3.3. Sélection des paramètres d’entrée
2.3.4. Regroupement de paramètres
2.3.5. Agrégation de paramètres par une étude préliminaire : le cas des ventilateurs
2.3.6. Application de la méthode au bâtiment Porte de Retz
2.4. Sélection des densités de probabilité
2.5. Création du modèle probabiliste du bâtiment Porte de Retz
2.5.1. Centrales de traitement d’air
2.5.2. Pompes à chaleur
2.5.3. Réseaux de distribution
2.5.4. Bâtiment
2.5.5. Usage et consignes
2.6. Résumé de la démarche
Chapitre 3 : Choix des méthodes de propagation des incertitudes et d’analyse de sensibilité
3.1. Quelles méthodes statistiques pour garantir les performances ?
3.1.1. Revue des études d’analyse de sensibilité dans le domaine du bâtiment
3.1.2. Revue des études de propagation des incertitudes dans le domaine du bâtiment
3.2. Analyse et sélection des méthodes statistiques
3.2.1. Panel des méthodes identifiées
3.2.2. Criblage
3.2.3. Méthodes d’échantillonnage
3.2.4. Méthodes d’approximation
3.2.5. Métamodèles
3.3. Résumé des méthodes sélectionnées
Chapitre 4 : Application des méthodes sélectionnées
4.1. Environnement expérimental
4.1.1. Outils utilisés
4.1.2. Comment réaliser le couplage physico-probabiliste ?
4.1.3. Structure du code de calcul
4.2. Méthodes de criblage
4.2.1. Comparaison entre la méthode de Morris et le Cumul Quadratique avec les scénarios d’occupation
4.2.2. Comparaison entre la méthode de Morris et le Cumul Quadratique sans les scénarios d’occupation
4.3. Analyses de distribution et de dispersion
4.4. Analyses de fiabilité
4.5. Analyses de sensibilité
4.5.1. Analyses de sensibilité globales
4.5.2. Analyses de sensibilité locales
4.6. Métamodèles
4.6.1. Décomposition fonctionnelle creuse en polynômes du chaos
4.6.2. Approximation par polynômes du chaos et non-régularité
4.7. Conclusion : choix de la méthode statistique
4.7.1. Identification des contraintes du modèle
4.7.2. Choix de la méthode selon les objectifs
Chapitre 5 : Méthodologie d’élaboration d’un contrat de garantie de performance
CONCLUSION

Lire le rapport complet