L’efficacité énergétique d’un bâtiment d’habitation

Bilan énergétique

L’évolution de l’humanité est fortement liée à ses ressources énergétiques dont la consommation, accusant une augmentation quasi exponentielle, entraîne des gaz à effet de serre nuisibles à l’environnement. En outre, la production d’énergie mobilise des moyens financiers importants, le prix de revient des ressources pèse toujours lourd dans le budget global des États, même si dans le cas du pétrole il est comparable à celui d’avant la crise pétrolière de 1973.

Depuis le début des années quatre-vingt, les contraintes liées à l’utilisation rationnelle de l’énergie ont conduit à l’optimisation des systèmes énergétiques. À cela viennent s’ajouter les exigences écologiques et de développements durables apparues au début de la décennie quatre-vingt-dix . En 1992 , le Canada a signé et ratifié la convention des Nations Unies sur le changement climatique, au terme de laquelle plus de 150 pays convenaient de travailler à ramener d’ici l’an 2000 leurs émissions de gaz à effet de serre aux niveaux des années quatre-vingt-dix. En 1997, à la troisième conférence qui s’est tenue à Kyoto au Japon, les pays participants, sauf les États-Unis, se sont de nouveau mis d’accord sur un calendrier visant à réduire d’ici 2010 leurs émissions pour les ramener aux niveaux de 1990. Le Canada s’est engagé, quant à lui, à réduire de 6% d’ici l’an 2010 ses émissions de gaz à effet de serre afin de revenir à son niveau de 1990.

Méthodes d’estimation rapide

La méthode la plus simple de prédiction de l’énergie consommée d’un bâtiment est l’examen attentif des anciennes factures d’énergie. Cette technique d’estimation reste valable tant que le bâtiment garde les mêmes caractéristiques au fil du temps. De ce fait, l’utilisation de cette méthode est limitée, car le progrès ne s’arrête pas en ce qui a trait aux matériaux de construction et aux systèmes mécaniques; par conséquent, il y a un remplacement périodique des portes et des fenêtres par des produits plus hermétiques, les enveloppes sont de plus en plus isolantes, les systèmes mécaniques et de contrôle sont plus performants. En outre, cette procédure ne s’applique pas aux nouveaux immeubles qui n’ont pas une base de données préalable.

La méthode de degrés – Jours, la plus simple, est souvent utilisée pour estimer la consommation annuelle d’énergie nécessaire au chauffage. Cette procédure suppose que l’énergie exigée pour le maintien du confort thermique est directement et seulement fonction de la température extérieure.

Méthodes de modélisation

Pour évaluer la consommation de l’énergie dans un bâtiment d’une manière satisfaisante, il faut prendre en considération les principaux paramètres qui influencent la demande d’énergie : la surface et le volume du bâtiment, son orientation, sa géométrie, les matériaux de construction des enveloppes, des murs, des planchers, des toits, des portes et fenêtres, le taux d’infiltration d’air, le gain interne de l’énergie engendré par les équipements, l’éclairage, les occupants et les caractéristiques du système de chauffage, ventilation et conditionnement d’air (CVCA). Les données climatiques incluent la vitesse du vent et sa direction, la température externe et la radiation du soleil sur les surfaces de l’immeuble. Cependant, les facteurs les plus difficiles à intégrer sont ceux qui dépendent du comportement humain , par exemple le taux d’utilisation des appareils électroménagers, le chauffage, l’eau chaude, l’éclairage, l’ouverture des portes et fenêtres, etc.

Les méthodes sophistiquées comme les méthodes de simulation se basent sur le changement des conditions climatiques par tranche d’heures et les caractéristiques opératoires du bâtiment pour des jours typiques de l’année (ou bien l’ensemble des 8760 heures d’opération).

La première étape consiste à déterminer la charge du bâtiment nécessaire au maintien du confort thermique selon les conditions climatiques et le gain interne d’énergie. Durant la seconde étape, la charge est transmise dans le système CVCA, l’équipement prenant en charge le chauffage, le refroidissement et le conditionnement de l’air. Cette étape doit inclure l’ensemble des sortes d’énergie requises par le système CVCA, dont l’énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement des ventilateurs ou des pompes. La troisième étape consiste à calculer l’énergie consommée par le système central. Ce système représente la centrale qui transforme l’énergie du combustible ou l ‘énergie électrique en chaleur ou refroidissement.

Méthode BIN modifiée

La méthode BIN modifiée calcule l’énergie utile pour le chauffage, la ventilation et le conditionnement d’air. Cette approche permet à l’utilisateur de prédire les effets du réchauffement et de la récupération de la chaleur, impossible à déterminer au moyen de la méthode BIN classique.

En outre, les facteurs qui varient avec le temps tels que le gain des radiations solaires, le profil de la consommation des équipements et de l’éclairage, sont intégrés au modèle pour évaluer la charge totale du bâtiment. Une fois la charge totale trouvée, il est possible de déterminer les performances du système CVCA en calculant la charge de chauffage et de refroidissement. Par la suite, la consommation de l’énergie annuelle est calculée en utilisant la base de données des conditions climatiques par tranche d’heures. Finalement, l’énergie consommée annuellement par le système central est calculée par l’utilisation de la performance de la chaudière et du refroidisseur .

Module de charge

Dans l’analyse énergétique par simulation, la quantité de chaleur et de refroidissement demandée est calculée dans un module appelé charge. La charge englobe l’échange de chaleur à travers l’enveloppe, le gain solaire et les gains internes. Dans la majorité des cas, il est nécessaire de modéliser le bâtiment en une série de zones au lieu d’une seule zone. L’utilisateur défini chaque zone par la surface et l’orientation des murs, le pourcentage des vitrages, la conductivité des matériaux de construction du bâtiment et le gain interne. La détermination de la charge sensible du milieu à conditionner constitue la base du calcul de l’énergie par les méthodes de simulations. Les deux méthodes de calcul les plus utilisées dans ces situations sont la méthode de l’équilibre thermique et la méthode des fonctions de transfert.

La méthode de l’équilibre thermique est fondée sur des concepts fondamentaux tels que le premier principe de la thermodynamique et l’algèbre matricielle. Cette technique met donc en œuvre une multitude de calculs pour arriver aux résultats, et par conséquent l’exécution des opérations prend un certain temps. La méthode des fonctions de transfert est un compromis entre les méthodes simples, comme la méthode BIN, et les méthodes sophistiquées comme la méthode de l’ équilibre thermique.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 APERÇU DE LA SITUATION ÉNERGÉTIQUE 
1.1 Bilan énergétique
1.2 Objectif de la recherche 
1.3 Méthodologie
1.3.1 Choix d’un bâtiment réel
1.3.2 Création d’un modèle de bâtiment
1.3.3 Validation du modèle
1.3.4 Étude des paramètres sensibles du modèle
1.3.5 Définition des éléments les plus énergivores
1.3.6 Évaluation des mesures d’économie d’énergie
CHAPITRE 2.MÉTHODES DE CALCUL D’ÉNERGIE
2.1 Méthodes d’estimation rapide
2.2 Méthodes de modélisation 
2.3 Méthode de degrés -jours 
2.3.1 Méthode de degrés -jours classique
2.3.2 Méthode de degrés- jours variable
2.4 Méthode BIN
2.4.1 Méthode BIN classique
2.4.2 Méthode BIN modifiée
2.5 Méthodes de simulation 
2.5.1 Module de charge
2.5.2 Module du système (CVCA)
2.5.3 Module de la centrale
CHAPITRE 3 CHOIX DU LOGICIEL DE SIMULATION 
3.1 Modèles et simulations
3.2 Logiciels de simulation d’énergie
3.3 Logiciel DOE-2E
3.4 Logiciel BLAST 
3.5 Techniques de modélisations des logiciels DOE-2E et BLAST
3.6 Choix du logiciel 
3.7 Structure générale du logiciel DOE-2E 
3.7.1 Fichier d’entrée de DOE-2E
3.7.2 Fichier de sortie de DOE-2E
3. 7.3 Données climatiques pour la simulation
3.7.4 Précision du logiciel DOE-2E
3.8 Aperçu du logiciel EE4 
3 .8.1 Élément Bâtiment
3.8.2 Élément Centrale
3.8.3 Élément Système
3.8.4 Élément Zone
3.8.5 Élément Pièce
3.8.6 Composantes de l’enveloppe
3.8.7 Fenêtres et portes
3.8.8 Simulation
CHAPITRE 4 ÉTUDE DE CAS 
4.1 Sélection du bâtiment 
4.2 Description du bâtiment
4.2.1 Niveau sous-sol
4.2.2 Les étages 1 à 6
4.3 Élaboration du fichier bâtiment dans EE4 
4.3 .1 Information générale sur le bâtiment
4.3.2 Définition de l’installation centrale
4.3.3 Définition des systèmes
4.3.4 Zonage
4.3.5 Modélisation de l’enveloppe du bâtiment
4.3.6 Modélisation du système d’éclairage
4.3.7 Opération des équipements électriques
4.4 Paramètres des variables d’entrée 
CHAPITRE 5 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
5.1 Résultats de la simulation 
5.2 Validation du modèle
5.2 .1 Premier test de simulation
5 .2.2 Second test de validation
5.2.3 Résultats du test de validation
5.3 Sources de différence 
5.4 Étude des paramètres sensibles
5.4.1 L’impact de l’enveloppe du bâtiment
5.4.2 Impact de l’infiltration
5.4.3 Impact de l’éclairage
5.4.4 Impact de l’efficacité de la chaudière
5.4.5 Impact de la ventilation
5 .4.6 Coût des matériaux de construction
5.5 Modèle final 
CONCLUSION

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