Soutenance mémoire
Réglementation Thermique 2005 (RT2005)
La Réglementation Thermique RT2005 s’inscrit dans la continuité de la RT2000. Toutes deux se basent sur le principe de comparaison du bâtiment à construire avec un bâtiment théorique dit « de référence » qui est le jumeau du projet de construction. Le bâtiment de référence a la même géométrie et respecte les exigences minimales de la réglementation thermique. L’objectif est de réaliser un bâtiment dont la consommation énergétique pour le chauffage, le refroidissement et l’ECS est inférieure à celle du bâtiment de référence. Cette exigence est la même pour l’individuel et le collectif et elle dépend de la zone climatique et du type d’énergie
Réglementation Thermique actuelle (RT2012)
En 2010, 12 groupes de travail ont contribué à l’élaboration d’une nouvelle réglementation thermique, plus adaptée au contexte énergétique français, appelée la RT2012. Elle sert essentiellement à réglementer la performance des bâtiments neufs. Les objectifs visés étaient au cœur du programme du Grenelle de l’environnement, à savoir la réduction des consommations d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre, ce qui contribue à l’indépendance énergétique nationale. Concernant les améliorations apportées par la RT2012, seule l’exigence sur le confort d’été est au même niveau que la RT2005. Le modèle de calcul est entièrement réécrit et les résultats issus des calculs sont comparés avec d’autres outils de simulation thermique dynamique. La consommation énergétique dans la zone H2 est passée à 50 kWhep/m2 /an tous usages. Cette valeur est modulée en fonction de la zone climatique (65 kWhep/m²/an dans le Nord-Est contre 40 kWhep/m²/an dans le Sud-Est pour le résidentiel). Un sous découpage de zones climatiques a aussi été adopté. En tout, huit zones au lieu de trois sont considérées : H1a, H1b, H1c, H2a, H2b, H2c, H2d et H3 (Fig. 1.3). Le tableau 1.5 compare les valeurs limites des consommations fixées par la RT2005 et la RT2012. Les nouvelles exigences présentées dans la RT2012 se répartissent sur quatre volets :
– Exigence sur l’efficacité énergétique du bâtiment (afin d’encourager la conception bioclimatique : Besoin bioclimatique maximal Bbiomax ;
– Exigence de consommation maximale : Cmax ;
– Exigence de confort d’été (exigence conservée) : Tic ≤ Tic ref ;
– Exigences minimales : utilisation des énergies renouvelables, traitement de la perméabilité à l’air, traitement des ponts thermiques, comptage d’énergie par usage, etc.
Label BBC-Effinergie
Créé en 2007, le label français BBC-Effinergie est la marque de promotion du label officiel BBC [MAE10]. Comme pour le label BBC, la consommation énergétique globale ne doit pas dépasser 50 kWhep/m2 /an dans un logement neuf. Cette valeur est fonction de la zone climatique et de l’usage du bâtiment. Pour les bâtiments existants, la limite de la consommation d’énergie est fixée à une valeur de 80 kWhep/m2 /an.Le label BBC-Effinergie applique la méthode de calcul de la RT2005. La perméabilité à l’air, sous une dépression de 4 Pa, ne doit pas dépasser 0.6 m3 /h/m2 pour une maison individuelle et 1 m3/h/m2 pour les logements collectifs. Les exigences de BBC-Effinergie s’étendent aussi à l’isolation thermique. Le coefficient de déperditions thermiques des parois opaques doit être inférieur à 0.2 W/m2.K et celui des ouvrants et vitrages ne doit pas dépasser 1.4 W/m2.K ([MAE10]). La Figure 1.4 compare les niveaux de performance exigés par les labels français.
Enveloppe du bâtiment
De nos jours, l’enveloppe du bâtiment est l’un des postes les plus concernés par la réglementation. Plusieurs études sur l’isolation, l’inertie thermique, les enveloppes passives et hybrides ont été menées afin de créer des perspectives d’application sur les bâtiments Al-Houmoud ([ALH05]) et Okba ([OKB05]) ont mené deux études portant sur l’intérêt de l’isolation de l’enveloppe. Il a été montré que dans les régions caractérisées par des climats chauds, l’isolation de la toiture est plus recommandée que celle des murs et planchers, car elle est la plus exposée au rayonnement solaire direct en été pendant toute la journée. Les auteurs ont souligné la préférence de certains matériaux d’isolation par rapport à d’autres et la manière dont sont disposées les couches d’isolant. Certes, ces investigations ont été conduites pour des constructions n’étant pas dans un climat froid. Néanmoins, ces travaux ont apporté une valeur ajoutée quant à l’efficacité énergétique d’une enveloppe isolée et son impact sur la performance énergétique du bâtiment. Ceci est valable quelles que soient les conditions extérieures. Il a été conclu que la toiture doit être soigneusement isolée et ce pour les climats chauds et froids. Par ailleurs, Dombayci ([DOM07]) a conduit une investigation expérimentale afin d’évaluer l’épaisseur optimale de l’isolant (isolation extérieure). L’étude concerne une construction située à Denizli (Turquie) qui est caractérisée par un climat froid où l’hiver dure environ cinq moins en moyenne. Les résultats ont montré que lorsqu’une épaisseur optimale est retenue (lors de la rénovation), la consommation du charbon utilisée dans le chauffage du bâtiment étudié diminue de 46 % entrainant une réduction des émissions de CO2 d’environ 41 % par rapport à un bâtiment non isolé. Ozel et al. ([OZE07]) a quant à lui étudié, par voie numérique, la disposition optimale de l’isolant dans les murs extérieurs qui permet d’avoir un temps de déphasage et un taux d’amortissement importants. Le temps de déphasage est défini par la différence des temps où les températures des surfaces externe et interne de la paroi atteignent leurs maximas. Le taux d’amortissement est évalué par le rapport des écarts de températures maximales des faces extérieure et intérieure de la paroi. Ces deux paramètres permettent de donner une idée sur la capacité de la paroi à amortir les pics de la température extérieure et à retarder les déperditions thermiques. Nous verrons dans les chapitres quatre et cinq des exemples de calcul de ces paramètres.
Modèles multizones
Particulièrement adaptés pour simuler le mouvement de l’air et la distribution des espèces (polluants divers, vapeur d’eau…), les modèles multizones traitent le bâtiment comme un ensemble de zones parfaitement et instantanément mélangées ([MOR03]). Ils prédisent le comportement thermique et aéraulique du bâtiment grâce à une application des équations de conservation de la masse, de l’énergie et des espèces. Ces modèles ont été utilisés pour le dimensionnement des systèmes de ventilation, l’étude et l’analyse des mouvements de l’air intérieur et la simulation aéraulique des fumées en cas d’incendie. Cependant, à l’instar des modèles monozones, de fortes hypothèses, relatives à l’homogénéisation de l’air intérieur, ont été adoptées. En effet, ces modèles rencontrent des limites dans le cas d’une forte hétérogénéité de l’air à l’intérieur de la zone notamment pour les bâtiments ayant des espaces internes volumineux ([WAN07]).
Modèles boîte noire
Le fonctionnement interne n’est pas décrit. Ce type de modèle permet tout simplement une résolution numérique du problème sans fournir d’interprétation physique. La méthode de résolution est basée sur des relations empiriques qui lient les paramètres d’entrée et de sortie. Ces relations sont le produit d’une analyse de régression qui nécessite des mesures expérimentales. En outre, on obtient un modèle très simple, des résultats précis en un temps de calcul réduit. A l’image du modèle de Givoni et la méthode des plans d’expériences (Cf. §II.1.1 et §II.1.2), les modèles boîte noire ont montré leurs limites quant à la nécessité des mesures expérimentales qui requièrent des moyens importants. De plus, l’étude d’optimisation n’est pas basée sur une compréhension physique des phénomènes. Elle n’est donc pratique que dans le cas d’une prédiction du comportement thermique du bâtiment pour un éventuel dimensionnement. L’inconvénient de ce type de modèles est leur manque de flexibilité: l’algorithme utilisé exige des données d’entrée et retourne un ensemble de variables de sortie.
Modèles pseudo-Bond Graphs des parois
A travers l’enveloppe du bâtiment, les modes de transfert de chaleur sont classiquement la conduction, la convection et le rayonnement. Pour simplifier, le transfert de chaleur convectif et radiatif est généralement représenté par un seul coefficient global de transfert de chaleur ou sous forme de résistances superficielles intérieure ܴ௦ et extérieureܴ௦. La Réglementation Thermique 2012 propose des valeurs calculées de ܴ௦ et ܴ௦, en fonction de différentes configurations, et suggère d’utiliser ces valeurs en cas d’absence d’informations spécifiques sur les conditions aux limites des surfaces planes. On considère que le transfert thermique à travers les parois étudiées est instationnaire et unidimensionnel. On suppose aussi que le matériau est isotrope et homogène. Nous proposons d’étudier le transfert de chaleur à travers deux types de parois constituant essentiellement l’enveloppe d’un bâtiment simple [MER11a]. Le premier cas est un mur avec conditions de Fourier de part et d’autre (Fig. 3.1a). Le deuxième cas est une dalle sur terre-plein avec des conditions de Fourier et de Dirichlet imposées respectivement sur la partie intérieure et la partie extérieure (Fig. 3.1b).
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Contexte, Labels d’efficacité énergétique et solutions techniques
I.1 Contexte énergétique et enjeux
I.1.1 Modèles européens de maîtrise de l’énergie
I.2 État de l’art des labels énergétiques français
I.2.1 Réglementations thermiques
I.2.2 Labels français
I.3 Comparaison des labels
I.4 État de l’art des solutions techniques
I.4.1 Enveloppe du bâtiment
I.4.2 Systèmes et équipements innovants
I.5 Conclusion du chapitre
Chapitre II : Démarche de modélisation énergétique du bâtiment
II.1 Étude et analyse des méthodes de modélisation énergétique du bâtiment
II.1.1 Modèle de Givoni
II.1.2 Modèle de plan d’expériences
II.1.3 Modèles de connaissance
II.1.4 Modélisation systémique
II.2 Typologie des méthodes de modélisation
II.2.1 Modèles boîte noire
II.2.2 Modèles boite blanche
II.2.3 Modèles boîte grise
II.2.4 Choix de la méthode de modélisation
II.3 Notre démarche de modélisation
II.4 Les Bond Graphs
II.4.1 Éléments basiques des Bond Graphs
II.4.2 Causalité
II.4.3 Pseudo-Bond Graphs – Application aux systèmes thermodynamiques
II.4.4 Modélisation multi-énergétique avec les Bond Graphs – Application aux systèmes thermo-fluides
II.4.5 Construction systématique des modèles Bond Graphs
II.4.6 Déduction du modèle mathématique
II.5 Architecture du modèle global
II.6 Conclusion du chapitre
Chapitre III : Modélisation de l’enveloppe et des apports solaires
III.1 Modélisation de l’enveloppe du bâtiment
III.1.1 Modèles Pseudo-Bond Graphs des parois
III.1.2 Solution analytique
III.1.3 Résultats des simulations et validation
III.1.4 Application : Modélisation de l’enveloppe d’un bâtiment mono-zone
III.1.5 Conclusion sur la modélisation de l’enveloppe
III.2 Modélisation des apports solaires
III.2.1 Position du Soleil
III.2.2 Éclairements solaires
III.2.3 Calcul solaire
III.2.4 Modèle des apports solaires
III.2.5 Exemple d’application : Couplage apports solaires – enveloppe du bâtiment
III.2.6 Conclusion sur la modélisation des apports solaires
III.3 Conclusion
Chapitre IV : Modélisation des équipements énergétiques
IV.1 Stratégie de la modélisation Bond Graph des systèmes thermo-fluides
IV.1 Approches de modélisation des systèmes thermo-fluides
IV.2 Bilans énergétiques
IV.2 Modélisation des émetteurs de chauffage et de rafraîchissement
IV.2.1 Modèle du circuit hydraulique
IV.2.2 Modèles des éléments constructifs des émetteurs
IV.2.3 Modèle du rayonnement
IV.2.4 Application : Étude de la performance énergétique d’un système combiné
IV.2.5 Conclusion sur la modélisation des émetteurs de chaleur et de froid
IV.3 Modélisation des systèmes de ventilation
IV.3.1 Systèmes de ventilation
IV.3.2 Calcul des débits d’air
IV.3.3 Modélisation Pseudo-Bond Graph
IV.3.4 Exemple d’application : Étude du renouvellement de l’air dans un bâtiment
IV.3.5 Conclusion sur la modélisation du système de ventilation
IV.4 Conclusion du chapitre
Chapitre V : Validation et exploitation du modèle global
V.1 Présentation de la plateforme technologique ENERgétique du BÂTiment (ENERBAT)
V.1.1 Descriptif de la plateforme ENERBAT
V.2 Validation expérimentale
V.2.1 Cadre de la validation
V.2.2 Démarche de la validation
V.2.3 Présentation de l’outil de simulation
V.2.4 Résultats et discussions
V.2.5 Conclusion sur les résultats obtenus
V.3 Exploitation du modèle global du bâtiment
V.3.1 Description du cas d’étude
V.3.2 Modélisation
V.3.3 Résultats des simulations
V.3.4 Étude paramétrique
V.3.5 Conclusion de l’étude paramétrique
V.4 Conclusion du chapitre
Conclusion et perspectives
Annexe A : Définition des facteurs de qualité
Annexe B : Modélisation Pseudo-Bond Graph d’un échangeur de chaleur
Annexe C : Solution numérique – Méthode des différences finies
Annexe D : Caractéristiques techniques des installations de la plateforme ENERBAT
Annexe E : Calcul analytique du temps nécessaire pour que le côté caché de la paroi test réagisse au flux radiatif sur la face exposée
Références bibliographiques
Télécharger le rapport complet
