Problématique de l’écoconception de maisons à énergie positive

 LE BÂTIMENT À ÉNERGIE POSITIVE

Le « bâtiment à énergie positive » (BEPOS) est considéré comme l’une des solutions possibles pour l’atténuation des effets du changement climatique. Cette partie dresse dans ce but un état de l’art du concept. Après une introduction , l’examen de quelques labels existants est réalisé  à partir duquel trois cadres cohérents de définitions du BEPOS sont ensuite décrits . Enfin, plusieurs réalisations exemplaires sont étudiées pour le retour d’expérience qu’elles apportent . De plus, l’Annexe A présente une revue d’initiatives nationales ou internationales portant sur le développement du BEPOS, notamment celle de l’AIE et du projet français COMEPOS.

« À énergie positive » réfère communément à un bâtiment produisant davantage d’énergie qu’il n’en consomme annuellement, mais peut aussi être interprété comme simplement un bâtiment producteur d’énergie, se démarquant en ce sens des concepts énergétiques classiques (Thiers 2008) tels que le « bâtiment à (très) basse consommation »  (« low energy building ») ou le « bâtiment passif » (« Passivhaus » en allemand ou « Passive House » en anglais) dont la production d’énergie n’est pas explicitée. L’appellation française « bâtiment à énergie positive » (BEPOS) n’est pas encore pour l’heure associée à une définition réglementaire, et par conséquent à une méthode de calcul. Ayant vocation à devenir la traduction nationale de la directive européenne 2010/31/EU sur la performance énergétique des bâtiments (EPBD 2010), elle s’inscrit dans l’objectif annoncé des États membres de veiller à ce que tous les nouveaux bâtiments soient « presque à zéro énergie d’ici 2020 » (« nearly zero energy »), c’est-à-dire « ayant des performances énergétiques très élevées où la quantité quasi nulle ou très basse d’énergie requise devra être couverte dans une très large mesure par de l’énergie produite à partir de sources renouvelables, notamment sur site ou à proximité » (article 2 de la directive). L’article 4-b de la loi Grenelle 1 indique ainsi que le bilan énergétique est à effectuer en énergie primaire (ce qui est mentionné dans l’annexe I de la directive) et que la production d’énergie doit être renouvelable.

Autour de cette définition qualitative, de nombreuses déclinaisons du concept du BEPOS coexistent. Dans un rapport commandé par la commission européenne (Ecofys et al. 2013), près de 75 définitions, certifications, méthodologies de calcul, ou labels relatifs aux « nearly zero-energy buildings » (nZEB) ont été recensés dans 17 pays. Les spécificités de chaque pays en matière de climat, de mix énergétique, de traditions constructives, mais aussi d’orientations politiques expliquent cette diversité, et l’impossibilité d’extraire une définition unique du concept de « bâtiment à énergie positive ». Un cadre européen cohérent permettant d’appréhender et d’établir de manière systématique ces diverses définitions semble davantage pertinent. Les questions majeures posées sont :
• Qu’est-ce qu’un bâtiment quasiment à zéro énergie (nZEB) ?
• Quelle devra être la part des énergies renouvelables ?
• Quelles sont les options techniques et technologiques pour construire desnZEB ?
• Est-ce que les nZEB doivent être définis en vue de parvenir à des niveaux optimaux en fonction des coûts ?

Exemples de labels existants 

LE LABEL BEPOS-EFFINERGIE

Le label français BEPOS-Effinergie est un label pilote, applicable à court terme, et s’appuyant sur la réglementation thermique en vigueur pour la construction neuve (RT 201224) et le label Effinergie +, autre label de performance énergétique proposé par l’association Effinergie. À l’instar du label BBC-Effinergie qui avait préfiguré la RT 2012, ce label devrait alimenter les contours de la future réglementation thermique 2020 sur le BEPOS. L’objectif affiché est de mettre en avant les bâtiments consommant peu d’énergie non renouvelable et produisant localement une quantité significative d’énergie renouvelable (ENR). Cette exigence est formulée par un bilan en énergie primaire non renouvelable – somme des énergies finales importées pondérées par leurs facteurs de conversion en énergie primaire , diminuée de la production locale d’énergie exportée – devant être inférieur à un écart autorisé à l’énergie positive, de manière à intégrer les inégalités météorologiques (climat plus rigoureux dans certaines régions que d’autres) et urbaines (une forte densité urbaine implique des surfaces au sol ou en toiture plus réduites pour l’installation de systèmes de production d’énergie).

En plus de cette exigence, le label consiste à ajouter l’obligation du calcul de la consommation d’énergie grise (i.e. l’énergie liée à la fabrication, le transport et la mise en œuvre des matériaux de construction et des équipements du bâtiment) et de l’énergie liée aux déplacements des occupants aux impératifs du label Effinergie+, où ces indicateurs sont uniquement recommandés. Ce dernier label reprend et renforce les exigences de la RT 2012 selon trois progrès :
• Progrès n° 1 : Amélioration de l’enveloppe du bâtiment et sa performance énergétique via une réduction des indicateurs réglementaires Bbio (Besoins Bioclimatiques) et Cep (Consommation Énergie Primaire) selon le type de bâtiment, et pour les cinq usages réglementaires (le chauffage, le refroidissement, la production d’eau chaude sanitaire, l’éclairage et les auxiliaires), amélioration de l’étanchéité à l’air, et amélioration de l’efficacité des systèmes de ventilation et de la qualité de l’air en rendant obligatoire la mesure de la perméabilité à l’air des réseaux.
• Progrès n° 2 : Obligation d’évaluer les consommations dites « mobilières » (qui sont donc intégrées au bilan précédent), c’est-à-dire l’électroménager en général (froid, audio-visuel, informatique, lavevaisselle, etc.), obligation de suivre les consommations d’énergie (pour les bâtiments à usage d’habitation) et de délivrer l’information aux occupants.
• Progrès n° 3 : Obligation d’afficher la production totale d’énergie renouvelable dont la part de production locale d’électricité d’origine renouvelable, le Cep par usage et par énergie, le Bbio, les consommations mobilières annuelles, le taux de couverture (i.e. la part de la consommation couverte par la production locale d’ENR), et les émissions de GES en kg de CO2 équivalent.

LE LABEL MINERGIE – A

La marque MINERGIE propose trois standards de construction destinés aux bâtiments neufs ou rénovés . Le standard MINERGIE peut être assimilé au BBC français, le standard MINERGIE-P au passif allemand, et le standard MINERGIE-A à une déclinaison du nZEB énoncé dans la directive 2010/31 de l’Union Européenne (UE) présentée précédemment.

À noter que la production photovoltaïque n’est admissible que si l’installation est fixée au bâtiment et/ou aux constructions annexes, et que la plus-value écologique de l’électricité produite profite réellement au bâtiment i.e. pas de Rétribution à Prix Coûtant du courant injecté (RPC), ni de vente à des bourses de courant. Sous certaines conditions, une installation solaire thermique combinée à un système de chauffage utilisant de la biomasse avec stockage permet d’élever la valeur limite de l’indice de 0 à 15 kWh/m²/an.

La seconde exigence concerne l’enveloppe du bâtiment qui doit répondre à un besoin de chauffage réduit à 90 % ou moins du seuil légal suisse défini dans lanorme SIA 380/1. Par rapport au standard MINERGIE-P exigeant une réduction à 60 %, la contrainte a été relâchée. L’expérience a en effet montré que cette exigence représentait un véritable défi pour les architectes et constructeurs de maisons. Cette réévaluation à la baisse de la performance de l’enveloppe est également le fruit d’une volonté d’accorder une plus grande liberté en conception, notamment pour moins se focaliser sur la réduction des besoins de chauffage et davantage viser un équilibre optimal entre consommation et production d’énergies.

Une troisième exigence porte sur l’énergie grise (en énergie primaire non renouvelable), avec une valeur seuil peu contraignante de 50 kWh/m²/an. La méthode de calcul (cahier technique SIA 2032), relativement nouvelle présente un niveau d’incertitudes élevé poussant actuellement à la prudence. Au fil de l’avancée des connaissances, cette exigence pourra être renforcée.

Concernant les autres exigences du standard, une étanchéité à l’air très performante est requise avec 0,6 vol/h pour une différence de 50 pascals (𝑛50). Cette exigence est identique à celle du label allemand « Passive House » . À titre de comparaison, le label BEPOS Effinergie exige une étanchéité à l’air sous 4 pascals (𝑄4)27 de 0,4 m3/h/m² (contre 0,6 pour la RT 2012), correspondant, dans le cas d’une maison individuelle avec un volume chauffé de 300 m3 et une surface de parois déperditives de 220 m², à environ 1,6 vol/h exprimé en 𝑛50. En considérant une ventilation mécanique double-flux et une protection au vent faible, le débit moyen des infiltrations d’air parasites serait de l’ordre de 0,06 vol/h (calculs selon la norme EN 13790).

Enfin, les consommations mobilières ne sont prises en compte que de manière qualitative, avec une exigence d’utiliser des appareils électroménagers et d’éclairage de la meilleure classe disponible d’après la déclaration E de l’Union Européenne (MINERGIE 2011).

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Table des matières

Remerciements
Table des matières
Nomenclature
Introduction générale
Chapitre 1. Problématique de l’écoconception de maisons à énergie positive
Sommaire du chapitre 1
1.1. Le bâtiment à énergie positive
1.1.1. Introduction
1.1.2. Exemples de labels existants
1.1.3. Cadres cohérents de définitions d’un BEPOS
1.1.4. Exemples de MEPOS existantes
1.1.5. Conclusion
1.2. Écoconception de maisons à énergie positive
1.2.1. Processus de conception d’un bâtiment
1.2.2. Nouvelles problématiques posées en conception
1.2.3. Démarche d’écoconception
1.2.4. Conclusion
1.3. Vers une écoconception assistée par optimisation multicritère
1.3.1. Introduction
1.3.2. État de l’art sur l’optimisation
1.3.3. Méthodes complémentaires à l’optimisation
1.4. Démarche proposée
1.5. Conclusion du chapitre
Chapitre 2. Analyse de sensibilité, analyse d’incertitude, et fiabilité des modèles
Sommaire du chapitre 2
2.1. Introduction
2.2. État de l’art
2.2.1. Définitions et concepts de base
2.2.2. Analyse d’incertitude
2.2.3. Analyse de sensibilité
2.2.4. Fiabilité des modèles
2.2.5. Applications dans le domaine du bâtiment
2.2.6. Conclusion sur l’état de l’art
2.3. Étude de cas – Méthodologie
2.3.1. Démarche et objectifs
2.3.2. Modèle thermique de bâtiment
2.3.3. Cas d’étude
2.3.4. Analyses de sensibilité et propagation d’incertitudes
2.4. Étude de cas – Résultats
2.4.1. Opération de criblage
2.4.2. Propagation d’incertitudes
2.4.3. Analyse de sensibilité globale
2.4.4. Conclusion sur l’étude de cas
2.5. Conclusion du chapitre
Chapitre 3. Algorithme génétique pour l’optimisation multicritère
Sommaire du chapitre 3
3.1. Introduction
3.2. Algorithmes évolutionnaires
3.2.1. Généralités
3.2.2. Définitions et vocabulaire
3.2.3. Mécanismes évolutionnaires de base
3.2.4. Choix d’un algorithme de type NSGA-II
3.2.5. Applications à la conception de bâtiments
3.2.6. Conclusion
3.3. Paramétrage
3.3.1. Problématique du paramétrage des algorithmes évolutionnaires
3.3.2. Indicateurs de qualité
3.3.3. Méthodes de paramétrage existantes
3.3.4. Méthodologie retenue
3.4. Conclusion du chapitre
Chapitre 4. Développements informatiques
Sommaire du chapitre 4
4.1. Introduction
4.2. Présentation des composants-logiciels
4.2.1. Vocabulaire et éléments préliminaires
4.2.2. Historique et éléments de contexte
4.2.3. Composants logiciels de la plateforme
4.3. Articulation des composants-logiciels
4.3.1. Étape n°1 : saisie des données
4.3.2. Étape n°2 : tirage
4.3.3. Étape n°3 : calculs
4.3.4. Étape n°4 : retour des résultats
4.3.5. Étape n°5 : post-traitement
4.4. Principaux développements réalisés
4.4.1. Travaux informatiques concernant R
4.4.2. Travaux informatiques concernant COMFIE
4.4.3. Travaux informatiques concernant novaEQUER
4.4.4. Travaux informatiques concernant le modèle stochastique de comportement des occupants
4.4.5. Maintien, capitalisation, et diffusion de la plateforme
4.5. Conclusion du chapitre
Conclusion générale

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