Soutenance mémoire
Logements à faibles besoins énergétiques
Les défis énergétiques et environnementaux actuels (réchauffement climatique, limitation des ressources énergétiques) appellent diverses solutions. Dans le secteur du bâtiment, ces solutions passent par une réduction des consommations d’énergie, en particulier pour les nouvelles constructions. En France, commencent à apparaître des programmes de maisons neuves construites suivant les spécifications de labels basse consommation tels Passivhaus®, Minergie® ou Effinergie® [Passivhaus 2008 ; Minergie 2008 ; Effinergie 2008]. Dans les logements à faibles besoins énergétiques, l’objectif est de réduire fortement la consommation d’énergie pour le chauffage, le rafraîchissement et la production d’eau chaude sanitaire. Pour ce faire, ces constructions sont caractérisées par une enveloppe fortement isolée, une faible perméabilité à l’air de l’enveloppe, la récupération d’énergie sur l’air extrait (via une ventilation double-flux) et des systèmes de production de chaleur très performants (Figure 2.1). La construction de maisons passives (label Passivhaus® ) est soumise à de strictes normes constructives, initialement adaptées aux pays d’Europe du Nord (et notamment l’Allemagne) et répond à des exigences énergétiques bien définies. L’objectif est, par une conception adaptée, de réduire considérablement les besoins énergétiques afin d’éviter la mise en œuvre de tout système classique de chauffage (planchers chauffants, radiateur à eau…). Cette conception passe par une orientation judicieuse du bâtiment permettant de profiter des apports solaires gratuits (tout en sachant s’en protéger), un fort niveau d’isolation couplé à la mise en œuvre d’une étanchéité de qualité et un système de ventilation performant qui, tout en apportant la juste quantité d’air nécessaire à l’obtention de conditions hygiéniques satisfaisantes, fait office de vecteur d’appoint de chauffage. Le fort niveau d’isolation de l’enveloppe se traduit par un coefficient de transmission thermique global inférieur à 0,15 W/m².K. Une telle valeur ne peut être atteinte que par la pose d’une épaisseur conséquente d’isolant (de 30 à 40 cm) sur les murs extérieurs et en toiture, ainsi que de triple vitrage. Le facteur solaire de ces derniers est de l’ordre de 0,5 afin de trouver un bon compromis entre apports solaires et limitation des risques de surchauffe. L’étanchéité à l’air est contrôlée sur chantier par un « test de la porte soufflante » (blower door test). La mise en pression sous 50 Pa de l’habitation ne doit pas faire apparaître un taux d’infiltration supérieur à 0,6 vol/h. Cette étanchéité à l’air implique nécessairement la mise en œuvre d’un système de ventilation hygiénique. Ce dernier doit être doté de type « double-flux avec récupération de chaleur sur l’air vicié » afin de réduire les déperditions thermiques par renouvellement d’air. La réduction des déperditions thermiques (par transmission et renouvellement d’air) doit laisser apparaître des besoins de chauffage (énergie utile) inférieurs à 15 kWh/m².an. La puissance maximale appelée ne peut excéder 10 W/m². On peut d’ores et déjà parler d’appoint de chauffage car pour une maison de 150 m², les consommations ne dépassent pas 2 250 kWh/an et la puissance appelée 1,5 kW. Le rendement des équipements énergétiques est pris en considération. En effet, les consommations en énergie finale ne peuvent excéder 42 kWh/m².an, tous usages confondus (chauffage, ECS, ventilation et électricité spécifique) Le choix de la source d’énergie est déterminé par la fixation d’une limite de consommation en énergie primaire à 120 kWh/m².an. Dans une maison passive, les besoins de chauffage sont très faibles. Les systèmes traditionnels de chauffage, largement surdimensionnés, ne conviennent donc pas. La ventilation via le réseau aéraulique va donc être souvent utilisée pour distribuer l’appoint de chaleur nécessaire. D’autre part, l’usage d’une chaudière, même performante, pour la production de chaleur sera difficile à rentabiliser du fait des très faibles besoins. C’est pourquoi, un système de cogénération, produisant simultanément chaleur et électricité semble intéressant à la fois des points de vue énergétique, environnemental et économique.
Le chauffage aéraulique par recyclage
Principe L’installation comprend trois éléments : Une unité extérieure située hors de la maison qui récupère l’énergie disponible dans l’air pour le chauffage (pompe à chaleur), Une unité intérieure (dans le faux plafond ou sous plénum) qui transmet cette énergie à l’air circulant dans le faux plafond ou plénum, Des bouches de soufflage qui diffusent l’air dans chaque pièce et une bouche d’aspiration (grille de reprise) pour retourner l’air à l’unité intérieure. Ces systèmes fonctionnent donc avec un émetteur de chauffage centralisé, un recyclage de l’air et une régulation des températures pièce par pièce par action sur les débits. Le débit des bouches des chambres étant réglable, le surplus du débit créé par leur fermeture est absorbé par la bouche-maître du séjour.
Avantages La régulation est précise : la température peut être ajustée dans chaque pièce équipée d’une bouche de diffusion, celle-ci étant motorisée et pilotée par son propre thermostat. La régulation de température est réalisée par action sur le débit en partie terminale. L’efficacité du chauffage est importante (COP > 3).
Inconvénients La ventilation du logement est généralement dissociée du système, ce qui peut entraîner des problèmes de qualité d’air à l’intérieur du logement. En effet, avec les systèmes « simple-flux », il y a un risque important de court-circuit la ventilation, voire d’évacuer l’air par les entrées d’air. Certains systèmes essaient de gérer la ventilation via le système de chauffage, mais là encore il est difficile d’obtenir un confort optimal. En effet, les besoins d’air neuf et les besoins thermiques ne sont pas concomitants.
Méthode d’évaluation du ’’Confort Thermique’’
Remarque : Dans ce paragraphe il a été décidé de faire un point sur la notion complexe et parfois un peu floue qu’est le « confort thermique ». L’objectif est de faire une sorte de glossaire des termes utilisés dans ce domaine pluridisciplinaire de façon à pouvoir, en fin de section, poser les principales hypothèses, simplifications et pistes envisagées dans le cadre de cette étude. Une description plus complète figure dans [Rapport int. No1].
Généralités Le corps humain est un système thermique complexe, qui produit de la chaleur et de l’eau qu’il doit évacuer dans son milieu environnant. La contrainte à laquelle il doit faire face est de maintenir sa température interne autour de 37°C, quelles que soient les conditions de son environnement local. Pour cela, il utilise des processus de régulation thermo-physiologique involontaires qui modulent la production et les transferts de masse et de chaleur, internes et externes. Ces réactions physiologiques sont ensuite perçues, puis interprétées de façon subjective en faisant intervenir les préférences psycho-socio-affectives individuelles. Si l’homme ressent ces réactions comme des désagréments, il essaie d’en limiter l’amplitude en développant des processus de régulation comportementale ou adaptative [Thellier 1999]. La Figure 2.9 montre la boucle de rétroaction de l’homme et son environnement. Les conditions thermiques optimales sont celles qui minimisent les réactions physiologiques, ressenties comme désagréables, sans que l’homme ne développe de réaction comportementale. Les systèmes de chauffage et de climatisation n’ont cessé de se perfectionner au cours des siècles, avec toujours un objectif double : procurer un confort maximal pour un moindre coût énergétique ; mais les réactions comportementales de l’homme peuvent contrecarrer les systèmes mis à sa disposition. On voit ici apparaître l’importance du confort dans la conception architecturale mais aussi sur les consommations énergétiques des bâtiments. Pour procurer à l’homme des conditions thermiques optimales, il faut donc décrire et comprendre son bilan thermique qui se trouve au cœur du problème.
Thermique du corps humain Pour rester en vie, l’homme doit maintenir sa température centrale quasiment constante. Pour cela, il faut que le bilan thermique du corps reste proche de zéro ; c’est-à-dire qu’il doit perdre dans l’environnement par tout type de mode de transferts thermiques (Figure 2.10) la quantité de chaleur qu’il produit et/ou reçoit [Mc Intyre 1980, Parsons 1993, Thellier 1989]. Il faut noter que les surfaces d’échange, les températures et les constantes de temps du corps humain sont du même ordre de grandeur que celles de l’habitat. Les échanges de masse et de chaleur entre l’homme et son environnement se font par tous les mécanismes classiques de transferts au niveau des voies respiratoires, pour une très faible part, et majoritairement au niveau cutané. C’est pourquoi dans la plupart des calculs on exprime les flux sur le corps entier en « W/m² de surface de peau ». Cette surface cutanée, notée ADU, varie entre 1,5 et 2 m² pour les adultes et dépend de la masse et de la taille du corps. La température de peau peut varier de 20 à 40°C dans des conditions courantes, la valeur moyenne standard se situant autour de 33°C. Le corps n’est que très rarement isotherme donc si l’on veut étudier des conditions de « confort local » tous les calculs doivent être faits localement ; il faut alors connaître tous les paramètres physiques et physiologiques localement.
Méthodes d’analyse et d’évaluation des conditions thermiques
L’homme étant complexe, avec des réactions physiologiques et une interprétation psychosociologique, peu de démarches permettent d’avoir une vision complète des phénomènes mis en jeu car il est difficile de tout étudier en même temps. Ceci se retrouve nettement dans les méthodes d’études et d’évaluations des ambiances qui en découlent. Il faut être conscient que les relations obtenues dans la bibliographie peuvent être très différentes selon les méthodes utilisées. Il faut noter qu’une des grandes difficultés vient de l’homme lui-même : son comportement n’est pas reproductible et par ailleurs l’expérimentation avec les êtres humains est soumise à une loi d’éthique très stricte. Le domaine de la thermo-physiologie a historiquement plutôt été abordé par des physiologistes qui ont essayé de comprendre les mécanismes biologiques. Puis le domaine du génie climatique s’est intéressé aux liens entre l’homme et son environnement dans l’espoir d’obtenir des consignes de conditions climatiques. Aucune approche n’est actuellement complète dans ce domaine pluridisciplinaire.
Les expérimentations avec l’être humain Cette approche fournie un grand nombre de données qu’il est souvent difficile de traiter par la suite. Les différences inter- et intra-individuelles entre les réponses sont fortes, aussi, pour avoir des résultats significatifs, il faut travailler sur un nombre suffisant d’individus, puis faire un traitement statistique des données. On aboutit alors à des connaissances sur le comportement moyen de l’homme. Les expériences en chambre climatique sont réalisées par des psycho-physiologistes, qui mesurent les variables physiologiques et utilisent des questionnaires de jugements thermiques. Leur but est de déterminer les mécanismes physiologiques et psychologiques mis en jeu. Ces expériences sont faites avec des sujets « calibrés », de façon à s’affranchir d’une partie des différences individuelles, et dans des climats le plus souvent homogènes et stationnaires. Les chambres climatiques sont des outils indispensables pour instrumenter et contrôler parfaitement l’ambiance, mais on sait pertinemment que ces conditions particulières jouent un rôle sur les déclarations subjectives des sujets. Les enquêtes sur sites réels sont faites par des psycho-sociologues, et parfois avec des physiciens, qui étudient un large panel de sujets. Le but est de comprendre les implications affectives dans les conditions réelles (bureaux, maison, etc.). Il y a alors très peu de mesures concernant l’être humain et les conditions thermiques. On peut en tirer des conclusions qualitatives mais rarement quantitatives car on manque en général d’informations sur le climat.
Les mannequins thermiques De forme humanoïde, ils sont régulés en flux ou en température et permettent la mesure directe des échanges secs en chambre climatique ou en site réel. L’avantage de l’expérimentation avec mannequin par rapport à celle avec l’être humain est la reproductibilité des résultats et la souplesse d’utilisation. Son inconvénient majeur est que les mannequins sont secs et souvent isothermes. Par conséquent, ils ne donnent accès qu’aux flux de chaleur sensible. Il faut faire attention aux conclusions que l’on peut tirer en ambiance chaude, où le corps humain dispose de l’évaporation comme unique moyen pour maintenir son bilan thermique équilibré.
La simulation numérique Les physiologistes et les physiciens ont développé des outils spécifiques à leurs besoins. Dans les années 1970, de nombreuses équipes de physiologistes ont développé des modèles de compréhension de la thermorégulation humaine. Il en existe actuellement plus d’une centaine. Par ailleurs, les thermiciens ont depuis longtemps les logiciels de thermiques qui calculent les conditions hygrothermiques dans les bâtiments en tenant compte de l’être humain comme de tout autre composant du système, c’est-à-dire comme une simple source constante de chaleur et d’eau. Actuellement les deux compétences se regroupent, mais il manque encore beaucoup de connaissances dans les interactions homme-ambiance.
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Table des matières
1. Introduction
2. Phase 1a : État de l’art
2.1 Logements à faibles besoins énergétiques
2.2 Ventilation et chauffage aéraulique
2.3 Micro-cogénération par moteur Stirling
2.4 Méthode d’évaluation du ’’Confort Thermique’’
3. Phase 1b : Banc d’essai
3.1 Introduction
3.2 L’unité de micro-cogénération à moteur Stirling
3.3 Description des composants du banc d’essai mis en œuvre
3.4 Instrumentation et acquisition des mesures
3.5 Stratégie des essais
3.6 Caractérisation du comportement à partir des essais réalisés
3.7 Conclusions
4. Phase 2a : Étude du système de chauffage par micro-cogénération
4.1 Modélisation du système
4.2 Simulation sur un cas de référence
4.3 Conclusion
5. Phase 2b : Étude des conditions de confort thermique
5.1 Etude du climat intérieur
5.2 Caractérisation et régulation du chauffage par air
5.3 Evaluation de la qualité de l’ambiance
5.4 La régulation du bâtiment
5.5 Simulations Thermiques Dynamiques
6. Phase 3 : Développement d’un produit
6.1 Principe de la solution
6.2 Dimensionnement de la solution
6.3 Cahier des charges
6.4 Premiers prototypes d’Ubio®
6.5 Essais d’investigation
6.6 Étude comparative de différentes stratégies de régulation du système Ubio® par simulation dynamique
6.7 Dernière version du prototype
7. Phase 4 : Préfiguration d’une expérimentation in-situ
7.1 Maison individuelle
7.2 Petit collectif
8. Phase 5 : Evaluations et recommandations
8.1 Recommandations concernant le système de chauffage à air par micro-cogénération
8.2 Recommandations concernant le confort thermique
9. Phase 6 : Activités de dissémination
9.1 Ouvrage
9.2 Thèse
9.3 Article soumis à une revue internationale
9.4 Communication dans un colloque
9.5 Posters
9.6 Brevet
9.7 Salons
9.8 Documentation technique
10. Tâche de Coordination
11. Conclusions et perspectives
11.1 Conclusions
11.2 Perspectives
Bibliographie
Annexes
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