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Le confort d’été en construction ossature bois
Joyeuses, le 17 octobre 2013
Franck JANIN
Présentation d'HELIASOL
• Etudes et conseil en thermique du bâtiment et énergies renouvelables
• Spécialisé en passif & bioclimatique, isolants naturels
• 2 ingénieurs
• Interventions limitées à Rhône Alpes (sauf train / covoiturage)
• Références
– 4 bâtiments « passifs certifiés » sur les 45 certifiés en France
– Diagnostics énergétiques, Copropriétés
HELIASOL 17 Octobre 2013 2
Plan de l’intervention
HELIASOL 17 Octobre 2013
• Les paramètres du confort
• La difficulté du confort d’été
• La méthode / hypothèses de l’étude
• Les résultats
• Retour d’expérience
• Conclusion
3
L’objectif de l’intervention est le confort en logement sans climatiser
LES PARAMÈTRES DU CONFORT
HELIASOL 17 Octobre 2013 4
Paramètres principaux
Déjà évoqués
• Température de l’air
• Température des parois
• Humidité relative
• Vitesse de l’air
• Lien humidité / T° vitesse d’air
Autres paramètres
• Métabolisme
• Aspect psychologique
• Météo des jours précédents
• Habillement
HELIASOL 17 Octobre 2013 5
Température opérative (ou résultante)
• Température de confort ressentie
• Dépend de la température de l’air et de celle des parois
• Valable uniquement sans courants d’air (V < 0,2m/s)
HELIASOL 17 Octobre 2013 6
Lien T° / Humidité / vitesse d’air
Température / Humidité : 2 zones différentes selon que la vitesse d’air est nulle (en jaune) ou pas
HELIASOL 17 Octobre 2013 7
Humidité relative
• Exemple comparatif
– Même rayonnement solaire
– Même conditions de vent
– Même température extérieure
Conditions météo Après une forte pluie, en
période de chaleur Climat méditerranéen sec,
en période de chaleur
Humidité relative 82%HR 18%HR
Sensations de confort Moiteur, impossibilité d’évaporer, surchauffe
Très bonne évaporation, Chaleur très supportable
HELIASOL 17 Octobre 2013 8
Vitesse de l’air, été
Vitesse de l'air (m/s) Refroidissement équivalent (°C)
0,1 0
0,3 1
0,7 2
1,0 3
1,6 4
2,2 5
3,0 6
4,5 7
6,5 8
HELIASOL 17 Octobre 2013 9
LA DIFFICULTÉ DU CONFORT D’ÉTÉ
HELIASOL 17 Octobre 2013 10
Confort
• « Fanger » a proposé un indice, PPD ou pourcentage prévu d’insatisfaits
• Partant du principe qu’on ne peut satisfaire tout le monde en même temps
• Et un indice PMV (predicted mean vote)
– 0 = confort
HELIASOL 17 Octobre 2013 11
Confort
Il reste au moins 4% d’insatisfaits
HELIASOL 17 Octobre 2013 12
Bilan thermique
Hiver
• Le flux va toujours dans le même sens, intérieur vers extérieur
• Les apports internes facilitent le chauffage
• L’excès d’humidité est atténué par le simple réchauffement de l’air (l’humidité relative baisse)
Eté
• Le flux change entre la nuit et le jour
• Les apports internes augmentent le besoin de rafraichissement
• L’excès d’humidité ne peut être évacué et empêche un rafraichissement par évaporation
HELIASOL 17 Octobre 2013 13
MÉTHODE / HYPOTHÈSES DE L’ÉTUDE
HELIASOL 17 Octobre 2013 14
Méthode
• Simulation thermique dynamique avec le logiciel Français Pleiades / Comfie et Energy+
– Etude heure par heure, pièce par pièce
– Les températures sont proches de températures résultantes (moyenne T° paroi –T° de l’air)
• Limites : ne gère pas l’humidité de l’air, ni la convection
– NB : Pour le climat étudié et en l’absence de colonnes d’air de plusieurs étages, ce n’est pas un problème
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La maison Rdc
HELIASOL 17 Octobre 2013 16
La maison R+1
HELIASOL 17 Octobre 2013
Débords de toit de 40 cm, fenêtre au nu intérieur
17
La maison (façades)
Ouest (20%) et Sud (40%) Est (20%) et Nord (20%)
HELIASOL 17 Octobre 2013 18
Modélisation Energy+ DB
HELIASOL 17 Octobre 2013 19
Les compositions choisies
• Base « Passive »
– VMC DF, n50 =0.6
– Sur ventilation 2 vol.h
– Mur : ossature 14 cm avec Laine de verre et complément extérieur 20 cm idem R = 8
– PLH : LV 40 cm R = 10
– PLB : Hourdis, polystyrène 16 cm, chape 5 cm, carrelage
– Cloisons : BA13 + LV 45 + BA13
– PLI (inter) léger, bois, isolant phonique 5 cm
– Uw =0.8
• Base RT idem sauf :
– PLB : Poly 6 cm
– PLH : LV 20 cm
– Murs : 14 cm
– Uw = 2
HELIASOL 17 Octobre 2013
NB : Ce que l’on voit couramment, pas forcément recommandé ni écologique
20
Le lieu, la météo
• Très grande importance de la météo et donc du fichier météo
• Météo de Montélimar
– (Aubenas et St Etienne en comparaison)
– Source Météonorm
• Moyenne des années 1996 à 2005
– Ce n’est donc pas un fichier de « canicule »
HELIASOL 17 Octobre 2013 21
LES RÉSULTATS
HELIASOL 17 Octobre 2013
“essentially, all models are wrong, but some are useful” -
George E. P. Box (b 1919)
Tous les modèles sont faux, mais certains sont utiles
22
La présentation des résultats
• Taux d’inconfort = pourcentage de temps (ou la pièce est occupée) au delà de 27°C
• On considère qu’on ne descend pas en dessous de 21°C, même pour refroidir en fin de nuit (fermeture des fenêtres)
HELIASOL 17 Octobre 2013 23
Rappel
• Cette étude n’est pas exhaustive. C’est un exemple uniquement
– En tertiaire notamment, les stratégies sont très différentes
• Période de 7 semaines (9 Juillet au 26 Août)
• Les chiffres représentent soit
– La température résultante (moyenne paroi-air)
– % d’inconfort (en période d’occupation)
HELIASOL 17 Octobre 2013 24
Taux d’inconfort selon météo
0
5
10
15
20
Montélimar Aubenas St Etienne
18.6
6.9
1.6
Passif version Base
HELIASOL 17 Octobre 2013 25
Bois / ITI / ITE
Passif 0
5
10
15
20
Base (Ossature bois)
ITI ITE
18.62 18.54
9.44
Comparaison des modes constructifs
HELIASOL 17 Octobre 2013
Toutes choses égales par ailleurs (seul le mur diffère, mais même R=8)
ITI = Isolation Thermique Intérieure (Parpaing 20 cm, laine verre 32 cm, BA13)
ITE = Isolation Thermique Extérieure (Laine verre 32 cm, parpaing 20 cm, BA13)
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 8 semaines d’été
26
Exemple de STD sur 2 jours d’été STD : Simulation Thermique Dynamique
19' °C
21' °C
23' °C
25' °C
27' °C
29' °C
31' °C
33' °C
35' °C
0 6 12 18 0 6 12 18
Base
ITE
Extérieur
ITI
heure
HELIASOL 17 Octobre 2013
Jour 1 Jour 2
27
Déphasage et réduction d’amplitude
HELIASOL 17 Octobre 2013 28
Déphasage (en heures)
Réduction d’amplitude (en %)
T°C
Temps
Ordre de grandeur des flux
HELIASOL 17 Octobre 2013
200 Murs
250
250
Vitres 300
Flux en Watt
35° air extérieur
25°
20° sol
29
Fermeture des volets
RT
Passif
0
10
20
30
40
50
Volets ouverts Base (Volets fermés)
44.7
21.5
42.3
18.6 RT
Passif
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
30
Apports solaires 1 jour avec et sans volets
HELIASOL 17 Octobre 2013
• En général, on ferme les volets trop tard
• Volet fermé, il faut continuer de ventiler le matin
Sans volets
Avec volets
Apport solaire Watt
8h 14h
31
Course du soleil
HELIASOL 17 Octobre 2013
21 juin
21 mars & 21 sept
21 décembre
32
Protections fixes
• Le 21 juin, au zénith, le soleil est à 66°
• Donc le soleil arrivera toujours sur la fenêtre
• Et encore plus si elle n’est pas plein sud
HELIASOL 17 Octobre 2013
66°
Sud
Et donc le 21 août = 21 avril
Hauteur solaire : 58°
33
Exemples d’occultations
HELIASOL 17 Octobre 2013
Source : GPF Fermetures (42) Lames orientables Persiennes lames fixes
34
Exemples d’occultations
HELIASOL 17 Octobre 2013
• Volets à la Niçoise
• Persienne et projection
35
Brise soleil orientable (BSO)
• Avantages
– Bon filtre solaire
– Réglage lumière
– Ventilation
– La chaleur reste dehors
– Pt thermique faible
• Inconvénients
– Prix
– (Anti effraction ?)
HELIASOL 17 Octobre 2013 36
Les vitrages à contrôle solaire
• Description
– Vitrage traité avec couches réfléchissantes
– TL =50 % g = 25 %
– Std : TL = 70 % g = 60 %
• Usage
– Plutôt adapté au tertiaire
• Avantages
– Permet de se passer d’occultations (coût total)
• Inconvénients
– Peu d’apports solaires en hiver
– Peu de luminosité intérieure
HELIASOL 17 Octobre 2013
TL : Taux de transmission lumineuse
g : facteur solaire, taux de transmission de chaleur solaire
37
Protéger aussi le Nord-ouest !
Ne pénalise pas l’hiver Vue de dessus
HELIASOL 17 Octobre 2013
Arb
res
38
Protections solaires adaptées
Stores verticaux à l’ouest (à lames orientables ci possible)
Stores extérieur à lames orientables au Sud
HELIASOL 17 Octobre 2013 - Lames orientables
- Persiennes bois 39
Ajout d’inertie cloisons
Cloisons 0 5
10 15 20
Base (Placostyl
7 cm)
Carobric 7 cm
Bois massif 10 cm
Carreau platre 10
cm
Brique terre crue
10 cm
18.6 16.1 15.6 14.7
10.2
Cloisons
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
40
Ajout d’inertie sur faces intérieures des murs
0
5
10
15
20
Base (BA13)
Lambris Fermacell 15mm
Fermacell 30mm
Chaux sable 5
cm
Argile / copeaux 25 mm
Brique terre crue
5 cm
18.6 18.5 17.8 14.8
11.9 11.5 11
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
13 10 17 34 80 38 100 Kg / m²
Poids de la couche d’inertie par m² de mur
41
Ajout d’inertie dans les murs
0
5
10
15
20
Base (Laine de verre 12 kg/m3)
Laine de bois 50kg/m3
Laine de bois 140 kg/m3
18.6 17.1
13.5
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été NB : Ne pas extrapoler à d’autres configurations ! Importance des lames d’air, des ossatures, toiture chaudes, bardage, etc…
42
Inertie thermique d’un matériau
• L’inertie thermique d’un matériau est sa capacité à stocker et à déstocker de l’énergie dans sa structure.
• Le stockage ou le déstockage se fait avec un déphasage dans le temps et une réduction de l’amplitude des températures.
HELIASOL 17 Octobre 2013 43
Diffusivité
• Capacité à transmettre une onde de température
– D (diffusivité) = λ / ρ C E = D1/2 ρ C
– C Chaleur spécifique et ρ = densité
• Pour apporter de l’inertie, il faut
– Une surface d’échange élevée
– Une capacité calorifique importante
– Effusivité élevé pour absorber
– Diffusivité pas trop élevée HELIASOL 17 Octobre 2013 44
Les apports internes
• 4.1 Watt / m² pour
– Les occupants
– Les appareils électriques (PC, télé, LV, LL)
– La chaleur dissipée par l’eau chaude sanitaire
– Les auxiliaires en espace chauffé, l’éclairage
• Soit 481 Watt au total • 1 ballon d’eau chaude environ 100 W
• 1 télévision 50 à 200 W
• Frigo congélateur classe A = 40 W permanent HELIASOL 17 Octobre 2013 45
Les apports internes
0
10
20
30
40
2 (Passiv Haus)
3 4 (Base) 5 6
6.6 12
18.6
26.4
34.3
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
46
Ajout d’inertie sur le plancher intermédiaire
0
5
10
15
20
Base (léger / plancher)
Bois et chape /
plancher
Bois et chape /
carrelage
Hourdis / plancher
Hourdis / carrelage
18.6
12 11.5 11.5 11.4
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
Conclusion : la chape apporte beaucoup
47
Sur ventilation nocturne
• Ventilation nocturne mécanique
– Limitée en débit et encombrante
– Consommations électriques importantes
• Ventilation nocturne naturelle
– Plus complexe à concevoir
– Ventilation économique et écologique
HELIASOL 17 Octobre 2013 48
Sur-ventilation nocturne
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
AUB air AUB vent
MTR air MTR vent
1 paramètres clé :
- La température de fin de nuit
Et pour la ventilation par fenêtres
-La vitesse du vent
Source METEOCIEL
Station Météo d’Aubenas et Montélimar le 11 Août 2003
HELIASOL 17 Octobre 2013
Potentiel de rafraichissement
Température d’air °C et vitesse du vent (km/h)
49
Températures min/max Août 2003
Aubenas Montélimar
HELIASOL 17 Octobre 2013 50
Sur ventilation nocturne naturelle
• Implique une surface d’ouverture importante (1 ouverture par pièce)
• Trajet libre (portes ouvertes), ouvertures sur des façades opposées, différences de niveau (tirage thermique)
• Masse thermique accessible à l’air (éviter moquettes et faux plafonds)
HELIASOL 17 Octobre 2013 51
Sur ventilation nocturne
0
5
10
15
20
Base (2 vol/h) 4 vol/h 6 vol/h
18.6
8.7 5.6
Passif
HELIASOL 17 Octobre 2013
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
52
RETOUR D’EXPÉRIENCE
HELIASOL 17 Octobre 2013 53
www.maisondesaines.com
Maison des Aînés – Montbrison (42)
MOE conception: Ateliers r+
MOE exécution: Archipente
BE thermique: HELIASOL HELIASOL 17 Octobre 2013
SYSTEME CONSTRUCTIF
CONFORT D’ÉTÉ
• Capteurs température / humidité pendant l’été
• Comparaison par rapport à la canicule de 2003
• Comparaison par rapport au PHPP
• Sur ventilation nocturne par ouverture de fenêtre
• VMC avec by-pass automatique,
• débits idem hiver
Maison des Aînés – Montbrison (42)
MOE conception: Ateliers r+
MOE exécution: Archipente
BE thermique: HELIASOL
Confort d'été PHPP labelPHPP
recaléMesure
% surchauffe % 0% 0% 3%
Elevation
température été°C 0.51 0.51 0.55
HELIASOL 17 Octobre 2013
MÉTÉO AOÛT 2012 (17 AU 24)
HELIASOL 17 Octobre 2013
0
10
20
30
40
Te
mp
éra
ture
s (
°C
)
Date/heure
Périodes comparées 2003/2012 sur Saint-Etienne -
T et vitesse de vent horaires moyennes (METEOCIEL)
2003 (6 au 13 août) 2012 (17 au 24 août)
2012 vent (17 au 24 août) 2003 vent (6 au 13 août)
Linéaire (2003 vent (6 au 13 août))
INERTIE SÉQUENTIELLE
Maison des Aînés – Montbrison (42)
MOE conception: Ateliers r+
MOE exécution: Archipente
BE thermique: HELIASOL
10
15
20
25
30
35
40
16/8 17/8 18/8 19/8 20/8 21/8 22/8 23/8 24/8 25/8
Local technique Chambre Sud RdC Séjour RdC Cuisine RdC
Séjour R+1 Cuisine R+1 EXTERIEUR
HELIASOL 17 Octobre 2013
GAINE TECHNIQUE
Maison des Aînés – Montbrison (42)
MOE conception: Ateliers r+
MOE exécution: Archipente
BE thermique: HELIASOL
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
15
20
25
30
35
40
16/8 17/8 18/8 19/8 20/8 21/8 22/8 23/8 24/8 25/8 26/8
Local technique EXTERIEUR Retour panneaux solaires
Températures en degré °C HELIASOL 17 Octobre 2013
CONCLUSION
HELIASOL 17 Octobre 2013 60
Stratégie été (sans climatiser)
1. Limitation des apports solaires
2. Limitation des apports internes
3. Inertie thermique suffisante et accessible (cloisons, face intérieure des murs planchers et plafonds) et sur-ventilation nocturne
• Autres, dont brassage d’air, puits canadien,
Évaluation possible à l’aide d’une STD
HELIASOL 17 Octobre 2013 61
Les limites de la sur-ventilation naturelle nocturne
• Zones de bruit, risque d’effraction
• Moustiques
– Les moustiquaires réduisent la sur-ventilation
• Courants d’air excessifs
• L’absence de vent en canicule
• Les îlots de chaleurs (centre ville surchauffé)
HELIASOL 17 Octobre 2013 62
Récapitulatif des résultats Variation par rapport à la base
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Δ Max
Δ Min
HELIASOL 17 Octobre 2013 63
Récapitulatif
• Maisons ossature bois pas moins bonnes que l’ITI
• Maisons passives à confort d’hiver excellent mais pas forcément meilleures en été
HELIASOL 17 Octobre 2013 64
Version améliorée confortable à Montélimar
0
5
10
15
20
Base Améliorée
18.6
1.3
• Améliorations
• Murs avec terre crue 5 cm
• Plancher intermédiaire avec chape
• Réduction des apports internes 1 W/m²
• Sur-ventilation 3 vol/h (au lieu de 2 vol/h)
HELIASOL 17 Octobre 2013 65
Légende: % d’inconfort ( > 27°C ) sur les 7 semaines d’été
7 jours chauds version base et améliorée
HELIASOL 17 Octobre 2013
Améliorations • Murs avec terre crue 5 cm • Plancher intermédiaire avec chape
• Réduction des apports internes 1 W/m² • Sur-ventilation 3 vol/h (au lieu de 2)
T Ext
T° version base
T° version améliorée
66
FIN DE LA PRÉSENTATION MERCI
HELIASOL 17 Octobre 2013 67
HELIASOL 17 Octobre 2013 68
Effusivité
• Décrit la capacité d’un matériau à absorber la chaleur
HELIASOL 17 Octobre 2013 69
Effusivité
• Les matériaux peuvent être classés en 3 catégories, selon qu’ils sont perçus comme
– Froid (marbre, métaux, béton, carrelage)
– Neutre (Brique, plâtre)
– Chaud (Bois, liège, tissus, papier)
• Dont la température s’adapte à celle de leur environnement
HELIASOL 17 Octobre 2013 70
Modèle résultat
RT
Passif
0
10
20
30
40
Volets ouverts Volets fermés
32
13
28
9 RT
Passif
HELIASOL 17 Octobre 2013 71
Les principales données d’entrée d’une STD
• Site
– Météo horaire du site
– Masques solaires
• Bâti en 3D avec
– Cloisons intérieures
– Revêtements intérieurs / extérieurs
– Débords de toit
• Scénario (heure par heure)
– Consigne température
– Ventilation
– Nb d’occupants
– Apports internes
– Fermeture volets
HELIASOL 17 Octobre 2013 72
Inertie d’un bâtiment
• L’inertie thermique d’un bâtiment dépend:
– De l’inertie de ses parois
– Des meubles qu’il contient
– De l’inertie de son système de chauffage
• On distingue deux types d’inertie
– l’inertie quotidienne
– l’inertie séquentielle
• « C » Capacité calorifique n’est pas le seul paramètre
HELIASOL 17 Octobre 2013 73
Inertie
– Refroidissement et réchauffement lent des matériaux
• Tout matériau à température T0 , placé dans une ambiance à température Ta peu différente de la sienne, se refroidit ou se réchauffe lentement. sa température au moment "t" dépend notamment :
– du coefficient d'échange h
– de la surface d'échange S
– de la capacité thermique Cr V ou MC
• En admettant que tout le volume V est à température constante.
HELIASOL 17 Octobre 2013 74