CLIMatisation HYbride des immeubles de BUreaux · 2 RÉSUMÉ CLIMATISATION HYBRIDE DES IMMEUBLES DE...
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CLIMatisation HYbride des immeubles de BUreaux
Une boite à outils d’aide à la décision pour la conception et la réhabilitation basse
consommation des immeubles de bureaux
Rapport final
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CLIMatisation HYbride des immeubles de BUreaux
Rapport final
JUILLET 2010
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RÉSUMÉ
CLIMATISATION HYBRIDE DES IMMEUBLES DE BUREAUX
Une boîte à outils d’aide à la décision pour la conception et la réhabilitation basse consommation des immeubles de bureaux
Les concepteurs de bureaux sont soumis à des contraintes contradictoires : garantir un confort toute saison, pouvant imposer un recours important à la climatisation, tout en allant vers des bâtiments à très basse consommation voire à énergie positive, ce qui impose de limiter très fortement les consommations de climatisation.
Le projet Climhybu vise alors à promouvoir une approche globale associant une conception bioclimatique de l’enveloppe, l’utilisation maximale des ressources renouvelables extérieures, le soleil et l’air notamment, et le recours limité à des installations techniques efficaces et bien gérées.
Les livrables du projet constituent une boîte à outils : une méthodologie et des éléments pour la conception : - un document de conviction des maîtres d’ouvrage, - un guide de conception et de choix fondé sur des packs de solutions, - une bibliothèque de solutions techniques, - un outil de conception et de calcul des puissances et des consommations, et des coûts sous forme de logiciel. Le projet rassemble un consortium de huit membres dont les compétences couvrent tous les aspects du projet.
L’étude a démarré en juin 2007, des réunions de travail ayant lieu chaque mois.
Les premières actions engagées ont confirmé qu’il est envisageable de réduire très fortement les consommations de chauffage et de refroidissement par une diminution des déperditions à travers l’enveloppe des bâtiments, une bonne protection solaire en période chaude et une valorisation de l’inertie et en utilisant l’air extérieur comme source froide en mi saison et à certaines heures en été. On peut ainsi limiter l’utilisation de systèmes de chauffage et de refroidissement aux conditions extrêmes, voire pour certains locaux éviter l’utilisation de climatisation thermodynamique.
Le premier livrable, la bibliothèque de solutions techniques, a été rendu en mars 2008. Le deuxième livrable, constitué des algorithmes développés et du moteur de calcul 1.0, a été rendu en mai 2009, la gestion des protections solaires et de la surventilation ayant été implémentées.
Les packs de solutions, l’outil de conviction et le guide sont terminés.
Un aspect important du projet, en complément des aspects techniques, est l’accent mis sur l’expérimentation qui doit permettre à des concepteurs de tester les solutions Climhybu. L’expérimentation s’est déroulée en trois phases : sur les concepts, les outils puis les instruments de diffusion. Plusieurs réunions de travail ont eu lieu entre le BET et le consortium pour six opérations dont une en réhabilitation. Le concept de Climhybu a été validé ; l’importance d’un dimensionnement des installations avec des outils dynamiques afin d’optimiser les puissances et les coûts a été mis en avant et l’intérêt de la surventilation est confirmé. La bibliothèque de fiches de solutions, constituant un véritable outil de communication entre les partenaires d’un projet, a été commentée. Des propositions d’amélioration des outils, notamment pour ce qui est de leur adaptation à leur cible, ont été faites par les BET et prises en compte en grande partie.
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SOMMAIRE
1. PRESENTATION DU PROJET ................................................................................ 4
2. TRAITEMENT DES TACHES .................................................................................. 7
2.1 Solutions techniques pour le bâti, les systèmes et la gestion .................................. 7 2.2 Développement de l’outil de conception .............................................................. 7
2.2.1 Principe .................................................................................................. 7 2.2.2 Developpements - Contenu de la version 1.0 ............................................... 8 2.2.3 Développement de l’interface de l’outil ........................................................ 9
2.3 Elaboration de packs de solutions ...................................................................... 11 2.3.1 Définition ............................................................................................... 11 2.3.2 Description des locaux et des bâtiments types ............................................ 12 2.3.3 Méthodologie .......................................................................................... 12
2.4 Instruments de diffusion .................................................................................. 15 2.5 Expérimentation ............................................................................................. 15
2.5.1 La phase N° 1 ......................................................................................... 15 2.5.2 Les phases N° 2 et N° 3 ........................................................................... 16
3. GESTION DU PROJET ........................................................................................ 17
ANNEXES .............................................................................................................. 18
ANNEXE 1 : BIBLIOGRAPHIE SUR LES BATIMENTS A TRES FAIBLE CONSOMMATION
ANNEXE 2 :PHOTOVOLTAÏQUE
ANNEXE 3 : LES PACKS DE SOLUTIONS
ANNEXE 4 : COUT GLOBAL
ANNEXE 5: APPLICATION DE LA DEMARCHE
ANNEXE 6 : SYNTHESE DE L’EXPERIMENTATION
ANNEXE 7 : COMPTES-RENDUS DE REUNIONS
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1. PRESENTATION DU PROJET
La consommation énergétique des bâtiments de bureaux en France se situe aux environs de 54 TWh par an en énergie finale pour un parc d’une surface de 182 millions de mètres carrés. La consommation unitaire moyenne d'énergie, toutes énergies confondues, se situe à 283 kWh/m².
30% des bâtiments de bureaux sont climatisés.
Les objectifs du projet
L’objectif initial du projet Climhybu était de fournir aux décisionnaires et maîtres d'ouvrage les moyens de définir des objectifs et de dialoguer avec les concepteurs pour aboutir à l'objectif visé de 30% d'économie par rapport aux exigences de la RT 2005 sans surcoût, en s'appuyant sur une procédure et un référentiel leur garantissant la pertinence des travaux pour les bâtiments neufs et avec des adaptations pour les bâtiments existants. Un objectif plus exigent de 50 kWh/m² annuels avec un surcoût possible est également défini.
En fait, le projet reste le même mais ses objectifs ont été adaptés à l’évolution du contexte depuis le début de l’étude : Grenelle et future RT Neuf.
• Positionnement de la solution "tout Climhybu" par rapport à 50 kWh d'énergie primaire / m2 SHON
• Positionnement des variantes par rapport à ce cas en termes d'indicateurs consommations, confort et coûts.
Il s’agit également de fournir aux concepteurs tant pour la conception globale du bâti que pour le choix et le dimensionnement des équipements une bibliothèque de solutions pertinentes et les moyens de les assembler de façon cohérente et adaptée à chaque cas traité, y compris par des concepts innovants s'ils apparaissent apporter une solution à des problèmes aujourd'hui non résolus.
Un aspect important du projet est, en complément des aspects techniques, l'accent mis sur les instruments de conviction pour les décideurs et de dissémination adaptés à chacun des acteurs du processus de construction ou de réhabilitation.
Le projet Climhybu vise alors à promouvoir la climatisation hybride, une approche globale associant une conception bioclimatique de l’enveloppe, l’utilisation maximale des ressources renouvelables extérieures, le soleil et l’air notamment, et le recours limité à des installations techniques efficaces et bien gérées.
Les livrables du projet
Ainsi, pour atteindre les objectifs du projet les livrables constituent une boîte à outils : une méthodologie et des éléments pour la conception :
- un document de conviction des maîtres d’ouvrage,
- un guide de conception et de choix fondé sur des packs de solutions,
- une bibliothèque de solutions techniques,
- un outil de conception et de calcul des puissances et des consommations et des coûts, sous forme de logiciel.
Les livrables papier sont rassemblés dans un CD, un CD d’installation de Climawin 2005 avec le module Climhybu est fourni.
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L’organisation du projet
L’approche vise à accompagner la maîtrise d’ouvrage et la maîtrise d’œuvre tout au long du processus de décision et de conception à l’aide d’outils adaptés. Le projet est organisé en cinq tâches :
• Définition de solutions techniques pour le bâti, les systèmes et la gestion régulation
L'objectif est la définition de solutions techniques types applicables dans le neuf et la réhabilitation lourde; par le recensement et l’évaluation des solutions actuellement proposées ainsi que la prise en compte de solutions innovantes en cours de développement.
• Développement d’un outil de conception
L’outil intègre le dimensionnement des installations et le calcul des consommations.
• Elaboration de packs de solutions
On définira des ensembles de solutions cohérentes permettant d'atteindre l'objectif en distinguant les aspects bâti et les aspects systèmes.
• Instruments de diffusion
Il s’agit notamment de réaliser un outil de conviction des maîtres d’ouvrage et un guide de conception et de choix des solutions et de présenter l’outil de conception sous forme logiciel utilisable par les bureaux d’étude.
• Expérimentation
Cette tâche doit permettre de valider les packs de solutions et l’outil de conception sur des opérations en phase de conception. Les opérations servant à la validation seront en cours de certification « NF Bâtiments tertiaires – Démarche HQE® » ce qui permet de travailler avec des acteurs déjà sensibilisés aux enjeux expérimentaux et de garantir une réponse équilibrée aux enjeux de santé, de confort et d’environnement.
Utilisation des outils
Les rendus sont adaptés aux phases de la conception comme le montre la figure suivante :
Programme EsquisseConcours APS APD/DCE
Maître d'OuvrageGuide Maîtres
d'Ouvrage
Guide de conception
Guide de conception - Partie Bâti
Guide de conception - Partie
Systèmes
Guide de conception -
Partie Systèmes
ArchitecteBibliothèque de solutions
Bibliothèque de solutions
Bibliothèque de solutions
Outil de comparaison
Outil de comparaison
BET Module de calcul Module de calcul
Dimensionnement ¸¸ ¹ ¸ ¸¸ ¹ ¸¸ ¹�è
Consommations ¸ ¸ ¸¸ ¹ ¸¸ ¹�è
Confort thermique ¸¸ ¹ ¸¸ ¹ ¸¸ ¹ ¸¸ ¹�è
Coûts (investissements, fonctionnement)
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Figure 1 : Application de la boîte à outils Climhybu à la conception
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- Phase programme :
Si l’on suppose le choix du site réalisé, le Maître d’Ouvrage peut, à l’aide du guide de conviction et du Guide de conception et de choix de solutions, apporter une première série de réponses sur le choix du plan masse, de l’orientation, du nombre de niveaux et sur la conception générale du bâtiment : forme générale souhaitée du bâtiment ? Proportion de baies vitrées ? Cette proportion est-elle différente selon les orientations ?
- Phase esquisse :
Le Guide de conception et de choix de solutions et la bibliothèque permettent au Maître d’Ouvrage et aux concepteurs de bien cerner les conséquences des choix d’image effectués à ce stade. La réponse aux questions suivantes peut par exemple être apportée en toute connaissance de cause : quels sont les principaux systèmes constructifs prévus ? Quels sont les choix d’enveloppe ? Pourra-t-on ouvrir les fenêtres ? Le bâtiment sera-t-il climatisé ? Quels sont les systèmes qui sont prévus ? Quelles puissances ?
- Phase APS :
Grâce au Guide de conception et de choix de solutions, à la Bibliothèque de solutions et à l’Outil de comparaison des solutions CLIMHYBU, l’équipe de concepteurs ainsi que le Maître d’Ouvrage, peuvent affiner les choix de la phase précédente en s’attachant à résoudre les questions suivantes :
L’enveloppe choisie permet-elle de satisfaire aux réponses apportées en programme, quelles qu’elles soient : conception passive et bioclimatique, confort accru, coûts moindres ?
Les puissances mises en place correspondent-elles au mieux aux besoins ou sont-elles surestimées ?
Les solutions choisies sont-elles les plus pertinentes ? Correspondent-elles à la réponse aux questions du programme ? Existe-t-il des solutions éprouvées ou plus innovantes qui permettent de satisfaire aux objectifs du programme ?
Les changements opérés sur telle ou telle solution technique ont-ils un impact direct sur les puissances, les consommations, les coûts, le confort ?
- APD, DCE :
Le Module de calcul CLIMHYBU, associé au logiciel ClimaWin2005, permet la validation définitive de la solution retenue, ainsi que des éventuelles variantes possibles. La consultation des entreprises n’en sera que plus rapide et précise.
Le planning est le suivant :
L’étude a démarré le 1er juin 2007 pour une durée de 36 mois. Le rapport final fait état des travaux menés durant l’étude.
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2. TRAITEMENT DES TACHES
2.1 SOLUTIONS TECHNIQUES POUR LE BATI, LES SYSTEMES ET LA GESTION
L'objectif de la tâche est la définition de solutions techniques types applicables dans le neuf et la réhabilitation lourde par le recensement et l’évaluation des solutions actuellement proposées ainsi que la prise en compte de solutions innovantes en cours de développement.
Une étude bibliographique sur des bâtiments à très faible consommation pouvant mettre en œuvre des principes de climatisation hybride a été conduite en début de projet pour alimenter la bibliothèque de solutions. Cette étude est en Annexe 1.
Les fiches descriptives de solutions présentant chaque composant entrant dans la conception des bâtiments Climhybu sont rassemblées dans le rapport PEB 08-011R_CLIMHYBU_livrable_1_fiches_descriptives_200308.doc qui a constitué le premier livrable de l’étude remis le 20 mars 2008.
2.2 DEVELOPPEMENT DE L’OUTIL DE CONCEPTION
L’objectif du projet Climhybu est de fournir aux décisionnaires et maîtres d'ouvrage les moyens de définir des objectifs et de dialoguer avec les concepteurs pour aboutir à l'objectif visé, en s'appuyant sur une procédure et un référentiel leur garantissant la pertinence des travaux pour les bâtiments neufs et avec des adaptations pour les bâtiments existants.
Il s’agit également de fournir aux concepteurs tant pour la conception globale du bâti que pour le choix et le dimensionnement des équipements une bibliothèque de solutions pertinentes, et les moyens de les assembler de façon cohérente et adaptée à chaque cas traité, y compris par des concepts innovants s'ils apparaissent apporter une solution à des problèmes aujourd'hui non résolus.
Un aspect crucial de cette approche est, en amont du calcul de l'impact énergétique, de pouvoir guider et évaluer les choix en termes de conception du bâti et de choix et dimensionnement des systèmes. Ceci est particulièrement important pour les aspects de confort d'été et de refroidissement, qui est un choix initial très important (dans le neuf comme dans l'existant), et pour lesquels une approche globale est indispensable.
L'outil de calcul doit donc permettre de répondre aux quatre questions suivantes :
1) Quelle puissance de chauffage requise ?
2) Quel confort d'été ?
3) Quelle puissance de refroidissement requise ?
4) Quelles consommations d'énergie ?
C'est en effet à partir de ces quatre informations que peut être apprécié le choix d'une solution par rapport à une autre.
2.2.1 PRINCIPE
L'outil de calcul est mis au point à partir de la méthode et du cœur de calcul Th-Cex pour les calculs réglementaires des bâtiments existants.
Ce logiciel qui couvre déjà le point 1 et les points 2 et 4 pour une grande partie des équipements et systèmes envisagés dans le concept Climhybu, a dû cependant évoluer pour répondre à l’ensemble des besoins de l’étude :
• L’outil de départ, étant un outil réglementaire de calcul de consommation conventionnelle, il a dû être ouvert pour permettre de remplacer certaines données conventionnelles par des données entrées par l’utilisateur.
• Il a été complété en implémentant certains systèmes et en y adjoignant un module permettant le traitement du point 3.
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• De plus l'outil a été conçu pour permettre une première approche portant sur l'impact du bâti et de la ventilation (conception de l'enveloppe, orientation et des baies, inertie thermique ...) de façon à pouvoir être utilisé en optimisation de celui-ci avant que les systèmes soient précisément définis.
2.2.2 DEVELOPPEMENTS - CONTENU DE LA VERSION 1.0
Au cours du 3ème semestre, les travaux ont porté sur l’ouverture des données d’entrée, sur le dimensionnement, sur la prise en compte de la surventilation et de la gestion des protections solaires.
Les données conventionnelles ouvertes sont :
• Scénario d’occupation (scénario hebdomadaire défini par l’utilisateur)
• Période de vacances (l’utilisateur définit quelles sont les semaines de vacances sur l’année)
• Scénario de ventilation (scénario hebdomadaire défini par l’utilisateur)
• Scénario d’éclairage (scénario hebdomadaire défini par l’utilisateur)
• Apports internes sensibles (l’utilisateur définit les apports internes sensibles en W/m² dissipés en occupation et en inoccupation)
• Apports internes en humidité (l’utilisateur définit les apports internes d’humidité en occupation et en inoccupation)
La gestion des équipements a été complétée :
• La gestion des protections solaires a été définie par de nouveaux algorithmes élaborés de façon à intégrer la conception bioclimatique des bâtiments.
• L’ouverture des baies a été complétée par des dispositifs automatiques d’ouverture fermeture pour assurer le renouvellement d’air de confort des locaux. De nouveaux algorithmes ont été développés.
Les algorithmes correspondant à la gestion des protections solaires et à la gestion de la surventilation ont été présentées dans le rapport d’avancement N°3.
L’implémentation de nouveaux composants sur la base de fiches algorithmes établies précédemment a été effectuée au quatrième semestre : gestion des protections solaires, gestion de l’ouverture des baies, puits climatique, matériaux à changement de phase et production photovoltaïque.
Les travaux conduits sur l’intégration de la production photovoltaïque dans Climhybu font l’objet du document de synthèse en Annexe 2.
L’Annexe 4 présente l’approche simplifiée en coût global.
Le code a été testé sur plusieurs cas de bâtiments.
Les algorithmes développés et le moteur de calcul Climhybu 1.0 sont rassemblés dans le rapport PEB 09-019R FC PT EF Climhybu_livrable_2_fiches_3_Moteur_010409.doc, qui a constitué les livrables 2 et 3, remis en mai 2009.
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2.2.3 DEVELOPPEMENT DE L’INTERFACE DE L’OUTIL
L’interface de l’outil logiciel est opérationnelle, le cœur de calcul ayant été implémenté dans Climawin.
L’outil logiciel permet les calculs suivants :
- Des calculs réglementaires
- Des calculs Climhybu qui utilisent une partie des données d’entrée du calcul réglementaire (zone climatique, altitude, structure des locaux, CTA…), une parties des données du calcul réglementaires éventuellement modifiées (nature des parois, performance des systèmes…) et des données spécifiques à Climhybu.
L’interface est alors structurée de la façon suivante :
- Une interface Climawin correspondant au calcul réglementaire.
La Figure 2 est un exemple de l’interface réglementaire : la partie gauche montre l’arborescence du projet, la partie droite permet d’entrer les données pour chaque élément de l’arborescence, ici un local (données générales, apports internes et enveloppe).
Figure 2 : Exemple d’interface Climawin
- Une interface Climhybu pour renseigner les données spécifiques à Climhybu et pour l’affichage des résultats.
La Figure 3 est un exemple de l’interface Climhybu : la partie gauche montre l’arborescence simplifiée du projet, la partie droite permet d’entrer les données pour chaque élément de l’arborescence, ici le bâtiment (choix des calculs à conduire), et de récupérer les résultats dans la partie supérieure.
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Figure 3 : Exemple d’interface Climhybu
Dans l’interface Climhybu il est possible d’appeler un utilitaire (voir § 2.3) qui permet de choisir un pack de solutions et ainsi d’entrer automatiquement certaines données Climhybu. Il est possible par un jeu de cases à cocher de ne sélectionner que certaines d’entre elles. Les différentes variantes sont alors archivées pour faire une analyse de sensibilité.
Les vérifications et les améliorations sont terminées. En plus des tests menés lors de l’implémentation :
- Les calculs pour l’élaboration des packs ont permis des vérifications sur le cœur et sur la liaison interface-cœur,
- La tâche d’expérimentation a été l’occasion pour des concepteurs de tester l’outil. Plusieurs remarques ont été formulées tant sur l’ergonomie de l’interface que sur les calculs. Le cœur a été corrigé et l’ergonomie améliorée.
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2.3 ELABORATION DE PACKS DE SOLUTIONS
2.3.1 DEFINITION
Les « packs de solutions » sont des combinaisons cohérentes d’éléments de conception. Ils sont associés à un bâtiment de bureaux, pour une configuration donnée. Les éléments pris en compte dans les packs sont les suivants :
- Isolation des parois,
- Traitement des ponts thermiques,
- Perméabilité à l’air de l’enveloppe,
- Inertie thermique,
- Vitrages : performance thermique, facteur solaire et taux de transmission lumineuse,
- Gestion des baies pour la surventilation
- Type de ventilation
- Eclairage : puissance et gestion,
- Type d’émetteurs de chaleur et de froid,
Les packs de solutions étant destinés à fournir des ordres de grandeur pour guider le concepteur en phase APS, lorsque le bâtiment n’est pas connu finement, ils sont établis sur des configurations types simplifiées, notamment pour ce qui concerne la géométrie qui est prise en compte par des façades types.
Un pack correspond à une configuration type de bâtiment définie par :
- un type de bâtiment : 2, 6 ou 30 niveaux,
En fait, la typologie des bâtiments tertiaires de bureaux étant très vaste il n’est pas possible d’établir des packs pour toute la typologie. Dans un souci de simplification les packs sont limités à des façades de bâtiments, chaque type de façade intégrant différents types de locaux : bureau cloisonné, bureau paysagé, salle de réunion et circulations,
- une zone climatique,
- une orientation,
si les résultats sont très proches un pack peut représenter plusieurs orientations,
- le type de traitement de l’ambiance en période chaude :
possibilité de climatisation,
possibilité de ventilation par ouverture des baies.
- le taux de vitrage de la façade, 30%, 50% ou 70%.
Les travaux conduits au cours de cinquième semestre ont permis de disposer des packs.
Dans ce qui suit on présente les locaux qui ont servi de support à l’élaboration des packs, la méthodologie de mise au point des packs et un exemple de pack à l’aide d’un utilitaire de sélection automatique d’un pack.
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2.3.2 DESCRIPTION DES LOCAUX ET DES BATIMENTS TYPES
Les travaux conduits sur l’élaboration des packs au cours du quatrième semestre ont montré la difficulté d’étendre les solutions définies sur un local type à un bâtiment entier.
Compte-tenu de l’influence de l’orientation et de la nécessité de proposer des solutions au moins par façade (une façade est homogène), les packs de solutions sont finalement conçus par façade et par exposition de bâtiment et non pas par local type comme initialement envisagé.
Les salles de réunion d’étage sont traitées en même temps que les bureaux de même orientation.
Les locaux d’angle sont dans le groupe de même exposition que leurs fenêtres principales.
La conception du bâti d’un projet utilise alors les packs pour chacune de ces façades.
Les modèles de façades pour la mise au point des packs sont définis par leur orientation, leur nombre d’étages, leur taux de vitrage et le type de locaux, ils sont les suivants :
- 2, 6 et 30 niveaux par façade,
- quatre orientations,
- une salle de réunion d’étage pour 12 bureaux par étage et une largeur supplémentaire de 1 m pour les circulations,
- trois taux de vitrage, 30%, 50% ou 70%.
Nota : le taux de vitrage d’une façade est calculé par rapport à la surface de façade vue de l’intérieur, c'est-à-dire que le faux plafond et l’épaisseur des dalles ne sont pas comptés.
Représentation des bâtiments dans l’outil de calcul
La mise au point des packs étant par façade, il convient donc de découper les bâtiments à l’aide d’un groupe par exposition.
On ne sépare pas les salles de réunion d’étage, elles sont dans le groupe de bureaux de même exposition.
Les circulations et les sanitaires sont rassemblés dans un groupe dans lequel se fait l’extraction. Ce groupe doit être équipé du même système de chauffage et de refroidissement que les autres groupes car l’outil ne prend pas en compte les échanges entre groupes.
Les circulations sont surventilées au même titre que les autres locaux.
Lorsqu’une salle de réunion fait partie d’un groupe de bureaux, on considére un local pour la salle de réunion et un local pour les bureaux pour prendre en compte les apports internes.
Un bâtiment courant comprend alors cinq groupes, un pour chaque orientation et les circulations, et un sixième pour la salle de conférence si elle existe.
Les cinq premiers groupes sont rassemblés dans une zone, la salle de conférence dans une autre.
2.3.3 METHODOLOGIE
La méthodologie est présentée en Annexe 3.
Un utilitaire a été mis au point pour sélectionner automatiquement un pack parmi l’ensemble, voir figure ci-dessous.
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Figure 4 : Exemple de pack de solutions
Les packs sont complétés par un onglet supplémentaire donnant accès au productible PV potentiel sur la base des données présentées en Annexe 2.
Un pack, tel que présenté par l’utilitaire, comprend 5 parties principales, voir figure ci-dessus :
- en partie supérieure gauche la configuration type,
- en partie gauche les composantes du bâti intervenant dans la démarche Climhybu :
Les composants d’enveloppe
isolation thermique
traitement des ponts thermiques
perméabilité à l’air de l’enveloppe
inertie
Les systèmes
puissance de l’éclairage
gestion de l’éclairage
type de ventilation
nature des émetteurs
Les baies vitrées,
gestion de l’ouverture des baies
nature de la baie et de sa protection solaire
Chacune de ces parties est sélectionnée par un onglet en bas à gauche.
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- en partie centrale les solutions Climhybu pour la configuration retenue sur fond de couleur qui permet d’apprécier la pertinence de la solution,
Pour chaque composante du bâti, au moins deux valeurs sont proposées : une valeur dite de « base » qui correspond à la pratique courante et une valeur dite « Climhybu » qui correspond à une valeur améliorée. Pour certaines composantes du bâti, des niveaux intermédiaires sont proposés.
Si pour toutes les composantes du bâtiment, la valeur « Climhybu » est choisie, on parle alors de bâtiment ou de solution « tout Climhybu ».
- en partie supérieure droite, les consommations, les puissances et les durées d’inconfort de la solution tout Climhybu
- en partie droite des colonnes qui permettent, à l’aide de symboles, d’apprécier les solutions en termes de puissance, de consommations, de confort et de coût.
L’inconfort est défini sur la base du dépassement d’une température opérative maximale fonction de la zone climatique :
- 28 °C en zones H1 et H2,
- 30 °C en zone H3.
Les packs sont gérés par un utilitaire qui affiche automatiquement le contenu du pack dès que la configuration est choisie par le concepteur. Cet utilitaire peut afficher également la légende des couleurs et des symboles utilisés.
L’utilitaire a été implémenté dans l’outil de calcul afin de pouvoir entrer automatiquement les données sélectionnées à l’aide des packs, voir 2.2.3.
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2.4 INSTRUMENTS DE DIFFUSION
Les instruments de diffusion sont constitués de deux documents papier :
- L’outil de conviction à destination des maîtres d’ouvrage. Il contient une partie application de la méthodologie qui est présentée en Annexe 5.
- Le guide de conception et de choix des solutions.
Ce guide, à l’attention des maîtres d’œuvre et des maîtres d’ouvrage, propose une démarche pour répondre aux exigences d’efficacité énergétique des bâtiments de bureaux. Il est scindé en deux parties introduites par une présentation du contexte réglementaire, des enjeux énergétiques dans les bureaux et des étapes clefs de la conception.
La première partie propose des éléments pour concevoir, du stade esquisse au stade APS, un bâti et des systèmes efficaces du point de vue des puissances et des besoins de chaud et de froid, et du point de vue de l’éclairage.
La seconde partie présente les packs de solutions et l’utilitaire de sélection.
2.5 EXPÉRIMENTATION
Un aspect important du projet est, en complément des aspects techniques, l'accent mis sur l’expérimentation et les instruments de conviction pour les décideurs et de dissémination adaptés à chacun des acteurs du processus de construction ou de réhabilitation.
L’expérimentation se décompose en trois phases, afin de permettre de tester successivement les différentes solutions Climhybu :
- PHASE 1 : les concepts Climhybu ;
- PHASE 2 : les outils de conception et les packs de solutions ;
- PHASE 3 : les instruments de diffusion.
Cette expérimentation a pour objet principal de permettre aux maîtres d’ouvrage sélectionnés de tester les concepts Climhybu et de confronter ceux-ci aux solutions mises en place sur l’opération, afin d’aider à trouver des solutions efficaces, et pour le consortium de valider les concepts proposés.
Cette évaluation comparative des solutions propres à l’opération par rapport aux solutions Climhybu est qualitative et doit donc constituer un véritable échange constructif.
Les résultats des expérimentations des phases 1, 2 et 3 sont en Annexe 6.
2.5.1 LA PHASE N° 1
Les objectifs de la phase 1 de l’expérimentation étaient les suivants :
- Vérifier la pertinence générale de la méthodologie Climhybu - Obtenir un avis « critique » sur les fiches descriptives - Détailler la méthodologie et les solutions techniques mises en pratique sur 2 projets
visant des niveaux performants.
Pour cela, un bureau d’études HQE, OASIS, a été interrogé. Il était préférable pour cette phase 1 de faire appel à un BET expérimenté pour avoir un maximum de retours.
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2.5.2 LES PHASES N° 2 ET N° 3
L’expérimentation, en phases 2 et 3 du projet Climhybu, menée simultanement, a consisté à tester sur 4 projets de bureaux en cours de conception :
-‐ Les principes -‐ Les outils mis à disposition (Guide et ses annexes ; Utilitaire ; Logiciels).
Les échanges se sont faits avec 4 bureaux d’études (HQE/thermique/Fluides) qui avaient soit des missions de maitrise d’œuvre soit des missions d’Assistance à Maitrise d’Ouvrage (AMO).
Pour une plus grande représentativité des projets, les tests ont été conduits sur des constructions neuves et une réhabilitation lourde et sur des bâtiments situés sur l’ensemble du territoire métropolitain français, soit avec des contextes climatiques différents (Ile de France, Toulouse, Corse).
Synthèse des projets étudiés :
Interlocuteur Maitre d’ouvrage SHON (m²) Lieu Type
Green Affair Bowfonds Marignan 13.000 Montreuil (93) Construction
Etamine EDF 3700 Corse Réhabilitation
Ginger 9800 Toulouse (31) Construction
Tribu Energie Plaine St-Denis 1000 Saint-Denis (93) Construction
Cette expérimentation a permis de faire évoluer les différents outils et ainsi de les améliorer tant au niveau de la forme que du fond.
Les retours d’expériences ont permis de mettre la dernière touche à l’intégration du module Climhybu dans ClimaWin 2005 en terme d’ergonomie, de cohérence et de justesse des résultats. Les retours ont également permis d’adapter les sorties.
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3. GESTION DU PROJET
Le consortium a tenu des réunions de travail mensuelles lors desquelles les résultats obtenus sont présentés et les études à suivre sont définies.
En fonction des résultats obtenus et des difficultés rencontrées des évolutions peuvent être proposées en relation avec le planning des tâches. Ainsi par exemple d’une part les objectif de l’étude ont évolués avec le contexte (Grenelle, RT2012) et d’autre part la mise au point de packs a subi des évolutions pour les rendre plus facilement applicables.
Le planning a été quasiment respecté dans la mesure où, comme prévu, les deux premières années ont été consacrées à un travail technique et la troisième l’adaptation au terrain et à l’amélioration.
Une demande de prolongation du contrat de deux mois a toutefois été demandée, car la phase d’expérimentation, phase essentielle du contrat, a pris un peu plus de temps que prévu.
La majorité des membres du consortium a participé aux différentes revues des projets organisées par la fondation
- le 28 septembre 2007,
- le 24 mars 2008,
- le 23 octobre 2008,
- le 24 septembre 2009,
- le 25 mars 2010.
Le consortium participera à la revue finale prévue le 23 septembre 2010.
Les comptes rendus de réunions sont en Annexe 7.
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ANNEXES
ANNEXE 1
BIBLIOGRAPHIE SUR LES BATIMENTS A TRES FAIBLE CONSOMMATION
1. PRESENTATION
1.1 OBJECTIFS
Les objectifs de la recherche bibliographique sont multiples : répertorier (de façon non exhaustive) les bâtiments tertiaires utilisant de la climatisation à basse consommation ou de type « hybride », à la fois en France et dans le monde, identifier les concepts généraux ou « philosophies » présidant à la réussite de tels bâtiments, identifier les technologies utilisées et leurs modalités de mise en œuvre. Une importante bibliographie [1] existe déjà au sujet des techniques de climatisation hybride, aussi ce point ne sera abordé que sous la forme d’un bref résumé de chaque technique, ainsi que d’une présentation de la façon dont elle a concrètement été mise en œuvre dans les bâtiments étudiés, afin de constituer une bibliothèque d’idées et de solutions de mise en œuvre.
1.2 MÉTHODOLOGIE
• Sources utilisées
L’étude bibliographique s’est principalement appuyée sur des sources Internet : dossiers de presse présentant les bâtiments, sites internet de bureaux d’étude avec un domaine de compétence dans la construction « durable » ou HQE, programmes de recherche, labels (LEED, HQE), conférences, publications et articles.
• Choix des bâtiments
Les bâtiments retenus pour cette étude sont ceux présentant un effort d’économie d’énergie portant à la fois sur l’enveloppe et sur les systèmes (quitte à conclure à l’absence de système en fonction des performances de l’enveloppe et du climat environnant). Seuls les bâtiments déjà construits ont été retenus ; en revanche, les caractéristiques et chiffres présentés peuvent provenir aussi bien d’une campagne de mesures dans le bâtiment que d’estimations ou de simulations effectuées lors de la conception du bâtiment.
• Limitations
Les paragraphes suivants vont présenter les résultats de l’étude bibliographique ; cependant, il convient d’avoir certains points présents à l’esprit avant de poursuivre la lecture. Tout d’abord, la liste des bâtiments étudiés n’est pas exhaustive, et des bâtiments très intéressants ont pu échapper à la recherche. Une attention particulière a été portée à la fiabilité des sources et à la qualité des informations disponibles pour chaque projet. Cependant, les informations obtenues portent sur ce que les maîtres d’œuvre ou d’ouvrage souhaitent mettre en avant au sujet de leur bâtiment. Des technologies considérées comme banales dans un pays, en fonction de sa culture de construction (par exemple, une très bonne isolation en Allemagne, ou l’utilisation de free cooling diurne, d’équipements informatiques très performants), peuvent être absentes de la présentation d’un projet ; de même, les informations disponibles sur un bâtiment sont parfois incomplètes, signalant par exemple la présence d’une gestion innovante de l’éclairage artificiel, sans préciser le type de technologie employée.
2. RESULTATS
2.1 SYNTHÈSE GLOBALE DES BÂTIMENTS ÉTUDIÉS
2.1.1 SITUATION DES BATIMENTS
Les bâtiments répertoriés sont au nombre de 64. La liste des bâtiments est disponible dans le rapport complet de l’étude bibliographique. Le Tableau 1 présente les pays de situation des bâtiments répertoriés.
Europe
UK Allemagne Suisse Belgique France Portugal
6 24 2 4 13 1
Asie/Océanie Amérique Afrique
Japon Australie US Zimbabwe
1 2 10 1
Tableau 1 : Répartition géographique des bâtiments répertoriés
2.1.2 SYNTHESE DES TECHNOLOGIES UTILISEES
Plutôt qu’une liste de données chiffrées, une approche visuelle a été choisie. Les Figure 1 à Figure 3 présentent les tendances répertoriées lors de l’étude, du point de vue de l’enveloppe, des systèmes de refroidissement et des équipements. Certains bâtiments peuvent montrer plusieurs des caractéristiques présentées dans les graphiques suivant. Par exemple, un bâtiment peut avoir à la fois des protections solaires fixes et mobiles, ou une toiture à la fois bien isolée et végétalisée. Dans ce cas, le pourcentage total de bâtiments présentant ce type de caractéristiques (une protection solaire ou une amélioration de la toiture dans notre exemple) a été spécifié en abscisse. Les technologies citées sont détaillées au paragraphe 2.3 présentant les techniques de climatisation passive.
vegetal 16%
atrium 17% insulation 17%
reflecting 3%
insulation 53%
high thermal inertia 56%
insulated clear glass 28%
solar glass 16%
mobile 52%
mobile and automated 18%
fixed 30%
fixed with mounted PV 8%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
structure roof (21%) opaque surfaces glazed surfaces solar shading(72%)
% o
f the
stu
died
bui
ldin
gs
Figure 1 : Enveloppe et structure des bâtiments
natural; 11%
natural; 28%mechanical; 6%
hybrid; 2%
mechanical; 23%
hybrid; 5%
free cooling with ground water; 8%
earth-to-air heat exchanger; 19%
high depth; 9%
direct; 2%
indirect; 5%
solar; 6%
trigeneration; 9%
normal; 5%
efficient; 8%
only as a complement; 11%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
daily free cooling night ventilation geothermal evaporative ab/adsorption classic chillers
% o
f the
stu
died
bui
ldin
gs
Figure 2 : Systèmes de refroidissement
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
daylighting low energy efficient control low energy fans,pumps
low energyoffice
equipment
lighting auxilaries
% o
f the
stu
died
bui
ldin
gs
Figure 3 : Equipements basse consommation
On constate globalement :
- Une forte utilisation de la ventilation nocturne (souvent couplée à l’inertie et l’isolation…)
- Une forte utilisation de la géothermie, notamment des puits climatiques, (eau de nappe, puits climatique), profonde
- Un effort important sur l’éclairage : éclairage basse consommation, gestion innovante avec détecteurs de luminosité, maximisation de l’éclairage naturel,
- Des systèmes alternatifs complexes (trigénération, sorption solaire, évaporatif indirect) plus courants que prévus,
- La présence d’atriums utilisés comme puits de lumière et moteur de la ventilation naturelle (nocturne ou diurne).
2.1.3 PHILOSOPHIES
Deux grandes philosophies de bâtiments tertiaires « à basse consommation » peuvent être définies. La première philosophie est celle du « tout passif » pour le système de refroidissement, utilisant par exemple fortement la ventilation naturelle et le free cooling. La deuxième philosophie fait appel à des technologies de refroidissement classiques mais performantes, et utilise des équipements à efficacité énergétique élevée. Cependant, les bâtiments recensés se situent évidement entre ces deux extrêmes, proche de l’un tout en empruntant des éléments à l’autre. Au niveau de la gestion des systèmes (et notamment de l’éclairage), même les bâtiments « passifs » emploient souvent des technologies innovantes : Gestion Centralisée du Bâtiment, détecteurs de présence et capteurs de luminosité pour la gestion de l’éclairage, gestion automatisée des protections solaires, etc…
Pays Allemagne, Suisse, UK, Belgique, les bâtiments LEED les plus performants.
Enveloppe
Bonne isolation (proche des standards passifs)
Limitation de la surface vitrée
Forte inertie thermique
Ventilation naturelle ou hybride ; par ouverture des fenêtres ou d’ouvrants spécifiques, par cheminées de ventilation ; gestion automatisée
à récupérateur de chaleur
Chauffage
énergie alternative : co/trigénération (biomasse/gaz naturel), géothermie/puits climatique, solaire
atrium comme espace tampon, cheminée de ventilation, puits de lumière
technologie d’émission : à basse consommation (slab cooling, plafonds/planchers chauffant) ou aéraulique
Rafraîchissement free cooling : diurne et/ou nocturne, naturel (ou hybride ou mécanique)
source alternative : géothermie/puits climatique/eau de nappe, trigénération, solaire,
Protections solaires
en fonction du climat et des besoins ; optimisation de la lumière naturelle ; mobiles (parfois automatisées) avec vitrage clair
Eclairage naturel (atrium, protections solaires réfléchissantes,…)
PV dans plus de 40% des cas, parfois en protection solaire fixe (toit de l’atrium)
Tableau 2. Philosophie « passive »
Pays USA, France
Enveloppe Paroi double peau, atrium
Large surface vitrée pour favoriser l’éclairage naturel
Ventilation double flux classique (présence de ventilation hybride)
parfois avec échangeur de chaleur (roue d’enthalpie)
Chauffage
technologie efficace : chaudière à condensation, co/trigénération
émission aéraulique
GTB avec zonage
Rafraîchissement
climatisation « classique » performante (groupes froids refroidis à l’eau avec tour de réfrigération, optimisation du fonctionnement à charge partielle)
chillers au gaz naturel
parfois : pré-rafraîchissement avec des systèmes alternatifs (géothermie/puits climatique)
GTB
Protections solaires
Pas toujours présentes : Vitrages solaires (filtrants) + protection solaires internes, Protections solaires uniquement au Sud
Protection du toit (toiture réfléchissante, végétalisée, ou ombragée par des PVs)
Éclairage
optimisation de l’éclairage naturel : atrium (avec réflecteurs de lumière) et larges surfaces vitrées, lucarnes, héliostats sur le toit, grande hauteur sous plafond, protections solaires horizontales et masques fixes, bureaux open plan
lampes basse consommation (lampes fluorescentes T5 ou T8, ballasts électroniques)
gestion innovante : détecteurs de présence, capteurs de luminosité avec gradateur, zonage
Equipements
auxiliaires à basse consommation : ventilateurs et pompes à vitesse variable, régulation par zone/bureau
équipements de bureau à basse consommation : label Energy Star, écrans plats, ordinateurs portables
PV Dans plus de 50% des cas
Tableau 3. Philosophie « performance des systèmes »
A ces deux principes s’appliquant à un bâtiment dans sa globalité, certains bâtiments utilisent une approche par local, en utilisant des systèmes adaptés à un type de local bien précis. Cela rejoint les concepts proposés lors des premières réunions Climhybu.
Philosophie « par local » Pour les locaux de grand volume (salle de conférence ou grande salle de réunion, atrium)
• Climatisation solaire (salle de réunion) • Puits climatique (atrium et salle de réunion) • Plancher rafraîchissant sur eau de nappe (atrium) • Rafraîchissement évaporatif :
Mur d’eau alimenté par l’eau de pluie (atrium) Brumisation (atrium) Evaporatif indirect (salle de conférence)
• Ventilation naturelle dans l’atrium (par ouverture de la toiture, pour faciliter la convection naturelle)
Pour les locaux de petits volumes (bureaux)
• Installation d’un système d’émission spécifique (ventilo-convecteurs, plancher ou plafond rayonnants)
• Gestion de la ventilation de façon automatique au niveau du bureau (avec une ventilation locale avec unités en façade ou avec une ventilation centralisée)
2.1.4 ANALYSE
• Type de maître d’ouvrage
a) France
divers public 7%
siège social 14%
bureaux 14% administration 29%
enseignement 29%
bureaux mixtes 7%
b) Etranger
divers public 4%
siège social 27%
enseignement 16%
bureaux mixtes 14%
bureaux 20%
administration 16%
divers privé 4%
Figure 4. Répartition des maîtres d’ouvrages des bâtiments étudiés :
a) en France, b) à l’étranger
En France, les opérations répertoriées sont principalement le fait de maîtres d’ouvrage publics (enseignement, administration) ; à l’étranger, la proportion d’acteurs privés est plus importante et même majoritaire. Cependant, vu la petite taille de l’échantillon, ces données sont plus à prendre comme une caractéristique de l’étude que comme un reflet du dynamisme plus important du secteur privé à l’étranger. A titre de comparaison, fin juin 2007, sur 85 opérations certifiées HQE, environ 36% uniquement était le fait de maîtres d’ouvrage publics [2]. Cependant, peu de bâtiments HQE privés utilisent des technologies de climatisation hybride.
Au moins un tiers des maîtres d’ouvrage des bâtiments privés étrangers étudiés sont une entreprise travaillant dans le domaine du bâtiment ou de l’énergie, pour laquelle le bâtiment est alors une vitrine et/ou la garantie d’une bonne image de marque.
La plupart des bâtiments ont été fait construire par l’entreprise qui les occupera, en tant que laboratoires, administrations, bureaux, siège social, local d’enseignement, etc… Seulement 6% environ des bâtiments recensés sont destinés à la location.
Environ 10% des bâtiments recensés résultent d’opération de réhabilitation, le reste étant des constructions neuves.
• Coût
Bien que des données chiffrées sur le coût de construction des bâtiments soient disponibles, il est difficile de pouvoir évaluer le surcoût induit par l’utilisation de techniques de climatisation hybride. En effet, les bâtiments étudiés ont été construit à des époques différentes et dans des pays différents : il n’est pas possible de comparer les coûts des bâtiments entre eux ni à un seul coût moyen correspondant à un bâtiment classique.
• Niveau de performance énergétique, efficacité des solutions et confort des occupants
Les bâtiments répertoriés sont des bâtiments allant du performant au très performant (moins de 80 kWhep/m² par an), selon leur période de construction (de 1996 à 2007 pour le neuf), les technologies utilisées (technologies passives ou classiques) et leur situation géographique (climat très chaud du Sud des Etats-Unis et du Japon, climat continental de l’Allemagne, climat océanique de l’Angleterre). Certains bâtiments sélectionnés pour leur utilisation de systèmes de climatisation passive n’atteignent pas les critères de haute performance énergétique d’aujourd’hui à cause de leur âge (construction avant 2000) et donc à cause de l’inefficacité des autres systèmes utilisés (éclairage, bureautique, auxiliaires).
Certains bâtiments conçus comme performants (moins de 100 kWhep/m² par an) ont présenté une consommation énergétique très importante (jusqu’à 200 kWhep/m² par an) lors des premières années d’utilisation, due majoritairement à des disfonctionnements des systèmes et/ou de la gestion du bâtiment par les occupants.
Du point de vue du confort thermique, les systèmes de climatisation hybride donnent satisfaction lors des étés normaux. Certains bâtiments disposant de systèmes frigorifiques en appoint ne s’en sont jamais servi. Cependant, les étés exceptionnels comme 2003 montrent les limites des systèmes à faible potentiel de rafraîchissement (systèmes aérauliques de type surventilation et puits climatique). Des disfonctionnements dans la gestion des systèmes hybrides et un manque de formation des occupants entraînent également des problèmes de confort thermique en été. Il a également été nécessaire d’installer après coup dans certains bâtiments des systèmes frigorifiques pour la climatisation des zones à fort gains internes (salles informatiques).
2.2 LOCAUX ET STRUCTURE DES BÂTIMENTS
Aucune corrélation n’a été trouvée entre la taille du bâtiment et l’utilisation ou non de systèmes alternatifs pour le refroidissement. La surface moyenne des bâtiments utilisant uniquement un système frigorifique est 1,5 fois plus élevée que celle des bâtiments utilisant au moins un système alternatif, mais l’écart type est largement supérieur à l’écart entre les moyennes. Les conditions climatiques et la volonté du maître d’ouvrage sont donc bien plus déterminantes que la taille du bâtiment.
Les locaux présents dans les bâtiments confirment les locaux types définis dans Climhybu : bureaux individuels, bureaux paysagers, salle de réunion, atrium et salle de conférence. Quelques exemples de plans de bâtiments sont présentés en annexe du rapport complet de l’étude bibliographique. Les atriums rencontrés sont de plan carré, de 3 étages à 10 étages de hauteur, placés au centre ou sur une façade du bâtiment (exception avec la tour de la Commerzbank, 160 m de hauteur pour l’atrium) ou de type « rue », dans des bâtiments de trois étages environ.
2.3 TECHNOLOGIES
Ici sont présentées certaines techniques et technologies utilisées par les bâtiments répertoriés pour diminuer leur consommation d’énergie. Certaines sont des techniques d’architecture bioclimatique bien connue, comme l’orientation du bâtiment ; d’autres sont des technologies plus précises, comme le type de protection solaire ou la manière d’assurer la ventilation naturelle. Les technologies sont classées selon les 4 étapes retenues pour la conception d’un bâtiment Climhybu : maîtrise des besoins de chaleur, maîtrise des besoins de froids, free cooling et efficacité des systèmes ; enfin, la cinquième étape facultative est la production d’énergie avec le photovoltaïque ou la trigénération.
2.3.1 MAITRISE DES BESOINS DE CHALEUR
• Orientation du bâtiment
Il s’agit d’éviter les larges surfaces vitrées à l’Est et l’Ouest pour diminuer les gains solaires l’été, tout en augmentant les baies au Sud pour chauffer l’hiver, et en utilisant le Nord pour apporter un éclairage naturel diffus. L’ombrage non souhaité d’autres bâtiments (masques) est à éviter. Cependant, l’orientation du bâtiment n’est pas toujours maîtrisable, notamment en environnement urbanisé. L’orientation des façades elle-même peut être compensée par une répartition des surfaces vitrées en fonction de l’orientation lorsque cela est possible (pas de masques proches etc). Elle est à appliquer très en amont de la conception du projet.
• Isolation
Une isolation importante permet de diminuer les pertes thermiques l’hiver, ce qui correspond à la première étape Climhybu, ainsi que l’été lorsque le bâtiment emploie un système de climatisation active (si tex > Ti). Un fort niveau d’isolation permet donc une diminution des consommations de chauffage, ainsi qu’une amélioration du confort intérieur (réduction de l’effet de paroi froide). Cependant, les besoins en climatisation peuvent être augmentés en mi-saison si la chaleur dégagée par les apports internes et solaires est piégée à l’intérieur du bâtiment. Le niveau d’isolation est à optimiser en fonction des besoins du bâtiment (répartition entre les consommations de chauffage et de refroidissement) et donc du climat. Environ la moitié des bâtiments de l’étude présentent un bon voire très bon (standard passif) niveau d’isolation.
• Perméabilité du bâtiment
10% des bâtiments de l’étude mettent en avant l’étanchéité de leur façade. Les standards passifs mettent l’accent sur une faible perméabilité du bâtiment pour réduire les déperditions thermiques liés aux infiltrations d’air. Cependant, diminuer la perméabilité diminue également le free cooling en période de refroidissement (ce qui augmente les consommations de froid) : il faut alors organiser ce free cooling de façon contrôlée. Comme
pour l’isolation, le niveau d’étanchéité est à optimiser entre gain de consommation de chauffage, coût de l’installation, et impact sur les consommations de refroidissement, en fonction du climat. La qualité de l’installation est très importante pour le niveau de maîtrise des infiltrations d’air souhaité.
• Parois double peau
Une paroi double peau est une paroi constituée de deux murs, entièrement vitrés ou non, séparés par une lame d’air. Cette appellation recouvre des principes très différents :
La façade externe peut être fixe ou mobile,
La couche d’air peut être ventilée ou isolante suivant la saison, voire ventilée en hiver par l’air vicié pour échanger de la chaleur avec l’intérieur du bâtiment. La ventilation peut se faire sur toute la hauteur du bâtiment, ou uniquement par étage si la paroi double peau est segmentée.
La paroi double peau favorise également l’éclairage naturel en diffusant la lumière du jour. Le positionnement des stores/protection solaire à l’intérieur de la paroi double peau permet de diminuer la maintenance dans certains cas (pas d’exposition aux intempéries extérieures et à la poussière ; sauf si ventilation naturelle nocturne par la double peau…)
Dans le cas d’une lame d’air non ventilée, elle agit comme une isolation extérieure. La valeur U de la paroi dépend du type de vitrage utilisé et des ponts thermiques liés à la fixation des parois. Un bilan global des déperditions et gains thermiques annuels doit être effectué, car les gains solaires plus importants peuvent compenser une valeur U plus élevée qu’une paroi opaque. Cependant, il faut aussi prendre garde aux apports solaires non désirés en été. Certaines études [3] concluent à l’augmentation des besoins en climatisation, suivant le type de façade double peau utilisée.
9,8% des bâtiments répertoriés dans l’étude bibliographique ont une façade double peau. La plupart d’entre eux justifient ce choix par l’isolation apportée en hiver.
2.3.2 MAITRISE DES BESOINS DE FROID
• Maîtrise des apports solaires
Toitures réfléchissantes
La toiture du bâtiment est revêtue d’une surface absorbant peu les rayons solaires (réflectance de 0,8-0,9 dans le spectre visible) avec une forte émittance dans l’infrarouge pour assurer un refroidissement radiatif du toit de nuit. Les bénéfices sont sensiblement identiques à ceux du toit végétalisé du point de vue de la réduction des apports solaires :
- Prolongation de la durée de vie du toit (de 30% à 50%) et de l’étanchéité,
- Réduction des apports solaires,
- Diminution de l’effet « îlot de chaleur »
- Absence de problème sur la structure comme peuvent l’occasionner les toits végétaux de type intensif ou semi-intensif, absence d’entretien particulier.
L’ensemble des toitures réfléchissantes de cette étude (seulement 3,3% des bâtiments) sont situées aux Etats-Unis, où ce type de toiture est plus répandu et promu qu’en Europe.
Des produits commerciaux sont disponibles en Europe, comme la surface acrylique blanche Derbibrite de Derbigum, dont la réflectivité est de 76% à la pose et de 71% après 3 ans [4]. Le site américain http://www.coolroofs.org/ donne également une liste de produits commercialisés aux USA, dont les réflectances solaires vont jusqu’à 0,92 et les émittances thermiques jusqu’à 0,90.
Protections solaires
La présence de protections solaires est indispensable pour éviter une surchauffe du bâtiment en été. Divers types de protection sont possibles :
Absence de protection solaire
Fenêtres au Nord
Climat favorable (étés frais) + système hybride à fort potentiel (ground cooling)
Vitrages solaires
Rencontrés dans seulement 12% des bâtiments, avec des typologies variées : tours, bâtiment de hauteur moyenne (10 étages), petits bâtiments ; associés à des protections solaires intérieures ou extérieures (mobiles ou fixes), internes à la double peau, architecturales
Protections fixes Brise-soleils Parfois associés à des stores intérieurs pour éviter
l’éblouissement ; bâtiments de hauteur moyenne (10 étages)
Auvents Brise-soleils orientables
Protection mobiles externes
En toile, projetable ou verticale
bâtiments de hauteur moyenne (10 étages) ou faible
Type store vénitien Pouvant reflétant la lumière du jour pour une diffusion optimale
Protections mobiles internes ou internes à
la double peau
Toile Dans le cas de bâtiments de grandes hauteur, de bureaux sur l’atrium, de façade double peau ou de vitrages solaires (+ quelques rares autres cas) ; en plus de masques fixes ou de brise soleil pour l’éblouissement
Stores vénitiens
L’offre industrielle est multiple : Levolux (UK), Ferrari soltis, Colt (dont des brise-soleils intégrants du photovoltaïque), Griesser, Shenker.
Les stores automatisés sont régulés de différentes façons :
- suivant un calendrier intégrant la position du soleil au cours de l’année et l’instant où il frappera la façade, avec dérogation à l’occupant,
- descente des stores au début de chaque demi-journée en été, avec dérogation à l’occupant,
- en fonction de l’éclairement sur la façade (par capteur de luminosité),
- dans le cas de protections mobiles, repli des stores en cas de conditions climatiques défavorables (vent, …).
• Maîtrise des gains internes
Eclairage
Optimisation de l’éclairage naturel
Il s’agit de maximiser de l’éclairage naturel pour diminuer la consommation d’éclairage artificiel, et donc à la fois les gains internes dus à l’éclairage artificiel et la consommation électrique du bâtiment. Les solutions possibles sont :
une large surface vitrée, grâce à de hautes ouvertures sous plafond, l’utilisation de bureaux paysagers, la présence d’atrium, de lucarnes et de puits de lumière, des protections solaires « optimisant » l’utilisation de la lumière naturelle (stores
vénitiens réfléchissant la lumière, positionnement des protections : absence de protection au Nord, protections horizontales au Sud, verticales fixes selon un angle à l’Est et l’Ouest, protections solaires ajourées (brise soleil, treillis avec plantes grimpantes caduques, arbres caduques pour l’hiver), l’utilisation de deux protections solaires verticales différentes en haut et au milieu de la baie, assurant une optimisation de
l’éclairement naturel dans la partie supérieure de la baie et une protection contre l’éblouissement et les gains solaires dans la partie centrale,
Des revêtements intérieurs clairs (notamment au niveau des plafonds) permettant une meilleure réflexion de la lumière,
la présence d’héliostats sur le toit redirigeant la lumière vers des prismes et des conduits de lumière, des réflecteurs de lumière dans l’atrium.
Il faut prendre garde aux besoins de froid induits par les apports solaires supplémentaires, ainsi qu’aux possibles augmentations des déperditions de chaleur.
Il est nécessaire de bien gérer l’éclairage artificiel pour valoriser l’éclairage naturel apporté, par exemple au moyen d’une gestion avec capteur de luminosité et ballasts dimmables, ou encore avec un zonage du bureau en fonction de l’éloignement à la fenêtre.
Sources « basse consommation »
L’utilisation de sources basse consommation d’énergie permet de réduire la puissance et la consommation de l’éclairage artificiel tout en maintenant le niveau d’éclairement et de confort souhaité. Différents paramètres sont à prendre en compte :
Le type de ballast utilisé Le type de source lumineuse Le rendement du réflecteur
Les sources de lumière les plus économes disponibles sur le marché sont actuellement les tubes fluorescents à haut rendement de type T5 (diamètre de 16 mm) ; les ballasts les plus économes sont les ballasts électroniques, pouvant être dimmables. Les sources de lumière LED sont une technologie prometteuse mais encore peu répandue sur le marché.
Modes de gestion et de régulation des systèmes innovants
Une bonne gestion de l’éclairage artificiel permet de diminuer les consommations énergétiques. Les types de gestion rencontrés sont :
Des détecteurs de présence (32% des bâtiments), utilisés pour gérer l’éclairage d’un bureau paysager, d’un bureau individuel ou des sanitaires
Des capteurs de luminosité (40% des bâtiments), associés à des ballasts dimmables pour régler le niveau d’éclairement artificiel en fonction de la lumière naturelle disponible dans les bureaux paysagers et individuels
Gestion centralisée de l’éclairage par GTB (9% des bâtiments) pilotant les luminaires en plus des capteurs précités.
Seuls quelques 8% des bâtiments utilisent d’autres techniques : minuterie dans les circulations (dont dans les bureaux paysagers), gestion de l’éclairage par zone (distance à la fenêtre), etc.
Eclairage base + appoint
Un éclairage général de faible puissance (entre 200 lux et 350 lux) est associé à un éclairage d’appoint à 400-500 lux sur la table de travail, par exemple au moyen de lampes fluorescentes compactes. La puissance totale installée est très faible, inférieure à 8W/m². Le problème de la gestion de l’éclairage des lampes d’appoint se pose, aucune donnée n’ayant été trouvée à ce sujet dans la bibliographie.
Equipements
Bureautique
Seulement 17% des bâtiments de l’étude mettent en avant l’efficacité des équipements de bureaux. Ce faible chiffre peut s’expliquer par le fait que l’utilisation de matériels à faible consommation, comme par exemple les écrans plats, est déjà devenue monnaie courante dans les immeubles neufs et ne mérite donc plus d’être mis en avant. Les équipements de bureau « basse consommation » utilisés sont des ordinateurs portables sur station de travail, des écrans plats et des équipements répondant au label « Energy Star ».
Auxiliaires
Des auxiliaires à faible consommation d’énergie sont utilisés, comme des ventilateurs et pompes à variateur de fréquence ; les équipements mécaniques comme les ascenseurs, etc sont choisis pour leur performance énergétique.
2.3.3 TECHNIQUES DE RAFRAICHISSEMENT HYBRIDE
2.3.3.1 Rafraîchissement évaporatif • Direct
Végétation
Autour du bâtiment
La présence de végétation autour du bâtiment a deux types d’impacts : un effet d’ombrage associé à la création d’un microclimat autour du bâtiment par rafraîchissement évaporatif, rafraîchissant l’air entrant dans le bâtiment et diminuant l’effet « îlot de chaleur » des zones urbanisées l’été.
Toitures végétalisées
Les toitures végétalisées considérées ici sont de type extensif (faibles charges sur la structure, faible épaisseur du substrat) ; elles permettent de rafraîchir localement l’air et la surface du toit par évapotranspiration de la végétation ; la quantité de vapeur d’eau rejetée par la toiture correspond à environ 30% de l’eau de pluie incidente [5]. Cela entraîne à la fois une diminution des gains solaires par le toit et comme externalité positive une diminution de l’effet « îlot de chaleur ». Les avantages annexes sont une capture des eaux de pluie (diminution du ruissellement), un doublage de la durée de vie de l’étanchéité (par diminution des contraintes thermiques subies par celle-ci) et du toit, une augmentation de la biodiversité, et enfin une meilleure intégration du bâtiment et un aspect esthétique.
Par ailleurs, une toiture végétalisée présente peu voire aucune consommation d’eau (sauf climat méditerranéen) ou d’engrais, pas plus d’entretien qu’une toiture classique (nécessité d’arracher les arbustes et plantes indésirables une fois par an, …). L’implantation est facile sur les toits à pente limitée (supérieur à 6°, inférieur à 30°) [6]. Les produits disponibles sur le marché français sont nombreux [6].
Evaporation directe non gainée
La présence d’une source d’eau (plan d’eau, fontaine, cascade ou dispositif de brumisation) à proximité ou dans le bâtiment (atrium) permet un rafraîchissement de l’atmosphère par évaporation directe. La source d’eau peut par exemple être alimentée par l’eau de pluie recueillie par le toit du bâtiment. D’après l’étude [7], le potentiel de rafraîchissement d’un plan d’eau peut être de 150-200 W/m² de surface humide (dépendant de la vitesse de l’air). Le procédé de brumisation est également intéressant dans les très grands volumes comme les atriums.
Rafraîchissement adiabatique direct gainé
Le principe est d’insérer un humidificateur dans une centrale de traitement d’air. La consommation d’eau est d’environ 3 l/kWhfroid [8]. La solution présente le désavantage d’humidifier le local, ce qui peut être incompatible avec son utilisation. Au contraire dans d’autres cas, cet effet peut être favorable car recherché. Le potentiel de cette technique est faible dans les climats humides. Ce système n’a pas été rencontré lors du benchmarking.
• Rafraîchissement adiabatique indirect
Ventilation
Un système évaporatif indirect, présenté Figure 5, consiste à refroidir l’air extrait du local par évaporation d’eau dans celui-ci puis à l’utiliser pour refroidir l’air de soufflage dans un échangeur de chaleur. L’équipement requis est un humidificateur, de type pulvérisateur d’eau ou par ruissellement sur un substrat humide, et un échangeur de chaleur, de type roue ou échangeur à plaque. L’échangeur de chaleur est utilisé l’hiver pour préchauffer l’air neuf.
Figure 5. Principe de l’évaporation indirecte [9]
L’efficacité du système dépend fortement des conditions de température et d’humidité locales [8, 9]. La consommation d’eau est d’environ 3 l/kWhfroid [8]. Seulement 5% environ des bâtiments étudiés utilisent cette technique, parfois uniquement pour des grands volumes de type salle de conférence. Les fournisseurs industriels sont par exemple Menerga (Belgique, Allemagne, France), Munters (Europe du Nord).
Tour aéroréfrigérante
Les tours aéroréfrigérantes humides permettent d’augmenter le EER des groupes froids classiques en diminuant la température de condensation ; les bâtiments américains pariant sur l’efficacité des systèmes de refroidissement classiques utilisent ainsi des groupes froids refroidis à l’eau. Elles peuvent également être utilisées pour tirer parti directement du rafraîchissement évaporatif en alimentant le bâtiment en eau fraîche et en air refroidi par évaporation directe. A titre d’exemple, le bâtiment CH2 (Melbourne, Australie), utilise des « shower towers » pour refroidir l’air destiné aux commerces situés au rez-de-chaussée, et stocke la fraîcheur de l’eau au moyen d’une cuve de MCP en sous-sol ; un circuit d’eau séparé récupère cette fraîcheur pour refroidir le bâtiment par des plafonds rafraîchissants.
2.3.3.2 Ventilation à dessiccation Cette solution n’a pas été rencontrée lors de l’étude bibliographique, et ne sera donc pas détaillée plus avant.
2.3.3.3 Free cooling • Brassage d’air
Le brassage de l’air par un ventilateur de plafond permet d’augmenter le coefficient de transfert entre l’air et la peau pour rendre des températures « élevées » plus supportables. Le rendement du ventilateur est important pour évaluer l’intérêt du système, très peu utilisé dans les bâtiments de l’étude. L’avantage de ce système est d’être facile à mettre en œuvre, notamment en réhabilitation.
• Inertie thermique
L’inertie thermique est nécessaire pour la mise en œuvre optimale des systèmes de rafraîchissement alternatif comme la surventilation nocturne. Elle permet en outre de :
maximiser la récupération des gains internes et solaires l’hiver améliorer le confort thermique
LOCAL Humidificateur
Echangeur
Air à traiter
Air extrait
Air soufflé
Air repris
A C
Ventilateur
Ventilateur
E F
B
D
réduire la puissance installée d’un éventuel système de refroidissement
Cependant, l’utilisation courante de faux plafonds et faux planchers dans les bâtiments tertiaires masque l’inertie thermique de la structure et va à l’encontre des besoins d’un bâtiment à climatisation hybride. Plus de 50% des bâtiments à basse consommation étudiés font preuve d’une forte inertie thermique. Quelques solutions sont citées ci-dessous :
Refends en béton lourds
Faux plafonds ajourés
Figure 6. Faux plafonds semi ouverts permettant la circulation de l'air de ventilation, bâtiment
de la société IVEG (Anvers, Belgique) [10]
Absence de faux plafonds ou de faux planchers
Figure 7. Plafond du bâtiment Kfw (Francfort)
[11] Figure 8. Sol carrelé, bâtiment de la
société IVEG (Anvers, Belgique) [10]
Slab cooling
Le slab cooling aéraulique consiste à intégrer les conduits de ventilation à la dalle de béton et permettre ainsi un contact direct entre l’air de ventilation et la masse thermique du bâtiment. Cette technique permet d’utiliser l’inertie thermique tout en conservant la flexibilité des locaux et la présence de faux planchers et/ou faux plafonds, et est donc adaptée au secteur tertiaire privé. Cependant, les pertes de charge dues à ce système doivent être analysées pour éviter d’augmenter la facture énergétique du bâtiment.
Figure 9. Principe de fonctionnement du système TermoDeck [12]
Le slab cooling hydraulique est associé à des techniques de chauffage et/ou de refroidissement utilisant l’eau comme média. Contrairement au slab cooling aéraulique, il est alors impossible d’avoir de faux planchers afin de permettre un contact direct entre la dalle et les locaux. Environ 14% des bâtiments de l’étude utilisent le slab cooling, associé à la géothermie à forte profondeur, au free cooling sur eau de nappe, ou à un système de sorption solaire.
Matériaux à Changement de Phase (MCP)
L’utilisation des matériaux à changement de phase est encore très confidentielle et aucun des bâtiments recensés n’utilise des MCP pour augmenter l’inertie thermique de sa structure, sous forme par exemple de MCP intégrés aux revêtements ou au béton. Cependant, les MCP sont utilisés dans quelques cas dans un but de stockage de fraîcheur.
• Surventilation nocturne
La surventilation nocturne consiste à ventiler les locaux de façon importante avec l’air frais pour refroidir le bâtiment et stocker la fraîcheur pour la journée grâce à une inertie thermique conséquente du bâtiment. La ventilation peut être mécanique, naturelle ou hybride. L’air extérieur peut circuler directement à l’intérieur des locaux et rafraîchir les éléments à forte masse thermique exposés (plafonds et sols nus, cloisons lourdes), ou bien rafraîchir un matériau servant de stockage de chaleur en piégeant la chaleur la journée. La surventilation nocturne permet d’améliorer le confort thermique, de diminuer et de retarder la venue du pic de chaleur. On diminue ainsi également la puissance de refroidissement installée et la consommation d’énergie pour le refroidissement. La surventilation nocturne et le free cooling diurne sont les solutions mises en œuvre dans la majorité des bâtiments de l’étude, parfois accompagnées d’autres systèmes (comme par exemple un rafraîchissement adiabatique indirect et un système frigorifique en appoint), et couplées à une forte inertie et une limitation des gains thermiques (protections solaires, choix de l’éclairage et de la bureautique). La surventilation nocturne est une technique de climatisation passive bien connue, mais sa mise en œuvre est moins évidente. Les différents types de mise en œuvre rencontrés dans les bâtiments étudiés sont présentés ci-dessous.
Ventilation nocturne majoritairement mécanique
Environ 18 bâtiments sur 64, soit 28%, utilisent une assistance mécanique pour la ventilation nocturne ; elle peut faire appel :
au système de ventilation d’hygiène (dont les ventilateurs sont donc dimensionnés pour permettre un débit plus important que le débit hygiénique, de1,5 à 10 vol/h)
à des ventilateurs spécifiques, augmentant alors le coût d’investissement mais évitant de surdimensionner le système de ventilation d’hygiène
Elle peut également être assistée par la ventilation naturelle pour éviter un surdimensionnement des installations de ventilation. Lorsque l’inertie du bâtiment est augmentée par le système de ventilation (slab cooling aéraulique), la ventilation nocturne est nécessairement mécanique. L’avantage de la ventilation nocturne mécanique est que les débits d’air et la circulation de l’air peuvent être mieux contrôlés que par lors de la ventilation naturelle ; la consommation électrique des ventilateurs est justifiée dans le cas d’une large différence de température entre l’air intérieur et l’air extérieur et d’une faible perte de charge dans le bâtiment. Un point important de la ventilation nocturne mécanique est donc le EER, défini comme l’énergie de rafraîchissement fournie divisée par l’énergie mécanique nécessaire. Le EER diminue si le taux de renouvellement d’air augmente (car l’efficacité de la ventilation n’augmente pas aussi vite que la consommation électrique) [13] ; à titre d’exemple, au cours du projet EnBau en Allemagne, des EER compris entre 4,5 et 14 ont été mesurés [13].
Ventilation nocturne naturelle ou hybride
L’essentiel de la ventilation nocturne est assuré passivement ; ce système est utilisé dans 30% des bâtiments de l’étude. L’efficacité de la ventilation nocturne naturelle dépend principalement de la température de l’air extérieur, du débit d’air, du transfert de chaleur entre l’air extérieur et le bâtiment, conditionné par le type de circulation de l’air dans les locaux, et de la masse thermique. Dans le cas d’une ventilation naturelle par bureau individuel (Figure 10 a), la différence de température intérieur/extérieur est le moteur principal de la ventilation naturelle, et les taux de renouvellement d’air sont assez faibles ; dans le cas d’une ventilation transversale (Figure 10 b), le moteur principal de la ventilation naturelle est le vent [14]. A titre de comparaison, le Tableau 4 présente les taux de renouvellement d’air mesuré dans le bâtiment PROBE du CSTC (Belgique), en fonction de la stratégie de renouvellement d’air (par bureau ou transversale). Le moteur de la ventilation nocturne peut également être un effet de tirage thermique au moyen d’un atrium (Figure 11 a) ou d’une cheminée de ventilation (Figure 12). Le tirage thermique peut être amélioré au moyen d’un dispositif de chauffage de l’air situé sous les ouvertures de l’atrium ou dans les cheminées, notamment en utilisant l’énergie solaire. Dans le cas de bureaux individuels dont les portes resteraient fermées, la ventilation nocturne peut être tout de même organisée à l’échelle du bâtiment au moyen de grilles de transfert ou d’ouvertures au dessus des portes (Figure 11 b).
a) b) Figure 10. Schéma de ventilation nocturne a) par bureau, b) transversale avec ouverture des
portes [10]
Ventilation transversale : fenêtres (avec grille) et portes ouvertes en grand 13 vol/h
Ventilation par bureau : fenêtres (avec grille) ouvertes en grand et portes fermées 3,4 vol/h
Ventilation par bureau : fenêtres (avec grille) ouvertes en position basculante et portes fermées 2,2 vol/h
Infiltrations : fenêtres et portes fermées 0,2 vol/h
Tableau 4. Taux de renouvellement d'air moyen obtenu dans le bâtiment "PROBE" en fonction de la stratégie de ventilation nocturne appliquée [10]
a) b) Figure 11. Schéma de ventilation nocturne naturelle dans le bâtiment de la banque Kfw : a) l’atrium comme élément moteur (jusqu’à 6 vol/h [15]) ; b) circulation de l’air dans un bureau
individuel [16]
a) b) Figure 12. Principe de la ventilation nocturne utilisant a) une cheminée de ventilation b) une
ouverture en toiture [10]
Le type d’ouverture utilisé pour assurer l’approvisionnement en air extérieur est lui aussi important : l’utilisation de grilles de ventilation permet de gérer les risques d’intrusion, de pénétration de pluie, de poussières ou d’insectes ; l’utilisation de fenêtres de petite taille empêche des intrusions mais ne règle pas le problème de la pollution. Le Tableau 5 présente les ouvertures moyennes en façades nécessaires pour assurer la ventilation nocturne, en pourcentage de la surface au sol des locaux [10]. Une gestion automatisée permet de régler le problème de la pénétration des éléments climatiques.
NBN D50-001 pour les locaux d'hébergement
Projet NatVent
Ouverture effective dans le
bâtiment PROBE
Ventilation par des ouvertures sur une seule façade
6,4 % 4 % de 1,9 à 3 %
Ventilation par des ouvertures sur des façades opposées
3,2 % 2 % 1,7 %
Tableau 5. Ouvertures minimum nécessaires à la ventilation naturelle intensive en % de la surface au sol des locaux [10]
Figure 13. Grilles de ventilation nocturne (intérieur et extérieur) et cheminées de ventilation du
bâtiment IVEG [10]
a) b) Figure 14. a) Grilles de ventilation nocturne intensive associées à des protections solaires
automatiques, bâtiment PROBE [10] – b) Fenêtres assurant la surventilation nocturne du bâtiment de la Cit Blaton (Bruxelles) [17]
Régulation
La ventilation par ouverture manuelle ne permet pas de régulation ; son efficacité dépend de la prise de conscience des occupants, ce qui entraîne un risque de surchauffe du bâtiment. Le risque de sur-refroidissement est également présent. La surventilation par ouvertures automatisées permet de réguler le débit d’air en fonction des besoins de froid (en fonction de la température de la dalle du plafond et de la température de l’air) et des conditions climatiques extérieures (température extérieure dans la journée, protection contre le vent et la pluie).
• Surventilation diurne
Une proportion moindre de bâtiments met en avant l’utilisation du free cooling diurne ; cependant, cette technique est facile d’implémentation dans les bâtiments utilisant la surventilation nocturne, on peut donc supposer qu’ils l’utilisent également. Différents type de cas sont rencontrés :
Ventilation par bureau (fenêtres ou fenêtres supérieures ouvrables dans le cas d’un environnement sans nuisance sonore)
Ventilation naturelle à l’échelle du bâtiment, régulée par l’ouverture automatique des ouvrants destinés à la ventilation nocturne ou à la ventilation naturelle du bâtiment le cas échéant.
Ventilation mécanique, avec surdimensionnement du système de ventilation d’hygiène, s’il est utilisé pour assurer le free cooling diurne du bâtiment.
Solutions industrielles
Suite à cette étude des solutions possibles, il est nécessaire de présenter et de quantifier l’offre industrielle disponible pour la mise en œuvre de la surventilation nocturne. L’offre industrielle se répartie en plusieurs catégories : les fabricants de baies ouvrantes automatisées ou de grilles d’aération spécialisés dans les solutions de désenfumage applicables également à l’aération, les fabricants de motorisations et d’automatismes, en contact avec les fabricants de fenêtres, et les fabricants spécialisés dans grilles d’aération. Il est à noter que dans certains cas, les ouvrants destinés à la ventilation naturelle présentent un coefficient de déperdition thermique élevé, nuisant à la qualité de l’enveloppe du bâtiment.
Fabricant Produit Caractéristiques
Fenêtres/baies automatisées
Souchier Exubaie
OTF
Ouvrant de désenfumage en façade pouvant être utilisé pour la ventilation naturelle ; mécanisme “invisible” intégré dans les feuillures des profils menuisés ; cadres dormant et ouvrant en aluminium extrudé ; ferrages : abattant et relevant (intérieur / extérieur), à la française / à l’anglaise [18]
Grilles de ventilation transparentes
Colt Coltlite
châssis et éléments pivotants en aluminium, lamelles louvres en verre (vitrage simple de 8, 10 ou 12 mm ; vitrage double d’une épaisseur allant de 4 à 8 mm ; U minimal de 2,3 W/m²K) ou isolées et opaques. Motorisation électrique possible. [19]
Souchier Certilux
Grille à lamelle, chassis en aluminium, lamelles en verre ou polycarbonate alvéolaire ; pose en façade toute ossature, verrière ou shed ; performance aéraulique : Ct de 0,62 ; Ug = 5,7 W/m²K (produits verriers) ; 2,4 W/m²K < Ug < 3,6 W/m²K (polycarbonates alvéolaires de 6 à 10 mm) ; compatible GTB, régulation électrique possible [18]
Renson Grilles vitrées de type 327
Double vitrage 3-10-3 mm ; hauteur minimale 100mm ; profil en aluminium [20]
S.air International
Grilles à lamelles TMS -- G s
Grille à lamelle en aluminium, simple vitrage (6mm, Ug = 5,6 W/m²K) ou polycarbonate translucide alvéolaire (10mm, Ug = 3 W/m²K) [21]
Grilles de ventilation
Renson Grilles de type 432
Grilles de ventilation naturelle, avec moustiquaires, à ouverture réglable, anti-effraction, anti-pluie, ; concept « Night Cooling »
avec grilles posées devant les baies en été ou définitivement ; anti-insectes ; possibilité d’utiliser les grilles comme grilles de transfert
Souchier Certilam Même profil que Certilux, avec des lames en aluminium avec isolant phonique ou thermique en boîtier PVC ; Performance aéraulique : 0,62 ; Ug = 1,7 W/m² K pour des lames isolées
motorisation gestion/régulation
Window Master
Propose une solution clés en main de ventilation naturelle diurne ou nocturne par fenêtres automatisées ; travaille avec les fabricants de fenêtres pour proposer des solutions adaptés, d’où un plus grand choix de vitrages ; ne possède pas de représentants en France.
Tableau 6. Quelques dispositifs industriels de surventilation nocturne
2.3.3.4 Ground free cooling • Puits climatique
Environ 19% des bâtiments étudiés utilisent le puits climatique comme stratégie de rafraîchissement. L’installation peut être dimensionnée pour l’ensemble du bâtiment, ou bien uniquement pour alimenter l’atrium. De plus amples informations sont disponibles dans le rapport complet de l’étude bibliographique.
• Refroidissement par captage d’eau de nappe
Quelques bâtiments utilisent un système de rafraîchissement sur eau de nappe. La profondeur des forages va de 30 m à plus de 60 m ; les systèmes d’émissions sont divers : ventilo-convecteurs pour les bureaux individuels, planchers rafraîchissants dans les bureaux et les atriums, émission aéraulique.
2.3.3.5 Systèmes mécaniques à sorption • A énergie solaire
Un petit nombre de bâtiments de l’étude utilise un système à adsorption ou à absorption solaire ; les bâtiments du projet européen Climasol n’ont pas été retenus dans cette étude bibliographique à cause du peu d’informations disponibles sur l’ensemble des caractéristiques des bâtiments et de l’absence d’autres efforts sur l’enveloppe et les systèmes utilisés. Les systèmes utilisés ici sont à absorption (bromure de lithium) ou à adsorption (gel de silicate) ; les tailles varient de 69 kW à 110 kW. Les systèmes à absorption sont utilisés en appoint d’autres systèmes alternatifs (puits climatiques, surventilation nocturne), en appoint de groupes froids classiques, ou seuls pour le refroidissement de salles spécialisées.
• Trigénération
La trigénération permet de récupérer une partie de la chaleur dégagée par une centrale de cogénération « Combined Heat and Power », alimentée au gaz naturel ou à la biomasse, grâce à un système à sorption. Le froid produit peut donc potentiellement provenir d’une source d’énergie renouvelable. Le rendement global de la centrale électrique augmente sensiblement du fait de la récupération de la chaleur perdue. Environ 9% des bâtiments de l’étude utilisent la trigénération pour subvenir à leurs besoins, à partir de gaz naturel, de biomasse, de la chaleur d’une centrale thermique proche. Si l’installation est surdimensionnée au niveau des besoins de froid, le froid supplémentaire peut être stocké dans le bâtiment (containers de glace ou de MCP) ou dans le sol (aquifères).
2.3.4 EFFICACITE DES SYSTEMES : GESTION DE LA VENTILATION
La ventilation mécanique ou naturelle est limitée au débit hygiénique (notamment dans les bâtiments allemand), contrôlée par sonde CO2, par détecteur de présence ou par minuterie.
2.3.5 LA PRODUCTION D’ELECTRICITE PHOTOVOLTAÏQUE
La production d’électricité photovoltaïque est beaucoup plus utilisé à l’étranger qu’en France (45% des bâtiments étudiés contre 15%). L’implantation se fait majoritairement sur le toit, soit en protection solaire, soit avec un recouvrement flexible ; les panneaux photovoltaïques sont également utilisés pour protéger du soleil les façades, la toiture des atriums, ou encore utilisé à la place de vitrages dans la toiture des atriums. Les puissances installées vont de quelques kW à plus de 50 kW.
a)
b)
c)
Figure 15. a) Toit du bâtiment Epicenter (Boston, USA) (crédit photo: Richard Mandelkorn) [22] ; b) installation PV en façade du bâtiment EnergieForum (Berlin, Allemagne) [23] ;
c) PV en protections solaires sur la façade du bâtiment Lebenshilfe (Lindenberg, Allemagne) [24]
2.3.6 QUELQUES EXEMPLES DE COMBINAISON DE RAFRAICHISSEMENT PASSIF
La plupart des bâtiments étudiés combinent différentes techniques pour permettre un confort thermique optimal. Le présente quelques exemples de combinaisons possibles.
Bâtiment Situation Techniques utilisées
Hôtel de Ville d’Echirolles Echirolles, France
Free cooling diurne + puits canadien + free cooling sur eau de nappe (émissions par ventilo-convecteurs dans
les bureaux et plancher rafraîchissant dans l’atrium
Umweltbundesamt Dessau Dessau, Allemagne Surventilation nocturne + puits climatique + sorption
solaire
Tour de l’OFCL Neuchâtel, Suisse Surventilation nocturne + évaporatif indirect + groupe froid en appoint
Siège social de la société Renewable
Energy Systems Kings Langley, UK Surventilation nocturne + free cooling sur eau de
nappe
Cit Blaton Bruxelles, Belgique Surventilation nocturne + évaporation indirecte
Chicago center for Green Technology Chicago, USA PAC géothermique (28 puits à 60m de profondeur)
Concile House 2 (CH2) Melbourne, Australie Free cooling diurne + ventilation nocturne + trigénération + évaporation directe + tours
aéroréfrigérantes
Tableau 7. Exemples de combinaisons de systèmes de climatisation hybride
BIBLIOGRAPHIE [1] M. Zimmermann, J. Anderson, Review of Low Energy Cooling Technologies, IEA Annex 28 – Subtask 1 Report, International Energy Agency, December 1995 M. Zimmermann, J. Anderson, Low energy cooling – Case Study Buildings, IEA Annex 28, International Energy Agency, August 1998 [2] Liste des Opérations certifiées, Certificats NF Bâtiments Tertiaires - Démarche HQE® - Mise à jour du 19/07/2007, Certivéa. http://www.certivea.fr/hqe/ [3] Elisabeth Gratia, André De Herde, Are energy consumptions decreased with the addition of a double-skin?, Université Catholique de Louvain, Architecture et Climat, Octobre 2006. [4] Fiche Technique Derbibrite, Derbigum, http://www.derbigum.be/ [5] étude CSTC sur les toitures végétalisées / ou colloque CSTB [6] toit végétal GREEN, Eternit, www.eternit.ch/ Derbisedum, Derbigum, http://www.derbigum.be/ [7] Dr F. Unterpertinger and al., Keep cool : Passive cooling technologies, Österreichische Energieagentur – Austrian Energy Agency. [8] A.Bolher, E.Fleury, JR.Millet, D.Marchio, P.Stabat. Guide de faisabilité et de pré-dimensionnement de systèmes de climatisation à faible consommation d’énergie. Cahiers du CSTB, n°3454, avril 2003 [9] R. Belarbi, F. Allard, Etude de la Faisabilité des Systèmes Passifs de Rafraîchissement, LEPTAB Université de La Rochelle, FIER’2002. [10] CD Rom énergie +, version 5, Conception et rénovation énergétique des bâtiments tertiaires, Architecture et Climat, Université catholique de Louvain [11] Neubau "Ostarkade" der KfW Bankengruppe, Frankfurt a.M. Monitoring und Betriebsoptimierung im Rahmen von SolarBau, Teilkonzept 3, Abschlussberich [12] http://www.tarmac.co.uk/termodeck/ [13] K. Voss et al., Energy efficient office buildings with passive cooling – Results and experiences from a research and demonstration programme, Solar Energy 81 (2007) p 424–434 [14] V. Geros, M. Santamouris, S. Karatasou, A. Tsangrassoulis, N. Papanikolaou, On the cooling potential of night ventilation techniques in the urban environment, Energy and Buildings 37 (2005) 243–257. [15] Christopher Parker, Passive Cooling Through Night Ventilation: KfW Ostarkade, Purdue University, December 2006 [16] SolarBau:MONITOR, Portrait Nr. 15, KfW Bankengruppe, Fraunhofer ISE, 2003. www.solarbau.de [17] Alain Bossaer, présentation “Renovatie kantoorgebouw CIT-Blaton”, ARCADIS Belgium, 29 janvier 2006 [18] Exubaie, Certilux et Certilam de Souchier, http://www.souchier.fr/ [19] Coltlite, de Colt, http://www.coltinfo.co.uk/ [20] catalogue des grilles de ventilation RENSON – www.renson.be [21] Fiche desriptive TMS – G GRILLE A LAMELLES POUR MONTAGE MURAL, S.Air International S.A., membre du groupe Bovema Beheer, [22] U.S. Green Building Council, LEED case studies, Artists for Humanity EpiCenter. http://leedcasestudies.usgbc.org/overview.cfm?ProjectID=736 [23] SolarBau:MONITOR, Portrait Nr. 16 EnergieForum Berlin, Bergische Universität Wuppertal, 2004. www.solarbau.de [24] SolarBau:MONITOR, Portrait Nr. 21 Neue Werkstätten für behinderte Menschen – Lebenshilfe Lindenberg, Bergischen Universität Wuppertal, 2005. www.solarbau.de.
ANNEXE 2
PHOTOVOLTAÏQUE
CLIMatisation HYbride des immeubles de Bureaux
Intégration de la production d’électricité photovoltaïque
dans le concept CLIMHYBU
Olivier WISS
Institut National de l’Energie Solaire
INES-RDI / CEA
DRT / LITEN / DTS / LIS
(Laboratoire d’Intégration Solaire).
Intégration de la production d’électricité PV dans le concept CLIMHYBU
Rapport technique LITEN/DTS/LIS/2008/04 page 2 / 47
Résumé
Le rapport concerne la contribution du CEA INES au projet CLIMHYBU financé par la Fondation Bâtiment Energie. Le projet CLIMHYBU traite de la climatisation des bâtiments de bureau. Il apparaît que sans moyens de production d’électricité directement intégré au bâtiment, il sera extrêmement difficile de tenir, à cout raisonnable, les objectifs du Grenelle de l’environnement qui préconise une consommation d’énergie primaire de 50 kWh/m²/an. L’objectif de la contribution est de fournir des éléments pour la constitution :
- D’un guide à destination des Architecte et des maitres d’ouvrage - D’un guide à destination des Bureaux d’Etudes bâtiment non spécialiste du PV - D’une base algorithmique de calcul estimatif pour intégration dans le logiciel CLIMAWIN du
CSTB Le document comprend des rappels généraux sur la production électrique photovoltaïque et décrit l’intérêt de ce type de solution pour les grands bâtiments de bureaux. Une liste non exhaustive des solutions intégrables existantes est réalisée. Les aspects réglementaires liés à la sécurité en vigueur ou à venir sont abordés. Les contraintes d’intégration liées à l’architecture électrique et aux sujétions diverses sont également évoquées. Dans la deuxième partie, le document propose une méthode de calcul estimative de la production photovoltaïque sur la base des connaissances actuelles et de l’état de l’art. Deux méthodes de prise en compte des ombrages dus aux masques proches sont proposées, ce qui est innovants par rapport aux estimateurs existants sur le marché ou en libre. Les algorithmes sont mis en œuvre et les résultats comparés avec ceux obtenus grâce au système PVGIS. Pour finir, le document propose des ratios de productibles potentiels en fonction de la surface habitable hors œuvre nette (SHON) d’un bâtiment en projet. Annexes au document :
Fiches techniques PV CLIMHYBU à intégrer dans la bibliothèque des solutions techniques.
Mots clés CLIMHYBU, CONCEPT, SOLAIRE, PHOTOVOLTAIQUE, BIPV, BATIMENT, BUREAUX, INTEGRATION, ENR, ELECTRIQUE, CLIMATISATION.
Intégration de la production d’électricité PV dans le concept CLIMHYBU
CLIMHYBU/OW/V1.4 28/05/2010 Page : 3 / 47
I. INTERET DE LA SOLUTION PHOTOVOLTAÏQUE POUR LES GRANDS BATIMENTS DE
BUREAUX: ............................................................................................................................................................ 4
I.1 TARIF DE RACHAT DE L’ELECTRICITE D’ORIGINE PHOTOVOLTAÏQUE : ........................................................ 4 I.1.1 Ancien tarif de rachat : .................................................................................................................... 4 I.1.2 Nouveau tarif de rachat : ................................................................................................................. 4
II. DESCRIPTION ET CARACTERISTIQUES ............................................................................................ 5
II.1 RAPPEL DU PRINCIPE DES GENERATEURS PV : ....................................................................................... 5 II.2 GENERATEURS PV : ............................................................................................................................... 8
II.2.1 Modules standards : ......................................................................................................................... 8 II.2.2 Vitrages photovoltaïques :.............................................................................................................. 10 II.2.3 Verrières photovoltaïques .............................................................................................................. 11 II.2.4 Modules souples ............................................................................................................................. 13 II.2.5 Tuiles Solaires ................................................................................................................................ 14
II.3 ONDULEURS : ...................................................................................................................................... 15 II.3.1 Architecture à onduleur centralisé unique ..................................................................................... 15 II.3.2 Architecture à onduleur string ....................................................................................................... 16 II.3.3 Onduleur multi-string ..................................................................................................................... 17 II.3.4 Produits commerciaux : ................................................................................................................. 19
III. INTEGRATION DE LA SOLUTION PV : ......................................................................................... 20
III.1 IDENTIFICATION DES SURFACES EXPLOITABLES ................................................................................... 20 III.2 ARCHITECTURE ELECTRIQUE ............................................................................................................... 21
III.2.1 Sujétions électriques et sécurité des personnes et des biens ...................................................... 21 III.2.2 Raccordement réseau et comptage de l’énergie produite .......................................................... 23
III.3 PROCESSUS D’INTEGRATION DE LA SOLUTION : ................................................................................... 26
IV. BASE ALGORITHMIQUE .................................................................................................................. 28
IV.1 BASE ALGORITHMIQUE DETAILLEE ...................................................................................................... 29 IV.1.1 Détermination du productible potentiel. .................................................................................... 29 IV.1.2 Détermination des pertes dues aux ombrages. .......................................................................... 30 IV.1.3 Prise en compte de la température des modules. ....................................................................... 33 IV.1.4 Prise en compte des pertes dues à l’architecture électrique. .................................................... 34 IV.1.5 Prise en compte du vieillissement des modules : ....................................................................... 35
IV.2 VALIDATION DE LA BASE ALGORITHMIQUE : ........................................................................................ 36 IV.2.1 Comparaison directe des prévisions de productible : ............................................................... 38 IV.2.2 Comparaison des algorithmes de productibles à données d’irradiation identiques ; ............... 41 IV.2.3 Calculs des ratios de productible : ............................................................................................ 43
V. REFERENCES ........................................................................................................................................... 47
Intégration de la production d’électricité PV dans le concept CLIMHYBU
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I. Intérêt de la solution photovoltaïque pour les grands bâtiments de bureaux: Le Photovoltaïque, technologie éprouvée mais jusqu'à ces dernières années relativement couteuse, était à l’origine destinée principalement à l’alimentation des sites isolés. Les développements récents de la technologie, les évolutions présentes et à venir du marché de l’énergie, la prise de conscience écologique et, pour finir, les nouvelles directives de rachat des ENR en font désormais une alternative intéressante pour la production d’électricité, y compris dans les grands bâtiments de bureau. De plus, les problèmes de « Black Out » commençant à apparaître en Europe, une installation solaire pouvant aisément être complétée par un système de sauvegarde permettra, le cas échéant, de maintenir l’alimentation électrique d’une partie de l’installation du bâtiment et de préserver ainsi la productivité et la sécurité du personnel utilisant les locaux.
I.1 Tarif de rachat de l’électricité d’origine photovoltaïque :
I.1.1 Ancien tarif de rachat : Il est à noté que le tarif de rachat de l’électricité a évolué depuis l’origine du projet. L’arrêté du 10 juillet 2006 fixait le tarif de rachat à :
- 0,3 €/kWh pour la France métropolitaine - 0,4 €/kWh pour la Corse, les DOM et Mayotte
Ce tarif étant majoré par une prime à l’intégration (dépendant de différents critères d’intégration) de : - 0,25 €/kWh pour la métropole - 0,15 €/kWh pour la Corse, les DOM et Mayotte
Il apparaît que ce tarif de rachat très attractif a généré des effets pervers spéculatifs entrainant une augmentation massive des demandes de raccordement. A titre informatif, au 31 décembre 2009 :
- 269 MW sont raccordés au réseau dont 200 MW en métropole - La file d’attente de raccordement est de 3438 MW dont 2537 MW en métropole
I.1.2 Nouveau tarif de rachat : Afin de combattre les effets pervers spéculatifs, de nouvelles règles ont été instaurées par l’état : Le nouvel arrêté du 14 janvier 2010 (relativement complexe) distingue désormais 2 types d’installation et 2 types de bâtiments :
- Les centrales au sol (sans objet pour CLIMHYBU) - Les centrales installées sur des bâtiments :
o Bâtiments à usage principal d’habitation, d’enseignement et de santé o Bâtiment destinés à d’autres usages (dont notamment les bâtiments de bureaux)
Concernant les bâtiments de bureaux et jusqu’au 1 janvier 2012, les tarifs de rachats auquel le Maitre d’Ouvrage peut prétendre sont les suivants :
- Bâtiment en rénovation (+ de 2 ans) et respects des critères d’intégration : 0,5 €/kWh - Bâtiment neuf (- de 2 ans) et respects des critères d’intégration : 0,42 €/kWh - Non respects des critères d’intégration : 0,314 €/kWh
Pour le respect des critères d’intégration, on se reportera à la note technique figurant en Annexe 1 et comportant un logigramme de sélection du type d’installation et le texte réglementaire. (Source HESPUL) En résumé, les critères d’intégration au bâti sont les suivants :
Intégration de la production d’électricité PV dans le concept CLIMHYBU
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- Les modules PV sont constitués de films souples ou de modules rigides et assure une fonction « clos et couvert » c.à.d. remplacent des éléments du bâtiment qui assurent une fonction d’étanchéité (le démontage ne pouvant se faire sans nuire à la fonction d’étanchéité)
ET - Sont parallèles au plan de la toiture
OU - Assurent une des fonctions suivantes :
o Allège o Bardage o Brise soleil o Gardes corps de fenêtre, de balcons ou de terrasses o Mur rideau
De plus, une dégressivité est introduite pour les demandes de raccordement intervenant après le 31 décembre 2011 cf. le graphique ci-dessous : Cela signifie que le contrat de rachat de l’énergie conclu pour une durée de 20 ans sera basé sur le prix de rachat en vigueur pendant l’année ou interviendra la demande de raccordement.
Source HESPUL
II. Description et caractéristiques
II.1 Rappel du principe des générateurs PV : La conversion du rayonnement solaire en électricité est assurée par les cellules photovoltaïques. Celles-ci sont réalisées à l’aide de matériaux semi-conducteurs essentiellement en silicium, principale composante de l’écorce terrestre. Comme ordre de grandeur, la surface d’une cellule élémentaire en sortie d’usine varie entre 100 et 400 cm2. Ces cellules photovoltaïques sont encapsulées entre des plaques de verre ou entre du verre et du Tedlar et raccordées électriquement en série pour former un « module photovoltaïque ». Il existe plusieurs types de modules suivant le procédé de fabrication utilisé pour les cellules :
Les cellules au silicium monocristallin où chaque cellule élémentaire est découpée dans un cristal unique de silicium
Les cellules au silicium multi cristallin où chaque cellule élémentaire est tranchée dans un lingot de silicium constitué de cristaux enchevêtrés
Les cellules au silicium amorphe pour lesquelles le silicium est déposé uniformément sur un support.
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On citera également les technologies émergentes dites en « couches minces » ne contenant pas de silicium. Les éléments actifs sont également déposés sur un support.
Cuivre indium Sélénium ou CIS
Le tellurure de Cadmium ou CdTe
Les retours d’expérience sur ce type de technologie sont pour l’instant assez faibles, notamment en ce qui concerne la durée de vie des matériaux. Il est également à noter que le CdTe contient du Cadmium (en faible quantité).
Technologie Matériaux de cellules
Rendement Cellule (laboratoire)
Rendement Module
Surfaces 10 kWc
Parts de marché
€ HT/Wc Prix Installateurs (Hors pose) Qtés < 100 modules
Monocristalline
24% 11-16% 60-90m² 93% 3,55 € - 4,02 €
Polycristalline
18% 10-14% 70-100m² 3,16 € - 3,58 €
Couche mince CIS
18% 10-12% 90-100m² 0,7% 2,59 € - 2,93 €
Couche mince CdTe
17% 9-10% 90-120m² 1% 2,49 € - 2, 91 €
Amorphe
11-12% 5-8%
130m²-200m² 5,3% 2,78 € - 3,15 €
Le courant électrique fourni par un module est un courant de type continu. La puissance délivrée par les modules varie en fonction de l’ensoleillement et de la surface de silicium éclairée. La puissance électrique maximale délivrée par le module dans des conditions spécifiques de température et d'éclairement est appelée puissance assignée ou puissance crête (Pc) et s’exprime en watt (W) ou watt crête (Wc). En fonction de leur surface et de la technologie de fabrication des cellules, il existe des modules ayant des puissances assignées allant de 10 W jusqu’à 300 W. Les modules photovoltaïques généralement plans constituent les briques élémentaires raisonnablement manutentionnables et intégrables au bâtiment. Assemblés en série et en parallèle selon la taille de l’installation, ils forment un champ photovoltaïque qui sera aussi appelé générateur photovoltaïque. Sont également disponibles sur le marché, des vitrages solaires ou des verrières solaires constitués par le sandwiche de base Verre/EVA/Cellules/EVA/Verre auquel peu être ajouté un vitrage complémentaire traité et espacé du module par un remplissage gazeux type air ou argon. Ces vitrages ou verrières sont donc semi transparents et permettent d’assurer une double fonctionnalité (ce qui va dans le sens de la directive de rachat) ainsi qu’une intégration architecturale harmonieuse. Détail notable, la productivité électrique d’un module photovoltaïque décroît lorsque sa température augmente (voir Figure II-2 Incidence Température). Un système photovoltaïque raccordé au réseau comprend de manière très schématique, les composants suivants :
Le générateur photovoltaïque, ou champ photovoltaïque qui, pour des modules coplanaires, doit être exposé autant que possible de façon à recueillir le maximum d’ensoleillement sur l’année
L’onduleur : Dont le rôle est de transformer le courant continu fourni par le générateur photovoltaïque en un courant alternatif respectant les caractéristiques du courant alternatif délivré par le réseau publique de distribution de l’électricité.
Les organes de sécurité et de raccordement au réseau qui assurent des fonctions de protection des personnes et des biens vis-à-vis de l’usager et du réseau. A noter que certains des dispositifs de sécurité peuvent être directement intégrés dans l’onduleur.
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Des accumulateurs : pour certaines applications nécessitant un niveau de qualité plus élevé de fourniture électrique (circuits de surveillance, circuits de sécurité, réseaux informatiques) ou pour assurer un service de sauvegarde de l’alimentation électrique en cas de défaillance du réseau, un stockage électrochimique peut être utilisé.
Un système PV standard est constitué tel que schématisé ci-dessus. En partant de la gauche, on trouve : - Les modules photovoltaïques assemblés en série et en parallèle pour constituer le générateur
photovoltaïque. - Le boitier de raccordement général qui comporte les borniers de raccordement du générateur,
les diodes de protection antiparallèle, les protections contre la foudre, un interrupteur sectionneur permettant d’’isoler l’onduleur du générateur.
- Le MPPT ou « Maximum Power Point Tracker », système qui permet de placer le point de fonctionnement courant-tension à son optimum en fonction de l’éclairement incident.
- Le convertisseur AC / DC (MPPT + Convertisseur AC/DC constituent l’onduleur) - Non représenté :
o La protection anti-ilotage incluse dans l’onduleur. o le coffret de raccordement au réseau public.
= ~
MPPT BRG
ONDULEUR
Figure II-2 Incidence Température Figure II-3 Incidence Eclairement
Figure II-1 Présentation de la chaine PV standard
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II.2 Générateurs PV :
II.2.1 Modules standards :
Ce type de produit est très majoritairement répandu sur le marché. Il est aisé de se procurer des modules dans des délais et des coûts raisonnables.
Technologies incluses disponibles:
o Silicium Poly (Le plus répandu, bon rendement, coût moyen ~3,8 €/Wc)
o Silicium Mono (Assez répandu, le meilleure rendement, coût plus élevé que Poly)
o Silicium Amorphe (en forte progression, rendement moyen, coût faible)
o Couches Minces (CIS ou CdTe. Faible retour d’expérience. Le CdTe contient du cadmium.)
Constitution, aspects :
- Sandwiche Verre / EVA / Cellules / EVA / Tedlar
- Sandwiche Verre / EVA / Cellules / EVA / Verre.
L’ EVA (Ethyle Vinyle Acétate) étant une résine transparente qui noie les cellules. Le Tedlar, majoritaire, peut éventuellement être remplacé par du verre, notamment pour les applications en milieux sévères (Installation en mer par exemple). Le Tedlar peut également être transparent et les cellules espacées. On parle alors de modules semi-transparents. (Voir vitrage solaire)
Certains fabricants remplacent l’EVA par du PVB (Poly Vinyle Butyle)
Les modules sont en général ceinturé par un cadre en aluminium qui participe, en partie, à la rigidité mécanique du module et sert à la fixation de celui ci.
Ce cadre peut aisément être supprimé. Dans ce cas, il devient plus fragile et nécessite un soin particulier lors des manipulations. Il peut également être anodisé ou peint chez certains fabricants.
Aspect
Poly Cristallin Surface non uniforme. les cellules apparaissent sous forme de carrés de dim. ~15x15 cm faiblement espacés. Couleur en générale Bleu Irisé laissant apparaître les cristaux de silicium enchevêtrés. Certains constructeurs proposent maintenant des modules faiblement colorés (Voir Figure II-6 Colorisation)
Mono Cristallin Surface non uniforme. les cellules apparaissent sous forme de carrés de dim. ~15x15 cm faiblement espacés. Les cellules étant découpées dans un mono cristal, les cellules présentent des coins arrondis chez la plupart des constructeurs. Couleur en générale noire ou Bleu très sombre uniforme Le Tedlar peut également être de la couleur des cellules rendant la couleur du panneau homogène.
Amorphe Surface quasi uniforme ou à motif particulier. Le Silicium étant déposé dans ce type de technologie, il est également possible d’obtenir différents motifs. (Voir produits Schott Solar, par ex) Couleur faiblement variable entre Gris et Brun sombre.
Couches Minces Surface uniforme. Les matériaux sont déposés dans ce type de technologie. Couleur faiblement variable entre Gris et Brun sombre
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Dimensions, puissances :
La gamme de dimensions est assez large de 0,25 m² à 2 m² (voir plus en couches minces), de 0,5m à 2m sur un coté.
Les modules sont très majoritairement rectangulaires, rectangulaires allongés ou carrés. Quelques constructeurs proposent sur demande des modules de formes ou de dimensions spécifiques, cependant, l’intégration dans une architecture électrique de modules dissemblables peut s’avérer problématique, voire impossible. Si cela s’avère nécessaire, certains intégrateurs peuvent avoir recours à l’utilisation de modules factices (non fonctionnels) en compléments des modules réellement productifs, de manière à préserver l’harmonie architecturale du bâtiment. Ces modules factices sont en général utilisés pour compléter les bords de l’installation ou pour faire face à un ombrage important.
Les puissances de sortie (Directement proportionnelles à la surface et fonction de la technologie) s’étale de quelques dizaines de watts, à 250W pour les plus grands.
Il faut compter de 100Wc à 120Wc par m² en technologie cristalline.
Les faibles puissances ne présentent un intérêt que pour les systèmes autonomes. Dans le cas d’une intégration à un bâtiment, les grandes dimensions de modules seront privilégiées de manière à minimiser la connectique à mettre en œuvre. La contrainte majeure restant dans tous les cas l’intégration mécanique de ces éléments, surtout en ce qui concerne les façades.
Figure II-4 Module Mono Cristallin Figure II-5 Module Poly Cristallin
Figure II-6 Colorisation
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II.2.2 Vitrages photovoltaïques :
Les vitrages solaires ou modules semi transparents sont très majoritairement fabriqués sur demande. Les dimensions maximum sont de l’ordre de 1m20 x 2m40.
Compte tenu du fait que toute la surface disponible n’est pas utilisée par le silicium, ces modules présentent en général un rendement plus faible de conversion de la lumière en électricité par rapport à la surface.
Les éléments PV actifs sont constitués soit par du silicium amorphe de dessin, et donc d’opacité variable, soit par des cellules mono ou poly cristallines plus ou moins espacées. Les boitiers de connexion peuvent être positionnés dans un angle ou éventuellement sur la bordure dans le cas de produit d’épaisseur importante (triple vitrage ou autre).
Au stade de la conception, il conviendra néanmoins de prévoir correctement le cheminement des câbles afin de préserver la sécurité des personnes et l’esthétique de la réalisation.
Bien que le productible par rapport à la surface soit plus faible, l’intérêt majeur de ce type de produit est qu’il peut venir en remplacement d’un produit verrier standard en apportant à la fois la production électrique et la réduction des apports solaires directs dans le bâtiment.
La double fonctionnalité étant assurée, ce type de produit ouvre droit à la prime à l’intégration architecturale
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II.2.3 Verrières photovoltaïques
Les avantages de ce type de produit sont en gros les même que pour les vitrages photovoltaïques. Cependant, les applications verrières présentent l’avantage de bénéficier d’une orientation plus compatible avec la production PV sous nos latitudes (Inclinaison optimale ~35° pour la France, voir § III).
En revanche, l’installation au dessus du public nécessite la constitution d’un sandwich plus complexe permettant d’assurer la solidité mécanique indispensable pour assurer la sécurité des personnes.
Remarque Importante : Dans le cas des vitrages ou des verrières photovoltaïques, les menuiseries de support des éléments ne doivent en aucun cas empiéter sur la surface des cellules au risque de dégrader très fortement les capacités de production du système complet. Il conviendra également de prendre en compte les ombrages dus à ces menuiseries.
Ex ci-dessus, le produit NAPS SOLAR.
Le sandwiche PV relativement épais est complété par une couche gazeuse et un verre laminé de type STADIP, ce qui représente une épaisseur totale de 55 mm. Le même fabricant propose également ce produit avec un verre laminé en 2 x 16mm.
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Fabricants identifiés:
SCHEUTEN SOLAR www.scheutensolar.com
GLASWERKE / ARNOLD http://www.glaswerke-arnold.de
SCHOTT SOLAR http://www.schottsolar.com/fr/
ERTEX http://ertex-solar.at/cms/
NAPS http://www.naps.fr
Ci contre l’exemple remarquable de l’Académie du Mont Cenis en Allemagne (Scheuten Solar).
Les produits verriers photovoltaïque viennent en remplacement des matériaux de construction classique à raison de :
- 9744 m² de toiture.
- 790 m² de façade.
Pour un montant posé de 5,3 M€ soit ~500€/m².
Cout global de l’installation PV :
8M€ / 1 MWc soit ~8€ / WC
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II.2.4 Modules souples
Le fabricant Uni-Solar est quasiment seul sur ce marché. Ce produit est revendu sous différentes formes par plusieurs intégrateurs, soit sous sa forme souple, soit sous forme de modules rigides.
Ce produit est constitué par du silicium amorphe déposé en triple jonction sur un support plastique.
L’intérêt de la triple jonction est d’améliorer légèrement la conversion d’énergie en captant différentes longueurs d’onde du rayonnement. Les rendements sont cependant plus faibles que le silicium mono ou poly cristallins.
Ce produit ce présente sous la forme de bande de environ 40 cm X 5,5 m de longueur pour une puissance de 144 Wc (Tension à vide de 46,2V) et une masse de 7,7 kg
L’intérêt évident de ce type de produit est de pouvoir s’adapter à une forme de toiture ou de support présentant une courbure. De plus, certain fabricant intègrent ce type de modules dans des produits plastiques d’étanchéité de toiture.
Un inconvénient est qu’il sera difficile d’assurer une ventilation naturelle des modules, occasionnant des pertes de rendement supplémentaires en cas de chaleur élevée (En été par ex.).
Cependant, plusieurs études dont une en Suisse montrent que l’on observe un double effet de la température sur les modules souples.
Premier effet : Comme pour le silicium cristallin, on observe une perte de rendement bien que plus faible de part le caractère amorphe du silicium
Deuxième effet : l’augmentation de la température au niveau du module permettrait aux structures internes de se régénérer
La somme de ces deux effets montrerait que l’augmentation de la température aurait un impact très limité sur le rendement du panneau (voir serait positif). Attention, cependant au vieillissement accéléré lié aux échauffements cycliques trop importants.
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II.2.5 Tuiles Solaires On citera à titre anecdotique les tuiles solaires. De nombreux fabricants proposent des produits de ce type. Ces produits bien que nécessitant la mise en place d’une connectique abondante sont bien adaptés pour une intégration en habitat individuel. Leur intérêt est moins évident dans le cas des grands bâtiments de bureaux.
Ci-dessus et à droite, quelques produits existants sur le marché. Fabricants identifiés : - IMERYS (FR) - STAR UNITY (CH) - SOCIETE ENERGIE SOLAIRE (CH) - SOLAR CENTURY (GB) - …
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II.3 Onduleurs : L’onduleur a quatre fonctions principales :
Il permet de transformer le courant continu produit par les modules en un courant alternatif de caractéristiques (fréquence, forme, phase) conformes à celles du réseau. La tension en sortie de l’onduleur est imposée par le réseau.
Il délivre un signal de qualité (faible distorsion harmonique, composante continue, variation minime de la tension et de la fréquence) imposé par des normes.
Il protège les générateurs de variations anormales du courant, de la tension, de la fréquence et intègre le plus souvent une fonction anti-îlotage.
Il assure la recherche du point de puissance maximale pour que les modules travaillent de façon optimale.
Un MPPT (Maximum Power Point Tracking, ou recherche du point de puissance maximum) de qualité est essentiel pour atteindre un rendement correct du système. Actuellement plusieurs méthodologies existent, mais il n’y a aucune norme internationale. L’onduleur peut également assurer la surveillance du système et du réseau, stocker et transmettre des données. Associé à un système de stockage d’énergie, il peut assurer une fonction UPS (Uninterruptible Power Supply ou alimentation électrique secourue) pour alimenter un réseau secouru indépendamment du secteur. Le choix du ou des onduleurs en bonne adéquation avec les générateurs photovoltaïques installés est primordial pour garantir le fonctionnement correct de l’installation PV. En termes d’architecture, on distingue trois principales catégories de systèmes :
Les systèmes modulaires utilisant des onduleurs décentralisés ou individuels (on parle aussi de modules PV alternatifs) ,
Les systèmes centralisés n’utilisant qu’un seul onduleur de forte puissance, Les systèmes à onduleurs « string » ou « de rangée », comportant plusieurs
appareils de ce type alimentés par une série de modules PV.
II.3.1 Architecture à onduleur centralisé unique Dans une architecture à onduleur centralisé unique, l’ensemble des modules PV alimente un unique onduleur de forte puissance, via un boîtier de raccordement. Les modules sont arrangés en configuration série/parallèle de manière à offrir une tension compatible avec les caractéristiques de l’appareil (cf. Figure 2).
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Malgré un très bon rendement de conversion DC/AC (lié à l’étage élevé de tension d’entrée), le rendement énergétique de l’installation faiblit suite à des problèmes d’appariement des modules et d’ombrage partiel potentiel. De plus, la fiabilité du système repose entièrement sur l’onduleur, et toute panne conduit à une production nulle. Cette configuration nécessite un câblage important en DC (supportant tensions et courants relativement élevés) Aucune extension du champ PV n’est possible puisqu’on est limité par la taille de l’onduleur.
II.3.2 Architecture à onduleur string L’architecture à onduleur string est apparue sur le marché européen au milieu des années 90 comme solution pour les systèmes modulaires. Elle a été et est largement employée de par le monde y compris sur des installations photovoltaïques pouvant atteindre plusieurs mégawatts. Chaque onduleur est alimenté par plusieurs modules PV montés en série (cf. Figure 3). Pour les systèmes de puissance, plusieurs montages de ce type sont connectés en parallèle côté alternatif. Le regroupement des courants se fait du coté AC, Le principe est donc de former des unités (modules en série + onduleur) standardisées et de les multiplier pour constituer des systèmes PV. La production en grandes séries permet d’assurer une nette réduction des coûts, ce qui a favorisé l’essor de cette architecture.
=
~
Figure II-7 Architecture à onduleur centralisé unique
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Figure II-8 Architecture à onduleur string L’intérêt certain de cette architecture est de permettre une recherche séparée du point de puissance maximale pour chaque rangée, et donc assez précise. Les pertes par appariement des modules et par ombrage sont donc limitées (pertes par couplage série uniquement), ce qui conduit à un bon rendement du système. On limite également nettement le volume de câbles (courants plus faibles) et le nombre de boîtier de raccordement côté continu. La fiabilité est très bonne, grâce à la présence de plusieurs onduleurs en parallèle, car une panne locale ne met en défaut qu’une rangée de modules. Ils présentent aussi l’avantage de pouvoir être installés en extérieur (sur un toit par exemple) car ils disposent d’une protection de haut niveau. L’installation est extensible à tous moments puisqu’il suffit d’ajouter une ou plusieurs lignes de modules avec leurs onduleurs, en parallèle aux lignes déjà en place, pour atteindre, à coût correct, la puissance désirée par l’utilisateur. Ces appareils récemment sortis sur le marché ont en plus bénéficié des dernières avancées techniques (télésurveillance, communication, électronique de puissance) permettant un contrôle continu et précis, atteignant des rendements élevés (rendement maximal de 94 %, voire plus) et pouvant fonctionner dans une large gamme de températures. Le problème de point chaud en cas d’ombrage demeure au sein de la ligne de modules en série. De plus, la chaîne de modules ne doit pas être trop longue car cela peut devenir préjudiciable en cas de défaillance d’un module ou du câblage (surtout si les modules sont peu accessibles) car c’est toute la chaîne qui voit ses performances diminuer contrairement au concept onduleur central, et via des technologies bien maîtrisées car standardisées.
II.3.3 Onduleur multi-string Le concept d’onduleur multi-string est une évolution de la technologie “string” pour des installations PV à puissance plus élevée. En effet, on peut difficilement aller au-delà de 3 kWc par onduleur avec de purs onduleurs string à cause des hautes tensions atteintes (jusqu’à 600 V). Avec un onduleur de ce type, plusieurs rangées série de modules sont connectées à un onduleur centralisé, chacune via un convertisseur DC/DC (cf. Figure 4), assurant la recherche de puissance PV maximale de sa rangée associée, ce qui assure de meilleurs rendements énergétiques qu’avec un onduleur centralisé traditionnel.
= ~
= ~
= ~
= ~
= ~
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Figure II-9 Architecture à onduleur centralisé multi-string Cette solution allie les avantages de l’onduleur centralisé, à savoir un rendement de conversion élevé et un coût de l’onduleur correct, et de la configuration string, modularité par bloc (cf. Figure 5). L’avantage supplémentaire de ce concept est la maintenance simplifiée dû fait de la centralisation du convertisseur DC/AC et de la communication entre les convertisseurs pour la localisation de défaut au sein de l’installation. Cette topologie permet d’avoir des modules de technologies ou tailles différentes, d’ombrages différents et d’orientations différentes. A noter que le concept onduleur de rangée permet également les configurations ci-dessous d’association de modules. Cependant, plusieurs convertisseurs DC/AC sont mis en œuvre et donc redondants.
= =
= =
= =
= =
= =
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~
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II.3.4 Produits commerciaux : On peu distinguer sur le marché deux grandes classes d’onduleur. - Onduleurs P<10 kWc - Onduleurs P>10 kWc Une analyse menée par les rédacteurs de la publication spécialisée Photon International à mis en évidence la suprématie actuelle du fabricant Allemand SMA sur la marché actuel. Les produits commerciaux se présentent sous la forme de boitiers tout intégrés comprenant à minima : - L’étage de conversion AC/DC - Le ou les MPPT (dans le cas d’onduleurs
Multistrings) - Les systèmes de protection (Anti ilotage
notamment) - Pour certains, l’interrupteur sectionneur obligatoire Dans la gamme de puissance inférieure à 10 kW, de plus en plus de constructeurs proposent des produits avec un degré de protection IP54 ou IP65, donc installables en extérieur. Compte tenu de la complexité grandissante des installations PV, les constructeurs proposent également des systèmes de monitoring / supervision éventuellement communicants. Ces systèmes permettent notamment de surveiller le productible de l’installation, d’identifier rapidement une sous production et de faciliter la recherche de pannes.
Fabricants Parts deMarché
GammePuissance (kWc)
Nbrmodèles
GammePuissance (kWc)
Nbrmodèles
SMA 470 0,78 - 8,25 20 106 - 1000 9FRONIUS 190 1,4 - 8,42 13 12,6 - 43 5SPUTNIK 120 2,0 - 6,0 5 22 - 300 8
KACO 108 1,58 - 5,73 11 26,2 - 34 3INGETEAM 62 2,62 - 5,35 7 10,8 - 105 10
CONERGY 60 1,4 - 4,95 9 40 - 280 6MASTERVOLT 55 1,2 - 7,2 5 x x
SIEMENS 50 1,8 - 6 6 27 - 1680 12
P < 10 kWc P > 10 kWc
MW Produit en 2006
0 100 200 300 400 500
SIEMENS
MASTERVOLT
CONERGY
INGETEAM
KACO
SPUTNIK
FRONIUS
SMA
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III. Intégration de la solution PV :
III.1 Identification des surfaces exploitables L’orientation idéale en France métropolitaine pour une production PV optimum est plein sud avec une inclinaison de l’ordre de 30° à 35° en fonction de la latitude. Cependant des surfaces d’orientation ou d’inclinaison différentes peuvent présenter des rendements tout à fait intéressants : Ceci est d’autant plus vrai en Europe du fait que la fraction du rayonnement diffus dans l’atmosphère est relativement importante (~50%). L’orientation n’a que peu d’importance pour ce type de rayonnement. Schématiquement : Détail pour la région de Lyon :
Dans le cadre d’une intégration à un bâtiment de bureau, Il en résulte néanmoins que les choix architecturaux initiaux sont cruciaux pour une intégration PV réussie. Notamment en ce qui concerne le design des façades. Il sera également vital de prendre en compte les effets des ombrages dus à ’environnement :
Immeubles voisins Cheminées Mobilier urbain Végétation Etc…
Remarque : Concernant la prime à l’intégration, d’un point de vue technique et dans l’objectif de maximiser le productible d’un bâtiment, il est possible de créer une installation comprenant plusieurs types de générateurs, certains intégrés, donc ouvrant droit à la prime à l’intégration et d’autre non intégrés donc n’ouvrant pas droit à la prime (toiture terrasse et intégration façade par ex.). Il conviendra de trouver une solution avec les institutions chargées de la qualification à la prime à l’intégration pour traiter ces cas particuliers.
70%
OE
S
100%
90%
95%
65%
50%
80%
95%
65%
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III.2 Architecture électrique
Une des contraintes prioritaire dans la conception de l’architecture électrique du système PV sera la protection des personnes pendant l’installation, l’exploitation et la maintenance. On notera qu’il n’est pas possible de couper la tension issue des générateurs PV pendant la journée. Des mesures particulières sont donc à appliquer à ce type d’installation. D’une manière générale, la manipulation de courants continus à tension relativement élevée (~ 150V à 800V) n’est pas aisée. Les appareils de distribution électrique (Disjoncteur, contacteurs, relais etc.) disponible sur le marché étant très majoritairement conçus pour les installations en courant alternatif dans des tensions communes (240V en monophasé, 400V en triphasé pour l’Europe). Il conviendra donc de minimiser la distance entre les champs PV et les onduleurs.
III.2.1 Sujétions électriques et sécurité des personnes et des biens Les sujétions électriques associées à une installation photovoltaïque sont constituées par les éléments suivants (indispensable ou optionnel)
- Câblage DC (intérieur et extérieur) - Boites de jonctions - Boitier de raccordements généraux - Armoire divisionnaire AC - Câblage AC - Monitoring (optionnel)
Une installation photovoltaïque doit répondre à la norme NFC 15-100 concernant les « installations électriques basse tension » Depuis aout 2008, la norme qui ne traitait pas spécifiquement des installations photovoltaïque, a été amendée par le guide pratique UTE -C 15-712 qui défini les règles d’installations des systèmes photovoltaïque.
=
~
BJ
BJ
BJ
BRG
BJ
BJ
BRG = ~
STRING 1
STRING 2
BJ
BJ
BRG = ~
STRING 1
STRING 2
BJ
BJ
BRG = ~
STRING 1
STRING 2
TOITURE
TERRASSE
ONDULEUR
MULTISTRING
ARMOIRE
DIVISIONNAIRE
AC
COMPTAGE
BRISE SOLEIL
ALLEGES
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Bien que très complet, ce texte précise néanmoins quelques aspects techniques qui font actuellement débat. C’est notamment le cas de l’interdiction de raccorder l’une ou l’autre des polarités du circuit à courant continu à la terre (Article 5.1.2 page 5 « Aucune polarité du coté installation courant continu ne doit être reliée à la terre. »). Or la mise à la terre d’une des polarités du circuit DC est exigée par certains fabricants de modules photovoltaïques. Aussi, afin de permettre l’utilisation de modules photovoltaïques nécessitant la mise à la terre d’une des polarité DC, l’UTE a publié en juin 2009 une fiche d’interprétation (Interprétation du Guide UTE 15-712 F1 Article 5.1.2) permettant la mise à la terre moyennant la mise en place de dispositifs assurant un niveau de sécurité équivalent pour les personnes, notamment l’utilisation d’onduleurs avec transformateur. En complément, les bureaux d’études et maitres d’œuvres peuvent s’appuyer sur le guide ADEME du 01/12/2008 « Générateur photovoltaïques raccordés au réseau, spécifications techniques relatives à la protection des personnes et des biens » Remarque importante concernant la sécurité: A la date de rédaction du présent rapport, des discussions ont lieu entre experts et Direction de la Sécurité Civile dans l’objectif de renforcer les règles de sécurité des installations photovoltaïques. Effectivement, le caractère non interruptible de ce type de générateur amène à s’interroger sur des dispositions complémentaires aux guides existants. Ci-dessous un extrait des mesures en cours de discussion (extrait du « relevé des avis de la réunion du 5 novembre 2009 de la sous commission permanente de la Commission Centrale de Sécurité » / DSC/SDGR/BRIRVC). Ce document concerne pour l’instant les ERP :
Article 4 : Toutes les dispositions sont prises pour éviter aux intervenants des services de secours tout risque de choc électrique au contact d’un conducteur actif de courant continu sous tension. Cet objectif peut notamment être atteint par l’une des dispositions suivantes par ordre de préférence décroissante :
- Un système de coupure d’urgence de la liaison DC est mis en place, positionné au plus près de la chaine photovoltaïque, piloté à distance depuis une commande regroupée avec le dispositif de mise hors tension du bâtiment.
- Les câbles DC cheminent en extérieur (avec protection mécanique si accessibles) et pénètrent directement dans chaque local technique onduleur du bâtiment.
- Les câbles DC cheminent à l’intérieur du bâtiment jusqu’aux locaux techniques onduleurs et sont placés dans un cheminement technique protégé, situé hors des locaux à risques techniques particuliers, et de degré coupe feu égal au degré de stabilité au feu du bâtiment, avec un minimum de 30 mn.
- Les câbles DC cheminent uniquement dans le volume ou se trouvent les onduleurs. Ce volume est situé à proximité immédiate des modules. Il n’est accessible, ni au public, ni au personnel ou occupants non autorisés. Le plancher bas de ce volume est stable au feu du même degré de stabilité au feu du bâtiment avec un minimum de 30 mn
Article 6 : Un cheminement d’au moins 50 cm de large est laissé libre autour du ou des champs PV installés en toiture. Celui-ci permet notamment d’accéder à toutes les installations techniques du toit (Exutoires, climatisation, ventilation, visite …) Articles 8 : lorsqu’il existe, le local technique onduleur a des parois de degré coupe feu égal au degré de stabilité au feu du bâtiment avec un minimum de 30 mn Article 9 : Sur les plans du bâtiment destinés à faciliter l’intervention des secours, les emplacements du ou des locaux techniques onduleurs sont signalés Article 10 : Le pictogramme du risque photovoltaïque est apposé :
- A l’extérieur du bâtiment à l’accès au secours - Aux accès aux volumes et locaux abritant les équipements techniques relatifs à
l’énergie photovoltaïque - Sur les câbles DC tous les 5m
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Article 11 : Sur les consignes de protection contre l’incendie, sont indiqués la nature et les emplacements des installations photovoltaïque (toitures, façades, fenêtres…)
III.2.2 Raccordement réseau et comptage de l’énergie produite Deux options sont possibles pour le raccordement au réseau public de distribution :
Vente du surplus (autoconsommation) Le système photovoltaïque est raccordé sur le réseau électrique interne du bâtiment. Lorsque la puissance instantanée appelée par le bâtiment est supérieure à la puissance délivrée par les onduleurs, la production est autoconsommée. Dans le cas contraire, lorsque la puissance délivrée par les onduleurs est supérieure à la puissance instantanée appelée par le bâtiment, le surplus d’énergie est injecté sur le réseau de distribution. L’excédent d’énergie produit étant injecté dans le réseau de distribution, deux compteurs disposés tête-bêche situés dans la concession permettent de comptabiliser l’énergie achetée et vendue par le distributeur. Avantages :
- Simplicité de raccordement - Frais de raccordement au réseau limités - Possibilité de raccorder des installations photovoltaïques sur des clients alimentés en HTA
Inconvénients : - Ne permet pas de bénéficier du tarif d’achat pour la totalité de la production
Vente de la totalité de la production
Le système photovoltaïque est raccordé directement sur le réseau de distribution par le biais d’un point de livraison spécifique. Le gestionnaire du réseau de distribution doit donc fournir un nouveau point de livraison dédié à l’installation photovoltaïque. Ce nouveau point de livraison se compose de deux compteurs disposés tête-bêche (un compteur de production et un compteur de non-consommation) et d’un disjoncteur de branchement (AGCP). L’intégralité de l’énergie solaire produite est vendue au distributeur. Dans ce cas, le compteur de non-consommation est destiné à éviter qu’un consommateur ne branche entre le point de raccordement et l’onduleur un récepteur pour un usage nocturne. Avantage :
- Permet de bénéficier du tarif d’achat pour la totalité de la production Inconvénients :
- Frais de raccordement au réseau pouvant être important en comparaison du coût de l’installation photovoltaïque, notamment pour les clients alimentés en HTA ne disposant pas d’un point de livraison BT.
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Suivant si l’installation électrique du producteur est déjà existante ou non et si les entités juridiques de production et de soutirage sont identiques ou non, le schéma de raccordement prescrit par le gestionnaire du réseau sera différent. La Figure III-1 ci-dessous représente les différents types de raccordement possible pour un raccordement à injection totale. Figure III-1 Schéma de connexion au réseau pour la revente de la totalité de la production
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Domaine de tension de raccordement Le domaine de tension de raccordement est déterminé selon la puissance de production maximale.
- Au delà de 250 KWc HTA (Limite haute à 12 MWc) - De 18 kWc à 250 kWc BT Triphasé - De 0 à 18 kWc BT monophasé ou triphasé
Si le fonctionnement de la centrale raccordée à un départ dédié n’est pas marginal (puissance installée apparente nominale > 25 % de la puissance apparente nominale du transformateur HTB/HTA auquel est relié le départ HTA du producteur).
• le gestionnaire de l’installation doit, à la demande du gestionnaire de réseau, lui communiquer le programme de fonctionnement prévu. • Possibilité d'installer chez le producteur un dispositif de communication permettant d’échanger des informations d’exploitation.
Si le fonctionnement de la centrale raccordé à un départ non dédié n’est pas marginal (puissance maximale active > 25 % de la charge maximale du départ).
• le gestionnaire de l’installation doit, à la demande du gestionnaire de réseau, lui communiquer un programme de fonctionnement prévu, • et installer un dispositif de communication permettant d’échanger des informations d’exploitation, notamment celles permettant de connaître l’état de fonctionnement de la centrale (puissance active et réactive) et éventuellement de connaître l’état du réseau (valeur de la tension).
La périodicité, le contenu et le délai de préavis du programme de production sont déterminés par accord entre les deux parties
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III.3 Processus d’intégration de la solution : Il n’existe pas de normes nationales ou internationales traitant de l’architecture des systèmes photovoltaïques connectés au réseau. Les documents normatifs existants traitent principalement des aspects sécurité, câblage, mise à la terre, qualité du signal, anti-ilotage etc. L’architecture du système électrique pouvant avoir des incidences importantes sur le nombre, le type et la disposition des modules, et donc l’intégration, celle-ci est à prendre en compte dès l’intégration architecturale. Il est indispensable :
- De traiter séparément les champs présentant des orientations, des technologies ou des ombrages différents.
- De prévoir des locaux techniques (ou des emplacements) pour l’intégration des onduleurs au stade de la conception architecturale du bâtiment
- D’envisager les cheminements de câbles en tenant compte des règlements en vigueurs et à venir (particulièrement en ce qui concerne les cheminements DC, i.e. § III.2.1)
On notera cependant qu’il existe des onduleurs intégrant plusieurs MPPT permettant de relier des champs PV de caractéristiques différentes. Les locaux à prévoir doivent être correctement ventilés pour pouvoir assurer le refroidissement des appareils. Par ailleurs, les appareils de certains constructeurs peuvent s’avérer bruyants. On notera également que certains appareils possèdent des degrés de protection suffisants (IP65) pour être installés en extérieur (en toiture terrasse par exemple). Exemple de dimensions à prévoir, espace de ventilation non compris : Taille du champ Dimension onduleur Masse onduleur Type de coffret Voltage 6 à 10 kWc : 0,6 x 0,6 x 0,3 ~ 60 Kg Installation murale 240V 50 Hz 40 kWc 0,6 x 0,6 x 2,4 ~ 250 Kg Armoire électrique 400 V 50 Hz 100 kWc 1,3 x 1,9 x 0,8 ~ 925 Kg Armoire électrique 400 V 50 Hz 175 kWc 2 x 2,2 x 0,85 ~ 1450 Kg Armoire électrique 400 V 50 Hz 400 kWc 2,4 x 2,2 x 0,85 ~ 2800 Kg Armoire électrique 400 V 50 Hz Les chiffres ci-dessus sont donnés à titre indicatifs et sont variables en fonction des constructeurs et des modèles envisagés. Prévoir la circulation éventuelle autour des armoires. Dans le cas des boitiers muraux, prévoir un espace de 0,4m environ autour des boitiers pour la ventilation. Prévoir également un volume supplémentaire pour les sujétions électriques diverses tels que les systèmes de comptage, les éventuelles armoires divisionnaires AC, les systèmes de monitoring. Il conviendra de prendre en compte :
Une bonne accessibilité pour la maintenance. Le refroidissement correct des appareils. Les nuisances sonores pouvant être générées par les appareils de certains fabricants.
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Ci-dessous une proposition schématique de la démarche souhaitable pour l’intégration photovoltaïque : L’objectif est d’intégrer la réflexion sur l’intégration du PV dès la phase Esquisse, de manière à minimiser le coût d’intégration et à ne pas subir de points bloquants tels que
- l’absence d’espace pour les onduleurs et autres sujétions électriques - des cheminements impossibles ou inadaptés - une intégration incompatible avec les règlements de sécurité en vigueur ou à venir - un ombrage pénalisant pour la production - un système d’intégration ne permettant l’accès aux tarifs de rachat les plus
intéressants d’un point de vue financier En phase APD, l’intervention d’un bureau d’Etude ou d’un consultant spécialiste du PV sera souhaitable.
APS
Architecture
Electrique PV
Conception
Architecturale
Bâtiment
Identification
Surfaces PV
Utilisables
Détermination
Incidences
Techniques
•Souhaits MOA
N+1
Ou
N+2
…
•APD •DCE Installation
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IV. Base Algorithmique Souhaits du coordinateur du projet :
Disposer d’algorithmes pouvant potentiellement être intégrés au logiciel CLIMAWIN de manière à fournir à l’utilisateur un outil de pré-dimensionnement de l’installation PV associée au nouveau bâtiment et de vérifier la pertinence de celle-ci.
Utilisation de la base de donnée météo du CSTB comprenant les données d’ensoleillement sur 7
localisations géographiques (Agen, Carpentras, La Rochelle, Macon, Nice Rennes, Trappes). Cette base de données est une base horaire sur une année complète et comporte, notamment, les données suivantes : o Drp : composante directe du rayonnement solaire atteignant la surface, o Dfp : composante diffuse du rayonnement solaire atteignant la surface, o Rrp : composante réfléchie du rayonnement solaire atteignant la surface o Te : Température ambiante o γ : hauteur du soleil o ψ : Orientation du soleil par rapport au sud Ces données sont issues de la Réglementation Thermique 2005 (Th-CE 2005 V7.3) On se reportera à l’article 11.2 de cette réglementation pour le calcul des rayonnements incidents sur une surface donnée
Pour les études très amonts du projet de bâtiment, disposer de ratios de productible potentiel
o Brise Soleil (kWh / an, par mètre linéaire de façade et par étage) o Allèges (kWh / an, par mètre carré de façade utilisable pour l’intégration) o Sheds en terrasse (kWh / an, par mètre carré de surface de terrasse) o Sur toiture PV au dessus de la terrasse (kWh / an, par mètre carré de surface de terrasse) o Membranes PV (kWh / an, par mètre carré de surface de terrasse) Ces ratios de productibles seront utilisés pour déterminer des ratios de productible potentiel en kWh équivalent pétrole par m² de SHON (Surface habitable hors œuvre net)
Les travaux réalisés par le CEA dans le cadre de l’étude sont les suivants :
- Base algorithmique détaillée comportant notamment 2 méthodes de prise en compte des ombrages
- Mise en œuvre des algorithmes sous tableur afin de vérifier la validité des données de sortie et la comparaison avec d’autres estimateurs
- Utilisation de ces tables de calcul pour déterminer les ratios de productible Ces travaux sont détaillés dans les paragraphes ci après.
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IV.1 Base algorithmique détaillée Au stade de la conception architecturale du bâtiment, les choix techniques détaillés n’étant pas encore effectués, il n’est pas possible de mettre en place des modèles précis. Ces choix concernent :
- La technologie exacte et le fabricant des modules constituant les différents champs PV - L’assemblage des chaines de modules constituant les générateurs. (En fonction des
ombrages potentiels, le BE spécialisé qui va réaliser l’étude définitive peut décider d’un assemblage des chaines particulier permettant d’optimiser la production)
- Le choix du ou des onduleurs (type et fabricant) - Le type d’Intégration permettant ou non la ventilation naturelle des générateurs.
Le modèle proposé sous entend de disposer des données d’entrée suivantes :
- Eclairement incident dans le plan du module (Direct + Diffus + Indirect) - Température ambiante à proximité des matériaux intégrant des éléments PV - Pourcentage de la surface PV ombrée en fonction du temps, le cas échéant
IV.1.1 Détermination du productible potentiel. La puissance électrique instantanée fournie par les modules PV est donnée par la relation suivante :
Puissance électrique instantanée : globalPVPV QStHtP 1)()( Avec :
Ppv(t) Puissance électrique générée [W] H(t) irradiation incidente dans le plan des modules [W/m²] Spv la surface disponible de modules PV [m²] Q Niveau de transparence de la surface PV [ ] global rendement global du système photovoltaïque [ ]
Le facteur Q concerne l’utilisation de modules semi-transparents qui sont caractérisés par le taux d’occupation des cellules sur la surface disponible (1-Q) donné en pourcentage.
Avec: cablageégrationonduleurulesetempératurombrageconversionglobal T intmod
Silicium mono cristallin : conversion = 0.125
Silicium poly cristallin : conversion = 0.115
Silicium amorphe : conversion = 0.055 Les valeurs ci-dessus sont les moyennes constatées annoncées par les constructeurs. Ce paramètre devrait être laissé réglable par l’utilisateur en cas de choix préalable d’une technologie particulière dont le rendement de conversion est identifié. L’énergie produite est donnée par intégration sur la période de temps considérée:
Energie produite sur la période : dttPTPériodeET
pvPV 0
)()_(
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IV.1.2 Détermination des pertes dues aux ombrages.
IV.1.2.1 Méthode 1 :
La détermination des pertes dues aux ombrages est un des points les plus délicats de l’estimation du productible d’une installation PV. Ces pertes sont effectivement très dépendantes de l’architecture électrique choisie ainsi que de la technologie des modules PV et de la qualité des MPPT intégrés dans les onduleurs. Le tableau ci-dessous concerne une expérimentation qui a été réalisée à l’INES et représente les effets d’ombrages divers sur 2 champs PV de taille réduite avec 2 architectures électriques différentes. Les courbes représentent la puissance Pdc = f(Vdc). Le point de puissance maximum recherché en temps réel par le MPPT est le sommet de la courbe (point noir) Architecture
Type
d’ombrage
VDC
IDC
+-
+-IDC
VDC
Ombre1 0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
X: 286.3
Y: 990
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 281.6
Y: 953.8
0 20 40 60 80 100 120 1400
100
200
300
400
500
600
700
X: 94.65
Y: 657.8
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 90.29
Y: 646.2
Ombre2
0 50 100 150 200 250 300 350 4000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
X: 286.5
Y: 982.6
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 247.1
Y: 859.3
X: 321.6
Y: 15.67
0 20 40 60 80 100 120 140
0
100
200
300
400
500
600
700
X: 98.17
Y: 642.4
Vdc (W)
Pdc (
W)
X: 68.67
Y: 454.9
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Ombre3 0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 219.4
Y: 754.2
X: 285.9
Y: 968.4
0 20 40 60 80 100 120 1400
100
200
300
400
500
600
700
X: 94.55
Y: 626.9
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 93.15
Y: 396.4
Ombre4 0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
X: 287.3
Y: 967.4
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 231.4
Y: 790
0 20 40 60 80 100 120 1400
100
200
300
400
500
600
700
X: 94.37
Y: 637.8
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 79.67
Y: 530.6
Ombre5 0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 285.9
Y: 952.4
X: 177.5
Y: 605.4
0 20 40 60 80 100 120 1400
100
200
300
400
500
600
700
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 95.03
Y: 618.6
X: 98.91
Y: 430.6
Ombre6 0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Vdc (V)
Pdc (
W)
X: 284.9
Y: 943.3X: 289.7
Y: 786.5
0 20 40 60 80 100 120 140
0
100
200
300
400
500
600
700X: 98.09
Y: 602.8
Vdc 'V)
Pdc (
W)
X: 99.12
Y: 560.1
Cette étude a mis en évidence la complexité du comportement d’un champ PV subissant un ombrage partiel, ainsi que les différences de comportement d’une architecture électrique à l’autre. De plus, il apparaît notamment que les pertes par ombrage ne sont pas proportionnelles à l’étendue de la surface ombrée.
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Dans le cadre du projet CLIMHYBU, et compte tenu des contraintes évoquées en début de paragraphe IV.1, il est décidé d’adopter un modèle simplifié qui pourra être utilisé dans le cas ou le pourcentage de surface ombrée est connu en fonction du temps.
2)(1 tOmbombrage
Avec Omb(t) = Pourcentage de la surface ombrée en fonction du temps [ ].
IV.1.2.2 Méthode 2 :
Dans l’hypothèse où les modifications du logiciel de calcul CLIMAWIN ne permettent pas de générer le pourcentage de surface ombrée sur les champs PV en fonction du temps (Omb(t) ) , il convient de disposer d’une méthode alternative s’affranchissant de cette donnée d’entrée mais prenant tout de même en compte les masques proches (Immeubles avoisinants, végétation, pylônes etc…) Le CEA INES a développé une méthode estimative fonctionnant sur le principe suivant :
- Découpage de la voute céleste en secteur de 10°par 10° - Calcul de la contribution relative de chaque secteur à l’éclairement direct et diffus - Transformation de la contribution relative en coefficient d’ombrage pour chaque secteur
(matrice 9x36) - Relevé de la matrice des masques d’ombrage (matrice 9x36) - Produit d’Hadamard des 2 matrices (coefficient à coefficient) - Le coefficient d’ombrage global étant donné par la relation ci-après. - Ce coefficient de perte par ombrage est appliqué au productible global annuel.
1001 ,,
jijiombrage
MO
Avec :
O(i,j) Matrice 9x36 des coefficients d’ombrage [ ] M(i,j) Matrice 9x36 des masques d’ombrage (0 ou 1) [ ] (1 = ombre, 0 pas d’ombre)
Les données d’entrée pour le calcul de la contribution des secteurs sont les données d’irradiance moyenne en fonction de la localisation géographique issue de la base de données européenne ESRA.
Dans le cadre du projet, le CEA INES fournira 7 matrices de coefficients d’ombrage correspondants aux 7 localisations géographiques de la base de données météo du CSTB. Exemple d’application : Installation HESPUL « Soleil Marguerite »
Données ESRA
(566 st météo)
Modèle INES
Sous Matlab Tableaux
coefficients D’ombrage
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Le tableau ci-dessus représente la matrice des masques d’ombrage
Le tableau ci-dessus représente la demi-matrice des coefficients d’ombrage. L’application de la relation xx nous donne un coefficient d’ombrage de 0,87563 Remarque importante : Le coefficient d’albédo intervient dans l’algorithme de calcul de la matrice des coefficients d’ombrage. Pour l’application, l’albédo choisi est de 0,2 (~cultures) Bien que l’incidence de l’albédo soit minimale dans le calcul compte tenu de la précision souhaitée, dans l’hypothèse d’un albédo très particulier (neige fraiche par exemple, soit 0,75 à 0,9), cette méthode introduirait une légère erreur.
IV.1.3 Prise en compte de la température des modules. La puissance crête des modules est donnée par les constructeurs dans les conditions de test standards (STC) conformément à la norme NF EN 612 15 Les STC correspondent aux paramètres suivants : 1000 W/m², 25°C, 1m/s de vent parallèle au module. Cependant, ces conditions ne sont quasiment jamais réunies en utilisation réelle et à fortiori en utilisation intégrée au bâti. Typiquement, au niveau d’un module intégré au bâti, il n’est pas rare de mesurer des températures entre 70°C à 80°C à 1000 W/m² d’irradiation solaire. Il convient donc de prendre en compte les variations de rendement de conversion en fonction de la température. Pour ce faire, le modèle NOCT sera utilisé
CtTmTmetempératur )25(1 Avec :
Tm Température de fonctionnement des modules PV [°C] Ct Coefficient de perte de puissance en fonction de la température: [ ]
o Pour les modules cristallins : Ct = -0,45% / °C = -4,5.10-3 o Pour les modules amorphes : Ct = -0,2 % / °C = -2.10-3
IV.1.3.1 Détermination de la température de fonctionnement des modules Tm
80020
NOCTGaTaTm
Avec :
80 90 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07570 80 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07560 70 1,128 1,168 1,229 0,993 0,666 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07550 60 1,155 1,169 1,205 1,082 1,246 1,526 0,916 0,08 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07540 50 1,467 1,3 0,735 1,05 0,83 1,074 1,086 1,298 0,199 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07530 40 1,032 0,901 1,277 0,872 1,144 0,679 0,752 0,719 0,939 0,196 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07520 30 0,991 0,998 0,78 0,837 0,66 0,664 0,575 0,423 0,466 0,471 0,112 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,07510 20 0,075 0,26 0,487 0,628 0,416 0,407 0,315 0,303 0,187 0,186 0,133 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,0750 10 0,075 0,075 0,075 0,075 0,19 0,169 0,152 0,118 0,105 0,081 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 17010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
80 90 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 070 80 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 060 70 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 050 60 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 040 50 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 130 40 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 120 30 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 110 20 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
h ombr= 0,87563
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Tm Température de fonctionnement des modules PV [°C] Ta Température ambiante [°C] Ga Irradiance incidente dans le plan des modules [W/m²] NOCT Normal Operating Cells Temperature selon CEI 61215 [°C]
NOCT moyen des modules du commerce ~ 45°C (Sous 800W/m² ; 20°C ambiant ; 1m/s de vent parallèle au module)
IV.1.3.2 Pertes due à la méthode d’intégration
Dans le cas d’une intégration avec face arrière des modules non ventilées, il convient d’introduire un coefficient de pertes supplémentaire correspondant à une élévation de la température par rapport au modèle simplifié présenté au §IV.1.3.1. Effectivement, le modèle simplifié est basé sur la NOCT dans le cas d’une ventilation sur les 2 faces du module. Compte tenu de l’état actuel des connaissances, et de la précision souhaitée du modèle, le coefficient de perte retenu est fixé à 13% hintégration= 0,87 Pour une intégration de type sheds en toiture terrasse, ces pertes sont estimées à 7% hintégration= 0,93
IV.1.4 Prise en compte des pertes dues à l’architecture électrique.
IV.1.4.1 Pertes dues à l’onduleur :
943,0onduleur 0,943 correspondant au rendement européen moyen des onduleurs des principaux constructeurs Pour mémoire, le rendement européen est calculé de la manière suivante à partir des rendements mesuré à charge partielle (en application de l’état de l’art):
%100%50%30%20%10%5 20,048,010,013,006,003,0 euro Effectivement le rendement d’un onduleur donné n’est pas constant en fonction de la puissance de fonctionnement. Cette méthode permet de pondérer les différents rendements mesurés sur l’onduleur en fonction de la probabilité de fonctionner à ce niveau de puissance (compte tenu de la variabilité de l’irradiance solaire).
IV.1.4.2 Pertes dues au câblage
Ce paramètre permet de prendre en compte la complexité du câblage DC (Onduleur centralisé éloigné des modules PV par rapport à des onduleurs distribués installés à proximité des modules PV) et AC (Distance par rapport au point de comptage) Compte tenu de l’état actuel des connaissances, et de la précision souhaitée du modèle, les coefficients de perte retenus sont fixés à 3 niveaux en considérant des câblages simples, moyennement complexes ou complexes.
Câblage simple : cablage = 0,97
Câblage moyen : cablage = 0,96
Câblage complexe : cablage = 0,95
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IV.1.5 Prise en compte du vieillissement des modules : Pour mémoire, les modules PV standards sont constitués à peu près tous de la même manière : Il s’agit d’un sandwich Verre / EVA / Cellules / EVA / Tedlar. Les premières installations photovoltaïques sont relativement anciennes (les années 70), ce qui permet d’avoir un retour d’expérience important sur le vieillissement des modules PV. Ceci d’autant plus que les premières installations était majoritairement des systèmes autonomes et parfois installés en conditions difficiles (mer, montagne, etc.) Les principales causes du vieillissement sont les suivantes:
- Dégradation de la connectique interne et externe impliquant une augmentation de la résistance série
- Dégradation de l’encapsulant aux UVs (EVA, PVB, etc.) impliquant un brunissement de celui-ci et/ou une délamination des modules
- Points chauds dus aux pannes de cellules, aux ombrages partiels, aux boites de connexion en face arrière
- Dégradations des matériaux de face arrière impliquant une pénétration d’humidité et aggravant la dégradation de la connectique
A ce jour, bien que de nombreux laboratoires travaillent sur le sujet, il n’existe pas encore de méthode fiable de vieillissement accéléré. Il existe cependant des textes normatifs concernant la qualification et la conception des modules photovoltaïque pour application terrestre :
- NF EN 61215 (pour les modules Polycristallins) - NF EN 61246 (Pour les modules à couches minces)
Certains constructeurs appliquent cependant des tests complémentaires leur permettant d’apporter une garantie importante pour leur produit :
- Cyclage thermique + circulation de courant électrique - Exposition à une chaleur humide - Cyclage Humidité-Gel - Charge mécanique dynamique et statique - UV + chaleur
Les garanties constructeurs usuellement rencontrées sur le marché sont les suivantes (Source: Base de données modules de Photon International)
- 10 à 12 ans : puissance garantie à 90% de la puissance initiale sortie d’usine - 20 à 25 ans : puissance garantie à 80% de la puissance initiale sortie d’usine
Soit une perte de rendement d’environ 1% par an. Dans le cadre de CLIMHYBU, nous proposons de retenir le calcul suivant :
nnvieill 01,01 Avec : n = Années d’utilisation.
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IV.2 Validation de la base algorithmique : Il est rappelé que l’ensemble des algorithmes proposé au § IV.1 n’ont pas pour vocation de constituer un modèle très précis. L’objectif est de disposer d’un modèle pouvant être implanté aisément dans un logiciel de calcul de pré-dimensionnement thermique de bâtiment. Afin de vérifier que les ordres de grandeur de productibles potentiels obtenus sont réalistes, nous nous proposons de comparer les résultats avec les données fournies par l’estimateur Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), accessible en ligne sur le site du Joint Research Center Institute for Renewable Energy de la commission Européenne. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Cet estimateur fonctionne avec notamment :
- Les données d’irradiation mesurées ou interpolées pour 566 stations météorologiques collectées dans le cadre du projet European Solar Radiation Atlas (ESRA)
- Des données géographique (élévation, nature des sols) issues de bases de données européennes ou autres.
- Des données sur la turbidité de L’air A ces données sont appliqué des algorithmes de calcul d’irradiation locale et d’interpolation spatiale et enfin de calcul de productible électrique. Utilisation de PVGIS : Les données d’entrées à saisir sont les suivantes :
- Type de techno PV - Puissance crête - Type de montage (BIPV ou free standing) - Orientation et inclinaison - Localisation géographique. (La maille des données d’irradiation interpolées est de 1 km)
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Les données de sortie sont les suivantes : Location: 45°38'34" North, 5°52'26" East, Elevation: 235 m a.s.l., Nominal power of the PV system: 1.0 kW (crystalline silicon) Estimated losses due to temperature: 8.9% (using local ambient temperature) Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.6% Other losses (cables, inverter etc.): 14.0% Combined PV system losses: 23.7% Ed: Average daily electricity production from the given system (kWh) Em: Average monthly electricity production from the given system (kWh) Hd: Average daily sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2) Hm: Average sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2)
Fixed system: inclination=35°, orientation=0° Month Ed Em Hd Hm Jan 1.55 48.1 1.89 58.5 Feb 2.09 58.6 2.57 71.9 Mar 3.33 103 4.23 131 Apr 3.69 111 4.79 144 May 3.74 116 5.00 155 Jun 4.10 123 5.59 168 Jul 4.41 137 6.06 188 Aug 4.25 132 5.82 180 Sep 3.66 110 4.85 145 Oct 2.57 79.7 3.33 103 Nov 1.64 49.3 2.03 61.0 Dec 1.33 41.1 1.62 50.4 Yearly average 3.03 92.3 3.99 121 Total for year 1110 1460
Avec cet estimateur, il est également possible d’obtenir des estimations d’irradiation en moyenne mensuelle ainsi que des estimations d’irradiation journalière au pas ¼ horaire en moyenne mensuelle. Ceci nous permettra de procéder aux comparaisons des algorithmes de calcul du productible PV du modèle CEA-INES.
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IV.2.1 Comparaison directe des prévisions de productible : Les comparaisons ont été effectuées pour les 7 localisations géographiques des données de la base CSTB et pour quatre combinaisons d’orientation et d’inclinaison :
- Inclinaison 35° / Orientation plein sud (0°) - Inclinaison 70° / Orientation sud-ouest (15°) - Inclinaison 20° / Orientation sud-est (-20°) - Inclinaison 90° / Orientation sud-est (5°)
Les comparaisons ont été effectuées pour 2 types de technologie de module :
- Silicium cristallin - Couche mince.
Effectivement, à la date où ont été effectués ces essais, l’estimateur PVGIS ne distinguait que ces deux familles de technologies. Les paramètres de la technologie silicium poly cristallin a été utilisée dans le modèle CEA INES pour cette comparaison. Le graphique ci-dessous représente la méthode de comparaison utilisée : En haut du graphique la méthode de calcul de PVGIS En bas la méthode de calcul développée dans le cadre de CLIMHYBU
Paramètres du modèle CEA INES utilisé pour la comparaison : Paramètres Technologie
Cristalline Technologie Couches Minces
Albedo 0,2 0,2 NOCT (°C) 45 45 Ct (%/°C) -0,45% / °C -0,2 % / °C Rond 0,943 0,943 Rcablage 0,96 0,96 Rtechnologie 0,115 0,055 Rintégration 0,93 0,93
Paramètre PVGIS utilisés pour la comparaison :
- Technologie silicium cristallin - Estimated power-losses 14%
R.Sun S.vol.rst a.surf.rst
Calcul Productible
Irradiation Plan incliné
(Daily Average15mn)
Données ESRA (566 st météo)
Données CSTB (5 sites)
Méthode TH-Ce
Irradiation Plan incliné
(h/h)
Modèle INES
kWh /an
kWh /an
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- Résultat de la comparaison pour les générateurs en techno silicium cristallins :
Orientation I 35° / O 0° I 70° / O 15° I 20° / O -20° I 90° / O -5° Ecart type par orienta.
Localisation Nice 1,74% 2,39% -0,95% -3,01% 2,16% Macon -1,48% -0,87% -3,59% -5,96% 2,00% Trappes 3,67% 5,71% 1,42% 1,10% 1,87% Carpentras -0,91% 0,26% -3,02% -3,85% 1,63% Agen -0,85% -0,23% -2,98% -3,47% 1,37% Rennes 5,29% 5,68% 3,00% 2,76% 1,31% La Rochelle 2,73% 3,12% 1,17% 0,88% 0,96%
Ecart type Par localis. 2,42% 2,52% 2,41% 2,98%
Résultats de la comparaison pour les générateurs en techno couche mince :
Orientation I 35° / O 0° I 70° / O 15° I 20° / O -20° I 90° / O -5° Ecart type par orienta.
Localisation Nice -3,10% -2,17% -5,27% -7,50% 2,06% Carpentras -5,14% -3,75% -7,47% -7,85% 1,68% Macon -6,09% -5,82% -8,30% -10,07% 1,73% Rennes 1,92% 3,32% -0,51% -0,93% 1,75% La Rochelle -1,31% -0,74% -3,02% -3,21% 1,07% Trappes 0,09% 1,86% -2,23% -2,64% 1,82% Agen -5,00% -3,67% -7,27% -6,91% 1,46%
Ecart type Par localis. 2,78% 3,02% 2,77% 3,09%
Conclusion préliminaire : Les résultats de la comparaison laissent apparaître des écarts relativement importants bien que raisonnables en termes d’ordre de grandeur. Il a néanmoins été décidé de tenter de s’affranchir des éventuels écarts dus aux bases de données d’irradiation solaire utilisées (CSTB pour le modèle INES et ESRA + interpolation dans le cas PVGIS) Dans une première phase, nous avons vérifié s’il existe bien un écart concernant les données d’irradiation. Pour ce faire, nous avons procédé comme suit pour les 7 localisations géographiques de la base CSTB:
- Calcul et sommation mois par mois des données d’irradiation de la base CSTB pour une orientation plein sud et pour 5 inclinaison différentes (Horizontale, angle optimale, 20°, 70° et 90°)
- Comparaison avec les données fournies par PVGIS pour les 7 localisations géographique et aux même inclinaisons.
Les trois graphiques ci après, fournis à titre d’exemple, indiquent les écarts des données d’irradiations entre les deux bases pour les localisations de Nice et de la Rochelle et Agen. Il apparaît des écarts importants (qui se compensent en partie d’un mois sur l’autre). Nous constatons également que les écarts sont plus importants aux fortes inclinaisons.
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Nice
-20,00%
-10,00%
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
janvier
févrie
rmars av
ril mai juinjuille
tao
ût
septe
mbre
octob
re
nove
mbre
déce
mbre
TOTAL
HORIZ
OPTIM
20°
70°
90°
La rochel
-20,00%
-10,00%
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
janvier
févrie
rmars av
ril mai juinjuille
tao
ût
septe
mbre
octob
re
nove
mbre
déce
mbre
TOTAL
HORIZ
OPTIM
20°
70°
90°
Agen
-20,00%
-10,00%
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
janvier
févrie
rmars av
ril mai juinjuille
tao
ût
septe
mbre
octob
re
nove
mbre
déce
mbre
TOTAL
HORIZ
OPTIM
20°
70°
90°
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IV.2.2 Comparaison des algorithmes de productibles à données d’irradiation
identiques ; Afin de s’affranchir des écarts entre les bases de donnés d’irradiation, nous avons procédé à l’extraction des données d’irradiation journalière de l’estimateur PVGIS pour chaque mois, puis application des algorithmes du modèle CEA-INES, adaptation des formats de données et enfin comparaison des résultats Le graphique ci-dessous représente le principe de cette comparaison :
Cette méthode a été appliquée pour deux localisations géographiques (Rennes et Nice) et pour les 4 orientations utilisées au paragraphe IV.2.1 Ci-dessous les résultats de la comparaison pour Rennes :
R.Sun S.vol.rst a.surf.rst
Calcul productible
Irradiation Plan incliné
(Daily Average 15mn)
Données ESRA (566 st météo)
Modèle INES
kWh /an
kWh /an
Adaptation
Rennes 35° / S 0°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-0,53%-0,13%0,71%0,37%1,57%1,78%0,91%0,39%
-0,62%0,10%
-1,02%-0,40%0,51%
Rennes 70° / SW 15°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-0,19%-0,06%1,03%1,15%2,37%3,30%2,33%1,16%
-0,27%1,02%
-0,31%-0,01%1,19%
Rennes 20° / SE 20°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)0,93%0,31%0,31%0,05%1,13%1,52%0,53%0,23%
-0,34%0,32%0,41%1,33%0,55%
Rennes 90° / SE 5°
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
200,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-0,54%-0,53%1,00%2,76%6,21%9,03%7,35%4,28%0,45%0,24%
-1,11%-0,31%2,73%
Rennes 35° / S 0°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-0,53%-0,13%0,71%0,37%1,57%1,78%0,91%0,39%
-0,62%0,10%
-1,02%-0,40%0,51%
Rennes 70° / SW 15°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-0,19%-0,06%1,03%1,15%2,37%3,30%2,33%1,16%
-0,27%1,02%
-0,31%-0,01%1,19%
Rennes 20° / SE 20°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)0,93%0,31%0,31%0,05%1,13%1,52%0,53%0,23%
-0,34%0,32%0,41%1,33%0,55%
Rennes 90° / SE 5°
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
200,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-0,54%-0,53%1,00%2,76%6,21%9,03%7,35%4,28%0,45%0,24%
-1,11%-0,31%2,73%
Intégration de la production d’électricité PV dans le concept CLIMHYBU
CLIMHYBU/OW/V1.4 28/05/2010 Page : 42 / 47
Ci-dessous les résultats de la comparaison pour Nice :
Conclusion : Le modèle CEA INES bien que légèrement optimiste, notamment aux grandes inclinaisons, est satisfaisant compte tenu de l’utilisation qui en sera faite.
Nice 35° / S 0°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-2,13%-1,18%-0,98%0,04%0,02%
-0,45%-0,90%-1,07%-1,97%-1,35%-1,99%-1,74%-1,03%
Nice 70° / SW 15°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-2,24%-1,15%-0,55%0,36%1,64%1,72%1,39%
-0,01%-1,50%-0,96%-2,10%-1,67%-0,33%
Nice 20° / SE 20°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-1,30%-1,14%-1,08%-0,23%-0,47%-0,84%-1,32%-1,41%-2,01%-0,85%-1,00%-0,27%-1,02%
Nice 90° / SE 20°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-2,43%-1,57%-0,12%3,04%7,40%
10,27%9,26%4,54%0,53%
-1,28%-1,99%-1,72%1,86%
Nice 35° / S 0°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-2,13%-1,18%-0,98%0,04%0,02%
-0,45%-0,90%-1,07%-1,97%-1,35%-1,99%-1,74%-1,03%
Nice 70° / SW 15°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-2,24%-1,15%-0,55%0,36%1,64%1,72%1,39%
-0,01%-1,50%-0,96%-2,10%-1,67%-0,33%
Nice 20° / SE 20°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
400,00
janvie
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févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-1,30%-1,14%-1,08%-0,23%-0,47%-0,84%-1,32%-1,41%-2,01%-0,85%-1,00%-0,27%-1,02%
Nice 90° / SE 20°
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
janvie
r
févrie
rmars av
rilmai jui
njui
llet
août
septe
mbre
octobre
nove
mbre
déce
mbre
INESPVGIS
Ecart (%)-2,43%-1,57%-0,12%3,04%7,40%
10,27%9,26%4,54%0,53%
-1,28%-1,99%-1,72%1,86%
Intégration de la production d’électricité PV dans le concept CLIMHYBU
CLIMHYBU/OW/V1.4 28/05/2010 Page : 43 / 47
IV.2.3 Calculs des ratios de productible : En phase très amont de la conception d’un nouveau bâtiment (phase Esquisse), le consortium souhaite mettre à disposition de l’utilisateur du logiciel CLIMAWIN un petit calculateur permettant d’estimer très grossièrement le potentiel d’économie d’énergie apporté par la solution photovoltaïque. Au stade de l’esquisse, ce calcul doit se faire en fonction du m² de surface habitable hors œuvre nette (SHON) et fournir un résultat en kWh d’énergie primaire. Les résultats des algorithmes précédemment définis étant en kWh d’énergie électrique, il convient de les multiplier par le coefficient de conversion de 2,58 valable pour la France métropolitaine. Les méthodes d’intégration considérées sont les suivantes:
- Brise Soleil - Allèges et/ou bardage - Sheds en terrasse - Sur toiture PV au dessus de la terrasse - Membranes PV
Les calculs ont été fait pour 5 orientations différentes du bâtiment (Est, Sud est, Sud, Sud Ouest et Ouest), les orientations Nord ne présentant pas d’intérêt pour la solution PV. Compte tenu de la faible précision attendue pour ce calculateur, il a été décidé de découper le territoire en seulement 3 zones climatiques correspondant aux localisations géographique suivantes :
- Trappes pour le nord - La Rochelle pour le centre - Nice pour le sud
Rappel des hypothèses pour le calcul des ratios de production:
- Les calculs sont réalisés sur la base des données météo du CSTB associées à la méthode TH CE de la RT2005
- Les calculs sont réalisés avec les algorithmes INES développés dans le cadre du projet CLIMHYBU
- Aucun ombrage n’est considéré pour ces calculs - Les effets de bord ne sont pas prix en compte
IV.2.3.1 Brise Soleil
La géométrie du brise-soleil peut être fortement variable en fonction des choix architecturaux. Pour le calcul des ratios, nous avons retenu des hypothèses « standards » :
- inclinaison de 24° - Largeur utile PV de 0,8m
Les résultats sont donnés en kWh par an, par mètre linéaire de façade et par étage Trappes La Rochelle Nice W 38 46 52 SW 60 76 92 S 66 82 98 SE 61 77 93 E 39 45 53
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IV.2.3.2 Allèges et ou Bardage
Dans le cas d’une allège ou d’un bardage, il est possible d’augmenter significativement le rendement en donnant un peu d’inclinaison aux modules Nous avons donc réalisé le calcul pour les inclinaisons de 90°, 80° et 70° Les résultats sont donnés en kWh par an, par mètre carré de façade utilisable pour l’intégration Trappes La Rochelle Nice Inclinaison W 50 62 66
90° SW 60 75 84 S 66 78 93 SE 64 71 87 E 54 58 70 Inclinaison W 55 69 74
80° SW 68 84 94 S 74 88 105 SE 71 80 98 E 60 65 78 Inclinaison W 61 76 81
70° SW 74 92 104 S 81 96 115 SE 78 88 107 E 65 71 85
IV.2.3.3 Sheds en terrasse
Dans le cas de la réalisation de Sheds en terrasse, l’utilisation de la totalité de la surface de la terrasse n’est pas possible pour minimiser les pertes par ombrage d’un champ sur l’autre. Il convient également de considérer les ombrages éventuels des acrotères et des gardes corps. Nous avons retenue les hypothèses suivantes :
- inclinaison de 24° - Utilisation de 67% de la surface de terrasse
au maximum La surface serait à minimiser dans l’éventualité de locaux techniques en toiture (machinerie d’ascenseur par ex.) Les résultats sont donnés en kWh par an et par mètre carré de surface de terrasse pondérés par le coefficient d’utilisation de la surface Trappes La Rochelle Nice SW 64 78 89 S 68 80 94 SE 66 76 90 Les orientations est et ouest pour le bâtiment n’ont pas de signification car il est alors possible d’orienter les sheds au sud.
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IV.2.3.4 Surtoiture PV au dessus de la terrasse
Ce type d’intégration permet de maximiser le rapport entre le productible et la surface utile. Il convient cependant de concevoir le bâtiment en fonction (locaux techniques). Une inclinaison minimale est à prévoir pour éviter l’accumulation des salissures ou la rétention d’eau impliquant la formation de mousse en bordure des modules. Nous avons choisi une inclinaison de 3°. Une inclinaison supérieure, si elle est possible, permettra d’augmenter significativement le rendement pour les orientations sud Les résultats sont donnés en kWh par an et par mètre carré de surface de terrasse Trappes La Rochelle Nice SW 95 112 128 S 95 112 129 SE 95 111 128 Les orientations est et ouest pour le bâtiment n’ont pas de signification car il est alors possible d’orienter la surtoiture au sud. Attention, dans le cadre des nouvelles normes de sécurité, il est possible que soient demandés des cheminements techniques permettant la circulation des personnels de maintenance en toiture. Il conviendra également de prendre en compte les ombrages potentiels des gardes corps si existants.
IV.2.3.5 Membranes PV
Dans le cas de la membrane, l’inclinaison est identique à l’inclinaison de la terrasse. (Nous pouvons la considérée proche de 0° en moyenne) L’orientation n’est donc pas à prendre en compte dans ce cas. Le coefficient d’utilisation de la surface utile serait de 75% au maximum. Les résultats sont donnés en kWh par an et par mètre carré de surface de terrasse pondéré par le coefficient d’utilisation de la surface Trappes La Rochelle Nice 37 43 50,5
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Annexe A : Fiches techniques PV
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V. Références
Architecture de systèmes photovoltaïques de fortes puissances raccordés au réseau
Hervé Colin (CEA) Denis Blanquet (CEA) Daniel Chatroux (CEA)
15/10/2005
Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau Guide de rédaction du cahier des charges techniques de consultation à destination du maître d’ouvrage.
Bruno Gaidon (HESPUL) Denis Blanquet (CEA)
2004
Arrété du 12 janvier 2010 concernant le tarif de rachat de l’électricité d’origine photovoltaïque
Journal Officiel de la République Française
14/01/2010
Guide Pratique pour les Installation Photovoltaïque UTE 15-712
Union Technique de L’Electricité 02/2008
Guide des producteurs d’électricité d’origine photovoltaïque
Philippe Chartier (SER) Gérard Moine (TRANSENERGIE) Fabrice Juquois (ADEME)
02/07/2007
Référentiel Technique du distributeur EDF
Electricité Réseau Distribution France http://www.edfdistribution.fr
Générateurs PV raccordés au réseau Spécifications techniques relatives à la protection des personnes et des biens
Philippe Chartier (SER) Gérard Moine (TRANSENERGIE) Fabrice Juquois (ADEME)
01/06/2006
Effects of shadows on a grid connected system PV conference Valencia 2008
N. Chaintreuil, F. Barruel, X. Le Pivert, H. Buttin, J. Merten
2008
L’électricité solaire PV dans le bâtiment REX du projet HIP HIP
Isabelle Michel (IED)
Le photovoltaïque pour tous Conception et réalisation d’installations
Falk Antony, Christian Dürschner, Karl-Heinz Remmers
2006
A practical method for the energy rating of c-Si CVW photovoltaic modules based on standard tests
Kenny RP, Dunlop ED, Ossenbrink HA, Mullejans H
2006
Photovoltaic geographical Information System JRC European Commission http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
2001-2008
NF EN 61215 Module photovoltaïque au silicium cristallin pour application terrestre. Qualification de la conception et homologation
Comité Européen de Normalisation Electrotechnique
08/2005
NF EN 61646 Module photovoltaïque en couches minces pour application terrestre. Qualification de la conception et homologation
Comité Européen de Normalisation Electrotechnique
01/2005
NF EN 61730 Qualification pour la sureté de fonctionnement des modules photovoltaïque (PV)
Comité Européen de Normalisation Electrotechnique
09/2007
ANNEXE 3
LES PACKS DE SOLUTIONS
1
Méthologie adoptée pour le developpement de l’outil d’aide au choix des packs de solutions
Auteurs :
M. Caciolo et D. Marchio
Mines ParisTech
2
Introduction L’outil d’aide au choix des packs de solutions a pour but d’estimer l’impact de chaque solution individuelle (exemple : isolation, protections solaire, etc…) sur la consommation énergétique, la
puissance installée, le confort et le coût d’un bâtiment, afin d’accompagner l’utilisateur dans le choix d’un ensemble cohérent de solutions, qui garantisse un compromis entre ces quatre aspects.
Cette solution de compromis est appelée « pack de solutions ».
Démarche Pour chaque solution on a défini deux niveaux de performance : un niveau de base et un niveau dit ClimHybu. Le niveau de base correspond à la bonne pratique courante, alors que le niveau ClimHybu correspond à une performance énergétique améliorée. Pour certaines solutions, plusieurs niveaux
intermédiaires ont été ainsi définis.
Le tableau suivant présente les niveaux définis pour chaque solution, la solution ClimHybu est soulignée en vert. Les caractéristiques détaillées de chaque solution sont données au paragraphe « Caractéristiques des solutions de base et ClimHybu ».
Isolation renforcée Niveau de base Traités Pas traités 0.7 m3/h par m2 à 4 Pa 1.7 m3/h par m2 à 4 Pa Lourde Moyenne Légère DV clair avec store extérieure, argon et couche faiblement émissive DV clair avec store entre les vitrages, argon et couche faiblement émissive TV clair avec store extérieure, argon et 2 couches faiblement émissives DV clair avec store extérieure, remplissage air DV contrôle solaire TI 0.35, remplissage air DV contrôle solaire TI 0.65, remplissage argon DV clair, argon et couche faiblement émissive, masques 25° DV clair, argon et couche faiblement émissive, masques 45° Base + appoint (8 W / m2) Faible consommation (10 W / m2) Standard 12 W / m2) Gradateur et détecteur de présence Interrupteur Double flux avec éxhangeur haute efficacité (0.9) Double flux avec échangeur à efficacité moyenne (0.6) Simple flux Plafond froid ou poutre froide passive VCV ou poutre climatique active VCV 7° / 12° Ouverture jour et nuit Ouverture nuit seule Pas d'ouverture
Inertie
Perméabilité
Ponts thermiques
Isolation
Emetteurs
Ouverture automatique baies
Ventilation
Gestion éclairage
Puissance éclairage
Vitrages et protections solaires
3
A partir de la définition des solutions ClimHybu, on a alors défini un bâtiment « tout ClimHybu », qui
n’est constitué que des solutions ClimHybu. Ce bâtiment est caractérisé par de faibles consommations énergétiques ayant des surcoûts importants, et par conséquent il ne représente pas le meilleur compromis.
Un pack de solutions peut être défini à partir du cas « tout ClimHybu » en « dégradant » quelques
unes des solutions ClimHybu. Pour cela, l’outil indique l’impact de chaque « dégradation » sur l’ensemble des performances du bâtiment (énergétique, puissances, coûts). Cet impact a été évalué sur des façades type (voir paragraphe suivant), avec une simulation effectuée avec le moteur de
calcul « ClimHybu ». L’évaluation se fait pour chaque solution prise individuellement, sans prendre en compte les effets cumulés, afin de réduire le nombre de cas à traiter. Les résultats des simulations ont été enregistrés dans une base de données que l’outil d’aide au choix peut lire rapidement.
Sur la base des données fournies, l’outil classifie enfin chaque solution sur la base de quatre critères :
• Consommation d’énergie
• Puissance
• Confort
• Coûts
Le détail de la classification est donné au paragraphe « Classement des solutions ».
Description des façades types Afin de ne pas perdre en généralité et de prendre en compte l’orientation, la démarche n’a pas été appliquée à des bâtiments entiers mais à des façades types, définies ci-‐dessus.
Caractéristiques géométriques Pour la constitution des façades types, on a considéré la répartition suivante des surfaces :
• Bureaux : 70 % de la surface utile
• Salles de réunion : 12 % de la surface utile
• Circulations : 18 % de la surface utile
La surface des bureaux est répartie en bureaux individuels de 12.5 m2 (Figure 1), alors que les salles
de réunion ont une surface de 28 m2 (Figure 2).
4
Figure 1 : Bureau cloisonné
Figure 2 : Salle de réunion
Chaque étage d’une façade type est alors composé de 12 bureaux individuels et d’une salle de
réunion au centre, avec une circulation de 1 m. Le plan d’étage est représenté en Figure 3. La hauteur sous plafond est fixée à 2,5 m.
Figure 3 : Plan d’étage des façades type
On a défini 3 types de façade, selon le nombre d’étages :
• 2 étages
v
2.5
0.1
36.2
6.1
5.0
5.0
1.0
0.1
5
• 6 étages
• 30 étages
Chaque type de façade peut avoir un taux de surface vitrée de 30 %, 50 % ou 70 %, calculé sur la base
de la surface des parois vues de l’intérieur. Les caractéristiques géométriques, ainsi que les débits de ventilation calculés pour chaque type de façade, sont donnés dans le Tableau 1, le Tableau 2 et le Tableau 3. Le débit de ventilation a été calculé en considérant un occupant dans chaque bureau et 7
occupants dans les salles de réunion, avec un débit de 18 m3/h par personne.
Tableau 1 : caractéristique des façades types de 2 étages
Tableau 2 : caractéristique des façades types de 6 étages
30% 50% 70%
Façade 150.2 115.2 80.2Toiture
Plancher basPignon 1Pignon 2
Baies: Façade 52.5 87.5 122.5Liaison mur-plancher
intermédiaireLiaison mur-toiture
Liaison mur-plancher bas
Liaison mur-baies 156 204 250Liaison mur-plancher
intermédiaireLiaison mur-toiture
Liaison mur-plancher bas
Liaison mur-plancher intermédiaire
Liaison mur-toitureLiaison mur-plancher
bas
Caractéristiques façade 2 étages
GéométrieSurface (m 2 )
Taux de surface vitrée
Surface utile bureaux 300Surface utile salles de réunion 50
Surface utile circulations 72Surface utile totale 422
Parois opaques:
220.8220.834.234.2
Ponts thermiques
façade:
36.2
36.2
36.2
Ponts thermiques pignon 1:
6.1
6.1
6.1
Ponts thermiques pignon 2:
6.1
6.1
6.1
Ventilation (DF) Débit (m 3 /h)Bureaux 432
Salles de réunion 252
30% 50% 70%
Façade 450.7 345.7 240.7Toiture
Plancher basPignon 1Pignon 2
Baies: Façade 157.5 262.5 367.5Liaison mur-plancher
intermédiaireLiaison mur-toiture
Liaison mur-plancher bas
Liaison mur-baies 468 612 750Liaison mur-plancher
intermédiaireLiaison mur-toiture
Liaison mur-plancher bas
Liaison mur-plancher intermédiaire
Liaison mur-toitureLiaison mur-plancher
bas
GéométrieSurface (m 2 )
Taux de surface vitrée
Ventilation (DF) Débit (m 3 /h)
7561296
ExtractionBureaux
Surface utile bureaux
6.1
Parois opaques:
Ponts thermiques pignon 2:
Ponts thermiques
façade:
220.8220.8
102.5102.5
30.5
Ponts thermiques pignon 1:
30.5
6.1
6.1
900Surface utile salles de réunion 150
Surface utile totale 1267Surface utile circulations
6.1
36.2
36.2
217
181
Caractéristiques façade 6 étages
6
Tableau 3 : caractéristique des façades types de 30 étages
L’orientation des façades peut être Nord, Sud, Est ou Ouest.
Enfin, chaque façade peut être :
• Climatisée sans possibilité d’ouverture des fenêtres,
• Climatisée avec possibilité d’ouverture des fenêtres ;
• Non climatisée.
Profil d’occupation et apports internes Le profil d’occupation utilisé est le profile réglementaire pour les bureaux et les salles de réunions 10 heures par jour de 9 h à 19 h du lundi au vendredi.
Les apports internes dus aux occupants ont été calculés sur la base d’un taux d’occupation d’une personne par bureau et de 2 personnes par salle de réunion. Les apports ont étés moyennés sur
toute la surface de la façade, pour tenir compte du fait que chaque façade a été simulée comme un seul groupe.
Les apports internes dus aux équipements de bureau ont été calculés comme indiqué dans la fiche « bureautique » dans la bibliothèque de solution. Les apports résultant sont indiqués dans les
tableaux suivants.
30% 50% 70%
Façade 2253 1728 1203Toiture
Plancher basPignon 1Pignon 2
Baies: Façade 786 1313 1838Liaison mur-plancher
intermédiaireLiaison mur-toiture
Liaison mur-plancher bas
Liaison mur-baies 2340 3060 3750Liaison mur-plancher
intermédiaireLiaison mur-toiture
Liaison mur-plancher bas
Liaison mur-plancher intermédiaire
Liaison mur-toitureLiaison mur-plancher
basVentilation (DF) Débit (m 3 /h)
Bureaux 6480Salles de réunion 3780
Ponts thermiques pignon 1:
177
6.1
6.1
Ponts thermiques pignon 2:
177
6.1
6.1
Parois opaques:
220.8220.8513513
Ponts thermiques
façade:
1050
36.2
36.2
Surface utile salles de réunion 750Surface utile circulations 1080
Surface utile totale 6330
Caractéristiques façade 30 étages
GéométrieSurface (m 2 )
Taux de surface vitrée
Surface utile bureaux 4500
Apports internes occupation W/m 2
Bureaux 7.2
Moyennés 5.9
Salles de réunion 6.4Circulations 0
7
Températures de consigne Les températures de consigne correspondent aux valeurs réglementaires : 19°/26°C en occupation, avec un ralenti de chauffage à 16°C la nuit et 7°C le week-‐end et un ralenti de refroidissement à 30°C
la nuit et le week-‐end.
Caractéristiques des solutions de base et ClimHybu Les tableaux suivants fournissent les caractéristiques détaillées de chaque solution de base, ClimHybu et intermédiaire pour l’isolation, les ponts thermiques et les baies. Plus d’information peut être trouvé dans les fiches descriptives des solutions.
Isolation :
Isolation Niveau de base Isolation renforcée
Parois verticales U 0.35 W/(m2K) 0.15 W/(m2K) FS 0.006 0.002
Toiture U 0.29 W/(m2K) 0.12 W/(m2K) FS 0.009 0.004
Plancher bas sur terre-plein Ueq 0.26 W/(m2K) 0.26 W/(m2K)
Plancher bas sur parking ou autre Ueq 0.30 W/(m2K) 0.15 W/(m2K)
Ponts thermiques :
Ponts thermiques Pas traités Traités
Mur – plancher intermédiaire Psi 0.99 W/(m.K) 0.09 W/(m;K) FS 0.016 0.001
Mur toiture Psi 0.84 W/(m.K) 0.3 W/(m.K) FS 0.013 0.005
Mur – plancher bas sur terre-plein
Psi 0.10 W/(m.K) 0.25 W/(m.K) FS 0.001 0.002
Mur – plancher bas sur parking ou autre
Psi 0.33W/(m.K) 0.45W/(m.K) FS 0,005 0,007
Bureautique occupation W/m 2
Moyennés 4.3
Bureaux 6Salles de réunion 0
Circulations 0
Bureautique inoccupation W/m 2
Bureaux 0.3
Moyennés 0.2
Salles de réunion 0Circulations 0
8
Vitrages et protections solaires :
Vitrages et protections solaires Uw W/(m2 K) FS Tl
Angle masques proches
DV contrôle solaire Tl 0.35 remplissage air
Avec PS 2 0.3 0.35 0°
Sans PS 2 0.3 0.35
DV clair avec store extérieure remplissage air
Avec PS 2.6 0.58 0.66 0°
Sans PS 2 0.14 0.09
DV clair avec store extérieure remplissage argon
couche faiblement émissive
Avec PS 1.4 0.46 0.66 0°
Sans PS 1.3 0.12 0.09
DV clair avec store entre les vitrages
Remplissage argon Couche faiblement émissive
Avec PS 1.5 0.46 0.66 0°
Sans PS 1.3 0.09 0.09
TV clair avec store extérieure remplissage argon
2 couches faiblement émissives
Avec PS 1.1 0.34 0.58 0°
Sans PS 1.2 0.09 0.08
DV contrôle solaire Tl 0.65 Remplissage argon
Avec PS 1.4 0.36 0.65 0°
Sans PS 1.4 0.36 0.65
DV clair remplissage argon couche faiblement émissive Masques proches fixes 25°
Avec PS 1.4 0.46 0.66 25°
Sans PS 1.4 0.46 0.66
DV clair remplissage argon couche faiblement émissive Masques proches fixes 45°
Avec PS 1.4 0.46 0.66 45°
Sans PS 1.4 0.46 0.66
Classement des solutions Le classement des solutions a été effectué sur la base des critères suivants :
• Consommation d’énergie :
9
• Confort :
• Coûts :
10
Annexe : Entrées de l’outil de calcul partie bâti Ce tableau contient : - des valeurs fixes quel que soit le calcul, - pour la mise au point des packs, des valeurs variables pour le calcul de base et de Climhybu, dont certaines font l’objet de sensibilité, Pour l’application sur des bâtiments entiers, pour les bâtiments exemples, on utilise les valeurs fixes, les packs pour le bâti et on décrit les systèmes.
Valeurs fixes Valeurs variables entre Base et ClimHybu
Paramètres à étudier pour les packs ? Note
Base ClimHybu NIVEAU PROJET
Type de calcul
⇒ Dim chaud ⇒ Dim froid ⇒ Besoins chaud, froid,
conso éclairage ⇒ consommations
Département ⇒ 78 : Trappes ⇒ 17 : La Rochelle ⇒ 06 : Nice
Climat intérieur / littoral Intérieur Altitude 0 m
Température de base pour dimensionnement chaud
⇒ Trappes : -9 °C ⇒ La Rochelle : -6 °C ⇒ Nice : -3 °C
Correction de température avec l'altitude 0 °
Vitesse du vent de base pour dimensionnement chaud 3 m/s
Choix des saisons Automatique Position des protections solaires pour dimensionnement froid
Fermé
11
Valeurs fixes Valeurs variables entre Base et ClimHybu
Paramètres à étudier pour les packs ? Note
Base ClimHybu Etat de l'éclairage pour dimensionnement froid Allumé
NIVEAU ZONE
Scénario d'occupation 8h-18h bureaux et salle de réunion à l’étage
Vacances Pas de vacances
Scénario de ventilation Comme le scénario d'occupation
Scénario de bureautique Comme le scénario d'occupation
Températures de consigne 19°/16°/7°C chaud et 26°/30°/30°C froid
Scénario d’apports internes Comme le scénario d'occupation
Perméabilité de l'enveloppe sous 4 Pa 1.7 m3/h
par m2 0.7 m3/h par m2 Oui
Programmation chaud Optimiseur
Programmation froid Horloge à heure fixe avec controle d’ambiance
(rappel : l’onglet bâtiment ne figure pas dans ces tableaux car il ne contient que des données géométriques)
12
Valeurs fixes Valeurs variables entre Base et ClimHybu
Paramètres à étudier pour les packs ? Note
Base ClimHybu NIVEAU GROUPE
Inertie Moyenne Lourde Oui, en évaluant l’impact sur les puissances et sur le confort
Gestion de l’ouverture des fenêtres ⇒
⇒ Clim sans ouverture des fenêtres
⇒ Clim avec ouverture automatique
Pour cas de base : ⇒ Sans clim sans ouverture des fenêtres ⇒ Sans clim avec ouverture manuelle en occ
Pour cas Climhybu : ⇒ Sans clim avec ouverture automatique ⇒ Sans clim avec ouverture manuelle occ ⇒ Sans clim avec ouverture manuelle occ inocc
Hauteur du tirage thermique 1,5 m Aire maximale des ouvertures spécifiques pour la ventilation naturelle
Egale à l'aire des baies
Taux d'ouverture maximale des baies
⇒ 0.3 (ouverture automatique)
⇒ 0.15 (ouverture manuelle)
Gestion de la sur-ventilation Valeur fixées dans la fiche algorithme
Apports internes occupants (il faut éventuellement pondérer les apports selon les locaux pris en compte)
90 W par personne Pas d ‘apports internes en inoccupation ⇒ Bureaux cloisonnés: 7.2 W/m2 ⇒ Salle de réunion étage : 6.4 W/m2
Pas d’apports d’humidité ⇒ Circulations : 0 W/m²
13
Valeurs fixes Valeurs variables entre Base et ClimHybu
Paramètres à étudier pour les packs ? Note
Base ClimHybu
Apports internes bureautique
Voir fiche descriptive Bureaux cloisonnés: ⇒ Occupation : 6 W/m2 ⇒ Inoccupation : 0.3 W/m2
Salles de réunion : pas de bureautique ⇒ Circulations : 0 W/m²
Traversant ou pas Pas traversant Non oui oui Valeur seuil pour le choix des saisons 1 W
14
BAIES VITREES
Paramètres thermiques baies
U sans prot solaire 2.0 W/(m2K) 1.4 W/(m2K)
Oui, en évaluant aussi l’impact d’autres types de fenêtres (type F1, F3 et F4, voir note)
Voir note après le tableau
U avec prot solaire 2.0 W/(m2K) 1.3 W/(m2K)
FS sans prot solaire 0.3 0.46
FS avec prot solaire 0.3 0.12
TI sans prot solaire 0.35 0.66
TI avec prot solaire 0.35 0.09
Surface des baies 50% 50%
Oui, en évaluant l’impact sur les consommations, sur les puissances et sur le confort des solutions 30 % et 70 %
Surface des baies évaluée par rapport à la surface intérieure de la façade extérieure hors faux plafond et épaisseur de la dalle des bureaux.
Angle pour masques proches 0
Oui, en évaluant l’impact de l’utilisation de masques proches à 45°
Coefficient de réduction de la température 1
Angle pour masques lointains
⇒ Façade 1 étage : 0° ⇒ Façade 2 étages : 10° ⇒ Façade 6 étages : 10° en site non urbain et 30° en urbain ⇒ Façade 50 étages : 0°
Pas de masques lointains au dernier étage (façade à un seul étage)
Gestion des protections solaires
Gestion selon la saison (fiche algorithme)
15
PAROIS OPAQUES ET LINEAIRES Coefficient de réduction de la température 1
Parois verticales U 0.35 W/(m2K) 0.15 W/(m2K)
Oui, en évaluant l’apport séparé de l’isolation de la toiture et des parois verticales et du traitement des ponts thermiques. Pour la toiture, il faut évaluer aussi s’il y a différence avec FS=0 (toiture végétalisée)
Solution de base : ⇒ parois : isolation intérieure 8 cm de polystyrène collé PSE32 ⇒ toiture : isolation 8 cm de polyuréthane collé PUR25, sur dalle béton ⇒ traitement des ponts thermiques niveau RT2005
Solution ClimHybu : ⇒ isolation extérieure 20 cm polystyrène collé PSE32 ⇒ toiture : isolation 20 cm de polyuréthane collé PUR25, sur dalle béton ⇒ meilleur niveau de traitement des ponts thermiques ⇒ murs de couleur claire, toiture sombre.
FS 0.006 0.002
Toiture U 0.29 W/(m2K) 0.12 W/(m2K) FS 0.009 0.004
Mur – plancher intermédiaire
Psi 0.99 W/(m.K) 0.09 W/(m.K) FS 0.016 0.001
Mur toiture
Psi 0.84 W/(m.K) 0.3 W/(m.K)
FS 0.013 0.005
Mur baie Psi 0 W/(m K)
(pas de pont thermique)
FS Ueq du plancher bas sur terre-plein 0.26 W/(m2K) 0.26 W/(m2K)
Psi liaison mur – plancher bas sur terre plein Facteur solaire liaison
0.10 W/(m².K)
0.001
0.25 W/(m².K)
0.002 Pour le bâtiment de 1000 m²
Ueq du plancher bas sur parking ou autre
0.30 W/(m2K) entrevous
polyst
0.15 W/(m2K) plancher duo
Pour autres bâtiments si besoin. B= 1.
Psi liaison mur – plancher bas sur parking ou autre Facteur solaire liaison
0.33 W/(m K)
0,005
0.45 W/(m K)
0,007
Pour autres bâtiments si besoin
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ECLAIRAGE
Puissance installée d'éclairage 12 W/m2 8 W/m2
Oui, en évaluant aussi la solution intermédiaire à 10 W/m2
Voir fiche descriptive ES_1, ES_2 et ES_3 pour les détails des systèmes d’éclairage
Gestion de l'éclairage Interrupteur
⇒ Bureaux et salles de réunion : interrupteur + gradateur + détecteur de présence ⇒ Circulations et WC : interrupteur + détecteur de présence
Oui
Accès à l'éclairage
⇒ Effective dans les bureaux cloisonnés et les salles de réunion à l’étage et les WC ⇒ Nulle dans les circulations ⇒ Effective dans la partie périphérique des bureaux paysagés ⇒ Nulle dans la partie centrale aveugle
Note sur les baies vitrées : Pour toutes les solutions : Menuiseries Aluminium oscillo-battantes. Menuiseries réalisées à partir de profilés en aluminium anodisé ou laqué à rupture de ponts thermiques. Pose en applique intérieure, en feuillure, au nu extérieur ou entre tableaux dans le cas d’isolation par l’extérieur, sur des dormants existants. Solution de base : Double vitrage et protection extérieure mobile 4/16/4, vitrage solaire, sans store. Uw = 2 (W/m².K), facteur solaire = 0.3, taux de transmission lumineuse 0.35.
17
Uw 2.0 W/m².K Facteur solaire 0.3 Taux de transmission lumineuse 0.35
Solution ClimHybu (F2) : Double vitrage 4/16/4 avec couche faiblement émissive 0.03 et remplissage argon 85%. Store extérieur de type toile blanche.
Uw store relevé 1.4 W/m².K Uw store baissé 1.3 W/m².K FS store relevé 0.46 FS store baissé 0.12 Taux de transmission lumineuse store relevé 0.66 Taux de transmission lumineuse store baissé 0.09
Autres solutions à tester pour les packs : Solution F1 (double vitrage avec protection solaire avec caractéristiques intermédiaires entre base et ClimHybu) : Double vitrage clair, sans couche faiblement émissive et remplissage air. Store extérieur de type toile blanche.
Uw store relevé 2.6 W/m².K Uw store baissé 2.0 W/m².K FS store relevé 0.58 FS store baissé 0.14 Taux de transmission lumineuse store relevé 0.66 Taux de transmission lumineuse store baissé 0.09
Solution F3 (double vitrage avec store entre les vitrage): Double vitrage 4/27/4 avec couche faiblement émissive 0,03 et remplissage argon 85 % et avec un store vénitien à lames aluminium entre les vitrages.
Uw store relevé 1.5 W/m².K Uw store baissé 1.3 W/m².K FS store relevé 0.46
18
FS store baissé 0.09 Taux de transmission lumineuse store relevé 0.66 Taux de transmission lumineuse store baissé 0.09
Solution F4 (triple vitrage): Triple vitrage scellé 4/10/4/10/4, 2 couches faiblement émissives 0.03 en position 2 et 5, remplissage argon 85 % des deux lames. Protection solaire extérieure de type toile blanche.
Uw store relevé 1.1 W/m².K Uw store baissé 1.2 W/m².K FS store relevé 0.34 FS store baissé 0.09 Taux de transmission lumineuse store relevé 0.58 Taux de transmission lumineuse store baissé 0.08
19
Annexe : Entrées de l’outil de calcul, partie systèmes
Emission de chaleur émetteur Type
émetteur ventilateur Pertes au dos
Que pour niveaux extrèmes
Variation spatiale
Variation tempo
Puissance ventilateurs
Plafond 3 Pas Pas 0,2 1,2/0,5 Voir bibliothèque
Poutre 6 Pas Pas 0,4 1,2/0,5
VCV 4 Type gestion 3 Pas 0,2 1,2/0,5
Radiateur 1 Pas Pas 0,4 1,2/0,5
Plancher
3 Pas Pas 0 1,2/0,5
Emission de froid émetteur Type émetteur ventilateur Pertes au dos
Que pour niveaux extrèmes Variation spatiale
Variation tempo
Type régul_FR
Puissance ventilateurs
Plafond 1 Pas Pas 0 -1,2/-0,5 1 Voir bibliothèque
Poutre 4 Pas Pas 0 -1,2/-0,5 1
VCV 2 Type gestion 3 Pas 0 -1,2/-0,5 1
20
Distribution de chaleur émetteur Type réseau Nb niveaux Position réseau Classe isoli int Classe isol ext T° distr longueur
Plafond bitube Selon typo 1 : partiellement hvc Classe 2 Classe 2 3 Par défaut
Poutre bitube Classe 2 Classe 2 9
VCV bitube Classe 2 Classe 2 9
Radiateur bitube Classe 2 Classe 2 6
Plancher
Plancher chauffant Classe 2 Classe 2 3
Circulateur : présence Vitesse : climhybu 3 vitesse variable et arrêt si pas demande Pas climhybu 0 vitesse constante marche permanente Puissance par défaut sauf si mieux
Distribution de froid émetteur Type réseau Nb niveaux Position réseau Classe isoli int Classe isol ext T° distr longueur
Plafond bitube Selon typo 1 : partiellement hvc Classe 3 Classe 3 1 basse Par défaut
Poutre bitube Classe 3 Classe 3 2 haute
VCV bitube Classe 3 Classe 3 2 haute
Circulateur : présence Vitesse : climhybu 3 vitesse variable et arrêt si pas demande Pas climhybu 0 vitesse constante marche permanente Puissance par défaut sauf si mieux
21
CTA SF DF
Pvent occ Référence : 0,30 W/m3/h Référence : 0,30 W/m3/h pour chaque ventilateur
Pvent inocc Référence : 0,30 W/m3/h Référence : 0,30 W/m3/h pour chaque ventilateur
Type réseau Classe défaut 7/ classe A 4 Classe défaut 7/ classe A 4
Eff échangeur - 0,6/0,9
By pass - 1
Aux éch - 0
b 1 -
cdep 1.1 1,1
crdbnr 1 1/0,4 dans salles réunion
Cfres 1,1/1,05
Classe défaut 7/ classe A 4
1,1/1,05
Classe défaut 7/ classe A 4
ANNEXE 4
COUT GLOBAL
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 1/7 UNTEC – JL BICHET
Le COÛT GLOBAL dans CLIMHYBU
A - BASE DES CALCULS DES COUTS
L’objectif du projet Climhybu est de fournir aux décisionnaires et maîtres d'ouvrage les moyens de définir des objectifs et de dialoguer avec les concepteurs pour aboutir à un objectif d'économie par rapport aux exigences de la RT 2005 avec un surcoût maîtrisé, en s'appuyant sur une procédure et un référentiel leur garantissant la pertinence des travaux pour les bâtiments neufs et avec des adaptations pour les bâtiments existants.
Il s’agit également de fournir aux concepteurs tant pour la conception globale du bâti que pour le choix et le dimensionnement des équipements une bibliothèque de solutions pertinentes, et les moyens de les assembler de façon cohérente et adaptée à chaque cas traité, y compris par des concepts innovants s'ils apparaissent apporter une solution à des problèmes aujourd'hui non résolus.
Un outil de calcul, avec une partie énergie et une partie économique, complète le dispositif, l’utilisateur fournissant les données pour le calcul économique. On retient les principes suivants :
- les coûts concernent l’ensemble des fiches descriptives. Il convient notamment de chiffrer le coût de l’inertie lourde : pas de faux plafond…
- les premières données concernent le bâti et ensuite les systèmes,
- les coûts comprennent :
le produit ou le composant lui-même selon son épaisseur ou sa puissance,
les produits ou éléments de mise en œuvre,
la mise en œuvre.
Il convent de faire ressortir les coûts induits, comme l’effet sur la taille des réseaux de distribution d’une évolution de la puissance du générateur ou le passage d’ITI à ITE ou l’inverse. Pour ce qui est des réseaux, le réseau dans le local est compris dans le coût de l’émetteur, les réseaux généraux devant être évalués par ailleurs.
B - CALCUL EN COUT GLOBAL
Le coût global en tant qu'analyse est une notion générale qui s'applique à toutes les méthodes qui tiennent compte des dépenses initiales et des dépenses futures, de même que des avantages (économies) d'un investissement pendant une période. Ces méthodes diffèrent toutefois par leur application qui dépend de l'objet de l'investissement.
Appliqué au bâtiment, le calcul du coût global est un moyen d'évaluer plusieurs solutions d'investissement à partir du coût initial et des dépenses d'exploitation et d'entretien pour la durée de vie économique de l'ouvrage ou pour une durée déterminée par le Maître d’Ouvrage. Dans le cas de nouveaux bâtiments, le calcul du coût global permet le classement hiérarchique des solutions sur le plan de la conception, de l'emplacement et des matériaux, fondé sur le coût total de la durée d’étude (10, 20, 30, 50 ans). Dans le cas de bâtiments existants, cette méthode permet : de comparer le coût global et les économies réalisées entre la réhabilitation d'un bâtiment et un réaménagement foncier, c'est-à-dire la démolition et la reconstruction du bâtiment ; et de déterminer dans quelle mesure un procédé ou un ensemble de procédés d'amélioration doit être appliqué de manière à réaliser le maximum d'économies, compte tenu de certaines contraintes budgétaires, du niveau de confort désiré, etc.; pour finir de déterminer quelle méthode doit être employée pour
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 2/7 UNTEC – JL BICHET
réhabiliter ou améliorer le bâtiment de façon à assurer le maximum d'économies à partir d'un niveau donné de dépenses d'investissement.
L'équation fondamentale du coût global peut s'écrire ainsi:
Coût global = coût initial + coûts différés (dépenses d'exploitation, d'entretien, de réparation et de remplacement de même que les coûts liés à l'utilisation) moins la valeur de récupération (c.-à-d. la valeur d'un bien au terme de sa vie utile ou de la période d'étude).
Le coût initial comprend toutes les dépenses d'investissement ayant un rapport direct avec le projet, y compris le prix du terrain, le coût de la conception, du raccordement aux services et de la construction. Les coûts différés peuvent être divisés en deux catégories: les dépenses énergétiques d'exploitation pour refroidir, chauffer, exploiter et éclairer le bâtiment et les dépenses d'entretien comprenant les frais de réparation, le nettoyage, la maintenance préventive et curative et de remplacement des matériels. On peut inclure dans les coûts d'entretien les coûts liés à l'utilisation (les frais qui découlent d'une modification de l'usage d'un bâtiment ou d'une modification ou de l'amélioration des installations mécaniques et électriques) de même que le coût de modifications nécessaires pour que le bâtiment soit conforme aux codes et aux normes.
Comme ces coûts sont répartis sur plusieurs années, il est nécessaire de les convertir en €uros constants (valeur actuelle ou annuelle) afin de permettre leur comparaison pendant une période de temps donnée. La conversion de la valeur future à la valeur actuelle, appelée actualisation (non utilisé dans l’étude CLIMHYBU), s'effectue par l'application de formules d'intérêts (escompte) dans le calcul des coûts ou des avantages anticipés d'un investissement. L'actualisation a pour principal objet de tenir compte qu'une somme d'argent vaut plus aujourd'hui qu'elle ne vaudra demain, c'est-à-dire qu'elle peut accumuler de l'intérêt. Le taux d'intérêt doit être fixé avant d'effectuer une analyse du coût global. On doit également énoncer des hypothèses en ce qui concerne la durée de vie des éléments du bâtiment, le taux d'inflation, le glissement des prix de l'énergie et des coûts d'entretien. Avant de procéder à l'actualisation, la valeur des dépenses et des épargnes futures doit être convertie en €uros constants afin de pondérer les effets de l'inflation et de permettre une comparaison valable sur une période de temps donnée.
Pour être en mesure de choisir le projet le plus optimisé, il faut rassembler tous les renseignements nécessaires pour établir et évaluer les choix. Pour déterminer ces derniers, il faut énoncer :
a) les objectifs, par exemple, le niveau de confort;
b) les contraintes qui peuvent comprendre la sécurité, l'esthétique, ou la capacité des utilisateurs des installations;
c) et les hypothèses, puis calculer et comparer le coût global des diverses solutions.
Dans le cas où l'investisseur doit choisir parmi plusieurs composants d'un bâtiment, par exemple entre une installation de chauffage classique et une installation de chauffage solaire avec appoint classique, la solution qui doit être retenue est celle dont le coût global est le plus faible tout en satisfaisant les objectifs et les contraintes de l'investisseur. Lorsqu'il n'y a qu'un seul projet et qu'il s'agisse de déterminer le niveau rentable d'investissement, par exemple l'isolation, un investissement supplémentaire est rentable aussi longtemps que le coût global s'en trouve diminué. Le niveau d'investissement le plus optimisé correspond au point où le coût global est le meilleur compromis entre le coût d’investissement, les dépenses d’exploitation / maintenance, et la réponse aux contraintes du Maître d’Ouvrage.
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 3/7 UNTEC – JL BICHET
Enfin, pour le cas où il s'agit de décider si l'on doit investir ou non, par exemple sur-isoler ou non un bâtiment, le critère est que le coût global doit être inférieur après investissement qu'avant investissement.
Selon les objectifs visés et le type d'investissement considéré, d'autres méthodes d'analyse du coût global peuvent être utilisées pour déterminer le niveau d'investissement le plus rentable tel que le taux de rendement interne (le taux d'intérêt pour lequel le total des avantages actualisés d'un investissement est égal au total des coûts actualisés) et le délai de récupération (la période nécessaire pour récupérer le coût d'un investissement, compte tenu de la dérive monétaire découlant de l'inflation et du temps).
Un investissement s'avère rentable si le taux de rendement interne est supérieur à la valeur minimale acceptable par l'investisseur ou si le délai au terme duquel l'investissement est récupéré par les sommes actualisées est inférieur à la durée de vie du projet.
Il peut se révéler utile, avant de prendre une décision finale, de vérifier les possibilités de réalisations économiques d'un projet à partir de certains paramètres fondamentaux dont la valeur future est incertaine, par exemple la durée de vie du bâtiment, le glissement des prix de l'énergie, et le taux d'actualisation. Il est important de connaître la valeur ou la plage de valeurs des paramètres susceptibles de modifier l'analyse du coût global.
En bref, l'analyse du coût global doit suivre la démarche suivante:
1) Préciser les objectifs et les contraintes de l'analyse. Identifier les choix qui atteignent ces objectifs.
2) Énoncer des hypothèses quant au taux d'actualisation, au taux d'inflation, à la durée de vie, etc.
3) Identifier et évaluer les dépenses pertinentes.
4) Convertir les dépenses en euros constants et sur une base commune.
5) Comparer le coût global de chaque solution et choisir celle dont le coût est le plus faible.
6) Analyser les résultats pour en dégager la sensibilité par rapport aux hypothèses de départ.
Le coût global et ses applications Conception de bâtiment - Le bâtiment dont la conception est optimale, d'après les critères du coût global, est celui qui correspond à des dépenses initiales et différées minimales pour sa durée de vie. On peut classer diverses solutions d'un niveau de services équivalent par ordre de coût et choisir celle dont le coût global est le moins élevé.
Économie d'énergie - Sur le plan de l'économie d'énergie, le calcul du coût global peut répondre aux questions suivantes:
1) comment choisir la meilleure mesure d'économie d'énergie parmi diverses solutions,
2) quelle somme doit-on investir dans une mesure particulière d'économie d'énergie,
3) quelle est la combinaison de mesures d'économie d'énergie la plus souhaitable.
Dans le Cas de CLIMHYBU, pour choisir entre les solutions Tout Climhybu et Optimisé :
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 4/7 UNTEC – JL BICHET
1) On peut choisir parmi un éventail de mesures d'économie d'énergie, celles qui permettront de réaliser le maximum d'épargnes par la réduction du coût global, par exemple entre un vitrage double ou triple pour les fenêtres. On pourrait aussi comparer le coût global d'une installation de chauffage solaire et une installation classique; on retiendra la solution qui réduit le coût global au minimum pour un niveau donné de confort.
2) Le calcul du coût global, appliqué à l'économie d'énergie, peut aussi servir à déterminer dans quelles proportions une mesure d'économie d'énergie doit être utilisée. S'il s'agit, par exemple, d'améliorer un bâtiment existant en isolant le vide sous comble, la valeur optimale de résistance thermique de l'isolant pour un indice donné de chauffage ou de refroidissement correspondra au point où le coût global est minimal.
3) L'économie d'énergie implique parfois l'application d'un ensemble de mesures. La meilleure combinaison peut être déterminée par l'évaluation des effets sur le coût global net qu'entraîne l'utilisation d'autres mesures d'économies d'énergie appliquées, puis en remplaçant les choix jusqu'à ce que chacun ait atteint le niveau au-dessus duquel sa contribution à la réduction des dépenses énergétiques par euro supplémentaire est égale à celle de toutes les autres solutions.
La réhabilitation des bâtiments - Le calcul du coût global peut faciliter le choix entre réhabiliter ou remplacer un bâtiment. Si l'on décide de réhabiliter celui-ci, le calcul peut alors servir à déterminer la méthode la plus rentable de réhabilitation, compte tenu de certaines contraintes de budget et de sécurité.
Difficultés d'application du coût global - Le calcul du coût global comporte plusieurs difficultés. Elles résident principalement dans l'évaluation des coûts, la disponibilité de données et la prévision.
Estimation des coûts - Le premier obstacle au calcul du coût global consiste en l'estimation des dépenses pendant la durée de vie. Il est beaucoup plus difficile d'évaluer les dépenses futures d'entretien (y compris les petites réparations et le remplacement) et d'exploitation que de déterminer le coût initial. Les dépenses d'entretien des installations et des bâtiments peuvent être partagées entre les dépenses «directes» et «indirectes». Les dépenses directes, occasionnées par l'entretien quotidien du bâtiment, sont beaucoup plus faciles à évaluer que les dépenses indirectes provoquées par l'achat de machines ou d'équipement destinés à réduire l'entretien. Les dépenses indirectes d'entretien peuvent aussi comprendre les pertes de revenus provenant d'une perte de production ou de service pendant une période d'interruption du fonctionnement des installations; ses dépenses sont difficiles à prévoir ou à évaluer.
Des circonstances telles que l'embargo sur le pétrole de 1973 et la hausse concomitante du prix du combustible vouent à l'échec tout effort pour estimer les dépenses d'exploitation des installations de chauffage et de refroidissement. Enfin, l'obsolescence, phénomène lié non seulement au changement technologique mais à la mode, peut aussi gêner l'estimation objective des dépenses d'exploitation.
Erreurs de prévision - La prévision des dépenses et des épargnes comporte une multitude d'erreurs dont la cause fondamentale est l'incertitude de l'avenir. Les erreurs de prévision peuvent s'inscrire dans deux grandes catégories: les erreurs de mesure et d'échantillonnage et les erreurs d'hypothèse. Les erreurs de mesure peuvent provenir de différences dans les unités de mesure, alors que les erreurs d'échantillonnage découlent du fait qu'un échantillon n'est peut être pas représentatif de sa population. Les erreurs de prévision peuvent aussi se produire à cause d'hypothèses mal fondées au sujet du taux d'actualisation, du taux
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 5/7 UNTEC – JL BICHET
d'inflation, de la durée de vie du bâtiment et des matériaux, de la période d'étude, de la périodicité des réparations et du remplacement, du glissement des prix de l'énergie, du taux d'obsolescence, de la durée économique et de la valeur de récupération. Dans la pratique courante le taux d'actualisation utilisé se confond avec le taux d'intérêt du marché de l'emprunt et on présume qu'il sera constant pendant la durée de vie du bâtiment; cette façon de procéder ne tient toutefois pas compte de la possibilité de variations dues à des changements de politiques monétaires et fiscales.
La prévision des taux d'inflation pendant une période de 30 à 40 ans contribue également aux erreurs. En général, la démarche utilisée dans l'étude du coût global ramène tous les coûts à une base commune. Ce faisant, on ne tient aucun compte des effets de l'inflation puisqu'on suppose que la dérive sera la même pour toutes les dépenses. Il est peu probable que le coût de la main-d'oeuvre, des matériaux et de l'énergie varie selon le même taux. Puisque les diverses dépenses (frais de premier établissement, entretien et exploitation) varient avec la main-d'oeuvre et les matériaux, on ne peut supposer que le même taux d'inflation s'appliquera dans chaque cas ou que les résultats qui en découlent comporteront la même marge d'erreur.
Il est également difficile de prévoir la durée de vie des matériaux et des éléments du bâtiment. En théorie, celle-ci peut être déduite à partir d'observations de la probabilité de défaillance. Dans la pratique toutefois, il est peu facile d'obtenir ce genre d'informations qui, de toute manière, ne contiennent habituellement aucune indication de la performance ou du nombre d'éléments ou de matériaux susceptibles de défaillance. De plus, la périodicité de es réparations et remplacements est difficilement prévisible.
Dans l’étude CLIMHYBU nous n’avons pas tenu compte, volontairement, de l’actualisation, afin de simplifier l’approche économique en coût global et omettre les risques d’erreurs.
Conclusion L'analyse du coût global est une méthode utile pour identifier les répercussions économique de diverses solutions d'un projet d'investissement à long terme. A l'heure actuelle, cette méthode est utilisée, sans réglementation et de manière propre à chaque économiste pour choisir le meilleur investissement dans le cas de la construction neuve et pour déterminer la faisabilité des choix pour l'amélioration de bâtiments existants. L'analyse du coût global exige toutefois la formulation d'hypothèses fondées sur d'importantes prévisions; il est par conséquent essentiel d'en bien saisir les limitations. L'utilité de cette méthode pourrait être améliorée par la création d'une banque de données collective et systématique sur les divers éléments du coût global.
source : CBD-212-F. Le bâtiment et le coût global,. A. S. Rakhra
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 6/7 UNTEC – JL BICHET
C – HYPOTHESE D’ETUDE EN COUT GLOBAL POUR CLIMHYBU
FORMULATION
C.G. = I +[(1+i)/(1+a)]D1 + [(1+i)/(1+a)]²D2 + .... + [(1+i)/(1+a)]n Dn + VR
C.G. = Coût Global actualisé
I = Investissement D1...Dn = Dépenses ou recettes des années 1 à n
i = Taux d'inflation a = Taux d'actualisation
n = Période de calcul en années VR = Valeur Résiduelle
LES DONNEES D’ENTREE
- le contexte économique et financier de l’opération immobilière, notamment le choix de ne pas prendre en compte l’actualisation des taux d’inflations,
- les données d’occupation et de confort,
- la description du système énergétique ( chauffage, éclairage, bureautique et ventilation, rafraichissement)
- la description des éléments du bâti liés aux systèmes énergétiques (isolation, vitrages, locaux techniques)
- la non prise en compte des composants du bâtiment liés à l’infrastructure et aux extérieurs du bâtiment
- les consommations d’énergie pour le chauffage, la ventilation, et le rafraichissement ou climatisation,
- la dépense d’investissement pour le système énergétique envisagé,
- la dépense d’investissement pour les éléments du bâti liés au système énergétique.
L’évolution du prix des énergies n’est pas pris en compte dans cette approche économique
CLIMHYBU PARTIE ECONOMIQUE Rapport Final
06/02/2012 7/7 UNTEC – JL BICHET
LE CALCUL DU COUT GLOBAL
Le coût global actualisé est la somme sur la durée d’utilisation, entre 10 et 50 ans, selon le cas, des :
- dépenses d’investissement des systèmes énergétiques et des éléments du bâti qui y sont liés,
- dépenses annuelles de conduite, d’exploitation et de maintenance,
- dépense de remplacement des équipements en fin de vie, les éléments à durée de vie indéfinie étant considérés comme remplacés à la fin de la période d’amortissement du bâtiment,
- dépenses annuelles d’énergie,
Toutes ces dépenses, sauf l’investissement initial, sont actualisées pour les ramener à l’année zéro où est réalisé l’investissement.
La valeur résiduelle en fin de période d'utilisation est à déduire du coût global. La valeur résiduelle d'un ouvrage d'une durée de vie de n années à la fin d'une période de calcul de N années est égale à la partie de la valeur de cet ouvrage qui correspond à la durée de vie qui lui reste à la fin de la période de calcul. Elle vient en déduction du coût global, à l'année de fin de la période de calcul. Elle se calcule en supposant le vieillissement constant dans le temps par la formule :
valeur résiduelle = valeur initiale x (durée restante) / (durée de vie totale) on détermine pour chaque durée d'utilisation et chaque durée de vie:
- l'année du dernier renouvellement intervenu à la fin de la durée d'utilisation :
si la durée de vie est supérieure à la durée d'utilisation, c'est 0, il n'y a pas encore eu de renouvellement
si la durée de vie est inférieure à la durée d'utilisation, c'est la dernière année de la durée d'utilisation
qui est un nombre entier de fois la durée de vie
- l'année du prochain renouvellement est l'année du dernier renouvellement + la durée de vie
- la durée de vie restante est égale à l'année du prochain renouvellement - la durée de la période de calcul
- la valeur résiduelle en % est égale au rapport de la durée de vie restante sur la durée de vie totale.
Exemple :
durée de la période de calcul 25 ans, durée de vie 10 ans il y aura deux renouvellements, à 10 ans et à 20 ans l'année du dernier renouvellement sera 20 ans le prochain renouvellement sera fait à 30 ans à la fin de la durée d'utilisation, il restera 30 - 25 = 5 ans de vie à l'ouvrage la valeur résiduelle représentera donc 5 ans / 10 ans soit 50 % de la valeur initiale
ANNEXE 5
APPLICATION DE LA DEMARCHE
DÉPARTEMENT ÉNERGIE SANTÉ ENVIRONNEMENT Division Energie – Pôle Performance Energétique des bâtiments
ESE/DE/PEB-10.068S
FEVRIER 12
CLIMHYBU
APPLICATION DE LA DEMARCHE
Emmanuel Fleury
Ce document est destiné à constituer le chapite 5 de l’outil de conviction
Introduction
La démarche Climhybu est décrite dans le chapitre 4 du présent guide. On en présente ici une application sur un exemple de bâtiment de 1000 m²
- en phase APS à l’aide des packs de solutions et de l’outil d’aide au choix des solutions1,
- en phases APD/DCE à l’aide du logiciel de calcul.
1 Guide de conception et de choix des solutions : partie 2, aide au choix des solutions
En phase APS, le choix des solutions comporte trois étapes successives :
- sélection des packs possibles compte tenu de la zone climatique et du nombre d’étage du bâtiment,
- choix du système de traitement d’ambiance en période chaude,
- optimisation technico-économique.
Le bâtiment
L’application est conduite sur un bâtiment de 1080 m² SHON, de quatre niveaux, situé en zone H1 puis en zone H3.
On considère l’environnement calme, de type périurbain pour la zone H1.
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ESE/DE/PEB-10.068S
Figure 1 : vue du bâtiment
Figure 2 : plan d’un étage courant
1. Application en zone H1
Phase APS
Etape 1 : Sélection des packs
Le bâtiment comportant 4 étages, les packs retenus correspondent à une façade de 6 étages (façades de 2, 6 ou 30 niveaux disponibles), située en zone H1.
Dans le cas de climatisation avec possibilité d’ouverture des fenêtres les résultats montrent peu de différence entre d’une part une façade nord et une façade sud et d’autre part une façade est et une façade ouest. En l’absence de climatisation, seule l’orientation sud présente des surchauffes un peu plus importantes que les autres orientations.
Ainsi, dans ce projet le choix est fait d’utiliser pour la suite l’orientation moyenne proposée dans les packs.
Il est entendu que ce choix est lié au projet : zone climatique, parcelle, taux de vitrage, volonté du maître d’oeuvre.
Etape 2 : Choix du système de traitement
Les résultats des packs sélectionnés sont les suivants.
Cas climatisé avec possibilité d’ouverture des fenêtres :
taux vitrage CH FR Ecl aux totales CH FR30% 3.2 0.1 17.6 6.7 28 13 2250% 5.9 0.3 13.4 6.9 27 16 2470% 8.2 0.8 11.3 7 27 19 28
consommations kWhep/m² Puissance W/m²
Cas non climatisé avec possibilité d’ouverture des fenêtres :
taux vitrage CH FR Ecl aux totales CH FR30% 0.2 0 17.4 6.7 27 13 050% 5.9 0 13.2 6.8 26 16 070% 8.2 0 11.1 6.9 26 19 0
consommations kWhep/m² Puissance W/m²
taux vitrage 26 _ 28 28 _ 30 >3030% 63 4 050% 64 16 070% 118 40 3
heures d'inconfort pour Tiop
Cas climatisé sans possibilité d’ouverture des fenêtres :
taux vitrage CH FR Ecl aux totales CH FR30% 3.2 7.1 18.8 7.8 37 13 2750% 5.8 9.4 13.9 8.3 37 16 3270% 8.1 12.2 11.6 8.6 41 19 36
consommations kWhep/m² Puissance W/m²
Compte tenu des résultats il est envisageable de ne pas climatiser à condition de limiter la surface des baies à 50%.
Un taux de 50% de vitrage est retenu dans cet exemple dans la mesure où 30% conduisent à des consommations un peu supérieures sans améliorer le confort de façon sensible.
Etape 3 : Optimisation
A titre d’illustration il est proposé de décrire la démarche pour un objectif annuel de 50 kWhep/m², la méthode permettant de faire évoluer le projet. Pour passer d’une consommation totale inférieure à 30 kWhep/m² à 50 kWhep/m² il est proposé :
- Isolation des parois au niveau base avec un traitement des ponts thermiques de façon à garder une enveloppe homogène,
- Inertie moyenne,
- Perméabilité de niveau base,
- Rendement de l’échangeur du système double flux au niveau base,
- Eclairage, il est proposé deux niveaux de puissance compte tenu de son
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impact : un niveau intermédiaire et le niveau CLIMHYBU. La gestion reste de niveau CLIMHYBU dans les deux cas.
L’impact des choix est donné dans le tableau ci-dessous.
Impact des solutions choisies
Conso Confort Réduction coût
isolation + 5 à 8 kWh/m²
- importante
inertie faible baisse très importante
moyenne
perméa + 5 à 8 kWh/m²
- moyenne
échang faible - moyenne
Eclairage inter
+ 2,5 kWh/m²
impact faible
importante
Grâce au concept Climhybu, le choix d’un bâtiment non climatisé a été possible.
Il faut noter que les choix faits ici ne sont que des exemples parmi ceux qui peuvent être fait par le concepteur.
Phase APD
Les données disponibles sur le projet en permettent une modélisation fine à l’aide du « Module de calcul ».
Cas « tout CLIMHYBU »
Consommations kWhep/m²
totales CH FR Ecl Aux
23,4 5,0 0 12,1 6,4
Confort : Tiop
26 _ 28 28 _ 30 >30
134 28 3
Cas « projet »
Consommations pour l’éclairage intermédiaire : 10W/m².
Consommations kWhep/m²
totales CH FR Ecl Aux
49,1 23,4 0 18,9 6,8
Confort : Tiop
26 _ 28 28 _ 30 >30
171 42 18
Consommations pour l’éclairage CLIMHYBU : 8W/m².
Consommations kWhep/m²
totales CH FR Ecl Aux
46,1 24,2 0 15,1 6,8
Confort : Tiop
26 _ 28 28 _ 30 >30
167 43 17
L’éclairage de niveau CLIMHYBU agit peu sur le nombre d’heures d’inconfort, son utilisation étant sans doute réduite en cours de journée par la régulation.
Une voie de réduction des dépassements de température est d’augmenter l’inertie du projet. Avec inertie lourde on obtient les résultats suivants :
Confort : éclairage 8W/m² et inertie lourde
26 _ 28 28 _ 30 >30
117 25 3
Finalement le projet est le suivant :
- Isolation des parois au niveau base avec un traitement des ponts thermiques,
- Inertie lourde,
- Perméabilité de niveau base,
- Rendement de l’échangeur du système double flux au niveau base,
- Eclairage, 8W/m²,
- Surventilation sans climatisation.
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ESE/DE/PEB-10.068S
Approche simplifiée en coût global
L’approche en coût global est une approche simplifiée dans la mesure où elle ne prend en compte dans l’investissement que l’enveloppe, l’éclairage et les systèmes énergétiques.
La durée du calcul est de 30 ans, le taux d’actualisation est égal à 4% et le taux d’inflation 2%. Le calcul est conduit en euros courants. Les résultats sont les suivants.
[keuros] CLIMHYBU Projet
investissement 1 700 1 600
maintenance 1 480 1 410
exploitation 370 400
V résiduelle 700 670
Coût global 2 850 2 740
L’approche en coût global apporte un éclairage complémentaire au calcul énergétique.
Compte tenu des choix effectués il y a une différence de coût global de l’ordre de 4% entre le cas Climhybu et le projet.
Ici, la marge disponible sur les consommations ne permet pas de réduire sensiblement le coût global, compte tenu des poste fixes entrant dans l’exploitation.
In fine, et sur cet exemple, le choix du maître d’ouvrage reposera également sur sa sensibilité aux économies d’énergie.
2. Application en zone H3 bruyante
Phase APS
Etape 1 : Sélection des packs
Le bâtiment comportant 4 étages, les packs retenus correspondent à une façade de 6 étages (façades de 2, 6 ou 30 niveaux disponibles), située en zone H3.
Dans le cas de climatisation sans possibilité d’ouverture des fenêtres les résultats montrent des différences un peu plus marquées qu’en zone H1 entre d’une part une façade nord et une façade sud et d’autre part une façade est et une façade ouest. En l’absence de climatisation, les
surchauffes sont très différentes d’une orientation à l’autre.
Toutefois, dans ce projet le choix d’utiliser pour la suite l’orientation moyenne proposée dans les packs est également fait, la climatisation semblant nécessaire.
Il est entendu que ce choix est lié au projet : zone climatique, possibilité de la parcelle, taux de vitrage, volonté du maître d’oeuvre.
Etape 2 : Choix du système de traitement
Les résultats des packs sélectionnés sont les suivants.
Cas climatisé avec possibilité d’ouverture des fenêtres :
taux vitrage CH FR Ecl aux totales CH FR30% 0.1 5.7 16.3 7.3 29 10 2950% 0.1 7 11.5 7.5 26 13 3370% 0.2 8.8 9.5 7.7 26 15 37
Puissance W/m²consommations kWhep/m²
Cas non climatisé avec possibilité d’ouverture des fenêtres :
taux vitrage CH FR Ecl aux totales CH FR30% 0.1 0 14.7 6.5 21 10 050% 0.1 0 10.7 6.5 17 13 070% 0.2 0 8.9 6.6 16 15 0
consommations kWhep/m² Puissance W/m²
taux vitrage 26 _ 28 28 _ 30 >3030% 300 153 1850% 287 168 3770% 325 197 79
heures d'inconfort pour Tiop
Cas climatisé sans possibilité d’ouverture des fenêtres :
taux vitrage CH FR Ecl aux totales CH FR30% 0.1 17.2 17.8 8.4 44 10 3150% 0.1 21.4 12.2 8.9 43 13 3770% 0.2 26.3 9.9 9.4 46 15 42
consommations kWhep/m² Puissance W/m²
Compte tenu des résultats et de la situation en zone de bruit, il n’est pas envisageable de ne pas climatiser quelle que soit la surface des baies.
Un taux de vitrage de 50% est retenu. Toutefois, dans cet exemple 30% conduisent à des consommations un peu supérieures mais avec des puissances de génération réduites. Un calcul fin pourrait être mené compte tenu du parti architectural retenu.
Etape 3 : Optimisation
A titre d’illustration il est proposé de décrire la démarche pour un objectif
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ESE/DE/PEB-10.068S
annuel d’environ 50 kWhep/m², la méthode permettant de faire évoluer le projet. Compte tenu des consommations de l’exemple les actions possibles doivent avoir un impact faible sur les consommations, en revanche il reste possible d’agir sur les coûts. Il est alors proposé :
- Isolation des parois au niveau base sans traitement des ponts thermiques,
- Inertie moyenne,
- Perméabilité de niveau base,
- Rendement de l’échangeur du système double flux au niveau base,
- Ici, l’éclairage reste au niveau Climhybu.
L’impact des choix est dans le tableau ci-dessous. Impact des solutions choisies
Consommations
Réduction coût
isolation faible importante
ponts th faible moyenne
inertie faible moyenne
perméa faible moyenne
échang faible moyenne
Le choix d’un bâtiment climatisé est réalisé.
Les choix faits ici ne sont qu’un exemple parmi ceux qui peuvent être fait par le concepteur.
Phase APD
Les données disponibles sur le projet en permettent une modélisation fine à l’aide du « Module de calcul ».
Cas « tout CLIMHYBU »
Consommations kWhep/m²
totales CH FR Ecl Aux
49.3 0,6 23,9 12 12,8
Puissances W/m²
CH FR
4,6 23,8
Cas « optimisé »
Consommations kWhep/m²
totales CH FR Ecl Aux
51.1 8.9 16.8 12.8 12.7
Puissances W/m²
CH FR
17.3 38.5
Ainsi, le projet est le suivant :
- Isolation des parois au niveau base sans traitement des ponts thermiques,
- Inertie moyenne,
- Perméabilité de niveau base,
- Rendement de l’échangeur du système double flux au niveau base,
- Eclairage, 8W/m²,
- Climatisation sans surventilation.
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Approche simplifiée en coût global
Les résultats sont les suivants.
[keuros] CLIMHYBU Projet
investissement 1 750 1 650
maintenance 1 680 1 610
exploitation 395 400
V résiduelle 760 730
Coût global 3 065 2 930
Dans cet exemple, le projet est proche en termes de consommation du niveau Climhybu. La réduction du coût global ayant été obtenue en travaillant les postes d’impact énergétique faible.
ANNEXE 6
SYNTHESE DE L’EXPERIMENTATION
Synthèse de l’expérimentation
Phase 1 Novembre 2008
Les objectifs de la phase 1 de l’expérimentation sont les suivants :
• Vérifier la pertinence générale de la méthodologie Climhybu • Obtenir un avis « critique » sur les fiches descriptives • Détailler la méthodologie et les solutions techniques mises en pratique
sur 2 projets visant des niveaux performants Pour cela, un bureau d’études HQE, OASIS, a été interrogé. Il était préférable pour cette phase 1 de faire appel à un BET expérimenté pour avoir un maximum de retours. 1 – Validation des concepts CLIMHBU Lors de l’interview du BET, certains principes ont été mis en évidence, qui permettent de valider les concepts du projet :
• Le dimensionnement des installations de chauffage et de refroidissement doit se faire avec des logiciels de simulations dynamiques afin de réduire les puissances installées et donc les coûts d’investissement. Cette pratique n’est actuellement pas courante, car le BET est garant du bon dimensionnement des installations à travers son assurance. Il est donc nécessaire d’obtenir du maitre d’ouvrage une lettre de décharge.
• La surventilation demande une attention particulière car pour être efficace, il faut de l’inertie tout en limitant les risques d’intrusion. Ce type d’installation peut être envisagée si elle est naturelle mais elle est à éviter si elle est mécanique (problème de consommations électriques des auxiliaires).
• La climatisation peut être évitée mais certains critères doivent être étudiés avec attention : nombre d’heures consécutives au delà de 26°C et au delà de 28°C. La notion de Tic ne semble pas adaptée pour expliciter le confort d’été.
• Il est possible de réduire les coûts d’investissement tout en augmentant la performance énergétique d’un projet, notamment en travaillant sur la surface vitrée.
2
2 – Retours sur les fiches descriptives De manière générale, il a été indiqué que ces fiches peuvent servir d’outil de communication entre le BET et le maitre d’ouvrage, puisqu’elles décrivent de façon claire et précise des systèmes techniques performants. Il a été conseillé :
- D’insérer les fiches dans un guide avec une introduction expliquant les principes de conception énergétique performante.
- De réaliser une fiche sur l’impact du pourcentage de surface vitrée des bâtiments et notamment de leurs impacts techniques et économiques.
Des remarques ont permis de compléter les fiches. 3 – Description de 2 opérations performantes Immeuble de bureau neuf en région parisienne o 11.000 m² à Vélizy o Niveau visé : Cref-50% + DPE en classe A + démarche HQE o Solutions envisagées pour atteindre ces niveaux : façade innovante ventilo-
respirante (encore en étude) ; énergie pour chauffage et climatisation pas encore définie ; plafonds rayonnants réversibles ; ventilation double-flux ; éclairage 350 lux/m² ; photovoltaïque
Immeuble de bureau réhabilité à Lyon o 10.000 m² à Lyon o Niveau visé : Cref-50% + consommations inférieures à 45kWhep/m².an +
démarche HQE o Solutions envisagées pour atteindre ces niveaux : isolation par l’extérieur ;
énergie pour chauffage et climatisation avec PAC sur nappe ; plafonds rayonnants réversibles ; ventilation double-flux ; éclairage 350 lux/m² ; photovoltaïque
Ces 2 opérations ont pour objectif d’être des projets démonstrateurs et feront sans doute l’objet de communication. Les contraintes budgétaires sont donc limitées.
1 NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3
CLIMHBU Synthèse de l’expérimentation
Phases 2 et 3 mai 2010
1. Préambule L’expérimentation du projet Climbybu a consisté à tester sur 4 projets de bureaux en cours de conception :
-‐ Les principes -‐ Les outils mis à disposition (Guide et ses annexes ; Utilitaire ; Logiciels)
Les échanges se sont faits avec 4 bureaux d’études (HQE/thermique/Fluides) qui avaient soit des missions de maitrise d’œuvre soit des missions d’Assistance à Maitrise d’Ouvrage (AMO). Pour une plus grande représentativité des projets, les tests ont été conduits sur des constructions neuves et une réhabilitation lourde et sur des bâtiments situés sur l’ensemble du territoire métropolitain français, avec des contextes climatiques différents (Ile de France, Toulouse, Corse). Synthèse des projets étudiés : Interlocuteur Maitre d’ouvrage SHON (m²) Lieu Type Green Affair Bowfonds Marignan 13.000 Montreuil (93) Construction Etamine EDF 3700 Corse Réhabilitation Ginger CFA promotion 9800 Toulouse (31) Construction Tribu Energie Plaine St-‐Denis 1600 Saint-‐denis (93) Construction
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 2
2. Construction de 13.000m² de bureaux à Montreuil (93)
2.1. Fiche d’identité L’interlocuteur sur ce projet était l’AMO HQE du projet GreenAffair. Lors de la réunion de lancement fin septembre 2009, la maitrise d’ouvrage (Bowfonds Marignan et Spie Batignolles Immobilier) a assisté à la réunion, en insistant sur son intérêt de disposer d’un outil de conception intégré dans un logiciel qui permet aussi de réaliser le calcul réglementaire afin de réduire le temps de saisie de projets et donc de diminuer les coûts d’étude. Le projet est réalisé par de la promotion privée à des fins commerciales (location/vente). Le Maitre d’ouvrage ne veut en aucun cas faire de concessions sur le dimensionnement des installations CVC pour optimiser les consommations énergétiques du projet, il veut être à l’abri des plaintes éventuelles de futurs acquéreurs. Le tableau ci-‐après résume les principales caractéristiques du projet.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 3
2.2. Retours sur le guide et ses annexes Version testée : V1
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 4
Le guide : Il faut expliquer en début de guide, que les codes indiqués dans celui-‐ci correspondent aux codes des fiches car ce n’est pas très explicite. Certains chapitres ne sont pas explicites comme les différents types d’isolation des murs, il manque des tableaux de critère de choix. L’objectif du guide n’est pas de faire uniquement du descriptif mais d’être un outil d’aide à la décision. Confère le tableau de comparaison pour la ventilation. Il faut également indiquer les effets collatéraux sur les autres postes : acoustique / incendie / prix… De même pour les vitrages, ce n’est pas assez concret. Les annexes : Les fiches utilisées seules ne sont pas assez fonctionnelles, il manque des informations sur la conception globale. A partir du moment où elles sont intégrées dans le guide de conception cela va, mais elles ne doivent pas être diffusées seules. Le paragraphe « algorithmes » est superflu pour la plupart des lecteurs. Il manque des liens internet vers des sites internet ou des outils pédagogiques, tel que energie+. Il manque des informations sur les effets collatéraux des solutions et notamment sur leur impact avec d’autres réglementations (acoustique ; incendie ; accessibilité …) Il manque une fiche sur les façades double-‐peau. La fiche GTB n’est pas compréhensible pour un novice, il faut la rendre plus accessible. Afin que les recherches d’informations à travers les fiches soient plus facile, un site internet pourrait être envisagé.
2.3. Retours sur l’utilitaire Version testée : V1 Il y a une erreur, quand on clique sur « valider » l’utilitaire se ferme. Les puissances de chaud et surtout de froid semblent très faibles, faire une étude de cohérence avec des projets. A quoi servent les cases à cocher à droite. Si elles n’ont pas d’impact sur le calcul, il vaut mieux les enlever. Cet utilitaire pourra être diffusé à des maitres d’ouvrage et des architectes pour faciliter les discussions entre les AMO et ces intervenants, et pour leur montrer les grandes sensibilités. ATTENTION au public visé par cet outil. Il ne faut pas que les personnes pensent faire de la thermique à l’aide de cet outils d’aide à la décision. Certains maitres d’ouvrages sont curieux et vont sans doute l’utiliser et ensuite poseront des questions à leurs AMO. Attention, car la partie inférieure de l’utilitaire n’est pas très compréhensible au premier abord, il faut diffuser cet utilitaire avec une première démonstration ou un feuillet explicatif. Les chiffres obtenus en haut sont très utiles, les smileys plus difficiles d’approche. Pour les bureaux d’études de maitrise d’œuvre, un AMO peut difficilement leur transmettre directement car ils peuvent être vexés par la simplicité de l’outil. Il serait cependant utile d’avoir un site internet de téléchargement avec l’ensemble des outils Climhybu. L’AMO pourrait alors indiquer de façon générale au BET le lien en lui disant qu’il y a plusieurs documents utiles.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 5
2.4. Retours sur le logiciel Version testée : V1 Compte-‐rendu de Green Affair : Le module ClimHybu intégré au logiciel Climawin développé par BBS est un outil permettant d’intégrer de nouveaux paramètres inhérents à l’optimisation des consommations énergétiques des bâtiments de bureaux. Il est possible d’intervenir sur la ventilation naturelle, la gestion des protections solaires, le puits climatique etc. Dans ce sens, l’outil est pertinent en vue de développer des solutions alternatives aux modes de chauffage et climatisation traditionnels. Toutefois, ces nouvelles possibilités de simulation sont peut être trop avancées vis-‐à-‐vis des techniques employées aujourd’hui et des offres industrielles disponibles. Par exemple, les matériaux à changement de phase restent très peu développés et les techniques de puits climatiques ne sont pas immédiatement applicables pour des bâtiments de bureaux. Il semble que d’autres domaines d’amélioration, plus accessibles, peuvent avoir un impact immédiat sur les consommations des bâtiments de bureaux. Dans son ensemble, le module reste facilement accessible car il s’appuie sur les modèles déjà réalisés sous Climawin. La prise en main est donc simplifiée et il n’y a pas de compétences techniques supplémentaires à maîtriser pour utiliser le logiciel. Cependant, de manière ponctuelle, certains paramètres restent difficilement abordables et une valeur par défaut pourrait être proposée afin de limiter les risques d’erreurs. De même, certains libellés ne permettent pas de comprendre facilement le type d’information attendue et pourraient être expliqués de manière plus précise. La série de tests effectuée sur le logiciel a permis de montrer l’efficacité de certains paramètres d’étude, mais également les nombreux problèmes rencontrés. En effet, il semble que le logiciel connaisse encore de nombreux bugs. Ces problèmes sont listés dans la suite du document. Malgré plusieurs échanges avec BBS, ces problèmes n’ont pas trouvés de réponses immédiates et devront être traités par la suite. Cela est également le cas pour l’interface entre le module Climawin et l’utilitaire. Là aussi de nombreux problèmes apparaissent : Messages d’erreurs, mauvaise prise en compte de certains paramètres etc. Le principe d’échange entre ces deux outils semble fonctionner mais demande une amélioration afin d’être parfaitement fiable. Remarques générales L’ensemble des remarques suivantes ont pour but de présenter un point de vue utilisateur du logiciel et de participer à l’amélioration du module afin d’optimiser son utilisation notamment la saisie des données d’entrées et la présentation des résultats. Saisie des données La plupart des données à saisir dans le module restent compréhensibles et techniquement accessibles pour l’utilisateur, cependant, quelques données demandent des connaissances particulières : Matériaux à changement de phase, puits climatique, solaire photovoltaïque. – Pour la saisie de ces systèmes, une bibliothèque de données ou quelques exemples et valeurs usuelles peuvent être pertinentes. Certains libellés d’onglets ne sont pas clairs et doivent être expliqués de manière précise.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 6
Certaines valeurs saisies par défaut dans les onglets sont incohérentes. – Saisir des valeurs par défaut cohérentes permettrait d limiter les risques d’erreurs importantes lors des simulations. Présentation des résultats Les différents onglets reprenant l’ensemble des résultats permettent une navigation aisée, cependant malgré une organisation des onglets précises, de nombreuses informations se retrouvent dans plusieurs onglets et deviennent redondantes. Cela ne facilite pas la compréhension des résultats.
• Certaines informations pourraient être regroupées, notamment les consommations. • Certains onglets ont une présentation peu pertinente et n’apportent pas de valeur ajoutée. • Le nombre d’onglet peut être réduit. • Les unités employées ne sont pas toujours correctes. Certains onglets n’ont pas d’unités. • Les consommations de ventilation et autres n’apparaissent pas dans les graphiques. • Il n’est pas possible de modifier la taille des différentes fenêtres. • Les fonctionnalités d’exportation ou d’impression des résultats etc. ne fonctionnent pas.
La forme de présentation des résultats est certainement à retravailler mais la pertinence même des valeurs obtenues peut être également remise en cause. En effet, certains résultats sont quelques fois surprenants. Dans la partie suivante, l’analyse détaillée des simulations permet de revenir de manière plus précise sur l’ensemble des remarques effectuées dans cette partie. Les remarques spécifiques sont indiquées en annexes 1 et 2.
7 NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3
3. Réhabilitation lourde de 3000m² en Corse
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 8
3.1. Fiche d’identité
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 9
3.2. Retours sur le guide et ses annexes Version testée : V1 Le guide :
Remarques générales
Certains termes à clarifier pour permettre une meilleure compréhension Guide de conception générale intéressant car pose à plat les grandes questions de conception, mais n'apporte pas assez d'éléments de réponse Organisation générale du guide à améliorer pour faciliter la compréhension (sommaire...)
Quel public ? Utilisation de l'outil à quelle(s) phase(s) ?
L'outil peut être à l'attention de : Maîtrise d'ouvrage, jeunes ingénieurs, … ; pour pouvoir vraiment s'adresser à ce public, certains termes doivent être simplifiés / expliqués ; Outil intéressant pour les phases de programmation, d'esquisse, voire d'avant-‐projet
Outil facile à prendre en main ? Le guide est intéressant lorsqu'il est lu du début à la fin, donc assez lourd à utiliser
Analyse sur le fond p 2 : "diminution des besoins de froid : réduction des apports de chaleur en été, utilisation de l'inertie du bâtiment" => ajouter le rôle de l'air frais extérieur à ce niveau ; pourquoi le mettre séparément ?
P 6 : définir le terme "rafraichissement" "selon l'importance des postes de consommations" : et notamment en fonction du climat "bureautique : choix de matériel performant" : + selon le cas rédaction d'un cahier des charges preneurs contraignant "accroitre le FLJ, tout en faisant attention aux éblouissement" : et au taux de surface vitrée chauffage : pourquoi restreindre la performance aux seuls COP ? Cela met de côté : chaudière bois, géothermie, ........ VMC : pourquoi restreindre au DF ? SF envisageable selon les cas LED : attention à la qualité de la lumière émise climatisation : GWP : à définir, et pourquoi mis seulement ici et pas en chauffage ? ; parler du rafraichissement ?
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 10
p7 : qu'entendez-‐vous par "utilisation d'énergie fossile ?" colonne "action à mener avec le BET" => dès APS (voire esquisse) pour ce qui est marqué en APD. Uw et Sw à "vulgariser" (explication très succincte) Chauffage : présenter de manière à ce que l'on comprenne que : plus le Ubat est petit, plus faibles sont les consommations d'éclairage
p8 : on parle de rafrachissement associé à "système thermodynamique", or p 6 il semblait qu'il s'agissait d'un rafraichissement passif en opposition à de la climatisation : ?
p 9 : principe de climatisation hybride : pourquoi y faire apparaître le "recours aux installations photovoltaïques" ?
Analyse sur la forme Organisation du guide : sommaire à ajouter ; numérotation des parties à revoir, on s'y perd facilement quand on a un "2.3" par exemple en plein milieu du doct, on ne sait pas forcément dans partie à laquelle on se réfère
la mise en page / police etc. pourrait être plus attractive pour une lecture plus agréable, avec des points qui accrochent avec une mise en valeur des points essentiels
Pour information, un certain nombre de fautes d'orthographe disséminés dans le texte
Partie 1 -‐ conception globale du bâti p 12 : pour la géométrie, ajouter l'impact sur la compacité et donc sur les déperditions p 13 : orientation : on aurait tendance à retenir du paragraphe que l'orientation n'est pas un critère important si on a des bonnes prestations ; or, si globalement l'impact n'est pas sensible au niveau des consommations, cela a au moins un impact financier (par exemple, plus cher de protéger du rayonnement solaire des façades ouest que si la façade est au sud) qu'il serait judicieux de mentionner
p 14 : géométrie : -‐ compacité : conclure sur le 2ème bâtiment qui est plus compact ; -‐ impact des planchers extérieurs : à expliciter, pas clair pour un novice ; -‐ dernier paragraphe du 1.2 : la conclusion n'est pas très claire : besoins de chauffage réduits, mais besoins de froid importants, donc compacité pas forcément un critère recherché
p 15 : protections diffusantes : attention aux risques d'éblouissement "éclairage artificiel : ces apports permettent de réduire dans une certaine mesure les consommations de chauffage" : il y a un risque de confusion pour un novice : bien préciser qu'il s'agit d'électrique direct et que c'est donc très défavorable (par rappord à une PAC pour le chauffage par exemple)
p 16 : surventilation : préciser s'il s'agit d'une surventilation naturelle, mécanique… A clarifier dès le début PV : présenté uniquement pour une utilisation par le bâtiment, pas pour une revente et réinjection sur le réseau ? p 18 : tableau 2 : il serait intéressant d'avoir une indication de prix (amorphe moins bon rendement, plus de surface, mais moins cher...) utilisation en verrière : indiquer dans ce cas l'utilisation de bi verre ? p 21 : la solution faux plafonds ouverts mériterait d'être abordée p 23 : tableau : indiquer clairement la différence entre les 3 types de parois verticales (ITI, ITE, ITR ?) ; pourquoi plusieurs valeurs pour le niveau Climhybu ? p 25 : contrôle solaire : associés à des stores intérieurs, c'est une solution intéressante lorsque des protections solaires extérieures ne sont pas envisageables ; attention, diminution de la transmission lumineuse par rapport à des vitrages clairs, et réduction des apports solaires gratuits
p 26 : "plusieurs solutions sont proposées" : sous entendu dans les solutions climhybu ? pour l'utilitaire ? ce n'est pas clair 1 : "protection extérieure" : quel type ? fixe, mobile, ...? U : préciser "Uw"
p 27 : remplacer "masque proche" par casquette ? "simulations effectuées" : s'agit-‐il de calcul réglementaire ou de STD ? les conclusions annoncées sur le taux optimal de surface vitrée ne dépendent-‐elles pas du climat ? p 28 : est-‐ce que "sans surventilation" signifie "climatisé" ?
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 11
p 29 : attention, le terme "surventilation" peut également être utilisé pour parler de surventilation mécanique ; définir ce terme en amont pour éviter toute confusion ; au début de la page, il est fait état uniquement de ventilation naturelle avec ouvertures en façade, or ensuite on parle également de surventilation mécanique... Le décalage temporel dans les pics de température est possible grâce à la surventilation, mais également grâce à l'inertie (densité) ; ce couplage entre les 2 n'est pas évoqué.
p 30 : grilles : attention à l'étanchéité à l'air et à la performance thermique de ce genre d'éléments
p 31 : pourquoi la sur ventilation permet-‐elle une diminution des consommations de chauffage ? De manière générale, pour la sur-‐ventilation, aborder les problématiques de protections à la pluie, aux insectes, aux intrusions, ... ; ventiler naturellement pose un certains nombre de problèmes, notamment la nuit, qu'il est important d'intégrer en amont
Partie 2 -‐ conception globale des systèmes p 33 : pourquoi éolien, cogénération, … non traités dans Climhybu ? Etude de faisabilité : à noter que ces études, lorsqu'elles sont demandées, ne sont que très rarement utilisées… p 34 : CE1 / CE2, zones climatiques : peut-‐être mettre un rappel succinct des définitions pour les novices p 36 : définition de refroidissement, rafraichissement, climatisation à mettre beaucoup plus en amont du guide pour une meilleure compréhension et clarté p 37 : remplacer "apports gratuits" par "apports internes" car il peut s'agir d'éclairage par exemple La définition de la décentralisation n'est pas claire, on a tendance à comprendre que le chaud et le froid sont produits par un seul et même appareil. Par exemple : "la chaleur est produite par un seul et même appareil ; il en va de même pour le froid"
p 38 : panneaux rayonnants sous-‐entendus électriques ? quelle différence entre "SF ou DF" et "SF + DF" ? fréon / fluide frigorigène => être cohérent entre les deux p 39 : contraintes DF : ajouter la consommation plus importantes des ventilateurs ; ces éléments n'ont peut-‐être pas exactement leur place ici, mais il est nécessaire d'en parler à un endroit donné
p 40 : à nouveau commentaire concernant l'éclairage qui réduit dans une certaines mesure les besoins de chauffage ; préciser, car pourrait faire croire que c'est intéressant (électrique direct, donc tout sauf performant). En plus de la puissance installée et du mode de gestion, la consommation d'éclairage est également fonction de l'éclairage naturel ; mettre plus en avant dès le début du paragraphe l'importance de l'éclairage naturel (on a l'impression en lisant le paragraphe qu'il s'agit du paragraphe "éclairage artificiel" et non d'une introduction plus générale) Eclairage naturel : ne pas mettre "ou" mais laisser d'autres possibilités ("etc.) ; + second jour si circulation sur extérieur, faux plafonds ouverts permettant de monter les vitrages plus en hauteur, ...
p 41 : "on propose plusieurs solutions dans le cas de l'éclairage artificiel" : que veut dire "on propose" ? dans les packs de solution ? ce n'est pas clair tout en bas : répétition de "complément"
p 42 : "2 niveaux de gestion" : un cas intermédiaire aurait peut-‐être son intérêt ? pourquoi en haut on parle de 2 niveaux de gestion et en bas on en décrits plusieurs ? p 44 : imprimantes : en conclure qu'il faut travailler à ce que les veilles soient évitées au maximum ; les imprimantes partagées ne peuvent-‐elles pas devenir intéressantes à partir d'un certain seuil de nombre de personnes ? p 45 : mettre à jour les tarifs avec le dernier arrêté p 46 : pour le tableau même remarque que p 18 Comment faites-‐vous la séparation entre ce que vous mettez dans la partie 1 et dans la partie 2 ? Ca se recoupe beaucoup au niveau du PV
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 12
Partie 2 (3 ?) : aide au choix des solutions
p 49 : cette partie correspond-‐elle à une description de l'utilitaire ? Dans ce cas l'indiquer clairement dès le début Notion de "pack" non comprise en première lecture (et toujours pas claire après plusieurs lectures). Que veut dire "l'utilisateur choisit un pack de solutions "bati"..." ? Ne serait-‐il pas plus simple de dire "l'utilisateur choisit les solutions "bati"..."? Que veut dire "l'utilitaire affiche le pack correspondant en retour" ? Pourquoi parler de "pack" ? pack de solution = bibliothèque de solution ? Si c'est le cas, pourquoi ne pas simplifier le vocabulaire et parler le bibliothèque ? (je m'attendais à ce que "pack" correspondent à un groupe de solutions, et que le choix doive se faire entre plusieurs groupes de solutions) La bibliothèque de solution dont il est fait question : quelle différence avec les packs ? plus complet ?
p 50 : "le pack donne le nombre d'heures d'inconfort" : en fait il semblerait que le pack corresponde à la solution une fois qu'on a choisi tous les caractéristiques ; est-‐ce bien cela ? Les tirets correspondent aux critères d'évaluation ? Ce n'est pas clair, ce paragraphe mériterait d'être plus structuré
p 51 : on comprend maintenant ce qu'est un pack : c'est un ensemble de solutions que l'on choisit soi-‐même, et qui concerne le bâti ; défini par type, zone climatique, orientation, traitement de l'ambiance, taux de surface vitrée. Cela mériterait vraiment d'apparaître plus en amont. Et répète un peu ce qu'il y avait avant.
p 53 : nouvelle définition d'un pack : en fait, il s'agit de l'utilitaire avec toutes les informations à l'intérieur... "systèmes" définis comme des "composant du bâti" ? "les solutions climhybu" : la phrase laisse à penser qu'il s'agit de toutes les solutions présentées, or je ne pense pas que ce soit le cas ; ensuite, on parle de "pratique climhybu" : encore une nouvelle dénomination... D'après la dernière phrase : les packs correspondent-‐ils à ce qui est entré en programmation à l'intérieur du logiciel pour que quand on effectue les choix des caractéristiques l'utilitaire puisse afficher les résultats ? dans ce cas, est-‐ce qu'il est utile que l'utilisateur en soit "conscient" ?
p 56 : caractéristiques (tableau des parois) à mettre dans l'aide de l'utilitaire ? Ou alors l'utilitaire a pour objet de ne pas du tout être technique ?
p 57 : L'efficacité globale dans le tableau correspond-‐elle aux valeurs proposées par défaut de l'utilitaire ? L'efficacité de 0.8 pour les radiateurs parait faible (0.9 ?) L'efficacité des émetteurs ne semble pas être prise en compte ; pourquoi a-‐t-‐on les mêmes valeurs lorsqu'il s'agit d'un plancher, de ventilo convecteurs, ou de poutre à eau ? L'efficacité d'un réseau de chaleur dépend complètement du réseau considéré ; à quoi correspond la valeur prise ?
Remarques générales
Le vocabulaire utilisé mériterait à être défini très clairement en amont du guide : -‐ "climhybu" (boite à outil), "niveau climhybu" (solutions retenues pour un projet "optimal" ?), "concept Climhybu" (approche globale associant conception bioclimatique, utilisation énergies renouvelables extérieures, installations techniques efficaces et bien gérées...), "bâtiments climhybu" (avec niveau climhybu ?), "pratique climhybu", ... -‐ pack de solutions, solutions, ... Tous ces termes ne sont peut-‐être pas nécessaires, ils compliquent et embrouillent rapidement le lecteur. La conception est déjà compliquée, ça ne va pas dans le sens de la simplification !
Globalement, il s'agit d'un guide de bonne conception de bureaux, avec mise en valeur de la Vnat etc., et avec des bonnes pratiques ; le terme "climhybu" a finalement tendance à compliquer ; pourquoi ne pas parler simplement de "bonnes pratiques" et de solutions "optimisées" ?
les parties 1 et 2 se recoupent parfois (PV par exemple) ; distinction à faire de manière plus claire ? La présence d'un commaire aidera également à la compréhension
Dans le guide, il est fait état de beaucoup de problèmes, d'intéractions pas évidentes à gérer conjointement, de compromis à avoir etc., ce qui est logique car il n'y a pas une réponse toute faite à donner. Cependant, de manière générale, le guide décrit tout cela sans donner vraiment les clefs pour réaliser les choix : par exemple, concernant les protections solaires, le guide décrit qu'il y a beaucoup de paramètres à prendre en compte dans le choix, qu'il existe tels et tels types de protections solaires, mais nulle part (sauf erreur) il est par exemple conseillé de privilégier des protections extérieures lorsque c'est possible, de privilégier des protections mobiles pour ne pas dégrader l'éclairage naturel, etc etc.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 13
Les fiches en annexe : Il est Intéressant d’avoir les solutions listées sous forme de fiches. -‐ identifier plus clairement les solutions « Climhybu » qui seront ensuite proposées dans le logiciel. -‐ pourquoi l’ossature bois n’est-‐elle pas décrite ? -‐ erreur d’unité dans les tableaux d’éclairage W au lieu de W/m²
3.3. Retours sur l’utilitaire Version testée : V1
Remarques générales Outil relativement rapide à prendre en main même si certains points doivent être clarifiés Résultats avec tendances obtenus très rapidement, choix guidés et peu nombreux Le fait de s'intéresser à une façade et donc à une orientation est intéressant
Quel public ? Utilisation de l'outil à quelle(s) phase(s) ?
A utiliser très en amont (en pré-‐programme / en phase concours) Peut être utilisé par BE HQE et servir de lien entre le BE et la MOUV ou l'archi ; pourrait être utilisé par architecte si le vocabulaire était plus simple (cf. remarques plus loin) ; utilisation possible par services techniques de la maîtrise d'ouvrage
Outil facile à prendre en main ?
Le fait que les cases en vert correspondent à la solution "tout Climhybu" n'est pas direct Première question qui vient à l'esprit : "qu'est-‐ce que "tout climhybu" ? " ; ce n'est défini nulle part (pas dans l'aide) Préciser à quoi correspondent et à quoi servent les cases à cocher en colonne de droite (à griser si non utiles dans l'utilitaire)
Analyse sur le fond
"Efficacité annuelle" : terme à préciser L'EER du groupe froid vaut 5, cela parait trop élevé pour un GF sur air (cas classique) Pas d'indications dans la colonne "confort" lorsque le bâtiment est choisi climatisé ; or, l'inertie peut par exemple jouer un rôle sur la sensation de confort des occupants (ambiance à plus faible température) Caractéristiques du pack climhybu : -‐ Hauteur : il manque le bâtiment de plain pied, qui est suffisamment particulier pour mériter d'être séparé -‐ Orientation : il faudrait pouvoir choisir NE, SE, SO, NO, car il pourrait y avoir des différences importantes de résultats -‐ % de surface vitrée : prévoir le cas entièrement vitré (peut apparaître dans le cas d'une rénovation) -‐ comment valoriser par exemple une chaudière bois ? avec le coefficient annuel ?
Onglet "enveloppe" -‐ perméabilité : terme à simplifier pour un public plus large ; l'exprimer plutôt par exemple de la façon suivante : minimale (1.7) / traitée (1.2) / performante (1 ou 0.7) ; la valeur 0.7 parait très optimiste, sachant que l'on a peu de retours en tertiaire, et que la valeur de la RT 2012 est 1.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 14
Onglet "systèmes" -‐ Pour l'éclairage, remplacer "gradateur" par "gradation sur sonde de luminosité" car il ne s'agit pas d'un gradateur manuel par exemple, mais bien d'un fonctionnement par sondes -‐ Eclairage 10 W/m² plus mauvais qu'éclairage 12 W/m² ?! -‐ Ventilation : -‐ un rendement de 90% ne parait pas réalisable en toutes conditions (si c'est un rendement moyen) ; on propose de partir plutôt sur les valeurs suivantes : 80 % (échangeur à roue) ; 65% ; 50% (par exemple échangeur avec batterie chaude dans le cas d'un bâtiment tertiaire proposant des soins) -‐ simple flux : pourquoi la consommation des auxiliaires de ventilation n'apparaît-‐elle pas comme fortement diminuée par rapport au double flux ? -‐ de manière générale, la ventilation s'entend-‐elle fonctionner en continu ou arrêtée la nuit ? point à préciser, et choix à donner
Onglet "baies" -‐ cas store intérieur à proposer -‐ store extérieur : séparer les cas fixe / mobile -‐ les indications dans colonne "solution technique" sont trop longues et pas assez claires, c'est trop complexe pour quelqu'un qui ne s'y connait pas trop ; pourquoi ne pas faire : -‐ une partie en proposant différentes valeurs de Uw pour la performance thermique de l'ensemble menuisé (2.1 / 1.6 DV / 0.8 TV), -‐ une autre partie distincte sur les protections solaires (store intérieur / store ext mobile / protection ext fixe / masque / contrôle solaire)
Analyse sur la forme
-‐ smileys de différente taille suivant le nombre de smileys qu'il y a dans la case ; on a parfois l'impression qu'avoir 2 smileys rouges est mieux qu'en avoir un seul car ce dernier est plus grand ! -‐ Pourquoi avoir séparé "baies" de "enveloppe" ? -‐ Efficacité annuelle : on croit que c'est à nous de la rentrer, alors qu'une proposition est donnée par le logiciel ; indiquer la valeur par défaut, et proposer de la modifier -‐ A quoi servent les couleurs des +, ~ ? s'agit-‐il du bleu pour ce qui concerne le froid, et du rouge pour ce qui concerne le chaud ? cela porte à confusion ; tout en noir serait plus logique -‐ Pourquoi le choix de la production de chaud et de froid fait-‐elle partie des caractéristiques générales dans le cadre en haut à gauche et non dans les onglets d'aide à la décision ? -‐ onglet baies : TV / DV : à écrire en toutes lettres -‐ paramètre : vitrage clair... ; le fait que le vitrage soit clair est encore écrit dans la colonne "solution technique", c'est inutile -‐ par rapport à quelle solution climhybu se compare-‐t-‐on pour les parties "vitrages à contrôle solaire" et "masques" ? -‐ la présence des onglets en bas à gauche n'est pas facilement visible ; les placer de préférence en haut, au-‐dessus de la ligne de titre du tableaux -‐ le cadre en haut à droite mériterait d'avoir un titre que l'on comprenne bien à quoi cela correspond
Quelques fautes : -‐ Gradateur et non graduateur (éclairage) -‐ Standard et non standart (éclairage) -‐ Store et non strore (onglet baies) -‐ remplissage et non remplisaage
Menu -‐ L'aide proposée est trop succincte ; il faudrait au moins y définir ce que l'on entend par "pack climhybu" -‐ "Valider" ferme l'utilitaire -‐ proposer la possibilité d'enregistrer le cas en cours -‐ "quitter" : demander validation, car sinon quitte directement et tout est perdu -‐ "impression" ne mène à rien
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 15
3.4. Retours sur le logiciel
Version testée : V1 Expliciter clairement en introduction de l’outil : Qu’est-‐ce que Climhybu ? En quoi est-‐il différent du calcul réglementaire ? …. Etamines fait bien la distinction entre le calcul RT et les calculs de STD. Il y a une frayeur que soit fait un amalgame entre le calcul RT et la conception puisque l’interface est commune. Il faut absolument une aide dans Climhybu comme cela existe déjà dans climawin. Est-‐ce normal de devoir lancer le calcul à chaque ouverture de fichier ? Le temps de calcul est assez long. Il faudrait un indicateur de calcul plus grand. Différencier les cases spécifiques pour Climhybu. Toute modification de saisie dans l’onglet Climhybu a un impact simultané sur le calcul RT ; déperditions , charges. Remarques générales : Il est possible de faire de la ventilation naturelle à partir d’une certaine température en la saisissant directement dans le logiciel. Le Ubat ne devrait pas être différent dans Climhybu et dans Climawin. Que signifie l’onglet : « Autres consommations » = bureautique ? Dans les résultats insérer les % de vitrages par façades/orientation. "Surface vitrée du bâtiment (%)" : qu’est-‐ce ? Pourquoi en besoins n’y a-‐t-‐il que du latent ? Puits climatiques et photovoltaïque : limiter les données d’entrées au strict nécessaire disponible dans les documents fabricants. Il faudrait pouvoir avoir une ventilation naturelle la journée plus un système la nuit. « Système spécifique » : à définir. Eclaircir ce qu’il faut saisir dans les apports internes. Ce serait bien d’avoir la même possibilité que pour le moteur de calcul RT: étude de faisabilité avec la saisie des profils par heure Gestion des protections solaires : intitulés incompréhensibles. Essayer de lier les données d’entrée à un catalogue fabricant.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 16
Historique : prévoir une explication car incompréhensible. Lien vers l’utilitaire : quid des ponts thermiques ? Les données d’entrées des zones climatiques et de l’ efficacité ne sont pas modifiés. Y a-‐t-‐il vraiment un intérêt à lier l’utilitaire au logiciel ? Pour que Climhybu devienne un outil de conception « light » utilisable, il faudrait :
1-‐ Pouvoir disposer de fichiers météo par département 2-‐ Affiner les profils d’occupation.
Remarques complémentaires :
Fiches -‐ commentaires
p 6 : parois opaques : ossature bois ? Par exemple pour les parois : comment les différentes possibilités sont-‐elles prises en compte dans le calcul ? p 6, 7 : le tableau présente différentes solutions, parfois sur des lignes différentes, parfois séparées par des virgules => y a-‐t-‐il une différence ? Harmoniser si nécessaire p 62 : tableau n°2 dernière ligne en W/m² et non en W ?
Analyse sur la forme
-‐ Temps de calcul plutôt long ; pourquoi lors du calcul une fenêtre ne s'ouvre pas, comme pour les calculs dans Climawin ? On se rendrait plus compte de là où on en est, et que le calcul est bien en cours (sinon c'est peu visible) -‐ Faire apparaître sur fond de couleur toutes les cases propres à Climhybu, c'est essentiel pour savoir ce qu'il faut traiter -‐ historique : lorsque la souris passe dessus, indique "catalogue des générateurs" -‐ la feuille climhybu n'apparait pas dans la barre en bas comme tous les fichiers ouverts sous windows => possibilité de "perdre" la fenêtre climhybu et de revenir malgré soi dans climawin -‐ quelques problèmes de bug -‐ si on modifie quelque chose sous climhybu, ça modifie sous l'interface climawin ?
Remarques générales
Dans notre cas, il ne nous est pas possible de comparer les résultats obtenus avec des résultats STD car les STD datent, n'ont pas été faites par Etamine, et cela nécessiterait de recaler entièrement toutes les hypothèses On voudrait modéliser le principe suivant : ventilation naturelle de Tint = 23°C jusqu'à Tint = 26°C, puis, au-‐delà, utilisation de la climatisation ; le scénario de ventilation naturelle est possible ; est-‐ce que le logiciel prévoit de ne pas faire fonctionner la climatisation lorsqu'il y a ventilation naturelle ? et donc de commencer la climatisation à partir de 26°C ?
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 17
Analyse des résultats bruts -‐ onglets résultats
-‐ onglet "informations" : pourquoi les résultats de climhybu sont-‐ils différents des résultats climawin, sans rien changer au fichier (Ubat, consommations chauffage, froid, etc.) ? qu'y a-‐t-‐il d'inclus dans "autres" consommations ? répartition des surfaces de baies par orientation : il serait intéressant d'avoir une ligne avec la surface de la façade et le % de surface vitrée de la façade et du global ; à quoi correspond "surface vitrée du batiment (%)" ? ce n'est pas très clair -‐ onglet "besoins" : répartition sensible / latent ok ? -‐ onglet "générateur" : unité pour les colonnes "requis" et "conso" ? -‐ onglet "graphiques" : pour un repérage plus simple, mettre la légende dans le même ordre que les histogrammes ; mettre les onglets conso/puissance/inconfort en haut pour être visibles ; le graphique de droite indique "tout climhybu" uniquement pour l'onglet conso : est-‐ce que c'est normal ? quel intérêt de devoir changer soi même l'onglet pour le graphique de gauche + pour le graphique de droite ; pourquoi les 2 graphiques ne changent-‐ils pas en même temps ? -‐ onglet "comparaison Climhybu" : couleurs vertes et rouges : quand on est en rouge c'est qu'on est meilleur que "tout climhybu" : ça ne semble pas logique
arborescence -‐ consigne de froid mise par défaut à 19°C ?? -‐ si je choisis "non climatisé" mais que ma consigne est à 26°C, et les VCV avec chauffage / clim, une conso de froid est calculée, ainsi que des heures d'inconfort > 26°C : comment cela se fait-‐il ?
puits climatique
-‐ Moyenne annuelle de la température extérieure : pourquoi est-‐ce que c'est à nous de la rentrer ? Le climat n'est pas fourni par le logiciel ? -‐ quelles que soient les caractéristiques du puits canadien, ça ne change rien ni aux consommations de chaud et froid, ni au nombre d'heures d'inconfort : y a-‐t-‐il un bug ?
photovoltaïque
-‐ pertes dues au ombrages : en quelle unité ? -‐ intéressant de pouvoir rentrer la "vraie" orientation des panneaux PV -‐ toutes les caractéristiques demandées sont-‐elles fournies classiquement dans la doct PV ou non ? parait difficile à renseigner ; (puissance crête par m² ?) -‐ est-‐ce que les changements rentrés ici seront pris en compte si on revient sous climawin ? quel est le lien entre les 2 interfaces ?
surventilation
-‐ pas possible d'avoir une ventilation naturelle la journée + avec système la nuit ? catalogue "systèmes de surventilation" : où est-‐il si on veut y accéder directement ? -‐ faut-‐il entendre par "système spécifique" : une ouverture des fenêtres automatique, ou une utilisation de ventilateurs (et donc consos) ? Catalogue de systèmes de ventilation : -‐ pour info, il est indiqué dans le catalogue des systèmes de ventilation "protections solaire" -‐ pas d'aide associée ? -‐ ratio d'ouverture été se lit "rouvete", pas très clair -‐ à quoi correspond "valeurs seuils pour la température" ? -‐ naturelle par ouverture des fenêtres : plusieurs scénarios selon occupation / hiver été mi-‐saison /... => intéressant ; essai avec une surventilation en mi saison et en été, en occupation ou en inoccupation, plusieurs scénarios => aucune modification du nombre d'heures d'inconfort : est-‐ce que c'est normal ? -‐ nocturne par système spécifique : on peut à nouveau choisir occupation / inoccupation : pas contradictoire avec le fait que ce soit nocturne ? on ne rentre pas de puissance supplémentaire s'il y a des ventilateurs ?
matériaux à changement de phase
-‐ testé pour voir l'influence, diminution sensible du nombre d'heures d'inconfort -‐ si on dit qu'il y en a, on ne le décrit pas dans les parois mais uniquement au niveau du groupe ? Pourquoi ?
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 18
apports internes
-‐ apports internes sensibles en occupation : à quoi est-‐ce que cela correspond exactement ? personnes ? éclairage ? bureautique ? … (il y a une case autres usages ensuite…) -‐ influence des apports logique -‐ possibilité de définir un profil ? Où ?
gestion des protections solaires
Catalogue "protections solaires" : -‐ PO / P1 / I1 plusieurs fois, on ne fait donc pas la distinction facilement -‐ je ne comprends pas comment P1 et I1 fonctionnent : valeur P1 quand le rayonnement dépasse les … W/m² ? -‐ gestion : très peu de changement d'heures d'inconfort, aucun changement en termes de consommation de chauffage (je m'attendais à les voir augmenter ?)
catalogues on remarque que des solutions Climhybu ont été créées dans les catalogues. A quoi correspondent-‐elles par rapport aux fiches ? N'y a-‐t-‐il pas un risque que l'on change soi-‐même les caractéristiques ?
historique comment cela fonctionne-‐t-‐il ?
baguette magique vers utilitaire
-‐ possibilité de "valider" : qu'est-‐ce que cela implique ? ce sera simplement enregistré pour quand on y reviendra ? ou alors modifie quelque chose dans l'interface climhybu ? -‐ qu'est-‐ce que cela apporte de cocher les cases ?
Résultats Climhybu sur le projet étudié :
en corrigeant 26°C de consigne l'été au lieu de 19°C !
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 19
4. Construction de 9.800m² de bureaux à Toulouse
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 20
Plan étage courant :
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 21
Approche du calcul réglementaire déjà réalisé :
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 22
4.1. Fiche d’identité
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 23
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 24
4.2. Retours sur le guide et ses annexes
Version testée : V1 De manière générale, le guide est utile. D’ailleurs, Ginger avait obtenu un crédit impôt recherche pour réaliser en interne un tel guide à des fins de formation des jeunes embauchés. Il y a cependant un danger avec un tel guide à usage libre, c’est que le MO estime ne plus avoir besoin de BET. Le guide s’adresse plutôt à des jeunes thermiciens ou des chefs de projet Tout Corps d’état. Il faudrait que la partie bâti du guide soit améliorée pour devenir une aide au choix des solutions de conception. Pour la partie photovoltaïque, il faut mettre à jour le guide avec le nouvel arrêté qui a été publié sur les tarifs de rachat.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 25
4.3. Retours sur l’utilitaire
Version testée : V1 L’utilitaire est utile mais là aussi danger vis-à-vis du Maitre d’ouvrage qui pourrait penser à se passer de BET. Il faut clarifier la légende qui n’est pas intuitive au premier abord.
4.4. Retours sur le logiciel Version testée : V2 Le calcul RT2005 avait été réalisé avec un autre logiciel que BBS Slama, il a donc été entièrement ressaisi dans le logiciel afin de pouvoir procéder à l’expérimentation. L’utilisateur dispose de 2 écrans en continu et le logiciel ne permet pas de bloquer la fonctionnalité sur un seul écran ce qui rend la lecture difficile. L’écran d’accueil avec les récapitulatifs des surfaces vitrées ; Ubat ; … est intéressant. Il est dommage de ne pas avoir d’orientation intermédiaires (sud-est ; sud-ouest ; …). Les résultats de chauffage et de refroidissement sont très différents de ceux du calcul RT, mais cela vient probablement des apports internes qui n’ont pas été saisis avec attention. De manière générale, il est primordial de disposer d’une notice explicative du logiciel Climawin, la prise en main n’est pas du tout intuitive. Le projet était déjà BBC donc les solutions Climhybu n’ont pas été utilisées pour optimiser le projet.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 26
Le logiciel Climhybu est rassurant car il utilise des données d’entrée similaires à la RT et se base sur des solutions éprouvées. Le risque est de trop simplifier le métier de l’ingénierie et de ne plus prendre de recul par rapport aux projets. Le logiciel Climhybu ne peut en aucun cas remplacer un logiciel de simulation dynamique, il peut juste permettre de compléter certaines simulations quand le budget est restreint ou les délais courts.
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 27
5. Construction de 1600m² de bureaux à Saint-‐Denis (93)
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 28
5.1. Fiche d’identité
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 29
5.2. Retours sur le guide et ses annexes Version testée : V2
5.3. Retours sur l’utilitaire Version testée : V2
NT Climhybu – Expérimentation phases 2 et 3 30
5.4. Retours sur le logiciel
Version testée : V3 De manière générale, le logiciel Climhybu est intéressant car il permet d’avoir une première approche de conception sans avoir à ressaisir l’ensemble des données dans un autre logiciel. Mais il ne peut pour l’instant en aucun cas remplacer les logiciels usuels qui permettent d’obtenir des courbes monotones de chauffage pour réaliser le dimensionnement des émetteurs ; d’avoir des courbes d’évolution de températures … Il faudra faire très attention à ce que cela ne créé pas une confusion auprès des BET, surtout des débutants, sur la différence entre logiciel réglementaire et logiciel de conception. Il est impératif de disposer d’un manuel d’aide à la saisie. Il serait bien lors de l’ouverture de Climhybu d’avoir une synthèse des objectifs de ces fonctionnalités et de cadrer les limites.
1. Saisie au niveau du bâtiment Photovoltaïque :
-‐ Facteur de transparence : à quoi cela correspond ? -‐ Rendement de la famille : proposer des valeurs par défaut selon les familles -‐ Coefficient « noct » : est ce possible de le trouver sur les avis techniques des panneaux ? -‐ Pertes dues aux ombrages : données normalement issues de calculs type PV syst donc difficiles de
les saisir -‐ Rendement câblage : données normalement issues de calculs type PV syst donc difficiles de les
saisir Eclairage artificiel :
-‐ Le choix « éteint » ou « allumé » est étrange, en particulier pour une saisie à l’échelle du bâtiment : pas intuitif comme demande
Dérive de température autorisée ou non : à expliciter Puits canadien :
-‐ Delta air : un même nom pour deux variables différentes (à l’affichage) et ces 2 valeurs ne pourraient elles pas être issues du fichier météo ?
2. Saisie au niveau de la zone
Scénarios d’occupation :
-‐ Profil de base d’occupation : « moyen » mais non modifiable et non visible -‐ Profil d’occupation : doit respecter le profil de base que l’on ne connaît pas !
Quelles différences entre les deux ?
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3. Saisie au niveau du groupe
Sur-‐ventilation :
-‐ Valeur seuil pour la température : à expliciter -‐ La variable Rouvete est présente dans les trois scenarii (froid, chaud et mi-‐saison). Ne faut-‐il pas la
décliner selon Rouvhiv et Rouvmi par exemple ?
Apports internes :
-‐ Il y a un problème d’unité dans l’encart d’aide du bas pour les apports en humidité (ne doivent pas être en W/m²)
-‐ Quelle différence entre « apports internes sensibles en inoccupation » et « apports internes sensibles autres en inoccupation » ?
MCP : OK il est possible de rentrer toutes les données.
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6. Conclusions de l’expérimentation Ces phases 2 et 3 de l’expérimentation ont permis :
-‐ Sur la forme, d’améliorer le format des outils, de corriger les fautes de frappe,… -‐ Sur le fond : de faire évoluer les contenus techniques des différents outils.
La quasi intégralité des remarques a été insérée dans le guide et les fiches en annexe. .
ANNEXE 7
COMPTES-RENDUS DE REUNIONS