Déperditions et consommations énergétiques dans le bâtiment

BASES DE LA THERMIQUE

appliquée au bâtiment

Déperditions

Transfert thermique

Conduction Convection Rayonnement

De proche en proche Mouvement d’un fluide Radiations

Flux de chaleur surfacique

La différence de température entre l’intérieur et l’extérieur créé un écoulement d’énergie, le flux de chaleur :

φ (phi)

Le flux de chaleur exprime pour chaque m² de paroi l’énergie écoulée par unité de temps. φ s’exprime en W/m².

φ est la somme des transferts de chaleur par conduction, convection et rayonnement

Caractéristiques thermiques d’une paroi

Unité Intitulé Formule

e mètre Épaisseur de l’élément

λ W/(m.°C) Conductivité thermiquePlus est faible, plus le matériau est isolant

R (m².°C)/W Résistance thermiquePlus R est grand, plus la paroi est isolante

R = e / λ

Exemples :

• 20 cm de béton

R = 0.2/1.4 = 0.14 (m².°C)/W

• 8 cm d’isolant

R = 0.08/0.04 = 2 (m².°C)/W

• 20cm béton + 8cm isolant

R = 0.14 + 2 = 2.14(m².°C)/W

• Conduction


Valeur de ha par défaut

• Faces intérieures

• Faces extérieuresha = 4 + 4*v = 20V: vitesse du vent à 4 m/s


hr W/(m².°C) Coefficient d’échange par rayonnement hr = 4*Ec*c0*T3

Ec : émissivité corrigé de la paroi (≈0.9) ; c0 : constante de Stefan Boltzmann (5.67051*10-8) ; T : température en Kelvin (T(K) = T(°C) + 273.15)

ha W/(m².°C) Coefficient d’échange par convection

Rs (m².°C)/W Résistance superficielle de la paroi Rs = 1 / (hr+ha)

Valeur de hr par défaut

•mur à 18°C

hr = 4*0.9*c0*(273.15+18)3

= 5.6 (m².°C)/W

• mur à 0°CR = 4*0.9*c0*(273.15)3 = 4.62 (m².°C)/W

• Rayonnement - Convection

Flux de chaleur

ha

Ascendant 5.0

Vertical 2.5

Descendant 0.7

Valeur de Rs par défaut

Sens du Flux Rsi Rse Rs

Ascendant 0.10 0.04 0.14

Vertical 0.13 0.04 0.17

Descendant 0.17 0.04 0.21


• Bilan


U W / (m².°C) Coefficient de transmission thermiquePlus U est faible, plus la paroi est isolante

U = 1 / (Σ Ri)

U = 1 / (Σ Ri) = 1/ (Rsi + Rbéton + Rse)

U = 1 / 0.25

U = 4 (W / m².°C)

U = 1 / (Σ Ri) = 1/ (Rsi + Rbéton + Risolant + Rse)

U = 1 / 2.773

U = 0.36 (W / m².°C)

Flux de chaleur - Expression

φ = U*(T1-T2)Avec U = 1 / (ΣRi)

Déperditions linéiques

Localisation des ponts thermiques

• Intersection des parois

• Rupture d’isolant

Localisation des ponts thermiques

• Déperditions importantes

• Présence de points froids à l’intérieur

Un pont thermique est caractérisé par un coefficient Ψ

Déperditions volumiques

La ventilation permet de maintenir la qualité de l’air intérieur et un taux d’hygrométrie proche de celui de l’extérieur

Arrivées d’air dans les pièces de vie

Extraction dans les pièces humides

Calcul des déperditions

Déperditions =

Dp lin + Dp surf + Dp vol

Température ext. de base :

Fonction de la zone climatique (H1, H2, H3) et de l’altitude

Température intérieure de chauffage (19°C)

Calcul des déperditions

UW/(m.°C)

Déper (W/°C)

Murs (parpaings) 84 m² 2.3 191

Toiture 100 m² 2.5 250

Plancher 100 m² 0.9 90

Vitrage 16 m² 5.5 88

Ponts thermiques 30

Aération 180 m3/h 60

Total 710

Exemple :

Maison non isolée, en simple vitrage, VMC non modulée

Située à Bordeaux (température extérieure de base = -5°C)

Déperditions calculées : 17000 W, soit 170 W/m²

murs27%

aération9%

ponts thermiques

4%

vitrage12%

plancher13% toiture

35%

Besoins en chauffage

• Déperditions

• Zone géographique (Degrés jour unifiés DJU)

• Occupation de l’habitation (Ich)

• Apports solaires passifs (vitrage)

Bch (brut) = Déper x DJU x 24 x Ich

Bch (net) = Bch (brut) – Apports internes – Apports solaires

Exemple :

Déperditions calculées : 17000 W, soit 710 W/°C

Besoins en chauffage

Bch (brut) = 710 x 1950 x 24 x 0.95 = 31.6 MWh/an

Apports internes : 4W/m² soit 400W

Apports solaires : coefficient de transmission solaire vitrage = 0.4

Nord Sud Est Ouest Total

Surface (m²) 2 6 4 4 16

Irradiation solaire moyenne W/.m² 40 94 60 64

Apports solaires (corrigés) W 32 226 96 103 457 W

Apports gratuits = 857W x 227 jours x 24h = 4.7 MWh soit 15% du Bch (brut)

Bch (net) = 31.6 – 4.7 = 27 MWh/an

Maison actuelle (RT2005) : 6 < Bch < 10 MWh

Bilan environnemental

Bch (net) 27 MWh/an

Rendement global 51%

Génération

Emission

Distribution

Régulation

70%

90%

90%

90%

Conso énergétique 53 MWh

Conso fioul 5430 l

Emission CO2 14310 kg

Exemple :

Bch (net) = 27 MWh/an

Maison équipée d’une chaudière fioul ancienne et de radiateurs fonte (haute température)

Émission CO2

gaz naturel 205 g/kWh

propane 300 g/kWh

fioul 270 g/kWh

charbon 342 g/kWh

électricité hiver 180 g/kWh

électricité été 40 g/kWh

bois 15 g/kWh

granulés 15 g/kWh

plaquettes 15 g/kWh

Amélioration énergétique de l’existant ou d’une

construction

Amélioration énergétique

Enveloppe

Isolation

Menuiseries

Matériaux de construction

Orientation

Systèmes énergétiques

Ventilation

Production, distribution, émission et régulation de chauffage

Utilisation d’énergies renouvelables

Amélioration énergétiqueEnveloppe

AméliorationCombles Murs Plancher Toutes Parois

+ Double Vitrage

Déperditions (W/°C)

710 482 550 650 259 200

Consommations(MWh)

53 33 39 47 14 8.2

Dépenses de chauffageIndice de coût

100 62 74 88.6 26.4 15.4

Émission CO2 14223 8856 10457 12811 3608 2219

murs27%

aération9%

ponts thermiques

4%

vitrage12%

plancher13% toiture

35%

murs16%

aération21%

ponts thermiques

21%vitrage15%

plancher16%

toiture11%

>


Enveloppe > choix de l’isolant

Isolants naturels

•Argile expansé

•Lin

•Plume de canard

•Laine de mouton

•Fibre de coco

•Chanvre

•Liège

•Ouate de cellulose

•Fibre de bois

•Laine de coton

Isolants minéraux et synthétiques

•Laine de verre

•Laine de roche

•Polystyrène

•Polyuréthane

•Isolants minces

Amélioration énergétiqueEnveloppe > choix des matériaux de construction

Murs à isolation répartie

Monomur de terre cuite (37.5cm = 8 cm d’isolant)

Béton cellulaire (30 cm = 8 cm d’isolant)

Structure bois


Enveloppe

> Surface vitrée

Apports énergétiques annuels pour différentes orientations

Nord Sud Est Ouest

Surface (m²) 1 1 1 1

Irradiation solaire

moyenne W/.m²

40 94 60 64

Apports solaires

annuel kWh

87 205 131 140

Installation d’une serre bioclimatique en façade d’un

bâtiment

Taille : 5 m x 4 m Sud

> 4 MWh/an d’apports solaires

Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Ventilation

VMC Hygroréglable

> Module les débits d’air

Exemple :

180 m3/h de débit constant en VMC non modulée

110 m3/h de débit moyen sur l’année en VMC hygro

Gain annuel : 2.1 MWh sur 53 MWh consommé

210 litres de fioul, soit 570 kg de CO2

Investissement : à partir de 100 €


VMC Double Flux

> Récupère l’énergie dans l’air extrait

Gain annuel : 4.8 MWh sur 53 MWh

490 litres de fioul, soit 1300 kg CO2

Investissement : à partir de 2000€


Puits canadien

> Préchauffe l’air neuf l’hiver

> Rafraîchit l’ambiance l’été

Investissement : 1000€ à 7500€

Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Production de chauffage

Bois énergie

Bûches

Plaquettes

Granulés

Exemple

Etat initial : 51 MWh soit 5430 litres de fioul = 3800€/an et 14200 kg de CO2

Installation d’une chaudière à granulés haute performance (rendement = 92%)

Etat final : 36 MWh de granulés = 1800€/an et 540 kg de CO2

Investissement initial : entre 10000 € et 30000€


Pompe à chaleur

> Système thermodynamique permettant de transférer de la chaleur d’un milieu (eau, terre, air) vers un autre (intérieur d’une habitation)

Géothermie

Aquathermie

Aérothermie


Pompe à chaleur

ATTENTION : Les PAC travaillent idéalement en basse température. Bien travailler l’isolation avant leur installation.

Exemple


Installation d’une PAC (COP = 3)

Etat final : 10.8 MWh d’électricité = 1200€/an et 1940 kg de CO2



Chaudière gaz à condensation

> Chaudière haute performance qui récupère de l’énergie dans les fumées évacuées en y faisant condenser l’eau

Exemple


Installation d’une chaudière gaz à condensation (rendement = 102%)

Etat final : 33 MWh de Gaz Naturel = 1750€/an et 6800 kg de CO2



Systèmes solaires

> Utilisation de l’énergie solaire pour chauffer de l’eau

Chauffe eau solaire individuel (CESI)

Pour une famille de 4 personnes

Surface des capteurs : 5 m²

Volume de stockage : 300-400 litres

Couverture annuel en ECS : 70%

Gain sur électrique ≈ 250€

Investissement : 5000€ (3000€ après crédit d’impôt)


Systèmes solaires

> Utilisation de l’énergie solaire pour chauffer de l’eau

Système Solaire Combiné (SSC)

Pour une famille de 4 personnes

Maison très bien isolée, plancher chauffant

Surface des capteurs : 12 m²

Volume de stockage : 800-1000 litres

Couverture annuel en ECS : 70%

Couverture annuel en chauffage : 25% à 35%

Gain sur électrique ≈ 500€

Investissement : 11000€ (7000€ après crédit d’impôt)

Déperditions et consommations énergétiques dans le bâtiment

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