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Optimisation des performances énergétiques et environnementales sources : Technologie tome 2 Hachette+internet

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Rédaction Marc VINCENT

Optimiser les performances énergétiques d’un système consiste à minimiser

l’apport d’énergie extérieur tout en répondant aux besoins.

Optimiser les performances environnementales d’un système consiste à minimiser

l’impact du système sur l’environnement et ceci sur l’ensemble de son cycle de vie.

1 Optimisation des bâtiments

La nouvelle réglementation thermique RT 2012 oblige tous les acteurs du secteur de l’architecture et de la construction à innover pour optimiser les performances énergétiques de bâtiments.

La réglementation impose :

Une conception bioclimatique du bâtiment visant à tirer au mieux parti du

climat local afin de réduire les besoins en chauffage, en climatisation et en éclairage, besoin qui sont liés aux formes et à la conception du bâtiment

approfondissement dans une autre leçon.

De limiter les consommations en énergie primaire à 50 kWh/m2 pour tous les usages énergétiques intérieurs.

D’intégrer les énergies renouvelables pour contribuer à fournir ou compenser les consommations énergétiques du bâtiment ;

D’intégrer le comptage énergétique pour tous les bâtiments afin d’en informer les usager.


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Exemple : Immeuble Green Office à énergie positive

Production d’énergies renouvelables : la moitié de la production d’énergie est assurée par 4200 m2 de panneaux photovoltaïques, l’autre moitié grâce à des chaudières à cogénération utilisant de l’huile végétale.

Conception passive : l’agencement des matériaux isolants est optimisé afin de limiter les besoins en chauffage.

Architecture bioclimatique : les façades sont largement vitrées afin de limiter les besoins en éclairage y sont majoritairement exposées au sud avec 40% de surfaces vitrées pour couvrir une partie des besoins par effet de serre.

Valorisation thermique : la ventilation est naturelle (sans ventilateur) afin de limiter les consommations d’énergies auxiliaires. Le refroidissement estival se fait sans climatisation, en utilisant des systèmes ouvrants automatiques et les capacités thermiques du béton.

Un suivi en temps réel des performances énergétiques du bâtiment : Des capteurs permettent de mesurer la température, l’humidité, la luminosité,…La gestion énergétique et technique du bâtiment traite ces informations et optimise la consommation globale des équipements : éclairage, chauffage, stores, ouvrants….


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Cet exemple permet de mettre en évidence les paramètres d’optimisation suivants :

Utilisation de la CAO à travers la maquette numérique BIM et le s différents logiciels de simulation qui permettent de prévoir le comportement et la réalisation du bâtiment ;

Réduction de la consommation énergétique en minimisant les pertes thermiques (compacité, isolation), en maximisant les apports solaires en chaleur et lumière, en utilisant des systèmes basses consommations (chauffage, ventilation, éclairage..)

Valorisation thermique en utilisant des systèmes de récupération de chaleur (VMC double flux à récupération de chaleur), des vitrages intelligents.

Production d’énergie renouvelable sur le bâtiment et à proximité ;

Gestion technique du bâtiment (GTB) qui permet d’optimiser le fonctionnement des systèmes « basse consommation ».

Réduction des besoins énergétiques en énergie lors de la conception et la réalisation de l’ouvrage.

Pour réduire les pertes de chaleur au travers des parois composant l’enveloppe du bâtiment, on peut envisager d’augmenter le pouvoir isolant de cette enveloppe mais également réduire les surfaces déperditives.

Comment comparer des constructions de formes différentes ?

approfondissement dans une autre leçon.

Pour un même volume exploitable V, on peut avoir des surfaces déperditives bien différentes. Pour comparer des constructions entre elles, on définit la compacité C comme le rapport de la surface déperditive et du volume chauffé. C = S / V

Plus cette valeur est faible, plus la forme est optimisée d’un point de vue thermique.


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Minimisation des pertes au travers de l’enveloppe du bâtiment

Pour réaliser une structure mécanique, on utilise des matériaux qui sont assez souvent de très mauvais isolants thermiques comme le béton armé.

Cette structure peut être le siège de flux de conduction de chaleur vers l’extérieur du bâtiment si l’interface avec l’enveloppe isolante n’est pas bien étudiée. Ce phénomène est appelé pont thermique.

La liaison entre le plancher et les murs porteurs crée une rupture de l’isolation si elle est placée à l’intérieure de l’enveloppe du bâtiment.

Le nez de la dalle est recouvert d’un isolant : le rupteur de pont

thermique. Cette disposition permet de réduire la valeur du flux de chaleur perdu en créant une sorte de chicane. Le pont thermique est plus faible.

Cette solution est la plus performante. Elle consiste à placer l’isolant à l’extérieur de la structure mécanique. Ce qui annule quasi totalement le pont thermique


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Minimisation des pertes liées aux infiltrations d’air

Traitement de l’étanchéité

Lors de la construction d’une enveloppe de bâtiment, on associe divers composants : baies vitrées, planchers, murs, toitures, réseaux…..Les liaisons entre chacun de ces éléments ne sont jamais tout à fait parfaites et laissent la possibilité à l’air extérieur de passer au travers.

Les pertes liées à ces circulations d’air parasite ne sont pas négligeables. Le débit

d’infiltration cumulé est exprimé par un coefficient I4 qui représente le débit

d’infiltration exprimé en m3/h pour une surface de 1 m2 de paroi en contact avec l’extérieur, hors plancher bas, sous une différence de pression de 4 Pa.

Les objectifs fixés par les réglementations thermiques et les labels évoluent afin de prendre en compte ces phénomènes.

Pour éviter les pertes, on doit prévoir la continuité de l’étanchéité à l’air lors de la conception de l’ouvrage et veiller à sa mise en œuvre avec les plus grands soins lors de la réalisation de l’ouvrage. Le tout étant contrôlé avant la réception grâce à un essai de

perméabilité à l’air parfois appelé « essai d’infiltrométrie » ou « essai de la porte soufflante ».

Cet essai consiste à mettre la bâtiment en surpression et en dépression à une valeur souhaitée grâce à un ventilateur à vitesse variable monté sur la porte d’entrée. Des

appareils de mesure enregistrent la relation entre la différence de pression « P » et le débit d’air « Qv ». Ce test permet de valider le niveau d’étanchéité et le cas échéant de mettre en œuvre des corrections en identifiant les points d’infiltration grâce à des fumigènes.


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Optimisation des performances environnementales des bâtiments

Les matériaux biosourcés sont des matériaux naturels issus de la biomasse animale ou végétale.


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2 Optimisation des transports

Un premier axe d’optimisation est la réduction de la résistance à l’avancement des véhicules.

Le coefficient de traînée Cx dépend de la forme globale du véhicule en mouvement. On peut obtenir des valeurs approchées grâce aux simulations aérodynamiques mais le Cx réel est finalement mesuré en soufflerie. Les formes qui présente un Cx optimal, comme celle d’une goutte d’eau, ne sont pas forcément applicables à la carrosserie d’une voiture. De plus toute excroissance , même minime, comme un joint de pare-brise est susceptible de perturber l’écoulement de l’air et de dégrader le Cx.

La surface frontale Sf aussi appelée « maître-couple » représente la projection de la surface du véhicule orienté perpendiculairement au sens du déplacement


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Le coefficient de résistance au roulement Crr dépend du matériau et de la forme des pneumatiques, du revêtement et de l’état de la route.

La masse m dépend du nombre de composants et des matériaux utilisés.

Activité

Impact de Sf et Cx sur la puissance de la résistance aérodynamique pour des véhicules de type berline : Toyota Prius, Citroën C4 et Peugeot 407.

Cx Sf (m2) Comparez les Cx et Sf de ces trois véhicules. Calculez le produit Sf×Cx. Déduisez un classement de ces véhicules par ordre de résistance aérodynamique croissante.

Peugeot 407 0,29 2,23

Citroën C4 0,31 2,21

Toyota Prius 0,25 1,8

Calculez le gain de puissance aérodynamique ( et donc le gain de consommation) à 130 km/h pour la voiture la moins résistante par rapport à la plus résistante.

On donne : La résistance totale pour un véhicule se déplaçant à vitesse constante est :

R totale = R aéro + R roulement+R pente avec

R aéro = 1/2××(Sf×Cx)×V2 On donne la masse volumique de l’air = 1,205 kg/m3

R roulement = Crr×m×g

R pente = m×g×sin

La puissance de la résistance totale est :

P totale = R totale ×V

Cette puissance est proportionnelle au cube de la vitesse.

V : vitesse de déplacement du véhicule

Cx : coefficient de pénétration suivant l’axe de déplacement du véhicule.

Sf : surface frontale en m2

Crr : coefficient de résistance au roulement.

m : masse du véhicule en kg.

: angle de la pente en radians.

: masse volumique de l’air.

Un deuxième axe d’optimisation est d’améliorer le rendement énergétique des moteurs thermiques

Utiliser des moteurs thermiques à haut rendement (limitation des frottements internes ou augmentation du rendement thermodynamique ;

Réduire la taille des moteurs (Downsizing), réduction de la cylindrée ;


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Un troisième axe est d’utiliser des moteurs dont les sources énergétiques sont variées ou hybrides.

Des petits véhicules à motorisation électrique en zone urbaine ;

Des véhicules à motorisation hybride (thermique/électrique), sur route qui permettent de récupérer l’énergie en phase de freinage ou de descente.

Les transports aériens

L’industrie aéronautique s’est fixé les objectifs suivants d’ici à 2020 :

Une réduction de la consommation de carburant afin de réduire les émissions de CO2 de 50% et de NOx (oxydes d’azote) de 80% ;

Une réduction des nuisances sonores de 50% du bruit perçu.

Les constructeurs souhaitent améliorer l’efficacité propulsive des avions en :

Optimisant la portance,

Réduisant la trainée ;

Réduisant le poids,

Réduisant la consommation du carburant nécessaire au fonctionnement des réacteurs qui génèrent la poussée.

La traînée totale peut être réduite en utilisant des Winglets ou le système Minix.

La portance induit proportionnellement une part de la traînée totale dite traînée induite (avec génération de tourbillons en bout d’aile). Pour optimiser la portance, les constructeurs travaillent sur l’utilisation « d’ailes actives » : des ailes motorisées embarquant des capteurs qui adapteront leurs formes en fonction des conditions de vol grâce à un système de gestion et de traitement des informations.

Le poids peut être réduit en travaillant sur les matériaux.


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Le solar Impulse, concept expérimental d’avion solaire optimisé

Ce concept d’avion solaire lancé par Bertrand Piccard vise à promouvoir les énergies

renouvelables et à montrer l’importance des nouvelles technologies dans le développement

durable. La masse, l’aérodynamique, l’électronique de bord et la chaine énergétique ont été

optimisées dans ce sens.

Avoir des avions plus légers avec moins de traînée permet de réduire la consommation de carburant et donc les émissions de CO2 et de NOx. Les constructeurs de propulseurs travaillent également sur de nouveaux réacteurs moins gourmands à poussée équivalente et utilisant des biocarburants.

De plus, les systèmes d’aide au pilotage permettent d’optimiser les trajectoires et les conditions de vol pour réduire la consommation. Celle-ci pourrait être réduite de l’ordre de 5 à 10% au décollage.

3 Optimisation de la production et de la distribution de l’énergie

Les réseaux électriques intelligents sont aussi appelés Smart grids. Ce sont des réseaux électriques publics auxquels sont ajoutés des fonctionnalités issues des technologies de l’information et de la communication (TIC). Le but est d’assurer l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité à tout instant et de fournir aux consommateurs un approvisionnement sûr, durable et compétitif


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4 Optimisation des systèmes d’information

La consommation des systèmes d’information (informatique et téléphonie mobile) représentait en 2008, 13% de la consommation énergétique totale française,

soit 420 TWh/an avec une empreinte carbone estimée à 5% de la production de CO2 en France, soit 30 Mt de CO2/an.

L’optimisation se traduit par :

La réduction du nombre de composants : les constructeurs essaient de réduire le nombre de pièces dans les systèmes d’informations. Par exemple, ils conçoivent les formes des ordinateurs et des tablettes avec une coque assurant le rôle de dissipateur thermique.

L’évolution et l’utilisation des processeurs : diminution de la taille de gravure des transistors qui autorise une diminution des tensions d’alimentation ;

Une auto-adaptation des fréquences d’horloge des microprocesseurs à l’usage,

Une utilisation raisonnée (mode veille,..)

La virtualisation et le Cloud computing

La virtualisation est une tendance en plein essor dans la Direction des Systèmes d’information des entreprises. Elle consiste à faire héberger un ou plusieurs systèmes d’exploitation dans un autre système d’exploitation. Les avantages sont multiples et les conséquences nombreuses. Ces systèmes d’exploitation étant virtuels, ils peuvent être multipliés et redéployés pour s’adapter à la demande en temps réel.


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La virtualisation permet aussi d’optimiser la consommation énergétique des parcs de serveurs. Un unique serveur physique, hébergeant plusieurs systèmes d’exploitation, permet de diminuer le nombre de systèmes physiques en service (un serveur avec un processeur fonctionnant à 100% est préférable à dix serveurs fonctionnant seulement à 10% de leur capacité)

Lorsque ces systèmes d’exploitation sont hébergés par des entreprises externes reliées par Internet et qu’ils assurent le stockage sécurisé des données des utilisateurs, cela s’appelle le cloud

computing ou « informatique dans le nuage » ou encore « infonuagique ».

5 Synthèse

La Conception Assistée par Ordinateur permet, grâce à la maquette numérique et aux outils de simulation associés de créer virtuellement les systèmes, de prédire leurs performances énergétiques et d’agir avant la réalisation sur la réduction de la consommation.

Celle-ci est généralement réalisée en optimisant la forme des systèmes, en optimisant leur masse, en minimisant les pertes et en utilisant des systèmes à haut rendement.

La récupération et la valorisation de l’énergie dissipée permet de limiter l’apport en énergie. Celle-ci doit provenir au maximum d’énergies renouvelables produites à proximité du système ou sur celui-ci.

Enfin, les systèmes de gestion et de traitement de l’information permettent d’optimiser le fonctionnement énergétique des systèmes.


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Optimisation des performances énergétiques de bâtiments

Optimisation des performances énergétiques des véhicules terrestres

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