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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. - PowerPoint PPT Presentation
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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
Caractéristiques thermiques d’une paroi
Valeur de ha par défaut
• Faces intérieures
• Faces extérieuresha = 4 + 4*v = 20V: vitesse du vent à 4 m/s
Unité Intitulé Formule
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
Caractéristiques thermiques d’une paroi
• Bilan
Unité Intitulé Formule
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%
>
Amélioration énergétique
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
Amélioration énergétique
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 €
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Ventilation
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€
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Ventilation
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€
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Production de chauffage
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
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Production de chauffage
Pompe à chaleur
ATTENTION : Les PAC travaillent idéalement en basse température. Bien travailler l’isolation avant leur installation.
Exemple
Etat initial : 51 MWh soit 5430 litres de fioul = 3800€/an et 14200 kg de CO2
Installation d’une PAC (COP = 3)
Etat final : 10.8 MWh d’électricité = 1200€/an et 1940 kg de CO2
Investissement initial : entre 3000 € et 30000€
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Production de chauffage
Chaudière gaz à condensation
> Chaudière haute performance qui récupère de l’énergie dans les fumées évacuées en y faisant condenser l’eau
Exemple
Etat initial : 51 MWh soit 5430 litres de fioul = 3800€/an et 14200 kg de CO2
Installation d’une chaudière gaz à condensation (rendement = 102%)
Etat final : 33 MWh de Gaz Naturel = 1750€/an et 6800 kg de CO2
Investissement initial : entre 3000 € et 7000€
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Production de chauffage
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)
Amélioration énergétiqueSystèmes énergétiques > Production de chauffage
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)