MURS SOLAIRES MURS SOLAIRES ÀÀ ISOLATION RENFORC ISOLATION RENFORCÉÉEE

Bruno PEUPORTIER et Alain GUIAVARCHARMINES - École des Mines de Paris – CENERG

Bruno MARCONATO et Henri SACCHISOGEA CONSTRUCTION

ADEME - PUCA

Journée thématique Enveloppe du Bâtiment

1

Objectifs de la rechercheObjectifs de la recherche

Réduire d’un facteur 4 les émissions de CO2 des bâtiments à

l’horizon 2050, renforcement progressif de la RT et

amélioration des bâtiments existants

Façades double peau comme alternative à l’isolation opaque,

intéressant aussi en réhabilitation

Evaluer la productivité thermique pour différentes typologies

(avec et sans circulation d’air)

Concevoir un composant optimisé

Evaluer l’intérêt économique et environnemental du concept

sur des cas types (logements collectifs, maison individuelle)

2

Evaluation du potentielEvaluation du potentiel

Une maison bien exposée en Ile de France reçoit, sur une saison de

chauffe, un rayonnement solaire de l’ordre de 8 fois supérieur à ses

besoins de chauffage (1,5 fois en décembre)

Seulement 2 à 5% de l’énergie solaire reçue est valorisée

actuellement

Peut-on valoriser cette énergie plus efficacement ?

Utilisation de vitrages isolants ou d’isolants transparents

Stockage de l’énergie, relève des gains directs par les vitrages en soirée

3

TypologieTypologie –– Diff Difféérents types drents types d’’intintéégrationgration

Allège de vitrage, préchauffage

Double peau, ventilation

Mur Trombe, chauffage

matériau( )

4

Typologie : diffTypologie : difféérents modes de circulation drents modes de circulation d’’airair

5

DiffDifféérents phrents phéénomnomèènes physiques couplnes physiques couplééss

Captage de chaleur : transmission absorption : α = 0.96, ε = 0.05

transfert Stockage et distribution de chaleur

6

ModModéélisationlisation –– Solaire thermique Solaire thermique àà air air

αvG

TextT1 T2

1/hextR1 R2 1/hC21/hC1

1/hr

T0 Tback

1/hback

Tf

τvαaG

R3

Couverture (vitrage) Lame d’air IsolantExtérieur Arrière du

capteur

- Transfert convectif entre le capteur et l’air en mouvement : (1)

avec : débit massique de l’air dans le capteur (kg/s),

Tf : température moyenne de l’air (K)

Cp : chaleur spécifique de l’air (J/kg/K),

x’ = x/L : position (relative) par rapport à l’axe principal (parallèle au sens d’écoulement du fluide)

A1, (resp. A2): surface de la couverture (resp. de l’absorbeur).

)()(' 222111 fCfCf

p TTAhTTAhx

TCm −+−=

∂∂

&

m&

Modèle de capteur à air

- Bilan des flux thermiques aux trois nœuds de température T0, T1 et T2 :

(2)avec T’sol = fonction (Text; G, hext, hr, αv, …)

T’R = fonction (Tback, hback,hr τv, αa,…)

hfa = fonction (hc1, hext,…)

hfr = fonction (hc2, hback,…)

⇒

( )( )fRfRfC

fsolfafC

TTAhTTAh

TTAhTTAh

−=−−=−

')(

')(

2222

1111

)()('

'2

'1 fRfRfsolfA

fp TTAhTTAh

x

TCm −+−=

∂∂

&

x

7

ModModéélisationlisation –– calcul du d calcul du déébit dbit d’’airair

Convection naturelle

Etude bibliographique (Brinkworth, Hypri…)

Modèle

– Conservation de la quantité de mouvement

(régime stationnaire) :

θ

L

Circuit d ’air3

4

2

1

avecU : vitesse moyenne de l'air dans le capteur,U2 (resp.U3) : vitesse moyenne de l'air à l'entrée (resp. à la sortie) du capteur,L : longueur du capteur,w : largeur du capteur,d : épaisseur de la lame d'air,Dh : diamètre hydraulique du conduit,θ : inclinaison du capteur par rapport à l'horizontal,f : coefficient de frottement dans la lame d'air,ρ0 : densité de l'air à l'extérieur,ρm : densité moyenne de l'air dans le capteur,ρ2 (resp.ρ3) : densité de l'air à l'entrée (resp. à la sortie) du capteur,Kf1, Kf3 : coefficients de perte de charge à l'entrée et à la sortie du capteur,g : accélération universelle (m/s_).

m−=∆ 0

( ) 22333

2221 2

121

21

sin UDL

fUKUKgL mh

ff ++=∆

8

ModModéélisationlisation –– Calcul du d Calcul du déébit dbit d’’airairConvection naturelle

Conservation de la masse :

θ

L

Circuit d ’air3

4

2

1

33

22 et,

wdmU

wdmU

wdmU

m

&&& ===

et ρ2 ≅ ρ3 ≅ ρm ≅ ρ0

( ) ( )p

THSff C

gLwdP

DL

fKKmsin2 2

021

3 =

++&

Si écoulement laminaire :

/

210

h

n

h

UDRe

Re

f

D

L

fff

=

+

+=

023 =+++ DmCmBmA &&&

Couplage débit / transfert convectif

9

ModModéélisationlisation –– Ecoulement d Ecoulement d’’airair

Validation : comparaison avec outil de type CFD (‘EtuCo’ – LEEVAM, Univ. Cergy)

θ

Paroi adiabatiqueParoi opaque

Flux incident(rayonnement solaire G)

ExtérieurL

d x

y

Ecoulement turbulentModèle détaillé

0,00E+00

5,00E-01

1,00E+00

1,50E+00

2,00E+00

2,50E+00

0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 1,00E-01 1,20E-01

y (m)

u (

m/s

)

10

ModModéélisationlisation –– Ecoulement d Ecoulement d’’airair

Validation : comparaison avec outil de type CFD (‘EtuCo’ –LEEVAM, Univ. Cergy)

θ

Paroi adiabatiqueParoi opaque

Flux incident(rayonnement solaire G)

ExtérieurL

d x

y

Ecoulement laminaire

0,00E+00

5,00E-02

1,00E-01

1,50E-01

2,00E-01

2,50E-01

3,00E-01

3,50E-01

4,00E-01

4,50E-01

5,00E-01

0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 1,00E-01 1,20E-01

y (m)

U (

m/s

)

• Si la valeur du coefficient d’échange convectif calculée par les corrélations est remplacée par la valeur

calculée avec le modèle ‘EtuCo’, l’écart sur la puissance thermique passe de 64 % à 25 %.

11

ModModéélisation - Blisation - Bââtiment et systtiment et systèème solaireme solaire

Modèle thermique de bâtiment• Modèle aux différences finies réduit par analyse modale• Découpage en zone thermique• Modèle dynamique, prise en compte de l’inertie• Conception bioclimatique (assurer un niveau de confort tout en minimisant les besoins énergétiques, en prenant en compte

le climat)• Solaire passif (véranda, vitrage, protection solaire…)

Développement logiciel : outil de simulation ‘COMFIE’ (CENERG)

Structure de données :

Enveloppe du bâtiment et composant solaire

Exemple : capteur à air

: isolant

: absorbeur

: couverture

: mouvement d’air

: parois du bâtiment

Légende :

: enveloppe du bâtiment

TZ1

(a) Bâtiment mono-zone

TZ2 TZ1

(b) Bâtiment mono-zone+ capteur à air

Couplage composant solaire / bâtiment

12

ModModéélisation dlisation d’’une paroi selon son inertie thermiqueune paroi selon son inertie thermique

Si I > 25 Wh/K/m2, n mailles, raison géométrique r

e, e x r, e x r2 ….. e x rn-1

Pour les parois légères, 1 maille

1 maille également du côté extérieur à un isolant

13

Couplage systCouplage systèèmes solaires et bmes solaires et bââtimenttiment

Capteur hybride : Légende :

: enveloppe du bâtiment: couverture du capteur à air: absorbeur du capteur à air: circuit d’air: isolant

θ

Tz

Text

P0

P3

P1

P2

TcLc

Chauffage d’air

• Convection naturelle

14

Aspect environnemental Aspect environnemental –– ACV du b ACV du bââtimenttiment

Outil de simulation de cycle de vie de bâtiment : EQUER

Intégration de composants solaires

Collecte de base de données

- vitrages

- polycarbonate

Construction Utilisation Déconstruction

Déchetsultimes

Produitsrecyclables

Chauffage, Eau,Climatisation,

Electricité,Déchets ménagers,

Transports quotidiens

Nouveauxproduits

Produitsrecyclés Remplacement et

Maintenance

15

Etudes paramEtudes paraméétriques, optimisationtriques, optimisation

Type de vitrage,

transmission selon

l’angle d’incidence

Maçonnerie, standards actuels (béton ou

parpaings)

Orientation et surface du mur

Type d’enduit (propriétés optiques)

1.0

0.6

0.4

0.2

0.8

0.0

g

θ (°)20 40 60 80

: simple vitrage: double vitrage

Figure 5.1 : facteur solaire en fonction de l'angle d'incidence.

16

Protection contre les surchauffes dProtection contre les surchauffes d’é’éttéé

Blocage de la circulation d’air

et isolation

Ventilation naturelle du mur solaire

Protections solaires

Masques architecturaux

FaFaççade sudade sud FaFaççade ouestade ouest

17

COMFIE (simulation thermique) www.COMFIE (simulation thermique) www.izubaizuba..frfr

Besoins de chauffageBesoins de chauffageet de climatisationet de climatisation

Profils deProfils detemptempéératurerature

18

ApplicationApplication –– Cas d Cas d’é’étudetude

Immeuble HLMde 52 logements

Maison individuelle

Bâtiment résidentiel

L1

L2

maçonnerie

vitrage

bardagebois

isolant

mouvementd’air

19

RRéésultats de lsultats de l’’analyse thermiqueanalyse thermique

Immeuble HLM, réduction des besoins de chauffage

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10 12 14

épaisseur d'isolant (cm)

bes

oin

s d

e ch

auff

age

(kW

h/m

2/an

)

simple vitrage

double vitrage

avec mur solaire

20

RRéésultatssultats –– Cas d Cas d’é’étudetude

Productivité, réduction des besoins de chauffage en kWhpar m2 et par an

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10

Pro

du

cti

vit

é (

kW

h/m

?)

Résid. collectif (type 1)

Résid. individuel

Résid. collectif (type 2)

21

Variations paramVariations paraméétriquestriques –– Cas d Cas d’é’étudetude

Variation de la productivité en fonction desdifférents paramètres (base = 160 kWh/m2/an)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Emissivitéenduit = 0,9

Double vitragestandard

Triple vitrage Orientation :sud-ouest

Orientation :Sud-est

Surface diviséepar 2

%

22

ConclusionsConclusions

Modélisation de systèmes solaires intégrés au bâtiment

Couplage des différents transferts thermiques

Couplage mur solaire / bâtiment

Collecte de données sur les impacts environnementaux

Implémentation dans un ensemble logiciel

Outil de simulation pour professionnel du bâtiment

Application sur 3 cas d’étude

Simulation thermique des bâtiments intégrant des murs solaires

Optimisation du composant

Modèle de connaissance permettant de connaître l’intérêt

environnemental de différents murs solaires

Perspectives : optimisation et bilan technico-économique