Les bâtiments modernes au Maroc sont soit des villas, souvent situées dans des zones résidentielles séparées des immeubles urbains ou des maisons individuelles typiques qui peuvent avoir jusqu’à quatre étages.
Le bâtiment sélectionné pour notre étude est une maison individuelle typique représentant l’architecture moderne au Maroc illustrée par les travaux de (Tove Brunzell, Sanaa Duric, 2012). La maison est d’une superficie de 100 m², avec une hauteur sous plafond de 2,8 m. Elle est composée d’un rez-de-chaussée et d’un étage courant. Chaque niveau possède 4 pièces et un couloir (Figure 3-5). Le taux global des baies vitrées est de 15%. Les façades vitrées sont réparties sur les parois extérieures Est, Sud et Ouest.
Figure 3-5 : Plan du Rez-de-chaussée et de l’étage du bâtiment étudié
1185 839 1545
6289
8002
12121
Tanger Ifrane Agadir Fès Marrakech Errachidia
Thèse de doctorat – Zaid ROMANI Page 107 3.3.2 Découpage en zones du bâtiment
Chaque étage du bâtiment est divisé en cinq zones thermiques. La température de l’air est supposée uniforme dans chaque zone. Le nombre total de zones thermiques au niveau du bâtiment est de 10 (Figure 3-6). La géométrie du bâtiment a été saisie par le logiciel Google Sketchup et ensuite enregistrée à l’aide d’un plug-in Trnsys 3d et qui peut être importée par Trnsys studio version 17. Cela permet un calcul plus rapide et plus précis.
Figure 3-6 : Modélisation du bâtiment sous Trnsys 3d 3.3.3 Données de modélisation et scénario d’usage
Après avoir modélisé la géométrie du bâtiment, les caractéristiques de son enveloppe et ses systèmes énergétiques, les scénarios de son usage doivent être définis. Nous avons utilisé une configuration dite de référence pour pouvoir évaluer un cas de base pour déterminer par la suite le potentiel d’économie d’énergie par l’étude d’optimisation. Ce cas de base correspond aux pratiques de construction des bâtiments neufs au Maroc. Les caractéristiques de l’enveloppe sont celles données dans le Tableau 1-8.
Le plancher bas est posé directement sur le sol. La modélisation du transfert thermique est effectuée en se basant sur la norme NF EN ISO 13370 et le type 77 de Trnsys. Nous supposons que le bâtiment est ventilé avec un débit de 0,3 v/h afin d’assurer un renouvellement d’air suffisant pour le confort hygiénique. Ce débit est calculé à partir de la norme DTU 68.1. Nous supposons aussi que le niveau d’étanchéité à l’air du bâtiment est dans un état médiocre en se basant sur la norme NF EN 12831. En effet, le taux de renouvellement d’air dû aux infiltrations est égal à 1,15 v/h (sous une différence de pression de 4 Pa) dans le cas du bâtiment de référence.
Le bâtiment est occupé par cinq personnes. Chaque occupant a une activité légère, ce qui se traduit par une chaleur sensible et latente de 75 W chacun. Les chambres sont occupées chaque jour entre 22h et 7h 30 min. Le séjour est utilisé pour le repos pendant la journée et le soir, la période d’occupation est de 13h et à 18h (deux personnes) et entre 20h et 22h le soir (cinq personnes). La cuisine est occupée entre 7h 30 min et 12h ainsi que entre 18 h et 19 h par deux personnes et de 12h à 13h et de 19h à 20h par cinq personnes.
Un mode de gestion de l’éclairage est utilisé. L’éclairage artificiel n’est allumé que lorsque l’éclairement est inférieur à 300 lux. Dans le cas contraire, l’éclairage naturel est suffisant. La
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puissance installée d’éclairage est 5W/m². Le type de lampe est incandescent. Les autres appareils produisant des charges internes dans le bâtiment sont présentés dans le Tableau 3-1. Tableau 3-1 : Charges internes des appareils
Type d’équipement Puissance sensible moyenne Horaire TV 75 W Du lundi au dimanche : de 13 h à 18 h et de 20 h à 22 h Ordinateur 125 W Du lundi au vendredi : de 20 h à 22 h Samedi et dimanche : de 14 h à 22 h Réfrigérateur 125 W En permanence
3.4 Evaluation des performances énergétiques
3.4.1 Evaluation des besoins de chauffage et de refroidissement
Les performances énergétiques du bâtiment pour la configuration de référence ont été évaluées à l’aide des simulations numériques en tenant compte des différents climats définis par la RTCM. Les besoins de chauffage et de refroidissement ainsi que l’énergie finale sont présentés dans la Figure 3-7.
Figure 3-7 : Besoins de chauffage, de refroidissement et en énergie finale du bâtiment de référence dans les six zones climatiques.
Nous constatons que le bâtiment de référence est très influencé par les données climatiques à cause de la valeur faible de la résistance thermique de son enveloppe et du taux élevé de renouvellement d’air. Les résultats montrent que les besoins de chauffage sont très élevés à Ifrane (de l’ordre de 256 kWh/m².an). En revanche, les besoins de refroidissement y sont très faibles.
À Errachidia et Marrakech, les besoins de refroidissement sont élevés mais aussi légèrement supérieurs aux besoins de chauffage. L’énergie finale dans ces deux villes est de l’ordre de 186 kWh/m².an et 131 kWh/m².an respectivement. A Agadir les besoins énergétiques sont faibles d’environ 44 kWh/m².an. À Fès et Tanger, les besoins de chauffage représentent
0 50 100 150 200 250 300
Errachidia Tanger Marrakech Ifrane Fès Agadir
Be so in s én erg éti q u es (KW h /m ². an ) Chauffage Refroidissment Energie finale
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environ le double des besoins de refroidissement. Les besoins en énergie finale sont de l’ordre de 143 à Fès et 97 kWh/m².an respectivement. Nous comparons ces résultats avec les limites réglementaires du RTCM. Le Tableau 3-2 montre le pourcentage de réduction qui doit être envisagé afin de respecter les exigences du RTCM.
Tableau 3-2 : Pourcentage de réduction des besoins d’énergie finale du bâtiment de référence par rapport aux limites réglementaires.
Zone climatique Différence des besoins d’énergie finale entre le bâtiment de référence et la limite réglementaire
Pourcentage de réduction à envisager Agadir 4 kWh/m².an 9,1 % Tanger 51,05 kWh/m².an 52,6 % Fès 95,05 kWh/m².an 66,44 % Ifrane 201,1 kWh/m².an 75,85 % Marrakech 67,11 kWh/m².an 51,18 % Errachidia 121,83 kWh/m².an 65,21 %
La différence entre les besoins d’énergie finale du bâtiment de référence et la limite réglementaire montre que pour la zone d’Agadir des solutions techniques simples peuvent être suffisantes pour atteindre les objectifs fixés par ma RTCM. Pour les autres villes, des solutions techniques performantes s’avèrent nécessaires pour la réduction de plus de 50% des besoins d’énergie finale.
3.4.2 Evaluation du confort thermique d’été
L’évaluation du confort thermique d’été est nécessaire surtout dans les pays du sud de la Méditerranée comme le Maroc. L’approche adaptative présentée dans le chapitre 2 est alors utilisée. Afin de mieux comprendre la différence entre les degrés heures conventionnels basés sur la température de consigne de 26 °C pour le refroidissement et les degrés heures calculés à l’aide de l’approche adaptative, nous comparons dans la Figure 3-8 ces deux indicateurs. La température opérative de calcul choisie est celle de la pièce dont la somme des degrés heures est la plus élevée. Dans le cas de notre bâtiment de référence, c’est le séjour, car c’est la pièce qui possède le plus de charges internes.
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Tanger
Fès
Ifrane
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Errachidia
Figure 3-8 : Degrés heures de rafraîchissement calculés par l’approche adaptative (à gauche) et par l’approche conventionnelle (à droite) pour les six zones climatiques du Maroc (la
température de consigne est 26°C)
Nous remarquons que les degrés heures de rafraîchissement calculés par l’approche adaptative sont beaucoup moins élevés que ceux de l’approche basée sur la température de consigne. Les degrés heures élevés de rafraîchissement sont constatés entre 12h et 19h, ce qui correspond à la période où le rayonnement solaire est élevé. Des surchauffes sont aussi ressenties entre 20h et 22h pour la période ou 5 occupants sont rassemblés dans le séjour. La somme des degrés heures de rafraîchissement calculés par l’approche adaptative est très faible à Ifrane et à Agadir et elle est de l’ordre de 385 °C.h et 692 °C.h respectivement. Cette somme est de 820 °C.h pour la ville de Tanger. Les villes de Fès, de Marrakech et Errachidia ne sont pas confortables en été. À Errachidia la période d’inconfort s’étale sur les 3 mois d’été avec une somme de degrés heures de rafraîchissement de l’ordre de 9380 °C.h. Cette période est moins longue à Fès et Marrakech, mais on constate des pics de chaleur élevée. La somme de degrés heures de rafraîchissement de ces deux villes est de l’ordre de 3947 °C.h et 5443 °C.h respectivement. Dans le cas de cette configuration dite de référence, nous pouvons conclure que les systèmes de refroidissement sont largement recommandés dans ces trois dernières villes. Les bâtiments des villes côtières et Ifrane peuvent être dispensés de ces systèmes. 3.4.3 Effet de l’orientation
L’orientation reste parmi les paramètres qui ont un impact important sur la conception des bâtiments neufs. Comme nous l’avons mentionné dans le chapitre 1, ce paramètre reste très dépendant de l’achat de terrain et donc il n’y a pas souvent de liberté de choix concernant ce paramètre. Ceci n’empêche pas de réaliser une étude permettant d’évaluer le potentiel de réduction des besoins énergétiques en fonction de l’orientation. Nous varions l’orientation de 10° et nous calculons les besoins de chauffage, les besoins de refroidissement et les besoins d’énergie finale pour les six zones climatiques (Figure 3-9).
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Figure 3-9 : Effet de l’orientation sur les besoins d’énergie finale pour les sic zones climatiques du Maroc.
Selon les résultats de la figure 3-9, nous remarquons que, la meilleure orientation pour la ville d’Ifrane est Est-Sud-Ouest. Ceci permet de bénéficier du rayonnement solaire en hiver par les trois façades Sud, Est et Ouest. Pour les autres villes, l’orientation Nord-Est-Sud est celle qui nécessite le moins de besoins en énergie finale. Ceci s’explique d’une part par l’intensité élevée du rayonnement solaire sur la façade Ouest par rapport à celle de l’Est. Et d’autre part, la présence de la façade d’orientation Nord qui ne reçoit pas de rayonnement solaire. On peut conclure alors que le choix d’une orientation adéquate du bâtiment permet de réduire d’environ 10% (en moyen 10 kWh/m².an) des besoins d’énergie finale.
3.4.4 Effet de la surface vitrée
Le Taux Global des Baies Vitrés (TGBV) est souvent décidé par l’Architecte en prenant en considération les préférences du propriétaire et des critères du confort thermique et visuel. Nous proposons une étude paramétrique en faisant varier le TGBV pour analyser l’influence des surfaces vitrées sur les besoins énergétiques du bâtiment de référence. Trois TGBV ont été étudiés à savoir 15%, 25% et 35%.
La Figure 3-10 montre que l’augmentation des surfaces vitrées n’a pas trop d’influence sur les besoins de chauffage vu l’orientation de ce bâtiment à l’exception d’Ifrane. Dans cette ville, les façades vitrées sont très déperditives en hiver. Par ailleurs, une influence significative est constatée sur les besoins de refroidissement dans toutes les zones climatiques, car le rayonnement solaire est élevé surtout sur les façades Est et Ouest en été. Généralement, les besoins de refroidissement dépassent les besoins de chauffage lorsque le taux de surfaces
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vitrées est supérieur 25% à Tanger, Agadir et Fès. Ces besoins doublent et même triplent lorsqu’on dépasse 25% et à 35 % à Marrakech et Errachidia respectivement.
Figure 3-10 : Effet du taux de surfaces vitrées sur les besoins énergétiques pour les six zones climatiques du Maroc.