Etude des besoins d’énergie et du confort estival dans les pièces de référence

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portant sur l’enveloppe et l’usage du bâtiment

CHAPITRE 3. ETUDE D’ACTIONS D’AMELIORATION DU CONFORT D’ETE PORTANT

3.2 Etude du potentiel d’actions portant sur l’enveloppe et l’usage du bâtiment en termes de réduction des besoins de

3.2.1 Etude des besoins d’énergie et du confort estival dans les pièces de référence

3.2.1.1. Evaluation des besoins de refroidissement et de chauffage

Les besoins de chauffage et de refroidissement des pièces de référence obtenus par simulation sont donnés par m² de surface traitée (climatisée et chauffée) dans le Tableau 3.11.

Tableau 3.11. Besoins de chauffage et de refroidissement des cas de référence pour les différents climats

Besoins de la pièce étudiée [kWh/m²]

Chauffage Refroidissement

Trappes 30,1 74,4

Bureau

Nice 3 163,2

Trappes 55,1 11

Appartement

Nice 13,8 31,3

Trappes 70,6 52,9

Boutique

Nice 19,6 111,3

De façon générale, les besoins de chauffage sont plus élevés dans les boutiques, devant les appartements et les bureaux, alors que les besoins de refroidissement sont plus accentués dans les bureaux, devant les boutiques et les appartements. Ces écarts s’expliquent par les différences importantes qui existent en termes de surfaces vitrées, de gains internes et d’infiltrations d’air (Tableau 3.12). Concernant le confort d’été, des charges internes élevées et des surfaces vitrées importantes favorisent l’augmentation des besoins de refroidissement dans les bureaux et la boutique par rapport à l’appartement. Cependant, le taux de renouvellement d’air élevé de la boutique contribue quant à lui à une diminution des besoins de refroidissement (free cooling).

Tableau 3.12. Comparaison des pièces de référence selon trois paramètres Charges

internes Surface vitrée orientée

sud ou ouest Renouvellement d’air

Pièce de bureaux Elevées Moyenne Faible

Boutique Elevées Elevée Elevé74

Chambre Faibles Moyenne Faible

Courbes de charge

Les courbes de charge de la boutique et de l’appartement à Trappes sont présentées respectivement sur les Figure 3.9 et Figure 3.10. Malgré une dispersion des points importante, une corrélation linéaire entre les besoins de refroidissement et la température extérieure apparaît dans les deux cas. De l’ordre de 8 °C pour le bureau et de 13 °C pour l’appartement, la température de non refroidissement est très faible. De plus, sur les 1423 heures de rafraîchissement dans le bureau de Trappes, la température extérieure n’est supérieure à 25 °C que pendant 51 heures. Le même phénomène se retrouve dans le bureau situé à Nice où les heures de refroidissement correspondant à des températures extérieures supérieures à 25 °C se comptent au nombre de 305 sur un total de 2539.

74 Pour intégrer l’ouverture fréquente de la porte d’entrée (3 m²), nous avons supposé dans nos simulations que celle-ci était ouverte sur 15 % de sa surface pendant les heures d’occupation.

Ces observations traduisent le fait qu’il n’y a pas de gestion des ouvertures pour introduire de l’air extérieur (plus frais) à l’intérieur des locaux climatisés et que la ventilation à des fins hygiéniques ne suffit pas à refroidir significativement un bâtiment. Dans le cas des boutiques et des bureaux, ces besoins de refroidissement à faibles températures s’expliquent aussi par la quantité importante de chaleur dégagée par l’éclairage et les équipements de bureautique.

a) b)

Figure 3.9. Courbes de charge pour le bureau (a) et l’appartement (b) situés à Trappes La Figure 3.10 présente les besoins pour le bureau à Nice, dans le cas où toutes les heures sont prises en compte (a) et dans le cas où la première heure d’occupation du lundi est exclue (b). Les relances de climatisation apparaissent clairement sur la Figure 3.10a), elles sont nécessaires pour atteindre la consigne de température après des périodes de week-end pendant lesquelles aucune stratégie de lutte contre l’inconfort d’été n’est mise en place. Un dimensionnement de systèmes de climatisation permettant de satisfaire ces besoins de relance impliquerait un surdimensionnement d’un facteur 2 pour le reste du temps de fonctionnement. En raison du réduit de température, ce phénomène de relance est nettement moins marqué en période de chauffage.

a) b)

Figure 3.10. Courbe de charge pour le bureau à Nice en considérant toutes les heures d’occupation (a) en enlevant la première heure d’occupation le lundi (b)

3.2.1.2. Influence de la consigne sur les besoins de climatisation

La consigne de température que nous avons retenue pour les cas de référence permet un confort total75 tout en minimisant les consommations d’énergie (toutes choses égales par ailleurs). Elle correspond aussi à la valeur limite recommandée76 par la loi française (RF, 2007) qui stipule que dans les locaux

75 Il n’y a pas d’inconfort selon les normes étudiées au chapitre 2.

76 A l’heure actuelle, il n’y a pas de sanction prévue en cas de non-application.

dans lesquels est installé un système de refroidissement, celui-ci ne doit être mis ou maintenu en fonctionnement que lorsque la température intérieure des locaux dépasse 26 °C77.

La réalité est cependant généralement différente sur le terrain78. Les Figure 3.11a) et b) présentent l’impact du choix de la consigne de température sur les besoins de climatisation des bureaux et des appartements. Dans les bureaux, les besoins s’élèvent d’environ 10 à 15 % lorsque la consigne diminue de 1 °C ; dans le cas des appartements, cette augmentation est de l’ordre de 40 à 50 %. Aussi, même si elle ne sera pas étudiée par la suite, l’augmentation des températures de consigne, pouvant être obtenue en veillant à l’application du décret ou par des campagnes de sensibilisation, permet des économies d’énergie substantielles.

Figure 3.11. Impact de la consigne sur les besoins de refroidissement du bureau (a) et de l’appartement (b)

3.2.1.3. Evaluation du confort thermique à l’intérieur des pièces de référence Comme nous l’avons indiqué dans la partie 3.1.1, les bâtiments de référence ont été simulés en évolution libre, sans équipement de climatisation. Les résultats obtenus en termes d’inconfort sont regroupés dans le Tableau 3.13 où ils sont exprimés en heures d’occupation inconfortables, en pourcentage d’heures inconfortables par rapport aux heures d’occupation et en degrés-heures d’inconfort. Ces différents indices ont été calculés, d’une part sur la base de la zone de confort adaptative (voir chapitre 2), et d’autre part sur la base de la zone de confort analytique (température maximale autorisée de 26 °C). Dans le cas de la boutique, où les moyens d’adaptation sont pratiquement inexistants, seule la seconde zone de confort peut être utilisée.

Tableau 3.13. Inconfort dans les pièces de référence non climatisées Inconfort par rapport à la zone

adaptative

Inconfort par rapport à Top = 26 °C

77 Il n’est pas précisément mentionné s’il s’agit de la température de l’air ou de la température opérative mais l’utilisation de cette dernière paraît plus vraisemblable dans une approche d’évaluation du confort.

78 A titre d’exemple, les enquêtes de terrain menées par Moujalled (2007) et présentées Figure 3.12 et Figure 3.13montrent que les consignes des trois bâtiments climatisés étudiés sont de l’ordre de 22, 25 et 28 °C.

L’inconfort estival régnant dans les pièces de référence est important ; de l’ordre de 10 à 25 % des heures d’occupation sont inconfortables dans les appartements et les bureaux, environ 30 à 50 % le sont dans le cas des boutiques. Ceci est lié à des situations défavorables (orientation sud-ouest, positionnement sous la toiture) et à une protection contre l’inconfort estival quasiment inexistante. Ces cas de référence doivent être considérés comme un point de départ pour l’étude d’améliorations et non comme représentatifs de l’ensemble du parc français.

Nos résultats sont cependant en accord avec l’étude menée par Feldmann et Schwarzberg (2009) à partir de simulations en ventilation naturelle d’un bâtiment collectif non rénové (Tableau 3.14). Selon cette étude, la période d’inconfort dans les logements situés au dernier étage du bâtiment est de l’ordre de 7 % du temps d’occupation à Trappes et de 50 % à Nice, contre respectivement 12 et 30 % selon nos résultats.

Tableau 3.14. Fréquence relative (% du temps d’occupation) d’apparition d’une température opérative de plus de 26 °C dans un bâtiment collectif non rénové (résultats obtenus par simulations) (Feldmann

et Schwarzberg, 2009)

Trappes Agen Nice

RDC pignon 1,6 % 8 % 29 %

RDC milieu de façade 1,6 % 8 % 31 % Dernier étage pignon 6,9 % 26 % 48 % Dernier étage milieu de façade 7,1 % 28 % 50 %

Si l’inconfort de nos pièces de référence peut paraître élevé, des enquêtes menées dans 8 bâtiments de bureaux situés à Lyon ou à proximité (Moujalled, 2007) ont montré que la réalité n’était pas si éloignée de nos résultats. La Figure 3.12 agrège les résultats de cette étude et révèle que deux des cinq bâtiments non climatisés ont des températures moyennes supérieures à 30 °C. De plus, la Figure 3.14, qui présente les fréquences d’occurrence des températures cumulées par catégorie de bâtiment, indique que la température opérative dans les bâtiments ventilés naturellement en été est supérieure à 26 °C pendant plus de 50 % du temps d’occupation. Le constat tiré de ces enquêtes de terrain en matière de confort est donc pire que nos résultats qui prédisaient des périodes d’inconfort de l’ordre de 15 à 40 % du temps d’occupation dans les bureaux (Tableau 3.13). Si nos pièces de référence ne sont pas représentatives de l’ensemble du parc français, elles semblent correspondre, de façon correcte, à la part du parc susceptible de devenir climatisée.

Figure 3.12. Températures opératives rencontrées en été (les rectangles représentent la médiane et les premier et troisième quartiles, la croix rouge est la moyenne, les points bleus sont les minimum et

maximum), les bâtiments A, B et T sont climatisés (Moujalled, 2007).

Figure 3.13. Fréquence d’occurrence des températures opératives intérieures – Résultats d’enquêtes de terrain (Moujalled, 2007)

Vitesses d’air

Comme le montre la Figure 3.14, le taux de renouvellement d’air lié à l’usage des ouvertures des fenêtres peut atteindre 12 volumes/heure dans les bureaux. Cette valeur peut paraître élevée mais correspond en fait à des vitesses d’air acceptables.

En effet, selon Graça (2003), qui a développé des modèles79 de prédiction des vitesses d’air dans les pièces où la ventilation est traversante, la vitesse maximale peut s’écrire comme indiqué par l’équation (3.2).

max

qin

Ainlet Cd (3.2)

Avec : qin le débit entrant (m3/s), Ainlet, la surface d’entrée et Cd, le coefficient de décharge égal à 0,611.

Dans notre cas, la surface la plus faible est celle de la porte (6 m²) et c’est donc ici que nous rencontrerons les vitesses les plus élevées. L’utilisation de l’équation (3.2) aboutit pour 12 volumes/heure à une vitesse de 0,22 m/s, valeur inférieure au 0,8 m/s généralement considéré comme gênant pour une activité de bureau. Nous avons vérifié que les vitesses d’air rencontrées dans les autres pièces de référence étaient acceptables.

Figure 3.14. Taux de renouvellement d’air lié à l’usage des fenêtres dans la pièce de bureaux non climatisée en période d’occupation.

79 Basés sur de la CFD et des corrélations expérimentales.

3.2.2 Spécification technique des actions étudiées dans le

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