7. Phase 4 : Préfiguration d’une expérimentation in-situ
7.2 Petit collectif
7.2.1 Description du cas d’étude retenu
7.2.1.1 Description du bâtiment étudié
Le bâtiment se situe en zone urbaine sur un terrain en pente (Figure 7.3). Il comporte un niveau de caves enterré, un rez-de-jardin semi-enterré (R-1), un rez-de-chaussée (R), trois étages et un niveau de combles (R+4).
Figure 7.3 Plan de masse et vue aérienne du bâtiment
(sources : gauche : www.mairie-chambery.fr, droite : Géoportail)
7.2.1.2 Description du projet de rénovation
Le projet de rénovation consiste en l’amélioration thermique du bâtiment (isolation par l’extérieur des murs, isolation de la toiture, mise en place de vitrage performant, récupération de chaleur sur air vicié), l’aménagement de logements en rez-de-jardin et dans les combles, l’installation d’un plancher chauffant en rez-de-jardin, l’intégration de moyens de production de chaleur à partir d’énergies renouvelables (tels que chaudière à bois, micro-cogénération à bois, capteurs solaires thermiques), la récupération d’eau de pluie pour l’alimentation des WC et lave-linge, la création d’une buanderie collective et d’un garage à vélo.
7.2.1.3 Description de l’installation technique et du dispositif de suivi envisagé
Cette partie est tirée de [Letz 2009].
L’installation technique prévue sur le bâtiment est relativement complexe puisqu’elle fait intervenir (Figure 7.4) :
Des capteurs solaires thermiques utilisés pour la production d’eau chaude sanitaire Une unité de micro-cogénération à granulé de bois Sunmachine
Une chaudière à granulé de bois ou à gaz, utilisée en appoint ou en secours
Un ballon tampon de grande capacité pour assurer le chauffage des 12 logements via un réseau de chauffage à air (8 logements) et des planchers chauffants (4 logements)
Un ballon d’eau chaude bi-énergie pour la production d’eau chaude sanitaire, raccordé aux capteurs solaire et au ballon tampon
Un réseau de ventilation double-flux mettant en œuvre les caissons Ubio® pour le chauffage
V Ballon Bi-énergies T T Cogénération granulé Chaudière granulé stock granulé radiateurs (8 logements) planchers chauffants (4 logements)
eau chaude sanitaire C4 C1 C2 C3 C5 C6 C7 C8 E1 E2 granulé E6 E7 E5 Ballon tampon ventilation E8 air vicié air neuf él ec tr ic ité pr od ui te él ec tr ic ité co ns om m ée E4 E3 Tn Text Ir
Figure 7.4 Schéma-bloc de l’installation énergétique [Letz 2009]
Le dispositif de mesure, conçu par Thomas Letz, comporte :
des compteurs de chaleur (notés Ci) placé sur chaque branche des circuits d’eau
des compteurs électrique (notés Ei) pour évaluer la consommation électrique de tous les auxiliaires (circulateurs, ventilateurs) ainsi que la consommation et la production électrique de l’unité de micro- cogénération
une sonde d’irradiation pour mesurer l’irradiation solaire au niveau des capteurs (Ir)
des sondes de température, pour mesurer la température extérieure ainsi que les températures dans chacun des logements
Les données fournies par les différents compteurs, à partir de l’évaluation de la consommation de granulés, devrait permettre d’évaluer les rendements de la micro-cogénération et de la chaudière. Elles permettront aussi d’évaluer les besoins de chauffage et d’ECS, les pertes thermiques au niveau des ballons de stockage, les performances de l’ensemble de l’installation et la consommation électrique totale de tous les auxiliaires.
7.2.2 Simulation
7.2.2.1 Description de la modélisation réalisée
La modélisation réalisée ne tient compte que des niveaux R à R+4. La modélisation du niveau R-1 – qui n’était pas réalisée dans [Lenormand] – n’a pas semblé indispensable compte tenu de la complexité que représente la situation semi-enterrée de ce niveau. Il a été vérifié que cela n’avait pas d’incidence notable sur les résultats obtenus, ce qui s’explique par la forte isolation du plancher bas.
Les bâtiments voisins ont été modélisés avec le logiciel ALCYONE pour tenir compte de leur ombrage sur le bâtiment étudié (en gris sur la Figure 7.5).
141/161
Figure 7.5 Vue sud-ouest du bâtiment modélisé
Le modèle de bâtiment réalisé reprend l’ensemble des caractéristiques envisagées pour les compositions des parois et pour les ouvertures du bâtiment rénové.
Désignation Matériaux (épaisseur) Épaisseur Conductance thermique spécifique (coeff. U)
cm W.m-2.K-1
Murs extérieurs
isolés Pavatherm (20 cm) + Béton lourd (40 cm) 60 0,2
Murs int et ext. non
isolés Béton lourd (40 cm) 40 4,37
Cloisons Plâtre (2 cm) + Brique creuse (5 cm) + Plâtre (2 cm) 9 4,67
Cloisons isolées
(contact garages) Pavatherm (20 cm) + Cloison 29 0,2
Planchers interm. Carrelage (2 cm) + Mortier (15,5 cm) + Bois léger (2,5 cm) 20 3,19
Planchers interm.
isolés Pavatherm (16 cm) + Plancher interm. 36 0,24
Plancher rez-de- chaussée
Carrelage (4 cm) + Béton lourd (20 cm)
+ Panneau de liège (8 cm) 32 0,47
Désignation de l’ouverture Matériau Conductance thermique moyenne (coeff. U) Facteur solaire surface Part de vitrée
W.m-2.K-1 vitrage %
Porte d’entrée Bois isolé 0,70 0 0
Portes intérieures Bois 5 0 0
Fenêtres DV 10.16.4 Argon Cadre sapin 1,54 (Uw) 0,53 66
Fenêtres TV 4.10.4.10.4 Krypton Cadre bois 1,19 (Uw) 19 0,52 66
Tableau 7.1 Besoins de chauffage, températures et confort d’été
19 U
Les valeurs des ponts thermiques retenues sont faibles pour les parois extérieures (coefficient de déperdition linéique de 0,1 W.m-1.K-1) et élevées pour les balcons et l’avancée de toit (coefficient de déperdition linéique de 0,9 W.m-1.K-1). Elles ont été obtenues à partir du catalogue des ponts thermiques de
l’OFEN (Suisse) [OFEN 2003].
Le scénario de puissance dissipée considère une émission de 2000 kWh par an et par appartement, ce qui correspond à des logements plutôt économes. La répartition de cette émission de chaleur est homogène sur l’année mais présente des variations horaires (Figure 7.6). Cette hypothèse est peut-être optimiste car elle dépend aussi fortement de l’équipement des logements et de la manière dont ils sont utilisés, ce qui dépend du comportement de l’occupant.
Figure 7.6 Scénario horaire de puissance dissipée pour un appartement sur une journée
Les scénarios d’occupation considèrent au total 35 occupants pour les 10 appartements, soit 3,5 occupants par appartement. La puissance thermique moyenne émise par chaque occupant est de 80 W.
Une occultation de 70 % des fenêtres a été considérée de 10 h à 17 h en été pour les pièces à vivre, et la nuit toute l’année et le jour en été pour les chambres, afin de représenter les stores et volets qui seront mis en œuvre soit la nuit pour éviter les déperditions thermiques, sont le jour en été pour limiter les apports solaires passifs et éviter les surchauffes.
Un échangeur sur air vicié d’une efficacité moyenne de 60 % a été considéré. Le débit de ventilation a été fixé à 0,6 vol/h en hiver ce qui intègre la ventilation mécanique et les infiltrations. En été, le modèle ne permettant pas de désactiver l’échangeur, un débit de surventilation de 3,75 vol/h a été fixé de manière à correspondre à un débit de 1,5 vol/h sans échangeur.
La consigne de température est fixée dans un premier temps à 19 °C le jour et à 17 °C de 21 h à 8 h. Cette consigne constituera un paramètre qui sera étudié par la suite.
7.2.2.2 Méthode
Les calculs ont été réalisés par simulation dynamique sur une année de simulation avec un pas de temps demi-horaire à l’aide du logiciel Pléiades+COMFIE.
Le calcul de l’intensité des besoins de chauffage a été réalisé en considérant une surface chauffée de 848 m2, les surfaces des appartements du rez-de-jardin n’ayant pas été comptabilisées.
Une série de simulation a été nécessaire pour évaluer les performances optimales d’une unité de micro-cogénération à bois utilisée pour assurer une partie des besoins de chauffage, associée à un ballon de stockage thermique.
7.2.2.3 Résultats de simulation
7.2.2.3.a Comportement thermique du bâtiment rénové
Deux simulations ont été réalisées, l’une sans surventilation nocturne d’été et l’autre avec une surventilation nocturne de 1,5 vol/h.
Simulation Besoins de chauffage Tmin Tmax DJI 27 °C
kWh/an kWh/m2/an °C °C °C.j Sans surventilation nocturne 22 347 26,4 17 30,41 47 Avec surventilation nocturne 22 779 26,9 17 29,26 2
143/161 Les résultats obtenus montrent que
Le bâtiment rénové devrait présenter des besoins de chauffage limité (27 kWh/m2/an),
correspondant aux besoins d’un bâtiment très performant (le niveau « Maison Passive » est à 15 kWh/m2/an).
Avec la surventilation nocturne, la température maximale est de 29,5 °C et l’inconfort ne dépasse pas 2 degrés-jour par an. Ces performances semblent satisfaisantes et la surventilation devrait permettre d’éviter la mise en place de moyens de rafraîchissement actifs (p. ex. climatisation).
7.2.2.3.b Simulation du bâtiment équipé de la micro-cogénération à bois
Les calculs réalisés dans cette partie s’appuient sur le modèle d’unité de micro-cogénération à bois a été réalisé dans le cadre de ce projet. L’unité « Sunmachine Pellet » qui a servi à l’établissement du modèle était une unité de pré-série présentant des performances bridées par rapport à celles des unités effectivement commercialisées. De plus, elle présentait certains défauts (régulation, colmatage de la grille dans la chambre de combustion) que le fabricant a vraisemblablement corrigés depuis l’étude sur banc d’essai. Le modèle conçu et étalonné spécifiquement pour l’unité de pré-série étudiée précédemment ne peut donc donner qu’un ordre d’idée des performances de l’unité qui pourra être installée dans le bâtiment rénové. Néanmoins, en l’absence de données complémentaires sur les caractéristiques des unités commercialisées aujourd’hui, c’est ce modèle qui a été utilisé pour réaliser les calculs.
Le ballon d’eau chaude considéré est isolé par 5 cm de polyuréthanne et les canalisations par 3 cm d’EPDM20. Il fournit l’eau chaude au circuit de chauffage. L’appoint calculé représente ici un appoint
instantané, intervenant après la sortie du ballon. Le volume de ballon ne tient donc pas compte de la totalité de la puissance nécessaire au chauffage de la maison mais uniquement de celle fournie par l’unité de micro- cogénération. Si, en pratique, l’appoint intervient directement sur le ballon de stockage (chaudière à bois couplée au ballon via un échangeur interne), il sera nécessaire de tenir compte de cette puissance supplémentaire pour le dimensionnement optimal du ballon.
Une série de simulations a été réalisée en faisant varier le volume du ballon de stockage (Figure 7.7).
Figure 7.7 Evolution de quelques grandeurs caractéristiques du système de chauffage par micro- cogénération en fonction du volume du ballon de stockage
Les résultats montrent que l’influence du volume du ballon de stockage est variable : un petit volume (700 l) a tendance à réduire les pertes thermiques du système et par conséquent la consommation de bois
et le facteur de charge, mais aussi la couverture des besoins de chauffage et le bilan électrique. L’unité de micro-cogénération est alors sous-utilisée. Pour un volume plus important (> 1200 l), ces tendances s’adoucissent et le volume du ballon n’a alors plus tellement d’impact sur les performances du système. Sur- dimensionner le ballon ne semble pas présenter d’intérêt s’il n’est utilisé que par l’unité de micro- cogénération. Par contre, un volume supérieur est nécessaire du fait que le ballon doit assurer le chauffage de 12 logements (au lieu des 10 considérés ici, soit 20 % de capacité en plus) et intégrer l’appoint de chauffage (correspondant à environ 33 % de capacité en plus). Le dimensionnement réellement retenu sera donc plutôt de 1900 l.
Pour un dimensionnement correct du volume du ballon (1200 l dans le cas de la simulation), les performances du système de cogénération sont donc de l’ordre de :
Consommation de bois 6,2 t/an Facteur de charge 36 % Couverture des besoins de chauffage 75 %
Bilan électrique net 3,3 MWh/an
Tableau 7.3 Besoins de chauffage, températures et confort d’été
Les performances de l’unité de micro-cogénération ne dépendent quasiment pas du dimensionnement du ballon. Environ 50 % de l’énergie du combustible est récupérée sous forme thermique pour le chauffage du bâtiment et 14 % sous forme électrique, le reste (36 %) étant perdu. Le bilan électrique est réduit en raison de l’auto-consommation du système qui requiert une quantité importante d’électricité à chaque démarrage. En déduisant la consommation électrique de la production, le bilan électrique net descend à environ 11 %.
7.2.3 Coût prévisionnel de l’installation expérimentale
Equipement Coût Remarque
Unité de micro-cogénération
(Sunmachine Pellet) 25 000 € Pas de crédit d’impôt prévu Cheminée Sunmachine 7 300 €
Chaudière à bois pour appoint et secours
(Ökofen PES 58kW) 16 000 € Cheminée Ökofen 9 000 €
Panneaux solaires (45 m2) 70 000 € 45 000 € déduction faite d’un crédit d’impôt Ballon tampon (1900 l) 3 000 €
Canalisations d’eau + isolation, circulateurs 10 800 € Main d’œuvre installation 29 000 €
Instrumentation et suivi 35 000 € (équipements + traitement et analyse des données)
Tableau 7.4 Prix des différents éléments de l’installation
7.2.4 Étude environnementale de l’installation
La méthode appliquée pour cette étude est celle de l’analyse du cycle de vie et le calcul des impacts s’appuie sur la base de données Ecoinvent 2.0. L’étude environnementale réalisée concerne uniquement l’unité de micro-cogénération et tient compte : de sa fabrication, de sa maintenance (données de la base Ecoinvent), de la combustion du granulé de bois, de la consommation et de la production d’électricité. Elle a été réalisée pour une durée de vie du système de 15 ans. Huit indicateurs définis dans le logiciel EQUER
145/161 (Tableau 7.5) ont été calculés dans les cas où le chauffage du bâtiment étudié plus haut est assuré par l’unité de micro-cogénération et où l’appoint est assuré par la chaudière à bois21.
Légende Indicateurs d’impacts Unité Impact moyen annuel d’un habitant (France 1997)
ENERGIE Demande cumulative d’énergie GJ 175,54
EAU Eau utilisée m3 339
DECHETS Déchets produits (non-radioactifs) t eq 10,4 DECHETSRAD Déchets radioactifs produits dm3 0,51 PRG100 Potentiel de réchauffement global à 100 ans t CO2-Eq 8,68
ACIDIF Potentiel d’acidification kg SO2-Eq 62,3
EUTROPH Potentiel d’eutrophisation kg PO43--Eq 38,1
O3-SMOG Formation d’ozone photochimique (smog d’été) kg C2H4-Eq 19,7
Tableau 7.5 Les indicateurs calculés par EQUER Source : [Popovici 2006]
Le calcul des impacts liés à la combustion du bois sont directement déduits des impacts de la production chaleur à partir de granulé de bois tirés de la base de données Ecoinvent 2.0.
Élément Unité ENERGIE EAU DECHETS DECHETSRAD
GJ m3 t eq dm3
Élec. Base 1 TJ 3,20E+03 1,68E+03 1,29E+01 1,21E+01
Élec. Chauffage 1 TJ 3,33E+03 1,31E+03 4,30E+01 7,62E+00
Bois de chauffage (PCS) 1 TJ 1,12E+03 1,74E+01 2,57E+00 2,46E-02
Élément Unité PRG100 ACIDIF EUTROPH O3-SMOG t CO2 kg SO2 kg PO4 kg C2H4
Élec. Base 1 TJ 2,81E+01 1,15E+02 8,40E+00 4,83E+00
Élec. Chauffage 1 TJ 1,24E+02 6,36E+02 4,01E+01 2,57E+01
Bois de chauffage (PCS) 1 TJ 4,88E+00 1,33E+02 3,33E+01 1,92E+00 Tableau 7.6 Indicateurs d’impacts des ressources énergétiques considérées
Nucléaire Hydraulique et EnR Gaz Charbon Fioul Total
France, Base 78 % 14 % 4 % 4 % 0 % 100 % France, Chauffage 48 % 5 % 10 % 27 % 10 % 100 %
Tableau 7.7. Bouquets électriques considérés
Énergie Eau Déchets Déchets rad. PRG100 Acidif. Eutroph. O3-Smog
GJ m3 t eq dm3 t CO2 kg SO2 kg PO4 kg C2H4
2,873E+03 -2,603E+01 2,887E+01 -1,179E+00 2,727E+01 2,546E+02 4,909E+01 7,360E+00
Tableau 7.8 Impacts environnementaux, pour une durée de vie de 15 ans
Les résultats pour les huit indicateurs d’impact ont été normalisés et exprimés relativement à l’impact moyen annuel d’un habitant de France. Ceci permet de mettre en évidence l’importance relative des différents impacts (Tableau 7.9 et Figure 7.8)
Énergie Eau Déchets Déchets rad. PRG100 Acidif. Eutroph. O3-Smog
1,636E+01 -7,678E-02 2,776E+00 -2,313E+00 3,141E+00 4,086E+00 1,289E+00 3,736E-01
Tableau 7.9 Impacts environnementaux normalisé, exprimé en année-habitant
21 Besoins de chauffage : 27 MWh/an, dont 17,48 MWh fournis par l’unité de cogénération (rendement
thermique sur PCS : 46 %, rendement électrique net sur PCS : 10 %) et le reste par la chaudière d’appoint (rendement sur PCS : 70 %). PCS granulé de bois : 19,3 MJ/kg.
Figure 7.8 Indicateurs d’impacts, exprimés en équivalent année-habitant
Ces résultats montrent que l’impact le plus important est celui de la demande en énergie primaire, ce qui est logique pour un équipement de chauffage. L’unité de micro-cogénération, qui assure le chauffage des 35 occupants des 10 logements durant 15 ans demande environ autant d’énergie qu’un habitant durant cette même période. Les autres impacts sont relativement plus faibles. Pour la consommation d’eau ou la production de déchets radioactifs, les indicateurs sont même négatifs, ce qui signifie que la production d’électricité par l’unité de micro-cogénération permet d’éviter ces impacts.
Cependant, ces résultats ne montrent pas que d’autres solutions de chauffage pourraient présenter – au moins pour certains impacts – un meilleur bilan environnemental. En particulier, l’usage d’une chaudière à condensation à gaz performante, bien que présentant des impacts plus élevés sur les indicateurs d’énergie primaire, de déchets radioactifs ou de potentiel de réchauffement global, pourrait réduire les impacts sur la santé et la biodiversité, ainsi que l’eutrophisation et l’acidification des eaux. D’autres comparaisons intéressantes pourraient être menées avec une unité de micro-cogénération à gaz et avec une chaudière à condensation à bois. Une étude détaillée comparant plusieurs types de production de chaleur sur plusieurs cas de figure est présentée dans [Thiers 2008].
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