Présentation du cas d’étude

1. Géométrie et zonage thermique

Nous commençons par tester en premier lieu la méthode sur un cas volontairement simple mais suffisamment représentatif d’un espace de bureau. Il s’agit d’un étage type de bureaux dans un immeuble dont les caractéristiques sont résumées dans le tableau 19 ci-dessous :

Caractéristique Valeur

Surface 800m²

Largeur 16m

Longueur 50m

Hauteur sous plafond 3m

Profondeur des bureaux 7m

Ratio de surface vitrée 50%

Thèse de doctorat – Aymeric NOVEL 137

La figure 61 ci-dessous illustre le plan de bureau type considéré pour l’étude. L’orientation des façades principales est nord/sud.

Figure 61: Vue axonométrique du modèle de plateau de bureaux

La figure 62 illustre le zonage thermique, avec une zone d’espaces de bureaux en open space et une zone centrale de circulations.

Figure 62: Zonage thermique de l'étage de bureau modélisé

2. Enveloppe

Les caractéristiques thermiques de l’enveloppe sont fixées à des valeurs performantes, reflétant un projet ayant de bonnes caractéristiques thermiques au niveau de la conception (typiquement un projet récent, visant un niveau supérieur à la RT2012), comme résumé dans le tableau 20 ci-dessous :

Caractéristique Composition U (W/m².K) FS (%) TL (%) Murs extérieurs 150mm béton / 200mm ITE (fibre de verre) / 30mm bardage 0,2 - - Plancher intermédiaire 10mm Faux-Plafond / 100mm air / 100mm béton / 3mm moquette 1,4 - - Vitrages

Double vitrage basse émissivité 6/13/6 à lame

d’argon

1,5 56% 74%

Stores extérieurs Store diffusant - 5% 5%

Thèse de doctorat – Aymeric NOVEL 138

Étant donné que nous simulons uniquement un étage courant, les planchers intermédiaires sont considérés adiabatiques. Les infiltrations d’air de l’enveloppe sont modélisées en dynamique (simulation thermo-aéraulique) via l’objet « AirflowNetwork » intégré à EnergyPlus puisque nous modélisons les débits générés par l’ouverture des fenêtres pour le propos de cette étude. Les taux d’infiltrations calculés prennent en compte l’effet du vent et des différences de température. Dans le modèle considéré, les infiltrations peuvent atteindre 0,5vol/h durant les pires conditions (hors ouverture de fenêtre).

3. Climat et environnement

Nous avons simulé cet étage type de bureau dans le contexte du climat de Paris en utilisant les données de la station météo Paris Orly issues de la base de données International Weather Energy Calculation (IWEC). L’albédo est fixé à 20% et nous ne considérons pas de masques environnants.

4. Apports internes et ventilation

Le taux de ventilation considéré est de 36m3/h/personne pour une densité occupation de 0,1pers/m². Le métabolisme moyen considéré est de 110W/personne, correspondant aux apports totaux classiques utilisés pour l’étude thermique de projets de bureaux. Les horaires de présence sont définis de 9h à 18h avec 50% de présence entre 12h et 14h.

La densité de puissance installée d’éclairage est prise à 5W/m². La puissance utile moyenne de bureautique simulée est de 8W/m².

Tous les paramètres concernant les apports internes sont décrits par leurs valeurs par défaut. Ils font partie des paramètres que nous ferons varier dans le cadre de l’application de notre méthodologie.

5. Modélisation des systèmes CVC

Le modèle CVC considéré est de type « tout air neuf » avec récupération d’énergie sur l’air extrait associée à un rendement de 70%, sans régulation du débit d’air neuf sur sonde de CO2. Les bureaux sont chauffés par ventilo-convecteurs.

Le chauffage est assuré par une chaudière gaz à condensation. La puissance de la chaudière est limitée à 80kW. La climatisation est assurée par un groupe froid refroidi à air dont la puissance est également limitée à 80kW.

Thèse de doctorat – Aymeric NOVEL 139

Figure 63: Modèle SED des systèmes CVC associés aux espaces de bureaux

6. Résultats de la simulation de référence

Dans les différents tests présentés dans les parties suivantes, nous calculons tour à tour les besoins de chauffage (partie C), les consommations de chauffage (partie D) et les consommations énergétiques tous usages (partie E). Nous présentons dans cette parties les résultats des consommations tous usages correspondant aux scénarios de référence appliqués dans la partie E. Les consommations pour tous les usages énergétiques sont calculées, à savoir :

- CH : chauffage - CL : climatisation - VENT : ventilation - PUMP : pompes - ECL : éclairage - BUR : bureautique

Les consommations de référence suivantes calculées de manière séparée pour l’hiver, défini du mois de novembre au mois de mars, et l’été, défini du mois d’avril au mois d’octobre, sont alors les suivantes :

- CHref = 12,3 kWh/m²/an - CLref = 17,9 kWh/m²/an

- VENTref = VENTref_hiv (6,6) + VENTref_ete (8,4) = 15 kWh/m²/an - PUMPref = PUMPref_hiv (0,3) + PUMPref_ete (2,6) = 2,9 kWh/m²/an - ECLref = ECLref_hiv (5,3) + ECLref_ete (7,4) = 12,7 kWh/m²/an - BURref = BURref_hiv (6,7) + BURref_ete (9,4) = 16,1 kWh/m²/an La consommation totale de référence en énergie finale est de :

- TOTref = TOTref_hiv (31,3) + TOTref_ete (45,7) = 77 kWh/m²/an

Groupe froid air-air Chaudière à

condensation

Pompes EC

CTA tout air neuf double flux

Pompes EG

Ventilo-convecteur 4 tubes

Zone thermique des espaces de bureaux

Thèse de doctorat – Aymeric NOVEL 140

Cela correspond à une consommation en énergie primaire de 179,3kWhep/m²/an pour les systèmes considérés ici. Dans la figure 64 ci-dessous, nous comparons cette consommation aux statistiques de consommations 2017 pour les bureaux du baromètre 2017 de l’OID, abordées dans le chapitre 1 :

Figure 64: Consommations de référence sur l'échelle des consommations des bureaux du baromètre OID 2017

Notre scénario de référence se situe en classe C qui ne représente que 6% des cas réels constatés sur un échantillon de 1790 bâtiments de bureaux. La moyenne des consommations réelles des bureaux récents construits sous la réglementation RT2012, est quant à elle de 364kWhep/m²/an, soit située dans la classe E. Notre simulation de référence est donc bien représentative d’un bâtiment basse consommation.

7. Liste des facteurs et formulation

Le cas d’étude est relativement simple. Ainsi, par rapport à la liste de facteurs établie dans le chapitre 2, nous sélectionnons ceux qui peuvent s’appliquer concrètement sur ce cas de plateau de bureaux type, sans prétendre être exhaustifs pour autant, le but étant également de manipuler un nombre raisonnable de facteur à ce stade. Le tableau 21 donne la liste des facteurs d’étude :

Famille de facteur Facteurs

Comportements

Niveau d’ouverture des fenêtres Heures d’ouverture des fenêtres Niveau de fermeture des stores Heures de fermeture des stores

Heures de fonctionnement de la bureautique Température de consigne

Heures de fonctionnement de l’éclairage % des occupants absents

Simulation de référence : 179,3kWhep/m²/an

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Usages et process

Densité de puissance de bureautique Densité de puissance d’éclairage Densité d’occupation

Métabolisme

Exploitation CVC

Température de départ de l’eau chaude/froide DT eau chaude/froide

Température de consigne en période d’occupation

Heures d’application de la consigne de température en occupation Température de consigne en période d’inoccupation

Débit d’air neuf CTA en inoccupation Débit d’air neuf CTA en occupation

Heures d’application du débit d’air neuf en occupation Température de soufflage de la CTA en occupation

Heures d’application de la température de soufflage de la CTA en occupation Température de soufflage de la CTA en inoccupation

Climat

DJUc base 18 DJUf base 10

Humidité relative extérieure moyenne Ensoleillement horizontal global moyen

Tableau 21: Liste des facteurs pour la construction du métamodèle des consommations de l'espace type de bureaux

Par ailleurs, ces facteurs se déclinent pour la plupart sous la forme de couples niveaux/horaires. Nous avons postulé dans notre méthodologie qu’une formulation de type moyenne représentative était appropriée. Ici, les niveaux sont donc des niveaux journaliers moyens et les horaires sont des durées journalières moyennes. Nous avons également considéré les facteurs climatiques car bien que nous postulions que ces derniers ne sont pas les seuls facteurs influents, ils doivent être intégrés aux modèles de la consommation en exploitation. Ces derniers sont exprimés sur la période de calcul de la consommation.

C. Application de la méthode pour le calcul des besoins de chauffage en