Le cas d’étude présenté ici reste le même dans les différentes partie de cette thèse et plusieurs études numériques sont réalisées. Il s’agit d’un des bâtiments tests exploités dans le projet ANR FIABILITE du programme "bâtiments et villes durables".
1.2.1.1 Description du bâtiment test
Le bâtiment test fait partie d’une plateforme expérimentale : la plateforme INCAS basée sur le site de l’INES (Institut National d’Energie Solaire) au Bourget-du-Lac en Rhône-Alpes. Un des objectifs de cette plateforme est la validation de modèle. Elle est composée de plusieurs bâtiments basse consommation, de la même géométrie simple et compacte, mais avec des techniques constructives et des équipements différents. Chaque construction est instrumentée de plus d’une centaine de capteurs.
La maison étudiée est la Double-Mur (DM). Elle doit son nom à sa technique construc-tive qui consiste à placer l’isolation entre deux murs. On a ainsi, 15 cm de parpaing, 20 cm d’isolant et de nouveau 15 cm de parpaing. Les murs ont une épaisseur de 50 cm et la composition détaillée des parois est fournie en annexe. Un schéma résumant les prin-cipaux matériaux de la maison DM est présenté en figure 1.5. La technique constructive confère à la maison une certaine inertie qui peut se caractériser par le déphasage entre la sollicitation appliquée au bâtiment et sa réponse, ce qui permet un stockage de l’énergie
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Contexte de l’étude et définition de la problématique : Incertitudes et bâtiment à haute efficacité énergétique
reçue par le bâtiment et une restitution quand cela est nécessaire. Par exemple, en hiver, elle permet d’emmagasiner les apports gratuits issus du rayonnement solaire et contribue à les conserver plus longtemps réduisant ainsi les consommations énergétiques liées aux chauffages à condition qu’elle soit accompagnée d’une isolation performante.
Figure 1.5 – Principaux matériaux composant l’enveloppe du cas test INCAS-DM [61] La maison dispose de deux grandes baies vitrées en double vitrage au sud pour maxi-miser les gains solaires en hiver. Ces gains sont limités l’été à l’aide de la fonction de casquette du toit et du balcon. On observe cette disposition des vitrages en fonction de l’orientation sur la figure 1.6. Côté nord les pertes thermiques sont minimisées par de petites fenêtres en triple vitrage, tandis que les autres correspondent à du double vitrage. Le bâtiment est sur 4 niveaux, le vide sanitaire, le rez-de-jardin, l’étage et les combles. Une forte isolation entre les combles et l’étage ainsi qu’entre le vide sanitaire et le rez-de-jardin limite les échanges thermiques avec le sol ou le toit. Les bâtiments ont été conçus pour avoir une faible perméabilité à l’air, le taux d’infiltration est de 0.6 vol/h à 50 Pa. Le but est de limiter l’infiltration source de déperditions thermiques parasites qui sont particulièrement gênantes car elles ne sont pas contrôlées. On limite ainsi l’incertitude sur cette grandeur et sur le phénomène d’infiltration de manière globale. Par ailleurs, une attention particulière a été prise pour éviter les ponts thermiques qui entraînent sur la surface intérieure de la paroi une chute locale de température et crée des zones froides
1.2. EXEMPLE DE SOURCES D’INCERTITUDES ET DE LEURS
IMPACTS SUR UNE MAISON BASSE CONSOMMATION 17
North
South
East West
Figure 1.6 – Prise de vue de la maison DM associée aux croquis de la distribution des vitrages en fonction des 4 orientations.
dans un bâtiment. Ces phénomènes sont complexes à modéliser.
La maison DM a une stratégie d’optimisation énergétique dite passive. Grâce à ses caractéristiques d’enveloppe elle tente d’optimiser les gains et pertes énergétiques. Le faible taux d’infiltration, l’isolation importante de la paroi et des vitrages limitent les pertes. La distribution des vitrages en fonction des orientations et le couplage à des casquettes permettent de minimiser et maximiser les gains solaires en fonction de la saison réduisant ainsi les consommations énergétiques liées au chauffage ou au refroidissement.
1.2.1.2 Description du modèle associé Le logiciel de simulation EnergyPlus
EnergyPlus est un logiciel de simulation thermique dynamique à l’initiative de l’US De-partment of Energy qui est disponible depuis 2001 [12].
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Contexte de l’étude et définition de la problématique : Incertitudes et bâtiment à haute efficacité énergétique
Le schéma en figure 1.7 est tiré de la documentation d’EnergyPlus [44] et représente les différents éléments du logiciel. La description du bâtiment et les résultats (en bleu foncé dans le schéma) sont des fichiers textes ASCII, ce qui, nous le verrons plus tard, va permettre une automatisation des simulations. Dans le cas présenté ici, la géométrie du bâtiment est simulée à l’aide d’une interface graphique (GoogleSketchup) mais les autres caractéristiques du bâtiment (composition des murs, environnement, etc.) sont renseignées directement dans le logiciel.
Figure 1.7 – Hiérarchie et besoin d’EnergyPlus
EnergyPlus dispose de nombreuses fonctionnalités et une base importante de modèles validée qui est disponible gratuitement [44]. Ces atouts en font un des logiciels de simula-tion thermique dynamique le plus utilisé et alimenté par la communauté internasimula-tionale.
Hypothèses de simulation
La maison est séparée en 4 zones thermiques : le rez-de-jardin, l’étage, le vide sanitaire et les combles. Les échanges aérauliques entre zones ne sont pas considérés. Une zone thermique est un volume où l’on considère la température comme homogène. Dans le cas de la simulation de la maison DM, afin de simplifier les calculs, aucun système n’est considéré : ni ventilation ni climatisation. Ainsi, on ne s’intéresse, pour la modélisation du bâtiment, qu’à l’aspect passif de la maison c’est-à-dire son enveloppe comprenant les murs, les planchers, les plafonds ainsi que les fenêtres. Les ombrages dus aux casquettes sont aussi considérés. Le bâtiment est en évolution libre.
1.2. EXEMPLE DE SOURCES D’INCERTITUDES ET DE LEURS
IMPACTS SUR UNE MAISON BASSE CONSOMMATION 19
Le milieu extérieur est pris en compte par le fichier météo de Chambéry mais aussi par différentes grandeurs imposées par l’utilisateur dans la modélisation telles que l’albédo, la température du sol, les masques, etc. Les expériences et les simulations se font sans gains internes (ni occupation, ni équipement pouvant dégager de la chaleur).
Des casquettes aux bords de fenêtres ont été rajoutées afin de simuler l’ombrage dû au retrait de la fenêtre par rapport à la façade extérieure du mur de 50 cm. Ces "casquettes virtuelles" sont d’une largeur de 35 cm.