Modélisation Analytique et Simulation Numérique de l’Evaluation de l’Efficacité Energétique des Bâtiments

THESE DE DOCTORAT

Présentée par :

Mohamed SAIDI HASSANI ALAOUI

Discipline : Physique

Spécialité : Mécanique & Énergétique Sur le Thème :

Modélisation Analytique et Simulation Numérique de

l’Evaluation de l’Efficacité Energétique des Bâtiments

Le 20 Janvier 2016, devant le jury composé de :

Président

Kamal GUERAOUI : P.E.S à la Faculté des Sciences de Rabat.

Examinateurs

El Houssaïne EL RHALEB : P.E.S à la Faculté des Sciences de Rabat. Najem HASSANAIN : P.E.S à la Faculté des Sciences de Rabat. EL Hassan El KAFSAOUI : P.E.S à la Faculté des Sciences de Kenitra. Bennasser BAHRAR : P.E.S à l’ENSET de Mohammedia.

Invités

Mohammed CHERRAJ : P.A à la Faculté des Sciences de Rabat. Mohamed TAIBI : P.A à la Faculté des Sciences de Casablanca.

RABAT

A MES PARENTS

Aucune expression ne saurait exprimer toute l’affection et tout l’amour que je vous porte.

Que ce travail soit l’exaucement de vos voeux tant formulés, de vos prières

et le fruit de vos innombrables sacrifices.

A mes bien aimés soeurs et frères A mes respectueux professeurs

A mes très cher(e)s ami(e)s

Ce travail a été réalisé au sein de l’Equipe de Modélisation Numérique et Théorique en Mécanique des Fluides et Environnement et l’Equipe Photonique du Laboratoire de Physique Théorique de la Faculté des Sciences de Rabat, sous la direction des Professeurs Kamal

GUE-RAOUIet El Houssaïne EL RHALEB.

Je désire exprimer ma profonde gratitude en premier lieu a mon directeur de thèse, Mr.

Kamal GUERAOUI, Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de

Rabat et Responsable de l’Equipe de Modélisation en Mécanique des Fluides et Environne-ment, qui m’a encadré avec patience durant la réalisation de ce travail et j’ai été très honoré qu’il accepte de présider mon jury de thèse. Ses qualités scientifiques, pédagogiques et tout simplement humaines ont été sans conteste à l’origine du si bon déroulement de cette thèse.

Je suis reconnaissant envers, mon codirecteur de thèse, Mr. El Houssaïne EL RHALEB, Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Rabat et Responsable de l’Equipe Photonique, pour m’avoir fait bénéficier de ses compétences scientifiques et de ses qualités humaines, pour ces précieux conseils tout au long de cette période et pour son soutien constant pendant la rédaction de cette thèse.

Je tiens aussi à remercier vivement Mr. Najem HASSANAIN, Professeur de l’Ensei-gnement Supérieur à la Faculté des Sciences de Rabat, pour s’être penché sur mon travail en qualité de rapporteur et pour la pertinence de ses commentaires ainsi son aide précieuse.

Je suis également très reconnaissant envers Mr. Hassan El KAFSAOUI, Professeur de l’Enseignement Supérieur à la Faculté des Sciences de Kénitra, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail et pour avoir accepté d’être rapporteur et de consacrer une partie de son temps à

Je souhaite exprimer ma gratitude à Mr. Bennasser BAHRAR, Professeur de l’Ensei-gnement Supérieur à la Faculté des Sciences et Technique Mohammedia, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail et d’avoir accepté de juger mon travail.

J’aimerais ensuite remercier Mr. Mohammed CHERRAJ, Professeur Assistant à la Fa-culté des Sciences de Rabat pour sa participation parmi les jurys.

Je suis également très reconnaissant envers Mr. Mohamed TAIBI, Professeur Assistant à la Faculté des Sciences de Casablanca, pour avoir accepté de faire partie de ce jury.

Une mention toute particulière est adressée à mon très cher frère E. Issam, J. Ahmed et tous mes collègues de Laboratoire de Physique Théorique de Faculté des Sciences de Rabat qui m’ont soutenu tout au long de mes années de recherche.

Je tiens enfin à exprimer ma gratitude à tous les membres de ma grande famille, en parti-culier Madames B. Amina pour son effort et son sacrifice ainsi que ses encouragements tout au long de cette période.

La thermique du bâtiment est une discipline qui vise à étudier les besoins énergétiques des bâtiments. Elle aborde principalement les notions d’isolation thermique et de ventilation afin d’offrir le meilleur confort thermique aux occupants. Ainsi, les systèmes de conditionnement et de renouvellement d’air sont désormais pensés en considérant simultanément leur capacité à maintenir un air intérieur de qualité, leur faculté à assurer le confort thermique des occupants, et leur efficacité à minimiser les dépenses énergétiques.

L’objectif principal de notre travail consiste à réaliser un modèle physico-Mathématique en trois dimensions pour établir les caractéristiques des transferts de chaleur et améliorer sa méthode d’évaluation à l’aide de l’analyse de différents paramètres qui interviennent quanti-tativement ou qualiquanti-tativement au niveau de la gestion de l’efficacité énergétique de l’habitat. Ainsi, cette étude permettra d’adapter et gérer l’énergie pour réduire la consommation de cette dernière et baisser la production de gaz à effet de serre tout en couvrant les besoins énergétiques et en répondant à la demande des critères économiques.

Le problème physique est gouverné par les équations de continuité, de quantité de mouve-ment et d’énergie. Ces équations sont écrites en termes de variables primitives et sont reformu-lées en une forme générale. En effet, ces équations n’admettent pas de solutions analytiques, donc un recours aux méthodes numériques s’avère obligatoire. Les résultats que nous avons obtenus sont en parfait accord avec ceux obtenus par d’autres auteurs travaillant dans le même domaine, on s’attend à ce que des recherches supplémentaires sur ce nouveau sujet soient ini-tiées par ce travail.

Mots clés : Bâtiment, Confort thermique, Convection, Conduction, Rayonnement,

The thermal of building is a discipline that aims to study the energy requirements of buil-dings. It mainly addresses the notions of thermal insulation and ventilation to provide the best thermal comfort to the occupants. Thus, conditioning systems and air exchange, actually conceived to consider, simultaneously, their ability to maintain indoor air quality, their ability to provide thermal comfort for occupants and efficiency to minimize energy expenditure.

The main objective of our work is to achieve a reliable three-dimensional Physico-Mathematical model to establish the characteristics of heat transfer and improve its evaluation method using the analysis of different parameters that quantitatively or qualitatively involve at managing energy efficiency of housing. Thus, this study will adapt and manage energy consumption to reduce it and decrease the production of greenhouse gases, while covering the energy needs and responding to the demand of economic criteria.

The physical problem is governed by the equations of continuity, momentum and energy. These equations are written in terms of primitive variables and are reformulated in a general form. Indeed, these equations do not admit analytical solutions, thus, an appeal to numerical methods proves necessary. The results obtained are in perfect agreement with those obtained by other authors working in the same field ; we expect that further research on this new topic will be initiated by this work.

Keywords:Building, Thermal comfort, convection, conduction, radiation, numerical

Communications

Les Publications

1. M. Saidi Hassani Alaoui, K. Gueraoui, H. EL Rhaleb, Numerical modeling and mathematical energy assessment of buildings, International Review of Mechanical

Engi-neering (IREME), (2014), Vol. 8, N.6.

2. M. Saidi Hassani Alaoui, K. Gueraoui, H. EL Rhaleb, Numerical and mathema-tical modeling for energy assessment of buildings, AES-ATEMA’2014 Seventeen

Inter-national Conference on Advances and Trends in Engineering Materials and their Appli-cations (Montreal, CANADA : June 16 - 20, 2014).

3. M. Saidi Hassani Alaoui, K. Gueraoui, H. EL Rhaleb, Numerical and Mathe-matical modeling of dynamic thermal behavior of building, International Review on

Modelling and Simulations (IREMOS), (Soumis).

Les Communications

1. M. Saidi Hassani Alaoui, K. Gueraoui, H. EL Rhaleb, La Contribution à l’ef-ficacité Energétique du bâtiment au Maroc. 3éme Symposium International 2014, Le Développement Durable EuroAfricain des Énergies Renouvelables : Oxymore Financier et Complémentarité Sociale et Environnementale Les 18 and 19 décembre 2014 Univer-sité Ibnou Zohr (UIZ), ENCG, Agadir, Maroc.

2. M. Saidi Hassani Alaoui, K. Gueraoui, H. EL Rhaleb, Modélisation Numérique et Mathématique de l’Etude Energétique des Bâtiments en Mode Zonale, 12éme Congrès de Mécanique Casablanca, Maroc, du 21 au 24 2015, P38.

3. M. Saidi Hassani Alaoui, K. Gueraoui, H. EL Rhaleb, Mathematical Modelling Contribution to the Building Energy Efficiency, workshop : "implementation of intelligent building technologies for energy efficiency", CNRST, Rabat, Maroc.

Table des figures v I _{Généralités} 6 1 Introduction . . . 6 2 Historique . . . 6 3 Efficacité Energétique . . . 14 3.1 Définition . . . 14

3.2 Pourquoi l’efficacité énergétique est-elle nécessaire ? . . . 14

4 Situation énergétique et réglementation thermique marocaine . . . 15

4.1 Présentation . . . 15

4.2 Le Programme National d’Efficacité Énergétique dans le bâtiment . . . . 16

5 Loi sur l’efficacité énergétique [47-09] . . . 17

5.1 Introduire des exigences minimales que doivent respecter les bâtiments . 18 5.2 La Réglementation Thermique des Bâtiments au Maroc (RTBM) . . . . 19

6 Phénomènes et propriétés thermiques de bâtiment . . . 20

6.1 La conduction . . . 21

6.2 La convection . . . 23

6.3 Le rayonnement . . . 24

6.4 Conductivité thermique . . . 25

6.5 Inertie thermique d’un bâtiment . . . 27

6.6 Temps de déphasage . . . 28

6.8 Capacité thermique massique . . . 28

6.9 Capacité thermique volumique . . . 29

6.10 Effusivité thermique . . . 29

7 Les approches du bâtiment passif . . . 29

7.1 Bâtiment passive . . . 29

7.2 Les approches combinées de l’efficacité énergétique . . . 30

7.3 L’étiquette-énergétique . . . 30

8 Revue des méthodes de l’efficacité énergétique . . . 31

9 Conclusion . . . 36 II Formulation Mathématique 37 1 Introduction . . . 37 1.1 Généralité . . . 37 1.2 La méthode nodale . . . 38 1.3 La méthode zonale . . . 39 2 Formulation Mathématique . . . 41

2.1 L’équation de la conservation de masse . . . 41

2.2 L’équation de la quantité de mouvement . . . 44

2.3 L’équation de conservation de l’énergie . . . 50

3 Conditions aux limites . . . 54

3.1 L’unicité de solution . . . 54

3.2 Conditions aux limites spatiales et temporelles . . . 54

3.2.1 Conditions initiales . . . 54

3.2.2 Conditions à limites spatiaux temporelles . . . 54

4 Conclusion . . . 56

III Méthodes Numériques 57 1 Introduction . . . 57

2 Modélisation . . . 58

3 Méthodes de résolution . . . 58

3.1 Méthode des volumes finis (MVF) . . . 59

3.1.1 Cas de conduction thermique stationnaire unidimensionnelle . 59 3.1.2 Cas de conduction thermique stationnaire en deux dimensions (2D) . . . 60

3.1.3 Cas de Conduction thermique stationnaire en trois dimensions

(3D) . . . 61

3.2 Méthodes de Runge-Kutta . . . 62

4 Maillage . . . 67

5 Discrétisation . . . 67

5.1 L’équation de la quantité de mouvement . . . 67

5.1.1 Discrétisation de la 1ère étape intermédiaire de la vitesse ’x’ . . 69

5.1.2 Discrétisation de la 2éme étape intermédiaire de la vitesse ’x’ . 69 5.1.3 Discrétisation de la 1ère étape intermédiaire de la vitesse ’y’ . . 71

5.1.4 Discrétisation de la 2éme étape intermédiaire de la vitesse ’y’ . 71 5.1.5 Discrétisation de la 1ére étape intermédiaire e la vitesse ’z’ . . . 71

5.1.6 Discrétisation de la 2éme étape intermédiaire de la vitesse ’z’ . 72 5.2 L’équation de transfert de la chaleur . . . 73

5.2.1 Discrétisation de la 1ére étape intermédiaire de la température 73 5.2.2 Discrétisation de la 2éme étape intermédiaire de la température 74 6 Cas d’étude réel d’un bâtiment tridimensionnel . . . 74

6.1 Plan architectural . . . 74

6.2 Plan de description . . . 76

6.3 Modélisation . . . 78

7 Conditions aux limites . . . 80

7.1 Mur extérieur . . . 81

7.2 Toit . . . 81

7.3 La façade Sud . . . 82

7.4 L’ouverture de façade sud . . . 82

7.5 La façade Nord . . . 83

8 Conclusion . . . 83

IV Résultats & discutions 84 1 Introduction . . . 84 2 Données du programme . . . 84 3 Processus de résolution . . . 85 4 Test de convergence . . . 85 5 Résultats et interprétations . . . 85 6 Conclusion . . . 93

Conclusion générale 94

I.1 Bâtiments religieux : Mosquée & Cathédrale . . . 9

I.2 Bâtiments commerciaux . . . 9

I.3 Bâtiments liés à la culture . . . 9

I.4 Prévisions de consommation d’électricité et d’énergie [37] . . . 11

I.5 Source d’énergie au Maroc 2012 l’ADEREE . . . 12

I.6 Carte de neufs projets financiers par UE . . . 13

I.7 Structure de la consommation par secteur [32] . . . 16

I.8 Transfert de chaleur en hiver et en été . . . 21

I.9 Exemple du phénomène de conduction . . . 22

I.10 Elément de volume du flux thermique . . . 22

I.11 Exemple du phénomène de convection . . . 24

I.12 Exemple du phénomène de rayonnement . . . 25

I.13 Etiquettes Energétiques [ADEREE] . . . 31

I.14 Schéma de 3R [32] . . . 35

II.1 Exemples de différentes conditions aux limites . . . 55

III.1 Maillage unidimensionnel. . . 60

III.2 Maillage bidimensionnel. . . 61

III.3 Cellule de volume de contrôle en coordonnées cartésiennes . . . 62

III.4 Méthode de Runge Kutta d’ordre 2. . . 65

III.5 Méthode de Runge Kutta d’ordre 4. . . 66

III.7 Plan en 3D de différentes vue de bâtiments considères dans cette étude. . . 76

III.8 Plan architectural du bâti coupe A-A. . . 77

III.9 Plan architectural vue en haut « chambre des parents » exemple d’étude. . . 78

III.10Façade principale d’une partie de la chambre des parents. . . 79

III.11La décomposition du mur extérieur (double cloison) de la façade principale. . . . 81

III.12La décomposition du toit. . . 82

IV.1 Evolution temporelle de la vitesse suivant la direction horizontale . . . 86

IV.2 Evolution temporelle de la vitesse suivant la direction verticale . . . 86

IV.3 Evolution temporelle de la température suivant une section donnée . . . 87

IV.4 Profil de la vitesse verticale en fonction de la hauteur pour différents instants . . 87

IV.5 Evolution temporelle et spatiale horizontale de la vitesse horizontale . . . 88

IV.6 Evolution temporelle et spatiale verticale de la vitesse verticale . . . 89

IV.7 Evolution temporelle et spatiale verticale de la température . . . 90

IV.8 Variation de la température de mur en hiver . . . 91

IV.9 Variation de la température de toit en hiver . . . 91

IV.10Variation de la température de mur en été . . . 92

ρ : Masse volumique [kg.m−3]

µ: Viscosité de l’air [kg.m−1.s−1]

Cp: Capacité calorifique à pression constante [J.K−1.Kg−1]

λ: Conductivité thermique du milieu considéré [W.m−1.K−1]

ρ0 : Masse volumique du fluide à T=T0 [kg.m−3]

P : Pression [P a]

V : Volume [m3_]

n : Nombre de mole [Mole]

T : Température [°C], [K]

lx : Longueur [m]

lz : Hauteur [m]

R : Constante des gaz parfait

τ : Tenseur des contraintes de cisaillement

−

→_{q : Vecteur de flux de chaleur de normal −}→_n

r : Densité volumique de chaleur

e : Densité massique de l’énergie interne p: Tenseur des contraintes normales D : Tenseur du taux de déformation

Σ : Tenseur des contraintes

δ : Symbole de Kronecker égal à 1 si i = j et 0 sinon

− →

Fs : Forces surfaciques

−→

La demande mondiale en énergie évolue rapidement et les ressources naturelles de l’éner-gie telles que l’urbanisme, le gaz et le pétrole diminuent en raison d’une grande diffusion et développement de l’industrie ces dernières années. L’augmentation des coûts énergétiques et les contraintes environnementales poussent vers la mise au point de solutions technologiques permettant ainsi une meilleure maitrise des ressources et une meilleure exploitation des éner-gies renouvelables. Le secteur du bâtiment que nous visons, constitue à la fois un client et un gisement potentiel important pour l’économie d’énergie.

Un bâtiment, qu’il soit à usage d’habitation ou tertiaire, est un environnement complexe, de par sa géométrie et ses sollicitations nombreuses et fluctuantes dans le temps, et de par la nature multiple des transferts de masse et de chaleur dont il est le siège. Par ailleurs, chaque bâtiment est un prototype unique pour lequel l’étude expérimentale de sa conception est irréalisable en pratique. Par conséquent, la conception des bâtiments, et plus précisément l’évaluation de ses performances doit être assistée par la modélisation des phénomènes physiques.

Les approches réglementaires permettent d’estimer l’efficacité énergétique des bâtiments et de dimensionner grossièrement les systèmes énergétiques et de ventilation de manière à satis-faire des conditions simples dans l’ambiance intérieure (ex. une température d’air de consigne) dans des conditions extérieures de base en régime permanent. Des outils de simulation considé-rant l’ensemble du bâtiment comme une seule zone, ont été développés afin de caractériser les transferts à travers l’enveloppe des bâtiments. Mais en aucun cas, ils ne permettent d’estimer les caractéristiques au sein de chacune des zones.

Par la suite, un grand nombre d’outils de simulation des transferts de masse et de chaleur a été développé pour apporter une information sur l’état des différents points de bâtiment, et caractériser les transferts entre elles et avec l’extérieur.

Pourtant, l’étude des bâtiments réels est très difficile, nous construisons leurs modèles ma-thématiques. De même, il est impossible de dresser un modèle global, représentant un bâtiment dans sa totalité. Chaque modèle ne représente donc qu’un ou certains aspects de la réalité, en fonction des objectifs de l’étude. Par exemple, un bâtiment sous l’action du vent sera représenté de manière complètement différente, suivant les objectifs visés. Le modèle construit pour étudier la tenue mécanique représentera les parois avec le comportement du vent et de la température à l’aide des caractéristiques physiques.

Il est important de souligner qu’une construction à forte inertie n’est pas forcément adaptée au climat. En effet, une exploitation optimale de l’inertie thermique dépend en grande partie de la nature des interactions des matériaux de construction avec l’environnement. Ces interactions sont liées à de nombreux paramètres tels que leurs propriétés thermo-physiques, leur disposition à l’intérieur de l’enveloppe, les caractéristiques architecturales du bâtiment ainsi que les condi-tions climatiques. Actuellement, très peu de méthodes existantes permettent de sélectionner les matériaux de construction de façon appropriée alors qu’ils ont un effet fondamental sur le comportement énergétique du bâtiment.

De nos jours, l’enveloppe du bâtiment est l’un des postes les plus concernés par la réglemen-tation. Plusieurs études sur l’isolation, l’inertie thermique, les enveloppes passives et hybrides ont été menées afin de créer des perspectives d’application sur les bâtiments Al-Houmoud [1] et Okba [2] ont mené deux études portant sur l’intérêt de l’isolation de l’enveloppe. Il a été montré que dans les régions caractérisées par des climats chauds, l’isolation de la toiture est plus recommandée que celle des murs et planchers, car elle est la plus exposée au rayonnement solaire direct en été pendant toute la journée. Notant ainsi que l’efficacité énergétique d’un bâ-timent est déterminée par sa charge de climatisation dépendamment des propriétés thermiques de la construction d’enveloppe et de l’orientation du bâtiment d’une part et du climat local d’autre part Babah [3].

Cependant, une forte isolation, si elle limite la consommation d’hiver liée au chauffage, in-duit de fortes surchauffes lors de la saison chaude. Afin de lutter contre ce phénomène, diverses

méthodes sont possibles, comme la ventilation nocturne Pfafferott[8], Flourentzou [7] les mé-thodes architecturales Givoni[5] ou l’inertie thermique Antonopoulos[9]. En effet, pour réduire la charge de climatisation, il est nécessaire d’intégrer des systèmes passifs. Plusieurs études ont été menées dans ce domaine. [4],[2] montre que l’isolation thermique des murs réduit la charge thermique de chauffage du bâtiment dans les régions chaudes et sèches, et Florides [10] ajoutent que l’isolation uniquement du toit permet de réduire la charge thermique de refroidissement jusqu’à 45%. Ceci dit, la première motivation de tels développements était de se doter d’outils d’aide à la conception des bâtiments en vue d’une meilleure efficacité énergétique [3]. C’est ce qui nous a poussé à étudier la problématique de l’efficacité énergétique pour un meilleur confort d’habitat sur des configurations réalistes[6].

Dans le cadre des études théoriques effectuées au cours de la recherche scientifique, notre principal objectif se concentre sur la réalisation d’une modélisation numérique de l’évolution d’air dans le bâtiment autant qu’un phénomène particulier nécessitant une compréhension dé-finie.

La présentation de ce mémoire est articulée de la façon suivante :

Le premier chapitre est consacré à détailler une synthèse bibliographique des travaux théo-riques ayant trait au transfert thermique pour étudier des phénomènes d’autant plus percep-tibles que des mesures de suivi et de contrôle sont mises en place avec de plus en plus de rigueur, nous détaillons les motivations de notre étude en introduisant les concepts généraux abordés dans la suite du document.

Les outils mathématiques des équations de Navier-Stokes, (l’équation de la continuité, équa-tion de la quantité de mouvement et l’équaéqua-tion de la conservaéqua-tion d’énergie), gouvernant la dite problématique sont utilisés dans le cadre de cette thèse et sont présentés au deuxième chapitre. Le troisième chapitre concerne la résolution numérique des équations précédemment établies par une méthode numérique et seront discrétisées par la suite pour obtenir des équations qui seront résolues à l’aide d’un algorithme.

Le quatrième chapitre traite la discussion et l’interprétation des différents résultats obtenus dans cette thèse.

Enfin nous terminons ce travail par une conclusion générale qui résume les principaux résul-tats obtenus. Ainsi que plusieurs perspectives de travail concernant notamment la modélisation et quelques recommandations pour les études futures sont finalement émises.

Généralités

1

Introduction

L’objectif de ce premier chapitre consiste à réaliser un état des lieux des connaissances scien-tifiques accumulées sur la thématique thermique des bâtiments, et à proposer une démarche pouvant constituer un apport scientifique. Dans un premier temps, on présente les contextes économiques, scientifiques et sociologiques dans lesquels se situent les travaux de la thèse. En-suite on va chercher à définir les termes et les phénomènes qui portent l’explication de l’efficacité énergétique pour comprendre leurs fondements. Par la suite, les modèles qui s’intéressent au comportement thermique dynamique des bâtiments seront présentés. Enfin, nous passerons à la revue les différents moyens nous permettant ainsi de caractériser l’évolution de l’efficacité thermique.

2

Historique

Durant 160 ans, l’Homme a provoqué la multiplication par 145 des émissions de gaz à effet de serre (GES) de la planète [3] de cause principale liées aux activités humaines et à une consommation abusive et non raisonnée des énergies. Si les effets ne se font que peu ressentir à ce jour, l’écosystème des zones les plus sensibles est déjà gravement endommagé : fonte des glaces, hausse des niveaux marins, disparition d’espèces végétales et animales, atteinte des populations les plus fragiles dans les zones de sécheresse, etc.

La croissance exponentielle de la consommation énergétique primaire mondiale au cours du XIXème et XXème siècle Schilling, 1977[15] ; (Etemad et Luciani)[16] a mis en exergue la potentialité d’un épuisement des ressources énergétiques non-renouvelables dans un monde li-mité et révélé par les conséquences d’une telle consommation, notamment en termes d’atteintes portées à la biosphère. L’utilisation économique et efficace des énergies, l’accroissement des per-formances énergétiques et surtout la diminution des émissions de CO2 liées à la consommation d’énergie sont des objectifs prioritaires de la politique énergétique.

Le premier choc pétrolier de 1973 marque l’arrêt brutal de trois décennies de forte croissance. Une nouvelle politique énergétique est alors amorcée : la première réglementation thermique pour l’habitat date de 1974. Mais, cette dernière, ayant été adoptée dans l’urgence suite à la montée importante des prix des hydrocarbures, dûe être repensée à plusieurs reprises afin de renforcer l’exigence de consommation des bâtiments neufs [27].

La réglementation thermique de 1974 visait une réduction de 25% de la consommation énergétique des bâtiments par rapport aux normes en vigueur depuis la fin des années 1950. Mais le deuxième choc pétrolier de 1979 contraint les politiques à mettre en place une nouvelle réglementation thermique (RT) 1982 ayant pour objectif une économie de 20% sur les consom-mations énergétiques par rapport à la RT 1974 en mettant tout particulièrement l’accent sur les besoins en chauffage [27]. La réglementation suivante, la RT 1988 impose de nouveau une réduction des consommations de 20% par rapport à la RT précédente mais en élargissant cette fois son champ de calcul par l’introduction de nouveaux paramètres considérant les besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire des logements [27] L’augmentation du coût de l’énergie est aujourd’hui inéluctable, notamment sur les matières premières fossiles que sont le gaz, le pétrole ou le charbon. L’impact est direct sur le budget des ménages comme des entreprises, et donc sur l’importance que chacun porte à l’énergie consommée. Ces tarifs en hausse peuvent en effet être la principale motivation d’un changement de comportement de la part des utilisateurs. Face à cette prise de conscience motivée par des questions pécuniaires, les lois environnementales ont un poids d’autant plus grand sur la réduction des consommations, en imposant l’émergence de bâtiments éco-performants.

Dans les constructions anciennes aussi, il existait une relation étroite entre un matériau et le lieu de sa mise en oeuvre. Les anciens avaient conscience qu’il était plus facile et moins coûteux d’utiliser des matériaux locaux. Les voies de circulation et les moyens de transport n’étaient pas ce qu’ils sont aujourd’hui et il n’était pas alors question de réduction d’émission de CO2.

A cette époque, l’intelligence constructive de chaque région était cohérente avec leur milieu naturel. Les bâtiments anciens représentent aujourd’hui un important patrimoine témoin d’un savoir-faire local et d’une bonne compréhension des matériaux utilisés [28].

Avant tout il faut s’interroger sur l’entité du bâtiment en lui-même : qu’est-ce qu’un bâti-ment ? Un bâtibâti-ment est une construction utilisée pour accueillir des personnes ou des activités. L’enveloppe externe (c’est-à-dire le sol, le toit et les murs extérieurs) entoure complètement l’édifice et lui confère ainsi son microclimat intérieur. Pouvant avoir différentes formes et fonc-tions, le bâtiment a connu d’importantes modifications au fil du temps pour s’adapter à un grand nombre de facteurs, des matériaux de construction disponibles aux conditions météoro-logiques en passant par les prix fonciers, les conditions du terrain, la spécificité de son utilisation et autres raisons esthétiques. Dans son rôle d’abri, un bâtiment marque une séparation physique de l’habitat de l’homme entre intérieur (un espace de confort et de sécurité) et extérieur (un espace qui peut être parfois rude et inhospitalier). On suppose que le premier abri sur terre construit par un de nos proches ancêtres a été érigé il y a 500 000 ans par l’Homo Erectus, l’un des premiers hommes.

Pour différencier les bâtiments tels qu’ils sont définis des autres bâtiments et des autres structures qui ne sont pas destinés à une occupation continue de l’homme, ces derniers sont appelés « non-building structures » ou simplement « structures ». On cite ainsi :

• Les bâtiments industriels. • Les bâtiments agricoles. • Les bâtiments militaires. • Les bâtiments résidentiels. • Les bâtiments liés à la culture. • Les bâtiments commerciaux. • Les bâtiments administratifs. • Les édifices religieux.

Figure I.1 – Bâtiments religieux : Mosquée & Cathédrale

Figure I.2 –Bâtiments commerciaux

Figure I.3 – Bâtiments liés à la culture

On dénombre ainsi une grande variété de bâtiments aux exigences toutes aussi variées. Dans chaque catégorie, les bâtiments doivent créer un champ climatique à l’intérieur adéquat afin d’assurer leur fonction d’origine. Néanmoins, selon le type de bâtiment, les exigences sont dif-férentes. A titre d’exemple, la température et la qualité d’air à l’intérieur du bâti pour y avoir

un concept performant.

Le « bâtiment énergétique » est un concept de bâtiment très performant. Il peut constituer l’une des réponses possibles aux défis énergétiques et environnementaux d’aujourd’hui, il reste de loin le secteur le plus consommateur d’énergie, représentant, à lui seul, 30% de l’énergie consommée dans le monde.

La prise en compte des apports solaires et le souci de réduire toute déperdition d’énergie lors de la conception des bâtiments qui aboutit aujourd’hui au développement des « bâtiments à énergie positive » est en fait le produit de trente années de recherche sur l’enveloppe du bâtiment, en même temps qu’une certaine « redécouverte » de principes de constructions an-ciens qui étaient mis en oeuvre avant l’ère des combustibles abondants. La crise énergétique des années 70 a joué le rôle de déclencheur d’une prise de conscience de la consommation ex-cessive d’énergie du parc de bâtiments [33]-[36]. Par avancées successives de la réglementation thermique des bâtiments neufs, des innovations technologiques et de l’appropriation du thème par les professionnels eux-mêmes, la consommation des bâtiments a peu à peu diminué (de 370 kWh/m2 en moyenne en 1973 à 240 kWh/m2 en moyenne actuellement) [26]. Rappelons qu’à l’horizon 2020, l’objectif à atteindre pour les bâtiments neufs est de fournir plus d’énergie qu’ils n’en consomment. Ainsi est-on passé en 30 ans d’une situation extrême, où on cherchait seulement à contenir dans les limites de l’acceptable les déperditions thermiques des logements neufs, aux bâtiments à très basse consommation énergétique, (inférieur à 50 kWh/m2.an) [25], voir passifs, avant d’imaginer des logements à énergie positive, autrement dits, eux-mêmes pro-ducteurs nets d’énergie’ Si l’obtention de ce résultat a nécessité une trentaine d’années pour les bâtiments neufs, un autre challenge nous attend maintenant, celui de parvenir à abaisser consi-dérablement la consommation énergétique de l’ensemble du parc, soit 3, 5 milliards de mètres carrés chauffés, actuellement, et en progression constante [26].

Dans le cas particulièrement du Royaume du Maroc, où la consommation du secteur du bâtiment représente 28% de la consommation nationale totale de l’énergie et 33% de la consom-mation électrique [ADEREE]. Le Maroc consommait annuellement 12 millions de tonnes d’équi-valent pétrole (tep), soit 0, 4 tep par habitant dont 19 milliards de kilowatts heure d’électricité (kWh), soit 634 kWh par habitant en 2005.

Figure I.4 – Prévisions de consommation d’électricité et d’énergie [37]

Mais à fin de 2007, le Maroc n’a produit que 14,5 mille tonnes de pétrole des 6’300 qu’il a consommé, soit 0,23%, et seulement 30 mille tep de gaz naturel, soit 1/8 des besoins d’alors. En 2030, il atteindra 42 millions de tep, soit 1,1 tep par habitant dont 84 milliards de kWh d’électricité, soit 2’206 kWh par habitant. Combinant toutes ces données et ces prévisions, il reste à noter qu’au début de ce 21éme _{siècle, la problématique énergétique du Maroc se trouve} dans une situation critique due aussi à la combinaison de plusieurs facteurs mais c’est sans doute le Maroc doit reconstruire son avenir énergétique sur les éléments pérennes :

1. Grâce à une structure de PIB « optimale par les temps qui courent », l’efficacité éner-gétique est excellente et son maintien est un des garants de la non remise en cause de la hausse de la consommation par habitant dans les futures négociations sur les change-ments climatiques.

2. A défaut de pouvoir encore baisser substantiellement le taux de dépendance énergétique du Maroc, la politique des grands barrages des années 60-80 a mis le Maroc à l’abri du besoin en eau douce malgré un stress hydrique croissant. Les sites marocains de grande hydroélectricité étant pratiquement saturés, ne restait plus qu’à imaginer les meilleurs scénarios d’exploitation des seules autres ressources sures, quoique intermittentes, que sont les renouvelables, notamment l’éolienne et la solaire Amin Bennouna [37].

Dans les dix prochaines années, le Maroc devra faire face à une demande assez croissante d’énergie électrique pour accompagner la dynamique économique enclenchée durant la dernière décennie. Dépendant à 96% de l’extérieur pour son approvisionnement en énergie. La consom-mation d’énergie se fonde principalement sur les produits dérivés du pétrole et du charbon, lesquels sont utilisés pour la production de l’électricité et pour le transport ; une petite partie, qui représente environ 4%, vient des énergies renouvelables sous forme d’électricité.

Figure I.5 – Source d’énergie au Maroc 2012 l’ADEREE

Le Maroc a mis en place une ambitieuse stratégie énergétique. En effet le gouvernement a entrepris un vaste programme d’efficacité énergétique. Le potentiel d’économie d’énergie dans le secteur du bâtiment est estimé à 20% à l’horizon 2030, avec la mise en place d’un plan d’Ef-ficacité Énergétique ambitieux. C’est pour cela que le Maroc a décidé de développer des projets de grande envergure lancés par Sa Majesté le Roi Mohammed VI en 2009 et 2010.

« ... Convaincu de la nécessité de préserver l’avenir des générations futures, Nous n’avons cessé d’insister sur la concomitance des exigences de développement avec l’impératif d’assurer la protection de notre environnement, afin de garantir, à terme, les conditions d’un développement durable pour notre pays. Nous agissons, donc, avec détermination pour assurer la préservation, la gestion judicieuse et la valorisation de nos ressources naturelles au service de l’économie nationale. Dans la même démarche s’inscrit le programme ambitieux que nous avons lancé pour la production d’énergies renouvelables, éolienne et solaire, en vue de réduire nos importa-tions en énergies conventionnelles et d’alléger le fardeau qu’elles représentent pour l’économie nationale...».

Discours de SM le Roi Mohammed VI à l’occasion de la Fête du Trône le Lundi 30 juillet 2012.

Afin de contribuer à la mise en oeuvre de la politique gouvernementale en matière d’efficacité énergétique, dans le cadre du Programme National de l’Efficacité Énergétique dans le bâti-ment, l’ADEREE a sélectionné neuf projets de démonstration en concertation avec l’Union Européenne, pour la mise en place des mesures d’efficacité énergétiques dans le bâtiment, avec un soutien financier de l’Union Européenne de 10 millions d’euros pour l’introduction des pra-tiques d’efficacité énergétique [29].

L’efficacité énergétique est considérée aujourd’hui comme une quatrième énergie après les énergies fossiles, les énergies renouvelables et l’énergie nucléaire. L’ambition du Royaume du Maroc est d’assurer une meilleure utilisation de l’énergie dans tous les domaines d’activité économique et sociale, considérant la nécessité de rationaliser et d’améliorer la consommation de l’énergie pour répondre aux besoins énergétiques croissants de notre pays.

3

Efficacité Energétique

3.1

Définition

En physique, « l’efficacité énergétique » désigne le rapport entre l’énergie utile produite par un système et l’énergie totale consommée pour le faire fonctionner. Cette notion est souvent interprétée dans un sens plus large pour désigner les technologies et pratiques permettant de diminuer la consommation d’énergie tout en maintenant un niveau de performance finale équivalent.

« Faire mieux avec moins ».

3.2

Pourquoi l’efficacité énergétique est-elle nécessaire ?

En augmentant l’efficacité énergétique nous utilisons moins d’énergie et nous réduisons du même coup les émissions de GES protégeant ainsi l’environnement. La sécurité de l’approvi-sionnement en énergie s’en trouve également renforcée. Et n’oublions pas qu’en adoptant des solutions favorisant l’efficacité énergétique, nous dépensons moins d’argent pour l’énergie.

Dans un contexte de dépendance énergétique quasi-totale du pays vis-à-vis de l’étranger et d’une fluctuation importante des prix d’énergie, il est devenu nécessaire d’appliquer une politique ambitieuse d’efficacité énergétique dans le cadre de sa nouvelle stratégie énergétique, ayant pour but d’exploiter le potentiel important en efficacité énergétique que recèle le Maroc. Cette politique vise la clarification des relations entre l’administration et les opérateurs en établissant un système de gouvernance institutionnalisé de l’efficacité énergétique, un cadre législatif et réglementaire adéquat et des normes et standards appropriés.

4

Situation énergétique et réglementation thermique

ma-rocaine

4.1

Présentation

Jusqu’à présent, le Maroc dépend énergétiquement de l’étranger, plus de 90% de ses consom-mations énergétiques sont importées de l’extérieur à un coût élevé. De ce fait, la diversification du bouquet énergétique constitue un axe d’intervention prioritaire, pour alléger cette dépen-dance notamment par le biais de la voie du développement des énergies renouvelables en al-ternative aux énergies fossiles [35]. Le programme d’efficacité énergétique dans le bâtiment constitue une grande avancée en termes d’amélioration des performances énergétiques et de développement durable. L’aboutissement du projet été prévu pour 2013. Bien sûr, sa réussite et sa concrétisation dépendait de l’engagement et de l’implication de l’ensemble des acteurs du secteur du bâtiment.

L’objectif annoncé par le gouvernement Marocain est de réaliser une économie d’énergie primaire d’environ 12% à 15% à l’horizon 2020 à travers la mise en place d’un plan d’effi-cacité énergétique dans les différents secteurs économiques. Parmi ces secteurs, le bâtiment est le premier consommateur d’énergie avec une part de 36% de la consommation énergétique totale du pays, dont 29% réservée au résidentiel et le reste pour le tertiaire. Cette consomma-tion énergétique est appelée à augmenter rapidement dans les années futures pour deux raisons :

— L’évolution importante du parc de bâtiments à cause des grands programmes annoncés : Plan Azur de l’hôtellerie, programme d’urgence de l’éducation nationale, programme des 150 000 logements par an, programme de réhabilitation des hôpitaux, etc.

— L’augmentation sensible du taux d’équipement des ménages en appareils électroménagers du fait de l’amélioration du niveau de vie et la baisse des prix de ces équipements (chauffage, climatisation, chauffage de l’eau, réfrigération, etc.).

Figure I.7 – Structure de la consommation par secteur [32]

.

4.2

Le Programme National d’Efficacité Énergétique dans le

bâti-ment

Le programme national de l’efficacité énergétique dans le bâtiment s’inscrit dans le cadre de la politique énergétique gouvernementale. Sa mise en ouvre est assurée par l’Agence nationale pour le développement des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique [ADEREE]. Il contribuera ainsi à l’objectif national d’économie de 12 % d’énergie fossile à l’horizon 2020, no-tamment par l’amélioration de l’efficacité énergétique des bâtiments au Maroc. Ce programme cherche également à répondre à différents problèmes rencontrés dans le secteur, tels que l’aug-mentation des prix des énergies fossiles, l’absence de considérations énergétiques dans la concep-tion, la construcconcep-tion, l’équipement et la gestion des bâtiments ou bien encore l’augmentation sensible des dépenses énergétiques suite à des attentes fortes en termes de qualité de service et de confort social de la part des usagers [40].

Le programme se base sur trois principaux axes correspondant aux étapes de conception, de construction, d’équipement et de gestion des bâtiments :

— Le fonctionnement des équipements (climatisation, chauffage, etc.) ; — La gestion des services énergétiques dans les bâtiments ;

Afin de renforcer l’efficacité énergétique dans les secteurs clé de l’économie nationale, des moyens et mesures d’incitation seront mis en place. Par ailleurs, des actions de formation, de perfectionnement, de la formation professionnelle, de recherche scientifique et de démonstra-tion de techniques concernant tous les secteurs doivent être mises en oeuvre pour promouvoir l’efficacité énergétique et les économies d’énergie [33].

5

Loi sur l’efficacité énergétique [47-09]

La loi [47-09] sur l’efficacité énergétique récemment promulguée et publiée au Bulletin Of-ficiel, consacre notamment l’obligation de soumettre à une étude d’impact énergétique, tout projet ou programme d’aménagement urbain ou tout projet de programme de construction de bâtiments. Un seuil de consommation spécifique d’énergie thermique ou électrique sera fixé par voie réglementaire. Ceci confirme l’ambition du Maroc et montre son engagement dans le développement des énergies renouvelables, de l’efficacité énergétique et la lutte contre le chan-gement climatique. Cette loi a pour objet d’augmenter l’efficacité énergétique dans l’utilisation des sources d’énergie, éviter le gaspillage, atténuer le fardeau du coût de l’énergie sur l’économie nationale et contribuer au développement durable. Sa mise en ouvre repose principalement sur les principes de la performance énergétique, des exigences d’efficacité énergétique, des études d’impact énergétique, de l’audit énergétique obligatoire et du contrôle technique.

La loi prévoit que les projets de programmes de construction de bâtiments seront soumis à une étude d’impact énergétique préalable, quel que soit leur usage. La nécessité de soumettre un projet de construction à une étude d’impact énergétique sera prévue par les plans d’aménage-ment, en fonction de la taille et de la nature du projet. L’étude d’impact énergétique du projet devra contenir les informations suivantes :

— Une description des caractéristiques du projet.

— Une évaluation des besoins énergétiques en phase de réalisation, développement et ex-ploitation du projet.

— Les mesures de réduction de la consommation d’énergie envisagées.

— Les mesures de valorisation des potentiels des énergies renouvelables réalisables confor-mément à la législation en vigueur.

— Les mesures de formation, de communication et de gestion en vue d’assurer son exécution, son exploitation et son développement.

— Une note de synthèse et un résumé simplifié à destination du public.

Dans l’Article 1 du Dahir en premier chapitre au sens de la présente loi, on entend par :

— Efficacité énergétique — Audit énergétique

— Performance énergétique

— Entreprises de services énergétiques

Efficacité énergétique : [40] toute action agissant positivement sur la consommation de

l’énergie, quelle que soit l’activité du secteur considéré, tendant à : — la gestion optimale des ressources énergétiques.

— la maîtrise de la demande d’énergie.

— l’augmentation de la compétitivité de l’activité économique.

— la maîtrise des choix technologiques d’avenir économiquement viable. — l’utilisation rationnelle de l’énergie.

5.1

Introduire des exigences minimales que doivent respecter les

bâtiments

L’objectif étant d’introduire des exigences minimales que doivent respecter les bâtiments à usage résidentiel et tertiaire neufs en vue d’optimiser leurs besoins de chauffage et de cli-matisation tout en améliorant le confort thermique, notamment les cinq exigences de résultats suivants [30] :

— Réduire les consommations énergétiques d’éclairage, de chauffage d’eau chaude sanitaire, de chauffage et de climatisations des bâtiments.

— Améliorer le confort thermique et visuel des occupants. — Optimiser la conception des systèmes énergétiques.

— Inciter les ingénieurs et maîtres d’ouvre à l’utilisation des approches de conception per-formante des systèmes énergétiques du bâtiment (Ventilation, ombrages, orientation par rapport au soleil, afin de favoriser au maximum l’aération et l’éclairage naturel).

5.2

La Réglementation Thermique des Bâtiments au Maroc (RTBM)

La règlementation thermique du bâtiment est une discipline de la thermique visant à étudier les besoins énergétiques des bâtiments. Elle aborde principalement les notions d’isolation ther-mique et de ventilation afin d’offrir le meilleur confort therther-mique aux occupants. Elle aborde aussi les problématiques de fourniture d’énergie pour le chauffage et de production d’eau chaude sanitaire. L’ensemble des parties d’un bâtiment est soumis aux transferts thermiques, qui sont des échanges de chaleur entre le milieu chaud et le milieu froid (généralement de l’intérieur vers l’extérieur).

La connaissance et la maîtrise des transferts thermiques permettent une gestion de la facture énergétique d’un bâtiment. La diminution de ces échanges thermiques permet de maintenir une température tempérée à l’intérieur du bâtiment en y apportant le moins d’énergie possible. Elle permet également d’orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire tout en visant un compromis entre coût énergétique et confort. Alors Agir sur les économies d’énergie dans ce secteur est donc essentiel ; la solution c’est l’efficacité énergétique.

La réglementation thermique des nouveaux bâtiments est l’un des instruments majeurs pour la transformation du marché de la construction vers un modèle de consommation plus efficace en énergie. Les dispositions réglementaires au Maroc, développées par une équipe d’experts na-tionaux et internana-tionaux en 2010, focalisent sur les performances de l’enveloppe des bâtiments. Ces dispositions seront élargies dans un deuxième temps à d’autres composantes importantes telles que les équipements énergétiques (éclairage, chauffage climatisation, eau chaude sanitaire, réfrigération, etc.) la gestion des services d’énergie, l’aménagement urbain, etc.

Les exigences de la réglementation thermique proposée au Maroc résultent d’un bon com-promis entre les réductions en besoins thermiques des bâtiments cibles et les surcoûts d’inves-tissement. L’utilisation des solutions d’Efficacité Énergétique au niveau des projets a un impact positif sur l’économie d’énergie d’une part et sur le confort thermique d’autre part,Les projets ont comme objectifs :

— La réduction de la consommation d’énergie dans le secteur du bâtiment au Maroc. — La mise en ouvre du Code d’Efficacité Énergétique et du Règlement Thermique de

Construction au Maroc.

— La mobilisation du tissu industriel dans le bâtiment.

— Le développement du marché des matériaux innovants en matière d’Efficacité Énergé-tique dans le bâtiment.

— La réduction de la facture énergétique pour les utilisateurs et au niveau national. — La contribution à la mise en ’uvre de la stratégie énergétique Nationale par le

dévelop-pement de l’Efficacité Énergétique dans le secteur du bâtiment en réduisant les besoins énergétiques de ce dernier.

6

Phénomènes et propriétés thermiques de bâtiment

Il faut bien distinguer entre la température et la chaleur. La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée en thermométrie, son unité légale dans le système international est le Kelvin de symbole « K » [39]. Il existe d’autres systèmes de mesures antérieurs et toujours utilisés comme :

— Celsius de symbole « °C » ; — Fahrenheit de symbole « °F » ; — Rankine de symbole « °R » ;

Quant à la chaleur, il s’agit d’un phénomène physique connu sous le nom de « transfert de chaleur », selon lequel « la chaleur passe toujours d’un lieu plus chaud à un lieu plus froid ». Cela signifie que la chaleur a toujours tendance, en hiver, à se déplacer des espaces de vie chauffés vers l’extérieur de la maison et vers des espaces mitoyens non chauffés, tels que les greniers, les garages ou les sous-sols ’ tout espace dont la température est plus basse. En été au contraire, la chaleur se dirige de l’extérieur vers l’intérieur de la maison.

Figure I.8 – Transfert de chaleur en hiver et en été

Pour maintenir un certain niveau de confort, la perte de chaleur en hiver doit être compen-sée par un système de chauffage, tandis que la chaleur accumulée en été doit être évacuée par un système de climatisation. Une grande quantité d’énergie est ainsi gaspillée dans la majorité des bâtiments.

Le transfert thermique est un processus complexe qui, dans le cas général, résulte de la superposition des trois modes fondamentaux de transfert : conduction, convection et rayonne-ment. Dans le cas où l’un de ces trois modes est prépondérant, les effets des autres sont faibles et ils peuvent être négligés. Le mécanisme d’apparition de chacun de ces modes est présenté brièvement ci-dessous.

6.1

La conduction

La conduction a lieu dans tout matériau solide, lorsque ses molécules ne sont pas toutes à la même température. Les molécules les plus chaudes transmettent de l’énergie (chaleur) à la partie froide du matériau. Par exemple, une cuillère placée dans une tasse de café chaud conduit la chaleur par sa poignée jusque dans la main qui la tient. De la même manière, la conduction

Figure I.9 – Exemple du phénomène de conduction

de la chaleur dans les bâtiments passe généralement par les murs et les fenêtres [38].

Dans le cas des gaz, le transfert thermique par conduction est le résultat de la diffusion molé-culaire et dans les liquides et les solides diélectriques, il s’effectue par ondes élastiques. Pour les métaux, la conduction est essentiellement le fait de la diffusion des électrons libres des zones plus chaudes vers les zones plus froides, les oscillations élastiques de la matrice cristalline jouant un rôle mineur. Dans n’importe quel milieu, ce mode de transfert thermique tend à uniformiser la répartition d’énergie cinétique des particules qui constituent le corps.

Figure I.10 –Elément de volume du flux thermique

La conduction thermique est régie par la loi de Fourier :

div(λi. − → 5T) + q = ρCp ∂T (I.1)

Et qcond = −λ dT dx (I.2) Avec : q : Terme de source [W.m−3] ; ρ : Masse volumique [Kg.m−3] ;

Cp : Capacité calorifique du matériau [J.K−1.Kg−1] ;

λi : Conductivité thermique [W.m−1.K−1] ;

T : Température dans le matériau [K] ;

qcond : Densité du flux thermique [W.m−2] ;

t : Temps [s] ;

x : espace [m] ;

L’indice i de λi est relatif aux différentes directions (si le matériau est considéré isotrope).

λ= λi (I.3)

6.2

La convection

La convection est le transfert d’énergie par le mouvement de fluides et de gaz. L’air chaud monte et est remplacé par de l’air plus froid provenant de l’extérieur. Dans les bâtiments de plusieurs étages avec des cloisons intérieures inadaptées, ce phénomène peut créer des courants d’air importants et coûteux.

Figure I.11 –Exemple du phénomène de convection

L’expression du phénomène de convection donne :

φ= h.S.(T2 − T1) (I.4)

Avec S la surface de contact entre le fluide (air) et la paroi. On suppose que ce coefficient vaut 10w.m −2_.k−1_.

6.3

Le rayonnement

La figure (I.12) représente le phénomène de rayonnement thermique correspond au transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Contrairement aux autres mécanismes, le rayonnement ne nécessite aucun support intermédiaire pour se propager. Le rayonnement dans les bâtiments a principalement lieu au niveau des fenêtres et des portes, mais si les murs sont mal isolés, les rayons dirigés sur l’extérieur de la maison peuvent en chauffer l’intérieur par conduction.

Figure I.12 –Exemple du phénomène de rayonnement

Soit le flux rayonné :

φ= F.S.ε.σ.(∆T )4 (I.5)

L’émissivité (notée ε) est la capacité d’un corps à réémettre de l’énergie absorbée. Cette valeur est comprise entre 0 et 1 et dépend principalement de la surface du corps, de la longueur d’onde et de l’inclinaison du flux par rapport à la surface considérée. La constante de Stephan-Boltzmann (notée σ) vaut : 5, 67.10−8_W.m−2_.K−4_.

6.4

Conductivité thermique

Un des paramètres les plus importants est la conductivité thermique (λ) qui caractérise le transfert thermique dans un matériau, ce paramètre est déterminé habituellement par une méthode indirecte à partir de la diffusivité thermique (α), de la chaleur massique (Cp) et de la masse volumique (ρ) par la relation :

λ= α.ρ.Cp (I.6)

Remarque

La conductivité thermique λ est une caractéristique propre à chaque matériau. Elle exprime la quantité de la chaleur traversant, pendant l’unité de temps, 1 mètre d’épaisseur de matériau homogène pour un écart de température de 1 K entre ses deux faces.

La valeur s’exprime en w/m.k. plus sa valeur est petite, plus le matériau est isolant. Dans le cas des solides, le mécanisme de transfert thermique par conduction est constitué de deux processus intimement couplés : le mouvement des électrons libres et les oscillations des ions autour de leur position d’équilibre qui se traduit par une vibration de réseau. Dans les substances à l’état solide, les molécules n’ont plus la liberté de mouvement caractéristique de la phase gazeuse ou même liquide. Les atomes des molécules ne restent plus neutres, par la suite des échanges d’électrons situés sur les orbites extérieures. Ces atomes -ions positifs ou négatifs - forment un réseau tridimensionnel, et oscillent autour de positions moyennes déterminées, tandis que les électrons libres se déplacent aléatoirement dans l’espace entre les noyaux du réseau.

Quand le corps solide reçoit de l’énergie, les ions intensifient leurs oscillations et les électrons libres ont un mouvement semblable à l’agitation thermique d’un gaz. Néanmoins, cette agitation se propage toujours des zones de haute température vers les zones à basse température. Ainsi l’énergie reçue par le corps se retrouve dans l’énergie cinétique de déplacement d’électrons et dans l’énergie d’oscillation des ions placés aux noeuds du réseau. La conductivité thermique des solides est due tant aux électrons et aux phonons (par analogie avec les photons correspondant aux ondes élastiques de vibration des ions).

C’est ainsi que λ à deux composantes :

λ= λéctrons+ λphotons (I.7)

Avec un poids différents, en fonction de la nature du solide.

λéctrons : est la contribution des porteurs de charge (électrons ou trous).

λphotons : est la contribution des vibrations des atomes (phonons).

La contribution des porteurs de charge est liée à la conductivité électrique σ du matériau par la relation de Wiedemann-Franz :

λe = LT σ (I.8)

Où -L- est appelé « Facteur de Lorentz ».

Il dépend du processus de diffusion des porteurs de charge (ce qui correspond plus ou moins à la façon dont ils sont gênés par des obstacles lors de leurs déplacements, ainsi que de la position

du niveau de Fermi. Dans les métaux, il est égal au nombre de Lorentz L0, avec :

L0 = Π2/3(λ/e)2 = 2, 45.10−8V2.K−2 (I.9) Dans le cas des métaux, où il y a une forte concentration d’électrons libres, l’approxi-mation λm ≈ λélctrons est valide. Pour les matériaux non métalliques, on admet en général queλnm ≈ λélctrons. Compte tenu du fait que la contribution des électrons à l’établissement de la conductivité thermique λ est bien supérieure à celle des phonons, on a λm  λnmLa

conduc-tivité thermique des matériaux semi-conducteurs est intermédiaire entre les deux composantes

λphotons et λélctrons qui ont des poids différents en fonction du matériau. Le facteur qui influence le plus la conductivité thermique des solides est la température. En général, pour les corps solides homogènes, cette dépendance peut être formulée par une relation linéaire :

λ= λ0(1 + β.T ) (I.10)

Où :

λ0 : Conductivité thermique du corps à la température 0°C ;

β : Coefficient caractéristique de chaque matériau (pour des métaux il a usuellement une valeur

négative) ;

T : Température en °C ;

6.5

Inertie thermique d’un bâtiment

L’inertie thermique d’un bâtiment [48] est sa capacité à stocker de la chaleur dans ses murs, ses planchers... Plus l’inertie d’un bâtiment est forte, plus il se réchauffe et se refroidit lentement.

Lors des journées chaudes, l’enveloppe du bâti (construction en pierre, murs épais en terre crue) accumule la chaleur, limitant ainsi les risques de surchauffe. Durant la nuit, lorsque la température extérieure diminue, toute la chaleur accumulée durant la journée est transmise à l’intérieur du bâtiment évitant ainsi le recours à un éventuel appoint de chauffage. Accumulation de la chaleur et déphasage de sa restitution constituent l’inertie thermique. Ces aspects sont représentés par la conductivité, le diffusivité et l’effusivité thermique qui expriment la capacité d’un matériau à transmettre une variation de température et à absorber (ou restituer) un flux thermique instantané.

6.6

Temps de déphasage

Le temps de déphasage d’un matériau ou d’une paroi [48] représente la durée entre le moment où la température est la plus élevée à l’extérieur et celui où elle est la plus élevée à l’intérieur. Autrement dit, c’est le temps nécessaire à la chaleur pour transverse le matériau ou la paroi. Le temps de déphasage joue un grand rôle pour le confort thermique d’été d’un bâtiment. Sa prise en considération permet souvent d’éviter l’utilisation de la climatisation qui est particulièrement coûteuse. Le temps de déphasage est fonction de plusieurs facteurs dont l’épaisseur du matériau, sa conductivité thermique sa diffusivité thermique, ses capacités thermiques massiques et volumiques et son effusivité thermique.

6.7

Diffusivité thermique

La Diffusivité thermique [48] elle exprime la vitesse à laquelle la chaleur se propage, par conduction, dans un corps. Plus diffusivité est grande, plus le matériau s’échauffe ou se refroidit rapidement. Plus elle est faible, plus la chaleur mettra du temps à traverser l’épaisseur du matériau Elle s’exprime selon la formule suivante :

D= λ/(ρ.c) (I.11)

Avec :

D : Diffusivité en m2/s.

λ : Conductivité thermique en w/m.k ρ : Masse volumique en Kg/m3

C : Chaleur spécifique (capacité thermique massique) en J/Kg.K

6.8

Capacité thermique massique

La capacité thermique massique[48], anciennement appelée chaleur massique ou chaleur spécifique est déterminée par la quantité d’énergie apportée par échange thermique pour élever d’un degré Kelvin la température de l’unité de masse d’une substance. C’est donc une grande intensive égale à la capacité thermique rapporté à la masse du corps étudié. Elle s’exprime en J/Kg.K.

6.9

Capacité thermique volumique

La capacité thermique volumique ou chaleur volumique d’un matériau [48] est sa capacité à emmagasiner la chaleur par rapport à son volume. Elle est définie par la quantité de la chaleur nécessaire pour élever de 1 degré Kelvin, la température de un mètre cube de matériau. C’est donc une grandeur intensive égale à la capacité thermique rapportée au volume du corps étudié. C’est le produit de la masse volumique d’un matériau et de sa capacité thermique massique. Elle s’exprime en J/m3_.K.

6.10

Effusivité thermique

Effusivité thermique [48] d’un matériau caractérise sa capacité à échanger de l’énergie ther-mique avec son environnement. Elle exprime l’aptitude de la surface d’un matériau à stocker ou restituer de la chaleur. L’effusivité thermique croît avec la conductivité et la capacité thermique selon la formule suivante :

E = (λ.ρ.C)1/2

Avec :

E : Effusivité en J.K−_1.m−_2.s−_1/2

λ : Conductivité thermique en w/m.k % : Masse volumique enKg/m3

C : Chaleur spécifique (capacité thermique massique) en J/Kg.K

7

Les approches du bâtiment passif

7.1

Bâtiment passive

C’est un bâtiment qui ne comprend pas de système actif conventionnel de chauffage ou de climatisation, mais permet un confort thermique [35], intérieur, en hiver comme en été. Elles consistent à accroître les qualités intrinsèques d’un bâtiment afin d’optimiser l’utilisation des énergies qui lui sont fournies. De nombreux paramètres peuvent être pris en compte lors de la construction d’un bâtiment, par exemple :

— Son orientation et sa capacité à profiter de l’énergie lumineuse, à capter et à se protéger de l’énergie solaire[3].

— une isolation thermique renforcée, par exemple grâce à des faux plafonds empêchant le recours à l’inertie thermique, des matériaux comme la laine minérale ou le chanvre, des doubles vitrages à isolation renforcée.

— une meilleure étanchéité générale du bâti à l’air.

7.2

Les approches combinées de l’efficacité énergétique

L’efficacité énergétique n’est pas un concept monolithique ; elle recouvre trois approches qui peuvent être combinées ou abordées séparément :

— Une approche thermique, dite efficacité énergétique passive, axée sur l’enveloppe du bâtiment et son isolation ;

— Une approche axée sur le rendement énergétique des équipements techniques du bâtiment (chaudière, éclairage, etc.) ;

— Une approche systémique et globale de gestion de l’énergie, centrée sur le pilotage de l’ensemble des consommations énergétiques du bâtiment, dite efficacité énergétique ac-tive.

L’efficacité énergétique active vise à optimiser la consommation des bâtiments en supprimant les gaspillages, grâce à une gestion et à un pilotage automatisés des énergies du bâtiment en fonction de leurs usages. L’approche permet de travailler de façon globale (sur l’intégralité du bâtiment) ou segmentée (par applications ou par zones).

Parmi les solutions d’amélioration de l’efficacité énergétique, il est d’usage de distinguer les solutions dites « passives » qui consistent à réduire la consommation d’énergie des équipements et des matériaux grâce à une meilleure performance intrinsèque et les solutions dites « actives » visant à optimiser les flux et les ressources.

7.3

L’étiquette-énergétique

L’étiquette énergie est un autocollant qui fournit des informations facilement identifiables sur la consommation d’énergie et la performance des produits. Elle doit être posée de manière visible sur les nouveaux appareils en exposition. L’un des éléments importants de l’étiquette énergie est l’échelle des classes d’efficacité énergétique, qui fournit un indice simple composé d’un code de lettres et de couleurs allant du vert et de la lettre A, soit la classe la plus efficace en énergie, au rouge et à la lettre G, soit la classe la moins efficace.

Figure I.13 –Etiquettes Energétiques [ADEREE]

Il y a encore quelques années, les consommateurs ne pouvaient pas connaître la quantité d’énergie consommée par le matériel qu’ils comptaient acheter. Afin de les influencer dans leur choix, la Commission européenne a mis en place un programme d’étiquetage énergétique pour chaque produit [24]. L’étiquette indique le classement du produit en fonction de son efficacité énergétique sur une échelle allant de A (efficacité énergétique maximale) à G. De nouvelles classes ont été ajoutées récemment à la classe A (A / A+ / A++) pour refléter les progrès dans l’efficacité des produits. Tous les appareils vendus en UE doivent posséder une étiquette-énergie clairement affichée sur chaque produit en magasin.

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Revue des méthodes de l’efficacité énergétique

Au cours de ces dernières décennies, un nombre important des études et simulations ther-miques des bâtiments a été développé pour les domaines aussi bien de l’industrie que de la recherche. La première motivation de tels développements était de se doter d’outils d’aide à la conception des bâtiments en vue d’une meilleure efficacité énergétique. Les exigences de confort thermique de la population sont de plus en plus présentes.

Dans les années 80, un groupe d’experts internationaux dans le domaine de la simulation des bâtiments a soulevé le problème suivant : la plupart des outils développés jusque-là étaient beaucoup trop rigides pour rendre possibles les évolutions et la flexibilité qui seraient demandées dans l’avenir Clarke [4], [14], et Sowell[11]. Chaque nouvelle fonctionnalité ajoutée demandait un effort important de programmation. De plus, la quantité de données à fournir pour traiter un problème devenait rapidement insurmontable pour la plupart des utilisateurs. Aussi, des