Performance énergétique et confort thermique : effet de la masse thermique, de la résistance et des matériaux de l'enveloppe

Performance énergétique et confort thermique :

Effet de la masse thermique, de la résistance et des

matériaux de l’enveloppe

Mémoire

Alexandre Pépin

Maîtrise en génie mécanique

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

Performance énergétique et confort thermique :

Effet de la masse thermique, de la résistance et des

matériaux de l’enveloppe

Mémoire

Alexandre Pépin

Sous la direction de :

iii

Résumé

Au Québec, la construction en bois massif pour les bâtiments de plus de trois étages gagne en popularité. Son caractère écologique et renouvelable est intéressant pour la construction de bâtiments commerciaux. Cependant, la faible utilisation de ce matériau dans le domaine commercial a suscité des questionnements par rapport au comportement thermique. Dans la présente étude, le comportement de la masse thermique a été analysé à l’aide de simulations numériques. Les variables étudiées sont les variables thermiques dynamiques, l’intensité énergétique et le confort.

Deux logiciels ont été utilisés pour faire ces simulations. Le premier logiciel envisagé, e-Quest, ne s'est pas révélé pertinent pour les analyses sur l'effet de la masse thermique [1]. EnergyPlus a finalement été utilisé dans le cadre de cette étude.

Les résultats ont démontré que le changement de type de masse thermique et la présence de masse thermique permettent de réduire la variation de température moyenne journalière des surfaces internes. Cette réduction atteint 27.8% (2.33°C) lorsque la construction en ossature légère de bois est changée pour une construction en béton massif de 4 W/m2-K RSI. Un constat majeur est que l’intensité énergétique varie surtout en fonction du type de masse thermique. En jumelant le type de masse thermique avec la résistance, un certain gain est obtenu en termes de réduction de l’intensité énergétique. L’épaisseur de masse thermique est le paramètre ayant le moins d’effet sur l’intensité énergétique. Les gains sont d’environ 2.5%, en combinant le type de masse thermique et l’épaisseur de celle-ci. Ce comportement peut s’expliquer par le fait que l’énergie emmagasinée dans l’enveloppe et retournée au bâtiment de façon décalée, ce qui réduit la charge de chauffage en hiver, mais génère des charges de climatisation durant l’été. La dimension du bâtiment étudié et la ventilation peuvent aussi expliquer les faibles gains observés en matière d’intensité énergétique.

Abstract

In the province of Québec, massive wood buildings of three floors and more are becoming more and more popular. This material being ecological and renewable is interesting for commercial buildings. However, its use is fairly low in this type of buildings and this raises many questions related to the thermal behavior. In this study, the influence of thermal mass has been studied using numerical simulations. The variables analyzed are the dynamic thermal variables, the energy intensity and the comfort.

Two programs have been used to perform the simulations. Since the simulations done using e-QUEST have not demonstrated their relevance for thermal mass analyses [1], EnergyPlus software was used to perform the simulations during this study.

The results have demonstrated that the type of thermal mass change and the presence of thermal mass can reduce the mean daily temperature swing of the internal surfaces of the walls. This reduction is up to 27.8% (2.33°C) when the building type passes from a lightweight wood construction to a heavyweight concrete one with a 4 W/m2-K RSI. Another major notice is that the energy intensity principally varies in function of the thermal mass type. Coupled with the thermal resistance, this adds a certain reduction of the energy intensity. The thermal mass thickness is the parameter having the smallest effect on the energy intensity. Gains observed are around 2.5% when the modifications of the type of thermal mass and its thickness are combined. This behavior can be explained by the fact that the energy that is stocked in the envelope and returned to the building after a certain time lag reduces heating demand during winter, but generates cooling demand during summer. The size of the studied building and the ventilation system type could be an explanation of the weak gains obtained regarding the energy intensity.

v

Table des matières

Résumé ... iii

Abstract ... iv

Table des matières ... v

Liste des figures ... vii

Liste des tableaux ... viii

Lettres latines ... ix Lettres grecques ... ix Indices ... x Remerciements ... xi Avant-propos ... xiii : Introduction ... 1 Chapitre 1 1.1 Problématique ... 1 1.2 Objectifs ... 11 Objectif principal ... 11 1.2.1 Objectifs secondaires ... 11 1.2.2 1.3 Présentation du mémoire ... 11

: Article de simulations énergétiques ... 15

Chapitre 2 Résumé ... 17

Abstract ... 18

2.1 Introduction ... 19

2.2 Transient energy and comfort modeling of the building ... 22

Model verification ... 27

2.2.1 2.3 Energy consumption and comfort as a function of thermal mass and thermal resistance ... 30

2.4 Calculation of dynamic parameters of envelope ... 37

2.5 Dynamic properties versus energy intensity and comfort ... 43

Impact of internal areal heat capacity ... 43

2.5.1 Impact of dynamic transmittance ... 46

2.5.2 Impact of decrement factor ... 48

2.5.3 Impact of time lag ... 49

2.5.4 2.6 Conclusions ... 51 2.7 Acknowledgments ... 52 : Validation ... 53 Chapitre 3 3.1 Gestion de la ventilation ... 53 3.2 Gestion de l’humidité ... 55

3.3 Comparaison avec Simeb ... 57

: Simulations réalisées avec le logiciel e-Quest ... 58

Chapitre 4 4.1 Traitement de la masse thermique ... 58

4.2 Construction du modèle ... 59

4.4 Plan d’optimisation et d’analyse détaillée ... 61 4.5 Changement de logiciel ... 61 : Conclusion ... 62 Chapitre 5

vii

Liste des figures

Fig. 1.1 : Proportions de la consommation énergétique totale au Canada entre 1990 à 2014 selon l’utilisation finale : (a) le chauffage, (b) la climatisation, (c) l’éclairage, (d) le chauffage de l’eau domestique et (e) les appareils et moteurs auxiliaires. [6] ... 3 Fig. 1.2: Indice des degrés-jours en chauffage au Canada entre 1990 à 2014 [6] ... 5 Fig. 1.3: Indice des degrés-jours en climatisation au Canada entre 1990 à 2014 [6] ... 5 Fig. 1.4: Consommations énergétiques (en PJ) au Canada entre 1990 à 2014 selon l’utilisation finale : (a) le chauffage, (b) la climatisation, (c) l’éclairage, (d) le chauffage de l’eau domestique et (e) les appareils et moteurs auxiliaires. [6] ... 5 Fig. 1.5: Consommation énergétique totale (en PJ) au Canada entre 1990 à 2014. [6] ... 6 Fig. 1.6: Superficie totale de plancher de bâtiments du milieu commercial et institutionnel (en millions de m2) au Canada entre 1990 à 2014. [6]... 6 Fig. 1.7: Intensité énergétique totale par unité de surface (GJ/m2) au Canada entre 1990 à 2014. [6] ... 7 Fig. 2.1:Three-dimensional (3-D) model of the simulated building... 22 Fig. 2.2: Description of the different cases simulated in this paper ... 25 Fig. 2.3: Heating, cooling (a), and total (b) energy intensities as a function of RSI value for the lightweight wall and three different thermal mass thicknesses (0.0254m, 0.254 m and 0.508 m) for concrete and wood walls ... 31 Fig. 2.4: Heating, cooling (a), and total (b) energy intensities as a function of the thermal mass thickness (L) for RSI values: 4, 6, and 8 ... 33 Fig. 2.5: Discomfort indices due to higher and lower operative temperatures (a) and total discomfort index (b) as a function of the thermal mass thickness for RSI value 6 ... 34 Fig. 2.6: Hourly mean wall surface temperature for 4 cases on January 30th (a), March 18th (b), and June 29th (c) ... 35 Fig. 2.7: Mean daily surface temperature swing vs thermal mass thickness (L) for RSI values: 4, 6, and 8 ... 36 Fig. 2.8: Internal areal heat capacity (κ1) as a function of the thermal mass thickness (L) for RSI values: 4, 6, and 8 ... 43 Fig. 2.9: Heating, cooling (a), and total (b) energy intensities vs internal areal heat capacity (κ1) for RSI values: 4, 6, and 8 ... 44 Fig. 2.10: Discomfort indices due to higher and lower operative temperatures (a) and total discomfort index (b) vs internal areal heat capacity (κ1) for RSI values: 4, 6, and 8 ... 45 Fig. 2.11: Dynamic transmittance |Y12| vs thermal mass thickness for RSI value 6 ... 46 Fig. 2.12: Heating, cooling (a), and total (b) energy intensities vs dynamic transmittance |Y12| for RSI values: 4, 6, and 8 ... 47 Fig. 2.13: Discomfort indices due to higher and lower operative temperatures (a) and total discomfort index (b) vs dynamic transmittance |Y12| for RSI values: 4, 6, and 8 ... 47 Fig. 2.14: Decrement factor (f) vs dynamic transmittance |Y12| for RSI values: 4, 6, and 8 ... 48 Fig. 2.15: Time lag τ as a function of the thermal mass thickness (L) for RSI values: 4, 6, and 8 ... 49 Fig. 4.1: Plan de simulations. ... 60

Liste des tableaux

Tableau 1.1: Nombre maximal d’étages autorisé pour les bâtiments multi-étages en bois

massif.[7] [8] ... 9

Tableau 1.2: Comparaison de l'épaisseur d'isolant de deux cas ayant le même facteur RSI et la même épaisseur de masse thermique ... 12

Table 2.1 : Description of the wall assemblies considered in this study ... 23

Table 2.2: Description of the floor assembly considered in this study... 23

Table 2.3: Thermal properties of the materials used in this study ... 24

Table 2.4 :Schedule of the occupation rate... 26

Table 2.5: Comparison of energy consumption between two test cases ... 28

Table 2.6: Symbols and color legend for Fig. 3−13, except Fig. 5 ... 32

Table 2.7: Thermal properties of the different components of walls assemblies ... 41

Table 2.8: Comparison of the dynamic properties of envelopes obtained with the present numerical program and in Chapter 15.3 of [31] ... 42

Table 2.9: Comparison of the dynamic properties of envelopes obtained with the present numerical program and by Rossi and Rocco [32] ... 42

Tableau 3.1: Comparaison des modèles avec et sans contrôleur d’humidité. ... 56

ix

Lettres latines

cp Chaleur spécifique [J kg-1 K-1]

COP Coefficient de performance d’une pompe à chaleur

DDH Index d’inconfort / «Degree discomfort hour» [°C-h]

D D H  Index d’inconfort lorsque la température est trop haute [°C-h] D D H  Index d’inconfort lorsque la température est trop basse [°C-h]

e Matrice de transfert d’une couche

E Matrice de transfert de l’assemblage mural f Facteur de décrément [-]

k Conductivité thermique [W/m-K]

l Épaisseur d’une couche [m] L Épaisseur de masse thermique [m]

n Nombre total de couches dans l’assemblage mural P Période [s] R” Résistance thermique [m2-K W-1] T temperature [°C] U Transmittance statique [W m-1 K-1] 1 2 Y Transmittance dynamique [W m-1 K-1]

Lettres grecques

κ1 Capacité thermique surfacique interne [kJ m-2 K]

Δt Intervalle temporel [h]

 Densité [kg m–3]  Angle polaire [-]

Indices

csp Température de consigne en climatisation hsp Température de consigne en chauffage i Index horaire d’occupation

j Propriété de la jième couche de l’assemblage mural op Opérationnelle

xi

Remerciements

Je voudrais premièrement remercier Louis Gosselin qui a été le directeur de recherche au cours de ma maîtrise. Je le remercie de m’avoir fait confiance et de m’avoir offert cette possibilité de faire une maîtrise au sein de son groupe de recherche. La recherche est remplie de défis et de questionnements. Louis a su bien m’orienter, me poser les bonnes questions afin d’avancer dans le projet. Il m’a aussi supporté dans les moments plus difficiles, où il a été nécessaire de recommencer des simulations ou d’approfondir celles-ci. Lors de mon voyage à Bordeaux en France, il a été compréhensif, à l’écoute et il m’a supporté tout au long de cette expérience inoubliable.

En parlant du voyage en France, je voudrais aussi remercier Pierre Blanchet, directeur de la Chaire de recherche sur la construction écoresponsable en bois, Natalie Noël, ex-coordonnatrice de la chaire, Philippe Lagière, responsable scientifique de Nobatek/Ecocampus d’avoir rendue possible la collaboration entre Nobatek et le cirCERB. Je ne voudrais surtout pas oublier Marie Pauly, ingénieure chez Nobatek qui m’accueilli et supervisé durant mon séjour chez Nobatek. Toute l’équipe de Nobatek mérite aussi des remerciements pour m’avoir très bien accueilli dans leur entreprise. Je suis aussi très reconnaissant envers les membres de l’équipe qui ont pris de leur temps pour transmettre du savoir et échanger sur les sujets de recherche.

Plus près de nous, à Québec, les membres de l’équipe du Laboratoire de Transfert Thermique et d’Énergétique qui ont été présents pour me supporter durant ma recherche. Un merci spécial à Jonathan Dallaire qui m’a aidé dans la révision et la rédaction de l’article. Je remercie aussi Caroline Frenette de Cecobois et François Mathieu-Potvin du Laboratoire de Transfert Thermique et d’Énergétique d’avoir accepté d’évaluer le présent mémoire.

Je voudrais aussi souligner l’implication de Mathieu Payeur et Julien Dutel du Bureau de l'efficacité et de l'innovation énergétiques ainsi que de Simon Sansregret de l’Institut de Recherche d’Hydro-Québec.

Les organismes subventionnaires : La Chaire de recherche sur la construction écoresponsable en bois/CRSNG, le bureau international de l’Université Laval, l’OJIQ m’ont permis de me concentrer sur la recherche en m’offrant le soutien financier et il me fait donc plaisir de leur exprimer ma reconnaissance envers eux.

Je voudrais aussi remercier mes proches, Yvan, Marie-Hélène et Catherine qui se sont intéressé à mon projet et qui sont restés informés de l’état du projet et qui m’ont supporté tout au long de mon parcours.

Finalement, je voudrais remercier ma conjointe, Maryline, qui au cours de ces deux années m’a encouragé et m’a soutenu dans ce projet. Son attitude positive m’a permis de continuer et de mener à bien ce projet.

xiii

Avant-propos

Le présent mémoire est le fruit du travail de l’auteur de ce mémoire, Alexandre Pépin et de son directeur de recherche, Louis Gosselin. Alexandre s’est aussi occupé de faire la revue de littérature principale par rapport au sujet. C’est d’ailleurs le cas aussi pour ce qui est de la recherche d’informations et l’expérimentation des logiciels. Les simulations numériques ont aussi été effectuées par Alexandre au même titre que la validation de l’utilisation logiciel EnergyPlus. Au cours des tâches que l’auteur du mémoire a accomplies, son directeur a toujours été présent dans le but de coordonner les travaux de recherche. Il a mis à profit son expérience dans le domaine et il a su bien orienter la recherche. De plus, lors de la rédaction de l’article et du mémoire, il a participé à la révision et à l’amélioration de ceux-ci. Il a aussi contribué à l’analyse des résultats et à la validation.

Jonathan Dallaire a contribué à l’article à titre de réviseur et de troisième auteur.

Une partie du corps de ce mémoire contient un article. Au moment de l’écriture de ce mémoire, l’article est soumis pour publication.

Le présent document est soumis aux exigences de la Faculté des études supérieures et postdoctorales. Dans ce sens, l’article a dû être modifié afin de respecter les normes de présentation. La localisation des figures, la pagination, la numérotation des figures, des tableaux et des références bibliographiques ont dû être révisées.

: Introduction

Chapitre 1

1.1 Problématique

Depuis longtemps, l’homme est en mesure de se construire des installations, afin de se protéger de la nature. Les premiers abris n’étaient pas très complexes et étaient principalement construits à partir de matériaux dégradables et facilement trouvables dans la nature. Que ce soit de la peau d’animaux, des ossements, des feuilles ou des branches à partir desquels était fait l’abri, celui-ci permettait un certain contrôle des conditions environnantes. Avec le temps, l’homme a été en mesure de peaufiner ses méthodes de construction et a commencé à utiliser d’autres matériaux plus résistants et permettant toujours un meilleur contrôle de son environnement. Cela a d’ailleurs évolué jusqu’au contrôle de la température, de l’humidité et du son [1]. Au fil des années, le bâtiment s’est aussi diversifié et a commencé à être utilisé à plusieurs escients. Des bâtiments commerciaux abritant des commerces et des bureaux ont vu le jour. Cela a d’ailleurs contribué à augmenter la quantité de bâtiments. De plus, avec la constante croissance de la population mondiale vient une augmentation de la quantité de bâtiments. La croissance en matière de construction de nouvelles habitations résidentielle en Amérique du Nord est évaluée à 7.9% de plus de mises en chantier annuellement [2]. Pour chaque habitation ou bâtiment une certaine quantité de matériaux est utilisée. Ces matériaux peuvent être de sources variables et qui ont chacun leur propre empreinte environnementale. Certains matériaux ont une grande empreinte écologique en plus d’être non renouvelables alors que d’autres sont renouvelables ou recyclables. La quantité de bâtiments étant grandissante, la source de ces matériaux et leur empreinte environnementale deviennent un aspect important à considérer. Il est de mise de tenter de construire les bâtiments avec des matériaux ayant une plus faible empreinte écologique en fin de vie et qui peuvent être recyclables. L’énergie utilisée afin de contrôler la température et l’humidité dans tous les types de bâtiments devient aussi un aspect important à considérer lors de la construction d’un bâtiment. La quantité d’énergie consommée par les bâtiments de tous genres aux États-Unis atteint 40% de la consommation totale d’énergie pour un total de 11 430 milliards de kWh. De cette énergie, les systèmes de chauffage, climatisation et ventilation (CVAC) en consomment 32% dans le secteur commercial et 39% pour le secteur résidentiel [3]. Il vaut donc la peine de réfléchir à des façons de la réduire lors d’une nouvelle construction. La consommation

2

servant à la ventilation, la climatisation et le chauffage ainsi que l’empreinte écologique des matériaux de construction sont donc deux aspects importants à considérer lors du design d’un nouveau bâtiment.

Au Québec, le gouvernement a mis en place un programme d’homologation pour les résidences unifamiliales et les bâtiments multilogements qui s’appelle Novoclimat. Ce programme ne fait pas partie de la loi, mais permet à la population de faire homologuer leur résidence et de garantir une certaine qualité au niveau de l’efficacité énergétique et des méthodes de construction. Le programme met en place des requis techniques qui permettent de surpasser la performance énergétique des normes en vigueur. Des incitatifs financiers sont d’ailleurs mis de l’avant pour les acheteurs, les entrepreneurs et les promoteurs afin que ceux-ci soient incités à appliquer des standards plus hauts que la norme en termes de performance énergétique des bâtiments [4]. Novoclimat comprend aussi de la formation au niveau des entrepreneurs et des différents spécialistes de la construction visés. Le programme a récemment évolué en octobre 2013 pour devenir Novoclimat 2.0. Cette nouvelle version du programme augmente les exigences par rapport à la performance énergétique du bâtiment. Celles-ci sont en lien avec l’enveloppe du bâtiment, la ventilation ainsi qu’avec les différents appareils de chauffage et de climatisation. En matière de développement durable, des exigences sont ajoutées et un nombre de critères doit être respecté. Ces critères sont choisis à partir d’une liste de choix fournie. Le dernier élément ajouté consiste en une nouvelle forme d’énergie admissible qui est la génération d’énergie par biomasse forestière résiduelle. [5] Selon le ministère des Ressources Naturelles et de l’Énergie, les habitations ayant l’homologation Novoclimat 2.0 permettent d’obtenir jusqu’à 20% de réduction de la consommation d’énergie par rapport à une construction suivant le nouveau Code de construction du Québec[4].

Plus tôt dans ce mémoire, il est mentionné que la quantité d’énergie consommée par les bâtiments représente environ 40% de la consommation énergie totale. Il est normal de s’intéresser à ce sujet qui a un grand impact sur la consommation d’énergie en général. Tout d’abord, plusieurs variables ont un impact sur cette consommation ; la superficie totale des bâtiments en est un exemple et l’utilisation finale de cette énergie en est une

autre. Dans le domaine commercial et institutionnel, le chauffage des locaux occupait 60.3% du total1 de l’énergie consommée par ce domaine en 1990.[6] Les appareils et moteurs auxiliaires en représentaient une proportion de 15.6%, l’éclairage 11.4%, le chauffage de l’eau chaude domestique 7.83% et 4.11% pour la climatisation [6]. L’éclairage, Il est possible de voir l’évolution des proportions de la consommation énergétique totale au Canada entre 1990 et 2014 selon l’utilisation finale à la Fig. 1.1 [6].

Fig. 1.1 : Proportions de la consommation énergétique totale au Canada entre 1990 à 2014 selon l’utilisation finale : (a) le chauffage, (b) la climatisation, (c) l’éclairage, (d) le chauffage de l’eau domestique et (e) les appareils

et moteurs auxiliaires. [6]

Les consommations énergétiques, quant à elles, sont tracées à la Fig. 1.4. Bien qu’elle soit assez stable, en comparant avec l’indice de degrés-jours en chauffage, la consommation reliée au chauffage des locaux a cependant diminué en proportion. Par contre, celle des appareils et moteurs auxiliaires augmenté. De tels équipements et appareils sont nécessaires pour chaque bâtiment et on peut penser que cette proportion est liée à

1 _{Le total considéré exclut l’énergie consommée par l’éclairage des voies publiques, car celle-ci n’est}

pas inhérente au bâtiment. Cette énergie représente 8.9 PJ ou 1.2 % des 745.6 PJ consommés incluant l’éclairage des voies publiques. Le total considéré est alors de 736.6 PJ.

4

l’augmentation de la surface totale de plancher. La quantité d’appareils auxiliaires est aussi elle-même en augmentation. On retrouve de plus en plus d’appareils par mètre carré de bâtiment. Le chauffage de l’eau domestique et l’éclairage sont aussi deux données qui sont étroitement liées à la surface totale de plancher mais ceux-ci ne tendent pas à augmenter par unité de superficie. Il est possible de le constater en comparant les tendances des consommations énergétiques liées à l’éclairage (Fig. 1.4c), au chauffage de l’eau chaude (Fig. 1.4d) et aux équipements et moteurs auxiliaires (Fig. 1.4e) à la tendance de la superficie totale de plancher (Fig. 1.6). Certes des améliorations ont été effectuées au niveau de l’efficacité de tous ces équipements, mais cette amélioration n’est pas aussi marquée que pour les équipements de chauffage et de climatisation ainsi que des méthodes de construction. La technologie a permis de stabiliser la consommation énergétique de ces deux postes malgré une augmentation de 48.0% de la superficie de plancher totale. Même si la consommation énergétique totale, qui est illustrée à la Fig. 1.5, augmente de façon constante l’intensité énergétique totale diminue. Il est possible de le constater à la Fig. 1.7 qui présente l’évolution de cette dernière. Un sommet est présent dans les trois années qui précèdent l’année 2006 et c’est visiblement attribuable au climat lorsqu’on se réfère aux graphiques des indices des degrés-jours en chauffage à la Fig. 1.2 et en climatisation à la Fig. 1.3 [6]. Si ces trois années sont considérées comme plus énergivores qu’à l’habitude et on se réfère à la tendance générale, il est possible d’affirmer que l’intensité énergétique totale diminue avec les années.

Fig. 1.2: Indice des degrés-jours en chauffage au Canada entre 1990 à 2014 [6]

Fig. 1.3: Indice des degrés-jours en climatisation au Canada entre 1990 à 2014 [6]

Fig. 1.4: Consommations énergétiques (en PJ) au Canada entre 1990 à 2014 selon l’utilisation finale : (a) le chauffage, (b) la climatisation, (c) l’éclairage, (d) le chauffage de l’eau domestique et (e) les appareils et moteurs

6

Fig. 1.5: Consommation énergétique totale (en PJ) au Canada entre 1990 à 2014. [6]

Fig. 1.6: Superficie totale de plancher de bâtiments du milieu commercial et institutionnel (en millions de m2) au Canada entre 1990 à 2014. [6]

Fig. 1.7: Intensité énergétique totale par unité de surface (GJ/m2) au Canada entre 1990 à 2014. [6]

En résumé, la quantité d’énergie consommée par les bâtiments commerciaux et institutionnels au Canada augmente au cours des années. La technologie des appareils et moteurs auxiliaire qui stagne et le nombre d’appareils par unité de superficie qui grandit année après année en ayant une superficie qui augmente de façon soutenue, il n’est pas surprenant de voir que la consommation totale d’énergie augmente. Cependant, la technologie au niveau du chauffage et de la climatisation et aussi des méthodes de construction a permis de stabiliser la consommation de ces deux postes ce qui permet une diminution de l’intensité énergétique totale.

Jusqu’à tout récemment, le frein à la construction de bâtiments de plus de 4 étages en bois était liée au Code National du Bâtiment. En 2010, une section sur la construction de bâtiments en bois d’au plus 6 étages a été introduite. Ces prescriptions ne discriminent pas le type de système constructif. En d’autres mots, cette section s’applique pour tous les systèmes constructifs combustibles. Parmi ceux-ci se retrouvent : la construction à ossature légère, les systèmes de poutres et colonnes, le bois d’ingénierie structural, le bois lamellé-collé, le bois lamellé-croisé et la construction hybride. Le Guide technique pour la

conception et la construction de bâtiments en bois de grande hauteur au Canada (GBGH)[7], publié par FPInnovations en 2014, est d’ailleurs la référence de cette nouvelle

8

la construction d’un bâtiment d’au plus 12 étages de construction massive en bois si toutes les lignes directrices du guide Bâtiments de construction massive en bois d’au plus 12

étages [8]. En outre, il y a eu une étude de cas réel dans la ville de Québec sur un bâtiment

de grande hauteur, ainsi que la consultation d’un groupe de travail sous la responsabilité de la Régie du Bâtiment du Québec (RBQ). Cela a donc permis aux différents intervenants d’avoir la possibilité de construire des bâtiments de grande hauteur en bois ainsi que d’en connaître les lignes directrices[8]. Il était normal que le Québec et le Canada emboîtent le pas comme les autres pays comme il est possible de voir au Tableau 1.1 ci-dessous.

Tableau 1.1: Nombre maximal d’étages autorisé pour les bâtiments multi-étages en bois massif.[7] [8]

Pays Nombre maximum d’étages autorisé

Allemagne, Norvège et Suède Pas de limite

Royaume-Uni Maximum de sept

États-Unis Maximum de six

Danemark, Finlande Maximum de quatre

Canada Maximum de six (2010)

Il y a aussi des avantages environnementaux à construire en bois. Le bois est en fait un consommateur de CO2. Lors de la photosynthèse, l’arbre capte le gaz carbonique et le transforme en oxygène. Cela contribue donc à la diminution du taux de CO2 dans l’air [9]. Dans le même ordre d’idées, le bois sec est constitué de ce carbone séquestré à la hauteur d’environ 50% [9]. Même après la coupe de l’arbre, ce carbone reste emprisonné dans le bois. Selon Sathre et O’Connor (2010) [10], l’utilisation du bois dans la construction permet le retrait de 1.1 tonne de CO2 dans l’atmosphère par mètre cube de bois utilisé. Un calcul rapide permet d’évaluer qu’un bâtiment de 24 000 pieds carrés en bois aura retiré l’équivalent de l’émission de CO2 d’une voiture pendant cinq ans (29 tonnes de CO2, 12 500 litres d’essence)[9]. Beaucoup de gens auront dans l’idée que le bois étant combustible sera moins résistant au feu que la majorité des autres constructions. Dans le cas du bois massif, ce n’est pas le cas. La combustion ne retranche qu’environ 4.2 cm par heure d’incendie [9]. Un avantage notable est que la structure reste stable même lorsque l’incendie se prolonge sur un plus longue période [9]. Le bois ayant une bonne capacité d’isolation, le côté opposé à celui qui brûle aura un changement de température modéré (180°C maximum ou une moyenne de 140°C mesurée à neuf emplacements différents selon les normes CAN/ULC S101 ou ASTM E 119)[11], mais tout de même faible lorsque comparé à l’acier. À titre indicatif, les structures de bois massif peuvent être conçues pour résister au feu de 30 à 90 minutes[11].

Ayant tout ce contexte, il est facile de se convaincre qu’il est important de se pencher sur la construction en bois pour ses nombreux avantages écologiques et structuraux. De plus, il faut aussi considérer d’y ajouter l’analyse de l’efficacité énergétique de ces bâtiments.

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La Chaire de recherche industrielle sur la construction écoresponsable en bois (cirCERB) a pour but d’étudier la construction en bois, afin de rendre la construction de bâtiments à vocation commerciale plus écoresponsable. Le groupe se concentre notamment à développer des technologies afin de permettre la construction en hauteur des bâtiments en bois. Certains acteurs dans le milieu de la construction ont l’impression que la masse thermique du bois étant plus faible que celle du béton, cela pourrait détériorer la performance obtenue par le matériau bois en terme de confort et de besoin en chaleur et en froid. La masse thermique est la capacité d’un matériau à retenir la chaleur et à la dissiper d’une façon décalée dans le temps. Le béton possède une grande masse thermique. Le bois, lui, en possède une plus faible. Cependant, il est pertinent de se demander quelle est l’influence de la masse thermique sur la performance énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment. Cette question est d’actualité et peu d’information est disponible pour les climats nordiques et est inexistante pour ce qui est du Québec.

C’est dans ce contexte que le projet : Performance énergétique et confort thermique: Effet de la masse thermique, de la résistance et des matériaux de l’enveloppe a été démarré. La prochaine section présente les objectifs de ce dernier.

1.2 Objectifs

Objectif principal

1.2.1

Étudier l’impact des matériaux dans l’enveloppe d’un bâtiment à vocation commerciale au niveau de la masse thermique.

Objectifs secondaires

1.2.2

Dans le but d’atteindre l’objectif principal, les objectifs secondaires suivants ont été définis :

- Étudier l’impact de la masse thermique sur la performance énergétique de bâtiments à vocation commerciale.

- Comparer la performance de bâtiments possédant des enveloppes comportant différents matériaux (béton, bois massif et ossature légère en bois).

- Analyser les liens, s’ils existent, entre la masse thermique et les paramètres thermiques dynamiques caractérisant une enveloppe.

1.3 Présentation du mémoire

Le corps de ce manuscrit est divisé en trois chapitres. Le Chapitre 1 introduit le sujet et c’est aussi dans ce chapitre que la revue de littérature est exposée. Le Chapitre 2 est principalement composé de l’article « Correlations between dynamic thermal properties, energy consumption and comfort in wood, concrete and lightweight buildings ». Cet article présente les résultats de 164 simulations menées avec EnergyPlus sur un modèle d’étage d’un bâtiment non-résidentiel en changeant les paramètres d’isolation, d’épaisseur et de type de masse thermique. L’objectif de cet article était d’étudier les corrélations entre la consommation énergétique, le confort et les paramètres thermiques dynamiques. Le facteur R est le paramètre modifié entre les simulations pour ce qui est de l’isolation. Les valeurs de RSI simulées sont 2, 4, 6, 8 et 10 K-m²/W. Pour chaque valeur d’isolation, l’épaisseur de masse thermique (L) est variée entre 0.0254 m à 0.508 m par bonds de 0.0254 m. Afin de garder le même facteur RSI entre les cas, l’épaisseur de la couche isolante est réduite étant donné l’augmentation de l’isolation résultant de l’épaisseur de la masse thermique plus grande. Un exemple est illustré de l’ajustement de l’épaisseur d’isolant est illustré au Tableau 1.2.

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Tableau 1.2: Comparaison de l'épaisseur d'isolant de deux cas ayant le même facteur RSI et la même épaisseur de masse thermique

Construction en bois massif (Type CLT)

Construction en béton haute densité

Facteur RSI 8

Extérieur Parement de bois

(0,015875 m)

Couche #1 Couche d’air

(0,0254 m) Couche d’air (0,0254 m) Couche #2 Polyisocyanurate (125,2 mm) Polyisocyanurate (148,3 mm)

Couche #3 Panneau de bois massif CLT

(152,4 mm )

Béton haute densité (152,4 mm)

Couche #4 Couche d’air

(0,01905 m) Couche d’air (0,01905 m) Couche #5 Gypse (0,015875 m) Gypse (0,015875 m)

Un autre type de construction a aussi été simulé. C’est la construction en ossature légère de bois (« lightweight »). Pour ce dernier type de construction, la masse thermique est presque inexistante et ce n’est donc que l’isolation qui a été changée. Cela peut aussi être pris comme point de référence sans masse thermique. Le modèle de bâtiment est un étage d’un édifice à bureaux d’une dimension de 21 m x 23 m comportant une seule zone thermique pour simplifier le modèle. Afin d’étudier l’impact de la masse thermique plus précisément lorsque celle-ci est dans l’enveloppe, le toit et le plancher ont été définis comme adiabatiques. Une autre simplification est que le système de ventilation, chauffage et climatisation est défini comme étant avec des charges idéales « ideal loads ». Ce modèle de système a été utilisé en raison de la simplicité qu’il permet ainsi que du fait qu’il ne dépend pas sur des paramètres ou caractéristiques d’équipements. Aussi, un index d’inconfort est défini afin d’être en mesure de bien analyser le confort par la suite. Puis, une validation du modèle développé dans EnergyPlus a été effectuée en comparant le modèle à des valeurs obtenues avec un autre logiciel ainsi qu’à des valeurs présentes dans la littérature. Les résultats des simulations définies plus haut ont été analysés en termes de consommation énergétique et de confort comparés par rapport à la masse thermique ainsi qu’à la résistance thermique. Par la suite, les paramètres thermiques dynamiques suivants sont définis : la capacité thermique surfacique interne, la transmittance dynamique, le facteur de décrément ainsi que le décalage temporel. Cela permet donc de faire l’analyse de

la consommation énergétique et du confort en fonction de ces différents paramètres thermiques dynamiques.

Le mémoire se poursuit par le Chapitre 3 qui présente une discussion plus détaillée de la validation exposée dans l’article. Il est notamment question du traitement et du contrôle de la ventilation dans le logiciel EnergyPlus. Les options et paramètres changent pour chaque modèle de ventilation. Il est donc difficile de s’y retrouver et de comparer ceux-ci. Ceci est valide pour le contrôle de la ventilation mais aussi pour le contrôle de l’humidité. Le modèle « Ideal Loads » permet une simplification à plusieurs niveaux. Cependant, en retour certains paramètres ou comportements sont définis automatiquement et il est difficile, voire impossible, de les contrôler de la manière désirée. Le contrôle de l’humidité pouvant être un facteur énergivore, il a été étudié, afin de vérifier son impact au niveau des résultats.

Par la suite, le Chapitre 4 traite des premières simulations effectuées dans le cadre de ce projet de recherche. Au début du projet, le plan était d’utiliser le logiciel e-Quest qui est assez répandu dans le domaine du génie conseil en mécanique du bâtiment. Il est d’ailleurs utilisé par le logiciel Simeb qui été mentionné précédemment et qui sera brièvement présenté dans le Chapitre 2 et qui est aussi présent dans le Chapitre 3. Une grande quantité de simulations avait été effectuées. Cependant, l’analyse ne s’avérant pas fructueuse, l’outil a été remplacé par un autre. La raison première de l’abandon de ce logiciel pour mener les simulations dans le cadre de cette recherche est la façon de traiter la masse thermique. Une thèse de l’Université d’Arizona a établi que le logiciel e-Quest donne de bonnes approximations de la consommation énergétique en général. Par contre, dans des cas d’analyses plus détaillées liées à la masse thermique, les résultats ne sont pas exacts. Il a tout de même été jugé pertinent de partager le travail effectué avec e-Quest. Tout d’abord, le modèle utilisé et la construction de celui-ci est détaillé. Par la suite, le plan de simulations exécuté est exposé. Le choix des différents cas et des différents climats est expliqué. Par la suite, le plan d’analyse des résultats plus avancée est énoncé. Puis, le changement de logiciel pour EnergyPlus est discuté.

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Finalement, une conclusion permet de faire un retour et une rétrospective des éléments traités dans le mémoire ainsi que de présenter des idées pour poursuivre la recherche sur le sujet. Ce sont notamment des sujets qui auraient été intéressants à analyser et à simuler dans le cadre de ce projet de recherche.

: Article de simulations énergétiques

Chapitre 2

L’article suivant est le fruit de plus de 160 scénarios simulés sur le logiciel Energy Plus. Le logiciel Energy Plus a été sélectionné en fonction de sa grande utilisation dans la littérature. Les cas présents sont fictifs afin de simplifier le problème à résoudre et réduire le nombre de variables, déjà assez grand, qui peuvent influer sur le comportement de la performance énergétique, l’intensité énergétique et le confort. Le logiciel Energy Plus permet d’analyser des cas réels en entrant dans les plus fins détails. Ce niveau d’analyse convient bien pour l’analyse d’un bâtiment précis, d’un cas de figure précis. Cependant, la présente recherche voulant s’appliquer dans une vue plus générale, les cas sont restés fictifs mais imprégnés de la réalité en partant de certaines caractéristiques d’un cas réel.

Dans la première partie de l’article, une revue de littérature sur le sujet est exposée. Cela permet d’apprécier le travail passé et de comparer les résultats entre eux. Malgré tout, ces recherches permettent de s’imprégner du sujet avant d’entrer dans le corps de l’article.

Tout d’abord, le modèle du bâtiment ainsi que la modélisation du confort sont présentés et expliqués au lecteur. Les types de revêtements et d’enveloppes sont donc détaillés et le plan de simulation est aussi introduit. Le lecteur a donc une bonne connaissance des paramètres des simulations et de ce qui des cas qui ont été simulés. La vérification du modèle est aussi un sujet abordé qui mise à démontrer la validité du modèle avec la littérature.

Une première présentation des résultats est effectuée lors de la discussion de l’intensité énergétique par rapport à la masse thermique et au degré d’isolation. L’analyse de ces résultats est faite dans la même section.

Par la suite, les variables thermiques dynamiques sont présentées afin de connaître la façon de les calculer. Le développement mathématique et la validation avec des cas existants permettent d’avoir confiance par rapport aux valeurs qui seront calculées dans les simulations par le code Matlab.

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La section suivante présente des résultats pour les variables thermiques dynamiques. Tout au long de cette section, les résultats sont discutés et analysés.

L’article se termine par une conclusion où il possible de faire une rétroaction sur les simulations et de récapituler. C’est aussi l’occasion de proposer des pistes de recherches subséquentes au travail présenté dans ce chapitre.

Titre :

Correlations between dynamic thermal properties, energy consumption and comfort in wood, concrete and lightweight buildings

Co-Auteurs:

Alexandre Pépin, Louis Gosselin, Jonathan Dallaire Journal:

Applied Energy (soumis)

Department of Mechanical Engineering, Université Laval, Québec City, QC, Canada, G1V 0A6

Résumé

Un édifice à bureaux fictif situé dans la ville de Québec (Canada) ainsi que différents types d’enveloppe ont été simulés afin de déterminer la consommation énergétique et le confort thermique qui en résultent. La résistance, la masse thermique et les matériaux (béton, bois massif lamellé-croisé et ossature légère) ont été variés dans une série de 164 scénarios différents. Pour chaque cas, l’énergie de chauffage, de climatisation ainsi que l’index d’inconfort ont été calculés. La performance de l’enveloppe ainsi que quatre paramètres thermiques dynamiques (transmittance dynamique, capacité thermique surfacique, facteur de décrément et décalage temporel) ont été étudiés pour chaque cas afin de vérifier s’il existe une corrélation. La capacité thermique surfacique a semblé être la variable ayant l’impact le plus important sur les variations de la performance de l’enveloppe.

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Abstract

A fictive office building located in Quebec City (Canada) with different envelope assemblies has been simulated in order to determine the energy consumption and thermal comfort that they provided. The resistance, thermal mass, and materials (concrete, cross-laminated timbers (CLT), and light-frame) were varied in a series of 164 different scenarios and the energy intensities for heating and cooling were determined in each case, along with the discomfort index. Results show that the material used to provide thermal mass has a larger impact on comfort and energy consumption than the value of the thermal mass thickness itself. It was also attempted to correlate the performance of the envelope assessed through energy simulations with four dynamic thermal properties (i.e., dynamic transmittance, areal heat capacity, decrement factor, and time lag). The internal areal heat capacity appeared to be the most important variable to explain variations of performance of the envelope.

2.1 Introduction

In the design of a building envelope, occupants’ comfort and energy consumption are two important aspects to consider. In addition to the thermal resistance of the envelope, the value of which is often provided by regulations or standards, its thermal mass also has a role to play regarding energy consumption and comfort [12], [13]. Recognizing thermal mass impact on building performance, Wang et al. [14] proposed thermal mass requirements to complement US building codes. Concrete is often considered to provide a high thermal mass in buildings. However, concrete has a significant carbon footprint, which can result in a challenge when aiming at sustainability [15]. For example, Hacker et al. [16] investigated the trade-offs between providing more thermal mass (concrete) to reduce energy consumption and operational CO2 emissions versus the embodied CO2 of concrete. Phase change materials have also been investigated in order to increase the thermal mass of envelope assemblies [17], [18], but cost, fire prevention regulations and environmental impacts of these materials (often derived from petroleum) limit their utilization. Therefore, a lot of attention has been devoted lately to wood and bio-based materials as greener and more sustainable material alternatives [19], [20]. Studies have shown that the use of wood in buildings can help reducing the carbon emissions related to materials of buildings [21]. On the other hand, wood has a higher conductivity than typical insulation materials, but a lower thermal mass than concrete [22], which might lead designers to consider it as being detrimental to building energy performance. It is not always clear how the heating/cooling needs and comfort could be affected by this material. In particular, there are still a lot of challenges to fully understand the thermal mass of wood in different contexts.

Recent studies on thermal mass and dynamic behavior of envelopes often conclude that with high thermal mass envelopes, building peak loads are diminished and so is the energy consumption [23], [24]. Moreover, the best envelope composition is usually obtained by placing the insulation close to the external surface and the thermal mass, close to the interior [25], [26]. On the other hand, a thick insulation can cause summer overheating when coupled with high thermal mass [27].

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Al-Sanea et al. [28] have numerically investigated the effects of thermal mass with a 1D finite difference approach on variables such as the transmission loads, energy storage rate, time lag, and decrement factor in the climate of Riyadh, Saudi Arabia. Heavyweight concrete was the material providing the thermal mass in the wall composition, and therefore, the thickness of the concrete layer was varied in the study to change the wall thermal mass. They found that the heating and cooling loads during winter and summer are not significantly changed by thermal mass. On the other hand, in the mid-seasons, the loads are greatly affected by thermal mass. They explain this situation by the fact that in the mid-season the building can be naturally ventilated and it can discharge at night the heat accumulated in the walls during daytime. Overall, transmission through the envelope was reduced by 17% for cooling and by 35% for heating as a result of optimizing the thermal mass in this study. Zhu et al. [29] studied a high thermal mass insulated concrete wall system for a zero energy house in Las Vegas, Nevada, USA and observed more stable temperature, reduced heating loads but increased cooling demands compared to lighter a wall construction.

The effect of thermal mass (concrete layer) on energy demand and comfort in Alaskan houses was simulated by Stevens et al. [30]. Due to the cold climate (heating degree days above 7000C-day), thermal mass was not able to reduce heating loads. However, it yielded more comfortable conditions in the summer. With a conceptual model, Karlsson et al. [31] showed that although thermal mass affected the power consumption pattern under a cold climate, the total energy consumption was not always reduced. Aste et al. [23] have also investigated the effects of thermal mass of the envelope on the energy performance of buildings. They analyzed a series of envelopes and then performed energy simulations for a simple test cell. Their simulations were made for Milan, Italy. Parametric studies were performed by varying different building design features to understand when thermal mass was more beneficial: with or without shading devices, low or high ventilation rate, one or four high thermal mass walls, intermittent or continuously operating HVAC systems, etc. Results show that the energy demands for heating and cooling could be reduced respectively by 10% and 20% as a result of using a high thermal mass envelope over a low thermal mass. Furthermore, their study highlights the fact that thermal inertia

becomes more important when the inertia is coupled with other energy saving measures or strategies in the building, such as night ventilation [32], [33].

Based on measurements in Spanish schools and on simulations, Orosa and Oliveira [34] demonstrated the impact of thermal mass on the energy performance. They explained that internal gains, solar heat gains, air-change rate, among others, can influence the role played by thermal mass, and argue that wall transmittance is not enough to fully characterize an envelope. Wooden panels used as permeable internal coverings were simulated and were found to increase the time constant of the building while reducing energy consumption.

The internal surface heat capacity is also important because its value characterizes the amount of heat that can be stored in the wall. Di Perna et al. [25] proposed threshold values for the internal areal capacity as a function of the transmittance value of the wall. Moreover, their results (which were obtained for a school in Loreto, Italy) demonstrated that no matter which window opening strategy was used, the comfort was always better in the building with a high thermal mass.

The above literature review revealed different limitations and challenges: Studies on thermal mass performed under colder climates such as that of Québec City, Canada (5202C-days of heating) are scarce. Furthermore, investigations on the thermal mass provided by wood in the wall composition (e.g., with massive wood such as cross-laminated timber (CLT)) are also few. Finally, since the benefits of thermal mass depend on the context and overall building design, it can be challenging to assess the actual energy savings and comfort improvement related to the envelope. The main objective of the present paper is to offer some answers to these issues. Section 2.2 presents the details of the building energy model that was developed in Energy Plus. Three types of envelopes were simulated (concrete, CLT and light-frame). The impact of thermal resistance and thermal mass on energy intensity and comfort is detailed in Section 2.3. Section 2.4 presents how the four dynamic properties of the envelopes considered in this study were calculated. The advantage of dynamic thermal properties is that they are easy and fast to calculate or to

22

specify. Potential correlations between the resulting dynamic properties and energy intensity and comfort were explored in Section 2.5.

2.2 Transient energy and comfort modeling of the building

The building under study is an office building located in Quebec City (Quebec, Canada). In order to simplify the model, only an intermediate storey was considered. The dimensions of the floor are 23 m  21 m. In order to simulate an intermediate floor, the ceiling and floor are considered adiabatic.

Fig. 2.1:Three-dimensional (3-D) model of the simulated building

Three types of construction assembly for the walls have been considered. They are listed in Table 2.1. However, the floor construction, described in Table 2.2, stays the same for all simulations in this study to highlight the influence of the thermal mass of the envelope itself. The first type of envelope is made of cross-laminated timbers (CLT). CLT panels are massive components made of successive crosswise layers of lumbers aligned and glued together. The second type of construction is made of concrete. Finally, a third wall assembly was considered, i.e., light-frame. The properties of the different materials constituting the wall assemblies are given in Table 2.3[35].

Table 2.1 : Description of the wall assemblies considered in this study CLT Construction Heavyweight concrete construction Lightweight construction Exterior Wood siding

(0.015875 m)

Wood siding (0.015875 m)

Wood siding (0.015875 m)

Layer 1 Air layer

(0.0254 m)

Air layer (0.0254 m)

Air layer (0.0254 m)

Layer 2 Polyisocyanurate* Polyisocyanurate* Polyisocyanurate*

Layer 3 CLT panel* Concrete layer* Wood fiber panel

(0.0127 m)

Layer 4 Air layer

(0.01905 m)

Air layer (0.01905 m)

Wood studs | Rock wool

Layer 5 Gypsum (0.015875 m) Gypsum (0.015875 m) OSB (0.0127 m)

Layer 6 - - Wood studs | Air

Layer 7 - - Gypsum

(0.015875 m)

*Layers for which the thickness is modified in the simulations.

Table 2.2: Description of the floor assembly considered in this study

Floor construction

Floor above Carpet

(0.00635 m)

Layer 1 Acoustic tile

(0.01905 m)

Layer 2 Air layer

(0.1778 m)

Layer 3 Rock wool

(0.1016 m)

Ceiling below Gypsum

24

Table 2.3: Thermal properties of the materials used in this study

k [W/m-K] ρ [kg/m3] cp [J/kg-K]  R [m2-K/W] Acoustic tile 0.0600 368.42 585.76 - Air layers - - - 0.1500 Carpet 0.0600 288.00 1380.00 - CLT panel 0.1211 2510.40 592.68 - Concrete layer 1.3110 2242.60 836.80 - Gypsum 0.1601 800.92 836.80 - OSB 0.1060 650.00 1880.00 - Polyisocyanurate 0.0202 32.04 920.48 -

Wood studs | Rock wool 0.0270 66.97 821.80 -

Wood siding 0.1000 530.00 1880.00 -

Wood studs | Air - - - 0.1602

Wood fiber panel 0.0600 1090.00 1000.00 -

Rock wool 0.0201 32.04 709.61 -

For the two heavyweight walls, the thermal mass thickness is varied from 0.0254 m to 0.508 m in the simulations. For all the walls, different insulation values have been simulated; from RSI 2 to RSI 10. The thickness of insulation was adapted when the massive layer changed, so that the overall insulation level was kept constant. This allowed isolating the impact of thermal mass on building performance. For the lightweight wall assembly, only the R-value can be changed since there was no thermal mass layer in that assembly. Fig. 2.2 presents the simulation plan, i.e., the different scenarios simulated in this study. Note that for some cases, the simulations could not be performed when the RSI value without the insulation was already larger than the specified RSI value of the assembly.

The building model was initially built in Simergy, a graphical interface to Energy Plus. Building conditions and schedules were inspired from the ASHRAE 90.1-2007 standard [36]. Thereafter, modifications to the model that could not be made directly in the interface have been made in EnergyPlus or with Eppy, a Python module. For example, the roof and the floor were considered adiabatic which was set up directly in Energy Plus. Other modifications to the model made in Energy Plus include the automatic parametric

sweep over the thickness of the different envelope components and the choice of output meters and output variables.

Base Model

Lightweight Walls

Heavyweight Walls

None Wood Concrete

0.0254 m to 0.508 m (0.0254 m steps)

RSI 2 to RSI 10 (RSI 2 steps)

Quebec City, QC, Canada

Wall Type Mass Type Mass Thickness Insulation Climate

26

Table 2.4 :Schedule of the occupation rate

Monday – Friday Saturday Sunday and Holidays

6:00 – 7:00 0.10 6:00 – 8:00 0.10 6:00 – 18:00 0.05 7:00 – 8:00 0.20 8:00 – 12:00 0.30 18:00 – 24:00 0.00 8:00 – 12:00 0.95 12:00 – 17:00 0.10 24:00 – 6:00 0.00 12:00 – 13:00 0.50 17:00 – 19:00 0.05 13:00 – 17:00 0.95 19:00 – 22:00 0.00 17:00 – 18:00 0.30 22:00 – 6:00 0.00 18:00 – 22:00 0.10 22:00 – 24:00 0.05 24:00 – 6:00 0.00

Typical characteristics of an office building were considered for the analysis: o 20 m2

/person and the occupants are present following the occupation schedule of Table 4;

o 19.5 W/m2

for lighting and plug loads; o 31 W/person for hot water equipment; o One thermal zone for the entire floor; o Window-to-wall ratio of 30%;

o Heating set point of 22°C from 7:00 to 20:00 and 18°C during the night for the weekdays. For Saturdays, Sundays and holidays a set point of 18°C is used;

o Cooling set point of 24°C from 6:00 to 20:00 and 35°C during the night for the weekdays. For Saturdays, Sundays and holidays a set point of 35°C is used;

o An ideal load model was used to simulate the HVAC systems; o No humidity control has been implemented.

Based on the result of the energy simulations, the energy requirement for heating and cooling has been computed for each scenario. The calculated values are the heating and cooling heat transfer rates that needed to be removed or added to the zone to maintain the setpoint. In order to obtain the energy consumption, the cooling load has been divided by the COP of the cooling equipment (assumed to be 3.22) and the heating load was kept as is, i.e., an efficiency of 100% was considered (e.g., electric heating).

In order to assess the thermal comfort of the occupants, a discomfort index has been developed. The idea behind the criterion is similar to that of the degree-days. During each occupancy hour i, the operative temperature Top,i was compared to the cooling and heating setpoints, Tcsp,i and Thsp,i. Whenever the operative temperature is within the range of the setpoints, the room was considered to be comfortable. Otherwise, the difference between the operative temperature and the setpoint, DDHi, is calculated:

, , , , , , , , e ls e 0 o p i c s p i i o p i c s p i i o p i h s p i i o p i c s p i i i i f T T D D H T T t i f T T D D H T T t D D H               (0.0.1)

where  t_i 1 h. In the end, the discomfort indices were obtained by summing the DDH

values calculated at each hour:

8 7 6 0 1 8 7 6 0 1 i i i i D D H D D H D D H D D H D D H D D H D D H            





The value of DDH+ and DDH- provides the level of thermal discomfort when the temperature is too high and too low respectively. Summing the two values provides an overall measure of discomfort over the year in the building. Therefore, the criteria in Eq. (0.0.2) allows comparing thermal comfort between different types of walls.

Model verification

2.2.1

In order to develop a better understanding of the Energy Plus model and of the Simeb assumptions, two cases were developed with the same building parameters, dimensions and materials. The ventilation rate has also been left to the default values. Only the HVAC model was different between the two cases. In one case (which we developed entirely in Energy Plus), the “Ideal Loads” model is used and in the other one, DX Cooling Coil and Electric Heating Coil were simulated. For the DX cooling and electric coil case, the system was a Simeb archetype corresponding to a similar configuration (single zone

28

ventilation). Simeb was developed to simulate buildings and evaluate the admissibility of buildings to subsidies, based on either Energy Plus or DOE2. The program includes validated archetypes which are predetermined models to simulate typical buildings [37]. Since an archetype is validated to produce typical building energy consumption results, it was decided to first compare our model with it.

Table 2.5 presents the results for the two cases. Again, the heating and cooling loads provided by the ideal loads have been translated in terms of energy consumption with a

COP of 3.22 for cooling and an efficiency of 1 for the heating.

Based on the comparison provided in Table 2.5, it was found that our model produces similar results compared to the archetype. The difference is slightly larger for the estimation of the cooling load which was found to be caused by the difference in the management of dehumidification between the two models. Nevertheless, the results of the proposed model are typical of what is expected for such a building.

Table 2.5: Comparison of energy consumption between two test cases

Archetype Present model Energy consumption, heating [kW-h/m2] 88.7 86.8 Energy consumption, cooling [kW-h/m2] 28.0 16.5 Total [kW-h/m2] 116.7 103.3 Ratio heating/cooling 0.76 0.84

Furthermore, the energy consumption results were compared to values available in literature. The average total consumption of commercial and institutional buildings in Canada including lighting, electric equipment and HVAC systems is 280 kW-h/m2 [38], with an estimated 53% of the total consumption used for heating and cooling [39]. This leads to an energy consumption of ~148.4 kW-h/m2 for cooling and heating only. The energy intensity obtained from the present model is of the same order of magnitude. Our

value is slightly smaller, because the present model corresponds to a state-of-the-art modern building, whereas the Canadian average above corresponds to a value for the actual building stock, including many older and less efficient buildings.

In the end, the HVAC model “Ideal Loads” was thus used for its simplicity and generality (e.g., it is not dependant on specific features of pumps, fans, coils, etc.). In particular, since we are mostly interested in this paper by the difference of energy consumption induced by changes to the envelope, this approach was deemed adequate for the purpose of the paper.

30

2.3 Energy consumption and comfort as a function of thermal mass and thermal resistance

As described above, a series of different envelope compositions have been defined and used to determine the energy consumption and thermal comfort in a reference building (Section 2.2). Three types of assemblies were studied, namely one in which thermal mass is provided by concrete, one with CLT (wood) and a light-frame wood structure (see Table 2.1 for more details). For the first two types of envelopes, different combinations of the RSI-value and of the thickness of the thermal mass layer (i.e., concrete or CLT) were simulated.

Table 2.1 : Description of the wall assemblies considered in this study

CLT Construction Heavyweight concrete construction Lightweight construction Exterior Wood siding

(0.015875 m)

Wood siding (0.015875 m)

Wood siding (0.015875 m)

Layer 1 Air layer

(0.0254 m)

Air layer (0.0254 m)

Air layer (0.0254 m)

Layer 2 Polyisocyanurate* Polyisocyanurate* Polyisocyanurate*

Layer 3 CLT panel* Concrete layer* Wood fiber panel

(0.0127 m)

Layer 4 Air layer

(0.01905 m)

Air layer (0.01905 m)

Wood studs | Rock wool

Layer 5 Gypsum (0.015875 m) Gypsum (0.015875 m) OSB (0.0127 m)

Layer 6 - - Wood studs | Air

Layer 7 - - Gypsum

(0.015875 m)

Fig. 2.3: Heating, cooling (a), and total (b) energy intensities as a function of RSI value for the lightweight wall and three different thermal mass thicknesses (0.0254m, 0.254 m and 0.508 m) for concrete and wood walls

In Fig. 2.3, the heating, cooling, and total energy intensities are reported as a function of the RSI factor of the opaque envelope for the lightweight wall and three different thermal mass thicknesses for the concrete and wood walls (namely 0.0254 m, 0.254 m and 0.508 m). Obviously, in the case of the light frame wood structure, no thermal mass layer is present. It should be recalled that the energy intensity presented in this figure and the subsequent only includes the energy required for heating and cooling. The energy required for domestic hot water, plug loads, lighting, etc., was not included since it does not vary with the envelope. It can be seen in Fig. 2.3 that the thermal resistance of the walls has a strong impact on the energy consumption, with a diminishing return trend (i.e., at some point, adding more insulation provides only a marginal benefit). For the sake of comparison, ASHRAE 90.1-2010 demands an assembly with a minimal RSI ranging from ~2.5 m2-K/W (massive walls) to ~3.5 m2-K/W (wood frame) for the climate zone of Quebec City.

It can also be noted that for a given RSI-value, there is a difference in the energy intensity depending on which material is used in the wall composition. In Fig. 2.3, the concrete wall yields a smaller energy requirement, followed by the CLT and then the light frame. For a given RSI-value, variations in energy consumption due to materials are of the

32

order of ~4% for this case. This variation is caused by the difference in the thermal mass properties (i.e., CLT vs concrete vs light-frame).

Since the climate considered is cold (5058 degree-days of heating, T99% = -23.3C [40]) and the building is heating dominated, insulation plays an important role for the energy efficiency of the building. It is expected that the higher the RSI-value, the lower the energy consumption. As can be seen in Fig. 2.3b, the total energy consumption decreases when the RSI-value increases. In the winter, internal heat gains help to compensate the heat loss through the envelope, and thus, large insulation level is beneficial. On the other hand, during the summer, a less insulated envelope (i.e., low RSI) could help to dissipate the heat gains through the envelope in some periods. Given that the summer days are not very hot in the location considered (T1% = 27.2C [40]), this could allow to release heat, in particular during evenings and nights. Nevertheless, because the heating needs are more important than cooling needs for this building, higher RSI-values were found to be more beneficial.

In Fig. 2.4, the energy intensity is reported as a function of the thermal mass thickness for different values of the RSI. The color and symbol code is detailed in Table 2.6 and is used in subsequent figures. It is visible in Fig. 2.4 that for a given RSI value, slightly more energy is required with the CLT than with the concrete. Also, above a certain thickness of thermal mass, the energy consumption basically flattens and does not change any more even if more mass is added. For the cases tested, above ~0.1 m, adding more mass did not result in changes of the energy consumption.

Table 2.6: Symbols and color legend for Fig. 3−13, except Fig. 5

Concrete Wood Lightweight

RSI 4 RSI 6 RSI 8

Fig. 2.4: Heating, cooling (a), and total (b) energy intensities as a function of the thermal mass thickness (L) for RSI values: 4, 6, and 8