Plan de l’exposé

• Présentation de l’INES

• Conception de bâtiments à haute efficacité énergétique

• La recherche d’un compromis

• Quelques exemples d’innovation

• Les propositions de l’INES

Plan de l’exposé

Un institut national dédié à la réalisation de

bâtiments à très haute efficacité énergétique

Laboratoire matériau silicium

Laboratoire cellules solaires

Laboratoire modules solaires

Laboratoire stockage batteries

Laboratoire systèmes photovoltaïques

Laboratoire Tests thermiques

Laboratoire Tests éléments du bâtiment

Laboratoire Bâtiments démonstrateurs Laboratoires Convergence Habitat/Transport

• Présentation de l’INES

• Conception de bâtiments à haute efficacité énergétique

• La recherche d’un compromis

• Quelques exemples d’innovation

• Les propositions de l’INES

Plan de l’exposé

Consommation énergétique et émission

Industrie 17 % 25%

Bâtiment 46% 25 %

Transport 37% 50%

Les enjeux environnementaux pour le bâtiment (épuisement des ressources et changements climatiques) sont prépondérants

Situation du bâtiment en Allemagne et en Suisse par rapport à la France (avec performances mesurées)

Bâtiments basse consommation Entre 30 et 50 kW.h/(m².an)

(énergie finale)

Bâtiments très basse consommation Entre 10 et 20 kW.h/(m².an)

(énergie finale)

Allemagne 12000 3000

Suisse 7200 150

France ? ?

Développement de bâtiments basse consommation

Les clés pour limiter les consommations

L’énergie la moins chère est celle qui n’est pas consommée

Concept de la maison passive

Consommation énergétique en maison individuelle

Chauffage 75,5%

Eau chaude 11,5%

Autres consommations électriques 11,5%

Eclairage 1,5%

Consommation d’énergie finale

Le chauffage

représente le plus grand potentiel

Limiter les besoins énergétiques en chauffage et ventilation

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150

Annual energy consumption (kWh/m²a) Demande énergétique

Sources internes Gains solaires

Pertes par les paroisVentilation

165 180 195

Photovoltaïque Photovoltaïque

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150

Annual energy consumption (kWh/m²a)

Demande énergétique

Récupération sur l’air extrait

Sources internes Gains solaires

Pertes par les paroisVentilation

165 180 195

Evolution des bâtiments

Energy consumption in kWh/m²a

L’énergie solaire permet alors de compenser les consommations énergétiques globales 0

50 100 150 200 250 300 350 400

Isolation moyenne

Isolation récente

RT 2010 Maison 0 énergie

Household electricity Ventilation Electricity Hot Water

Heating

… Et si un bâtiment à énergie positive n’était pas un bâtiment

qui produisait plus qu’il ne

consommait …

Recette pour réaliser

un bâtiment à énergie positive

• Soit une maison de 100 m2 pour 4 personnes

• Elle nécessite 320 kWh/m2 pour le chauffage

• On y ajoute 60 kWh/m2 pour les usages électriques

• Puis 1000 kWh par personne pour l’ECS

• Il nous faut donc 42000 kWh pour l’année

LA SOLUTION!

• Un panneau photovoltaïque produit 100 kWh d’électricité par m2 en une année

• Il suffit donc de poser 420 m2 de panneaux photovoltaïques dans le jardin et on a réussi

RESULTAT

Plus de jardin et un investissement pour l’énergie de 420 000 euros

On va donc chercher une autre solution sans attendre le réchauffement climatique

Objectifs de consommation énergétique des bâtiments performants

On vise une consommation de 50 kWh/m2 pour

• Les 5 usages (chauffage, eau chaude, ventilation, climatisation et éclairage)

• Les autres usages de l’électricité

• L’énergie grise (20000 kWh/m2)

• Le transport (20 km/jour)

La répartition des consommations de base

• Eau chaude sanitaire (1000 kWh/an/pers)

(avec solaire on divise par 2 + PAC par 3 on arrive à 6 kWh/m2/an)

• Éclairage 10 kWh/m2/an

• Ventilation … épaisseur du trait

Reste le chauffage et la climatisation …

Des principes simples

• En hiver un bâtiment isolé reçoit 5 fois plus d’énergie solaire qu’il n’a de besoins

• En été un logement protégé des apports solaires n’a pas besoin de climatisation

• Les puits canadiens, micro-cogénérations, rafraîchissements solaires n’ont fait preuve que de leur coût!

Nécessité d’une conception globale optimisée

U-Value 0,7 W/m²K

Besoins énergétiques

minimaux

Etanchéité à l’air

Absence de pont thermique

U-Value 0,1 W/m²K

U-Value 0,12 W/m²K U-Value 0,1 W/m²K

Ventilation Et systèmes Capteurs

Les extrêmes

150 kWh/m²a

Equivalent à 15 m³ de gaz naturel

ou

15 l fuel domestique

CO₂ = 30 kg/m²a

CO₂ = 2 kg/m²a

15 kWh/m²a

Equivalent à 1.5 m³ de gaz naturel

ou

1.5 l fuel domestique

6 cm 34 cm

40 cm 22 cm

U-value = 0.10 U-value = 0.10

U-value = 0.22

U-value = 0.40

30 cm

7 cm U-value = 0.12

U-value = 0.40

Reduction énergétique

Trouver la limite

65 cm d’épaisseur d’isolant ça

suffit?

Un optimum entre gain énergétique et coût financier

Coûts

Gains

(kWh ou negaWh)

Isolation qques cm

Eclairage Isolation = 20cm Solaire

thermique

Isolation (40cm) PV solaire

€/kWh

0,8

0,6

0,4

0,2

0

€/m² hab

400 300

200

100

0

Negawatt

Bioclim. &

solaire thermique

PV solaire Bâtiments producteurs d’énergie

Bâtiments consommateurs d’énergie

Intérêt économique du point de non-chauffage

0306090120150

0 10 20 30 40 50 60 70 80

energetic consumption (final energy) [kW.h/(m².a)]

investment cost premium heating cost

overall cost conventional

heating system

no longer needed low-energy building

ultra-low- energy building

global investment cost + burden [€/m²]

Potentiel des différentes sources d’énergie

La capacité thermique spécifique est :

29.2 (W.h/m².K)

Optimiser l’épaisseur d’isolant

Proposer une enveloppe homogène

0.80 W/m²K

Triple vitrage

1.10 W/m²K

Double vitrage avec argon

1.70 W/m²K

Double vitrage

2.60 W/m²K

Simple vitrage

Fenêtres

0.12 W/m²K 30 cm 0.25

W/m²K 20 cm 0.40 W/m²K

7 cm 1.0 W/m²K

2 cm Plancher bas

0.10 W/m²K 40 cm 0.15

W/m²K 30 cm 0.22 W/m²K

22 cm 0.90 W/m²K

4 cm Plafond

0.10 W/m²K 34 cm 0.20

W/m²K 16 cm 0.40 W/m²K

6 cm 1.30 W/m²K

0 cm

Mur extérieur (25 cm)

Conductance et épaisseur de l’isolant

kWh/m²a

< 15

kWh/m²a

50-40

kWh/m²a

150-100

kWh/m²a

300-250 Demande

énergétique

Vitrages du futur

Cristaux liquides

Vitrage sous vide Vitrage aérogel

Triple vitrage 2 vitres + film

reflectif

Vitrage PV Double vitrage +

Store vénitien

Triple vitrage avec argon

Simple vitrage

From single glazing to triple …

Source : www.efficientwindows.org

6 W/m².K 0.8 W/m².K

Simple, double ou triple vitrage en cohérence avec les gains solaires

La consommation d’hiver d’un vitrage passe de 350 kWh/m2/an à une valeur

négative où il “produit” de l’énergie

Source : DHV-PEP

Comfort

Optimiser les apports solaires

Comportement des protections en fonction des saisons

x1

Hf Hf_e

Hc Wc’

h

z

Intégration de l’énergie solaire en hiver

Protection solaire en été

x1

Hf Hf_e

Hc Wc’

h

z

Comportement annuel des masques solaires

Influence des casquettes sur les besoins et le confort thermique

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

overhang length [cm]

[h/an]

0 5 10 15 20 25

[kW.h/(m².an)]

number of hours that Tind>27°C

heating demand

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• Conception de bâtiments à haute efficacité énergétique

• La recherche d’un compromis

• Les voies nouvelles pour la recherche

• Les propositions de l’INES

Plan de l’exposé

Intégration du solaire thermique

Panneaux photovoltaïques et urbanisme

Comment obtenir un bilan énergétique équilibré?

Production annuelle :

• 1200 kWh pour l’ECS

• 40 à 60 kWh/m² pour l’électricité

1 m² de capteur photovoltaïque produit de 80 à 140 kWh/an

1 m² de capteur thermique produit de 300 à 500 kWh/an

Exemple d’une maison de 100 m2 avec deux types de capteurs solaires pour 4 personnes:

• 4 m² de capteurs solaires thermiques

• 40 m² de capteurs PV

L’énergie solaire peut donc couvrir l’ensemble des besoins

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• La recherche d’un compromis

• Quelques exemples d’innovation

• Les propositions de l’INES

Ventilation naturelle exploitant l’énergie solaire

PV double peau en tertiaire

Protection solaire et production électrique

Source : SMARTBUILD

Eclairage naturel

Façade

transparente Tube de lumière Redirection

Source : SMARTBUILD

Source : SOLARSPOT

Time EC Fluor

10:30 0.38 80% Time EC Fluor 10:40 0.36 30%

Time EC Fluor 10:50 0.18 40%

Time EC Fluor 11:00 0.11 42%

Vitrage electrochrome

Source : LBNL – Stephen Selkowitz

Intégration des apports gratuits

Chaleur sensible, mur Trombe

Chaleur latente

Matériau à changement de phase

Plâtre + MCP micro-encapsulé

Effet de l’inertie thermique

Enveloppe rafraîchissante

La preuve que ça peut

fonctionner en autonomie …

altitude de 2150 m.

Demande énergétique = 12.9 kWh/m²a

Mur extérieur ^0,10

W/m²K

Plancher ^0,09

W/m²K

Plafond ^0,13

W/m²K

Vitrage ^0,60

W/m²K

Fenêtre ^0,77

W/m²K

Adapter les objectifs au potentiel!

Isolation extérieure intégrant des panneaux solaires photovoltaïques La construction bois est réalisée en éléments préfabriqués

Rénovation et esthétique!

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• Les voies nouvelles pour la recherche

• Les propositions de l’INES

Plan de l’exposé

La plate-forme INCAS

Objectifs

Concevoir et construire des maisons expérimentales à haute efficacité énergétique, et à bilan énergétique annuel équilibré, afin de :

• fournir une base de données expérimentales

• valider des modèles ou les améliorer

• développer des procédés constructifs et systèmes innovants

• intégrer des technologies solaires

Caractéristiques communes aux maisons expérimentales

• La géométrie est simple, pour faciliter le développement des modèles

• Les réalisations sont à l’échelle 1 (80 m² habitables sur 2 niveaux)

• Le profil d’utilisation est simulé (présence humaine, éclairage, puisage d’eau chaude, cuisson, fonctionnement des ouvrants et des volets, …)

Importance de l’ouverture au Sud

L’efficacité énergétique n’empêche pas les ouvertures

Les trois enjeux de la maison solaire

Premières réalisations

La première phase du projet consiste à réaliser les constructions suivantes :

 Maison 1 : cavity wall : parpaings + 20cm isolation laine de verre haute densité + 15cm parpaings (ext  int).

 Maison 2 : 15cm béton + 20cm isolation extérieure.

 Maison 3 : Structure bois à isolation intégrée.

 Maison 4 : Monomur + enduit isolant ?

Une plate-forme pour valider les outils de simulation

Exploitation des résultats de la plate-forme d’expérimentation de l’institut national de l’énergie solaire

Objectif de mettre en évidence apports gratuits et confort d’été en fonction de l’inertie des bâtiments

Maison avec double murs parpaing - isolant Maison béton banché – isolation extérieure

Comparaison entre différents outils de modélisation

SimSpark PLEIADES PHPP

Consommation moyenne annuelle (KWh/m²/an)

Rdc 17,58 13,6 16,2

1^erétage 16,92 13,6 16,2

Les valeurs obtenues avec ces environnements très différents sont semblables en consommation. Il s’agit désormais de les confronter à l’expérimentation.

Démarche d’optimisation des conditions de confort

Evolution annuelle de la température et de la puissance de chauffe

-60.00 -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00

0 2627850 5255700 7883550 10511400 13139250 15767100 18394950 21022800 23650650 26278500 28906350 31534200

temps (s)

température (°C)

0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00

puissance

t_ext

température moyenne à l'étage 0 Puissance moyenne consommée à l'étage 0

Plancher Consommation annuelle (KWh/m²/an) Nombre d’heures > 27°C

Rdc 17,58 1010

1^erétage 16,92 780

Cavity wall

Connsommation annuelle Moyenne (KWh/m²/an)

Nombre d’heures >

27°C

Rdc ^{17,58 1010}

1^er étage ^{16,92 780}

Isolation extérieure

Rdc ^{18,49 665}

1^er étage ^{19,94 425}

Comparaison entre un bâtiment en blocs de béton à un bâtiment béton

Influence des masques sur les performances énergétiques

Evolution annuelle de la température et de la puissance de chauffe

-60.00 -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00

0 2627850 5255700 7883550 10511400 13139250 15767100 18394950 21022800 23650650 26278500 28906350 31534200

temps (s)

température (°C)

0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00

puissance

t_ext

Température moyenne à l'étage 0 Puissance moyenne consommée à l'étage 0

Consommation annuelle (KWh/m²/an)

Nombre d’heures >

27°C

17,21 154

Influence de la surventilation nocturne sur le confort d’été

Consommation moyenne annuelle (KWh/m²/an)

Nombre d’heures

> 27°C

Rdc 17,58 76

étage 16,92 1

Evolution annuelle de la température et de la puissance de chauffe

-60.00 -50.00 -40.00 -30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00

0 2627850 5255700 7883550 10511400 13139250 15767100 18394950 21022800 23650650 26278500 28906350 31534200

temps (s)

température (°C)

0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00

puissance

t_ext

Température moyenne à l'étage 0 Puissance moyenne consommée à l'étage 0

2nd Floor

Influence de l’inertie sur le confort d’été

Analyse de l’influence d’une paroi en béton selon qu’elle échange ou non avec l’ambiance

Puissance de chauffage

La présence de lame d’air et plaque de plâtre réduit la quantité d’énergie solaire stockée dans les murs et limite la prise en compte de l’inertie pour le confort d’été

Réduction des surchauffes liée à la paroi en béton

20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00

17000000.00 17100000.00 17200000.00 17300000.00 17400000.00 17500000.00 17600000.00 17700000.00 17800000.00 17900000.00 18000000.00

Température de l'air dans la pièce normale Température de l'air dans la pièce avec le placo

Comparaison des températures de l’ambiance en fonction de la nature des parois

Ventilation naturelle et confort d’été

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

18200000.00 18250000.00 18300000.00 18350000.00 18400000.00 18450000.00 18500000.00 18550000.00 18600000.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

external temperature internal temperature volumetric flow rate

On atteint un débit de 2 Vol/h par ventilation naturelle et des températures intérieures admissibles

Ventilation naturelle

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

18200000.00 18250000.00 18300000.00 18350000.00 18400000.00 18450000.00 18500000.00 18550000.00 18600000.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00

external temperature internal temperature volumetric flow rate

On atteint un débit de 2 Vol/h par ventilation naturelle et des températures intérieures admissibles

Evolution des conditions d’une ambiance en fonction de l’épaisseur de la dalle béton

Cas Elément (épaisseur cm)^{Béton BS}

Besoins énergétiques

(KWh/m²)

Surchauffe

T>27 C (nb heures)

1 (P) ⁰ 30.2 139

2 (P) 1.5 28.6 138

3 (P) 2 26.9 133.5

6 (P) 5 24.1 102

9 (P) 10 22.9 79

12 (P) 15 22.8 75

13 (P) 20 22.8 74

1. Présence de surchauffe :lorsque le local est entièrement en matériau isolant (cas 1), la température intérieure du local excède les 27°C durant 139h.

2. Stockage des apports dans la dalle en béton :l’ajout de 10cm de béton standard a permis de réduire les besoins de 25%

(comparaison cas 1 et 9)

3. Lissage de la température intérieure: le nombre d’heures où Ti excède 27°C peut être réduit de 43% en ajoutant 10cm de béton au plancher (comparaison des cas 1 et 9) 10

15 20 25 30 35 40 45 50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ep_beton (cm)

Conso [KWh/m²]

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Surch (Nb heures)

Conso [KWh/m²] surch (Nb heures)

Limitation des besoins et confort d’été

12 17 22 27 32

12-juil. 12-juil. 13-juil. 13-juil. 14-juil. 14-juil. 15-juil. 15-juil. 16-juil.

Ti_incas_beton Ti_incas_parp Text

40 45 50 55 60 65 70 75 80

incas_beton incas_parp

Nombre d'heures où T>27°C

Etage 0 Etage 1

15 16 17 18 19 20

incas_beton incas_parp

Besoins annuels (KWh/m².an)

Etage 0 Etage 1

Text

Maison béton banché

Maison double murs parpaing

Evolution de la température intérieure du 12 au 16 juillet

L’étude du comportement de bâtiments à haute efficacité

énergétique nécessite de préciser leur définition ( 0 énergie, 0 emission, 0 énergie grise)

L’obtention de bilans annuels énergétiques équilibrés passe par une approche globale en optimisant maîtrise de l’énergie et production d’énergie solaire

L’optimisation des apports solaires et la limitation des

consommations pa l’optimisation de l’enveloppe permettra d’éviter les systèmes de chauffage

On ne peut proposer des bâtiments à énergie positive sans mettre à disposition des outils d’évaluation des consommations

Conclusion sur l’énergie

L’intégration judiciseuse du solaire est fondamentale Le meilleur capteur solaire est la fenêtre si elle est

orientée au Sud sans oublier de la protéger des surchauffes d’été

La gestion des apports solaires gratuits permet une grande liberté architecturale

Isolation, compacité et inertie sont incontournables pour optimiser les gains énergétiques

Conclusion sur l’architecture