COURS : BESOINS ÉNERGÉTIQUES DANS L’HABITAT ETT 1.2.3

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COURS : BESOINS ÉNERGÉTIQUES DANS L’HABITAT ETT 1.2.3

1. PRÉSENTATION

De tous les secteurs économiques, celui du bâtiment est le plus gros consommateur d’énergie en France (42,5 % de l’énergie finale totale) et génère 23 % des émissions de gaz à effet de serre (GES). La facture annuelle de chauffage représente 900 € en moyenne par ménage, avec de grandes disparités (de 250€ pour une maison «basse consommation» à plus de 1800 € pour une maison mal isolée). Ces dépenses tendent à augmenter avec la hausse du prix des énergies. Aussi, afin de réduire durablement les dépenses énergétiques, le Grenelle Environnement a prévu la mise en œuvre d’un programme de réduction des consommations énergétiques des bâtiments

La Réglementation Thermique “Grenelle Environnement 2012”, dite RT2012, est un outil réglementaire concernant les bâtiments résidentiels et tertiaires neufs. Elle vise à en améliorer la consommation d’énergie en fixant une limite maximale. La loi insiste particulièrement sur :

– une consommation d’énergie primaire (Cep) réduite à 50 kWhep/m2/an ; – une réduction des émissions de CO2.

La consommation conventionnelle d’énergie primaire (Cep) concerne le chauffage, la production d’eau chaude, la ventilation et le rafraîchissement. Elle s’exprime en kWhep/m²/an. Cette unité de mesure signifie « kilowatt heure d'énergie primaire par mètre carré et par an ».

2. ÉCONOMIES D'ÉNERGIE DANS LE SECTEUR DU BÂTIMENT

Il existe différents types de travaux de constructions écologiques pour un bâtiment et favorisant les économies d'énergie. Ils se distinguent en deux types : les travaux permettant d'effectuer des économies d'énergies, et les travaux qui utilisent les énergies renouvelables.

La majorité des déperditions thermiques d'une maison est la conséquence d'une isolation de mauvaise qualité. En moyenne, 70 % de l'énergie utilisée d'une maison sert pour le chauffage. Il est donc essentiel de posséder une isolation de qualité.

2.1. ISOLATION DE LA TOITURE

Le toit d'un bâtiment est à l'origine des pertes de chaleur les plus importantes, elles s'élèvent en moyenne à 30 %. À l'instar de l'isolation des murs, l'isolation de la toiture est envisageable par l'intérieur notamment par l'isolation des combles. Dans le cas où les combles seraient encombrés, l'isolation par l'extérieur est recommandée.

2.2. ISOLATION DES MURS

Les murs sont l'une des principales causes de déperdition thermique d'un bâtiment. Ainsi, on estime à 25 % les pertes de chaleur occasionnées par une mauvaise isolation des murs. Deux types d'isolation des murs sont pratiqués : l'isolation par l'intérieur et celle par l'extérieur. L'isolation par l'intérieur est une technique d'isolation permettant d'isoler un bâtiment à l'intérieur même de celui-ci alors que l'isolation par l'extérieur consiste à protéger les façades du bâtiment. Dans ces deux cas, l'isolation nécessite l'utilisation de matériaux très isolants comme la fibre de bois, la laine de chanvre, la ouate de cellulose…

2.3. ISOLATION DU PLANCHER

Bien que 7 % des pertes de chaleur d'un bâtiment s'effectuent par le plancher, l'isolation de celui-ci est à prendre en considération. Selon la façon dont un bâtiment est agencé, plusieurs types d'isolation du plancher sont réalisables.

2.4. VENTILATION

La ventilation et l'isolation sont deux procédés très complémentaires. Une ventilation de qualité est nécessaire, voire législativement obligatoire pour les bâtiments bien isolés. Le renouvellement de l'air est important pour le bâtiment afin de le préserver de l'humidité, ainsi que pour les individus au sein du bâtiment afin d'évacuer les odeurs et de pouvoir mieux respirer. Une ventilation mécanique contrôlée VMC double flux permet de récupérer une partie de l’énergie pour réchauffer l'air entrant. Ce système améliore le rendement énergétique et le confort (pas d'entrée d'air froid).

2.5. ISOLATION DES FENÊTRES

Les pertes de chaleur liées aux fenêtres sont de l'ordre de 15 %. Il est possible d'installer une fenêtre double vitrage ou triple vitrage ainsi qu'un survitrage pour pallier ces pertes.

2.6. TRAITEMENT DES PONTS THERMIQUES Un pont thermique est une zone ponctuelle ou

linéaire qui, dans l'enveloppe d'un bâtiment, présente une variation de résistance thermique.

Il s'agit d'un point de la construction où la barrière isolante est rompue. Un pont thermique est donc créé si :

– il y a changement de la géométrie de l'enveloppe ;

– il y a changement de matériaux et ou de résistance thermique.

2.7. BILAN DES DÉPERDITIONS THERMIQUES

La figure suivante donne une estimation de la répartition des déperditions thermiques dans une maison individuelle.

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3. LES MODES DE TRANSFERT THERMIQUE

La chaleur peut se transmettre de trois manières différentes.

3.1.1. CONDUCTION

La conduction est la transmission de la chaleur à l’intérieur de la paroi par contact d’un matériau à l’autre. C’est le seul moyen de transfert dans les parois opaques.

3.1.2. CONVECTION

La convection est la transmission de la chaleur par mouvement de molécules dans un fluide (liquide ou gaz).

Exemple du convecteur : le mouvement de l’air est provoqué par une différence de température. L’air se met en mouvement en touchant la résistance et va échanger de la chaleur.

3.1.3. RAYONNEMENT

Tous les corps émettent de la chaleur par rayonnement électromagnétique (rayons lumineux de longueur d'onde infrarouge).

Cet échange peut se réaliser dans le vide sans la présence de matière.

L’exemple caractéristique de ce type de transfert est le rayonnement du soleil dans l’espace.

3.2. TRANSFERT THERMIQUE DANS UNE PAROI Dans une paroi on trouvera ces trois

phénomènes qui s’additionnent :

– conduction à l’intérieur des matériaux ;

– convection et rayonnement entre l’air ambiant (intérieur et extérieur) et la paroi.

Le transfert de chaleur se traduit par un flux allant du CHAUD vers le FROID.

En génie civil, on caractérise la résistance thermique R d’une paroi comme étant sa capacité à ralentir la propagation de l’énergie thermique qui la traverse.

On distingue :

– les résistances d’échange superficiel intérieures Rsi et extérieures Rse (dues à la propagation de la chaleur par convection et rayonnement) ;

– la résistance thermique R de chacune des couches de la paroi (dues à la propagation de la chaleur par conduction) ;

3.2.1. RÉSISTANCES D’ÉCHANGE SUPERFICIEL La transmission de la chaleur de l'air ambiant à une paroi et vice versa se fait à la fois par rayonnement et par convection. Ces phénomènes sont caractérisés par des résistances d’échange superficiel Rsi et Rse.

La valeur des résistances d’échange varie selon l’orientation du flux de chaleur :

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3.2.2. RÉSISTANCE THERMIQUE D’UN MATÉRIAU PLAN La résistance thermique R d'un matériau fait

intervenir épaisseur e de la couche considérée (en m) ainsi que la conductivité thermique  (lambda) du matériau :

Avec :

R, résistance thermique (m².K / W) e, épaisseur de la couche considérée (m) ;

, conductivité thermique (W / m.K).

La conductivité des matériaux  est définie dans de nombreux ouvrages. Le tableau ci-dessous donne des exemples de conductivité pour quelques matériaux de construction et d’isolants :

3.2.3. RÉSISTANCE THERMIQUE TOTALE D’UNE PAROI

La résistance thermique Rth de la paroi est égale à la somme des résistances précédentes :

Avec :

R, résistance thermique de la paroi (m².K / W) ; R1, R2, R3, résistance de chacune des couches ; Rsi, résistance d’échange superficiel intérieure ; Rse, résistance d’échange superficiel extérieure.

3.3. QUANTITÉ DE CHALEUR

La quantité de chaleur Q est une énergie qui se propage dans un corps à la suite d’une différence de température. Elle s’exprime en Joules.

3.4. COEFFICIENT DE TRANSFERT THERMIQUE SURFACIQUE

Le coefficient de transfert thermique U définit la facilité avec laquelle le flux de chaleur () passe au travers de la surface d'échange (un mur par exemple) :

U =

L’unité de ce coefficient est le W / m².K.

3.5. COEFFICIENT DE DÉPERDITION THERMIQUE H

Le coefficient de déperdition thermique représente le flux thermique cédé par transmission entre l'espace chauffé et l'extérieur, pour une différence de température d'un Kelvin.

Avec :

H, coefficient de déperdition (W / .K) ; S, surface (m²) ;

U, coefficient de transfert thermique (W / m².K)

3.6. FLUX THERMIQUE PUISSANCE PERDUE)

Le flux thermique  (phi) représente la quantité de chaleur qui s’écoule entre deux milieux pendant une seconde. L’unité est le W.

Avec :

flux thermique (W) ;

H, coefficient de déperdition thermique (W/K) ; Tint, température intérieure (°C) ;

Text, température extérieure (°C) ; e

1m

Text



T1 - T2 = 1°C Tint

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3.7. DEGRÉS-HEURES

On utilise les degrés-heures (Dh) pour évaluer la consommation d’énergie pour le chauffage d’une maison. Pour chaque heure, le nombre de Dh est calculé en faisant la différence entre une température de référence (18°C généralement) et la température extérieure moyenne Tmoy. Les degrés-heures sont additionnés sur la période de chauffage de 232 jours (du 1er Octobre au 20 Mai).

Avec :

Dh, degrés heure (°C.h) ; Tref, température intérieure (°C) ; Text, température extérieure (°C) ; Nh, nombre d’heures où la température extérieure vaut Text.

4. EXERCICES D’APPLICATION

4.1. PERTES PAR LES PAROIS On donne : Hparoi=70W/°C

On souhaite maintenir une température intérieure de 19°C, lorsque la température extérieure sous abri est de -5°C.



Calculer les pertes par les parois (en W).

___________________________________________________________________________________



En imaginant que la température de -5°C soit mesurée 6 heures pendant la saison de chauffe, calculer l’énergie perdue au travers des parois.

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4.2. DEGRÉS HEURES

Calculer le nombre de degrés heures Dh (18°C) pour la semaine du 1 au 7 janvier 2012 à la station Paris Orly :

Jour Température moyenne

1 Janvier 2012 12°C

2 Janvier 2012 8°C

3 Janvier 2012 9°C

4 Janvier 2012 8°C

5 Janvier 2012 10°C

6 Janvier 2012 6°C

7 Janvier 2012 9°C

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4.3. BESOINS EN CHALEUR D’UN HABITAT

On donne Htotal=150W/°C ; T_ext=-7°C Dh_19°C=79 357 °C.h ; Dh_20°C=87 435 °C.h.



Déterminer les besoins en puissance et en énergie de cet habitat pour une température intérieure de 19°C.

___________________________________________________________________________________



Déterminer les besoins en puissance et en énergie de cet habitat pour une température intérieure de 20°C.

___________________________________________________________________________________



Comparer les résultats.

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4.4. PERTES D’ÉNERGIE AU TRAVERS DES PAROIS D’UN RÉFRIGÉRATEUR.

On donne H_paroi= 2,3 W/°C

Le réfrigérateur est plongé dans une ambiance de 22°C toute l’année. La température intérieure est maintenue à 6°C toute l’année.



Calculer les degrés heures dans ce cas.

___________________________________________________________________________________



Calculer les apports en chaleur au travers des parois chaque année.

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4.5. PUISSANCE PERDUE PAR RENOUVELLEMENT DE L’AIR.

Une salle de classe accueille 30 élèves à qui on doit apporter individuellement un débit d’air neuf hygiénique de 10m³/h.

La température de l’air intérieure est maintenue à 20°C. La température extérieure est de 0°C.

On donne pour la saison de chauffe : Dh20°C=88 000°C.h, Cpair=1000J.Kg^-1.K^-1; ρair=1,24 Kg/m³



Calculer la puissance nécessaire au chauffage de ce débit d’air :

___________________________________________________________________________________



Sachant que les élèves occupent cette salle en moyenne 25% du temps pendant la saison de chauffe, quels sont les besoins en énergie associés à ce renouvellement d’air ?

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4.6. BILAN ÉNERGÉTIQUE D’UNE FENÊTRE

Une fenêtre double vitrage d’une surface d’un m² a un coefficient de déperdition surfacique : Uw = 1,5 W.m^-2.°C^-1.

Sa capacité à transmettre l’énergie solaire incidente est : Fs = 70 %.

Les degrés heures de la saison de chauffe sont : Dh = 70 000 °C.h.

On donne par ailleurs les énergies rayonnantes reçues sur une saison de chauffage par des parois verticales en fonction de leur orientation :

Orientation Nord Ouest/Est Sud

Énergie solaire incidente

kW.h/m² 114 199 316

Pertes énergétiques de la fenêtre (en kWh) Énergie solaire transmise

(en kWh) Gain énergétique



Calculer les pertes énergétiques de la fenêtre(en kWh) pour la saison de chauffe :

___________________________________________________________________________________



Reporter les valeurs dans le tableau.



Calculer l’énergie solaire transmise selon l’orientation de la fenêtre :

___________________________________________________________________________________

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

Calculer dans les différents cas le gain énergétique apporté par la présence de la fenêtre :

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4.7. RÉSISTANCE THERMIQUE D’UNE PAROI

Les murs d’une maison sont constitués d’un matériau de construction et d’un isolant. Le matériau de construction est le bois brut d’épaisseur de 20 cm. Le matériau d’isolation est la laine de chanvre d’épaisseur 10 cm.

La conductivité thermique  des matériaux est donnée dans le tableau suivant : Matériau Conductivité  (W / m.K)

laine de verre 0,041

béton plein 1,8

bois 0,2

laine de chanvre 0,04



Calculer la résistance thermique du matériau de construction (bois) Rb :

___________________________________________________________________________________



Calculer la résistance thermique de l’isolant (laine de chanvre) Rlc :

___________________________________________________________________________________



Calculer la résistance thermique totale de la paroi Rth :

___________________________________________________________________________________



Calculer le coefficient de transfert thermique U du mur :

___________________________________________________________________________________



Calculer le coefficient de déperdition thermique H sachant que la surface totale des murs de la maison est de 150 m² :

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4.8. CHOIX DE L’ÉPAISSEUR D’UN ISOLANT

Les murs d’une maison sont constitués d’un matériau de construction et d’un isolant. Le matériau de construction est le béton plein d’épaisseur de 20 cm. Le matériau d’isolation est la laine de verre.



Calculer l’épaisseur de laine de verre pour que la résistance thermique du mur soit : Rth = 3 m².K / W

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