Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable « La destination du chercheur dépend de la route qu’il suit » Mohyiddin Ibn Arabi Philosophe et mystique soufi (1165-1241) 1 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable REMERCIEMENTS Avec l’aide de Dieu tout puissant, nous avons pu accomplir ce modeste travail Ce travail de recherche pour l’obtention du diplôme de Licence en Sciences et Techniques, dirigé par Pr. EL HASSOUANI YOUSSEF, notre cher professeur et encadrant, a été mené au département de physique de la Faculté des sciences et techniques Errachidia (FSTE) de l’Université Moulay Ismail de Meknès. Nous exprimons notre profonde gratitude et nous tenons à remercier en premier lieu notre Directeur de projet Pr. EL HASSOUANI YOUSSEF, pour sa disponibilité, pour son suivi, ses nombreux conseils et ses critiques constructives pour l’élaboration de ce travail de projet. Nous remercions aussi Pr. ZIANI SAID et également toute l’équipe pédagogique de la FSTE et les intervenants professionnels responsables de la formation des énergies renouvelables. Aussi, nous remerciement Mr. HAJJI ABDELGHANI de nous avoir accordé l’opportunité de passer notre stage de PFE dans sa société SMART ALLIANCE, nos remerciements sont également adressés à l’ensemble du personnel de l’entreprise pour leur accueil sympathique et leur disponibilité. A tous nos collègues du département de physique, qui ont contribué de près ou de loin à la réussite de ce travail, qu’ils trouvent toute notre gratitude. Charaf eddine ELMANSOURI Abdelaaziz BAGHROUS 2 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable DEDICACES… Je dédie ce modeste travail ; A mes chers parents Mohamed et Yemma Laaziza qui ont tout fait pour que je réussisse dans ma vie, que Dieu me les protège, A mes adorés, ma sœur Fatima Ezzahera et mes frères Hicham et Imran, sans oublier mes grand-mères Rouqaya et Bezza, et aussi ma tante Latifa. A mes chers défunts, votre altruisme, votre soutien et votre encouragement coulent encore dans nos veines. A toutes ma famille pour leur soutien infaillible. A tous nos chers amis et mes collègues, pour tous les instants inoubliables que nous avons passés ensemble, je vous remercie infiniment. A mon très cher binôme BAGHROUS Abdelaaziz que je le souhaite une bonne continuation. 3 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Liste des figures Figure 1: Organigramme de l’entreprise ...................................................................................... 12 Figure 2 : valeurs exprimées en Clo des tenues vestimentaires................................................... 16 Figure 3: Gain thermique interne d'un espace ............................................................................. 17 Figure 4: valeur de métabolisme .................................................................................................. 17 Figure 5: Correspondances entre PMV et PPD ............................................................................. 20 Figure 6: répartition des déperditions thermiques ...................................................................... 26 Figure 7:Evolution des températures dans une maison individuelle pour trois niveau d’inertie. 28 Figure 8: rayonnement solaire annuel à Kénitra .......................................................................... 32 Figure 9 : les températures journalières maximales et minimales .............................................. 33 Figure 10 : La répartition annuelle des précipitations .................................................................. 33 Figure 11 : Les valeurs moyennes de l’humidité .......................................................................... 33 Figure 12:La vitesse moyenne du vent ......................................................................................... 34 Figure 13: Interface TRNBuild ....................................................................................................... 37 Figure 14: interface d'insertion des paramètres .......................................................................... 38 Figure 15 : La température extérieure annuelle ........................................................................... 38 Figure 16: La simulation annuelle de la température ambiante dans le rez de chaussée .......... 39 Figure 17: La température ambiante intérieure annuelle ............................................................ 40 Figure 18: La puissance annuelle consommée par le système de chauffage ............................... 40 Figure 19: L’énergie annuelle consommée par le système de chauffage .................................... 41 Figure 20 : Exemple d'isolant thermique ...................................................................................... 44 Figure 21: Habitation non isolée / isolée ...................................................................................... 45 Figure 22:Le chauffage électrique ................................................................................................ 50 Figure 23: schéma de système de chauffage au gaz ou au fioul .................................................. 50 Figure 24: Schéma de l'installation de la pompe à chaleur .......................................................... 51 Figure 25:Le chauffage au bois ..................................................................................................... 52 Figure 26: l'installation de chauffage solaire ................................................................................ 52 4 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Liste des tableaux Tableau 1: la fiche technique .................................................................................................................. 11 Tableau 2: les valeurs de référence pour les températures de l’air ................................................. 15 Tableau 3: Correspondances entre PMV et échelle des sensations thermiques ............................ 19 Tableau 4 : Éléments d’analyse pour localiser un bâtiment confortable. ........................................ 22 Tableau 5: Exemple des Matériaux de construction ........................................................................... 25 Tableau 6: Types de vitrage .................................................................................................................... 27 Tableau 7:coefficient de transmission thermique ............................................................................... 35 Tableau 8: déperdition thermique dans le salon ................................................................................. 36 Tableau 9: déperdition thermique dans le sous-sol ............................................................................ 36 Tableau 10: déperdition thermique dans chambre parent ................................................................ 36 Tableau 11: déperdition thermique dans la cuisine ............................................................................ 36 Tableau 12: déperdition thermique dans la chambre des enfants ................................................... 36 Tableau 13: comparaison des déperditions.......................................................................................... 42 Tableau 14: déperdition dans le salon avant l'isolation ..................................................................... 46 Tableau 15:coefficient de transmission thermique de mur extérieur .............................................. 47 Tableau 16:deperdition dans le salon après l'isolation....................................................................... 47 Tableau 17 : Quelques types des systèmes de chauffage .................................................................. 49 5 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable SOMMAIRE REMERCIEMENTS ................................................................................................................................................. 2 DEDICACES…......................................................................................................................................................... 3 Liste des figures.................................................................................................................................................... 4 Liste des tableaux ................................................................................................................................................. 5 SOMMAIRE ........................................................................................................................................................... 6 CHAPITRE 0 : Contexte et présentation de l’entreprise SMART ALLIANCE.......................................................... 9 Contexte : .................................................................................................................................................... 10 Présentation de l’entreprise SMART ALLIANCE : ........................................................................................ 11 Introduction : .................................................................................................................................. 11 1) Historique et politique générale de l’entreprise SMART ALLIANCE : ..................................... 11 2) Fiche technique : ..................................................................................................................... 11 3) Organigramme de l’entreprise : .............................................................................................. 12 Conclusion : ..................................................................................................................................... 12 CHAPITRE I : Généralités sur le confort thermique d’une habitation ............................................................... 13 Introduction : .............................................................................................................................................. 14 I. La notion de confort thermique: .................................................................................................... 14 II. Les paramètres affectant le confort thermique : ........................................................................... 14 III. IV. 1) Paramètres liés à l’ambiance extérieure : .............................................................................. 15 2) Paramètres liés à l’individu : ................................................................................................... 16 3) Paramètres liés aux gains thermiques internes : .................................................................... 17 4) Le métabolisme : ..................................................................................................................... 17 Les échanges thermiques du corps humain :.................................................................................. 18 1) Les échanges de chaleur par conduction ................................................................................ 18 2) Les échanges de chaleur par convection ................................................................................ 18 3) Les échanges de chaleur par rayonnement ............................................................................ 18 4) Les échanges de chaleur par évaporation .............................................................................. 18 Évaluation du confort thermique :.................................................................................................. 19 1) Le PMV (Vote Moyen Prévisible) ............................................................................................ 19 2) Le PPD (Pourcentage Prévisible D'insatisfaits)........................................................................ 19 3) La température de l’air ambiant (Ta) : .................................................................................... 20 Conclusion : ................................................................................................................................................. 20 6 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CHAPITRE 2 : Déperditions thermique d’une habitation ................................................................................... 21 Introduction : .............................................................................................................................................. 22 I. II. III. L’effet d’implantation et d’orientation d’un bâtiment : ................................................................. 22 1) L’effet d’implantation : ........................................................................................................... 22 2) L’effet d’orientation : .............................................................................................................. 23 Les matériaux de construction :...................................................................................................... 23 1) Les performances thermiques des matériaux de construction : ........................................... 23 2) Les isolants thermiques de l’enveloppe : ................................................................................ 26 3) Vitrages et propriétés thermiques : ........................................................................................ 27 4) L’inertie thermique du bâtiment : .......................................................................................... 28 Calcul des Déperditions thermiques : ............................................................................................. 28 1) Déperditions thermiques : ...................................................................................................... 28 2) Calcul des déperditions ........................................................................................................... 29 a) Méthode de calcul par coefficient G : ................................................................................. 29 b) Méthode de calcul par le coefficient Ubat : ......................................................................... 29 Conclusion : ................................................................................................................................................. 30 CHAPITRE 3 : Cas d’étude Calcul des déperditions d’une villa à Kenitra ........................................................... 31 Introduction : .............................................................................................................................................. 32 I. Description de l’habitation : ........................................................................................................... 32 1) Présentation de la ville Kenitra : ............................................................................................. 32 a) Situation géographique : ..................................................................................................... 32 b) Le climat de la ville Kenitra : ............................................................................................... 32 c) Données climatiques de la région Kenitra : ........................................................................ 32 2) II. Présentation de Villa cas d’étude: .......................................................................................... 34 Calcul des déperditions : ................................................................................................................. 35 1) Calcul des déperditions par fichier Excel : .............................................................................. 35 a) Calcul de coefficient de transmission thermique K (ou bien U) : ....................................... 35 b) Calcul des déperditions thermiques: .................................................................................. 35 2) Calcul des déperditions par TRNSYS : ..................................................................................... 37 a) La température extérieure annuelle : ................................................................................. 38 b) Température ambiante dans le Rez-de-chaussée sans activation de chauffage ................ 39 c) Température ambiante dans le Rez-de-chaussée avec activation de chauffage ............... 39 d) Les déperditions thermiques : ............................................................................................ 41 7 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments 3) LST : Énergie renouvelable Interprétation des résultats : .................................................................................................. 41 Conclusion : ................................................................................................................................................. 42 CHAPITRE 4 : Amélioration du confort thermique hivernal d’une habitation à Kénitra.................................... 43 Introduction : .............................................................................................................................................. 44 I. II. Isolation thermique :....................................................................................................................... 44 1) L’intérêt de l’isolation thermique : ......................................................................................... 44 2) L’effet d’isolation sur une pièce de l’habitation: .................................................................... 46 a) Avant l’isolation des murs extérieurs: ................................................................................ 46 b) Après l’isolation des murs extérieurs:................................................................................. 46 Système de chauffage : ................................................................................................................... 48 1) Puissance nécessaire pour le chauffage : ............................................................................... 48 2) Quelques types de système de chauffage : ............................................................................ 49 3) Comment choisir un système de chauffage ? ......................................................................... 50 a) Le chauffage électrique : ..................................................................................................... 50 b) Le chauffage au gaz ou au fioul : ......................................................................................... 50 c) La pompe à chaleur (PAC) : ................................................................................................. 51 d) Le chauffage au bois :.......................................................................................................... 51 e) Le chauffage solaire : .......................................................................................................... 52 Conclusion : ................................................................................................................................................. 53 CONCLUSION GENERALE .................................................................................................................................... 54 Bibliographies ..................................................................................................................................................... 55 ANNEXE 1 : plan architectural de la villa ............................................................................................................ 56 ANNEXE 2 : plan architectural de la villa ............................................................................................................ 57 ANNEXE 3 : tableau comparatif des isolants...................................................................................................... 58 8 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CHAPITRE 0 : Contexte et présentation de l’entreprise SMART ALLIANCE 9 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Contexte : Le secteur du bâtiment est très énergivore ; il présente 30 % à 40 % de la consommation énergétique totale. Cette énergie est principalement utilisée pour le chauffage et le refroidissement, qui représentent les solutions offertes pour régler les problèmes d’inconfort. Face à ces enjeux environnementaux et énergétiques auxquels le monde en général est confronté, le secteur du bâtiment se positionne comme un secteur clé pour répondre à nos engagements nationaux sur ces thématiques. Pour ces raisons, de nombreux efforts de recherche se portent sur l’efficacité énergétique des bâtiments. L’amélioration des températures intérieures est un enjeu économique et écologique majeur pour le secteur du bâtiment. Les paramètres de la conception sont d’ordre fonctionnel et architectural et la dimension énergétique du projet n’est pas toujours considérée comme significative, ce qui conduit à des bâtiments non confortables et énergivores. Si on agit alors sur les déperditions et apports thermiques du bâtiment, de sorte qu’il soit énergétiquement efficace, on pourra réduire la consommation énergétique de ce secteur. En plus, l’utilisation des énergies renouvelables pour chauffer le logement, produire de l’eau chaude sanitaire contribue à diminuer la demande en énergie électrique. L’objectif de notre projet est d’approcher la problématique de l’efficacité énergétique du bâtiment, notamment à travers l’aspect thermique. Dans ce sens, ce travail comporte une étude de la thermique d’une villa située à Kénitra, une étude de calcul des déperditions thermiques a été réalisée. Dans le cadre de notre formation à la Faculté de Sciences de Techniques d’Errachidia (FSTE), ce stage est très important pour notre carrière dans le but d’améliorer nos qualités, développer nos sens d’observation et de communication en nous fournissant le lieu adéquat afin d’affronter le milieu professionnel et d’en sortir une meilleure expérience garantissant une bonne poursuite dans la vie professionnelle. C’est pour cela nous avons effectué un stage au sein de l’entreprise SMART ALLIIANCE sous le thème d’étude du confort thermique des bâtiments. 10 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments Notre travail est composé LST : Énergie renouvelable d’un chapitre introductif et de deux parties : -La première partie (théorique), consiste à la compréhension des différents concepts et notions clés liés à notre recherche, elle découle d’une recherche sur le confort thermique et est répartie en deux chapitres : le premier chapitre est consacré à des généralités sur le confort thermique, alors que le deuxième chapitre sur les déperditions thermiques d’une habitation mise en considération tous les facteurs qui peut influer sur le confort thermique. -La deuxième partie (simulation), regroupe les calculs des déperditions thermiques en utilisant le logiciel TRNSYS et un fichier EXCEL puis une proposition pour l’amélioration du confort thermique. Présentation de l’entreprise SMART ALLIANCE : Introduction : Cette partie présente un bref aperçu sur l’entreprise d’accueil, son début dans le domaine professionnel et sa structure. 1) Historique et politique générale de l’entreprise SMART ALLIANCE : Depuis sa création en 2017, SMART ALLIACE (son logo ci-contre) est devenue un opérateur dans l’électricité solaire photovoltaïque et le chauffage d’eau solaire et pompage solaire. SMART ALLIACE c’est avant tout une équipe passionnée d’intégrateurs de solution globales et autonomes clés en main répondant aux besoins du marché. 2) Fiche technique : Dénomination Forme juridique capitale Type d’entreprise Ancienneté Société SMART ALLIANCE Société à Responsabilité Limitée à Associé Unique 10 000 DHS Moyenne Depuis 2017 adresse Route De Mehdia Immeuble B4 08/04 M 14 Alliance Darna - Kenitra (M) Tel/fax 06 10 86 35 13 / 05 37 30 88 99 Email [email protected] Secteur d’activité Sécurité, confort thermique, Energie, Eau chaud Tableau 1: la fiche technique 11 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 3) Organigramme de l’entreprise : Gérant de l'entreprise Mr. HAJJI Abdelghani Secrétariat Chef d'équipe technique Comptabilité Figure 1: Organigramme de l’entreprise Conclusion : SMART ALLIANCE compte aller plus loin en évaluant continuellement ses pratiques métiers et en cherchant en permanence des produits de qualités. 12 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CHAPITRE I : Généralités sur le confort thermique d’une habitation 13 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Introduction : Le confort peut être défini comme le degré de désagrément ou de bien-être produit par les caractéristiques de l'environnement intérieur d’un bâtiment. Une telle définition considère une interaction entre l'individu et l'espace qui l'entoure, c'est-à-dire, entre des conditions ambiantes physiquement mesurables et certaines conditions individuelles qui affectent notre perception. La qualité de vie à l'intérieur de l'espace a été souvent rapprochée à une appréciation thermique en premier lieu. I. La notion de confort thermique: La notion de confort thermique, désigne l’ensemble des multiples interactions entre l’occupant et son environnement où l’individu est considéré comme un élément du système thermique pour le définir on lui associe plusieurs paramètres, notamment : Le paramètre physique: l’homme est représenté comme une machine thermique et en considérant ses interactions avec l’environnement en termes d’échanges de chaleur. Le paramètre psychologique: Il concerne les sensations de confort éprouvées par l’homme et la qualification des ambiances intérieures. II. Les paramètres affectant le confort thermique : La sensation de confort thermique est reliée à plusieurs paramètres, à savoir : - Les paramètres physiques d’ambiance qui sont la température de l’air, la température moyenne radiante, la vitesse de l’air et l’humidité relative de l’air. - Les paramètres liés à l’individu, qui sont multiples, on recense notamment deux paramètres principaux qui sont l’activité et la vêture de l’individu. - Les Paramètres liés aux gains thermiques internes, gains générés dans l’espace par des sources internes autres que le système de chauffage (Éclairages, appareils électriques, postes informatiques …). 14 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 1) Paramètres liés à l’ambiance extérieure : La température de l’air ambiant : La température de l’air, ou température ambiante (Ta), est un paramètre essentiel du confort thermique. Elle intervient dans l’évaluation du bilan thermique de l’individu au niveau des échanges convectifs, conductifs et respiratoires. Dans un local, la température de l’air n’est pas uniforme, des différences de températures d’air se présentent également en plan à proximité des surfaces froides et des corps de chauffe. Ainsi par exemple la réglementation thermique impose des valeurs de référence pour les températures de l’air [2], données par le tableau ci-dessous. Type de local Température de l’air Locaux ou des gens habillés normalement sont au repos ou exercent une activité physique très légère. Par exemple : bureaux, 21°C salles de cours, salles d’attente, salles de réunion ou de conférence. Locaux ou des gens peu ou pas habillés sont au repos ou exercent une activité physique très légère. Par exemple salles d’examens ou soins 23 à 25°C médicaux, vestiaires. Locaux ou des gens habillés normalement exercent une activité physique très légère. Par exemple ateliers, laboratoires, cuisines. 17°C Locaux ou des gens peu habillés exercent une grande activité physique. 17°C Par exemple salles de gymnastique, salle de sport. Locaux qui ne servent que de passage pour les gens habillés normalement. Par exemple corridors, cages d’escalier, vestiaires, 17°C sanitaire. Locaux uniquement gardés à l’abri du gel. Par exemple garages, 5°C archives. Tableau 2: les valeurs de référence pour les températures de l’air La vitesse de l’air : La vitesse de l’air joue un grand rôle dans les échanges convectifs et évaporatoires, elle intervient dans la sensation de confort thermique de l’occupant dès qu’elle est supérieure à 0,2 m/s. Toutefois, à 15 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable l’intérieur des bâtiments, ces vitesses demeurent limitées, ne dépassant pas généralement cette vitesse, sauf en cas de mauvaise conception du bâtiment ou du système d’aération. Elle peut, en revanche, être tenue pour responsable de l’apparition d’inconforts locaux, liés à la présence de courants d’air froids ou chauds localisés. L’humidité relative de l’air : L’humidité relative de l’air influence les échanges évaporatoires cutanés, elle détermine la capacité évaporatoire de l’air et donc l’efficacité de refroidissement de la sueur. Entre 30% et 70%, l’humidité relative influence peu la sensation de confort thermique. Une humidité trop forte dérègle la thermorégulation de l'organisme car l'évaporation à la surface de la peau ne se fait plus, ce qui augmente la transpiration, le corps est la plupart du temps en situation d'inconfort. 2) Paramètres liés à l’individu : La vêture: Les vêtements permettent de créer un microclimat sous-vestimental, à travers leurs résistances thermiques, en modifiant les échanges de chaleur, entre la peau et l’environnement. Leur rôle essentiel est de maintenir le corps dans des conditions thermiques acceptables, été comme hiver. La vêture a un rôle primordial d’isolant thermique, notamment en période hivernale et dans toutes les ambiances froides, ce rôle est pris en compte à travers la définition d’un indice de vêture, exprimé en Clo, caractérisant la résistance thermique d’un vêtement (figure2). 00 0,1 0,3 0,5 0,8 1,0 1,5 3 Clo Figure 2 : valeurs exprimées en Clo des tenues vestimentaires L’activité : L’activité est un paramètre essentiel pour la sensation thermique de l’individu, définissant directement le métabolisme de l’individu, c’est à dire la quantité de chaleur produite par le corps 16 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable humain. Dans le cas d’une très forte activité, elle peut être responsable de sensations d’inconfort chaud, même en présence de conditions météorologiques très favorables. Il est à noter toutefois que, dans le cas d’une activité classique de bureau, les plages de variation du métabolisme demeurent limitées. 3) Paramètres liés aux gains thermiques internes : Avec l’essor de la technologie et des besoins électriques (éclairage, électroménager,…), les apports de chaleur internes ont fortement augmenté. Les appareils électriques transforment en effet quasiment toute l’énergie qu’ils consomment en chaleur. Les postes informatiques sont également de vraies sources de chaleur et les occupants constituent eux aussi une autre source d’apports internes par leur métabolisme. Le confort de l’espace est directement influencé par le taux de ces gains internes (figure3), on peut dire que ces apports sont inévitables dès lors que les locaux sont habités. Figure 3: Gain thermique interne d'un espace Figure 4: valeur de métabolisme 4) Le métabolisme : Le métabolisme (noté M) qui s’exprime en Met, représente la quantité de chaleur, produite par le corps humain, par heure et par mètre carré de la surface du corps au repos ainsi que la chaleur produite par l’activité humaine. C’est une grandeur toujours positive non nulle, l’activité métabolique minimale vitale est évaluée à 0,7 Met, mais cette valeur est en fonction des paramètres physiologiques, notamment le poids, la taille, et le sexe. 17 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments III. LST : Énergie renouvelable Les échanges thermiques du corps humain : Le corps humain en tant que système ouvert, est en interaction permanente avec son environnement via des échanges cutanés et respiratoires. La production de chaleur métabolique produite dans le corps peut être mise à profit d’une élévation de la température interne, ou bien être dissipée à l’extérieur. Ces échanges thermiques suivent cinq modes différents qui sont, la conduction, la convection, le rayonnement, l’évaporation et la respiration. 1) Les échanges de chaleur par conduction La conduction concerne l’échange de chaleur par contact direct entre certaines parties du corps et une surface de température différente (le sol, les parois ou le mobilier). 2) Les échanges de chaleur par convection La convection est le transfert de chaleur entre la peau et l'air qui l'entoure. Elle dépend de la différence entre la température de l’air et celle de la surface exposée, peau ou vêtement. 3) Les échanges de chaleur par rayonnement L’échange par rayonnement est le mode d’échange de chaleur à distance entre deux corps par ondes électromagnétiques. Il s’agit principalement d’échanges, entre la surface du corps et les surfaces de la pièce. Ainsi, des inconforts froids peuvent être perçus par rayonnement à proximité des parois froides (exemple : mur mal isolé, fenêtre simple vitrage). 4) Les échanges de chaleur par évaporation : Nous distinguons deux types d’évaporation cutanée, à savoir : La perspiration est un phénomène d’évaporation diffusive continue liée à la présence permanente d’eau sur la peau. La quantité d’eau évaporée par perspiration est fonction des conditions hygrométriques de l’air ambiant, mais avoisine 11 g/h par m² de peau. La transpiration (sudation) est un processus de régulation qui se déclenche dès lors que le corps n’est plus en équilibre thermique. 18 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments IV. LST : Énergie renouvelable Évaluation du confort thermique : Des indices thermiques, des tentatives ont été effectuées pour combiner les facteurs environnementaux sous forme d’outils graphiques qui permettent de prédire des zones de confort, ces outils sont également développés pour permettre d’obtenir des bâtiments confortables, adaptés aux variables climatiques. De nombreux travaux de recherche [1], réalisés à l’intérieur des bâtiments ou dans des conditions expérimentales parfaitement contrôlées en laboratoire, ont recensé les principales causes d’inconfort et ont permis d’établir un certain nombre d’indices, nommés « indices de confort thermique », qui sont en général définis en fonction de la température et de la vitesse de l’air. Nous ne citerons ici que les indices les plus couramment utilisés dans l’ensemble des normes de confort. 1) Le PMV (Vote Moyen Prévisible) Le PMV permet de mesurer une sensation thermique globale du corps humain à partir du métabolisme et donne la moyenne des votes en référence à une échelle de sensation thermique. Les valeurs de l’indice PMV varient entre -3 et 3 comme l’indique le Tableau 3. En constatant que les questionnaires utilisés pour évaluer le confort peuvent omettre certaines situations de confort, le PMV a avancé le postulat suivant : « Sont déclarées inconfortables toutes les personnes ayant des sensations supérieures à l’échelle 2 ou inférieures à l’échelle -2 ». Il a ensuite associé le PPD (Pourcentage Prévisible D'insatisfaits) qui exprime le pourcentage des sujets «insatisfaits» de manière générale. VALEURS DE L’INDICE PMV SENSATION THERMIQUE +3 +2 Chaud Tiède +1 Légèrement 0 -1 -2 -3 Neutre Légèrement Frai Froid Frais s tiède Tableau 3: Correspondances entre PMV et échelle des sensations thermiques 2) Le PPD (Pourcentage Prévisible D'insatisfaits) À cause des différences physiologiques, il s'est avéré impossible de satisfaire tout le monde en réunissant des conditions "idéales", et Le PPD (pourcentage prévisible d'insatisfaits) exprime sous forme de pourcentage les sujets « insatisfaits » d’une ambiance thermique déterminée. Par contre, il est possible de créer un environnement dans lequel le pourcentage de personnes satisfaites est maximum, qui correspond aux conditions optimales de neutralité thermique du corps humain. Il reste néanmoins, en moyenne, 5 % d'insatisfaits lorsque le PMV est nul, comme le montre le tableau 4. La norme ISO 7730 19 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable stipule que pour se situer dans la zone de confort thermique, il faut satisfaire les conditions de PMV et de PPD suivants : -0,5 < PMV < 0,5 soit PPD < 10 % 7 6 5 Figure 5: Correspondances entre PMV et PPD 3) La température de l’air ambiant (Ta) : Elle représente l’indice le plus utilisé pour le contrôle des ambiances en intérieur du fait de la simplicité de sa mesure. Ce paramètre ne présente pas de grosses difficultés de mesure et d’évaluation, mais revêt un caractère toutefois limité pour la caractérisation complète du confort. Indice connu de tous, la température de l’air sera donc largement utilisée comme indice de confort dans le cas d’un contrôle peu strict du confort thermique. Il est utilisé pour définir les consignes de température références pour les installations de chauffage en période hivernale et climatisation en période estivale. Conclusion : L’environnement thermique est caractérisé par trois grandeurs physiques (la température de l’air, l’humidité et la vitesse de l’air). Ces variables réagissent avec l’activité et la vêture du corps humain pour établir son état thermique et constituent ensemble les six paramètres de base des échanges thermiques entre l’homme et son environnement. 20 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CHAPITRE 2 : Déperditions thermique d’une habitation 21 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Introduction : Le choix des matériaux, la disposition des locaux, les percements, l’orientation et la modénature des façades, les fermetures et l’aménagement des espaces adjacents sont les points importants pour la réalisation d’un maintien naturel d’ambiances thermiques intérieures confortable ou proche du confort. Une revue générale sur les techniques passives de contrôle de l’ensoleillement, déjà employées dans l’architecture traditionnelle et contemporaine est nécessaire. Ces techniques peuvent apporter des réponses, à prendre en compte dans l’amélioration des conditions de confort intérieure. L’effet d’implantation et d’orientation d’un bâtiment I. : 1) L’effet d’implantation : Le choix d’implantation d’un bâtiment influence directement sur le degré de confort thermique que ce dernier peut procurer à ses occupants, à cause de l’incidence du soleil, des vents dominants sur son enveloppe et de sa situation dans son environnement. Le processus de conception des bâtiments confortables, consiste en la recherche d’une méthode de création qui intègre tous les éléments importants de l’environnement, du site et du climat que nous résumons dans le tableau 5 : Environnement - Type de région - Nature du sol - Végétation - Profil du terrain - Altitude et la latitude - Vue - Bruit ………etc Climat - L'ensoleillement - Température - Type de temps - Luminosité - Précipitations - Humidité - vent ………..etc Autres - le contexte urbain - législation -Matériaux locaux - Eau, gaz, électricité - Alimentation en eau………..etc Tableau 4 : Éléments d’analyse pour localiser un bâtiment confortable. Une bonne implantation recherche à bénéficier au maximum : - De protections naturelles au vent et au soleil estival par la topographie du terrain naturel et la végétation existante. - De l’ensoleillement hivernal en évitant les masques portés par la végétation, le relief et l’environnement bâti. 22 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 2) L’effet d’orientation : Le choix d’une orientation est soumis à de nombreuses considérations, telles que la vue, dans différentes directions, la position du bâtiment par rapport aux voies, la topographie du site, la position des sources de nuisances, le rayonnement solaire et ses effets d’échauffement, ainsi que la ventilation en rapport avec la direction des vents dominants. Il place le concept de l’orientation parmi les éléments influant sur les ambiances intérieures d’un bâtiment. II. Les matériaux de construction : 1) Les performances thermiques des matériaux de construction : Les matériaux reçoivent différemment le rayonnement selon leur degré de transparence ou d’opacité, leur couleur ou leur texture de surface. Mais ils ont aussi des caractéristiques thermiques particulières tenant à leur structure et à leur masse qui leur permettent de gérer différemment les apports caloriques. Ces caractéristiques thermiques seront prises en compte dans la conception des parois, qui auront pour mission première selon les cas de capter, de stocker, de transmettre et/ou de conserver les calories. Ces caractéristiques thermiques des matériaux sont de deux ordres: Les caractéristiques statiques : Comment tel matériau se comporte-t-il en présence d’un flux thermique indépendamment du temps de réaction, ce sont la conductivité et la capacité thermique. Les caractéristiques dynamiques : Ce sont la diffusivité et l’effusivité. Elles font en plus intervenir le facteur temps. En confort thermique, les transferts thermiques qui nous intéressent, ceux issus des événements climatiques extérieurs et ceux des apports intérieurs, sont variables dans le temps, voire rythmiques. Pour bénéficier au mieux de cette rythmicité, la prise en compte des caractéristiques dynamiques des matériaux est essentielle. La conductivité thermique (λ) : La conductivité thermique est la propriété qu’ont les matériaux de transmettre la chaleur par conduction. Elle est exprimée en watt par mètre Celsius (W/m°C). La conductivité thermique propre à chaque matériau permet de quantifier le pouvoir isolant des parois, c'est-à-dire leur aptitude à s’opposer au passage des calories contenues dans l’air. Plus la conductivité thermique d’un matériau est grande, plus ce matériau sera conducteur et plus la conductivité est faible, plus il sera isolant. 23 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable La capacité thermique (ρc) : La capacité thermique d’un matériau désigne son aptitude à stocker de la chaleur. Symbolisée ρc, elle est exprimée en watt heure par mètre cube Kelvin (Wh/m³. K) Plus la capacité thermique d’un matériau est grande, plus la quantité de chaleur à lui apporter pour élever sa température est importante. Autrement dit, plus grande est sa capacité de stockage des calories avant que sa température ne s’élève. La diffusivité thermique (a) : La diffusivité thermique d’un matériau exprime son aptitude à transmettre rapidement une variation de température. Elle croit avec la conductivité et décroit avec la capacité thermique, elle s’exprime en mètre carré par heure (m² /h) Plus la diffusivité est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l’épaisseur du matériau : le temps entre le moment où elle atteint l’autre face (déphasage) s’en trouve augmenté. L’effusivité thermique (b) : À la différence de la diffusivité thermique qui décrit la rapidité d’un déplacement des calories à travers la masse d’un matériau, l’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe les calories. Symbolisée b (quelque fois Ef), elle s’exprime en Watt racine carré d’heure par mètre carré Kelvin (W.h½ /m². K) Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau absorbe de l’énergie sans se réchauffer notablement. Au contraire, plus elle est faible, plus vite le matériau se réchauffe. La résistance thermique d’un matériau : La résistance thermique d’un matériau caractérise sa capacité à ralentir le transfert de chaleur réalisé par conduction. Elle s’exprime en m2.K/W Elle est calculée avec la formule suivante : R= e / λ. - R : résistance thermique en m².K/W - e : épaisseur du matériau en mètre - λ : conductivité thermique du matériau en W/(m.K) La résistance thermique totale d’une paroi homogène : Caractérise la somme des transferts de chaleur réalisés par conduction au sein des matériaux et des échanges thermiques superficiels réalisés par convection et rayonnement. Elle se calcule en additionnant les résistances thermiques des différents constituants de la paroi et les résistances superficielles correspondantes et s’exprime en m².K/W. Rparoi = ∑R + Rsi + Rse 24 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Le coefficient de transmission thermique U: Le coefficient de transmission thermique U traduit la quantité de chaleur s’échappant au travers d’une paroi de 1m² pour un différentiel de 1 degré. il s’exprime en W/(m².K). U = 1/Rparoi Tableau 5: Exemple des Matériaux de construction 25 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 2) Les isolants thermiques de l’enveloppe : Isoler, consistera à réduire les déperditions. L’isolation thermique est la propriété que possède un matériau de construction pour diminuer le transfert de chaleur entre deux ambiances. Elle permet à la fois de réduire les consommations d’énergie de chauffage ou de climatisation (limite les déperditions en hiver et les apports de chaleur en été), et d’accroître le confort (maintien les températures et l’hygrométrie aux niveaux de confort d’été comme d’hiver et règle le problème de parois froides en hiver ou chaudes en été). Une maison chauffée perd sans arrêt une partie de sa chaleur, à travers son enveloppe, comme le montre la figure 5. Figure 6: répartition des déperditions thermiques Outre la faible conductivité, d’autres qualités sont à rechercher dans un isolant comme: • Une bonne résistance mécanique. • L’ininflammabilité. • Résistance a la diffusion de vapeur d’eau • Le cout • La résistance aux attaques des rongeurs. Il y a plusieurs types d’isolants, présents sur le marché sous différentes formes : Matériaux minéraux : la laine de verre, la laine de roche. Matériaux fibreux organiques : cellulose, chanvre, mousse organique (le polystyrène expansé ou extrudé). Mousse inorganique : mousse de verres, vermiculite, la perlite, béton cellulaire. Matériaux ligneux : liège, bois léger, paille agglomérée. 26 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 3) Vitrages et propriétés thermiques : Les baies vitrées et leurs distributions sur l’enveloppe sont des paramètres essentiels lors de la conception d’un bâtiment. Leur premier rôle est d'assurer le confort visuel et thermique des occupants et de gérer les apports solaires en toute saison. Par conséquent, l’évaluation des aspects positifs et négatifs de la paroi transparente, exige une grande attention à plusieurs éléments ; comme le type de vitrage, la position, l’orientation et le type de protection solaire associée…etc. Compte tenu de ses effets sur l'éclairage naturel et son potentiel sur les apports solaires, les vitrages se caractérisent par deux principaux facteurs thermiques, à savoir : Le facteur solaire (g) : Le coefficient de transmission énergétique, dit « facteur solaire », représente le pourcentage d’énergie solaire incidente, transmise au travers d’une paroi vitrée à l’intérieur d’un local ; plus basse sera la quantité, moins il aura d’effet de serre, plus grand sera le confort d’été. Le facteur thermique (U): Le coefficient de transmission thermique exprime la quantité de chaleur traversant un mètre carré de vitrage par degré de différence entre la température intérieure et extérieure. Plus le coefficient est bas, meilleure est l’isolation thermique du vitrage. Tableau 6: Types de vitrage 27 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 4) L’inertie thermique du bâtiment : La notion d'inertie exprime une "résistance" propre à un changement d'état ou de régime, donc à des phénomènes dynamiques. Ce changement d’état peut être provoqué soit par des variations de la température extérieure, ou par des variations de flux dissipées à l’intérieur du bâtiment. Elle désigne l’ensemble de caractéristiques thermo physiques d’un bâtiment qui le font résister à la variation des flux d’énergie (ou de chaleur) qui s’exercent sur lui. Elle est conditionnée par la capacité thermique du matériau, qui exprime sa faculté d’absorber et à stocker de l’énergie. Ainsi, une construction à forte inertie thermique permet de conserver une température stable et de se réchauffer ou de se refroidir très lentement, alors que les constructions à faible inertie, comme nous le constatons dans la figure 7, suivent sans amortissement ni retard les fluctuations de la température extérieure. Une inertie suffisante génère du confort et une économie d’énergie. Figure 7:Evolution des températures dans une maison individuelle pour trois niveau d’inertie. III. Calcul des Déperditions thermiques : 1) Déperditions thermiques : Les déperditions représentent la quantité d'énergie qu'il est nécessaire d’émettre en œuvre pour chauffer une pièce, un bâtiment. Les déperditions surfaciques au travers les parois ajoutés aux déperditions par renouvellement d'air (pour réchauffer l'air neuf) donnent les déperditions nécessaires pour le chauffage. Elles sont calculées en Watts et donnent une puissance à couvrir par le système de chauffage. Elles tiennent compte de l'écart de température intérieure et température extérieure, autrement dit delta T. 28 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 2) Calcul des déperditions Ici nous nous arrêterons à deux méthodes de calcul simplifiées qui permettent de faire une évaluation de ses déperditions. a) Méthode de calcul par coefficient G : Le G est le coefficient de déperdition volumique du bâtiment, il s’exprime en Watt par mètre cube et par degré. Déperdition = G x V x ΔT G: coefficient de déperdition globale (W/m3.°C) • 0,65 W/°C m3 isolation norme RT 2005 • 0,75 W/°C m3 isolation norme RT 2000 • 0,9 W/°C m3 constructions après 1980 • 1,2 W/°C m3 constructions moyennement isolées • 1,8 W/°C m3 constructions non isolées V : volume du bâtiment (m3) ΔT: différence de température entre l'intérieur (19 ou 20°), et l'extérieur (Température de base hiver du lieu d'habitation). b) Méthode de calcul par le coefficient Ubat : Cette méthode de calcul plus complète est préconisée par le centre d'études et de formation du génie climatique. Déperditions= Dp x (Tde confort – Text base) Il faudra d'abord calculer la valeur de Dp qui est le coefficient de déperditions du bâtiment (W/K). Dp = Ubat x Sdép + R x Vh Ubat : représente la déperdition thermique totale moyenne d'un bâtiment (toutes parois)(W/m².K),pour une précision optimale ce coefficient se calcule pour chaque paroi. Valeur empirique de Ubat . • 0,3 : maison avec une isolation exceptionnelle. • 0,4 : excellente isolation sans ponts thermique. • 0.75 : pour les maisons à isolation conventionnelle "RT2005" et réalisées entre 2007 et 2012 • 0.8 : pour les maisons à isolation conventionnelle "RT2000" et réalisées entre 2001 et 2006 • 0.95 : Pour les maisons construites entre 1990 et 2000 • 1.15 : Pour les maisons construites entre 1983 et 1989 • 1.4 : Pour les maisons construites entre 1974 et 1982 • 1.8 : maison non isolée (murs, combles) et à menuiseries simples vitrage. Sdép : somme des surfaces des parois [m²] 29 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments Vh : volume habitable de la zone traitée [m³] R : coefficient fonction du type de ventilation LST : Énergie renouvelable VMC autoréglable : R = 0,2 VMC hygroréglable : R = 0,14 Tde confort: Température de confort T ext base : Température extérieure de base du lieu d'habitation Conclusion : Dans ce chapitre on a cité les différentes paramètres qui influent sur le confort thermique d’une habitation (l’implantation l’orientation et matériaux de constructions) et dans la suite on a donné deux méthodes pour calculer les déperditions thermiques. 30 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CHAPITRE 3 : Cas d’étude Calcul des déperditions d’une villa à Kenitra 31 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Introduction : Dans le but de cerner les principaux problèmes du confort thermique dans une habitation, nous avons choisis comme cas d’étude, une villa à Kenitra, afin d’estimer les déperditions pour comprendre son rapport avec le confort thermique. I. Description de l’habitation : 1) Présentation de la ville Kenitra : a) Situation géographique : Située au Nord-Ouest du pays, la Province de Kenitra, relevant de la Région de Rabat Salé Kenitra, est limitée au Nord par les provinces de Larache et de Ouezzane, à l’Ouest par l’Océan Atlantique, à l’Est par les deux Provinces de Sidi Kacem et Sidi Slimane et au Sud par la préfecture de Salé et la province de Khémissat. Les coordonnées géographiques de Kenitra sont : o Latitude : 34°15′39″ Nord o Longitude : 6°34′48″ Ouest o L’altitude par rapport au niveau de la mer : 13 m b) Le climat de la ville Kenitra : La région de Kenitra se situe dans la zone du climat méditerranéen avec influence océanique. Elle présente un climat caractérisé par un hiver frais et pluvieux et un été chaud et humide. c) Données climatiques de la région Kenitra : Afin de mieux caractériser le climat de la ville Kenitra, il est utile d’utiliser le logiciel Meteonorm7 qui est destiné à déterminer les données météorologiques d’un tel site, et qui s’étalent sur une période de dix ans, relative à la période (2001-2010). Rayonnement solaire La figure 8 représente le rayonnement de la ville de Kenitra pour la période 2001-2010. Le mois de juillet est le mois où le rayonnement est important (environ 240 KWh/m), tandis que le mois de décembre présente le mois le moins important (environ 90 KWh/m²). Cette énergie solaire peut être considérée comme source d'énergie gratuite pour un chauffage solaire passif en hiver. Figure 8: rayonnement solaire annuel à Kénitra 32 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Les températures La figure 9 représente les températures journalières maximales et minimales, pour la période de 2001 à 2010. Les mois les plus chauds : Juin, juillet, août et septembre avec une température moyenne maximale de 40°c en Juillet. Les mois les plus froids : décembre, janvier et février avec une température moyenne minimale de 4°c en Janvier. Figure 9 : les températures journalières maximales et minimales Les précipitations La répartition annuelle des précipitations est marquée par une période courte de sécheresse dans le mois de Juillet et août, durant laquelle les précipitations sont très faibles et souvent sous forme d’orage. La période pluvieuse est dans le mois de novembre avec une quantité moyenne de 110mm (figure 10). L’humidité Figure 10 : La répartition annuelle des précipitations Les valeurs moyennes de l’humidité dépassent les 60% pour tous les mois de l’année 2018 et varie entre un maximum de 82 % au mois de Janvier, et un minimum de 66 % au mois d’Aout comme illustré dans la figure 11. La valeur moyenne de l’humidité pendant l’année 2018 est 74%. Figure 11 : Les valeurs moyennes de l’humidité 33 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Le Vent La vitesse moyenne maximale est enregistrée du mois de Mars, alors que la valeur minimale est enregistrée du mois de Septembre (figure 12). Elles varient entre 14 et 28 Km/h, avec une moyenne annuelle de 2O Km/h. C’est un vent considéré comme faible. On peut utiliser le vent comme moyen de rafraîchissement passif des espaces intérieurs durant la nuit. Pendant le jour, il servira à la ventilation naturelle. Figure 12:La vitesse moyenne du vent 2) Présentation de Villa cas d’étude: Nous avons choisi pour cette étude, une villa, qui sera construit fin de 2019 à Alliance Mehdia, situé à quelques kilomètres du Nord de la ville de Kenitra. Le site objet de notre étude est sous forme d’une petite villa de forme rectangulaire, d’une superficielle totale de 132 m² dont 60 m² seulement sera construite. La villa est constituée par : Un jardin en amant. Une zone habitable qui se décompose en trois niveaux : Le premier niveau contient le sous-sol. Le deuxième niveau contient un salon une cuisine et une salle de bain. Le troisième niveau contient deux chambres à coucher et une salle de bain. Un jardin en aval. Le plan de l’architecture (voir annexe 1 et annexe 2) montre la répartition et les différentes dimensions des éléments de l’habitation. 34 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments II. LST : Énergie renouvelable Calcul des déperditions : Dans ce cas d’étude on va utiliser deux méthodes pour calculer les déperditions : La première méthode consiste à utiliser un fichier Excel qui regroupe les différentes équations et paramètres qui interviennent dans le calcul des déperditions. La deuxième méthode par l’utilisation du logiciel TRNSYS. 1) Calcul des déperditions par fichier Excel : a) Calcul de coefficient de transmission thermique K (ou bien U) : Le fichier Excel nous permet de calculer le coefficient de transmission thermique à partir des caractéristiques de chaque couche (conductivité, épaisseur…). Tableau 7:coefficient de transmission thermique b) Calcul des déperditions thermiques: De même pour calculer les déperditions thermiques de chaque pièce il faut introduire les dimensions de la pièce (longueur, largeur et hauteur), le coefficient de transmission thermique K et la différence de la température (DT) entre l’intérieure et l’extérieure de l’habitation. 35 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments Tableau 9: déperdition thermique dans le sous-sol Tableau 11: déperdition thermique dans la cuisine LST : Énergie renouvelable Tableau 8: déperdition thermique dans le salon Tableau 10: déperdition thermique dans chambre parent Tableau 12: déperdition thermique dans la chambre des enfants 36 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 2) Calcul des déperditions par TRNSYS : TRNSYS est un logiciel de simulation numérique du comportement thermique des bâtiments et de leurs équipements développés par CSTB (Centre Scientifique et Technique des Bâtiments), TRNSYS est particulièrement utile pour étudier avec précision des systèmes dont le comportement thermique est dynamique. TRNSYS permet, par exemple, de calculer avec précision les consommations énergétiques, d'évaluer les performances thermiques de systèmes très divers, d'effectuer des analyses de sensibilité en vue d'optimiser la conception d'un système énergétique, etc. Il possède une bibliothèque standard d'environ 50 composants (modèles génériques de bâtiments, de pompes à chaleur, de composants de réseaux hydrauliques, etc.) cependant, il donne la possibilité de créer des propres bibliothèques de modèles. On utilise TRNBuild pour saisir les informations nécessaires aux calculs des déperditions à travers la description de l'enveloppe (matériaux, épaisseur des couches et paramètres thermophysiques), les fenêtres, le chauffage/ refroidissement, la ventilation, l'infiltration, les gains et le taux d’occupation de la villa (figure 14). Figure 13: Interface TRNBuild 37 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable La villa peut être décomposée en plusieurs zones distinctes. Pour ce faire, il faut définir les zones, et pour chacune d’elles, on doit définir les parois (opaques et vitrées), c'est-à-dire leurs compositions et leurs orientations, spécifier les gains, les infiltrations, la ventilation, le chauffage, la climatisation, le confort et l’humidité comme illustré dans la figure 14. Figure 14: interface d'insertion des paramètres La simulation a été effectuée sous des conditions climatiques réelles, mesurées à Kénitra par le logiciel Méteonrm7. Les résultats annuels simulés par TRNSYS sont représentés dans les figures 15, 16, 17, 18 et 19 : a) La température extérieure annuelle : Figure 15 : La température extérieure annuelle 38 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable On observe d’après la simulation (figure 15) que la température extérieure varie entre 4°C comme valeur minimale relevée en mois de février et 38°C relevée en mois de juillet comme valeur maximale. b) Température ambiante dans le Rez-de-chaussée sans activation de système de chauffage Figure 16: La simulation annuelle de la température ambiante dans le rez de chaussée La figure 16 représente la température ambiante annuelle dans le rez-de-chaussée constitué d’un salon et une cuisine. On constate une variation de la température intérieure ambiante dans le rez-de-chaussée varie entre 8°C et 30°C dans les mêmes périodes que la température extérieure. c) Température ambiante dans le Rez-de-chaussée avec activation de système de chauffage Le profil de la température ambiante, la puissance et l’énergie consommée dans le Rez-dechaussée, après avoir activé notre profil de chauffage qui s’active dès que la température ambiante est inférieure à la température de confort choisi à 20° C, sont présenté dans les figures 17, 18, 19 et 20 : 39 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable La température ambiante intérieure annuelle: Figure 17: La température ambiante intérieure annuelle On remarque que la température ambiante intérieure est toujours supérieure à 20 °C causé par l’activation de système de chauffage. La puissance annuelle consommée par le système de chauffage dans le Rez-de-chaussée : Figure 18: La puissance annuelle consommée par le système de chauffage La puissance annuelle consommée par le système de chauffage atteint des valeurs crêtes dans la période hivernale qui corresponde à des températures inférieures à 20°C, par contre dans la période estivale la puissance consommée est presque nulle puisque la température est presque toujours au-dessus de la température de confort (figure 18). 40 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable L’énergie annuelle consommée par le système de chauffage dans le Rez-de-chaussée : La même constatation pour l’énergie consommée, elle dépende de deux périodes hivernales et estivales. Figure 19: L’énergie annuelle consommée par le système de chauffage d) Les déperditions thermiques : Pour déterminer les déperditions thermiques pour les différentes zones de cette villa, il faut chercher la valeur maximale de la puissance consommée pendant toute l’année lorsque le système de chauffage est activé et réglé à la température de confort (20°C). NB : o D’après la figure 18 la déperdition thermique dans le salon vaut 1560 Watts, et le déperdition thermique dans la cuisine vaut 698 Watts. o Nous avons effectués la même simulation pour les autres pièces (sous-sol et les chambres à coucher) afin de déterminer les déperditions thermiques. 3) Interprétation des résultats : Le tableau 13 regroupe les valeurs de déperditions des différentes pièces de la villa calculée par les deux méthodes : 41 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Valeur de la déperdition surfacique (Watts) Pièce Excel TRNSYS Sous-Sol 2374 2250 Salon 1465 1560 Cuisine 755 698 Chambre des parents 1319 1120 Chambre des enfants 1554 1220 Total 7467 6848 Tableau 13: comparaison des déperditions On observe une petite différence entre les deux résultats car le logiciel TRNSYS est un logiciel dynamique qui prend en compte la variation de température à chaque heure pendant toute l’année, et aussi il tient compte des caractéristiques dynamiques des matériaux de construction (effet d’inertie). Par contre dans le fichier Excel la température extérieure est fixe (température de base) et on ne considère que les caractéristiques statiques des matériaux de construction. TRNSYS nous permet de calculer l’énergie mensuelle et annuelle consommée par l’habitation. Pour assurer le confort thermique en hiver à cette habitation il faut préserver une puissance de l’ordre de 9 KW. Conclusion : Dans ce chapitre nous avons calculé les déperditions thermiques des différentes pièces de l’habitation ce nous permet dans la suite d’étudier le dimensionnement de l’installation de système de chauffage convenable afin de compenser les pertes thermiques dans cette habitation c’est-à-dire d’avoir la sensation de confort thermique. 42 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CHAPITRE 4 : Amélioration du confort thermique hivernal d’une habitation à Kénitra 43 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Introduction : Aujourd’hui, 50 % de la population mondiale vit dans des villes et passe près de 90 % de son temps à l’intérieur [3]. Les bâtiments deviennent de vraies machines thermiques dont l’objectif est le maintien des conditions climatiques favorables à l’être humain. L’individu réagit en permanence à cet environnement de manière consciente et inconsciente. C’est grâce à la définition des mécanismes physiologiques, physiques et psychologiques que l’on peut approcher une définition du confort thermique. Les réglementations thermiques successives ainsi que le développement de l’industrie ont conduit les concepteurs à produire des bâtiments où le chauffage, la climatisation, la ventilation... sont maitrisés par des systèmes techniques de plus en plus complexes. Ces systèmes, consommateurs d’énergie permettent d’accéder au confort mais ce-dernier est alors standardisé et coupé de son environnement thermique extérieur. I. Isolation thermique : 1) L’intérêt de l’isolation thermique : Voire améliorer le système de chauffage actuel pour avoir chaud dans l’hiver, Ceci est loin d’être la meilleure solution et en tout cas pas la moins onéreuse à moyen long terme, surtout avec l’augmentation du prix des énergies. Or a montré qu’une augmentation de 1°C pouvait conduire à une augmentation de la consommation énergétique de 7 à 20 % en fonction de la performance des bâtiments étudiés. Il faut savoir qu’une bonne isolation est bénéfique à plusieurs titres. Tout d’abord, cela permet de faire des économies puisque les factures de chauffage diminuent. Ensuite, cela évite les problèmes d’humidité. Enfin, une bonne isolation améliore le confort de logement. Figure 20 : Exemple d'isolant thermique 44 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable De façon générale l’isolation des habitations et défèrent : Habitation neuf : choisir une isolation à haute performance, limiter au minimum les besoins en consommations de chauffage et de refroidissement et donc de limiter aussi la facture d'énergie sans rogner sur le confort. Habitation en rénovation : agir sur l'association "isolation des parois et ventilation mécanique + fenêtres et occultations", c’est diviser au moins par deux les consommations d’énergie et donc par deux le montant de la facture. Cette première phase permet déjà de réduire l’essentiel des déperditions de chaleur et donc la consommation d’énergie avec un bon confort. Parmi les techniques d’isolations [8] on trouve : Isolation de la toiture : jusqu’à 30% d’économie. Isolation des murs : -20% sur la facture de chauffage. Isolation des fenêtres et châssis pour un confort garanti. Eviter les pertes de chaleur (figure 21). Habitation non isolée Habitation non isolée Figure 21: Habitation non isolée / isolée 45 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 2) L’effet d’isolation sur une pièce de l’habitation: Afin de monter l’effet d’isolation sur une pièce de l’habitation on a choisi comme exemple d’étude les déperditions thermiques d’une pièce plus particulièrement le « salon » de la villa en question avant et après l’isolation des murs extérieurs : a) Avant l’isolation des murs extérieurs: Les déperditions avant l’utilisation de l’isolant dans les murs extérieurs sont résumées dans le tableau 14 : Tableau 14: déperdition dans le salon avant l'isolation b) Après l’isolation des murs extérieurs: Pour isoler les murs extérieurs de l’habitation on a choisi polystyrène expansé comme isolant caractérisé par une épaisseur 6 cm et de conductivité égale à 0,032 W/m².K [4] (pour plus de détail voir annexe 3). Le nouveau coefficient de transmission thermique de mur extérieur après l’intégration de l’isolant devient U = 0.4 W/m2°C (tableau 15) : 46 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Tableau 15:coefficient de transmission thermique de mur extérieur D’où les déperditions dans le salon deviennent comme suit (tableau 16) : Tableau 16:deperdition dans le salon après l'isolation On constat que les déperditions thermiques dans le salon passent de 1890W (sans isolation) à 1484W (avec isolation), soit une diminution de 20 %. Par conséquent, une diminution de besoins de chauffage qu’implique une diminution dans la facture énergétique de 20%. 47 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments II. LST : Énergie renouvelable Système de chauffage : 1) Puissance nécessaire pour le chauffage : Le but de l’installation de chauffage est de compenser les déperditions pour maintenir la température intérieure constante. Dimensionner les systèmes de chauffage, c’est calculer la puissance utile nécessaire pour y parvenir lors des conditions extrêmes : lorsque la température extérieure est minimale, qu’il n’y a pas de soleil et/ou que les apports internes sont nuls. La puissance d’énergie nécessaire pour le chauffage (P) égale aux déperditions(D) plus la puissance associée à l’énergie surchauffée (Ps). P = D + Ps 48 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 2) Quelques types de système de chauffage : Le tableau 17 regroupe quelques types de système de chauffage. Tableau 17 : Quelques types des systèmes de chauffage 49 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable 3) Comment choisir un système de chauffage ? Plusieurs équipements performants sont disponibles. Pour faire un choix sereinement, voici des indications sur chaque système. a) Le chauffage électrique : o Son efficacité dépend beaucoup des émetteurs de chaleur : les convecteurs, planchers chauffant, panneaux radiant, radiateurs à inertie ou à accumulation ont des performances différentes. o Son installation est peu onéreuse, mais il est coûteux à l’usage. C’est pourquoi, il ne peut être envisagé que dans un logement parfaitement isolé, avec des émetteurs équipés d’horloges de programmation. o Son entretien est peu contraignant. o Il est bien adapté aux petits espaces. Figure 22:Le chauffage électrique b) Le chauffage au gaz ou au fioul : La chaudière à condensation (Figure 22) : o Elle est robuste, fiable et efficace, surtout avec des émetteurs à basse température (plancher chauffant, radiateur « chaleur douce »). o Elle peut être couplée avec un système utilisant une énergie renouvelable, comme le solaire thermique. Figure 23: schéma de système de chauffage au gaz ou au fioul 50 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable c) La pompe à chaleur (PAC) : o Elle est économe à l’usage et performante, avec une efficacité énergétique saisonnière supérieure à 100 % en mode chauffage. o La PAC géothermique est la plus efficace : elle récupère une chaleur à peu près constante dans le sol et n’a pas besoin d’appoint pour satisfaire tous les besoins de chauffage. o La PAC aérothermique valorise bien la chaleur puisée dans l’air mais est plus sensible aux variations de la température extérieure. Par conséquent, son rendement est variable, ce qui nécessite un système d’appoint, le plus souvent électrique et intégré au système. o Elle est coûteuse à l’achat et plus vite rentabilisée dans un logement avec des besoins de chauffage importants. o Les pompes à chaleur peuvent encore améliorer leurs performances, grâce à la recherche d’autres sources de chaleur comme celle de l’air extrait par la ventilation ou de l’eau usée. Figure 24: Schéma de l'installation de la pompe à chaleur d) Le chauffage au bois : o La chaudière et le poêle à granulés sont les plus efficaces. o Les poêles sont moyennement onéreux, les plus chers n’étant pas forcément les plus performants. L’aspect esthétique influe sensiblement sur le prix. o Une zone de stockage pour le bois est nécessaire. o Il faut veiller à la bonne évacuation des fumées. o L’installation d’un ballon tampon permet d’allonger la durée de vie de la chaudière à bois. Il stocke la chaleur produite en surplus et la restitue plus tard. 51 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Figure 25:Le chauffage au bois e) Le chauffage solaire : o Il est économe à l’usage. o Il peut être couplé à une installation de chauffage central classique. o Il permet de couvrir entre 20 et 50 % des besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire selon les conditions d’ensoleillement, la technologie utilisée et les caractéristiques de l’installation. o Un appoint est indispensable, il aura un impact sur la performance du système. o Ce système est coûteux à l’achat. Figure 26: l'installation de chauffage solaire 52 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Conclusion : Un logement bien isolé conserve mieux la chaleur. Il consomme moins d’énergie pour le chauffage et vous permet de réduire votre facture. C’est pour cela on propose au prioritaire de l’habitation d’utiliser un isolant performant et de choisir un système de chauffage efficace. 53 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable CONCLUSION GENERALE Cette dernière décennie, le confort thermique constitue un enjeu majeur dans le secteur du bâtiment tant pour la qualité des ambiances intérieures que pour les impacts énergétiques et environnementaux dont il est responsable. Pour situer le problème du confort thermique, nous avons analysé les connaissances existantes en matière de confort thermique dans le bâtiment à travers une étude bibliographique. Cette étude nous a permis de comprendre la complexité de ce sujet. L’objectif visé à travers ce travail de recherche, est d’étudier la problématique du confort thermique relative à notre cas d’étude (la villa de Kenitra), chercher une adéquation entre la conception du bâtiment, le climat et l’environnement dans lequel il est intégré pour améliorer le confort thermique. A cet effet, un des aspects de notre étude est basée sur le calcul des déperditions thermiques de la villa par deux méthodes (logiciel TRNSYS et des données EXCEL). Ce qui donne une idée générale sur les besoins de chauffage. En fin on trouve que l’isolation thermique de l’enveloppe démunie le facteur énergétique de chauffage, dans la suite on a cité quelque système de chauffage (Le chauffage solaire, Le chauffage au bois, La pompe à chaleur (PAC), Le chauffage au gaz ou au fioul et Le chauffage électrique). Le fait d’utiliser l’énergie solaire pour le chauffage de l’habitation permettra de préserver les combustibles dits fossiles et de les employer à des usages plus spécifiques que la simple production de chaleur. Donc un geste pour l’environnement. Les équipements ne coûtent plus rien une fois installés. Le chauffage solaire est un système fonctionnant en toute sécurité, car il utilise une énergie naturelle et propre qui empêchera le rejet dans l'atmosphère de plusieurs centaines de kilogrammes d'oxyde de carbone. Sachez également qu’on ne sera pas confronté à des frais cachés, puisque les panneaux solaires nécessitent très peu d'entretien et de maintenance. En matière de coûts de fonctionnement, c’est le mode de chauffage qui s’impose. 54 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable Bibliographies Ouvrages, publications, thèses et actes de séminaires : 1. Mémoire de magister en architecture sur le thème : Etude et évaluation du confort thermique des bâtiments à caractère public /Cas du département d’Architecture de Tamda (Tizi-Ouzou) - MAZARI Mohammed. 2. Mémoire de fin d’études pour l’obtention du diplôme de master en Architecture sous thème Impact de l’orientation Sur le confort thermique dans l’habitat individuelle -Cas de Jijel- Belarbi Lakhdar. 3. Thèse Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES/Thèse dirigée par Patrice Moreaux et Yeoman Coulibaly et codirigée par Étienne Wurtz sous le thème : Enjeux de la simulation pour l’étude des performances énergétiques des bâtiments en Afrique subsaharienne. 4. Guide technique sur l’isolation thermique du bâtiment au Maroc : Agence National pour le développement des Energie Renouvelable et de l’Efficacité Energétique(ADEREE). 5. Règlement Thermique de Construction au Maroc (version simplifiée) : Agence National pour le développement des Energie Renouvelable et de l’Efficacité Energétique(ADEREE). Sites web : 6. Agence Régionale de l’Energie (ARENE) de Provence- Alpes – Côte d’Azur, « Confort d’été dans le sud de la France). http://www.envirobat-med.net. (12/05/2019) 7. Bozonnet, E. « Impact des microclimats urbains sur les demandes énergétiques des bâtiments : Cas de la rue canyon » thèse de doctorat soutenue à l’université La Rochelle, France. 2005. (26/05/2019) 8. https://sites.google.com/site/tpeisolationthermique/my-page/qu-est-ce-que-l-isolationthermique. (20/06/2019) 9. https://conseils-thermiques.org/contenu/comparatif_materiaux_construction.php. (02/07/2019) 10. http://herve.silve.pagesperso-orange.fr/deperditions/deperd_rt.htm. (15 /06/2019) 11. https://www.actu-environnement.com/materiels-services/produit/logiciel-trnsys-cstbsimulation-thermique-batiments-et-systemes-2473.php 55 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable ANNEXE 1 : plan architectural de la villa 56 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable ANNEXE 2 : plan architectural de la villa 57 FST ERRACHIDIA Confort thermique des bâtiments LST : Énergie renouvelable ANNEXE 3 : tableau comparatif des isolants 58 FST ERRACHIDIA
