Fiche de lecture - Jonnard Marie - Bienvenue sur Catalogue des

Institut National des Sciences
Appliquées de Strasbourg
GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE
FICHE DE LECTURE
ETUDE DE SOLUTIONS DE RENOVATION DE BATIMENTS
TRADITIONNELS EN ECOSSE
Par MARIE JONNARD
Tutrice : C. VASILE
Tuteur entreprise : J. BROS WILLIAMSON
Septembre 2014
L’Ecosse compte aujourd’hui 400 000 bâtiments traditionnels, construits avant 1919, ce qui
représente 20 % du parc immobilier écossais. Face aux attentes de la Réglementation
Thermique 2020, plusieurs organisations gouvernementales ont été mandatées afin
d’améliorer l’efficacité énergétique de ces bâtiments historiques. Le Scottish Energy Centre
réalise des travaux de recherche pour ces organisations de préservation du patrimoine.
Cette étude a pour objet de présenter les spécificités du bâtiment traditionnel écossais, ainsi
que les solutions de rénovations pouvant être mises en place facilement et à moindre coût.
L’étude portera ensuite sur l’impact de ces solutions, à travers l’analyse des phénomènes de
condensation dans la masse. Enfin, une dernière partie développera l’outil de calcul mis en
place pour déterminer le bilan annuel de condensation d’une paroi.
Figure 1 : Bâtiments traditionnels étudiés
1. Spécificités du bâtiment traditionnel écossais
Historic Scotland définit le bâtiment traditionnel écossais de la façon suivante, « un bâtiment
construit avant 1919, composé de mur porteurs en maçonnerie lourde et d’un toit pentu
recouvert d’ardoises ou d’un autre matériau de couverture naturel ». Les parois sont
généralement constituées de quatre couches comme le montre la figure 2 : un mur en pierre
(traditionnellement du grès), une cavité d’air de 4 cm, une couche de lattes de bois et plâtre,
et un revêtement intérieur en plâtre. Les fenêtres sont de simples vitrages de type guillotine
(figure 3).
Figure 2 : Coupe schématique d’un mur traditionnel
Figure 3 : Fenêtres à guillotine à Edimbourg
Face aux spécificités des bâtiments traditionnels écossais, certaines méthodes de rénovation
se sont développées. Des isolants comme la perlite, la ouate de cellulose ou les billes de
polystyrène expansé sont soufflés ou versés dans la cavité d’air. Des panneaux de silicate de
sodium ou de l’aérogel sont appliqués directement sur la couche de lattes de bois et de plâtre.
Pour les vitrages, des volets intérieurs sont installés, plus faciles à mettre en place que des
volets extérieurs. Des solutions alternatives comme le second vitrage ou le film thermique sont
également mises en place.
Jonnard Marie
Tutrice : Vasile C.
Etude de solutions de rénovation de bâtiments traditionnels en Ecosse
Septembre 2014
1
2. Amélioration des parois et des fenêtres
Les parois et les ouvrants font partie des plus grosses sources de déperditions d’un bâtiment.
Des solutions accessibles peuvent réduire considérablement les pertes de chaleur. Cette
étude développe certaines de ces solutions testées sur une propriété traditionnelle, nommée
Wee Causeway et située à Culross (figure 4).
Les parois ont été rénovées en 2012 avec trois isolants différents :
Des billes de polystyrène expansé soufflées dans la cavité d’air réduisant la valeur de
U de 1.4 à 0.5 W/m².K
Des panneaux de silicate de calcium de 15 mm d’épaisseur réduisant la valeur de U
de 1.5 à 0.7 W/m².K
Une couche d’aérogel de 10 mm d’épaisseur appliqué sur la surface (figure 5),
réduisant la valeur de U de 1.4 à 0.9 W/m².K
Le plafond a été isolé avec 275 mm de laine de chanvre.
En 2013, un film thermique de faible émissivité a été appliqué sur les fenêtres de la façade
Est, et des volets intérieurs ont été mis en place sur la façade Ouest. La valeur de U du simple
vitrage a été enregistrée à 5.2 W/m².K. Le film thermique diminue cette valeur à 4.3 W/m².K et
les volets la diminuent à 1.1 W/m².K. Notons que les volets ne sont pas systématiquement
fermés et que donc la valeur de U varie entre 5.2 et 1.1 W/m².K.
Figure 4 : Wee Causeway, façade avant avec
trois volets fermés
Figure 5 : Mise en place de l’aérogel dans
la chambre au premier étage
Etude comparative des résultats
Pour comparer les différentes améliorations apportées à Wee Causeway, plusieurs modèles
ont été construits à l’aide du logiciel Standard Assessment Procedure (SAP). Ce programme
se base sur une méthode de calcul fournie par le gouvernement qui permet de comparer les
performances énergétiques et environnementales de plusieurs bâtiments. SAP réalise une
analyse complète du bâtiment, et calcule entre autres la consommation énergétique en
fonction de la surface du bâtiment.
Neuf modèles ont été créés sous SAP afin d’évaluer l’impact des solutions testées.
- Scénario 1 : Scénario de référence, Wee Causeway avant tout travaux de rénovation.
- Scénario 2 : Après rénovation, Wee Causeway actuellement.
- Scénarios 3 à 6 : Basés sur le scénario de référence, ils détaillent les améliorations
apportées par les trois types d’isolation dans les parois et celle installée dans le plafond
- Scénarios 7 et 8 : Egalement basés sur le scénario de référence, ils montrent l’impact
des volets et du film sur les fenêtres.
- Scénario 9 : Meilleure solution de rénovation, ce scénario a été construit aux vues
du meilleur modèle de parois et d’ouvrants.
Jonnard Marie
Tutrice : Vasile C.
Etude de solutions de rénovation de bâtiments traditionnels en Ecosse
Septembre 2014
2
La meilleure solution de rénovation s’appuie sur la comparaison des consommations d’énergie
annuelles pour le chauffage, du classement énergétique et du classement des émissions de
gaz. Les coûts et la complexité de l’installation de chaque matériau n’ont pas été pris en
considération.
Les matériaux choisis pour le scénario 9 sont les suivants :
Les billes de polystyrène expansé, car cet isolant présente la meilleure réduction de
la valeur de U dans les parois (1.4 à 0.5 W/m².K)
La laine de chanvre a été installée dans le plafond. Seul isolant testé, elle permet une
diminution des consommations d’énergies pour le chauffage de 261 kWh/m².an à 235
kWh/m².an. La valeur de U a été réduite de 1.4 W/m2K à 0.2 W/m2K.
Le film thermique a été appliqué à toutes les fenêtres car il diminue la valeur de U de
5.2 à 3.4 W/m2K. Les volets réduisent la valeur de U de 5.2 à 1.1 W/m2K mais
uniquement lorsqu’ils sont fermés. Lorsque le pourcentage d’ouverture des volets est
appliqué, la valeur de consommation énergétique de chauffage est de 257 kWh/m².an
pour les volets contre 255 kWh/m².an pour le film. De plus, la mise en place du film est
plus économique que celle de volets intérieurs.
Cette étude a donc permis de définir une nouvelle solution de rénovation à partir des
améliorations apportées à Wee Causeway. Les contraintes étaient assez importantes pour ce
projet :
- Réduire les consommations de chauffage à moindre coût
- Réaliser les travaux sans déloger l’habitant (logements sociaux)
- S’adapter à la structure du bâtiment, ne pas démolir de parois
Face à ces contraintes, il était très difficile d’atteindre les exigences requises en France.
Cependant les améliorations apportées sont non négligeables et répondent parfaitement aux
contraintes (gain de 32% sur la consommation énergétique de chauffage entre les modèles 1
et 9).
3. Impact de la rénovation : Transferts d’humidité et condensation dans la
masse
Depuis 2010, l’organisation gouvernementale Historic Scotland a rénové différentes propriétés
construites entre la fin du 17ème siècle et le début du 19ème siècle. L’ajout des isolants dans les
parois perturbe les flux de chaleur et les déplacements d’humidité dans les matériaux de
construction, pouvant créer un phénomène de condensation dans la masse.
Pour déterminer le risque de condensation dans les parois, la méthode de Glaser a été utilisée.
Celle-ci provient de la norme EN ISO 13788. Elle permet de calculer les valeurs théoriques de
pression de vapeur et pression de vapeur saturante dans la masse. Un diagramme de Glaser
peut ensuite être tracé afin d’obtenir une représentation graphique du risque de condensation
(figure 6). Sur ce même diagramme, il est possible d’ajouter les valeurs réelles de température
et d’humidité relative relevées dans la cavité d’air ; et donc de les comparer aux prédictions
de Glaser.
Trois parois isolées différemment ont été testées pour cette étude : la première rénovée avec
de l’aérogel appliqué sur la couche de lattes de bois et plâtre, la deuxième rénovée avec de la
ouate de cellulose soufflée dans la cavité d’air, et enfin une troisième paroi rénovée avec de
la perlite versée dans la cavité d’air.
Jonnard Marie
Tutrice : Vasile C.
Etude de solutions de rénovation de bâtiments traditionnels en Ecosse
Septembre 2014
3
Figure 6 : Mise en évidence d’une zone de condensation théorique après rénovation avec de l’aérogel
Les résultats de l’étude montrent que les valeurs théoriques annoncent systématiquement un
risque de condensation dans la masse après rénovation. En revanche les valeurs réelles
présentent un résultat différent.
L’analyse de ces valeurs pour l’aérogel ne fait apparaître aucun risque de condensation dans
la cavité. Pour la ouate de cellulose et la perlite, les valeurs réelles montrent qu’aucun épisode
de condensation n’est survenu dans la paroi, cependant certaines valeurs sont très proches
des valeurs limites de condensation.
Le fait de remplir la cavité d’air avec l’isolant, empêche les circulations d’air à travers le mur.
Dans la solution avec l’aérogel cela est possible car la cavité est laissée vide, le risque de
condensation est donc réduit.
La différence entre les valeurs théoriques et réelles peut être expliquée par un phénomène qui
n’est pas pris en compte dans la méthode de Glaser : l’évaporation des condensats dans la
masse. Ce phénomène naturel peut être mis en évidence à partir du calcul du bilan annuel de
condensation.
4. Bilan annuel de condensation dans une paroi
On dit souvent que les parois traditionnelles en pierre « respirent», puisque les transferts de
chaleur et d’humidité se font naturellement entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment. Ces
parois auraient donc la capacité d’évacuer le surplus d’humidité afin de se préserver d’une
éventuelle détérioration. Cette propriété peut être mise en évidence en dressant un bilan
annuel de condensation. Celui-ci indique la quantité d’humidité accumulée dans le mur,
résultante par la condensation dans la masse.
Afin de déterminer ce bilan annuel de condensation pour différent types de parois, un
calculateur a été développé à partir de la partie 6 de la norme BS EN ISO 13788 : 2012. Il
permet l’analyse d’une paroi composée de quatre couches.
Jonnard Marie
Tutrice : Vasile C.
Etude de solutions de rénovation de bâtiments traditionnels en Ecosse
Septembre 2014
4
Le calcul s’effectue mois par mois, chaque résultat mensuel s’ajoutant pour donner une
quantité d’humidité annuelle en grammes d’eau par m² (représentation graphique en figure 7).
En rouge, le phénomène de condensation est visible de Novembre à Février. Puis de Mars à
Octobre, le mur évacue le surplus d’humidité, c’est l’évaporation.
Figure 7 : Bilan de condensation annuel pour un mur traditionnel écossais non rénové
La norme NF EN ISO 13788 indique que cette méthode « est une évaluation plutôt qu’un outil
de prédiction précis ». Elle s’avère donc très utile pour étudier l’influence d’un nouveau
matériau dans la structure, par exemple en rénovation lors de l’application d’un isolant. C’est
un excellent outil de comparaison. L’analyse du bilan annuel de condensation devrait être
systématiquement réalisée lors de travaux de rénovation, pour s’assurer que l’isolant choisi
s’adapte bien à la paroi.
Face aux exigences de la Réglementation Thermique 2020, il est essentiel de
s’intéresser de près à la rénovation des bâtiments traditionnels. L’Ecosse a compris cet enjeu
et rénove de nombreuses propriétés depuis une dizaine d’années. Le gouvernement a
également mis en place un suivi des travaux et une analyse post-intervention afin d’évaluer
l’impact des choix de rénovation.
L’approche écossaise est très différente de celle que nous avons en France. Dans l’Hexagone,
on cherche une excellente performance à travers les travaux de rénovation. Le coût des
travaux est donc élevé, et le nombre de rénovations très faible.
On peut alors se demander si, à l’échelle d’un pays, il n’est pas préférable de diminuer de 25
à 30% la consommation énergétique d’un nombre élevé de logements ; plutôt que de la diviser
par 4 pour un nombre réduit d’entre eux.
L’impact de la rénovation des bâtiments traditionnels est conséquent et cette étude prouve
que des solutions efficaces ont été mises en place en Ecosse et pourraient l’être aussi dans
d’autres pays comme en France.
Jonnard Marie
Tutrice : Vasile C.
Etude de solutions de rénovation de bâtiments traditionnels en Ecosse
Septembre 2014
5