ÉNERGÉTIQUE DU BÂTIMENT

ÉCO L E P OLYTECHN I QUE
FÉDÉ R ALE DE L A U SANNE
FACULTE D'ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL
ET CONSTRUIT
ÉNERGÉTIQUE DU
BÂTIMENT
Section de Génie Civil, 4ème/5ème année
Nicolas Morel et Edgard Gnansounou
(nouvelle édition du cours précédemment donné
par Claude-Alain Roulet et Arnaud Dauriat)
Septembre 2007

ÉNERGÉTIQUE DU BÂTIMENT
TABLE DES MATIERES
1 Introduction et rappels de physique du bâtiment................................................................ 1
1.1 A quoi sert l'énergétique du bâtiment ?................................................................... 1
1.1.1 Le bâtiment est un gros consommateur d'énergie.............................................. 1
1.1.2 Le bâtiment devrait être confortable.................................................................. 1
1.1.3 Suivant la conception, la consommation varie énormément.............................. 2
1.1.4 Applications de l'énergétique du bâtiment......................................................... 2
1.2 Quelques rappels de physique du bâtiment............................................................. 3
1.2.1 Capacité thermique ............................................................................................ 3
1.2.2 Modes de transfert de chaleur............................................................................ 3
1.2.3 Rayonnement solaire.......................................................................................... 4
1.2.4 Rayonnement solaire et matière......................................................................... 5
1.2.5 Position du soleil et angles solaires ................................................................... 6
1.3 Exercices ................................................................................................................. 8
2 Les besoins de l'occupant.................................................................................................... 9
2.1 Confort .................................................................................................................... 9
2.1.1 Confort thermique.............................................................................................. 9
2.1.2 Facteurs d'inconfort supplémentaires............................................................... 14
2.1.3 Utilité du modèle de confort thermique........................................................... 17
2.2 Qualité de l’air ...................................................................................................... 17
2.2.1 Source de polluants et concentrations.............................................................. 18
2.2.2 Concentration de composés gazeux................................................................. 18
2.2.3 Concentration en vapeur d'eau et humidité relative......................................... 19
2.2.4 Odeurs.............................................................................................................. 22
2.3 Aération................................................................................................................. 23
2.3.1 Nécessité de l'aération...................................................................................... 23
2.3.2 Débit minimum requis ..................................................................................... 23
2.3.3 Conditions générales pour une bonne qualité d'air .......................................... 24
2.4 Exercices ............................................................................................................... 26
3 Bilan thermique d'éléments du bâtiment........................................................................... 28
3.1 Matériaux d'isolation............................................................................................. 28
3.1.1 Conductivité thermique.................................................................................... 28
3.1.2 Isolants et conducteurs de la chaleur................................................................ 29
3.1.3 Qualité des isolants thermiques........................................................................ 29
3.1.4 Les différents matériaux sur le marché............................................................ 31
3.1.5 Application des isolants thermiques ................................................................ 34
3.1.6 Autres effets des isolants thermiques............................................................... 37
3.1.7 Homogénéisation de l'isolation thermique....................................................... 37
3.2 Transmission thermique........................................................................................ 41
3.2.1 Éléments plans formés de couches................................................................... 41
3.2.2 Ponts thermiques.............................................................................................. 46
3.2.3 Transmission thermique des fenêtres............................................................... 56
3.2.4 Coefficients de transmission thermiques admissibles...................................... 57
3.3 Caractéristiques thermiques dynamiques.............................................................. 58
3.3.1 Définitions........................................................................................................ 58
3.3.2 Caractéristiques dynamiques des matériaux .................................................... 59
3.3.3 Réponse indicielle d'un élément de construction............................................. 60
3.3.4 Réponse harmonique d'un élément de construction......................................... 62
3.3.5 Modèle de paroi en réponse harmonique......................................................... 63
3.3.6 Calcul approché de la capacité thermique........................................................ 67
3.3.7 Exemples.......................................................................................................... 69
3.4 Aération................................................................................................................. 70

3.4.1 Effets de l'aération ............................................................................................70
3.4.2 Modélisation de l'aération.................................................................................71
3.4.3 Effet de cheminée.............................................................................................73
3.4.4 Ouvertures de ventilation .................................................................................75
3.5 Exercices................................................................................................................77
4 Bilan thermique du bâtiment .............................................................................................79
4.1 Bilan énergétique...................................................................................................79
4.1.1 Délimitation du système...................................................................................80
4.1.2 Diagramme de Sankey......................................................................................81
4.1.3 Bilan thermique instantané...............................................................................82
4.1.4 Bilan thermique moyen ....................................................................................83
4.1.5 Déperditions .....................................................................................................84
4.2 Déperditions par transmission ...............................................................................84
4.2.1 Limites du volume chauffé...............................................................................85
4.2.2 Transmission directe vers l'extérieur................................................................85
4.2.3 Transmission à travers les espaces non chauffés..............................................86
4.2.4 Déperditions par le sol......................................................................................86
4.3 Déperditions par ventilation ..................................................................................89
4.3.1 Déperditions .....................................................................................................89
4.3.2 Récupération de chaleur ...................................................................................90
4.4 Apports d'énergie solaire et gains internes ............................................................92
4.4.1 Principe du captages solaire passif...................................................................92
4.4.2 Calcul des gains solaires passifs.......................................................................93
4.4.3 Gains internes ...................................................................................................97
4.5 Besoins de chauffage.............................................................................................98
4.5.1 Taux d'utilisation ..............................................................................................98
4.6 Exercices..............................................................................................................101
5 Installations techniques ...................................................................................................102
5.1 Introduction .........................................................................................................102
5.1.1 De l'énergie finale à l'énergie utile .................................................................102
5.1.2 Sources d'énergie finale..................................................................................102
5.1.3 Éléments de l'installation de chauffage ..........................................................106
5.1.4 Besoins d'énergie de chauffage ......................................................................107
5.2 Chaudières à combustible....................................................................................108
5.2.1 Eléments d'une chaudière ...............................................................................108
5.2.2 Notions de combustion...................................................................................109
5.2.3 Rendement d'une chaudière............................................................................111
5.2.4 Pertes moyennes et rendement annuel............................................................115
5.3 Pompes à chaleur.................................................................................................116
5.3.1 Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur (PAC)............................117
5.3.2 Performance d'une pompe à chaleur...............................................................118
5.3.3 Considérations pratiques ................................................................................121
5.4 Installations héliothermiques...............................................................................123
5.4.1 Le rayonnement solaire ..................................................................................123
5.4.2 Les capteurs héliothermiques .........................................................................124
5.4.3 Installations thermosolaires............................................................................127
5.5 Chauffage à distance............................................................................................131
5.5.1 Réseau.............................................................................................................131
5.6 Chauffage électrique............................................................................................133
5.7 Poêles et cheminées.............................................................................................133
5.8 Installations de ventilation mécanique ................................................................134
5.8.1 Principe de fonctionnement............................................................................134
5.8.2 Consommation d'énergie pour les diverses fonctions ....................................136

ÉNERGÉTIQUE DU BÂTIMENT
5.8.3 Efficacité de la ventilation ............................................................................. 138
5.9 Refroidissement et climatisation à basse consommation d'énergie .................... 139
5.9.1 Parois climatiques .......................................................................................... 139
5.9.2 Refroidissement passif................................................................................... 140
5.10 Dimensionnement ............................................................................................... 145
5.10.1 Principes généraux de dimensionnement....................................................... 145
5.10.2 Dimensionnement des générateurs de chaleur............................................... 146
5.10.3 Dimensionnement des installations de réfrigération...................................... 147
5.10.4 Dimensionnement d'installations solaires thermiques ................................... 147
5.11 Exercices ............................................................................................................. 149
6 Optimisation économique............................................................................................... 151
6.1 Introduction......................................................................................................... 151
6.2 Concept de l’optimisation économique d’une installation énergétique.............. 152
6.3 Notions d’économie ............................................................................................ 152
6.3.1 Généralités ..................................................................................................... 152
6.3.2 Méthodes de calcul de rentabilité................................................................... 155
6.3.3 Investissements .............................................................................................. 157
6.3.4 Frais courants ................................................................................................. 158
6.4 Optimisation technico-économique appliquée au bâtiment................................ 159
6.4.1 Fonction objectif-coût.................................................................................... 159
6.5 Exercices ............................................................................................................. 161
7 Diagnostic ....................................................................................................................... 162
7.1 Introduction......................................................................................................... 162
7.1.1 Objets et objectifs des mesures...................................................................... 162
7.1.2 Équipement de mesure dans le bâtiment........................................................ 162
7.1.3 Mesures pour la mise en service .................................................................... 163
7.1.4 Mesures en cours d'exploitation..................................................................... 163
7.2 Mesures concernant la consommation d'énergie................................................. 163
7.2.1 Mesures de consommation............................................................................. 164
7.2.2 Indice de dépense d'énergie (IDE) ................................................................. 164
7.2.3 Signature énergétique..................................................................................... 165
7.2.4 Méthode H-m ................................................................................................. 166
7.3 Thermographie.................................................................................................... 166
7.3.1 Principe .......................................................................................................... 166
7.3.2 Défauts d'isolation et humidité....................................................................... 167
7.3.3 Détection des fuites d'air................................................................................ 168
7.3.4 Précautions et inconvénients.......................................................................... 168
7.4 Mesure de l'isolation thermique .......................................................................... 168
7.4.1 Objectif de la mesure ..................................................................................... 168
7.4.2 Méthode fluxmétrique.................................................................................... 169
7.4.3 Mesure............................................................................................................ 170
7.4.4 Interprétation des mesures ............................................................................. 170
7.5 Mesure des débits d'air........................................................................................ 172
7.6 Mesure de la perméabilité à l'air de l'enveloppe des bâtiments .......................... 174
7.6.1 Mesure par pressurisation .............................................................................. 174
7.6.2 Expression des résultats et limites ................................................................. 174
7.6.3 Méthode du niveau neutre.............................................................................. 175
7.7 Exercices ............................................................................................................. 176
8 Synthèse, interactions ..................................................................................................... 178
8.1 Humidité, isolation et aération............................................................................ 178
8.1.1 Risques relatifs à l'humidité........................................................................... 178
8.1.2 Causes de dégâts dus à l'humidité.................................................................. 178
8.1.3 Risques de moisissures sur les parois extérieures des bâtiments................... 178

8.1.4 Condensation interstitielle ..............................................................................180
8.2 Budget énergétique global...................................................................................181
8.2.1 Énergie et matériaux.......................................................................................182
8.2.2 Budget énergétique du bâtiment.....................................................................182
8.3 Conception globale..............................................................................................183
8.3.1 Généralités......................................................................................................183
8.3.2 Énergie et pollution ........................................................................................184
8.3.3 Énergie et confort ...........................................................................................184
8.4 Exercices..............................................................................................................186
9 Solutions des exercices....................................................................................................187
9.1 Chapitre 1: Introduction et rappels de physique du bâtiment..............................187
9.2 Chapitre 2: Les besoins de l'occupant..................................................................187
9.3 Chapitre 3: Bilan thermique d'éléments du bâtiment...........................................189
9.4 Chapitre 4: Bilan thermique du bâtiment ............................................................193
9.5 Chapitre 5: Installations techniques.....................................................................195
9.6 Chapitre 6: Optimisation économique.................................................................195
9.7 Chapitre 7: Diagnostic.........................................................................................195
9.8 Chapitre 8: Conception globale ...........................................................................198
10 Bibliographie...................................................................................................................200
10.1 Généralités...........................................................................................................200
10.2 Notion de confort.................................................................................................200
10.2.1 Manuels ..........................................................................................................200
10.2.2 Normes, recommandations .............................................................................200
10.3 Analyse thermique du bâtiment...........................................................................200
10.3.1 Manuels ..........................................................................................................200
10.3.2 Normes, recommandations .............................................................................200
10.4 Mesures de diagnostic .........................................................................................201
10.4.1 Manuels ..........................................................................................................201
10.4.2 Normes, recommandations .............................................................................201
11 Annexes...........................................................................................................................202
11.1 Pression de saturation de la vapeur d'eau en Pa...................................................202
11.2 Diagramme de Carrier .........................................................................................203
11.3 Caractéristiques thermiques de quelques matériaux de construction ..................204
11.4 Emissivités de quelques surfaces à 280 K environ..............................................204
11.5 Gradient, divergence et laplacien ........................................................................205
11.5.1 Coordonnées cartésiennes ..............................................................................205
11.5.2 Coordonnées cylindriques ..............................................................................205
11.5.3 Coordonnées sphériques.................................................................................205
11.6 Données météorologiques mensuelles moyennes................................................206
11.6.1 BERNE...........................................................................................................206
11.6.2 LAUSANNE...................................................................................................206
11.6.3 LUGANO .......................................................................................................207
11.6.4 SION...............................................................................................................207
11.6.5 ZURICH .........................................................................................................207
11.7 Facteur de conversion pour le rayonnement solaire ............................................208
11.7.1 Surfaces inclinées, orientation sud .................................................................208
11.7.2 Surfaces verticales ..........................................................................................208
11.8 Propriétés thermiques de fenêtres........................................................................208
11.9 Coefficients de transmission thermique de cadres...............................................208
11.10 Propriétés thermiques de vitrages........................................................................209
11.10.1 Isolation transparente..................................................................................209
11.11 Pouvoir calorifique inférieur de combustibles.....................................................210
11.12 Durée de vie d'éléments de construction .............................................................211