voir la fiche opération - Ville Amenagement Durable

fiche opération
Utilisation de la SIMULATION
THERMIQUE DYNAMIQUE
Immeuble collectif passif
rue du Commandant Charcot
« Partager ce que l’on sait
et apprendre du savoir des autres »
Il s’agira pour cet immeuble de 10 logements sociaux d’être extrêmement
performant du point de vue énergétique tout en maîtrisant les différents
conforts. Pour cela, la simulation thermique dynamique permet de valider
l’efficacité des dispositions prévues.
ACTEURS :
Maîtrise d’ouvrage : GRAND LYON HABITAT
Maîtrise d’œuvre : architecte : Antoine BERNADAL (architecte mandataire) et
Guillaume SUPLY (architecte associé), BE qualité environnementale : CAP TERRE,
économiste : ABC ECO, BE fluides : ENERGY, BE structure : CABINET FRAIROT
Coût des travaux : 1 494 319,68 €HT
Lyon (69)
Livraison prévue en 2013
Surface : 920 m² SHON
Performance énergétique visée : label Bâtiment Basse Consommation (dans le
cadre d’une certification QUALITEL), niveau BBC+ du référentiel de la Région RhôneAlpes pour la qualité environnementale dans le logement social, niveau passif (dans le
cadre du label MINERGIE-P® attribué par PRESTATERRE)
Caractéristiques architecturales et techniques
Choix intégré des procédés et produits de
construction
• Menuiseries bois / aluminium triples
vitrages
• Structure (circulation verticale, dalles et
poutres) en béton armé
• Volume total de bois mis en œuvre :
50 m3 de bois. Murs à ossature bois avec
isolation laine de bois (en partie), bardage bois (en partie). Bois dont l’exploitation durable des forêts de production est
certifiée (label FSC, PEFC...) et ne nécessitant aucun traitement
Gestion de l’énergie
• Enveloppe fortement isolée :
- 34 cm d’isolant en façade
- Ubât = 0,25 W/m².K
• Chauffage : pompe à chaleur fonctionnant au gaz de ville
• Eau chaude sanitaire : 20 m² de capteurs solaires thermiques avec appoint
par la pompe à chaleur
• Logements équipés d’un système de
ventilation double flux collectif à échangeur statique individuel (rendement :
90%)
• Traitement de l’étanchéité à l’air : objectif de n50 = 0,6 vol/h. Phase conception,
détails dessinés afin d’identifier tous les
points sensibles de l’enveloppe. Début
de la phase chantier, entreprises sensibilisées à cette problématique par un
spécialiste. En cours de chantier et à la
réception du bâtiment, tests d’étanchéité
à l’air pour vérifier le respect des seuils
fixés par les différents labels
• Traitement des ponts thermiques : désolidarisation des balcons et des paliers
d’étages
• Consommation visée :
- Label BBC (certification Qualitel)
- Niveau BBC+ du référentiel de la Région Rhône-Alpes pour la qualité environnementale dans le logement social :
consommation < 42 kWhep/m²SHON.an
- Label Minergie-P® : besoins de chauffage < 15 kWh/m²SRE.an
• Consommation évaluée :
- Cep = 41,5 kWhep/m²SHON/an dont
- Chauffage : 3,7 kWhep/m²SHON/an
- ECS : 17,4 kWhep/m²SHON/an
- Eclairage : 7,8 kWhep/m²SHON/an, - Auxiliaire : 12,6 kWhep/m²SHON/an
soit 65 % d’énergie primaire économisée
par rapport à un bâtiment neuf réglementaire
- Validation des dispositifs par simulation
thermique dynamique
•C
onfort visuel :
- 90 % des surfaces vitrées orientées au
sud-est ou au sud-ouest
- Dimensions et répartition des fenêtres
étudiées pour favoriser l’éclairage naturel, sans défavoriser les performances
thermiques du bâtiment
Gestion de l’eau
• Toitures et places de stationnement végétalisées.
• Bassin de rétention de 20 m3.
Etude d’éclairage naturel et évaluation du
Facteur de Lumière du Jour dans un logement
Maîtrise des conforts
•C
onfort d’été :
- Menuiseries orientées à l’ouest, au sud
ou à l’est, munies de brise-soleil à lames
orientables et empilables
- Loggias en façades sud-est permettant
de moduler les apports solaires selon la
saison
- Rafraîchissement des logements par
surventilation naturelle nocturne (logements traversants en majorité)
Conditions sanitaires des espaces
• Usage limité du PVC (non utilisé pour les
menuiseries extérieures, ni pour les revêtements de sol)
• Label EMICODE EC1 exigé pour les colles
(faibles émissions de COV et de formaldéhydes)
• Peintures de type NF environnement.
A défaut, elles seront en phase aqueuse
sans dérivés de mono-éthylène glycol, ni
métaux lourds (plomb, cadmium, nickel).
Taux de COV des peintures des murs et
plafonds < 1 g/L
L’utilisation de la simulation thermique dynamique
Dans des bâtiments passifs, étanches à l’air et fortement isolés, la question du confort thermique d’été est un point crucial.
Il s’agit avant tout de limiter les apports thermiques, principalement dus au rayonnement solaire.
L’utilisation de la simulation thermique dynamique (STD) a permis dans ce projet de valider les choix techniques en fonction
des exigences affichées en termes de confort d’été.
Stratégie de confort d’été
Luc Faure-Brac (CAP TERRE - BE qualité environnementale)
Plusieurs dispositifs sont prévus pour
s’en prémunir.
• Toutes les menuiseries du bâtiment
orientées à l’ouest, au sud ou à
l’est, seront munies de brise-soleil
à lames orientables et empilables
afin de réduire les surchauffes estivales. L’occupant pourra agir sur
ces protections solaires selon ses
besoins (en descendant plus ou
moins le brise-soleil et en faisant varier l’inclinaison des lames) tout en
conservant à l’intérieur du logement
un bon éclairage naturel et la possibilité de le ventiler naturellement.
Le niveau d’occultation pourra ainsi
être total, partiel ou nul.
• Les loggias en façades sud-est permettront de moduler les apports solaires selon la saison. Une coupe de
principe permet d’évaluer l’efficacité
des loggias en tant que protections
solaires (voir croquis ci-contre). Les
loggias feront environ 2,00 mètres
de profondeur pour une hauteur
entre dalles de 2,50 mètres. En
été, ces casquettes empêcheront
le soleil de pénétrer dans les logements. En hiver, au contraire, l’ensoleillement des baies vitrées restera
maximal.
Le rayonnement solaire peut également
entraîner des surchauffes de l’enveloppe
qui se transmettent par conduction à l’intérieur du logement. C’est en particulier
vrai pour la toiture, fortement exposée.
Sa végétalisation permettra d’augmenter
sa capacité thermique et de diminuer sa
diffusivité thermique. Ces deux caractéristiques permettront respectivement de
réduire les variations de températures
en sous face de la toiture et de créer un
déphasage entre les pics de température atteints à l’extérieur et à l’intérieur.
Ce phénomène, également favorisé par
l’utilisation de laine de bois en isolant
de façade, est illustré par les courbes cidessous :
• A gauche : mise en œuvre d’un isolant classique à faible capacité thermique seul.
• A droite : mise en œuvre d’un matériau à plus forte capacité thermique.
Température de la partie
inférieure du toit
Température extérieure
Le rafraîchissement des logements pourra se faire par surventilation naturelle
nocturne. Celle-ci sera facilitée par le fait
que tous les logements sont traversants,
2
hormis les T2 des 1er et 2ème étages. Pour
pouvoir « stocker » les calories en journée
et les évacuer grâce à la surventilation
nocturne, le bâtiment se doit de possé-
der une certaine inertie. C’est une des
raisons pour lesquelles sa structure principale, et notamment les dalles, sont en
béton plein.
L’utilisation de la simulation thermique dynamique
Regard croisé sur la simulation thermique dynamique
Antoine Bernadal (architecte), Luc Faure-Brac (CAP TERRE - BE qualité environnementale) et Arnaud Revel
(ENERGY - BE fluides)
Simulation Thermique Dynamique – Modélisation du bâtiment et évolution des températures dans un séjour
à quelle phase du projet les STD
ont-t-elles été réalisées ?
Luc Faure-Brac : La STD a été réalisée en
APD (en septembre 2010). Son objectif
était de valider le respect des exigences
du référentiel « Qualité Environnementale
dans le Logement Social Neuf en Région
Rhône-Alpes » en termes de confort d’été
(exigence n°3 du thème 4 du référentiel
en date de juin 2009).
L’optimisation du bâtiment avec l’architecte avait été réalisée antérieurement,
pour répondre aux attentes du Label
MINERGIE-P® que le projet atteint. En
effet, Grand Lyon Habitat (la maîtrise
d’ouvrage) avait exprimé son désir de
faire construire un bâtiment labellisé
BBC (au travers de la certification QUALITEL), passif (via le label MINERGIE-P®
certifié par PRESTATERRE), et remplissant l’ensemble des exigences (fermes et
souples) du référentiel Région. Ce triple
objectif a été détaillé par l’Agence locale
de l’Energie de Lyon (qui assiste Grand
Lyon Habitat sur les questions liées à
l’environnement) après que notre équipe
de maîtrise d’œuvre ait été retenue sur la
base d’un programme sommaire.
Nous nous sommes rendu compte que,
pour des besoins de chaleur très faibles,
les résultats du logiciel LESOSAI (utilisé pour MINERGIE-P®) étaient très
sensibles aux modifications du projet (niveau d’isolation des parois, inertie thermique, dimensions et caractéristiques
des fenêtres, masques proches…). C’est
donc cet outil que nous avons utilisé pour
optimiser le projet (dimension et position
des vitrages, traitement des ponts thermiques, profondeur des balcons…).
Pour revenir sur la STD proprement dite,
elle a plus servi dans ce projet de validation des choix faits (notamment grâce
à LESOSAI) que d’aide à la conception.
Cependant notre expérience sur des
projets similaires (petit immeuble de
logement collectif), ainsi que les dispositions prises en accord avec les architectes dès l’esquisse et affinées en APS
(choix des orientations privilégiées, des
protections solaires mobiles – BSO – ou
fixes – balcons en façade sud, inertie
thermique, logements traversants, puits
provençal envisagé…) nous permettaient
d’anticiper le fait qu’il n’y aurait pas de
difficultés pour répondre aux attentes du
référentiel.
Quel logiciel avez-vous utilisé ?
Quel temps a été passé à
chaque phase du projet pour la
réalisation de ces STD ?
LFB : Le logiciel utilisé a été COMFIEPLEIADES. Nous avons passé entre 3 et
4 jours sur la STD en phase APS : création des éléments de parois ; définition
des ponts thermiques ; modélisation du
bâtiment et des masques proches et lointains ; évaluation des infiltrations ; définition des scénarios d’occupation, de ventilation, et de puissance dissipée pour
chaque local (utilisation des 40 zones
disponibles) ; réalisation de plusieurs simulations (avec prise en compte ou non
des protections solaires mobiles et de
la surventilation nocturne) ; extractions
et analyse des résultats (températures
maximales pour chaque zone et chaque
simulation, nombres d’heures d’occupation pendant lesquelles la température
dépasse 28°C, zone de Brager) ; rédaction d’un rapport.
« L’objectif de la STD était de valider le respect des exigences du référentiel « Qualité
Environnementale dans le Logement Social Neuf en Région Rhône-Alpes » en termes
de confort d’été [...]. Nous avons passé entre 3 et 4 jours sur la STD en phase APS ».
Luc Faure-Brac (CAP TERRE)
3
L’utilisation de la simulation thermique dynamique
LFB : Le programme ne spécifiait pas
d’objectif précis en termes de confort
d’été. Il a simplement été spécifié par la
maîtrise d’ouvrage, en cours d’esquisse,
qu’il fallait que le projet remplisse l’ensemble des exigences du Référentiel Région (à savoir, en ce qui concerne la STD :
ne pas dépasser 28°C pendant plus de
40 h par an).
Les hypothèses de simulation ont été
exposées de manière précise dans le
rapport de STD et non pas fait l’objet
de remarques de la part de la maîtrise
d’ouvrage.
Avez-vous eu des exigences
particulières par rapport à la
réalisation des STD ?
AR : Une approche fine du comportement
d’un bâtiment avec une optimisation des
besoins de chauffage et du confort d’été.
En quoi les résultats des STD ont
impacté vos études ?
Antoine Bernadal : Dans notre cas, les
STD n’ont pas influé sur la conception du
bâtiment, les grands principes architecturaux étaient déjà définis (orientation et
organisation des logements, inertie thermique, protection solaires, etc.). Elles
nous ont permis de corriger et valider
nos choix architecturaux et techniques
en termes de confort d’été (dimension
et position des vitrages, traitement des
ponts thermiques, etc.).
AR : Elles ont permis de valider et conforter le choix des équipements techniques.
Quelles ont été les limites
associées à la réalisation des STD ?
Arnaud Revel : Privilégier un rafraîchissement de type passif en favorisant les
scénarios d’occultation et de ventilation
naturelle nocturne.
AB : Ces simulations dépendent des
hypothèses de calcul, il ne faut oublier
que la mise en œuvre et l’usage sont très
importants dans ce type de construction.
Quels sont les apports des STD
sur le projet ? Qu’ont-elles
permis de mettre en évidence ?
LFB : Contrairement aux calculs thermiques réglementaires qui sont basés
sur des scénarios conventionnels, les
résultats des STD dépendent beaucoup
des hypothèses de calcul prises : comportement des occupants (taux d’occupation, utilisation des protections solaires, ouverture des fenêtres, utilisation
de l’éclairage et de l’électro-ménager…)
; fichier météo (température extérieur et
rayonnement solaire) ; estimation des
débits de renouvellement d’air liés à l’ouverture des fenêtres…
LFB : Les STD ont permis de valider la
conception du projet par rapport au
confort d’été. Elles ont mis en évidence
le rôle primordial des protections solaires
qui permettent de ne surventiler les
chambres que de 20 h à 23 h en été pour
répondre à l’exigence du référentiel (afin
de fermer complètement les fenêtres et
les occultations quand les occupants
dorment).
Comme pour toute étude concernant la
construction d’un bâtiment, le réalisme
de ces résultats dépendent beaucoup de
la mise en œuvre des matériaux et des
systèmes sur le chantier.
AR : Cet outil est complémentaire aux
autres outils de simulation et détermination (calcul réglementaire, calcul lesosai
dans notre cas, …) et ne peut se substituer à ces derniers.
6. A votre avis et d’une manière
générale, quand les STD doiventelle être réalisées pour garder
tout leur sens ?
AB : Les STD doivent être réalisées le plus
tôt possible afin d’être un outil d’aide à la
conception et non uniquement un outil
de validation.
AR : Cet outil se doit d’être utilisé en
phases avant projet afin de figer les
solutions de conception d’enveloppe et
de sélection d’équipements techniques
pour le rendu APD dans le soucis d’une
approche fine et une optimisation de la
performance énergétique du projet.
LFB : Les STD ne devraient pas être de
simples outils de validation, mais permettre d’optimiser la conception de
projets complexes au regard des objectifs que se donne la maîtrise d’ouvrage.
Elles devraient pour cela être menées en
avant projet et servir à comparer l’efficacité relative de différentes solutions
plutôt qu’à affirmer qu’un seuil fixé sera
respecté (sauf si celui-ci est basé sur des
hypothèses précises et détaillées, fournies par la maîtrise d’ouvrage).
« Ces simulations dépendent des hypothèses de calcul, il ne faut pas oublier que
la mise en œuvre et l’usage sont très importants dans ce type de construction ».
Antoine Bernadal (Architecte)
Informations complémentaires :
A retrouver dans la rubrique « Groupe de Travail Outil » du portail de VAD :
• « Utilisation des outils de simulation dans le cadre d’une conception
environnementale des bâtiments »
• « Comparaison des logiciels de STD ».
Ville et Aménagement Durable
19 rue Victorien Sardou – 69007 Lyon
Tel : 04 72 70 85 59
[email protected]
www.ville-amenagement-durable.org
Fiche réalisée dans le cadre du groupe de travail « Outil » de Ville et Aménagement
Durable. Nous remercions l’ensemble des acteurs du projet pour leur contribution.
Centre d’échanges et de ressources pour la qualité environnementale des bâtiments et des aménagements en Rhône-Alpes
Avec les partenaires de nos actions
Réalisation VAD sur une charte de MÉDIACTIF Lyon : 04 78 61 58 22
Les objectifs de la STD ont-elles
été fixées en amont par le Maître
d’ouvrage ou l’AMO QE ? Les
hypothèses ont-elles été vues
avec le Maître d’ouvrage ?