Maîtrise de l`énergie dans les bâtiments

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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique BE 9 021 − 1
Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments
Techniques
par Robert ANGIOLETTI
Diplômé de l’École supérieure d’ingénieurs de Marseille (ESIM)
Chef du Département maîtrise de la demande d’électricité à ADEME
et
Hubert DESPRETZ
Ingénieur de l’École centrale de Lyon
Coordonnateur secteur bâtiment à ADEME
a maîtrise des consommations d’énergie dans les bâtiments repose, d’une
part, sur des actions comportementales qui relèvent principalement de
l’information et de la formation des acteurs et, d’autre part, sur la mise en œuvre
de techniques ou procédés spécifiques qui, tout en préservant le service ou le
confort rendu, visent à réduire les consommations d’énergie de façon pérenne.
Ces techniques sont présentées pour chacun des usages de l’énergie, et leur
intérêt ainsi que leur rentabilité peuvent être appréciés selon différents critères
économiques et environnementaux.
L’étude complète du sujet comprend les articles :
—BE 9 020 – Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments. Définitions. Usages.
Consommations ;
—BE 9 021 – Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments. Techniques (le présent
article) ;
—Form. BE 9 022 – Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments. Tarifs de
l’énergie ;
—Doc. BE 9 023 – Maîtrise de l’énergie dans les bâtiments.
1. Aspects économiques et environnementaux ................................... BE 9 021 - 2
1.1 Confort des occupants ................................................................................ — 2
1.2 Conservation des bâtiments et des biens.................................................. — 2
1.3 Préservation de l’environnement ............................................................... — 2
2. Techniques de maîtrise de l’énergie ................................................... — 3
2.1 Économies d’énergie................................................................................... — 3
2.2 Économies liées aux tarifs .......................................................................... — 16
2.3 Approche « système »................................................................................. — 17
3. Aide à la décision..................................................................................... — 17
3.1 Réglementation énergie des constructions neuves.................................. — 17
3.2 Audit énergétique des bâtiments............................................................... — 18
3.3 Gestion énergétique.................................................................................... — 19
4. Rentabilité des investissements d’économie d’énergie................ — 20
4.1 Temps de retour brut................................................................................... — 20
4.2 Coût global actualisé................................................................................... — 20
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. BE 9 023
L

MAÎTRISE DE L’ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS ______________________________________________________________________________________________
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1. Aspects économiques
et environnementaux
1.1 Confort des occupants
Le confort des occupants comporte plusieurs aspects liés directe-
ment à la consommation d’énergie pour traiter l’ambiance thermi-
que, l’ambiance lumineuse, la qualité de l’air et, plus globalement,
les impacts sur santé. On aborde ici essentiellement la notion de
« confort thermique ». Il s’agit d’une notion physiologique qui
s’appuie sur les définitions et éléments suivants.
Sous nos climats, le confort thermique le plus usuel entraîne deux
besoins essentiels :
— le chauffage en hiver et en mi-saison (environ 7 mois au total) ;
— la ventilation dans les locaux petits, afin d’y maintenir un taux
d’humidité et de dioxyde de carbone suffisamment bas, et d’élimi-
ner les odeurs.
À ces deux besoins s’ajoutent parfois :
— le rafraîchissement en période de canicule, surtout dans le Sud
du pays ;
— le rafraîchissement dans les locaux fermés comportant de
nombreux apports thermiques inévitables (grands bâtiments tels
que tours, magasins, salles de spectacles, ateliers avec de nombreu-
ses machines, etc.) ;
— le conditionnement d’air dans des bâtiments de prestige ou
d’usage spécifique (grands hôtels, magasins, hôpitaux, etc.).
1.2 Conservation des bâtiments
et des biens
■Conservation des biens abrités
On rencontre cette exigence dans des entrepôts de matériels ou
de produits fragiles (musées, bibliothèques...) où la température
doit être maintenue entre certaines limites par une installation de
chauffage ou de climatisation.
■Conservation des bâtiments et de leurs installations
Certaines contraintes nécessitent un conditionnement des locaux
afin d’assurer le maintien en bon état du bâtiment et de ses installa-
tions.
La plus fréquente est le maintien hors gel : la plupart des bâti-
ments comportent des circuits de distribution d’eau ; en cas d’inoc-
cupation, il faut donc soit ajouter de l’antigel dans les canalisations,
soit vidanger, soit maintenir la température des locaux au-dessus de
0 ˚C.
Les activités humaines génèrent de la vapeur d’eau (respiration,
toilette, cuisson, etc.). Si cette génération dépasse les possibilités
d’évacuation par ventilation, le taux d’humidité de l’air augmente et
il y a condensation sur les parois froides, ce qui entraîne la dégrada-
tion de ces dernières. Cela nécessite une ventilation suffisante
(mécanique si nécessaire) et l’élimination ou l’isolation renforcée de
certains points plus froids de la paroi appelés ponts thermiques.
1.3 Préservation de l’environnement
La consommation d’énergie pour satisfaire les besoins dans les
bâtiments, outre son impact financier sur le revenu des ménages ou
les charges d’exploitation des entreprises, a des conséquences sur
l’environnement qui justifient à elles seules que des mesures d’éco-
nomie soient prises dans une logique de préservation des ressour-
ces et de développement durable. Les principaux impacts globaux
sur l’environnement sont les suivants :
1.3.1 Effet de serre
L’effet de serre est causé par la présence, dans l’atmosphère, de
gaz qui absorbent et réémettent une partie du rayonnement infra-
rouge émis par la surface de la terre, conduisant ainsi à un échauffe-
ment de la partie basse de l’atmosphère. Ce phénomène n’est pas
nouveau et sans lui aucune vie ne serait possible sur terre. Mais le
risque potentiel d’augmentation est dû à la présence accrue dans
l’atmosphère de dioxyde de carbone, de méthane, de composés
chlorés (CFC, HCFC) ou d’oxyde nitreux NO2 (le seul CO2 est passé
d’une concentration de 310 p.p.m. en 1960 à 350 p.p.m. en 1993 et
cette concentration croît à un rythme de 0,5 % par an). La consom-
mation d’énergie dans les bâtiments est responsable d’émissions de
gaz à effet de serre, principalement CO2, et cette contribution peut
être estimée sur la base des équivalences du tableau 1.
(0)
L’humidité : la teneur en eau de l’air d’un local est un élément
du confort ; ses limites dépendent cependant du niveau de tem-
pérature requis et sont habituellement présentées sous la forme
d’une zone sur un diagramme, par exemple celui de Mollier (cf.
article
Air humide dans le traité).
Les taux d’humidité couramment rencontrés dans les locaux
sont variables ; ils augmentent avec la température extérieure,
le nombre d’occupants et certaines activités telles que la cuisson
ou les soins sanitaires.
L’effet de paroi : les parois d’une pièce rayonnent de l’énergie,
laquelle contribue largement à la sensation de confort thermi-
que. Les parois intérieures, sensibles à la température du local,
introduisent peu de perturbation. Il n’en est pas de même des
parois extérieures : leur température dépend de leur isolation ;
cela est particulièrement vrai pour les parois vitrées.
Un tel effet, généralement appelé effet de paroi froide ,
entraîne, par manque de rayonnement de la paroi, un malaise
qui conduit à augmenter la température ambiante.
Le gradient thermique : sans brassage suffisant, l’air chaud
s’accumule près du plafond et la température moyenne du local
est supérieure à celle de la zone effectivement occupée.
Tableau 1 – Bilan des émissions de CO2 selon les énergies
Combustible CO2
(g/kWh)
Fioul domestique ........................ 266
Fioul lourd ................................... 281
Gaz naturel .................................. 198
Propane ....................................... 252
Charbon ....................................... 356
Bois .............................................. 0 (1)
Électricité :
– pointe ........................................ 383
– autres ........................................ 66
(1) Par convention, il est considéré que le bilan d’émission de CO2 du bois
est nul compte tenu du stockage pendant la croissance du végétal.
Sources : CEA/DSE, CITEPA - ADEME

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1.3.2 Pluies acides
Lors de la combinaison, dans la haute atmosphère, des oxydes
d’azote (et de soufre) avec de l’eau, il se forme des composés acides
qui retombent sous forme de pluies « acides ». Ces précipitations
sont responsables de dommages aux plantes, à la vie aquatique et
aux bâtiments. Les générateurs à combustion du secteur du bâti-
ment utilisent des combustibles contenant très peu de soufre et sont
donc seulement responsables d’émissions d’oxydes d’azote (NO
x
).
Les NO
x
sont générés durant la combustion lorsque l’azote atmos-
phérique se combine à l’oxygène sous l’effet des hautes températu-
res du brûleur. La quantité de NO
x
générée par une chaudière est
principalement fonction de la conception du brûleur. Les différences
sont illustrées (pour une chaudière de 300 kW fonctionnant 1 200 h/
an) sur le graphique de la figure 1.
1.3.3 Couche d’ozone
Les chlorofluorocarbones (CFC), les hydrochlorofluorocarbones
(HCFC) et les halons sont des composés chimiques utilisés à divers
titres dans les bâtiments et principalement :
— pour les halons, dans les extincteurs et équipements de lutte
contre les incendies ;
— pour les composés carbonés chlorés ou chlorofluorés, comme
agents de moussage pour la fabrication d’isolants, et comme fluides
réfrigérants dans les installations de froid domestique, industriel et
commercial, les installations de conditionnement d’air et les pom-
pes à chaleur.
Ces composés, lorsqu’ils sont relâchés dans l’atmosphère, détrui-
sent la couche d’ozone stratosphérique qui protège la terre du
rayonnement UV. L’ODP d’une substance (
ozone depletion poten-
tial ) est le pouvoir destructeur relatif de la substance, sachant qu’a
été attribuée la valeur 1 au CFC 11.
2. Techniques de maîtrise
de l’énergie
2.1 Économies d’énergie
2.1.1 Isolation de l’enveloppe
■Le calcul des déperditions thermiques à travers les parois D
p
(en
W) repose sur la loi générale du transfert de chaleur à travers une
paroi. Les déperditions sont dues à trois modes de transferts qui ont
lieu en cascade :
— la convection sur la paroi intérieure du local ;
— la conduction à travers la paroi ;
— la convection sur la paroi en contact avec l’extérieur.
On ne tient pas compte, du fait des températures considérées, des
échanges par rayonnement (ce qui ne serait plus vrai, par exemple,
pour le calcul de l’isolation d’un four de cuisson domestique) :
D
p
= h
int
S (θ
i
− θ
pi
) = λ S / e (θ
pi
− θ
pe
) = h
ext
S (θ
pe
− θ
e
)
avec
S surface de la paroi,
e épaisseur de la paroi,
λcoefficient de conductivité thermique,
θ
i
, θ
e
respectivement températures des ambiances
intérieures et extérieures,
θ
pi
, θ
pe
respectivement températures de surface de la
paroi côté intérieur et côté extérieur,
h
int
, h
ext
respectivement coefficients d’échanges par
convection de la paroi à l’intérieur et l’extérieur.
■En pratique, on utilise des paramètres globaux.
●Le coefficient de transfert global K :
qui permet d’écrire :
D
p
= KS (θ
i
− θ
e
)
et qui caractérise une paroi donnée, simple ou complexe, la formule
pouvant comporter plusieurs termes en
e /λ, pour chaque couche de
matériau homogène.
●Le coefficient volumique de déperditions thermiques G com-
porte la somme de deux déperditions :
— la première relative à la déperdition de l’enveloppe et calculée
à partir de la somme des déperditions de chaque paroi ; on calcule
ces déperditions en sommant celles de chacune des parois (
K
i
x S
i
),
puis en rapportant cette somme au volume V du local :
— la seconde relative à la déperdition thermique due à la ventila-
tion (§ 2.1.4.2 et [BE 9 020] § 2.2).
En pratique , le coefficient G permet d’avoir un accès rapide à la
puissance maximale P (en W) nécessaire au chauffage d’un bâti-
ment de volume V (en m3) à la température extérieure minimale θ
b
par la relation :
P = G · V (θ
i
− θ
b
) x 10−3
On peut aussi avoir une estimation de la consommation annuelle
Q (en kWh/an) nécessaire au chauffage du même bâtiment, pour un
climat de degrés-heures DH (en K · h), par la relation :
Q = B · V · DH x 10−3
Le coefficient B , qui exprime les besoins nets du bâtiment, c’est-à-
dire tenant compte des apports gratuits, s’obtient, à partir du coeffi-
cient
G précédemment défini, par la relation :
B = [ G − 1,5/(θ
i
− θ
e
)](1 − F )
Le premier terme tient compte des apports gratuits internes ; θ
e
est la température extérieure moyenne en saison de chauffe.
Le second terme tient compte des apports solaires ;
F est un coef-
ficient de couverture solaire. On se reportera aux méthodes de cal-
cul réglementaires pour la construction neuve, publiées par le CSTB
dans les Cahiers techniques du bâtiment, pour la détermination de
ce coefficient.
Figure 1 – Émissions de NO
x
selon le type de chaudière, source BRE
(Building Research Establishment)
Chaudière à
condensation bas NO
x
Chaudière à
condensation
Chaudière
standard Chaudière bas NO
x
NO
x
(mg/kWh)
400
300
200
100
0
300 240 110 90
1
K
----1
h
int
---------
e
λ
---1
h
ext
----------++=
G
1
K
i
S
i
⋅
V
---------------
i
∑
=

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2.1.1.1 Parois opaques
Pour toutes les parois opaques, la plupart des isolants employés
doivent leur faible conductivité thermique à la présence d’air empri-
sonné dans leur masse :
— soit sous forme de bulles fermées (mousse expansée) ;
— soit sous forme d’un entrelacs de fibres, ce qui leur confère
une grande légèreté, mais une résistance mécanique faible les ren-
dant impropres au support de charges.
Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) classe les
parois, en fonction de leur coefficient
K , en neuf classes. Ce coeffi-
cient augmente de classe en classe avec une progression d’environ
0,3 W · m−2 · K−1 :
— la classe I va de 1 à 1,3 W · m−2 · K−1 ;
— la classe IX va de 3,41 à 3,7 W · m−2 · K−1.
2.1.1.1.1 Construction neuve
■Mur homogène
Le mur est construit en employant des matériaux suffisamment
isolants pour en limiter l’épaisseur à une valeur acceptable.
Pour un mur de classe IV (1,9 à 2,1 W · m−2 · K−1), le tableau 2
donne, en fonction du matériau utilisé, une épaisseur e de matériau
à mettre en œuvre.
(0)
Seuls les matériaux très isolants sont
encore employés dans ce mode de construction.
■Mur hétérogène
Le mur est composé d’une paroi support, généralement en béton,
doublée de parois isolantes ; ce type de réalisation est très employé
actuellement, car il permet des isolations de haut niveau avec une
épaisseur faible et un coût raisonnable. On y parvient :
— par construction au moyen de matériaux différents accolés ;
— par montage d’éléments composites préfabriqués.
En cours de mise en œuvre, un contrôle du bon raccordement des
différents éléments isolants est indispensable. Dans les deux cas,
une attention particulière devra être accordée à certains points de
grande transmission thermique (abouts de dalle ou de refends,
poteaux, linteaux de poutres, balcons, bardeaux d’acrotères, etc.),
que l’on nomme
ponts thermiques , afin d’en limiter les déperdi-
tions.
2.1.1.1.2 Construction existante
■Isolation par l’extérieur (prix de revient en 2000 de l’isolation par
l’extérieur : de 500 à 800 F/m2)
Sur le plan technique, c’est la façon la plus satisfaisante de procé-
der car :
— elle assure une isolation complète et supprime la plupart des
ponts thermiques ;
— elle conserve une bonne inertie au local.
Par contre, elle modifie souvent l’aspect de la façade.
Sur le plan économique, cette solution est onéreuse et nécessite
la mise en place d’un échafaudage ; elle est donc difficilement renta-
ble sauf si un ravalement de façade s’impose.
On y parvient de différentes façons :
— par un isolant en plaques collées au mur ou empalées sur des
tiges ; le tout est alors protégé par un
bardage (tôles métalliques ou
plastiques, ardoises, bardeaux, etc.) fixé à distance sur une ossature
afin qu’une lame d’air permette la respiration du mur ;
— par un isolant en plaques collées au mur et recouvertes d’un
enduit plastique armé de toile de verre ;
— par revêtement d’un isolant projeté, plus épais qu’un simple
enduit de façade.
■Isolation par l’intérieur (prix de revient en 2000 de l’isolant posé :
de 250 à 400 F/m2)
La réalisation de l’isolation, techniquement plus accessible et
moins onéreuse que la précédente, rencontre d’autres
inconvénients :
— elle diminue la surface du local ;
— elle nécessite la réfection de la décoration intérieure ;
— elle dérange les occupants ;
— elle diminue l’inertie thermique du local, ce qui rend plus diffi-
cile la régulation de son chauffage.
On a le choix entre deux techniques :
— des plaques en plâtre intégrant l’isolant et le parement ;
— un isolant caché par une cloison en carreaux de plâtre ou de
briquettes, ce qui conduit à des épaisseurs plus grandes.
Dans les deux cas (isolation par l’extérieur ou l’intérieur) pour une
construction existante, l’isolation de l’ensemble des murs n’est pas
toujours nécessaire. Un calcul des déperditions permet souvent de
limiter cette action aux façades Nord ou ventées, surtout si ce sont
des murs pignons dépourvus de fenêtres, cas où la mise en œuvre
de l’isolation est beaucoup plus facile.
2.1.1.1.3 Terrasses
Deux techniques sont employées :
— un isolant placé sous l’étanchéité soit directement sur le plan-
cher support, soit directement sous l’étanchéité ;
— un isolant placé au-dessus de l’étanchéité. Seuls certains iso-
lants peuvent convenir.
Les déperditions du dernier étage d’un bâtiment dépendent forte-
ment de cette isolation et sa mise en place facilite l’équilibrage ther-
mique de l’installation.
2.1.1.1.4 Combles
S’il s’agit de combles perdus, l’isolation sur plancher est
préférable : la surface est plus faible, la pose est plus facile et l’iso-
lant est moins exposé à se détériorer ; de plus, la ventilation des
charpentes reste bien assurée. On utilise alors très généralement
des fibres minérales en rouleaux.
S’il s’agit de combles habités, l’isolant est placé sous la toiture et
protégé de la condensation par un pare vapeur (feuille étanche en
plastique) placé sous l’isolant. On utilise alors soit des isolants de
fibres minérales en rouleaux placés sous le rampant, soit des pla-
ques de mousse expansée.
Tableau 2 – Conductivité thermique et épaisseur
équivalente pour divers matériaux de construction
Matériau Conductivité
λ
(W · m−1 · K−1)
Épaisseur
e
(cm)
Granit ........................................... 3,5 170
Calcaire ........................................ 1,5 70
Maçonnerie tout venant ............. 0,9 40 à 50
Béton banché .............................. 0,6 30
Béton en blocs :
– creux ......................................... 0,45 22
– alvéolaires ................................ 0,38 20
Briques :
– pleines ...................................... 0,5 25
– creuses ...................................... 0,42 20
Bois .............................................. 0,15 7 à 8
λ 045 W · m
1 Ð
· K
1 Ð
, < ()

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5
2.1.1.1.5 Plancher bas
Il s’agit du plancher inférieur sur sous-sol, vide sanitaire ou terre-
plein. L’isolation se fait de deux façons :
— entre le plancher porteur et la chape ;
— en sous-face du plancher porteur, éventuellement intégré
comme voûtain isolant.
Les matériaux généralement employés sont alors des plaques de
mousse expansée. Une autre possibilité est le flocage (projection)
de laine minérale.
2.1.1.2 Parois vitrées
2.1.1.2.1 Ouvrants
Les parois vitrées constituent une zone particulière dans l’enve-
loppe du bâtiment :
— d’une part, ce sont des points faibles pour l’isolation, inconvé-
nient limité par l’ampleur de leur surface habituelle (15 à 20 % des
parois) ; les constructions des années 1955 à 1975 ont souvent des
surfaces très supérieures (baies vitrées) ;
— d’autre part, elles permettent des échanges de rayonnement
avec l’extérieur, globalement bénéficiaires au bâtiment (apports
gratuits).
Il y a donc lieu de bien analyser ce phénomène. Les déperditions
dépendent :
— de la structure du vitrage : simple vitrage ( K = 3,6 à
3,8 W · m
− 2
· K
− 1
), double vitrage ( K = 0,9 à 1,3 W · m
− 2
· K
− 1
) ;
— du matériau de l’encadrement : bois ou plastique sont
satisfaisants ; le métal introduit un pont thermique non négligeable ;
— de la qualité de l’étanchéité : les ouvrants modernes répondent
à des classes de qualité, les ouvrants anciens sont souvent très
défectueux.
Deux échanges thermiques opposés traversent les vitrages :
— le rayonnement solaire, qui est une source d’apport gratuit soit
par action directe, soit par action réfléchie ou diffusée sur d’autres
immeubles ;
— en période froide, un rayonnement à effet inverse qu’il
convient d’atténuer par des voilages ou des persiennes.
De nuit, il est donc bon de se rapprocher de l’isolation d’une paroi
opaque par l’emploi de rideaux ou mieux de volets étanches.
2.1.1.2.2 Vérandas
Le phénomène décrit pour les ouvrants (§ 2.1.1.2.1) est alors
amplifié : l’apport gratuit et le rayonnement déperditif peuvent
devenir importants, voire excessifs, et poser de sérieux problèmes
de confort, nécessitant l’emploi de vitrages isolants ou de moyens
d’occultation efficaces. Sinon, cela conduit à la fermeture et à l’inoc-
cupation périodique de la véranda.
2.1.1.2.3 Immeubles largement vitrés
Leur conception doit alors intégrer correctement ces phénomènes
afin de s’en prémunir de façon efficace : gestion centralisée, éven-
tuellement complétée par une climatisation.
2.1.1.3 Ponts thermiques
Les ponts thermiques sont fortement dépendant du nombre de
planchers ou murs de refend ainsi que du procédé constructif et de
l’isolation associée. Les possibles ponts thermiques sont répertoriés
sur l’exemple de maison individuelle de la figure 2 .
2.1.2 Générateurs
2.1.2.1 Pertes thermiques
Les principales causes de pertes thermiques des générateurs ther-
miques à combustion sont indiquées sur le graphique de la figure 3 .
Figure 2 – Recensement des ponts thermiques sur un logement
(source CSTB)
Figure 3 – Pertes d’un générateur à combustion
11 8
7
6
2
3
10
4
9
5
1
Taux de charge en hiver
Taux de charge mi-saison
100
90
80
70
Rendement et pertes sur PCSRendement et pertes sur PCI
107
100
90
050100
80
70
Pertes par eau non condensée
Fumées
Excès d'air
balayage
Rayonnement
Convection
Taux de charge (%)
Taux de charge = charge utile
puissance nominale