Energétique 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 2008

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.................................................................................................. 10
2.1 Confort .................................................................................................................. 10
2.1.1 Confort thermique............................................................................................ 10
2.1.2 Facteurs d'inconfort supplémentaires............................................................... 15
2.1.3 Utilité du modèle de confort thermique........................................................... 18
2.2 Qualité de l’air ...................................................................................................... 18
2.2.1 Source de polluants et concentrations.............................................................. 19
2.2.2 Concentration de composés gazeux................................................................. 19
2.2.3 Concentration en vapeur d'eau et humidité relative......................................... 21
2.2.4 Odeurs.............................................................................................................. 23
2.3 Aération................................................................................................................. 24
2.3.1 Nécessité de l'aération...................................................................................... 24
2.3.2 Débit minimum requis ..................................................................................... 24
2.3.3 Conditions générales pour une bonne qualité d'air .......................................... 26
2.4 Exercices ............................................................................................................... 27
3 Bilan thermique d'éléments du bâtiment........................................................................... 29
3.1 Matériaux d'isolation............................................................................................. 29
3.1.1 Conductivité thermique.................................................................................... 29
3.1.2 Isolants et conducteurs de la chaleur................................................................ 30
3.1.3 Qualité des isolants thermiques........................................................................ 30
3.1.4 Les différents matériaux sur le marché............................................................ 32
3.1.5 Application des isolants thermiques ................................................................ 35
3.1.6 Autres effets des isolants thermiques............................................................... 38
3.1.7 Homogénéisation de l'isolation thermique....................................................... 38
3.2 Transmission thermique........................................................................................ 42
3.2.1 Éléments plans formés de couches................................................................... 42
3.2.2 Ponts thermiques.............................................................................................. 48
3.2.3 Transmission thermique des fenêtres............................................................... 57
3.2.4 Coefficients de transmission thermiques admissibles...................................... 58
3.3 Caractéristiques thermiques dynamiques.............................................................. 59
3.3.1 Définitions........................................................................................................ 59
3.3.2 Caractéristiques dynamiques des matériaux .................................................... 60
3.3.3 Réponse indicielle d'un élément de construction............................................. 61
3.3.4 Réponse harmonique d'un élément de construction......................................... 63
3.3.5 Modèle de paroi en réponse harmonique......................................................... 65
3.3.6 Calcul approché de la capacité thermique........................................................ 69
3.3.7 Exemples.......................................................................................................... 70
3.4 Aération................................................................................................................. 72

3.4.1 Effets de l'aération ............................................................................................72
3.4.2 Modélisation de l'aération.................................................................................72
3.4.3 Effet de cheminée.............................................................................................74
3.4.4 Ouvertures de ventilation .................................................................................77
3.5 Exercices................................................................................................................79
4 Bilan thermique du bâtiment .............................................................................................81
4.1 Bilan énergétique...................................................................................................81
4.1.1 Délimitation du système...................................................................................82
4.1.2 Diagramme de Sankey......................................................................................83
4.1.3 Bilan thermique instantané...............................................................................84
4.1.4 Bilan thermique moyen ....................................................................................85
4.1.5 Déperditions .....................................................................................................86
4.2 Déperditions par transmission ...............................................................................86
4.2.1 Limites du volume chauffé...............................................................................87
4.2.2 Transmission directe vers l'extérieur................................................................87
4.2.3 Transmission à travers les espaces non chauffés..............................................88
4.2.4 Déperditions par le sol......................................................................................88
4.3 Déperditions par ventilation ..................................................................................91
4.3.1 Déperditions .....................................................................................................91
4.3.2 Récupération de chaleur ...................................................................................92
4.4 Apports d'énergie solaire et gains internes ............................................................94
4.4.1 Principe du captages solaire passif...................................................................94
4.4.2 Calcul des gains solaires passifs.......................................................................95
4.4.3 Gains internes ...................................................................................................99
4.5 Besoins de chauffage...........................................................................................100
4.5.1 Taux d'utilisation ............................................................................................100
4.6 Exercices..............................................................................................................103
5 Installations techniques ...................................................................................................104
5.1 Introduction .........................................................................................................104
5.1.1 De l'énergie finale à l'énergie utile .................................................................104
5.1.2 Sources d'énergie finale..................................................................................104
5.1.3 Éléments de l'installation de chauffage ..........................................................108
5.1.4 Besoins d'énergie de chauffage ......................................................................109
5.2 Chaudières
à combustible....................................................................................110
5.2.1 Eléments d'une chaudière ...............................................................................110
5.2.2 Notions de combustion...................................................................................111
5.2.3 Rendement d'une chaudière............................................................................113
5.2.4 Pertes moyennes et rendement annuel............................................................117
5.3 Pompes à chaleur.................................................................................................118
5.3.1 Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur (PAC)............................119
5.3.2 Performance d'une pompe à chaleur...............................................................120
5.3.3 Considérations pratiques ................................................................................123
5.4 Installations héliothermiques...............................................................................125
5.4.1 Le rayonnement solaire ..................................................................................125
5.4.2 Les capteurs héliothermiques .........................................................................125
5.4.3 Installations thermosolaires............................................................................129
5.5 Chauffage à distance............................................................................................133
5.5.1 Réseau.............................................................................................................133
5.6 Chauffage
électrique............................................................................................135
5.7 Poêles et cheminées.............................................................................................135
5.8 Installations de ventilation mécanique ................................................................136
5.8.1 Principe de fonctionnement............................................................................136
5.8.2 Consommation d'énergie pour les diverses fonctions ....................................138

ÉNERGÉTIQUE DU BÂTIMENT
5.8.3 Efficacité de la ventilation ............................................................................. 140
5.9 Refroidissement et climatisation à basse consommation d'énergie .................... 141
5.9.1 Parois climatiques .......................................................................................... 141
5.9.2 Refroidissement passif................................................................................... 142
5.10 Dimensionnement ............................................................................................... 147
5.10.1 Principes généraux de dimensionnement....................................................... 147
5.10.2 Dimensionnement des générateurs de chaleur............................................... 148
5.10.3 Dimensionnement des installations de réfrigération...................................... 149
5.10.4 Dimensionnement d'installations solaires thermiques ................................... 149
5.11 Exercices ............................................................................................................. 151
6 Optimisation économique............................................................................................... 153
6.1 Introduction......................................................................................................... 153
6.2 Concept de l’optimisation économique d’une installation énergétique.............. 154
6.3 Notions d’économie ............................................................................................ 154
6.3.1 Généralités ..................................................................................................... 154
6.3.2 Méthodes de calcul de rentabilité................................................................... 157
6.3.3 Investissements .............................................................................................. 159
6.3.4 Frais courants ................................................................................................. 160
6.4 Optimisation technico-économique appliquée au bâtiment................................ 161
6.4.1 Fonction objectif-coût.................................................................................... 161
6.5 Exercices ............................................................................................................. 163
7 Diagnostic ....................................................................................................................... 164
7.1 Introduction......................................................................................................... 164
7.1.1 Objets et objectifs des mesures...................................................................... 164
7.1.2 Équipement de mesure dans le bâtiment........................................................ 164
7.1.3 Mesures pour la mise en service .................................................................... 165
7.1.4 Mesures en cours d'exploitation..................................................................... 165
7.2 Mesures concernant la consommation d'énergie................................................. 166
7.2.1 Mesures de consommation............................................................................. 166
7.2.2 Indice de dépense d'énergie (IDE) ................................................................. 166
7.2.3 Signature énergétique..................................................................................... 167
7.2.4 Méthode H-m ................................................................................................. 168
7.3 Thermographie.................................................................................................... 169
7.3.1 Principe .......................................................................................................... 169
7.3.2 Défauts d'isolation et humidité....................................................................... 169
7.3.3 Détection des fuites d'air................................................................................ 170
7.3.4 Précautions
et inconvénients.......................................................................... 170
7.4 Mesure de l'isolation thermique .......................................................................... 170
7.4.1 Objectif de la mesure ..................................................................................... 170
7.4.2 Méthode fluxmétrique.................................................................................... 171
7.4.3 Mesure............................................................................................................ 172
7.4.4 Interprétation des mesures ............................................................................. 172
7.5 Mesure des débits d'air........................................................................................ 174
7.6 Mesure de la perméabilité à l'air de l'enveloppe des bâtiments .......................... 176
7.6.1 Mesure par pressurisation .............................................................................. 176
7.6.2 Expression des résultats et limites ................................................................. 176
7.6.3 Méthode du niveau neutre.............................................................................. 177
7.7 Exercices ............................................................................................................. 178
8 Synthèse,
interactions ..................................................................................................... 180
8.1 Humidité, isolation et aération............................................................................ 180
8.1.1 Risques relatifs à l'humidité........................................................................... 180
8.1.2 Causes de dégâts dus à l'humidité.................................................................. 180
8.1.3 Risques de moisissures sur les parois extérieures des bâtiments................... 180

8.1.4 Condensation interstitielle ..............................................................................182
8.2 Budget énergétique global...................................................................................183
8.2.1 Énergie et matériaux.......................................................................................184
8.2.2 Budget énergétique du bâtiment.....................................................................184
8.3 Conception globale..............................................................................................185
8.3.1 Généralités......................................................................................................185
8.3.2 Énergie et pollution ........................................................................................186
8.3.3 Énergie et confort ...........................................................................................186
8.4 Exercices..............................................................................................................188
9 Solutions des exercices....................................................................................................189
9.1 Chapitre 1: Introduction et rappels de physique du bâtiment..............................189
9.2 Chapitre 2: Les besoins de l'occupant..................................................................189
9.3 Chapitre 3: Bilan thermique d'éléments du bâtiment...........................................191
9.4 Chapitre 4: Bilan thermique du bâtiment ............................................................195
9.5 Chapitre 5: Installations techniques.....................................................................197
9.6 Chapitre 6: Optimisation économique.................................................................197
9.7 Chapitre 7: Diagnostic.........................................................................................197
9.8 Chapitre 8: Conception globale ...........................................................................200
10 Bibliographie...................................................................................................................202
10.1 Généralités...........................................................................................................202
10.2 Notion de confort.................................................................................................202
10.2.1 Manuels ..........................................................................................................202
10.2.2 Normes, recommandations .............................................................................202
10.3 Analyse thermique du bâtiment...........................................................................202
10.3.1 Manuels ..........................................................................................................202
10.3.2 Normes, recommandations .............................................................................202
10.4 Mesures de diagnostic .........................................................................................203
10.4.1 Manuels ..........................................................................................................203
10.4.2 Normes, recommandations .............................................................................203
11 Annexes...........................................................................................................................204
11.1 Pression de saturation de la vapeur d'eau en Pa...................................................204
11.2 Diagramme de Carrier .........................................................................................205
11.3 Caractéristiques thermiques de quelques matériaux de construction ..................206
11.4 Emissivités de quelques surfaces à 280 K environ..............................................206
11.5 Gradient, divergence et laplacien ........................................................................207
11.5.1 Coordonnées cartésiennes ..............................................................................207
11.5.2 Coordonnées
cylindriques ..............................................................................207
11.5.3 Coordonnées sphériques.................................................................................207
11.6 Données météorologiques mensuelles moyennes................................................208
11.6.1 BERNE...........................................................................................................208
11.6.2 LAUSANNE...................................................................................................208
11.6.3 LUGANO .......................................................................................................209
11.6.4 SION...............................................................................................................209
11.6.5 ZURICH .........................................................................................................209
11.7 Facteur de conversion pour le rayonnement solaire ............................................210
11.7.1 Surfaces inclinées, orientation sud .................................................................210
11.7.2 Surfaces verticales ..........................................................................................210
11.8 Propriétés thermiques de fenêtres........................................................................210
11.9 Coefficients de transmission thermique de cadres...............................................210
11.10 Propriétés thermiques de vitrages........................................................................211
11.10.1 Isolation transparente..................................................................................211
11.11 Pouvoir calorifique inférieur de combustibles.....................................................212
11.12 Durée de vie d'éléments de construction .............................................................213