Outil d'aide à la décision en efficacité énergétique des bâtiments du secteur tertiaire. Réalisé par Architecture et Climat, Faculté d'architecture, d'ingénierie architecturale, d'urbanisme (LOCI), site de Louvain-la-Neuve, Université catholique de Louvain, Belgique avec le soutien de la Wallonie.
Outil d'aide à la décision en efficacité énergétique des bâtiments du secteur tertiaire. Réalisé par Architecture et Climat, Faculté d'architecture, d'ingénierie architecturale, d'urbanisme (LOCI), site de Louvain-la-Neuve, Université catholique de Louvain, Belgique avec le soutien de la Wallonie.
La multiplicité des scores d’impact environnemental lorsqu’ils sont pris de manière individuelle constitue rarement une bonne base pour la prise de décision. C’est pourquoi, TOTEM permet de visualiser le profil environnemental d’un élément ou du bâtiment à l’aide d’un score agrégé. L’agrégation de tous les impacts environnementaux en un score unique s’inscrit dans cette logique « decision- making » et permet aux utilisateurs d’effectuer une sélection orientée vers la prise de décision quant aux solutions de construction.
Pondération selon la méthode PEF
Au sein du logiciel TOTEM, il est donc possible de calculer un score unique pour l’ensemble des dix-neuf indicateurs environnementaux. Dans la suite logique de la mise à jour de la norme EN 15804 + A2 en juillet 2021 sur laquelle TOTEM s’aligne, il a été décidé d’abandonner l’ancienne approche de monétisation et d’appliquer l’approche de pondération PEF (Performence Environmental Footprint). La méthodologie PEF calcule, sur base des indicateurs environnementaux caractérisés, un score unique au moyen d’une étape de normalisation suivie d’une étape de pondération.
L’approche de la pondération PEF comprend deux étapes : normalisation et pondération, qui sont ensuite regroupée dans une agrégation.
Normalisation
La normalisation vise à calculer l’ampleur du phénomène de l’indicateur de catégorie par rapport à un système de référence. Pour chaque indicateur environnemental, les valeurs caractérisées sont divisées par leurs facteurs de normalisation respectifs, exprimés en impact global annuel par habitant (sur la base d’une valeur globale pour l’année de référence 2010). Les résultats normalisés sont donc logiquement sans dimension.
TOTEM applique les facteurs de normalisation proposés par la plateforme européenne sur l’analyse du cycle de vie (EPLCA 2019). Par exemple, le facteur de normalisation pour le changement climatique est de 8,1 X 10³ kg CO2 eq./personne par an. L’ensemble des facteurs de normalisation utilisé dans la méthode PEF a été élaboré à partir de données statistiques sur les émissions et les ressources utilisées dans le monde pendant un an par habitant.
Pondération
Dans un deuxième temps, les valeurs normalisées sont pondérées en les multipliant par des facteurs de pondération afin de refléter l’importance relative perçue des catégories d’impact environnemental considérées. Par exemple, le facteur de pondération pour le changement climatique est de 21,06 %.
Les facteurs de pondération proposés sont calculés sur la base d’une combinaison d’ensembles de pondération :
un ensemble de pondérations provenant d’une enquête publique (25 %)
un ensemble de pondérations dérivé d’une enquête menée auprès d’experts en ACV (25 %), et
une approche hybride combinant des critères fondés sur des preuves (par exemple, l’étendue, la durée, la réversibilité des impacts…) et un jugement d’expert (50 %). Pour tenir compte de la robustesse des indicateurs d’impact, un facteur de correction (sur une échelle de 0,1 à 1) est appliqué aux facteurs de pondération afin de réduire l’importance des catégories d’impact dont la robustesse est faible (degré d’incertitude trop grande, données peu représentatives,…).
Agrégation
Après pondération, les résultats des différents indicateurs environnementaux peuvent être additionnés pour obtenir une note globale unique (exprimée en millipoints dans TOTEM). Le tableau ci-dessus un aperçu des facteurs de normalisation et de pondération.
Après normalisation et pondération, les scores peuvent être agrégés en un seul score. Dans les tableaux de résultats de Totem, un « facteur d’agrégation » par indicateur d’impact est donné sur la base de la combinaison des facteurs de normalisation et de pondération du PEF. Ces facteurs d’agrégation sont calculés en multipliant l’inverse de chaque facteur de normalisation avec son facteur de pondération correspondant et puis en multipliant par 1000 pour la conversion de Pt en millipoints.
Si vous voulez en savoir plus sur le score environnemental unique de Totem, nous vous recommandons la video ci-dessous :
Ventilation des résultats
Disposer d’un score unique permet de combiner des impacts différent, mais ne bride pas toute capacité d’analyse plus fouillée. Totem propose différentes décompositions des résultats, par indicateurs, composant, ou étape du cycle de vie.
Impact par indicateur
La figure ci-illustre la décomposition de l’impact environnemental d’un élément choisi en exemple est issu de la bibliothèque de TOTEM. Il s’agit d’un élément correspondant à la description suivante: Élément de toiture en pente / Recouvrement en ardoise_Fibre-ciment | Poutres_Bois résineux (172 mm – entraxe 400 mm) | Matelas_Laine de roche (170 mm) | Panneau_Plâtre.
Cette figure permet d’identifier facilement les impacts les plus impactant dans le score global de cet élément : dans ce cas, il s’agit de la contribution u changement climatique, de l’épuisement des ressources abiotiques et des émissions de particules fines.
Si vous voulez en savoir plus sur les différents indicateurs environnementaux utilisés dans TOTEM, nous vous recommandons la video ci-dessous :
Impact par composant
Le même exemple peut être analysé par composant :
On voit ici que 46% de l’impact est lié aux pertes de chaleur par transmission associée à cette paroi, et que le deuxième élément le plus impactant est lié au recouvrement en ardoise, ce qui suggère de mettre en question ce choix de recouvrement avant d’autres composants, tels que le matériau isolant (5% de l’impact uniquement dans ce cas).
Impact par étape du cycle de vie
Cette troisième visualisation permet de voir que la phase B6, représentant l’énergie de chauffage associée à l’élément, est de loin dominante. Deux autres phases se détachent : A1-A3, qui couvre la production des éléments, et B4, qui représente le remplacement de certains éléments durant le cycle de vie. Les étapes de transport et de fin de vie pèsent par contre peu, ce qui relativise les incertitudes pesant sur les scénarios de réemploi, recyclage ou traitement en fin de vie.
Il y a dans TOTEM deux types de données, qui diffèrent selon leur origine. D’une part des données dites génériques, qui décrivent des matériaux ou composants « types », et d’autre part des données dites spécifiques, liées à un produit ou composant particulier, lié donc à un fabriquant clairement identifié.
Chaque type de donnée à son usages, les deux se complétant utilement. A terme, l’objectif est d’utiliser uniquement des données spécifiques, mises à disposition directement par les producteurs de matériaux, via la base de données de B-EPD. D’ici à ce que cette base de données soit suffisamment alimentées, le recours aux données génériques restera indispensable.
Nous présentons dans cette page les principaux points liés à chaque type de données. Si vous voulez creuser le sujet plus profondément, nous vous invitons à regarder les deux videos ci-dessous :
Les données génériques
EcoInvent
Ecoinvent est une base de données Suisse d’inventaire du cycle de vie (ICV) qui fournit, depuis 2003, des données sur les impacts environnementaux associés à la production de divers biens et services. L’objectif principal de cette base de données est de soutenir les analyses du cycle de vie, qui évaluent l’ensemble des impacts environnementaux tout au long du cycle de vie d’un produit, depuis l’extraction des matières premières jusqu’à la fin de vie.
Ecoinvent couvre un large éventail de secteurs industriels et de processus de production. Elle fournit pour chacun des données sur les émissions de gaz à effet de serre, la consommation d’énergie, la consommation d’eau, et d’autres aspects environnementaux pertinents. La base de données EcoInvent est conforme aux normes ISO 14040 et ISO 14044 et documente actuellement plus de 20 000 processus industriels.
Le logiciel TOTEM s’alimente de cette base de données qui lui permet de disposer de suffisamment de données au sein de l’outil. Les données mobilisées sont adaptées à la réalité du marché belge, notamment au niveau du mix énergétique et des données liées au transport.
La base de données ECOINVENT permet de disposer de suffisamment de données au sein de l’outil. Il a été choisi de l’utiliser pour différentes raisons: exhaustivité, transparence, adaptabilité.
Adapter les données au contexte belge
Afin d’assurer la représentativité géographique du contexte belge, des opérations sont effectuées sur les données reprises dans EcoInvent. En particulier :
Les données sont adaptées aux spécificités de notre territoire tel qu’il est aujourd’hui : un mix énergétique donné, des filières de traitement des déchets plus ou moins développées, etc…
Lorsque plusieurs processus sont décrits pour un même composant, la préférence est donnée à ceux représentatifs de l’Europe occidentale.
Lorsqu’aucun processus d’Europe occidentale n’est disponible dans la base de données, les données disponibles sont adaptées en remplaçant les flux d’énergie, les flux d’eau et le traitement des matériaux en fin de vie. Ces adaptations ne concernent que les flux inclus dans la production du produit analysé, et non ceux liés aux processus sous-jacents (par exemple, la production de matières premières utilisées dans le processus de production).
Pour les matières premières dont le taux d’importation est très important, des scénarios spécifiques ont été établis pour le transport des matières premières vers la Belgique. Sur la base de ces scénarios, des processus spécifiques peuvent être créés pour les versions importées de ces produits. C’est le cas par exemple pour plaques de pierre bleue en provenance d’Asie.
Dans le cadre de l’étude MMG, il a été examiné si le pourcentage de matières premières secondaires adopté par défaut dans les processus EcoInvent diffère de la pratique belge. L’exercice a été fait pour un nombre limité de produits contenant une matières premières secondaires (acier, laine de verre, verre cellulaire, cellulose, MDF, OSB, béton et autres), Il a également été vérifié si les limites du système et les règles d’allocation pour le recyclage et les coproduits appliquées dans les données d’EcoInvent sont cohérentes avec les principes de la norme EN 15804. Résultat ? des divergences ont été pointées, et des processus de traitement des données d’EcoInvent adaptés.
Par exemple, dans la base de données EcoInvent, le béton est produit à partir de ciment CEM I. En Belgique, cependant, le ciment de four (CEM III A) est couramment utilisé pour le béton coulé. Par conséquent, le processus standard EcoInvent a été modifié pour remplacer le CEM I pour 10% par le CEM III B et pour 55% par le CEM III A23.
Les données spécifiques : B-EPD
EPD est l’abréviation de « Environmental Product Declaration » (déclaration environnementale de produit). Le « B » fait référence à la Belgique. Une B-EPD est donc une EPD conforme aux principes généraux du programme B-EPD du SPF Santé.
Depuis octobre 2020, Totem intègre dans sa bibliothèque des composants établis sur base des déclarations environnementales de produits des fabricants. Les composants enregistrés dans la bibliothèque TOTEM sur base d’une déclaration environnementale sont appelés composants spécifiques.
Une EPD est réalisée à l’initiative d’un fabricant de matériaux ou d’un groupement de fabricants. Elle contient des informations quantifiées sur les impacts environnementaux des produits de construction basées sur une analyse du cycle de vie. Plusieurs fois par an, Totem enrichit sa base de données de nouvelles EPD. Au moment d’écrire cet article (mars 2024) la base de données EPD des autorités fédérales belges renseignent 144 produits de construction. C’est encore une jeune base de données puisque le programme B-EPD a pris son envol en 2019.
En tant qu’opérateur du programme, le SPF Santé se base sur la norme NBN EN ISO 14025 et EN 15804. Ces normes européennes fournissent un cadre afin que les EPD des produits, des services et des processus de construction soient calculées, vérifiées et présentées de façon harmonisées. Les B-EPD contiennent entre 20 et 30 pages d’informations sur le produit, le processus de fabrication, le ou les fabricants, ainsi que les hypothèses et les résultats de l’étude ACV. La base de données B-EPD est consultable par le grand public, via le portail du SPF Santé.
Exemple de l’EPD d’une poutre en bois lamellé-collé
Les partenaires du projet européen ProFilWood (Fibois, Hout Info Bois, OEWB…) ont souhaité développer, en collaboration avec les entreprises, des EPD collectives afin de mesurer plus précisément les impacts environnementaux des produits en bois destinés à la construction, dans le but d’introduire ces données dans l’outil TOTEM afin d’affiner les informations sur ces éléments à base de bois. Cette EPD évalue le cycle de vie des poutres en bois lamellé-collé « du berceau à la tombe ». Elle est collective et se base sur les données de production de 4 fabricants belges. le propriétaire de cette EPD est l’Office économique Wallon du Bois.
Au-delà des données collectées et déclarées par l’EPD, lorsque celle-ci est richement documentée, elle donne à voir les processus de fabrication des produits de construction concernés. A titre d’exemple, le schéma ci-dessous – extrait de l’EPD – synthétise le processus de production du produit de façon détaillée :
Si la notion de PEB (Performance énergétique des Bâtiments) est largement connue, celle de performance environnementale appliquée au bâtiment l’est beaucoup moins. Est-ce un nouveau concept qui vient se rajouter à celui de la PEB ou est-ce celle-ci qui se met au vert? Bref, comment définit-on la performance environnementale du bâtiment ? C’est à cette question que cet article tente de répondre.
Théoriquement, une bascule entre impacts
La performance énergétique des bâtiments n’est pas sans lien avec la performance environnementale car elle (la PEB) a notamment un impact significatif sur les émissions de gaz à effet de serre, la consommation des ressources naturelles et la qualité de l’environnement.
Avec le renforcement des normes de la PEB au fil du temps, l’énergie primaire mobilisée pour les besoins fonctionnels du bâtiment pendant la phase d’occupation tend à diminuer. Une performance énergétique améliorée signifie a priori une utilisation plus rationnelle des ressources. Cela peut réduire par exemple la demande en combustibles fossiles et en électricité. L’amélioration de la performance énergétique contribue en ce sens à réduire l’impact environnemental du bâtiment.
Mais atteindre une haute performance énergétique implique de mettre en œuvre des matériaux et systèmes qui ont un impact environnemental propre, lié à leur production et fin de vie, qui peut :
Soit présenter un « coût » environnemental s’il s’agit de matière que l’on aurait pas mis en œuvre sans cet objectif de performance énergétique (le Xème centimètre d’isolant).
Soit présenter un coût initial différent de celui de la solution de référence (une pompe à chaleur à la place d’une chaudière par exemple).
Schématiquement, on va observer un glissement au fil des améliorations de performance énergétique : une part de la réduction d’impact lors de l’usage du bâtiment va être annulée par une augmentation d’impact lors des phases de production, construction et fin de vie. Une bascule s’opère donc entre le poids environnemental lié aux besoins énergétiques du bâtiment et le poids environnemental lié aux matériaux.
Toute la question est de savoir si ce glissement compense, voire annule, le bénéfice de la performance énergétique. L’avènement de l’outil Totem s’inscrit dans ce questionnement. Il devient essentiel de prendre en compte à la fois les aspects liés à la performance énergétique des bâtiments et à l’impact environnemental associé aux matériaux mis en œuvre dans un bâtiment afin de concevoir des bâtiments plus durables et respectueux de l’environnement.
En pratique, c’est moins clair
La bascule décrite au point précédent se voit-elle dans la réalité ? Pas si sûr…
Un review publié en 2016 a regroupé les résultats d’analyses de cycle de vie de 90 bâtiments résidentiels. Si les auteurs identifient bien une tendance à l’augmentation de l’énergie « embarquée » lorsque l’on va vers plus de performance énergétique, les chiffres montrent en fait une très large variabilité dans la part relative des impacts « in use » et « embodied » pour tous type de bâtiment. Cela indique que ce qui fait l’impact environnemental des bâtiments tient plus aux choix de construction qu’au niveau de performance énergétique.
Part relative de l’énergie embarquée (EE) et opérative (OE) dans les analyses de cycle de vie de 90 bâtiments résidentiels.((Chastas, P., Theodosiou, T. et Bikas, D. (2016) Embodied energy in residential buildings-towards the nearly zero energy building: A literature review, Building and Environment Volume 105, 15 August 2016, Pages 267-282))
Globalement, les études disponible donnent la tendance suivante((Voir par exemple : Ayşegül Demir Dilsiz et al. (2019) Embodied versus operational energy in residential and commercial buildings: where should we focus? J. Phys.: Conf. Ser. 1343 012178)) :
Il y a une corrélation entre augmentation de la performance énergétique et augmentation de la part « embarquée » dans l’impact environnemental global : c’est logique, si on consomme moins, la partie liée aux matériaux sera relativement plus lourde
Il n’y a pas d’augmentation de l’impact global liée à une tendance à l’amélioration de la performance énergétique : le choix d’aller vers plus de performance n’est pas contrebalancé par l’impact des matériaux mis en œuvre
Il y a une très grande variabilité d’impact global, pour tout niveau de performance énergétique, et cette variabilité a tendance à augmenter pour les bâtiment les plus performants : les choix de modes constructifs sont toujours importants, et encore plus lorsque leur poids dans le bilan global augmente.
En conséquence, l’évaluation environnementale global est un sujet de plus en plus brulant, mais pas une remise en cause fondamentale des efforts faits ces dernières années.
Et à l’échelle d’une paroi ?
Le score agrégé de performance environnementale obtenu en millipoints dans le logiciel Totem peut être présenté de différentes façons, notamment via un graphique dissociant l’impact des matériaux et celui de l’énergie . Ce graphique permet à l’utilisateur d’évaluer l’importance relative de l’impact des matériaux (en rouge) et de l’impact énergétique (en vert).
Mais de quelle énergie est-il question ? Etant donné que l’impact des matériaux prend également en compte des aspects énergétiques comme l’énergie utilisées lors du processus de fabrication des ressources premières, lors du transport, pendant le chantier, quelques clarifications s’imposent : Dans le logiciel TOTEM, le calcul lié aux consommations énergétiques correspond uniquement à la phase d’utilisation du bâtiment (B6) et ne concerne donc qu’une seule phase du cycle de vie. Les autres consommations énergétiques comme l’énergie dite grise apparaît dans le score « matériaux ». Lea consommation durant la phase d’utilisation est calculée sur base de la consommation d’énergie pour le chauffage liée aux pertes de transmission en recourant la méthode des degrés-jours équivalents.
Que faire de ce genre de chiffres ? Prenons l’exemple d’un mur creux avec deux niveaux d’isolation en PUR différents (U=0,14W/m2K ou U=0,24W/m2K). On constate que :
L’impact environnemental de l' »énergie lors de la phase d’usage diminue lorsqu’on ajoute de l’isolant
Dans ce cas-ci, l’impact global est constant
Dans le second exemple ci-dessous, il s’agit également d’un mur creux avec deux niveaux d’isolation en PUR différents, mais cette fois sur base de laine minérale (U=0,15W/m2K ou U=0,24W/m2K). On constate cette fois que l’impact global est réduit lorsque l’isolation augmente :
Vers une réglementation intégrée ?
Le cadre actuel de la PEB se limite à des exigences en énergie primaire. Cela va changer. Les autorités européenne ont définitivement approuvé un texte imposant l’intégration d’exigence tenant compte des émissions de carbone des bâtiment sur l’ensemble de leur cycle de vie.
« Étant donné que les bâtiments donnent lieu à des émissions de gaz à effet de serre avant et après leur durée de vie utile, les États membres devraient également tenir compte des émissions de carbone sur l’ensemble de leur cycle de vie. »((Directive du 13 septembre 2023 relative à l’efficacité énergétique (EU/2023/1791))
Il est évidemment trop tôt pour décrire la façon dont cette exigence se traduira sur le terrain, mais on peut déjà avancer que :
Vu que TOTEM intègre dans son évaluation une approche « cycle de vie » et des indicateurs liés aux émissions de carbone équivalent, c’est l’outil naturel pour la mise en place de cette exigence en Belgique.
Il est impossible à ce stade de déterminer des seuils d’émission de carbone à viser. Il faut donc s’attendre à un effort intense de benchmarking dans les années qui viennent, pour déterminer le bilan carbone des pratiques actuelles et fixer ces seuils.
Si les textes européens imposent un bilan carbone, ils ne disent rien des autres impacts environnementaux. Or, TOTEM travaille avec un indicateur unique agrégeant de multiples impact. Faudra-t-il détricoter cet indicateur unique ? Y adjoindre un indicateur « carbone » ? Time will tell. En tout état de cause, il y a une forte corrélation entre un score global et un bilan carbone, vu le poids important des indicateurs liés au changement climatique dans le score agrégé. Pour s’en convaincre, le graphique ci-dessous établi une courbe de tendance entre le score agrégé et le total des émissions de CO2 équivalente pour les toitures reprises dans la bibliothèque de TOTEM (version été 2023). On voit bien que la corrélation des assez forte., mais pas parfaite.
Corrélation entre le score environnemental agrégé et les émissions de CO2 équivalent, pour les toitures inclues dans la bibliothèque d’éléments de TOTEM en 2023
Plusieurs niveaux d’analyse sont nécessaires pour une évaluation environnementale. Ces différents niveaux suivent une structure hiérarchique. Faisons un parallèle : les lettres de l’alphabet sont les plus petites parties élémentaires du langage écrit, et peuvent être assemblées en mots, ces derniers formant des phrases ; dans TOTEM les matériaux constituent l’alphabet, combinables en composants, eux-mêmes à la base de complexes de parois appelés élément, qui ensemble constituent le bâtiment.
TOTEM est donc construit selon une structure hiérarchique distinguant quatre niveaux d’analyse détaillés ci-dessous. Parmi ces niveaux, seuls les plus élevés, à savoir les éléments et les bâtiments permettent donc une comparaison de leur score environnemental.
Les matériaux
Les matériaux constituent le niveau hiérarchique de base et servent à alimenter les niveaux supérieurs. TOTEM ne score ni ne documente les matériaux pris individuellement. L’idée est que l’impact d’un matériau ne peut être isolé de son conditionnement (emballage) et de sa mise en œuvre (assemblage), considérés au niveau du composant. Dans cette logique, il n’est pas possible d’afficher le score de l’impact environnemental pour ce niveaux hiérarchique dans TOTEM, bien qu’il soit pris en compte dans les scores affiché aux niveaux hiérarchiques supérieurs.
La couche matériaux n’est en conséquence pas directement visible dans TOTEM. Les données liées peuvent par contre être obtenue indirectement, en passant par le niveau supérieur des composants. Dans une certaine mesure, dans le cadre d’un projet et donc dans le cas d’une modélisation, il est possible d’apporter des modifications aux niveau des constituants du composant que sont les matériaux.
Ce niveau hiérarchique de base n’a donc clairement pas (à ce stade ?) vocation à être manipulé par l’utilisateur.
Les composants
Les composants sont essentiellement des « matériaux mis en œuvre » : chaque composant peut être constitué de plusieurs matériaux et/ou inclure une fixation. Ces matériaux conditionnés et mis en œuvre constituent le premier niveau hiérarchique aisément accessible par l’utilisateur de TOTEM.
Dans la bibliothèque des composants de TOTEM, deux types peuvent être trouvés :
des composants génériques qui ne sont pas liés à une certaine marque. Ces composants génériques sont représentatifs des composants utilisés en Belgique pour la construction d’immeubles d’habitation et de bureaux. Les données relatives à ces composants génériques proviennent de la base de données EcoInvent, une base de données suisse couramment utilisée dans le monde scientifique. Ces données sont générées en rassemblant les données (disponibles) de divers fabricants et donnent une indication de l’impact « moyen » d’un matériau de construction.
des composants spécifiques pour lesquels une déclaration environnementale de produit (EPD) existe. Il s’agit de données exclusives des fabricants belges de matériaux de construction qui ont été objectivement déclarées sous la forme d’une déclaration environnementale de produit (B-EPD) dans la base de données fédérale. Pour ces composants spécifiques, TOTEM renvoie vers l’EPD concernée.
Si vous voulez en savoir plus sur la base de données EcoInvent et les déclaration environnementales de produits, nous vous invitons à regarder les deux videos ci-dessous :
Les éléments
Les éléments sont un assemblage de différents composants, eux-mêmes combinant plusieurs matériaux. Les éléments sont typiquement des parois intérieures ou extérieures, mais aussi, de plus en plus, des systèmes techniques tels qu’une installation de chauffage central.
La base de données des éléments est accessible au public dans TOTEM et les utilisateurs sont autorisés à modifier certains paramètres de ces derniers. Typiquement, l’épaisseur d’une paroi, ou le détail des composants la constituant sont éditables. C’est une différence majeure entre les composants et les éléments, car la bibliothèque des composants n’est accessible qu’en lecture seule.
Le bâtiment
Dernier niveau hiérarchique, le bâtiment est constitué d’un certain nombre d’éléments (tels que les sols, les murs extérieurs ou intérieurs, les installations techniques, etc.).
L’introduction de cette échelle permet de réaliser une analyse de performance environnementale à une échelle qui concerne le concepteur. La démarche de minimisation d’impact ne se limite en effet pas à choisir la paroi « la moins impactante », mais aussi à réfléchir à la conception plus globalement. Par exemple en maintenant des parois existantes ou en travaillant à limiter les surfaces de parois à construire.
L’échelle du bâtiment permet ces analyse en évaluant le score environnemental cumulé de l’ensemble des éléments et en le ramenant à une unité comparable entre bâtiment, à savoir le m2 plancher.
L’approche est trop récente aujourd’hui, mais à terme des benchmarks de projets devraient permettre de définir des performances de référence pour différents types de bâtiment, et éventuellement sur cette base fixer des objectifs réglementaires.
Unité fonctionnelle (UF)
L’utilisation d’unités fonctionnelles standardisées simplifie la comparaison et l’évaluation de la performance environnementale des bâtiments, et ce indépendamment de la taille ou du type de bâtiment.
L’unité fonctionnelle (UF) est l’unité de mesure utilisée pour évaluer un élément de construction. De la même manière que pour comparer le prix de deux fruits en ramenant les prix au kilo, pour comparer les impacts environnementaux de deux éléments, on ramènera les impacts à une unité de mesure commune. Le choix de l’UF est importante car elle doit permettre de comparer les choses de manière complète et objective.
Dans le bâtiment, il s’agira souvent d’une unité exprimée en surface (un mètre carré de paroi ou de bâtiment), mais cela ne se limite pas à la dimension. La fixation d’hypothèses de durées de vie de composants, définissant un rythme de remplacement, et la définition de conditions d’ambiance intérieure, permettant de calculer l’impact d’un élément sur la consommation de chauffage, sont nécessaires pour réaliser une analyse rigoureuse. C’est tout l’intérêt d’un outil tel que TOTEM de proposer, dans une interface simple, le cadre méthodologique permettant ces analyses.
Pourquoi l’Unité Fonctionnelle est importante?
Comparaison objective: En utilisant une unité fonctionnelle commune (m² de mur dans cet exemple), vous pouvez comparer objectivement des options qui semblent très différentes.
Décisions éclairées: Cela vous permet de prendre des décisions basées sur des données quantifiables et objectives concernant la durabilité des options de construction.
Adaptabilité: La flexibilité de l’UF permet de prendre en compte des facteurs variés, tels que la durée de vie et l’impact sur la consommation d’énergie, ce qui rend l’analyse plus complète.
En résumé, l’utilisation d’une unité fonctionnelle standardisée, comme dans l’outil TOTEM, permet aux professionnels du bâtiment de prendre des décisions plus éclairées et durables concernant leurs projets, en s’assurant que les comparaisons entre différents éléments de construction sont justes et significatives.
L’impact environnemental est évalué au travers d’une multiplicité d’indicateurs, que l’on peut rassembler en dix familles. Nous donnons ci-dessous quelques éléments d’explication pour chacune. Si vous voulez en savoir plus sur les choix d’indicateurs, nous vous conseillons la video suivante :
Potentiel de réchauffement climatique
Trois sous-indicateurs sont utilisés pour caractériser l’impact d’un composant sur le changement climatique, exprimé en kgCO2 équivalent. On y parle de Potentiel de Réchauffement Global (PRG) lié à différentes formes d’émissions. Ces trois sous-indicateurs sont ensuite agrégés en un potentiel global.
Le potentiel de réchauffement global-fossile / PRG-fossile
Cet indicateur d’impact tient compte du potentiel de réchauffement dû aux émissions et aux gaz à effet de serre (GES) vers tout milieu provenant de l’oxydation et/ou de la réduction des combustibles fossiles ou de matériaux contenant du carbone fossile au moyen de leur transformation ou leur dégradation (par exemple, combustion, incinération, mise en décharge, etc…).
Le potentiel de réchauffement global biogénique / PRG-biogénique
Le potentiel de réchauffement global lié aux émissions de carbone (équivalent) dans l’air (C02, CO, CH4) provenant de l’oxydation et/ou de la réduction de la biomasse de surface par sa transformation ou sa dégradation (par exemple combustion, digestion, compostage, mise en décharge ) et l’absorption de CO2 de l’atmosphère par photosynthèse pendant la croissance de la biomasse. Cet indicateur tient compte du PRG dû à la séquestration et aux émissions provenant de la biomasse de toute origine à l’exception des forêts naturelles.
La question de la prise en compte du carbone biogénique dans Totem est souvent posée.
Le potentiel de réchauffement global par transformation de l’occupation des sols / PRG-luluc
Cette sous-catégorie concerne le potentiel de réchauffement global lié aux absorptions et aux émissions de carbone dus aux variations des stocks de carbone causés par la transformation de l’occupation des sols. Des variations dans la gestion des sols peuvent avoir une influence persistante sur les stocks de carbone pendant des décennies. des changements d’affectation des sols comme le défrichement, peuvent donner lieu à de grandes émissions spontanées.
Le potentiel de réchauffement (climatique) global / PRG-total
Cet indicateur prend en compte l’augmentation de la concentration atmosphérique moyenne de diverses substances d’origine anthropique ( CO², CH4, CFC,…) que l’on nomme communément les émissions de gaz à effets de serre (CO2, HFC, CH4, …) qui conduisent au réchauffement climatique.
Cet impact est déclarée en tant que Potentiel de Réchauffement Global. Ce PRG-total est la somme des PRG-fossile, PRG-biogénique et PRG-luluc.
Appauvrissement de la couche d’ozone
Cet indicateur prend en compte les émissions dans l’air (CFC, HCFC, halons, …) qui contribuent au « trou dans la couche d’ozone ». Il est exprimé en kgCFC11 équivalent (kilo trichlorofluorométhane équivalent).
La destruction de l’ozone est causée par des réactions complexes entre l’ozone stratosphérique et des composés tels que les chlorofluorocarbure (CFC), les gaz contenant du brome (les halons), les solvants chlorés. les CFC, composés chimiques d’origine humaine, sont des dérivés chlorés et fluorés d’hydrocarbures que l’on retrouve notamment dans les produits suivants: (agents de climatisation dans les climatiseurs, agent gonflant dans certaines mousses rigides, isolants, … Ces composés contribuent à deux mécanismes de pollution bien connus, le premier concerne cet indicateur, il s’agit donc de la destruction de la couche d’ozone. Le second mécanisme de pollution impliqué est celui se rapportant à l’indicateur précédent: l’effet de serre.
L’amenuisement de la couche d’ozone se traduit entre autre par une réduction de la filtration naturelle des rayonnements ultraviolets moins efficace, menant à une augmentation des cancers de la peau, et impactant la flore et de la faune sous-marine.
Acidification des sols et de l’eau
Cet indicateur porte sur l’évaluation des émissions dans l’atmosphère de composés susceptibles de se transformer en acides (ex : acide sulfurique, acide nitrique). Il est évalué en mol H+ équivalent (mole d’ions H+ équivalents).
Lorsque présents dans l’atmosphère, ceux-ci peuvent être lessivés par les précipitations (pluies acides) et se retrouver dans les eaux de ruissellement, de surface et dans le sol. Cette acidification engendre la dégradation des milieux et conduit à des impacts sur la faune (mort de poissons, …) et la flore (dépérissement de la végétation).
Eutrophisation
Cet indicateur prend en compte les émissions dans l’air et dans l’eau des substances qui causent des excès d’éléments nutritifs dans les lacs, rivières et les océans. Il se décompose en trois sous-indicateurs mesurés en kg P eq. (pour l’eau douce), kg N eq. (pour l’eau de mer) et mol N eq. (pour les sols).
L’eutrophisation a pour conséquence notamment le développement anarchique d’algues dans les plan d’eau, empêchant ensuite le développement normal de la biodiversité.
Formation d’ozone photochimique
Cet indicateur prend en compte les émissions dans l’air de substances qui conduisent à la production d’ozone troposphérique (ozone bas, smog d’été). Il se mesure en kg NMVOC eq. (kg éthylène équivalent).
Épuisement des ressources abiotiques
Deux types d’épuisement des ressources sont considérées :
Épuisement des ressources abiotiques non fossiles
Cet indicateur prend en compte l’épuisement des matières premières minérales (minerais métalliques tels que Fer, Cuivre, Plomb, Zinc, …). Il se mesure en kg Sb eq. (kg antimoine équivalent).
Épuisement des ressources abiotiques combustibles fossiles
Cet indicateur prend en compte l’épuisement des combustibles fossiles (gaz, pétrole, charbon, …). Il se mesure en MJ (Méga Joule).
Épuisement des ressources en eau
Cet indicateur prend en compte la consommation des ressources en eau douce. Il se mesure en m³ de privation équivalente mondiale.
Particules fines
Cet indicateur prend en compte les émissions dans l’air de fines particules solides (poussières), générant des maladies cardiaques et pulmonaires chez l’humain. Il se mesure en DALY (Disability Adjusted Life Years). Cela correspond à une estimation des années de vie perdues par une mort prématurée ou vécues avec un handicap).
Rayonnement ionisant – effets sur la santé humaine
Cet indicateur prend en compte les émissions de rayonnements ionisants (radioactifs) pouvant entrainer des lésions cellulaires. Il se mesure en DALY (Disability Adjusted Life Years). Cela correspond à une estimation des années de vie perdues par une mort prématurée ou vécues avec un handicap).
Ecotoxicité pour les écosystèmes aquatiques d’eau douce
Cet indicateur prend en compte les émissions de substances pouvant causer des dommages aux organismes vivants dans les eaux douces, telles que les composés halogènes organiques, métaux lourds, PCB, dichlorobenzène (DB) et hydrocarbures polycycliques (PAH). Il se mesure en CTUe (Comparative Toxic Unit equivalent).
Toxicité humaine
Deux sous-indicateurs sont utilisés pour établir la toxicité humaine, selon que les effets soient cancérigènes ou non.
Cet indicateur prend en compte les émissions dans l’air et l’eau, de substances (composés halogènes organiques, métaux lourds, PCB, dichlorobenzène (DB), hydrocarbures polycycliques (PAH), pouvant causer des dommages (cancérigènes ou non) aux organismes vivants, et à l’humain plus particulièrement. Il se mesure en CTUh (Comparative Toxic Unit for human).
Occupation et transformation du sol
Il s’agit d’un indicateur adimensionnel combinant deux types d’impacts, pour deux type d’action: l’occupation du sol, et la transformation de celui-ci.
Matière organique du sol
Ce sous-indicateur prend en compte l’occupation et les changements d’affectation du sol (terres arables et milieux urbains) dans le temps. Cela a des implications significatives sur la qualité des écosystèmes (perte de biodiversité), des paysages et de l’environnement (variation de la matière organique du sol, érosion, filtration des eaux de pluie, valeurs foncière, production alimentaire, …). Il se mesure en Déficit en kg C.
Biodiversité
Ce sous-indicateur mesure le risque de perte de biodiversité lié à des changement d’affectation du sol, en quantifiant la perte de territoires favorable à la biodiversité.. Il se mesure en m² x an.
Afin de faciliter la comparaison entre variantes, les différents impacts environnementaux considérés dans TOTEM sont agrégés en un score unique, exprimé en millipoints par unité fonctionnelle (m2, m ou unité pour un élément, m2 de plancher pour un bâtiment).
Plus ce score est élevé, plus les impacts environnementaux sont importants.
Avant juillet 2021, cette agrégation se faisant par un système dit de « monétarisation ». Tous les impacts environnementaux étaient convertis en euros, sur base d’une évaluation du coût de réparation du dommage environnemental causé. Depuis juillet 2021, l’agrégation se fait par une méthode appelée PEF (Product Environmental Footprint) qui est harmonisée au niveau européen. Le score agrégé est maintenant exprimé en millipoint (d’impact par habitant mondial). Cette méthodologie a été choisie afin d’harmoniser la méthode TOTEM avec les recommandations européennes.
Le millipoint est une unité adimentionnelle obtenue suite à ces deux étapes :
La normalisation : division du score de chaque indicateur environnemental (chacun dans sa propre unité) par l’impact par habitant mondial moyen pour ce même indicateur environnemental (dans la même unité)
La pondération : chaque score normalisé est multiplié par un facteur de pondération qui exprime l’importance relative de chaque indicateur et corrigé par la robustesse de cet impact. (si un indicateur présente beaucoup d’impact ou que la méthodologie évolue encore énormément, la correction va diminué le poids attribué à cet indicateur (échelle de 0.1 à 1)
Si vous souhaitez en savoir plus sur ces questions, nous vous invitons à visionner la vidéo suivante :
L’Analyse du Cycle de Vie (ACV): est une méthode scientifique d’évaluation globale des impacts environnementaux, multicritère et multi-étapes. Cette méthode normalisée permet d’évaluer quantitativement les effets de produits ou de services sur l’environnement.
Multicritère car elle intègre tout un spectre d’indicateurs environnementaux.
Multi-étapes car elle prend en compte les différentes étapes du cycle de vie. L’ACV est à ce titre souvent qualifié de méthode « du berceau à la tombe ».
Une question de flux
Une ACV se fonde sur plusieurs critères d’analyse des flux entrants et sortants. On appelle « flux » tout ce qui entre dans la fabrication du produit et tout ce qui sort en matière de pollution. Parmi les flux entrants, on trouve, par exemple, ceux des matières et de l’énergie : ressources en fer, eau, pétrole, gaz. Quant aux flux sortants, ils peuvent correspondre aux déchets, émissions gazeuses, liquide rejeté, etc.
La collecte des informations relatives aux flux est une étape importante de l’ACV. Ils sont quantifiés à chaque étape du cycle et correspondent à des indicateurs d’impacts potentiels sur l’environnement. La complexité des phénomènes en jeu et de leurs interactions est une source d’incertitude sur la valeur réelle des impacts, c’est pourquoi on les qualifie de « potentiels ».((https://expertises.ademe.fr/economie-circulaire/consommer-autrement/passer-a-laction/dossier/lanalyse-cycle-vie/quest-lacv))
L’ACV selon les normes ISO
La méthode d’analyse du cycle de vie s’articule autour de quatre étapes. Celles-ci sont à la fois distinctes et interdépendantes, car tout au long de l’étude de fréquents retours sont nécessaires, ce qui rend la démarche générale itérative. Ces 4 étapes de l’ACV sont définies par les normes ISO 14040 et ISO 14044.
Étape 1: Définition des objectifs et du champs d’étude
Cette étape consiste à définir quels sont les objectifs de l’ACV, en précisant la destination de l’étude (par ex, déclaration environnementale), mais également les frontières du système et les limites de l’étude, l’unité fonctionnelle, la qualité des données, les incertitudes acceptées, etc. Cette étape est essentielle car les résultats de l’étude y font forcément référence.
Étape 2: Analyse de l’inventaire:
L’analyse de l’inventaire (ICV) est –selon la norme ISO 14040– la phase de l’ACV impliquant la compilation et la quantification des intrants et des extrants d’un produit ou d’un système de produits sur l’ensemble de leur cycle de vie. Cette étape consiste donc à dresser l’inventaire et à quantifier les flux de matières et d’énergies entrants (intrants énergétiques, intrants de matières premières, intrants auxiliaires) et sortants (les produits, co-produits et déchets relatifs au produit « final » considéré, les émissions polluantes dans l’air, l’eau et le sol), associés aux différentes étapes du cycle de vie du produit. L’ICV est donc une comptabilité analytique des flux entrants et sortants.
L’inventaire proprement dit inclut :
la récolte des données proprement dite, qui est une phase souvent longue et fastidieuse ;
la description du mode de calcul permettant de quantifier les intrants et les sortants pertinents d’un produit.
La réalisation d’un inventaire est un processus itératif puisque le produit est d’autant mieux connu que les données sont recueillies ; cela amène généralement de nouvelles exigences ou des limitations sur ces données engendrant parfois un changement de mode de récolte de ces données, en accord avec les objectifs et le champ de l’étude (phase 1 d’une ACV). Dans certains cas, la phase de récolte des données amène à revoir les objectifs et le champ de l’étude.
Étape 3: Évaluation des impacts:
Les données sur les intrants et les extrants sont traduites en indicateurs environnementaux, en termes d’impacts potentiels sur l’environnement, sur la santé humaine, ou sur la disponibilité des ressources. Cette quantification est généralement réalisée à l’aide de logiciels dédiés qui utilisent des méthodes reconnues et validées.
Cette étape est itérative avec les trois précédentes, de manière à toujours valider que les résultats obtenus répondent aux objectifs de l’étude (par exemple, il arrive que la non-disponibilité de certaines données puisse conduire, en cours d’étude, à restreindre le champ de l’étude). C’est également ici que l’on évaluera la robustesse des résultats.
Les différentes phases du cycle de vie (dans TOTEM)
Dans les normes européennes, le cycle de vie d’un bâtiment est divisé en plusieurs étapes, chacune ayant des limites clairement définies. La règle de base est qu’un impact est attribué à l’étape dans laquelle il se produit. Cinq étapes composent le cycle de vie d’un produit. Chacune se subdivise en sous-partie, appelées « modules ».
La phase de production
Cette phase couvre toutes les étapes en amont du chantier. Elle porte donc sur l’extraction des matières premières ou composants entrant dans la fabrication du produit étudié (module A1), leur transport (module A2) et la fabrication du produit proprement dit (module A3).
La phase de construction
Il s’agit de l’opération la plus visible pour le concepteur ou maître d’ouvrage : la phase de chantier proprement dit (module A5), mais également le transport des marchandises entre le lieur de fabrication et le chantier (module A4)
La phase d’utilisation
Cette phase, en général très lourde dans le bilan global d’un bâtiment, couvre les multiples impacts liés à l’utilisation d’un bâtiment. On distingue dans totem :
deux modules liés à l’usure des composants, à savoir les opérations de maintenance régulière (B2) et de remplacement (B4)
deux modules liés aux consommations associées, en termes d’utilisation d’énergie (module B6) et d’eau (module B7).
Totem ne considère pas les modules B1 (usage d’énergie) et B3 (réparation), faute de données disponibles.
La phase de fin de vie
La fin de vie est divisée en quatre modules chronologiques, à savoir : la déconstruction (module C1), le transport (module C2), le traitement des déchets (module C3) et leur élimination (module C4).
Deux difficultés majeures se posent à ces étapes :
comment faire des hypothèses solides sur des opérations de traitement telles qu’elles se pratiqueront dans plusieurs décennies ?
comment intégrer une transition du secteur de la construction vers plus de réemploi ? Si mathématique il « suffit » d’identifier une fraction de matériaux et composants qui sortiront du système avec les modules C .. bonne chance pour faire des hypothèses sur les pratiques de réemploi dans 50 ou 60 ans !
Les informations supplémentaires, au-delà du cycle de vie du bâtiment
Pour aider à répondre aux deux questions ci-dessous, le module D vient compléter les informations précédentes de données sur par exemple les possibilités de réemploi ou de recyclage des composants. Des informations utiles, mais qui reflètent un potentiel plus qu’un impact, ce qui justifie le caractère « informatif » de ces modules.
Intégrer la circularité dans l’ACV
A l’évidence, l’incertitude pesant sur la fin de vie des composants a un impact sur une analyse de cycle de vie. Bien qu’il faille relativiser cet impact (quelques pourcents environ du bilan global), l’effort de transition vers une économie plus circulaire nécessite que l’on s’y arrète un moment.
A ce jour, il est d’ores et déjà possible de tenir compte dans TOTEM du fait que l’on choisit de faire recours à des produits issus de réemploi. Dans ce cas, les modules A (liés à l’extraction et transformation de ressources primaires) et éventuellement B1 (si l’élément remployé est déjà sur le site du projet) seront négligés.
Il n’est par contre pas encore possible de valoriser la mise en œuvre d’élément qui ont un potentiel de réemploi à terme. Pourquoi ? Parce que la fin de vie est, à l’heure actuelle, décrite sur base des processus existants de recyclage, valorisation ou traitement de déchets. Or, faute de filières de réemploi développées, il est impossible aujourd’hui de traduire celles-ci en processus rigoureusement décrits. Très probablement, cela évoluera progressivement avec le développement de ces filières.
Plus largement, la question du réemploi illustre une limite intrinsque des méthodes ACV appliquées au secteur du bâtiment : la nécessité de faire aujourd’hui des hypothèses à long terme dans une industrie et un contexte qui sont amenés à changer en profondeur sur un espace de temps inférieur à la durée des analyses…
Pour approfondir votre compréhension sur l’application des principes de l’économie circulaire au sein de Totem, nous vous recommandons de visionner la vidéo proposée ci-dessous :
Si vous voulez en savoir plus le les hypothèses de calcul faites dans TOTEM, nous vous invitons à consulter la vidéo suivante :
TOTEM est un outil belge en ligne commun aux trois régions qui permet aux acteurs de la construction d’évaluer l’impact environnemental des bâtiments et des éléments de construction sur l’ensemble du cycle de vie du bâtiment. son nom est l’acronyme de « Tool to Optimize the Total Environmental impact of Materials ».
TOTEM est donc avant tout un outil d’aide à la décision, qui peut être utilisé à toutes les étapes d’un projet. Il fournit des scores environnementaux pour un projet dans son ensemble ou pour l’un des éléments/techniques/ matériaux utilisés. Ces scores sont calculés sur base de 19 indicateurs, qui couvrent l’ensemble du cycle de vie. TOTEM permet donc de comparer différents scénarios de construction ou de rénovation, de démolition ou de réemploi.
L’objectif est d’optimiser les choix architecturaux et de construction pour aller vers une réduction de l’impact environnemental. L’outil a également pour objectif de promouvoir les connaissances et la compréhension en matière de performance environnementale des bâtiments et de faciliter le dialogue au sein du secteur de la construction.
Rentrer dans l’outil TOTEM, c’est un peu comme un jeu de poupées russes; chaque notion en appelle une autre. L’outil en ligne est généreusement documenté. Le but de cet article n’est donc pas de retranscrire littéralement ce qui se trouve dans la documentation mais bien de donner une vision d’ensemble synthétique des notions phares. Les schémas ci-dessous sont les illustrations emblématique de TOTEM, que l’on retrouvent dans les nombreuses publications relatives à l’outil. Chaque schéma contient un hyperlien développant les notions illustrées. Si vous souhaitez approfondir le sujet, n’hésitez pas à cliquer dessus.
Et si vous voulez en savoir plus sur le « bon usage » de TOTEM et/ou les hypothèses de calcul derrière cet outil, nous vous invitons à visionner les vidéos suivantes :
Performance énergétique ou performance environnementale
Sous l’impulsion des réglementations européennes de Performance Energétique des Bâtiments (PEB), le secteur de la construction s’est intensément attelé à réduire les consommations énergétiques des bâtiments au cours de ces dernières années. Les performances ont donc beaucoup évolué. Au début de cette dynamique, on parlait du concept de « basse énergie ». Les bâtiments passifs sont apparus vers 2010. Aujourd’hui c’est le concept « Nearly Zero Energy Buildings (NZEB) » QZEN qui est mis en avant. A l’avenir, les bâtiments à « énergie positive » produiront plus d’énergie qu’ils n’en consommeront.
Mais aux consommations liées à l’usage du bâtiment, s’ajoute désormais une préoccupation liée à l’impact « gris » (non lié aux consommations pour l’usage), et une prise de conscience de la multiplicité des impacts, qui ne se limite pas à l’enjeu énergétique. Les problématiques sont en effet nombreuses : préservation des ressources en matières premières, limitation de l’utilisation des énergies fossiles, gestion de l’eau, lutte contre la pollution atmosphérique, conception de bâtiments à haute performance énergétique, réutilisation/recyclage des matériaux, … Pour intégrer ces défis dans une approche globale, il est essentiel d’avoir une approche sur la totalité du cycle de vie des bâtiments, des éléments constructifs et des matériaux.
L’Analyse de cycle de vie (ACV)
La prise de conscience accrue de l’importance de la protection de l’environnement et des impacts possibles associés aux produits fabriqués et consommés, a augmenté l’intérêt pour le développement de méthodes destinées à mieux comprendre ces impacts et à y remédier. L’une de ces technique est l’analyse du cycle de vie.
D’après la norme ISO 14040, l’ACV est une « compilation et évaluation des intrants, des extrants et des impacts environnementaux potentiels d’un système de produits au cours de son cycle de vie ». Initiée dans les années 1990, l’analyse de cycle de vie est aujourd’hui un outil performant et reconnu. La normalisation internationale ISO (14040 à 14043), développée à partir de 1994, a fixé les bases méthodologiques et déontologiques de ce type d’évaluation, favorisant une harmonisation de la méthodologie employée, davantage de robustesse et de fiabilité des résultats et une communication plus formalisée.
Approche multicritère sur l’ensemble des étapes du cycle de vie des produits considérés « du berceau à la tombe », l’ACV est le concept-clé sur lequel s’appuie l’outil TOTEM.
Les indicateurs d’impact environnementaux
L’impact environnemental est évalué au travers d’une multiplicité d’indicateurs, que l’on peut rassembler en quelques grandes familles. Celle-ci couvrent des éléments très différents, allant du réchauffement climatique à l’épuisement des ressources, en passant par les impacts pour la santé humaine et des écosystèmes. C’est donc un panel le plus complet possible des impacts environnementaux qui est présenté, illustrant la complexité des conséquences de nos choix de construction.
A la difficulté qu’il y a à décrire et quantifier chacun des impacts individuellement s’ajoute le défi de rassembler ceux-ci en un indicateur unique permettant de prendre des décisions pratiques. Une gageure ?
Le score agrégé en millipoints
Totem propose un score agrégé exprimé en millipoints par unité fonctionnelle. Ce score combine les 19 indicateurs environnementaux en un résultat unique. Il se base pour cela sur la méthode PEF (Product Environmental Footprint), qui inclus une étape de normalisation pour chacun indicateur, puis une pondération combinant des éléments objectifs (robustesse des méthode d’évaluation) et des éléments subjectifs (perception d’importance de l’indicateur).
Les données génériques et spécifiques
Avant 2020, TOTEM utilisaient des données génériques uniquement, provenant de la base de données ECOINVENT. Il s’agit d’une base de donnée suisse largement reconnue dans le domaine scientifique, développée spécifiquement pour les analyse du cycle de vie. Elle a été choisie pour sa représentativité des données pour l’Europe occidentale.
Spécifiquement pour l’outil TOTEM, les données génériques d’EcoInvent sont harmonisées autant que possible au domaine de la construction belge (mix énergétique belge avec facteur d’émission adapté, adaptation des scénarios de fin de transport, de fin de vie, etc.).
Depuis 2020, TOTEM intègre également des données spécifiques provenant directement des producteurs de matériaux qui réalisent des analyses de cycles de vie au sein de leurs unités de production pour produire des données spécifiques à leur produit. Il s’agit des Déclarations Environnementales de Produits (EPD). La réalisation d’EPD et leur intégration dans Totem implique bien évidemment une série de règles, portant sur la standardisation des documents, le recours à une analyse de cycle de vie conforme aux normes, une définition précise de l’objet d’étude, un processus de review par des vérificateurs reconnus par le SPF, et l’enregistrement des données au sein d’une base de données totalement ouverte.
Matériaux, composants, éléments et bâtiments
Plusieurs niveaux d’analyse sont nécessaires pour une évaluation environnementale. Ces différents niveaux suivent une structure hiérarchique. Faisons un parallèle : les lettres de l’alphabet sont les plus petites parties élémentaires du langage écrit, et peuvent être assemblées en mots, ces derniers formant des phrases ; dans TOTEM lesmatériauxconstituent l’alphabet, combinables encomposants, eux-mêmes à la base de complexes de parois appelés élément, qui ensemble constituent le bâtiment.
TOTEM est donc construit selon une structure hiérarchique distinguant quatre niveaux d’analyse détaillés ci-dessous. Parmi ces niveaux, seuls les plus élevés, à savoir les éléments et les bâtiments permettent donc une comparaison de leur score environnemental.
Le trio gagnant: isolation + étanchité + ventilation
« Si par le passé, on se fiait aux fuites d’air pour assurer la ventilation des petits bâtiments, le perfectionnement des méthodes de construction, telle la pose de fenêtres plus tanches, de pare-vapeur continus, ainsi qu’un plus grand souci du détail, ont augmenté l’étanchéité à l’air des bâtiments. Les fuites d’air ne constituent donc plus une source de ventilation suffisante pour répondre aux besoins de ventilation, dans le cas des bâtiments récent et/ou rénovés. »
Jean-Marie Hauglustaine et Francy Simon, « La ventilation et l’énergie – guide pour les architectes », P.11
Dans cette logique d’étanchéisation des bâtiments qui permet un meilleur contrôle du climat intérieur, la ventilation fait partie d’un trio indissociable :
Le trio gagnant :
Isolation thermique ;
Etanchéité à l’air ;
Ventilation contrôlée.
+
Favoriser les apports solaires gratuits tout en évitant la surchauffe.
La qualité de l’enveloppe
La meilleure énergie est celle que l’on utilise pas. Au plus l’enveloppe est performante, au plus les besoins en énergie sont réduits.
Et la PEB ? En cas de rénovation d’une PEN…
La réglementation PEB prévoit des exigences de ventilation pour tous types d’unités PEB quelle que soit la destination (résidentielle ou non-résidentielle) et la nature des travaux applicables.
DESTINATION
NATURE DES TRAVAUX
REFERENCE REGLEMENTAIRE
Neuf et assimilé
Changement de destination
Rénovation simple
Rénovation importante
Mise en place d’un système de ventilation complet soit :
Alimentation et évacuation naturelle ;
Alimentation et mécanique ;
Alimentation naturelle, évacuation mécanique ;
Alimentation et évacuation mécanique.
Les dispositifs de ventilation installés doivent permettre d’assurer les débits requis tant en alimentation qu’en évacuation et ce, dans tous les espaces, qu’ils soient destinés à l’occupation humaine ou non.
NB : Dans les espaces destinés à l’occupation humaine, les débits d’alimentation doivent obligatoirement être réalisés avec de l’air neuf. Par contre, dans les locaux non destinés à l’occupation humaine, il est permis d’alimenter en air transféré sous certaines conditions.
Pour les locaux existants où des châssis de fenêtres ou de portes extérieurs sont placés ou remplacés, seules les exigences de ventilation relatives aux amenées d’air sont applicables.
Pour les locaux situés en extension, mise en place de dispositifs de ventilation permettant d’assurer les débits requis tant en alimentation qu’en évacuation et ce, dans tous les espaces, qu’ils soient destinés à l’occupation humaine ou non.
NB : Il est permis de faire mieux que la réglementation en prévoyant un système de ventilation complet.
Annexe C3* – VHN de l’arrêté qui fait référence, notamment, à la norme NBN EN 13779 : 2004.
Pour les dispositifs de ventilation des immeubles non résidentiels destins à l’usage humain – tels que les écoles – la classification de base de la qualité de l’air intérieure est reprise dans le tableau ci-dessous :
CATEGORIE
DESCRIPTION
CLASSIFICATION PAR LE NIVEAU E CO2
Niveau de co2 au-dessus du niveau de l’air fourni en [ppm]
VALEUR PAR DEFAUT
INT 1
Qualité d’air intérieur excellente
< 400
350
INT 2
Qualité d’air intérieur moyenne
400 – 600
500
INT 3
Qualité d’air intérieur modérée
600 – 1 000
800
INT 4
Qualité d’air intérieur basse
> 1 000
1 200
Lors du dimensionnement des systèmes de ventilation, le débit de conception ne peut pas âtre inférieur au débit minimal correspondant à la catégorie d’air INT3, qui correspond à 75 à 80 % de personnes satisfaites par la qualité de l’air.
Un aspect essentiel d’une installation de ventilation est la détermination du taux de renouvellement d’air ventilé. Pour maximiser les économies d’énergie, il faut réduire autant que possible le taux de renouvellement d’air durant la période de chauffe et, en été, utiliser le refroidissement de nuit, par une surventilation du bâtiment. La ventilation doit néanmoins rester suffisante afin d’empêcher l’accumulation d’agents contaminants dans l’air intérieur et de permettre aux occupants de respirer, de façon à assurer la bonne santé des occupants.
Système C
Amenée d’air naturelle
Extraction d’air naturelle
Apport d’air mécanisé
Extraction d’air naturel
Amenée d’air naturelle
Extraction mécanisée
Amenée d’air mécanisé
Extraction mécanisée
(+ échangeur de chaleur)
Dimensionnement
L’apport d’air neuf extérieur se fait dans ce cas-ci par une série répétée d’ouvertures d’amenée d’air réglables (AOR) sur châssis avec un débit de 100 m³/h/m sous 20 Pa
Etant donné que la façade se déploie sur plus de 70 m de long et que l’ensemble de la toiture est percée en continu sur toute sa longueur et sur ses deux côtés pour accueillir un ensemble de baies vitrées afin de faire pénétrer la lumière sous les toits du bâtiment, il y a un potentiel théorique de débit nominal de 70 m X 100 m³ / h /m, soit 7 000 m³.
Source = auteur de projet
L’aérateur de fenêtre auto-réglable à rupture thermique est un profil en aluminium doté d’une série de perforations de 2,9 X 20,3 mm de manière à servir de moustiquaire anti-insectes. Le profil perforé est totalement amovible, ce qui permet à l’aérateur d’être nettoyé complètement à la brosse ou à l’aspirateur.
Le profilé perforé constitue une faiblesse au niveau de la performance thermique du châssis. En effet, la valeur U du profil est de 3,0 W/m²K. Cette pièce d’aération a une hauteur de 92 mm. Cette faiblesse thermique engendrée par le profilé doit être au maximum compensée par les performances thermiques du reste du vitrage afin que l’ensemble du châssis (système d’aération compris) rencontre la performance demandée. Mais il ne faut également pas perdre de vue que que l’air entrant par ces grilles, ayant la même température que l’air extérieur, engendre des déperditions thermique dont il y a lieu de tenir compte. En période de chauffe, ce type de ventilation génère un apport d’air « froid » qui demande à être compensé au plus proche de ces pertes. Ce système, par ricochet, pèse sur le calcul global de la consommation énergétique du bâtiment étant donné que ces pertes occasionées par l’amenée d’air non pré-chauffé doivent être compensées ; ce qui n’est pas le cas dans avec un système de ventilation mécanique double flux avec récupération de chaleur. Dans chaque nouveau projet, une réflexion calculée sur les gains et les pertes permet d’étayer le choix vers tel ou tel système.
Comme le prévoit le cahier des charges, l’aérateur de fenêtre est de type autoréglable à rupture thermique et est prévu pour un montage sur vitrage.
Rupture thermique : Un profil porteur en plastique de haute qualité fait office de rupture thermique.
Autorégulation : pour éviter les courants d’air, un clapet autoréglable (exempt d’entretien) est appliqué dans le clapet de fermeture, ce qui rend l’aérateur autoréglable. Ce clapet réagit automatiquement aux différences de pression/à la force du vent et ne peut pas être manipulé par l’utilisateur.
Groupes de ventilation
Caisson extraction insonorisé de 470 m³/h.
Groupe de ventilation dans Aile A
Groupe de 1 845 m³/h avec sonde CO2 anti retour.
Ce groupe gère la ventilation de 3 classes (dont une grande classe de 140 m²).
Groupe de ventilation dans Aile B
Groupe de 1 405 m³/h avec sonde CO2 anti retour.
Ce groupe gère la ventilation (au niveau de l’extraction) de 3 classes et d’un 4ième local.
Un caisson d’extraction insonorisé réglable (0 -10 V)
Ce groupe est dédié à la nouvelle salle des professeurs. Son système 0-10 V permet de réguler manuellement l’extraction de l’air en fonction de la situation (variations météorologiques et/ou du taux d’occupation).
Comme le groupe est asservi à une sonde CO2 (en sortie), le système ne va tirer le dbit d’air nominal mais va s’adapter selon le taux de CO2. Il est préférable d’avoir une sonde CO2 pour chaque classe mais comme le groupe de ventilation est dédié à des locaux ayant la même affectation, il y a tout de même une logique cohérente au niveau de l’occupation des locaux.
La reprise d’air se fait au sein même du local via un réseau de gaines apparentes. Les flexibles jouent le rôle de silencieux.
Il y a une régulation temporelle plus un potentiomètre réglable manuellement qui permet la possibilité d’augmenté le débit en fonction de l’occupation.
L’institut Sainte-Marie de Jambes se dresse sur les hauteurs de Jambes au sein d’un vaste site de 2,6 ha. La première pierre fut posée en 1928. Hébergeant une centaine d’élèves, tous internes, à ses débuts ; l’école comptabilise aujourd’hui 1 500 élèves (dont 70 internes) et x enseignants (à compléter). Tout au long de ce siècle d’existence, se sont agrégés autour de cet imposant bâtiment principal diverses extensions suivant l’évolution de la population scolaire et du développement de son projet éducatif.
En 1961, la moitié des greniers situés sous la toiture de ce bâtiment principal est transformée en logements (chambrettes) pour les internes, ce qui a permis de récupérer la place qu’occupaient jusqu’alors les dortoirs pour ouvrir de nouvelles classes. Mais en 19 ??, l’internat a fait l’objet d’une nouvelle construction sur le site au sein d’un bâtiment autonome. Actuellement, La rénovation des 1 600 m² de toiture du bâtiment principal s’inscrivent dans la volonté de l’école de récupérer la surface de ce dernier étage sous la toiture qui a longtemps abrité l’internat afin d’y aménager de nouvelles classes en remplacement des (nombres ?) classes-containers temporairement installées sur une partie verdurisée du site.
Après travaux, les élèves ayant cours dans les containers rejoindront le nouvel étage aménagé en classes au dernier étage du bâtiment principal et les containers seront supprimé au profit de tout un espace vert qui regagnera du terrain.
Subventionnement
PPT / Plan Prioritaire de travaux
Pour les travaux, l’école bénéficie d’une subvention PPT. Le PPT correspond à un fonds subsidiant structurel en FWB. Pour un établissement secondaire, le taux d’intervention correspond à 60 % de l’investissement sur base du montant des offres. Le montant de l’investissement doit s’inscrire dans une enveloppe qui est plafonnée. Afin de bénéficier de ces subsides, l’école a décidé de limiter les travaux entrepris à cette enveloppe budgétaire plafonnée. Ce plafond est donc une contrainte supplémentaire à intégrer aux nombreux paramètres avec lesquels l’école doit jongler lorsqu’elle planifie des travaux de rénovation. Dans l’idée d’adopter une vision plus globale de l’ensemble des travaux de rénovation à entreprendre, le futur fonds structurel pour les bâtiments scolaires annonce une levée de cette contrainte en supprimant le plafond du montant de l’investissement. Le PPT ne fixe pas de performances à atteindre ; c’est donc les réglementations classiques en vigueur qui sont d’application. Au niveau énergétique, il s’agit donc de satisfaire les normes régionales PEB en vigueur et/ou les normes liée à une subvention complémentaire comme le permet le programme UREBA classique.
UREBA (classique)
Ces travaux sont également subsidiés par la Région Wallonne via le programme UREBA classique qui peut se cumuler avec le PPT et qui prend en charge un pourcentage (30 ou 35 %) de la partie non subsidiée pour les postes éligibles dont l’isolation thermique de l’enveloppe du bâtiment fait partie. Le programme UREBA classique est accessible en continu (à la différence des UREBA exceptionnels) et vise à soutenir certains organismes qui veulent réduire la consommation énergétique de leurs bâtiments affectés à une mission de service public ou non commerciale. Les écoles sont éligibles à ce programme de subventionnement. Les exigences en termes de performances énergétiques à atteindre sont consultables via le lien ci-dessous et pour l’isolation thermique des parois, les exigences et performances à atteindre sont consultables ici et, dans le cas de l’isolation thermique des parois, elles correspondent à celles de la PEB.
Annuellement, en plus de l’UREBA CLASSIQUE, des appels à projets UREBA EXCEPTIONNELS sont lancés via des appels à projets ponctuels qui octroient des subsides plus importants.
Au moment de la rédaction de cet article, un appel à projet UREBA EXCEPTIONNEL 2022 est en cours et le détail du présent appel à projet est consultable via le lien ci-dessus.
Travaux de rénovation énergétiques entrepris
Les travaux de rénovation consistent à renouveler la toiture (nouveau recouvrement), à isoler entièrement ses pans et à récupérer tout une partie de l’espace du grenier pour créer sept nouvelles classes afin que les classes actuelles installées dans des containers puissent rejoindre le bâtiment principal. L’éviction des containers permettra de regagner de l’espace vert dans la partie « parc » du site.
Le bâtiment principal est composé de 5 étages et n’est que très faiblement mitoyen sur ses deux pignons latéraux. Ce bâtiment n’est pas du tout isolé.
Entre-autres pour des raisons économiques, l’école a fait le choix de phaser les travaux d’isolation de l’enveloppe du bâtiment en commençant par l’amélioration de l’enveloppe au niveau de la toiture qui, sur ce bâtiment, totalise 1 600 m². Dans cette optique de phasage, il est donc important d’éviter les effets de verrouillage et d’anticiper les futurs travaux ultérieurs liés notamment à l’isolation des façades, notamment au travers de la continuité de l’isolation.
Situations existante et projetée
Le bâtiment principal est composé de 5 étages et n’est que très faiblement mitoyen sur ses deux pignons latéraux. Ce bâtiment n’est pas du tout isolé. Un audit énergétique préalable a été réalisé en amont de ces travaux. Voici quelques données phares extraites de cet audit. (avant travaux)
K
89
Ce coefficient K qui reflète la qualité thermique moyenne du bâtiment est atténué par l’effet de volume qui favorise les grands bâtiments
CEP
135 kWh/(m².an)
Cette consommation spécifique est calculée par l’auditeur Elle concerne le bâtiment principal ainsi que le bâtiment annexe (salle fortement vitrée), soit plus que la zone touchée par les travaux. Le certificat PEB indique un CEP de 203 kWh/(m2.an), mais pour un périmètre encore plus étendu couvrant l’ensemble de l’institution.
La ville de Namur, par le biais du « NID [Namur Intelligente et Durable] » a réalisé une thermographie aérienne de l’ensemble de la ville de Namur. Un avion équipé d’un scanner infrarouge a survolé la commune pendant les nuits du 16 au 17 et du 23 au 24 février 2018. Pour que les données soient correctes, plusieurs conditions devaient être respectées (bonne visibilité, ciel dégagé, humidité de 80 %, températures entre -5°C et -3°, vent de +/- 4 à 7 km/h, altitude de vol : 1 200 m (résolution de l’acquisition des données : 50 cm au sol). On peut y observer « le flux radiatif » émis par les toitures survolées. Grâce à ces flux radiatifs, il est possible, dans certaines conditions, d’estimer l’importance des déperditions thermiques des toitures. La thermographie donne donc une indication de l’état de l’isolation des toitures. En effet, les données collectées ont permis de calculer un indice de déperdition pour chaque bâtiment. Afin d’étalonner les données, 120 Citoyens se sont portés volontaires pour tester leur bâtiment en tant que « témoin » et afin de constituer un échantillon représentatif de référence. Les toitures ont ensuite été classées en 256 niveaux selon leur émission moyenne. Il ne s’agit donc pas de température.
Plus les toitures émettent de la chaleur, plus elles se rapprochent des tonalités rouges. Une clé d’interprétation des résultats est disponible pour déterminer la classe d’émission selon l’échelle suivante :
Dans le cas de l’Institut Sainte-Marie de Jambes, il apparaît au premier coup d’œil – et nous l’avons vérifié – que la toiture de l’édifice principal du site n’est pas isolée contrairement à celles des bâtiments connexes qui se sont ajoutés au fil du temps. Le choix d’isoler la toiture du bâtiment majeur de cette école secondaire n’en est pas un, c’est une nécessité en regard du contexte énergétique et des objectifs de décarbonation attendus dans les prochaines décennies. En effet, un haut niveau d’isolation et d’étanchéité à l’air permettent de diminuer les besoins en énergie. Dans un bâtiment non isolé, la toiture représente une part importante des déperditions, estimées de l’ordre de 25 % des pertes totale. Donc agir sur l’amélioration de l’enveloppe par le biais d’une intervention au niveau des toitures est une priorité haute !
Le volume chauffé totalise presque 36 000 m³ (bâtiment principal + bâtiment vitré). D’après les données dece bâtiment audité et suivants les recommandations émises par cet audit énergétique, le niveau global d’isolation thermique (K) serait sensiblement amélioré et passerait d’un K 89 à un K 24, ce qui engendrerait une baisse significative de la consommation.La consommation d’énergie spécifique qui est actuellement évaluée à 135 kWh/m².an descendrait à 56 kWh/m²/an (=situation projetée).
NIVEAU K NIVEAU GLOBAL D’ISOLATION THERMIQUE
ACTUEL
89
ENVELOPPE
-65
CHAUFFAGE
0
RENO TOTAL
-65
FINAL
24
Cet indicateur projeté concerne évidemment une mise en œuvre de l’ensemble des recommandations. Cette consommation spécifique envisagée (56 kWh/m².an) s’aligne avec les chiffres annoncés par « La stratégie wallonne de rénovation énergétique ». Pour rappel, Cette « STRAT RENO » à long terme du bâtiment est un maillon clé des politiques de réduction des émissions de GES, dans laquelle la Wallonie s’est engagée en visant « la neutralité carbone au plus tard en 2050, avec une étape intermédiaire de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) de 55 % par rapport à 1990 d’ici 2030 ». Plus précisément, les objectifs de la stratégie de rénovation énergétique du parc de bâtiments wallon, en lien avec les propositions formulées dans la Déclaration de Politique Régionale 2019-2024, sont, pour le tertiaire : tendre en 2040 vers un parc de bâtiments tertiaires efficace en énergie avec une cible de 80 kWhef/m²an définie pour leur consommation d’énergie finale, tous usages confondus. A cette efficacité énergétique s’ajoute une neutralité carbone pour le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire, le refroidissement et l’éclairage. C’est-à-dire présentant un bilan énergétique annuel nul avec un besoin d’énergie assuré par une production d’énergie de sources renouvelables.
Les travaux entrepris visent une amélioration de l’enveloppe du bâtiment par la rénovation de la toiture – qui à cette occasion sera isolée – et la réaffectation du grenier en nouvelles classes.
Photo de gauche : charpente d’origine et poutrelles d’origine en béton
Photo du milieu : versants de toitures d’origine en dalles de béton armées
Photo de droite : carotage en recherche avant travaux.
Ni la toiture, ni le plafond sous le grenier ne sont isolés. Les travaux entrepris visent à complètement isoler par l’extérieur les pans de cette toiture à versants et à aménager de nouvelles classes dans le grenier existant. La toiture sera modifiée par le percement d’ouvertures afin de réaliser un « bandeau lumineux » continu faisant pénétrer la lumière du jour dans les nouvelles classes aménagées.
Postisolation d’une toiture à versants
Isolation des versants ou via le plancher des combles ?
Emplacement de l’isolation dans des combles non habités (1) ou habités (2 et 3)
Voir NIT 251 Buidwise
L’emplacement de l’isolation dans une toiture à versants dépend de la destination des locaux sous-jacents. S’ils sont destinés à être habités, il y a lieu de placer l’isolation dans le plan de la toiture. Dans le cas contraire, il sera plus opportun de disposer l’isolation dans le plancher du grenier. Ce second choix permet de réduire les dimensions du volume protégé (ce qui aura généralement pour conséquence d’augmenter la compacité du bâtiment) et de limiter la surface de déperdition. NIT 251 Buildwise (CSTC)
Ici, l’école a fait le choix d’isoler les versants de la toiture malgré qu’une partie du volume ne soit pas « habité ». Ce choix a été fait pour éviter les effets de verrouillage, dans une perspective de futurs aménagements possibles dans ce volume.
En isolant les pans de cette toiture à versants, un grand volume allant jusqu’à 6m de hauteur (au niveau du faîtage) est isolé. Ce grand volume est restructuré à l’aide de plafonds suspendus acoustiques créant des volumes intérieurs développant une hauteur sous-plafond proche des 3m (de 2,70 m à 3m). De futurs travaux ultérieurs d’aménagement seront nécessaires pour investir cet espace encore disponible sous le faîtage. D’autres cas d’étude (mettre lien vers Sart d’Avette Flémalle + La Gaminerie à Lessines) mettent en évidence une alternative à l’isolation des pans de toiture par une isolation via le plancher des combles.
Par au-dessus, par en-dessous ou entre les chevrons ?
Que les combles soient occupés ou non, l’isolation peut être posée au-dessus, en dessous ou entre les éléments de la charpente ou du plancher des combles. Ces trois positions de base peuvent, en fonction de la réalité de terrain, se combiner.
Des tuiles plates rectangulaires (4,5 cm X 3 cm) sont utilisées pour le recouvrement de la toiture.
1 640 m² sont recouverts de cette façon et 80 tuiles spéciales (ventilation) sont réparties sur l’ensemble de la toiture.
Les lattes (ou liteaux) constituent le support des tuiles. Les contre-lattes sont destinées à créer un espace entre les lattes et la sous-toiture afin de permettre ainsi l’écoulement occasionnel d’eau. Elles limitent également le risque de dégradation de la sous-toiture lors des travaux et facilitent le séchage du matériau de couverture. Le bois de ce lattage et contre-lattage a subi un traitement de préservation insecticide et fongicide.
L’étanchéisation aux matières liquides de cette toiture à versants est assurée par la sous-toiture qui doit évidemment être étanche à l’eau et résistante à l’humidité. Jusqu’alors, il n’y a jamais eu de sous-toiture comme on peut le voir sur les photos présentant la situation existante avant travaux.
Cette sous-toiture est bien visible sur la photo : membrane souple de polypropylène nervurée de 0.2 mm d’épaisseur présentant une faible résistance à la diffusion des vapeurs d’eau. Valeur Sd : +/- 0.05 m. Sa bonne perméabilité à la vapeur d’eau permet ainsi à l’humidité – qui serait malgré tout parvenue à pénétrer l’isolation de continuer à s’échapper par le toit. Les différents lés de cette membrane se chevauchent en assurant l’herméticité des joints.
L’étanchéité de la plateforme de toiture plate (à l’endroit du « bandeau lumineux » = bandeau continu de lucarnes) est assurée par un revêtement d’étanchéité monocouche constitué d’un matériau à base de hauts polymères, il s’agit d’une membrane d’étanchéité EPDM non armée, de teinte noire, résistant obligatoirement aux UV. Ce revêtement d’étanchéité synthétique est collé sur les panneaux isolants.
Selon la pente ; donc principalement à X° pour les versants d’origine et plate (2°) au-dessus des chiens assis, l’étanchéité à l’eau est gérée distinctement : à l’aide d’une sous-toiture au niveau des pans de toiture et à l’aide d’une membrane EPDM au niveau de la toiture plate.
Isolation des pans de toiture d’une charpente en béton
Compte tenu de la structure existante en béton (système mixte : une partie faite de poutres et poutrelles en béton et une autre partie faite de portiques en béton soutenant des dalles en béton qui constituent les pans de la toiture), le choix d’une isolation par l’extérieur s’est imposé. Cette isolation est envisagée dans ce cas-ci avec une couche de 22 cm de laine minérale posée au sein d’une ossature-bois de 23 cm. Il s’agit donc d’une isolation traditionnelle entre chevrons.
Sur cette photo de chantier, on peut apercevoir les éléments en bois entre lesquels les rouleaux de laine minérale vont être déployés. Les dalles en béton constituant une partie des pans de toiture sont autant que possible conservés. Néanmoins, la mise en œuvre d’une isolation continue et le « redécoupage » de la toiture pour y insérer des baies a nécessité la destruction d’une partie de ces dalles en béton.
Par transparence au travers de la sous-toiture bleue, on peut voir le lattage et contre-lattage nécessaire au recouvrement du toit. Et du côté intérieur de la sous-toiture, on devine la suite des couches successives qui formeront le nouveau complexe de paroi constituant la toiture. Apparaît la sur-épaisseur faite d’éléments en bois de 23 cm qui se construit afin d’accueillir la couche d’isolation thermique la plus continue possible, limitant au maximum les interruptions d’isolant au droit des nœuds constructifs.
L’isolation thermique est réalisée en laine minérale se présentant sous forme de rouleaux épais de 22 cm. La conductivité thermique a une valeur U = 0,035 W/mK. Les rouleaux de laine minérale sont déployés dans la structure réalisée pour accueillir cet isolant. Celle-ci est réalisée avec des éléments en bois de 23 cm d’épaisseurs disposés à intervalles réguliers.
L’isolation de la toiture plate (toiture des lucarnes et des chiens assis) est quant à elle réalisée à l’aide de panneaux en polyuréthane (PIR) d’une épaisseur de 14 cm. La conductivité thermique de ces panneaux a une valeur Umax de 0,024 W/mK. Les panneaux isolant sont collés en adhérence totale sur la couche pare-vapeur (OSB 18 mm).
Attention aux exigences variables entre le subside et la norme. Choisir la plus contraignante des deux.
La toiture la plus économe.
La rénovation énergétique n’est pas toujours l’élément déclencheurs des travaux entrepris. Dans ce cas-ci, c’est plutôt la réaffectation des locaux sous la charpente et le manque de places qui ont motivé la mise en route du projet. A l’occasion de ce chantier de réaménagement spatial, une attention a été portée aux questions énergétiques étant donné que c’était la première grosse intervention en toiture depuis la construction du bâtiment dans les années 1930 ! Les travaux énergétiques ne sont généralement pas une fin en soi mais font partie intégrante d’une rénovation plus globale s’inscrivant dans une vision élargie à long terme.
L’école communale de Wépion a entrepris des travaux de rénovation sur l’ensemble de ses bâtiments :
Source= https://www.le-nid.be/
La rénovation intérieure de partie dédiée à l’école maternelle
le remplacement de l’ensemble des châssis
l’installation d’un système de ventilation double-flux
la rénovation des sanitaires.
Le dossier bénéficie d’une subvention partielle du montant de l’investissement via le programme UREBA PWI qui a fait l’objet de l’appel à projet UREBA Exceptionnel 2019.
Situation existante
Comme on peut le constater sur thermographie aérienne réalisée par la Ville de Namur, la couleur bleutée du toit atteste que des travaux d’isolation au niveaux de la toiture ont déjà été réalisés par le passé. Une installation photovoltaïque a également été placée. Pour info, la zone rouge visible l’image ci-dessous et que l’on pourrait supposer mal isolée correspond à la cour de récréation et non à la toiture. Cette zone ne devrait dont pas apparaître de façon colorée car seules les toitures du bâti sont concernées par cette thermographie aérienne.
Dans le prolongement des travaux en toiture déjà réalisés et dans cette logique d’amélioration (thermique) de l’enveloppe, c’est à présent au tour des châssis d’être remplacés. Etant donné que les travaux d’isolation impliquent une prise en compte de l’étanchéité à l’air et qu’ils sont indissociables des travaux relatifs à la ventilation, un autre lot de ce chantier concerne la mise en place d’une ventilation (VMC double flux, lien vers ces travaux).
Source : https://www.le-nid.be/3d.
Dans le prolongement des travaux en toiture déjà réalisés et dans cette logique d’amélioration (thermique) de l’enveloppe, c’est à présent au tour des châssis d’être remplacés. Etant donné que les travaux sur l’enveloppe (remplacement de tous les châssis) impliquent un renforcement de l’étanchéité à l’air, cela induit inévitablement de repenser la ventilation des locaux, un autre lot de ce chantier concerne donc la mise en place d’une ventilation mécanique contrôlée double flux.
Tous les châssis, encore d’origine (construction des bâtiments entre 1961 et 1970), sont remplacés à l’occasion de ces travaux de rénovation. Etant donné que les murs extérieurs de l’école sont principalement composés d’ensembles de châssis (avec alternances parties vitrées et parties opaques), Ces éléments de paroi impactent fortement le confort des usagers au quotidien.
Les anciens châssis ont continuellement un aspect sablé, il y a des « jours » au niveau du raccord avec la façade, présence de courants d’air inconfortables, …
La proportion ( calculer pourcentage ?) de baies vitrées (+- 670 m²) composant le mur est très grande, la conception initiale du bâtiment s’approche d’avantage d’une façade-rideaux que d’un mur classique percé de quelques ouvertures.
De plus, les fenêtres basculantes (celles ouvertes sur les photos ci-contre) ne sont pas du tout adaptées à la fonction du bâtiment : une école ! Ce système d’ouverture est donc banni pour les nouveaux châssis.
Situation projetée
Source = architecte – BEP NAMUR
La rénovation envisagée au niveau de l’enveloppe consiste à remplacer les châssis par de nouveaux, plus performants. Cette rénovation ajoute une touche colorée par rapport au ton bleu uniforme qui a dominé jusqu’à ce jour. A intervalle régulier, un panneau opaque entre deux vitrage se pare de couleur. Hormis cette ponctuation colorée, l’ensemble des châssis est d’une couleur homogène, neutre (gris).
Pour satisfaire les exigences relatives à la subvention UREBA exceptionnel PWI, les travaux au niveau de l’isolation thermique devaient permettre d’atteindre les coefficients globaux de transmission inférieurs ou égaux aux valeurs suivantes :
Si l’on considère qu’il s’agit d’un mur rideau, les éléments qui composent l’ensemble châssis et vitrage doivent satisfaire la valeur Umax = 2 [W/m²K] et 1,10 [W/m²K] pour la partie vitrage.
Si l’on considère qu’il s’agit de fenêtres, celles-ci doivent satisfaire la valeur Umax = 1,50 [W/m²K] pour l’ensemble châssis + vitrage et 1,10 [W/m²K] pour la partie vitrage.
Dans ce cas-ci, c’est la seconde option qui est retenue. Etant donné qu’une façade-rideau, au niveau des exigences attendues, est moins performante que de classiques baies vitrées, c’est donc ce deuxième cas avec la « meilleure » valeur U (la plus basse) qui a été retenue, au bénéfice donc du caractère « isolant » du châssis. Cependant, étant donné que la proportion de châssis sur certaines façades est plus grande que la partie « mur », le U moyen du mur sera plus proche de la valeur des châssis (max 1,5 [W/m²K]) que de celle attendue pour un mur mieux isolé (0,24 [W/m²K]) … et qui a donc une valeur U plus faible. Une paroi opaque, assimilée à un châssis, sera généralement plus déperditive qu’une paroi opaque assimilée à un mur ! Cela interroge la conception même d’un bâtiment et les motivations qui président aux choix de conception.
Les valeurs de cet appel à projet Ureba exceptionnel 2019 sont heureusement alignées sur les valeurs réglementaires actuelles de la PEB malgré les longs temps de procédure qui séparent l’appel à projet et la réalisation des travaux. Dans pareille situation, il peut être intéressant d’anticiper le délai des procédures et d’aller au-delà de la réglementation…
Bien que d’aspect homogène, la façade est en réalité composée de nombreux châssis différents. Voici un aperçu du panel
La valeur Umax à atteindre au niveau des fenêtres concerne l’ensemble de la fenêtre, c’est-à-dire la partie vitrage et la partie du profilé et l’intercalaire et la grille de ventilation (si présente) et le panneau de remplissage (si présent).
La procédure générale pour la détermination de la valeur U des fenêtres et des portes est détaillée dans l’Annexe 3 de l’AGW du 15/12/16 [GW -16-2].
Dans l’évaluation de la performance énergétique d’un bâtiment dans le cadre de la PEB, un calcul fenêtre par fenêtre est en principe réalisé, utilisant la formule reprise dans l’encadré ci-dessous:
Coefficient de transmission thermique des fenêtres et portes, de matériaux et de dimensions standard
Dans son paragraphe « 9. Coefficient de transmission thermique des composants des fenêtres et des portes », l’Annexe 3 de l’AGW du 15/12/16 donne le détail du mode de calcul des coefficients de transmission thermique :
du vitrage ;
de l’encadrement ;
du panneau de remplissage opaque ;
de la grille de ventilation ;
ainsi que :
Le coefficient de transmission thermique linéique tenant compte des effets combinés du vitrage, de l’intercalaire et de l’encadrement ;
et le coefficient de transmission thermique linéique tenant compte des effets combinés du panneau de remplissage, de l’intercalaire et de l’encadrement.
Le coefficient de transmission thermique d’une fenêtre Uw ou d’une porte UD ayant des dimensions connues et pourvue de parties vitrées et/ou de panneaux de remplissage opaques et/ou de grilles de ventilation, est généralement calculé au moyen de la formule suivante :
Uw (ou UD) = ( AgUg + Af Uf + ApUp + ArUr + IgΨg + IpΨp) / (Ag + Af + Ap + Ar)
où,
A [m²] = superficie du vitrage (Ag), du châssis (Af ), de la grille de ventilation (Ar) ou du panneau de remplissage (Ap) ;
U [W/m²K] = coefficient de transmission thermique du vitrage (Ug), du châssis (Uf ), du panneau de remplissage opaque (Up) ou de la grille de ventilation (Ur) ;
ψ [W/mK] = coefficient de transmission linéique tenant compte des effets combinés ;
du vitrage, de l’intercalaire et de l’encadrement (ψg),
du panneau de remplissage, de l’intercalaire et de l’encadrement (ψp),
l [m] = longueur du raccordement entre l’encadrement et ;
le vitrage (lg),
le panneau de remplissage (Ip).
Cette équation peut être utilisée pour les fenêtres constituées de plusieurs types de vitrages, encadrements ou panneaux de remplissage.
Jean-Marie Hauglustaine et Françy Simon, la fenêtre et la gestion de l’énergie – guide pratique pour les architectes, Editeur RW, édition 2018, p.26
Une approche simplifiée est également autorisée. Pour des fenêtres sans grille de ventilation ni panneau de remplissage, le coefficient se calcule comme suit :
si Ug ≤ Uf , alors : Uw,T = 0,7 Ug + 0,3 Uf + 3 Ψf,g [W/m²K]
si Ug > Uf , alors : Uw,T = 0,8 Ug + 0,2 Uf + 3 Ψf,g [W/m²K]
Dans le cas de châssis composés d’éléments opaques, la performance énergétique des parties non transparentes n’est pas équivalente à celle d’un mur.
Pour aller plus loin dans le cas de cette rénovation, des réflecteurs peuvent être placés derrière les radiateurs afin de limiter les déperditions directes via ces allèges
Le remplacement des châssis a eu lieu pendant les vacances de la Toussaint. Le cahier des charges précisait que ces travaux devaient être réalisés en une seule phase continue et que les croisements entre activité scolaire et activité du chantier étaient exclus. Les périodes de congés scolaires s’imposent donc comme la période idéale pour les chantiers. Pour parvenir à remplacer l’ensemble des châssis en moins de deux semaines afin de ne pas empiéter sur la vie scolaire – ce qui aurait nécessité de « reloger » les usagers, le chantier a mobilisé de nombreuses forces vives travaillant en même temps. Lors de notre visite de chantier, plusieurs dizaines d’ouvriers étaient à pieds d’œuvre ! C’était impressionnant d’imaginer que cette métamorphose en cours serait terminée en quelques jours à peine.
Pose de nouveaux châssis en aluminium pour l’ensemble des façades de l’école.
Des fenêtres à ouvertures d’air réglables de type invisivent sont placées dans les locaux de l’école maternelle ainsi que dans les sanitaires de l’école primaire.
Ces profilés occasionnent une faiblesse thermique dans l’enveloppe et occasionnent des pertes étant donné que l’air a la même température que l’air extérieur. En période de chauffe, ces pertes devront être compensées au plus près (radiateurs placés à proximité) et en période estivale, contrôle manuel possible ?
Il s’agit d’un aérateur auto-réglable acoustique à rupture thermique pour montage au-dessus du châssis, derrière la battée. (pas de déduction de vitrage)
Umax profilé OAR : 2,2 W/m²K ;
hauteur du profilé = 62 mm (ouverture extérieure visible = 33 mm) ;
Quantité placée : 57 mètres.
Le clapet autoréglable bascule en cas de légère pression du vent et plie en cas de pression plus forte du vent.
Ces profilés occasionnent une faiblesse thermique dans l’enveloppe et génèrent des besoins de chaleur étant donné que l’air entrant à la même température que l’air extérieur. En période de chauffe, ces pertes devront être compensées au plus près (radiateurs placés à proximité). Hormis cet air entrant qui n’est pas préchauffé (mais qui le serait avec une ventilation mécanique double flux avec récupérateur de chaleur) ce système –moins coûteux qu’une VMC- assure l’apport d’air neuf indispensable à une bonne qualité d’air intérieure. Généralement, cette solution pour l’apport d’air neuf est couplée à une extraction mécanique (= système C). Ces aérateurs au-dessus des châssis sont uniquement placés dans la partie de l’école maternelle ainsi que dans les sanitaires. Dans les autres parties de l’école (réfectoire, salle de gymnastique, classes primaires, bureaux), un système de ventilation mécanique double flux est installé. (voir lien article). Il n’est donc pas impossible de démultiplier les systèmes et de combiner différentes solutions.
Le confort d’été est également abordé au travers d’un projet d’aménagement végétalisé des cours de récréation. Le prochain chantier à venir concerne l’aménagement des abords du bâtiment. Tant la cour de l’école maternelle que celle de la cour primaire va être en partie déminéralisée et verdurisée. Les motivations sont multiples pour faire entrer la nature dans l’école. Que ce soit pour que les enfants (re)trouvent un contact avec leur environnement, pour permettre d’organiser des « classes du dehors », pour créer des zones ombragées et limiter la surchauffe à certains endroits de la cour… Une approche pluridisciplinaire de ce projet favorise son appropriation par toutes et tous.
Cette démarche de déminéralisation des cours de récréation à travers des projets de verdurisation est encouragée à travers l’appel à projet « Re-Création » en région bruxelloise et s’inscrit dans la même logique que le projet international des cours « OASIS ». A Namur, de tels projets ont déjà vu le jour dans d’autres écoles de la Ville : Loyers, Court’Echelle, La Plante, Heuvy, Boninne, … Dans une interview, le directeur nous raconte les problèmes de surchauffe rencontrés dans certaines classes fortement exposées. Par forte chaleur, la température a déjà atteint 38 °C dans la classe la plus chaude. Avec l’arrivée des nouveaux châssis et les futures plantations envisagées à proximité, les usagers espèrent que ces problèmes de surchauffe soient atténués, voire solutionnés.
Avant-Projet de végétalisation de la cour de récréation de la section primaire de l’école
Avant -Projet de végétalisation de la cour de récréation de la section maternelle de l’école.
Les 3 vidéos qui illustrent le contenu de cette page, ci-dessous, c’est à dire l’installation d’un système de ventilation, le relighting et l’isolation de la toiture et par le plancher du grenier sont visibles ici.
Contexte
Le site accueille une école primaire et maternelle sur une surface bâtie de 2455m². Le bâtiment principal date de 1993 et a été rénové en 2020. Il abrite les classes de la section maternelle, des classes de primaires, des bureaux ainsi que les cuisines et les sanitaires. Une extension a été ajoutée à l’école en 2008 afin d’accueillir de nouvelles classes de primaires. Cette extension est encore en bon état et ne nécessite dès lors pas encore de rénovation.
L’accolade de bâtiments avec toiture à 2 pans forment l’extension datant de 2008.
Les travaux de rénovation envisagés ont été accélérés par la nécessité d’une intervention urgente liée à un problème structurel de la charpente. Avant les travaux, ce bâtiment de l’école était source de nombreux inconforts (thermique, visuel, respiratoire…) pour ses occupants. Les travaux de rénovation de la toiture pour résoudre les faiblesses manifestes de la charpente ont dès lors été pensés dans une perspective plus globale incluant plusieurs objectifs, notamment ceux d’une utilisation plus rationnelle de l’énergie mais avec un gain de confort au niveau du climat ambiant intérieur de l’établissement. Si l’objectif premier était donc de solutionner urgemment un problème structurel du bâtiment, un second objectif était de diminuer les consommations énergétiques et le bilan carbone de l’école. Au-delà des aspects techniques, les différents travaux avaient comme objectif majeur d’améliorer le confort des occupants dans le bâtiment.
Pour parvenir à ces objectifs, voici la liste des travaux entrepris :
Le remplacement et l’isolation de la toiture (par le plancher)
(lien vers vidéo) ;
le remplacement des baies : installations de nouveaux châssis et portes ;
le remplacement de l’installation électrique et de la détection incendie ;
le remplacement des installations de chauffage et de ventilation
(lien vers vidéo) ;
Tous ces travaux ont permis de rendre l’école moins énergivore et grâce à l’installation des panneaux photovoltaïque, l’établissement est devenu producteur d’énergie et s’est engagée dans un projet pilote de communauté d’énergie (voir lien).
Rénovation de la toiture et isolation par le plancher des combles
Avant les travaux.
Pendant le chantier.
Toiture, châssis et protections solaires après travaux.
Les toitures en pentes du bâtiment principal ont été rénovées dans le même esprit que l’extension datant de 2008. L’ancienne couverture en tuiles a donc fait place à une nouvelle couverture en zinc.
Source= auteur de projet
La toiture est isolée via le plancher des combles par une couche isolante de 22 cm de laine minérale. Cette isolation via le plancher des combles permet une économie (de matière et de coût) par rapport à une isolation des pans entiers de toiture. Les combles ne sont pas « habités », ils servent de local technique. Les installations techniques présentes sont calorifugées.
Schématiquement, il s’agit ici de ce type d’intervention qui permet, lorsque la charpente n’est pas « habitée », d’isoler la toiture par le biais du plancher des combles, ce qui génère une économie de matière et de coûts.
Note du bureau d’étude présentant une estimation des économies engendrées par l’isolation thermique des toitures :
Type d’affectation de l’immeuble
Ecole
Température moyenne de la saison de chauffe
21°C
Détermination de la température extérieure moyenne de référence
Station IRM la plus proche
Valeur moyenne des degrés-jours 15/15 de la station
T° extérieure moyenne de la zone considérée
Chièvres (Huissignies)
1847 DJ
7°C
Paramètre du bâtiment
Coefficient de transmission thermique de la paroi initiale
Surface mise en œuvre
Durée annuelle de la saison de chauffe
0,2 W/m²K
806 m²
5600 heures
Réduction annuelle de la demande en énergie utile
Economies annuelles
82 148 kWh
Réduction annuelle de la consommation annuelle de combustible
Corrélation consommation théorique et consommation réelle
Economies sur le besoin net en énergie
Rendement de l’installation de chauffage actuelle
Economie d’énergie
100 %
82 148 kWh
78,43 % *
104 739,92 kWH
* L’installation de chauffage a également été remplacée par deux nouvelles chaudières à condensation dont le rendement est de 90 %. Le calcul ci-dessus n’intègre pas encore ce rendement amélioré de la chaudière.
Les anciennes chaudières atmosphériques datant de 1993 et disposait d’une régulation de type climatiques. Afin de mieux maîtriser la consommation énergétique, le système de régulation lié aux nouvelles chaudières à condensation permet une gestion à distance des producteurs et distributeurs. Les radiateurs, disposant déjà de vannes thermostatiques, ne sont pas remplacés.
Dans le cadre de cette rénovation plus globale, l’enveloppe a également été améliorée au niveau des châssis.
Remplacement des châssis et protections solaires
Note du bureau d’étude présentant une estimation des économies engendrées par le remplacement des châssis :
Type d’affectation de l’immeuble
Ecole
Température moyenne de la saison de chauffe
21°C
Détermination de la température extérieure moyenne de référence
Station IRM la plus proche
Valeur moyenne des degrés-jours 15/15 de la station
T° extérieure moyenne de la zone considérée
Chièvres (Huissignies)
1847 DJ
7°C
Paramètre du bâtiment
Coefficient de transmission thermique de la paroi initiale
Coefficient de transmission thermique de la paroi
Surface mise en œuvre
Durée annuelle de la saison de chauffe
3,00 W/m²K 1,4 W/m²K
125 m²
5 600 heures
Réduction annuelle de la demande en énergie utile
Economies annuelles
15 680 kWh
Réduction annuelle de la consommation annuelle de combustible
Corrélation consommation théorique et consommation réelle
Economies sur le besoin net en énergie
Rendement de l’installation de chauffage actuelle
Economie d’énergie
100 %
15 680 kWh
78,43 % *
25 237,41 kWH
Les ouvertures pour les baies vitrées ont été agrandies afin que les fenêtres deviennent des porte-fenêtre permettant un accès direct vers l’extérieur. Selon les témoignages des enseignantes, ce lien immédiat avec l’extérieur est un vrai « plus » par rapport à la situation d’avant les travaux. Cela impact positivement la vie du groupe-classe et l’autonomie des enfants puisqu’ils peuvent ouvrir-fermer, seuls, les fenêtres de manière sécurisée.
En façade Sud, les châssis sont équipés de protections solaires que les enseignantes peuvent descendre et remonter librement grâce à une commande électrique (mais non automatisée).
Ventilation VMC double flux
Les groupes de ventilation double flux (VMC avec récupérateur de chaleur) sont installés dans les combles non-aménagés.
source = auteur de projet / bureau d’étude
Relighting
« Assurer le confort visuel des enfants c’est leur assurer des conditions lumineuses favorables à une vision sans fatigue, c’est-à-dire une vision ressentie comme non désagréable et dans laquelle le corps humain n’a pas d’efforts à faire pour bien voir et se sentir bien. Veiller à ce confort visuel est particulièrement important dans les locaux d’apprentissage (qu’il s’agisse de salles de classe traditionnelles ou non, d’ateliers de travaux manuels, ou encore de salles de sport) et dans les espaces de travail dans lesquels les employés ont une activité prolongée. »
Avant le relighting, les sources lumineuses étaient de type « tubes lumineux » énergivores (en moyenne 4 * 35 W par luminaire). Suite aux travaux de relighting, ces anciens luminaires ont été remplacés par des éclairages LED possédant le marquage *L80 /B20.
* Cela veut dire qu’après une durée de vie de 50 000 heures (environ 16 ans), pour 80 % des luminaires, la valeur du flux lumineux est maintenue de telle sorte qu’elle ne tombe pas à moins de 80 % de la luminosité initiale et que 20 % des LED ont une valeur de flux lumineux inférieure à 80 % du flux initial.
Une commande et gestion d’éclairage par détection de présence ou d’absence suivant les espaces.
Il est essentiel d’avoir une dérogation manuelle possible à cette détection automatique (d’absence de préférence). Car le risque est de ne jamais pouvoir éteindre. En effet, avec la généralisation des tableaux interactifs, il est parfois souhaitable de vouloir baisser l’ambiance lumineuse ponctuellement.
Avant les travaux de relighting, la puissance moyenne installée dans l’école était de 20 W/m². Le remplacement des tubes lumineux par des LED ont permis de passer à une puissance à 8W/m². L’’éclairage fonctionne en moyenne 2000 h/an.
Schéma extrait de l’étude lumineuse d’une classe (faite dans DIALux)
Hauteur de la pièce : 2 800 m, hauteur de montage : 2 800 m, facteur de valeurs en Lux, maintenance : 0.90.
Surface
ρ [%]
Emoy [lx]
Emin [lx]
Emax [lx]
Emin/Emoy
Plan utile
/
471
256
589
0.544
Sol
20
414
244
508
0.590
Plafond
70
104
87
178
0.838
Murs (6)
50
258
88
617
/
Plan utile à 80 cm = hauteur d’une table.
Puissance installée spécifique: 7.30 W/m² = 1.55 W/m²/100 lx (Surface au sol : 62.49 m²).
vidéosSchéma extrait de l’étude lumineuse d’une classe (faite dans DIALux).
Hauteur de la pièce : 2 800 m, hauteur de montage : 2 800 m, facteur de valeurs en Lux, maintenance : 0.90.
Surface
ρ [%]
Emoy [lx]
Emin [lx]
Emax [lx]
Emin/Emoy
Plan utile
/
227
38
382
1.168
Sol
20
208
42
297
0.200
Plafond
70
45
15
81
0.325
Murs (6)
50
96
6.63
341
/
Puissance installée spécifique : 3.05 W/m² = 1.34 W/m²/100 lx (Surface au sol : 246.83 m²).
Schéma extrait de l’étude lumineuse d’une classe (faite dans DIALux).
Hauteur de la pièce : 2 800 m, hauteur de montage : 2 800 m, facteur de valeurs en Lux, maintenance : 0.90.
Puissance installée spécifique : 3.37 W/m² = 3.12 W/m²/100 lx (Surface au sol : 5.34 m²).
Surface
ρ [%]
Emoy [lx]
Emin [lx]
Emax [lx]
Emin/Emoy
Plan utile
/
108
63
154
0.586
Sol
20
73
52
89
0.721
Plafond
70
32
19
42
0.591
Murs (6)
50
65
25
213
/
Résumé des travaux de relighting
Puissance moyenne installée avant travaux = 20W/m²
Puissance moyenne installée après travaux = 8 W /m²
Consommation annuelle avant travaux: 36 000 KWh (2000h)
Consommation annuelle après travaux 14 400 KWh (2000h)
L’installation s’accompagne d’une régulation selon détecteurs de présence et d’absence.
Panneaux photovoltaïques
60 panneaux phtovoltaïques;
Capacité du panneau: 250 Wc
Puissance de l’installation = 15 kWc
La production en énergie en 2021 = 10 000 kWh
La consommation d’électricité en 2021 = 30 000 kWh
Au delà de l’installation technique en toiture de panneaux photovoltaïques, c’est toute la communauté scolaire qui s’est investie de manière pro-active dans une réflexion sur l’énergie au sens large. Cette prise en compte des énergétique a percolé dans les activités pédagogiques et c’est toute la collectivité qui se mobilise en action autour de la quetion énergétique.
Dans cet état d’esprit, l’école a pris part à une expérience pilote de mise sur pied d’une Communauté d’Energie Renouvelable (CER) encadrée par IDETA, une agence de développement territoriale de la Wallonie picarde. Plus d’infos sur la page dédiée à ce sujet: voici le lien
L’installation actuelle a été dimensionnée dans un premier temps dans une logique d’autoconsommation propre à l’école. Il reste une grande surface disponible en toiture pour développer l’installation et assurer une plus grande production d’électricité. Pour poursuivre son déploiement, ce projet expérimental de mise en place d’une CER attend les avancées législatives en la matière, à savoir les arrêtés d’éxécution relatifs au décret permettant le partage d’énergie renouvelable au sein d’une communaut d’énergie citoyenne.
Les travaux de rénovation énergétique de l’école communale Sart dame D’avette située à Flémalle ont été facilités par RENOWATT et ont bénéficié de subsides (sur les postes éligibles) UREBA CLASSIQUE (version 2019).
, facilitateur de la rénovation énergétique en Wallonie.
https://renowatt.be
Pour atteindre les objectifs européens en matière de climat et d’énergie (- 55 % de gaz à effets de serre d’ici 2030), et encourager les collectivités locales à entreprendre des rénovations favorisant l’efficacité énergétique, le projet RenoWatt fournit une assistance globale aux autorités locales pour les épauler dans la rénovation énergétique de leurs bâtiments. Il leur permet :
d’identifier les bâtiments à rénover ;
de préparer un projet de rénovation énergétique de bâtiments publics (y compris en intégrant les subventions régionales) ;
de lancer les marchés publics nécessaires en vue de conclure des contrats de performance énergétique, négocier avec les entreprises et faciliter l’attribution de ces marchés par les pouvoirs publics.
Les 6 étapes du processus RenoWatt
RenoWatt, une initiative du Gouvernement wallon, est un guichet unique qui réalise des audits énergétiques et des études techniques en vue de conclure des marchés de services et de travaux pour la rénovation des bâtiments publics, que ce soit au travers de marchés Design and build (D&B) ou de contrats de performance énergétique (CPE). Dans le cas de l’école de Sart D’Avette, il s’agit d’un projet Design and build.
Actuellement, RenoWatt compte près d’une centaine d’adhérents (villes, communes, provinces, zones de secours et de police, hôpitaux, …) et continue d’être sollicité pour apporter son expertise à d’autres pouvoirs publics. Elle est soutenue par le programme d’investissement ELENA, initiative conjointe de la Banque européenne d’investissement (BEI) et de la Commission européenne dans le cadre du programme Horizon 2020.
La commune de Flémalle a décidé de réaliser des travaux de rénovation dans plusieurs bâtiments, en vue de diminuer leur consommation énergétique et d’améliorer le confort des occupants. La majorité des bâtiments sont des écoles où le confort revêt un intérêt particulier. C’est dans ce cadre que la commune de Flémalle a adhéré à la centrale de marchés RenoWatt, et a intégré les bâtiments suivants, qui bénéficieront donc d’un programme de rénovation énergétique (liste de travaux non-exhaustive) :
École Sart d’Avette (cas d’étude de cet article) : travaux d’isolation des façades, toitures et plafond, remplacement des châssis, réfection de la toiture, ainsi que des investissements sur les équipements techniques (ventilation).
École Jean Beulers : remplacement des chaudières, des circulateurs et de la régulation des systèmes de ventilation, ainsi que l’installation de panneaux PV.
École des Awirs : remplacement de la chaudière, isolation des combles et des toitures plates, ainsi que la rénovation de ces dernières, installation de panneaux PV et de compteurs, …
Service Travaux : installation de compteurs, remplacement des circulateurs, relighting LED, …
E-pole : remplacement des chaudières, installation de compteurs, relighting LED, …
Ces 5 bâtiments totalisant une surface chauffée de 9 907m² et ambitionne de voir leur consommation en énergie primaire diminuer de 33 % en moyenne pour le lot CPE et de 73 % pour le lot D&B, et leur impact CO2 de 34 % en moyenne pour le lot CPE et de 73 % pour le lot D&B, pour un montant total de marchés attribués de : 1 398 961 € TVAC.
Dans le cas de l’école Sart D’Avette, l’avis de marché relatif à la publication des guides de sélection a paru en août 2019 et la commande des travaux a eu lieu en avril 2022. Entre-ces deux dates, les différentes étapes liées à la passation de marchés publics ont été franchies, une entreprise locale spécialisée a été désignée pour réaliser ces travaux.
Programme Ureba
Le projet de rénovation bénéficie d’un subside UREBA classique 2019. UREBA est un programme de subvention de rénovation des bâtiments publics. Les bases légales de ce programme datant respectivement de 1993 et de 2003, une actualisation des conditions d’éligibilité étaient nécessaire. C’est chose faite depuis octobre 2022. Voici un bref aperçu des modifications de conditions :
Types de travaux : Les travaux subsidiés sont plus nombreux et le taux d’intervention financière plus important. Précédemment, le taux de subside était de 30 % des dépenses éligibles, la réforme monte le taux à 40 % des dépenses éligibles. Une surprime est prévue si le projet atteint des niveaux élevés d’efficacité énergétique, dans ce cas, la couverture atteint jusque 52 %. L’utilisation de matériaux bio-sourcés est également valorisée.
Il y a également un incitant financier pour les projets qui vont plus loin en matière de rénovation. Concernant les travaux sur les systèmes de chauffages, seuls les moyens de chauffage renouvelables peuvent faire l’objet d’une demande de subsides (comme une pompe à chaleur ou une chaudière biomasse, par exemple). Les systèmes qui recourent à des énergies fossiles ne sont plus financés.
Introduction des demandes : Les demandes peuvent être introduite à l’aide d’un dossier simplifié, à tout moment, sans devoir respecter une date de dépôt précise.
Voici un tableau comparatif des exigences du programme UREBA classique version 2019 (celle correspondant à ce cas d’étude) et celles de la version actualisée en vigueur depuis octobre 2022.
UREBA Classique 2019
UREBA Classique depuis octobre 2022
L’isolation thermique des parois du bâtiment doit permettre d’atteindre
– Soit des coefficients globaux de transmission inférieurs ou égaux aux valeurs suivantes ;
– Soit des coefficients de résistance thermique supérieurs ou égaux aux valeurs suivante :
Parois de la surface de déperdition du bâtiment
Umax (W/m²K)
Ou Rmin (m²K/W)
Paroi délimitant le volume protégé
Umax
a. Vitrage
En outre, l’ensemble châssis et vitrage présentera un coéfficient de transmission inférieur à
Umax 1.1
Umax 1.8
Fenêtres
Vitrage uniquement
Ensemble châssis et vitrage
Murs – rideaux
Vitrage uniquement
Ensemble châssis et vitrage
Parois transparentes / translucides autres que le verre
– Partie transparente
– Ensemble châssis et partie transparente
1,1
1,5
1,1
2
1,4
2
b. Portes
Umax 2
Portes
2
En cas de remplacement de châssis ou portes, les exigences reprises à l’annexe C3 de l’arrêté du 15 mai 2014 portant sur l’exécution du 28 novembre 2013 relatif à la performance énergétique des bâtiments doivent être respectées pour les amenées d’air dans les locaux
Le coéfficient de résistance thermique R de l’isolant ajouté sera supérieur ou égal aux valeurs suivantes :
Parois délimitant le volume protégé
Rmin de l’isolant ajouté
c. Murs et parois opaques
1° non en contact avec le sol, à l’exception des murs visés au 2°
2° en contact avec un vide sanitaire ou avec une cave en dehors du volume protégé
3° en contact avec le sol
Umax 0.32
Rmin 1.2
Rmin 1.3
Mur
6
d. Toiture ou plafond séparant le volume protégé d’un local non chauffé non à l’abri du gel
Umax 0.27
Toiture ou plafond
6
plancher
4
Objet des travaux de rénovation énergétiques entrepris
Dans ce projet de rénovation « design et build » de l’école communale de Sart d’Avette, il s’agissait d’améliorer la performance énergétique du bâtiment sans repenser la conception du bâtiment. Cette rénovation consiste donc à remplacer des éléments du bâtiment par de nouveaux éléments semblables mais plus performants du point de vue énergétique.
Dans cette optique :
Remplacement du recouvrement de la toiture (+ nouvelle étanchéité par la pose d’une sous-toiture).
Isolation de la toiture par le plancher des combles. / Umax = 0,2W/m².K.
Isolation et pose de crépis sur isolant des murs (440 m²). Umax < 0.24 W/m².K.
Remplacement des châssis double vitrage anciens (292 m²) par de nouveaux châssis Uw < 1.5 W/m².K.
.Installation d’un système de ventilation ( système C)
OAR montée sur châssis + système extraction d’air mécanisée décentralisé (individualisé, un dans chaque local) asservi à une sonde CO2.
C’est donc une rénovation « simple » qui met en évidence l’interrelation entre l’amélioration de l’enveloppe du bâtiment par l’isolation de la toiture, le remplacement des châssis – qui par voie de conséquence rendent le bâtiment plus étanche à l’air – et l’installation d’un système de ventilation pour assurer le renouvellement d’air. Ce trio indissociable « isolation – étanchéité à l’air – ventilation » entre en ligne de compte même dans le cas d’une rénovation simple puisque, par voie de conséquence, des travaux sur l’un des aspects de ces trois aspects entraînent les deux autres.
L’étanchéité à l’air recouvre :
l’étanchéité intrinsèque des composants ;
l’étanchéité des joints linéaires, à la jonction entre les murs et la toiture, par exemple ;
l’étanchéité des traversées ponctuelles : sortie de la ventilation sanitaire en toiture, par exemple, qui constituent autant de points critiques.
Au niveau de la candidature, voici les performances énergétiques annoncées.
Marché
Surface
Consommation
avant travaux
Consommation
après travaux
Performance
après travaux
Investissement
Gaz
Gaz
Energie
primaire
Emission
de GES
Montant
du marché
m²
kWhEF/an
kWhEF/an
%
%
€TVAC
D&B
880
193 500
52 156
73
73
490 624
Source: dossier de candidature
Rénovation de la toiture et isolation par le plancher des combles
Nouvelle couverture de toiture + pose d’une sous-toiture.
Amélioration de l’enveloppe par l’isolation du toit via le plancher des combles
Isolation des combles (460 m²)
vérification des conditions Ureba au moment de l’introduction de la demande (2019).
Isolation des combles
Lambda [W/k/m]
e [mm]
U [W/K/m²]
R [K.m²/W]
Dalle béton
1,7
82
21,25
0,05
Laine minérale
0,035
200
0,18
5,71
Résistance
superficielles
0,34
Total
0,16
6,10
Critère Ureba
Toiture ou plafond séparant le volume protégé d’un local non chauffé non à l’abri du gel : U<=0,27 -> OK
source = bureau d’étude du projet.
Le cahier des charges impose que la réglementation PEB soit respectée. La valeur U des toitures n’excéde donc jamais 0.2 W/m².K, ou 0.24 W/m².K pour les autres parois.
La pose continue d’une couche homogène de 20 cm de laine minérale sur le plancher des combles permet donc de satisfaire la norme PEB et rencontre également les exigences du programme UREBA classique telles qu’elles étaient au moment de l’introduction de la demande.
Par contre, si la demande était à nouveau introduite via le programme UREBA actualisé (depuis octobre 2022) qui stipule que le coefficient de résistance thermique R de l’isolant ajouté sera supérieur ou égal 6 ; les 20 cm de laine minérale ne suffisent plus car la résistance thermique affichée pour ces 20 cm est de 5,70. Pour satisfaire cette exigence renforcée, il faudra pour un même matériau viser une épaisseur plus grande (22 cm minimum) ou une valeur U inférieure à 0,035. > La résistance thermique d’une couche de matériau
Pour aller plus loin
Si le choix de la laine minérale comme isolant (ep = 20 cm) permet de rencontrer les exigences PEB, au niveau de la performance environnementale il existe des alternatives biosourcées plus écologiques. La performance environnementale n’est pas encore réglementée comme la PEB mais compte tenu des objectifs de décarbonation à atteindre dans les prochaines décennies, sa prise en compte émerge dans les différents nouveaux appels à projets et plans de subventionnement (Plan de relance européen, Plan d’investissement exceptionnel à venir, Ureba exceptionnel 2022, Ureba classique actualisé,…)
A titre indicatif, voici quelques valeurs comparatives de l’énergie moyenne nécessaire à la fabrication de certains isolants.
Energie grise de différents isolants thermiques :
fibres de lin (0,038 W/mK)
fibres de chanvre (0,038 à 0,042 W/mK)
cellulose de bois ( 0,038 W/mK)
laine de mouton (0,039 à 0,042 W/mK)
laine de roche (0,033 à 0,042 W/mK)
Perlite (0,040 à 0,060 W/mK)
laine de verre (0,030 à 0,046 W/mK)
argile expansé (0,09 à 0,16 W/mK)*
panneau de liège (0,040 à 0,042 W/mK)
polystyrène expansé PSE (0,038 à 0,030 W/mK)
polystyrène extrudé XPS (0,029 à 0,035 W/mK)
mousse de polyuréthane PUR (0,021 à 0,028 W/mK)
panneau fibre de bois (tendre) (0,036 à 0,055 W/mK)
Evacuation de l’isolant d’époque (ancienne couche de quelques centimètres de laine minérale) par une nouvelle couche de 20 cm de laine minérale (lamda = 0,035 W/K/m) + pose d’un pare-vapeur adapté du côté chaud de l’isolant.
livraison de l’isolant (laine minérale) en rouleaux
Dépose des anciens châssis (double vitrage ancienne génération)
Livraison des nouveaux châssis
290 m² environ, soit :
– 25 châssis côté cour,
– 24 châssis côté arrière
– 12 châssis dans les circulations et locausanitaires ;
– 2 portes d’entrées du bâtiment.
Dormant
Dormant 70 mm Living MD
Renforcement total
Oui
Type d’évacuation
A face
Vitrage demandé
DV feuilleté clair 33.2/15/33.2 U=1,0 W/m²K
Parclose
Parcloses rondes MD
Ouvrant
Fixe simple cadre Living MD
Parclose
Parcloses rondes MD
Coefficient thermique
Uw = 1,14 W/m².K
Dormant
Dormant 70 mm Living MD
Renforcement total
Oui
Type d’évacuation
A face
Traverse
Traverse dormant 92 mm Living MD
Vitrage demandé
DV feuilleté clair 4/15/33.2 U=1,0 W/m²K
Parclose
Parcloses rondes MD
Ouvrant 1
Fixe simple cadre Living MD
Parclose
Parcloses rondes MD
Aérateur
Aérateur AR75
Position commande
A gauche
Débit
S 56 m³/H/m
Ouvrant 2
Ouvrant 83 mm 1 vantail LIVING
Parclose
Parcloses rondes MD
Avec rejet d’eau
Non
Quincaillerie
OB1 Concept PVC (Oscillo-battant)
— Quincaillerie —
0
Type de crémone
GAM milieu
Choix sécurité
Basis +
Position variable
0
Couleur de la poignée par défaut
Blanc
Couleur de la poignée par défaut
Blanc
Coefficient thermique
Uw = 1,08 W/m².K
Dormant
Dormant 70 mm Living MD
Renforcement total
Oui
Type d’évacuation
A face
Vitrage demandé
DV feuilleté clair 4/15/33.2 U=1,0 W/m²K
Parclose
Parcloses rondes MD
Ouvrant
Fixe simple cadre Living MD
Parclose
Parcloses rondes MD
Coefficient thermique
Uw = 1,18 W/m².K
Système C+ décentralisé
Aucune ventilation n’était présente avant les travaux de rénovations entrepris. L’école a décidé d’installer une ventilation de type C+ afin d’améliorer la qualité de l’air et de diminuer le temps de surchauffe. Un système individualisé de ventilation est prévu dans chaque local, pour permettre que toute classe fonctionne de manière optimale en fonction de son occupation réelle ! Ce système est constitué de :
Un groupe d’extraction à vitesse variable de 0…240 à 800 m³/h et entraînement direct du ventilateur par moteur EC. Une commande locale reste accessible à l’occupant en cas de nécessité. Position soit murale soit en plafonnier ;
un gainage de pulsion ;
une gaine de prise d’air ;
un rejet d’air équipé d’un anti-retour pour limiter les
entrées d’air parasites dû à la mise en pression des
façades ;
une prise d’air équipée d’un anti-retour pour limiter les
entrées d’air parasites dû à la mise en pression des
façades ;
une sonde CO2-Température pour la commande directe du groupe d’extraction.
L’implantation prévue est la suivante, en considérant 7 classes et le réfectoire !
Avantage du système indépendant par classe :
Faible gainage, donc consommation électrique très faible
Système très compact et fiable – 1 seul appareil actif.
Système avec commande locale pour dérogation de l’occupant.
Système complètement autonome sans horloge ni commande externe.
La surchauffe d’une classe n’impacte pas les autres.
Pas d’effet téléphone entre les locaux, pas d’impact sur la transmission de bruits entre classe.
Pas de gainage en dehors de ces locaux.
Un atténuateur de bruit est prévu pour éviter une hausse du bruit ambiant général.
Objectif : NR35-40. Cependant le bruit généré est fonction du nombre d’occupant et donc en symbiose avec le bruit ambiant.
Le système accélère en fonction du taux de CO2 ou de la température, (fonctionnement en refroidissement), en comparant les 2 signaux.
Seule une alimentation électrique doit être prévue par classe.
Via le témoignage de Tanguy Boucquey, responsable du bureau d’études Bâtiment Energie à Ottignies LLN, les 3 systèmes de ventilation expliqués aux responsables énergie.
Dans ce dossier adressé aux responsables énergies, aux concepteurs et gestionnaires de bâtiments scolaires et aux bureaux d’études, vous trouverez un ensemble d’articles théoriques et d’outils pour vous guider dans la rénovation des bâtiments scolaires dans le but d’approcher au plus près la neutralité carbone fixée par le Green Dealà l’horizon 2050.
Beaucoup de documentation se trouve déjà sur le site “Rénover mon école” et dans le “Guide de la rénovation soutenable des bâtiments scolaires” mais l’intention ici est de hiérarchiser les actions à mener sous forme d’une feuille de route adaptée au cas particulier des bâtiments sur lesquels vous vous pencherez.
De plus, à la différence de ces deux outils existants, nous proposons dans ce dossier une approche des projets de rénovation dans une démarche zéro-carbone. La neutralité carbone de nos écoles d’ici 2050 est absolument nécessaire afin d’atteindre les objectifs européens.
Le processus hiérarchique peut contribuer à réduire la complexité de la réalisation d’un projet de rénovation. Il permettra de donner la priorité aux considérations les plus importantes à chaque étape de la conception plutôt que de les considérer toutes ensemble comme dans un modèle « plat ». Cette priorisation des démarches de rénovation permet aux gestionnaires de projets d’avoir plus de flexibilité et de répartir les interventions et le budget sur une vision à long terme.
Nous détaillons dans les articles ci-dessous la priorisation que nous en faisons, tenant compte de la répartition des émissions carbone dans le parc scolaire ainsi que des besoins spécifiques des fonctions propres aux bâtiments scolaires.
Dans le cas de rénovations partielles, il faut identifier les priorités d’action et la bonne séquence de travaux. Se référer à un plan, avec un objectif clair, est indispensable pour cela. Pour garantir la santé et le bien-être et éviter des désordres constructifs, la qualité d’air doit être le premier objectif. Ensuite viennent l’économie d’énergie, puis le basculement vers des formes d’énergie décarbonée.
Pour aider à la sélection, il est possible de les regrouper par « familles » et d’en tirer leurs propriétés communes.
On distingue les compresseurs par le mode de compression :
Le compresseur volumétrique, oùla compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à piston, à vis, à spirales (compresseurs scroll) et des compresseurs rotatifs.
Le compresseur centrifuge, où la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur.
On les distingue également par l’association moteur-compresseur :
Le compresseur ouvert, où le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L’accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques…) ne compensent pas le défaut majeur de l’existence d’un joint d’étanchéité rotatif à la traversée du carter par l’arbre. Ce joint, qui doit être lubrifié pour assurer l’étanchéité, est source de fuites… inacceptables aujourd’hui dans un contexte « zéro-fuite ».
Le compresseur hermétique, où moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n’est plus possible de réparer… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur.Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, …
Le compresseur semi-hermétique, qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l’étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique.Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances.
Critères énergétiques de sélection parmi les différents types de compresseur
Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés. Le tableau ci-dessous (valeurs recommandées par le standard ARI) permet d’apprécier globalement la performance que l’on peut attendre des différents types de compresseurs :
Type d’équipement
COP min. recommandé (kWr/kWe)
Groupes de production d’eau glacée à pistons
A refroidissement par air
– Jusqu’à 100 kWr
– Supérieur à 100 kWr
A refroidissement par eau
– jusqu’à 10 kWr
– Supérieur à 10 kWr
3,0
3,0
3,7
4,0
Groupes de production d’eau glacée à vis
A refroidissement par air
A refroidissement par eau
– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr
4,5
4,6
5,0
Groupes de production d’eau glacée centrifuges
A refroidissement par air
– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr
A refroidissement par eau
– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr
3,8
3,84,5
4,7
Conditions standard ARI 550/590-98. Exemple : pour groupes de production d’eau glacée, température départ eau glacée = 6,7°C ; température entrée condenseur à eau = 29,4°C / à air = 35,0°C.
Comment choisir ?
Globalement, la tendance actuelle est :
à l’abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à piston),
au développement des machines tournantes, à came rotative, à spirale rotative (scroll) ou à vis.
Le compresseur à vis …
… et la vis en question !
Compresseur scroll.
Les avantages portent :
sur une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité,
un rendement volumétrique d’un compresseur assez bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons,
une meilleure modulation de puissance,
une plus grande longévité,
un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques,
une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide (« coups de liquide » destructeurs des compresseurs à pistons),
un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.
Pas de secret : leur coût d’achat est encore plus élevé…
On choisira des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques pour atteindre l’objectif zéro-fuite de fluide frigorigène, objectif qui sera un jour obligatoire au niveau réglementaire.
La puissance frigorifique à atteindre constitue un critère de choix de départ, mais la sélection d’un compresseur demande une vue globale sur les typologies disponibles en fonction de la puissance frigorifique et sur le mode de régulation de puissance. Un camion peut être très performant, mais s’il est trop puissant, il n’atteint pas la performance de 2 camionnettes…
Dans le tableau synthèse de sélection, on trouvera les deux critères rassemblés.
Critères énergétiques de sélection du compresseur lui-même
Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera « pour rien » puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l’orifice de refoulement jusqu’à atteindre la pression de condensation.
La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l’installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.
Le concepteur choisira un « rapport de volume interne » (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d’un rapport entre les volumes à l’entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d’utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d’entraînement possible.
Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable. Le taux de compression s’adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d’évaporation.
Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu’à charge partielle.
L’insertion d’un économiseur (ou « superfeed » ou « suralimentation »)
Le fonctionnement technique de l’économiseur dépasse la portée de nos propos, mais le principe de base consiste à injecter une quantité de fluide frigorigène supplémentaire dans le compresseur, à une pression intermédiaire entre la pression de condensation et d’aspiration.
La puissance frigorifique en est nettement améliorée alors que la puissance absorbée n’augmente que légèrement.
On rencontre différentes modalités d’application de ce principe dans trois technologies de compresseur :
Dans les compresseurs à vis, où un orifice est prévu dans la paroi du stator pour injecter du fluide juste après la phase d’aspiration.
Dans les compresseurs rotatifs à palettes multiples, où une augmentation de 10 % de la puissance absorbée, génère de 20 à 30 % de la puissance frigorifique, suivant le régime de fonctionnement.
Dans les compresseurs centrifuges, où ce système est prévu par certains constructeurs lorsque le compresseur comporte deux roues. Les gaz supplémentaires sont injectés à l’entrée de la deuxième roue où ils se mélangent aux gaz refoulés de la première roue. Même si la puissance absorbée augmente, le coefficient de performance en est accru. On cite par exemple un COP accru de 6 % pour une température d’évaporation de 0°C et une température de condensation de 40°C.
Refroidisseur de liquide à compresseur centrifuge de 3 900 kW.
Prévoir dès le départ la mesure du COP de l’installation :
Pour la bonne gestion future d’une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d’énergie sur l’eau glacée et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l’ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d’imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance… en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect.
Choix de la technique de régulation de puissance
La puissance de la machine frigorifique a été dimensionnée pour répondre aux conditions de fonctionnement extrêmes (période de canicule), sans compter les surdimensionnements liés aux incertitudes d’occupation.
La première économie consiste à évaluer au plus près la puissance frigorifique nécessaire car la machine frigorifique s’adapte mal aux bas régimes. Chaque palier de diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne ! Pour vérifier les ordres de grandeur dans un cahier des charges, un ratio (très approximatif !) de 100 W/m² peut situer les besoins d’un bureau. La puissance totale du bâtiment ainsi trouvée sera multipliée par 2/3 pour tenir compte de la non-simultanéité des besoins.
Ensuite, il faut choisir une régulation qui lui permette de répondre à des besoins généralement beaucoup plus faibles que la valeur nominale et fluctuant dans le temps.
Diverses techniques de régulation sont possibles :
la régulation par « tout ou rien » (marche/arrêt ou pump-down),
la régulation progressive de la pression d’évaporation,
la régulation par « étages »,
la régulation par cascades (ou « centrales »),
la régulation par variation de vitesse ou « INVERTER »,
la mise hors-service de cylindres,
le by-pass des vapeurs refoulement-aspiration,
l’obturation de l’orifice d’aspiration,
la régulation par injection des gaz chauds,
la régulation « par tiroir » des compresseurs à vis,
la prérotation du fluide frigorigène dans les turbocompresseurs.
Les investissements dans une régulation performante sont très rentables. Le supplément de prix demandé par l’installation de plusieurs unités en cascade (centrale) ou d’unités avec un réglage fin de la production (turbocompresseurs et compresseurs à vis avec régulation de l’aspiration) est rapidement compensé par les économies d’énergie réalisées. Un surcroît d’investissement de 10 à 15 % génère de 20 à 30 % d’économie d’énergie.
Le découpage de la puissance
Classiquement, la solution consiste à répartir la puissance :
soit en choisissant un compresseur à plusieurs étages (= plusieurs cylindres ou plusieurs pistons),
soit en créant une cascade entre plusieurs compresseurs (= compresseurs en centrales).
Le choix d’un compresseur à plusieurs étages est réservé aux machines frigorifiques utilisées en congélation. Suite à la très basse température de l’évaporateur, la différence des pressions à vaincre par le compresseur est fort élevée. Il est alors très utile de décomposer la compression en deux étapes : c’est le rôle du compresseur bi-étagé. On choisit également ce système lorsque la température de refoulement des gaz comprimés devient trop élevée : c’est par exemple le cas de l’ammoniac.
Par contre, en climatisation, un montage en parallèle de plusieurs machines (montage « en centrale ») est simple et fiable puisque les machines restent indépendantes.
Compresseurs alternatifs
montés en tandem.
La variation progressive de la puissance est énergétiquement favorable puisqu’aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement.
Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine, mais imaginerait-on d’installer une grosse chaudière sans prévoir une cascade pour reprendre les faibles besoins de la mi-saison ?
Un découpage de la puissance en étages est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes.
Il en résultera :
Un gain sur les kWh (énergie) :
car le « petit » compresseur alimentera un condenseur surdimensionné pour ses besoins, d’où une pression de condensation plus basse,
car le rendement du moteur du compresseur sera amélioré.
Une longévité accrue de l’installation par un fonctionnement plus régulier.
Une sécurité d’exploitation.
Un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facturée par la société distributrice.
En général, on établit les enclenchements en cascade sur base de l’évolution de la température de retour de la boucle d’eau glacée, température qui constitue une image des besoins du bâtiment. Le tout est temporisé de telle sorte que les compresseurs ne s’enclenchent pas tous les uns à la suite des autres.
Une bonne solution peut être également de réguler en fonction de la température du ballon-tampon, lorsqu’il est existant.
Pourquoi un ballon tampon ? Un compresseur ne peut démarrer et s’arrêter trop fréquemment sous peine de s’échauffer. Pour prolonger la durée de vie du matériel en diminuant le nombre de démarrages, le constructeur prévoit un « anti-court cycle », c’est-à-dire la temporisation du redémarrage si l’installation vient de s’arrêter. La présence du ballon tampon amplifie l’inertie thermique de l’installation, prolonge la durée de fonctionnement du compresseur, améliore le rendement du compresseur et supprime le risque qu’il soit bloqué par l’anti-court cycle.
On dimensionne un ballon tampon de telle sorte que son stockage corresponde à 5 à 10 minutes de la consommation en eau.
La variation de vitesse du compresseur
C’est une autre solution avantageuse en plein développement : soit un moteur d’entraînement à deux vitesses, soit un entraînement à vitesse variable. Cette dernière technique est sans aucun doute à recommander actuellement. Le régime de vitesse s’adapte à la puissance de réfrigération souhaitée. Par exemple, un variateur de fréquence génère une tension dont la fréquence varie entre 20 et 60 Hz. S’il s’agit d’un moteur prévu pour fonctionner à 1 500 tours à 50 Hz, il tournera entre 600 et 1 800 tours/min selon les besoins.
Pourquoi la limitation à 20 Hz ? Un défaut de lubrification du compresseur peut apparaître à basse vitesse, mais les constructeurs améliorent les systèmes régulièrement et trouvent des solutions.
Cette technique de variation de puissance par la variation de vitesse du compresseur (encore appelée INVERTER) entraîne :
un confort élevé (bonne stabilité de la température à l’évaporateur car régulation de la pression à l’aspiration du compresseur),
un rendement énergétique supérieur aux autres techniques de régulation de puissance, car on ne détruit pas le rendement volumétrique, on givre moins (en chambre frigorifique), on limite les dépassements de consigne de régulation propres aux systèmes de régulation tout ou rien (liés au différentiel de régulation),
une réduction du bruit et des vibrations,
un cos phi élevé (entre 0,95 et 0,98), ce qui permet d’éviter des pénalités ou le placement de condensateurs de compensation.
Le supplément de coût (si un compresseur coûte 100, sa version avec variateur de vitesse tournera entre 150 et 180) sera rapidement amorti par l’économie d’exploitation. Il ne sera plus nécessaire de prévoir un démarrage « étoile-triangle » puisqu’un démarrage « en douceur » est réalisé par le variateur.
A priori, les différents types de compresseurs peuvent être équipés de cette technique (exceptés les petits compresseurs hermétiques), mais s’il s’agit de greffer un variateur sur un matériel existant, une consultation préalable du fabricant sera bienvenue (risque de défaut de lubrification).
Cette technique est également intéressante pour les compresseurs à vis (énergétiquement plus efficace que la régulation par tiroir), mais des troubles de lubrification et un échauffement du moteur peuvent apparaître à vitesse réduite.
La mise à l’arrêt de cylindres
Méthode assez répandue parmi les techniques de découpage de la puissance, il est possible de jouer avec la mise hors-service des cylindres (ce qui peut s’adapter sur une installation existante).
Avantage : pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.
Inconvénients :
Ce réglage est énergétiquement moins favorable; les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 %, par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.
La variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance).
L’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.
L’obturation de l’orifice d’aspiration
À cet égard, le réglage par un étranglement dans la conduite d’aspiration n’est pas meilleur. On modifie alors la puissance de réfrigération en agissant sur le débit du réfrigérant.
L’injection des gaz chauds
Quant au réglage de la puissance du compresseur par injection des gaz chauds dans l’évaporateur ou à l’entrée du compresseur, il faut le qualifier de « pur anéantissement d’énergie ». Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, ils provoquent un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système aberrant hors service dans les installations existantes.
C’est le compresseur qui travaille sur lui-même. On pourrait tenter l’image suivante : une pompe remonte de l’eau de la cave vers le rez-de-chaussée. Si l’eau vient à manquer, on risque de faire caviter la pompe. Aussi, on décider de redescendre de l’eau vers la cave, de réinjecter de l’eau supplémentaire à l’entrée de la pompe. Ainsi, on est sûr que le débit de la pompe restera suffisant !
Attention à l’injection de gaz chauds rencontrée en climatisation sur des groupes avec un compresseur n’ayant pas de système interne de régulation de puissance, utilisé sur des petits chillers et des systèmes à détente directe (roof-top, par exemple) : c’est absolument à proscrire.
(A ne pas confondre avec le dégivrage par injection de gaz chauds, qui est par contre une technique très efficace de dégivrage).
Tableau synthèse de sélection
L’importance d’une mesure préalable !
La mise en place d’une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, si le choix d’un compresseur doit être fait en vue du remplacement d’une machine existante, on placera un simple compteur horaire sur l’alimentation électrique du compresseur actuel pour ainsi connaître son temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Cela permettra de mieux choisir la nouvelle machine frigorifique.
Si l’installation doit vaincre les apports d’une machine spécifique à enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut être trompeuse : à certains moments, c’est la puissance totale qui est demandée, et zéro le reste du temps… Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.
Type de compresseur
Plages de puissance
(kW frigorifiques)
Régulation adaptée
Compresseur rotatif
10 W maximum
(climatiseurs individuels,
petits refroidisseurs d’eau)
Variation de la vitesse de rotation
Régulation admission gaz à l’aspiration
La tendance est d’associer deux ou plusieurs compresseurs sur une même machine
(*)
Compresseur scroll
de 3 à 40 kW par compresseur
(mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs)
Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en « centrale »
Compresseur à piston
Ouvert
quelques dizaines de kW à plus de 1 000 kW
Étanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd’hui
Semi-hermétique
de quelques dizaines de kW à quelques centaines de kW
Un compresseur à plusieurs étages
ou plusieurs compresseurs en cascade (« centrale »)
Variation de la vitesse de rotation
Hermétique
de quelques kW à plusieurs dizaines de kW
Régulation type « marche/arrêt » commandée par thermostat d’ambiance ou sur circuit d’eau.
Tendance actuelle : plusieurs compresseurs en cascade (« centrale »)
Compresseur à vis
de (20) 100 à 1 200 kW
Excellente fiabilité et longévité
Modulation de puissance par « tiroirs » très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP par la régulation « par tiroirs », du moins au-dessus de 50 % de la puissance.
Compresseur centrifuge (ou turbo-compresseur)
de (600) 1 000 à 4 000 kW
Modulation de puissance optimale limitée à 35 %, par prérotation du fluide frigorigène à l’entrée de la roue.
(**)
(*) pour les compresseurs rotatifs, la modulation de puissance s’opère par modification du débit de fluide frigorigène, soit en faisant varier la vitesse de rotation du compresseur, soit en régulant l’admission des gaz à l’aspiration. Le rendement énergétique est sensiblement conservé à charge partielle, ce qui constitue un avantage important. Pour la même raison que pour les compresseurs à pistons, la tendance est d’associer deux ou plusieurs compresseurs sur une même machine.
(**) Pour les turbocompresseurs,
La variation de la vitesse de rotation ne peut se faire que sur une plage limitée et avec une diminution de rendement du compresseur. Concrètement, la variation de vitesse par moteur asynchrones triphasés est encore onéreuse, aussi la régulation par variation de vitesse n’est envisagée que lorsque le turbo compresseur est entraîné par une turbine à vapeur.
La régulation par modification des pressions du cycle est parfois rencontrée (augmentation de la pression de condensation par augmentation de la température au condenseur, et diminution de la température à l’évaporation en créant une perte de charge à l’aide d’un volet). cette technique est désastreuse sur le plan énergétique. Tout autant que la régulation par injection de gaz chauds à l’aspiration.
Remarque. Choisir un compresseur performant, c’est bien. Le placer dans un environnement favorable, c’est mieux. En pratique, on sera très attentif aux assembliers qui proposent
« un échangeur + un compresseur + un échangeur ». L’ensemble forme une machine frigorifique, certes, mais les pertes de charge liées aux échangeurs sont parfois très élevées pour le compresseur, ce qui augmente fortement sa consommation !On choisira de préférence une installation globale, montée d’usine et dont le fabricant garantit la performance globale.
Critères acoustiques
En local technique
C’est le compresseur qui génère le plus de bruit, il est donc toujours préférable de le placer en local technique lorsque l’on dispose d’un espace suffisant, tandis que le condenseur refroidi par air est placé en terrasse. Cette solution est la plus adaptée en ce qui concerne la diminution des nuisances sonores vers l’extérieur du bâtiment.
Lorsque les compresseurs sont placés en local technique, ils masquent tous les bruits de détente ou de circulation interne des fluides dans la machine. Pour diminuer les nuisances acoustiques du compresseur, il faut mettre en place les dispositifs suivants :
Mettre un capot acoustique sur la machine.
Prévoir une dalle flottante équipée d’isolateurs à ressorts.
Placer des plots en élastomère entre la machine et la dalle flottante.
Si le groupe évaporateur/compresseur est implanté au-dessus de locaux occupés, on peut placer un matelas de laine de verre entre la dalle flottante et le socle de propreté de la machine.
N.B. : la suspension anti-vibratile des compresseurs peut ne pas être suffisamment efficace car les compresseurs sont reliés aux autres éléments de façon rigide. Ainsi, on utilisera des manchettes souples pour relier l’évaporateur aux canalisations du réseau hydraulique.
En terrasse
Si on ne dispose pas d’un local de service, évaporateur, compresseurs et condenseur seront placés en terrasse. Mais, sur le plan acoustique, ce type de disposition est toujours à éviter.
Dans tous les cas, il faudra éloigner au maximum les compresseurs de tous les plaignants potentiels.
Remarquons que l’éloignement de la machine impose des longueurs de canalisations plus importantes, ce qui peut avoir une influence sur le dimensionnement des équipements (collecteurs, pompes, …) et augmenter le coût de l’installation.
Il faudra éviter de placer les compresseurs à proximité de parois qui pourraient augmenter sa directivité vers une zone sensible. Au contraire, il faudra envisager de placer la machine de façon à la cacher derrière un obstacle. Ainsi, en terrasse, on pourra placer la machine derrière la cabine d’ascenseur ou profiter de la présence de l’armoire électrique de la machine, par exemple.
Remarque.
Si la réduction des nuisances acoustiques est un critère important, le placement d’un variateur de vitesse sur le compresseur (qui se justifie déjà pour des raisons énergétiques) est incontournable.
Certains variateurs peuvent être paramétrés pour « sauter » la(les) gamme(s) de fréquence qui génère(nt) des vibrations du compresseur (fréquences de résonance de la machine). Simplement, il ne s’arrête pas sur ces fréquences critiques.
À titre d’exemple, voici quelques niveaux sonores donnés par un fabricant de groupes refroidisseurs de liquide (pression sonore mesurée à 10 m en champ libre en dBA).
– machines équipées de compresseur scroll hermétique :
Puissance comprise entre 17 et 35 kW : 43 dBA
Puissance comprise entre 38 et 100 kW : 55 dBA
Puissance comprise entre 101 et 200 kW : 61 dBA Puissance comprise entre 201 et 245 kW : 65 dBA
– machines équipées de compresseur à piston semi-hermétique :
Puissance comprise entre 245 et 540 kW : 57 dBA
Puissance comprise entre 541 et 740 kW : 60 dBA
– machines équipées de compresseur à vis :
Puissance comprise entre 280 et 600 kW : 68 dBA
Puissance comprise entre 601 et 1215 kW : 71 dBA
À l’état naturel, le sous-sol garde une température constante de l’ordre de 10 … 12 °C à partir d’une profondeur d’une dizaine de m.
On peut donc logiquement imaginer que celui-ci puisse servir de source naturelle de froid. Il suffirait qu’un réseau véhiculant un fluide caloporteur le parcoure pour produire de l’eau à température adéquate pour refroidir un bâtiment.
On appelle cela du « géocooling ».
De même, une température de 10 .. 12 °C plus élevée et plus stable que la température extérieure hivernale est une température intéressante pour servir de source froide à une pompe à chaleur, en l’occurrence sol/eau, pour chauffer le bâtiment en hiver.
On parle alors de « géothermie ».
Refroidissement en été et chauffage en hiver vont d’ailleurs souvent de pair. En effet, si en été on extrait du « froid » du sol, ce dernier se réchauffe progressivement. Si cette opération se répète d’année en année, sans autre perturbation, le sol verra sa température moyenne augmenter jusqu’à ne plus être exploitable.
Dès lors pour éviter ce phénomène, il s’agit de régénérer le sol chaque hiver en extrayant la chaleur accumulée en été grâce à une pompe à chaleur.
On parle alors de « STOCKAGE GEOTHERMIQUE » : la chaleur du bâtiment est transférée dans le sol en été quand elle est gênante pour être utilisée en hiver quand elle est nécessaire.
Technologie des sondes géothermiques
Les systèmes fermés et ouverts
On parle de système fermé si un fluide caloporteur circule dans le sol dans un circuit fermé.
On retrouve principalement 3 types de systèmes fermés : les forages ou sondes géothermiques, les pieux géothermiques et les nappes horizontales.
3 types d’échangeur géothermique : les pieux, les sondes et les nappes.
Source : Rehau.
On parle de système ouvert lorsque c’est l’eau de la nappe phréatique ou du lit d’une rivière qui est pompée pour échanger sa chaleur avec le bâtiment et réintroduite en aval du sens d’écoulement souterrain.
Forages géothermiques
Dans ce cas les « échangeurs géothermiques » ou « sondes géothermiques » sont pour la plupart constitués de forages verticaux (diam 150 mm) d’une profondeur de 50 à 400 m (souvent 100 .. 150 m). Chaque forage contient des conduites, le plus souvent en polyéthylène (DN 32) disposées en double U et enrobées d’un coulis de ciment/bentonite (le « grout ») assurant la protection mécanique tout en permettant une certaine souplesse indispensable pour résister aux mouvements de sol.
Source : REHAU.
L’ensemble des forages forme ainsi un champ de sondes espacées entre elles de 6 à 10 m, pour limiter les interférences thermiques. Les sondes sont raccordées entre elles via des collecteurs, en série ou en parallèle ou un mix des deux.
Le champ de sondes peut être disposé à côté du bâtiment ou même sous le bâtiment (par exemple en ville).
Variantes : Sondes coaxiales en acier
Les forages géothermiques présentent une série de contraintes comme :
la nécessité d’espace pour effectuer les forages;
la gestion du forage au travers de couches de sous-sol parfois hétérogènes;
la nécessité de maximiser l’échange de chaleur tout en garantissant la tenue mécanique des sondes,
…
Cela conduit les fabricants à proposer des alternatives aux sondes traditionnelles en « double U ».
Il existe ainsi des sondes coaxiales : l’eau en provenance du bâtiment circule dans la périphérie de la sonde et revient par le cœur pour délivrer son énergie au bâtiment.
Exemple de sonde coaxiale en PE : le fabricant annonce que les performances d’une sonde de dimension 63 mm / 40 mm
correspondent à une sonde géothermique double U de dia. 32 mm.
Pour encore augmenter l’échange thermique avec le sol les sondes peuvent être réalisées en acier (avec protection cathodique) ou en inox, sans enrobage : le tube périphérique est en métal et le tube intérieur en PE.
L’augmentation du transfert de chaleur, permet alors réduire le nombre de forages et la longueur des sondes. Ainsi des tests de réponse thermique montrent qu’en moyenne, les sondes coaxiales en inox ont une résistance thermique 2 fois moindre qu’une sonde avec doubles U en PE. Cela permettrait une puissance d’extraction de 10 à 20 % supérieure.
Exemple de sondes en acier, à visser (longueur de 3 m).
Source : Thermo-pieux.
Exemple de sonde en inox introduite par forage ou « vibro-fonçage ». La profondeur peut atteindre une centaine de mètres.
Source : geo-green.
La technologie des sondes coaxiales ouvre la porte à des installations avec des forages en étoile au départ d’un point d’entrée unique dans des lieux où l’accès pour des forages parallèles espacés n’est pas possible (par exemple, une cour intérieure dans un site existant).
Forages en « étoile » : on parle dans la littérature de « racines géothermiques ».
Pieux géothermiques
Une alternative aux forages consiste à intégrer les échangeurs géothermiques aux pieux de structure d’un bâtiment. Cela se justifie parce que ceux-ci sont souvent nécessaires dans des sous-sols humides, sous-sols favorables aussi à la géothermie.
On justifie cette technique par un souci de rationaliser les techniques en les combinant. Cependant, la pratique ne prouve pas que les coûts soient inférieurs par rapport à des installations distinctes. La mise en œuvre des pieux se complique également. La gestion de l’installation doit également interdire que les pieux de fondation ne gèlent en mode de chauffage hivernal.
Exemples de réalisation : La crèche de l’île aux oiseaux, ville de Mons : 16 pieux géothermiques de 10 m.
La crèche de l’ile aux oiseaux de Mons.
Aéroport de Zurich : 350 pieux géothermiques de 30 m de profondeur.
Nappes horizontales
La géothermie se décline également sous la forme de nappes de tuyaux déployés horizontalement à faible profondeur (0,6 à 1,2 m).
Le système est peu applicable dans le secteur tertiaire. En effet,
Il demande une surface de terrain très importante : de 28 à 100 m²/kW de puissance de chauffage nécessaire.
En hiver, elle peut conduire à un refroidissement excessif du sol préjudiciable à la végétation.
L’utilisation en refroidissement n’est guère possible, la température du sol étant fortement soumise à l’environnement extérieur.
Alternative pour les bâtiments de taille réduite : les sondes de faible profondeur.
Pour les petits projets, pour lesquels un forage n’est pas autorisé et où les systèmes horizontaux ne disposent pas de surface suffisante, certains fabricants proposent des sondes de petite taille constituées d’un échangeur spiralé. Ce système permet notamment de limiter l’influence que peut avoir la géothermie sur la couche de sol où se développe la végétation.
Source : SANA FONDATIONS sprl.
Cas particulier : le puits canadien
Le puits canadien ou puits provençal constitue une forme de géothermie puisque l’air neuf de ventilation est prétraité (chauffé ou refroidi) par son passage dans le sol.
Traditionnellement, on retrouve 2 types de schéma de principe, selon que le froid est produit par échange direct avec le sol soit par la pompe à chaleur réversible utilisant le sol comme source chaude. Une troisième configuration se retrouve lorsqu’on puise directement l’eau de la nappe phréatique.
Free cooling direct
En été : le froid est produit par échange direct avec le sol et distribué via un échangeur vers les unités terminales. Le géocooling est ainsi mis en œuvre moyennant uniquement la consommation de pompes. Si on compare cette consommation à l’énergie frigorifique produite, on calcule un ESEER équivalent du système de l’ordre de …12…, voire plus en fonction des dimensionnements des équipements. Souvent une machine de production de froid vient en appoint pour satisfaire les demandes de pointes ou pour alimenter des utilisateurs demandant des températures d’eau plus basses (comme les groupes de traitement d’air).
En hiver, le sol sert de source froide à une pompe à chaleur sol/eau. Le coefficient de performance saisonnier obtenu varie entre 4,5 et 5,5. Une chaudière est utilisée en appoint pour couvrir les pointes de puissance par grands froids. Généralement, le système est dimensionné pour que la PAC couvre environ 70 % du besoin de chaud grâce à environ 30 % de la puissance totale nécessaire.
Recharge du sol par pompe à chaleur réversible
La pompe à chaleur sol/eau est réversible. En été, elle fonctionne comme un groupe de production d’eau glacée en utilisant le sol pour évacuer la chaleur de son condenseur régénérant ainsi ce dernier.
L’avantage d’un tel système est de mieux gérer la recharge du sol et peut-être de pouvoir se passer d’un groupe de froid d’appoint et d’un échangeur intermédiaire. L’investissement est donc moindre.
En contrepartie, alors que l’on peut toujours parler de stockage géothermique, il ne s’agit plus réellement de géocooling naturel puisqu’il est nécessaire de faire fonctionner une machine thermodynamique pour extraire le « froid » du sol. Le bilan énergétique global est donc moins favorable.
Systèmes ouverts
Si la nappe phréatique se situe près de la surface du sol, on peut envisager de puiser directement l’eau dans cette dernière plutôt que de la parcourir avec un échangeur et un fluide caloporteur. On parle de système ouvert. Dans ce cas, l’eau de la nappe sert par l’intermédiaire d’un échangeur :
En mode chauffage, de source froide à une pompe à chaleur.
En mode refroidissement, de source de froid directe pour une boucle d’eau.
L’eau puisée est ensuite réinjectée dans la nappe à une certaine distance créant ainsi 2 zones dans la nappe phréatique à températures différentes, l’eau passant de l’une à l’autre en fonction de la saison :
En hiver une zone se refroidit par l’eau réinjectée après échange avec la pompe à chaleur.
En été l’eau est pompée en sens inverse de cette zone et réinjectée plus chaude dans la zone de puisage hivernal.
Étant donné les mouvements dans les nappes phréatiques et en fonction de la distance entre les zones chaude et froide, l’influence d’un éventuel déséquilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement est nettement moindre dans le cas d’un système ouvert par rapport à un système fermé.
En outre, il est également possible de produire du chaud et du froid en même temps dans le bâtiment. En effet, si nécessaire, l’eau pompée de la nappe peut être dirigée à la fois vers la pompe à chaleur et vers l’échangeur de géocooling ou vers un échangeur commun entre les productions de chaud et de froid.
Exemples d’installations
Le schéma ci-dessous est proposé par un constructeur allemand. Il permet le chauffage par pompe à chaleur, le refroidissement libre par un échangeur vers les sondes géothermiques, éventuellement assisté par le fonctionnement réversible de la pompe à chaleur.
Le schéma ci-après, plus complet, permet un fonctionnement mixte en mi-saison : une chaudière alimente la zone périphérique en chaleur, alors que simultanément, la zone centrale est refroidie par l’échangeur dans le sol via la pompe à chaleur. Attention cependant à la destruction d’énergie qui pénalise l’intérêt énergétique de ce système.
Unités terminales associées
Les performances de la pompe à chaleur et du géocooling sont fortement dépendantes du régime de température des unités terminales :
Plus la température de l’eau de distribution est basse en saison de chauffe (température max de l’ordre 50 .. 55 °C), meilleur sera le rendement de la PAC et plus elle est élevée en été (température min de l’ordre de 15 .. 17 °C) plus grande sera la quantité d’énergie extractible directement du sol.
On doit donc choisir des unités terminales compatibles avec ces températures :
avantages : stockage de nuit et donc limitation de la puissance à installer;
inconvénients : inertie thermique importante et donc contrôle difficile de la température et rendement de régulation dégradé. Peu de flexibilité spatiale et difficulté d’utilisation en chauffage (nécessité d’un second système). Absence de faux plafond (gestion des techniques et de l’acoustique).
Un projet de géothermie consiste à mettre en corrélation le comportement thermique du bâtiment et celui du sous-sol. Tout cela se passe de façon dynamique : les besoins varient, le sol se charge, se décharge, échange avec son voisinage tout cela sur une échelle de temps quotidienne, mais aussi saisonnière. Cela justifie l’utilisation d’outils de simulation thermique dynamique prenant en compte la variabilité des besoins, des échanges et l’inertie du système.
Étapes de l’étude d’un projet de géothermie :
Définir les besoins par simulations dynamiques en évaluant différentes variantes de manière à trouver le bon équilibre entre le besoin de chaud et de refroidissement du bâtiment (niveau d’isolation, type de vitrage, protections solaires, …).
Besoins simulés de chauffage et de refroidissement d’un bâtiment, h par h ou 1/4h par 1/4 h.
Connaître la nature du sol par études géologique et hydrogéologique pour préévaluer les caractéristiques physiques et thermiques du sous-sol et pour évaluer les éventuels risques liés aux forages (présence de nappes phréatiques, de couche argileuse, de quartzites, …). Cela permet de prédéfinir la pertinence et la configuration des forages (par exemple, leur longueur minimale et maximale en fonction des couches de sous-sol susceptibles d’être rencontrées).
Pour exemple, voici quelques données moyennes :
Caractéristiques du sol
Puissance spécifique d »extraction
Sur 1 800 heures de fonctionnement
Sur 2 400 heures de fonctionnement
Valeurs indicatives générales
Sous-sol de mauvaise qualité (sédiment sec) (λ < 1,5 W/m²K)
25 W/m
20 W/m
Sous-sol rocheux normal et sédiment saturé en eau (λ < 1,5 – 3.0 W/m²K)
60 W/m
50 W/m
Roche compacte à conductibilité thermique élevée (λ < 3,0 W/m²K)
84 W/m84 W/m
70 W/m
Minéraux respectif
Gravier et sable secs
< 25 W/m
<20 W/m
Gravier et sable aquifères
65 – 80
55 – 65 W/m W/m
Dans le cas de fort courant des eaux souterraines dans le gravier ou le sable et d’installations uniques
80 – 100
80 – 100 W/m
Argile et glaise humides
35 – 50 W/m W/m
30 – 40 W/m
Calcaire (massif)
55 – 70 W/m
45 – 60 W/m
Grès
65 – 80 W/m
55 – 65 W/m
Roche magmatique acide (par ex. granit)
65 – 85 W/m
55 – 70 W/m
Roche magmatique basique (par ex. basalte)
40 – 65 W/m
35 – 55 W/m
Gneiss
70 – 85 W/m
60 – 70 W/m
Puissances traditionnelles extractibles.
Source Rehau.
Effectuer un test de réponse thermique (« TRT »). Il s’agit de réaliser un forage en taille réelle et de le soumettre à une sollicitation thermique pour pouvoir calculer la conductibilité et la capacité thermique du sol et la résistance thermique des sondes, en moyenne sur toute la longueur de la sonde. Cette sonde test pourra ensuite être valorisée dans le champ de sondes final.
Source : Group Verbeke.
Dimensionner le champ de sondes au moyen d’un logiciel de simulation dynamique du sous-sol : simulation du comportement du sol compte tenu des besoins du bâtiment (heure par heure) et des caractéristiques thermiques des sondes prévues et du sol (définies par le TRT) ; optimalisation de la puissance de la PAC, du nombre et de la profondeur des sondes en s’assurant de l’équilibre à long terme de la température du sol.
Dimensionnement de l’échangeur de sol
Pour le dimensionnement des collecteurs de sol, des réfrigérateurs de plaques de fond ou de réservoirs de fondations, il est possible de consulter la DIN ISO EN 13370 « Transmission de chaleur par le procédé de calcul terrestre ».
L’objet de cette norme est l’examen du transfert de la chaleur en tenant compte des paramètres (tuyaux, isolation, masse géométrique du bâtiment, etc.) et de la conduite d’exploitation. La ligne directrice VDI 4640 « Utilisation thermique du sous-sol » convient pour l’évaluation du rendement (puissance) d’un chauffage. De plus, elle fournit des indices de planification concernant les permissions et les conditions additionnelles liées à l’environnement, mais (à notre connaissance en octobre 2003) elle n’aurait pas encore été adaptée sous l’aspect « été » du réfrigérateur.
D’après la norme DIN ISO EN 13370 (traduction non officielle !), les tableaux suivants donnent une vue d’ensemble sur les capacités d’extraction des collecteurs de chaleur et des sondes géothermiques (capacité des pompes de chaleur jusqu’à max. 30 kW) :
> S’il s’agit de collecteurs situés à côté du bâtiment (en W/m²) :
Puissance d’extraction thermique en W/m²
Sous-sol
Exploitation 1 800 h / saison
Exploitation 2 400 h / saison
Sol sec, non cohérent
10
8
Humide, cohérent
20…30
16…24
Sable, gravier, imbibés d’eau
40
32
> S’il s’agit de sondes géothermiques (en W/m courant) :
Puissance d’extraction thermique en W/m²
Sous-sol
Exploitation 1 800 h / saison
Exploitation 2 400 h / saison
Sédiments secs et peu conducteurs (Lambda < 1,5 W/m.K)
L’adaptation des calculs détaillés est de plus indiquée dans les cas suivants :
Modification des heures de services des pompes à chaleur par rapport aux hypothèses de base;
plus grande nécessité de chaleur pour la préparation d’eau chaude;
effet régénérateur du sol suite à un apport de chaleur par réfrigération de locaux ou à un rechargement thermique solaire;
grande influence des eaux souterraines (nappe phréatique).
Les valeurs de référence pour les capacités d’extraction de chaleur en hiver ne sont pas directement applicables à l’activité en été. Différentes causes sont à la base des écarts entre les capacités d’extraction et d’incorporation :
Lors du fonctionnement en hiver, une couche de glace se forme autour de la sonde ou des tuyaux, et influence favorablement la transmission thermique par conduction. En été, le sol peut au contraire sécher davantage, ce qui est défavorable.
Les couches terrestres proches du sol sont soumises à de si fortes influences climatiques qu’il faudrait parler non pas d’éléments de construction thermiques, mais plutôt d’éléments de construction solaires thermiques dans le cas de collecteurs de terre classiques non bâtis.
Pour l’évaluation de la capacité de sondes géothermiques et de pieux d’énergie dans le processus de réfrigération, un constructeur conseille :
Vu les raisons énoncées précédemment, de mettre les capacités d’incorporation (été) égales à 70 % des capacités d’extraction de chaleur énoncées dans la VDI 4640.
De valoriser si possible l’existence d’une nappe souterraine, qui suite à l’humidification des couches terrestres en dessous des fondations, améliore la conductibilité thermique. Il en résultera également des capacités de réfrigération plus constantes.
Une distance de pose entre les tuyaux ne dépassant pas 15 cm.
Des phases de régénération (suite à l’arrêt du système en journée ou suite à une réduction de la nécessité de froid (journées fraîches d’été)) qui améliorent la capacité de rendement.
Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet
(Rédaction : 2014)
En région wallonne
En Wallonie, tout projet de réalisation de puits destiné à la géothermie doit faire l’objet d’un permis unique : Permis d’environnement (installations classées, conditions intégrales et sectorielles) + Permis d’urbanisme.
Selon l’Arrêté du Gouvernement wallon du 4/7/2002, annexe I, les systèmes géothermiques fermés sont classés dans la rubrique 45.12.01 : « Forage et équipement de puits destinés au stockage des déchets nucléaires ou destinés à recevoir des sondes géothermiques », classe de permis 2.
D’autres rubriques existent pour classer les systèmes ouverts en fonction des techniques de puisage et de rejet d’eau souterraine utilisé.
Les forages d’essais (TRT) et de l’installation définitive doivent faire l’objet d’une demande de permis propre comprenant :
Le formulaire général de demande de permis d’environnement et de permis unique – Annexe I.
Le formulaire relatif aux forages – Annexe XVIII (rubrique 45.12.01) ou le formulaire relatif aux prises d’eau – Annexe III (rubrique 41.00.03.02).
Le formulaire XVIII doit notamment comprendre :
Une coupe géologique probable du puits avec profondeur estimée de la nappe aquifère;
la description des méthodes de forage et les équipements du puits avec coupe technique;
un rapport technique sur la nature de la nappe aquifère éventuelle;
un plan de situation des puits.
Chronologiquement, étant donné les délais d’obtention, il est souvent difficile d’attendre les résultats du TRT et le dimensionnement final du champ de sondes avant l’introduction de la demande de permis pour ce dernier. De même, étant donné que le choix de l’enveloppe du bâtiment et l’équilibre géothermique sont intimement liés, il apparaît difficile de dissocier chronologiquement les demandes de permis pour le bâtiment neuf, le TRT et le champ de sondes. Dans ces différents cas, la pratique veut que les permis soient introduits en parallèle en mentionnant les hypothèses de prédimensionnement effectués.
En région bruxelloise
Il n’existe actuellement pas de législation spécifique à la géothermie en RBC. Les systèmes géothermiques sont néanmoins presque toujours composés d’installations classées soumises à déclaration ou à permis d’environnement.
Dans le cas de systèmes géothermiques fermés, les installations classées concernées sont les suivantes :
Pompe à chaleur < 10 kWelec et < 3 kg de substance appauvrissant la couche d’ozone : Installation non classé et donc non soumise à autorisation (rubrique 132).
Pompe à chaleur > 10 kWelec mais < 100 kWelec ou > 3 kg de substance appauvrissant la couche d’ozone : Installation classée de classe 3 et donc soumise à déclaration (rubrique 132).
Pompe à chaleur > 100 kWelec : Installation classée de classe 2 et donc soumise à Permis d’Environnement (rubrique 132).
Pompes électriques > à 100 kVA (rubrique 55).
Les forages ne sont, eux, pas classés.
Dans le cas de systèmes géothermiques ouverts, les captages d’eau souterraine sont des installations classées de classe 2 ou de classe 1B (rubrique 62) et sont donc soumis à Permis d’Environnement. En plus comme pour les captages d’eau « classiques », les systèmes géothermiques ouverts sont soumis à une « autorisation de pompage » de la part de l’IBGE.
De plus la réglementation urbanistique (COBAT) stipule que les forages géothermiques sont soumis à rapport d’incidence. Il semblerait donc que les systèmes géothermiques sont soumis à Permis d’Urbanisme (PU). Dans la pratique, il semblerait néanmoins que les systèmes géothermiques ne fassent pas l’objet d’une demande de PU à part entière. Il est donc conseillé de se renseigner auprès du service urbanisme de la commune concernée pour savoir si un PU est nécessaire.
La demande de permis d’environnement doit comprendre une série de renseignements.
Pour les systèmes géothermiques fermés (sondes verticales) :
Le cadre du projet de géothermique (industrie, tertiaire, logements collectifs, privés, ….
Le profil géologique et hydrogéologique de la zone où sont prévus les forages (et plus particulièrement déterminer les aquifères qui seront traversés par les forages) :
soit sur base du profil géologique et hydrogéologique obtenu à partir d’un forage réalisé sur le site (ou à proximité immédiate du site);
soit, en l’absence de forage, sur base des données cartographiques – carte géologique, géotechnique de Bruxelles, …- , via la base de données DOV (Databank Ondergrond Vlaanderen) ou via consultation des archives du service géologique de Belgique.
Il y a lieu de motiver la profondeur des sondes envisagée sur base de ce profil.
La technique de forage prévue pour le placement des sondes.
La description technique de l’installation géothermique :
puissance électrique de la pompe à chaleur (PAC) et rendement;
nombre de puits ou forage prévus + nombre de sondes verticales prévues;
profondeur des sondes;
type de sondes (simple boucle en U, double boucle en U, coaxiale, autre);
type de matériaux utilisés pour les sondes et les différentes connexions;
systèmes prévus pour isoler les sondes (ou les groupes de sondes) en cas de fuite (vannes d’isolement, …);
fluide caloporteur prévu dans les sondes;
surface prévue pour l’implantation des sondes (et surface disponible si différente);
matériaux de remplissage sont prévus pour le scellement des trous de forages (espace interstitiel).
…
Le plan reprenant de manière claire l’emplacement des installations (PAC et champ de sondes).
La description détaillée (schéma de fonctionnement y compris le mode opératoire de la régulation) du système HVAC complet du bâtiment et l’intégration de l’installation de géothermie dans cet ensemble.
L’évaluation des besoins énergétiques :
la demande en chaud du bâtiment (kWh/an);
la demande en froid du bâtiment (kWh/an);
la puissance de pointe en chaud du bâtiment (kW);
la puissance de pointe en froid du bâtiment (kW);
l’énergie (chaud) soutirée au sol (kWh/an);
l’énergie (froid) soutirée au sol (kWh/an);
% de la demande en chaud couvert par la géothermie;
% de la demande en froid couvert par la géothermie.
Dans la mesure du possible, un (des) graphique(s) (histogramme) reprenant les besoins mensuels du bâtiment en froid et en chaud sur un an et distinguant la part produite par la géothermie de la part produite par les systèmes complémentaires (système de production de chaud et froid classiques) sera fourni.
Dans le cas ou un test de réponse thermique (TRT) a été réalisé : les conclusions du test.
La comparaison du gain énergétique du système proposé par rapport à l’utilisation d’une chaudière à condensation (réduction d’énergie primaire (%)).
L’évaluation du déséquilibre thermique du sous-sol et l’évolution de la performance de la PAC sur 20 ans en tenant compte de ce déséquilibre thermique.
Quant au rapport d’incidences, il doit également évaluer les nuisances et impacts environnementaux liés au système géothermique ainsi que les mesures prises pour éviter, supprimer ou réduire les nuisances répertoriées. (Ex : test de mise sous pression des bouclages, mise en place d’un système de détection de fuites, étanchéité des puits,…).
Pour les systèmes géothermiques ouverts :
Le type de système géothermique prévu : captage/réinjection réversible (stockage chaud froid) ou captage réinjection non réversible.
La description technique de l’installation géothermique :
nombre de puits de pompage et de réinjection prévus ;
profondeur des puits (+ facteurs ayant servi à la détermination de la profondeur) ;
zone de filtre (crépine) ;
distance séparant les puits de captage et de réinjection ;
type de compteurs et nombre de compteurs prévus (+ emplacement) ;
puissance électrique de la pompe à chaleur (PAC) et son rendement ;
Éventuel système de détection de fuite dans le circuit secondaire.
plan reprenant l’emplacement de la PAC, des différents puits de captage et de réinjection.
La description détaillée (schéma de fonctionnement y compris le mode opératoire de la régulation) du système HVAC complet du bâtiment et l’intégration de l’installation de géothermie dans cet ensemble.
Le profil géologique et hydrogéologique des zones de captage et de réinjection (et plus particulièrement déterminer l’aquifère ou les aquifères qui seront traversés par les forages) :
soit sur base du profil géologique et hydrogéologique obtenu à partir d’un forage réalisé sur le site (ou à proximité immédiate du site);
soit, en l’absence de forage, sur base des données cartographiques – carte géologique, géotechnique de Bruxelles, …- , via la base de données DOV (Databank Ondergrond Vlaanderen) ou via consultation des archives du service géologique de Belgique.
Le débit maximum capté (m³/h, m³/j), le volume total capté par an ou par saison (m³) et si la totalité de l’eau captée est réinjectée dans la nappe. Si l’eau souterraine est utilisée à d’autres fins que la géothermie, il y a également lieu de préciser les utilisations alternatives et le débit capté (m³/j).
La température de réinjection maximale prévue.
Le dossier doit comporter une évaluation de :
la demande en chaud du bâtiment (kWh/an);
(la demande en froid du bâtiment (kWh/an)), si utilisation des puits pour refroidir;
la puissance de pointe en chaud du bâtiment (kW);
(la puissance de pointe en froid du bâtiment (kW)) → Si utilisation des puits pour refroidir;
l’énergie (chaud) soutirée de la nappe (kWh/an);
(l’énergie (froid) soutirée de la nappe (kWh/an)), si utilisation des puits pour refroidir;
% de la demande en chaud couvert par la géothermie;
(% de la demande en froid couvert par la géothermie), si utilisation des puits pour refroidir.
Le gain énergétique du système proposé par rapport à l’utilisation d’une chaudière à condensation (réduction d’énergie primaire (%)) doit également être évalué.
Le rapport d’incidence doit évaluer le déséquilibre thermique de l’aquifère et l’évolution de la performance de la PAC sur 20 ans en tenant compte du déséquilibre thermique.
Le rapport d’incidence doit évaluer la possibilité technique de mettre en place le système géothermique sur le site.
Le rapport d’incidence doit enfin évaluer l’impact et les nuisances du système géothermique et notamment :
l’impact éventuel du projet sur des captages voisins (impact hydraulique);
l’impact éventuel du projet sur la stabilité des constructions voisine;
le risque d’inondation au niveau des puits de réinjection et des constructions voisine;
l’impact thermique éventuel du système sur les eaux souterraines.
Ainsi que les mesures particulières de protection du sol et des eaux souterraines prévues (Rehaussement du puits, étanchéité des puits de forages, mesures prévues pour éviter la connexion éventuelle d’aquifères différents, mesures prévues pour éviter une contamination de l’eau pompée et réinjectée dans la nappe (type d’échangeur utilisé, système de détection de fuite, surpression du circuit secondaire (eau pompée) par rapport au circuit primaire (de la PAC), …)).
En rénovation, le renforcement de l’isolation thermique des parois accentue l’impact relatif des déperditions par les nœuds constructifs s’ils ne sont pas traités. Dans ce cas, rendre les nœuds constructifs thermiquement performants peut se révéler difficile. La difficulté dépendra essentiellement de la méthode d’isolation a posteriori choisie :
Comment éviter les ponts thermiques dans l’enveloppe d’une école rénovée ?
L’école de Bütgenbach après les travaux (Source MATRICIEL).
Une école à Bütgenbach a été complètement transformée entre 2013 et 2015. Les travaux ont été réalisés dans le cadre de l’action Bâtiment Exemplaire en Wallonie. Toutes les mesures raisonnables ont été prises pour rendre ce bâtiment le plus performant possible en matière d’utilisation rationnelle de l’énergie.
L’enveloppe a donc été particulièrement bien isolée. Les techniques d’isolation d’un bâtiment existant sont souvent complexes et les raccords entre les parois délicats à réaliser. Comment ces nœuds constructifs ont-ils été conçus pour réduire les risques de ponts thermiques
Introduction
En 2013, il a été décidé de rénover une partie des bâtiments de l’école de Bütgenbach devenus vétustes et d’y adjoindre une salle de sport. Un des bâtiments existants sera, quant à lui, transformé en ferme didactique. Le projet a été confié au bureau des architectes associés Damien Franzen, Olivier Henz, Eddy Wertzet Madeline Demoustier– FHW.
A l’école communale fondamentale existante, a été intégrée une école spéciale d’un village voisin.
La Région germanophone de Belgique a en effet décidé de mettre ainsi en pratique la pédagogie d’inclusion des enfants handicapés. Terminée, l’école accueillera 350 enfants.
Le maître de l’ouvrage a la volonté que les bâtiments neufs et rénovés répondent au standard passif, c’est-à-dire que le besoin en chauffage soit inférieur à 15 kWh/m².an et que l’étanchéité à l’air atteigne un niveau n50 ≤ 0.6 vol/h. Pour cela, il est indispensable d’isoler thermiquement les parois extérieures et de rendre celles-ci le plus étanche possible à l’air. Si pour les bâtiments neufs cela ne pose généralement pas de problème, c’est par contre beaucoup plus difficile en rénovation à cause de la nécessité d’adapter les solutions techniques à la configuration des éléments existants conservés notamment à l’endroit des raccords et liaisons.
Le bâtiment
L’organisation intérieure des locaux a été complètement revue pour que les classes anciennement orientées vers la cour de récréation bruyante soient réorientées vers d’autres directions.
Un nouveau volume annexe, situé entre la cours de récréation et les deux bâtiments principaux, liaisonne ces deux ci tout en donnant accès aux différents locaux.
Une nouvelle salle de sport est construite de l’autre côté de la cours de récréation de manière à former avec les bâtiments de classes un U autour de la cour de récréation.
Les locaux ont également été adaptés pour répondre à certaines exigences liées aux caractéristiques d’une école spéciale dans le domaine thérapeutique (kinésithérapie, ergothérapie, logopédie, …)
Situation existante.
A : Cour de récréation
Bâtiment de classes à transformer
Bâtiment de classes à transformer
Bâtiment RTG à transformer en ferme didactique
Bâtiment RTG à démolir
Restaurant à conserver
Centre PMS à conserver
Avant les travaux – la cour de récréation et les bâtiments 1 et 2 (source : FHW)Avant les travaux – le bâtiment 3 (RTG), future ferme didactique. (source : FHW)Maquette du projet (source arch. FHW).
A : Cour de récréation
Bâtiment de classes transformé
Bâtiment de classes transformé
S : Nouvelle salle de sport
L : Nouvelle liaison entre les bâtiments de classes
La ferme didactique n’est pas visible
Plan du rez-de-chaussée.
En bleu : Existant transformé
En rouge : Parties neuves
Les différents modes d’isolation prévus
Les techniques d’isolation ont dû être adaptées à chaque cas particulier. Etant donné qu’il s’agit d’une rénovation comprenant des bâtiments existants de types différents et des parties totalement neuves, le nombre de solutions adoptées est très élevé. Ainsi, on compte 13 compositions de toitures différentes, 18 compositions de murs et 8 compositions de planchers inférieurs.
Nous allons seulement en étudier une partie, les plus significatives en surface. Dans tous les cas, les performances atteintes en matière d’isolation sont très élevées.
1. Isolation par l’extérieur de façade existante à l’aide de 30 cm de mousse de polystyrène expansé recouverte d’un crépi (850 m²)
2. Isolation par l’extérieur de façade existante à l’aide de 16 cm de mousse de polyuréthane en deux couches croisées dans des structures en bois recouvertes d’un bardage en ardoises artificielles (530 m²)
Isolation par l’extérieur couverte d’un bardage.
Mur existant
Montants 60 x 100
10 cm de mousse de polyuréthane entre montants en bois
6 cm de mousse de polyuréthane en continu
Lattage vertical 24 x 48
Lattage horizontal 24 x 48 et bardage en ardoises artificielles
Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.La façade existante.La façade durant les travaux.La façade isolée terminée.
3. Isolation par l’extérieur de façade existante par placement d’une contre-paroi à ossature bois remplie de 36 ou 40 cm de flocons de cellulose qui ferme également les baies existantes non conservées. (200 m²)
Mur rideau à ossature bois.
Panneau intérieur en OSB
Montants d’ossature en bois 360 mm en forme de I
36 cm de cellulose insufflée entre montants en bois
Panneau extérieur en OSB
Lattage vertical 24 x 48
Lattage horizontal 24 x 48 et bardage en ardoises artificielles
Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.
La façade avant les travaux.La pose des caissons.La façade isolée terminée.
4. Isolation par l’extérieur de nouvelle façade en pré-mur de béton de la salle de sport à l’aide de 20 cm de mousse de polyuréthane en deux couches croisées dans des structures en bois recouvertes d’un bardage en plaques de fibre-ciment (400 m²)
Isolation par l’extérieur couverte d’un bardage.
Nouveau mur en béton coulé entre pré-murs
Montants 60 x 100
10 cm de mousse d polyuréthane entre montants en bois
10 cm de mousse de polyuréthane en continu
Lattage vertical 24 x 48
Lattage horizontal 24 x 48 et bardage en panneau fibro-ciment
Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.Pré-murs de la salle de sport.
50 cm de mousse de polyuréthane projetée ou de flocons de cellulose
a Plancher des combles existant en béton armé
b Entraits de charpente existante avec plaques de plâtres
Faux-plafond acoustique
Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB (cas de gauche).
Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB (Cas de droite).
6. Nouvelle toiture plate sur la salle de sport comprenant deux couches isolantes 18 cm de mousse résolique en toiture chaude et 18 cm de flocons de cellulose sous le support en panneau de bois (450 m²)
Isolation de la nouvelle toiture plate du hall de sport.
Lestage gravier 5 cm
Etanchéité souple EPDM
18 cm de mousse résolique
Panneau support en OSB
Gitage entre poutres en bois lamellé collé
18 cm de cellulose insufflée entre gites
Freine vapeur à µ variable
Lattage
Plafond
Poutre en bois lamellé collé
Calcul du coefficient de transmission thermique U à l’aide du logiciel PEB.
Plafond de la salle de sport.
Comment ont été réalisés les raccords des surfaces isolées avec les éléments contigus ?
Voici quelques détails techniques qui montrent que le principe de continuité de la couche isolante a été respecté. Tous ces nœuds constructifs sont PEB conformes et sont pris en compte dans l’augmentation forfaire de trois points du niveau K.
Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et un châssis existant conservé
Enlèvement du seuil en pierre existant
Pose d’un nouveau seuil en aluminium avec isolant sous-jacent en contact avec le châssis conservé
Isolation du mur existant par l’extérieur
Crépis sur l’isolant
Raccord châssis existant avec nouvel isolant crépi – vue en coupe (source Arch. FHW).
Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et un nouveau châssis
Enlèvement du châssis existant
Pose d’un nouveau châssis en contact avec le nouvel isolant
Isolation du mur existant par l’extérieur
Crépis sur l’isolant
Ragréage du plafonnage intérieur et pose de l’étanchéité à l’air
Raccord nouveau châssis avec nouvel isolant crépi –vue en coupe (source Arch. FHW).
Angle de murs isolés par l’extérieur avec bardage et descente d’eau pluviale encastrée
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose d’une première ossature en bois d’une épaisseur de 10 cm
Pose de l’isolant en mousse de polyuréthane entre les montants en bois
Pose d’une deuxième couche continue de 6 cm de mousse de polyuréthane sauf à l’endroit de la descente d’eau pluviale
Contrelattes fixées à travers la deuxième couche d’isolant aux montants de la première couche
Lattage horizontal fixé aux contrelattes
Bardage en ardoises artificielles
Angle isolé par l’extérieur avec bardage et descente d’eau pluviale encastrée – vue en plan (source Arch. FHW).
Raccord de mur isolé par l’extérieur avec un nouveau châssis
Enlèvement du châssis existant
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose du nouveau châssis en contact avec les ossatures isolantes
Isolation du mur existant par pose de mousse de polyuréthane entre montants en bois
Pose d’une deuxième couche continue de 6 cm de mousse de polyuréthane
Contrelattes fixées à travers la deuxième couche d’isolant aux montants de la première couche
Lattage horizontal fixé aux contrelattes
Bardage en ardoises artificielles
Ragréage du plafonnage intérieur et pose de l’étanchéité à l’air
Raccord nouveau châssis avec nouvel isolant sous bardage – vue en plan (source Arch. FHW).
Raccord entre le mur isolé par pose d’un crépi sur isolant et la toiture en pente existante
Enlèvement de la gouttière existante
Fixation d’une nouvelle échelle de corniche sous la corniche en béton existante
Pose d’un nouveau support pour couverture en zinc en bas de versant
Pose de la nouvelle couverture en zinc en bas de versant
Pose d’une nouvelle gouttière en zinc
Pose d’isolant dans la nouvelle échelle de corniche et sous la nouvelle couverture en zinc
Raccord de l’isolant sous corniche avec le nouvel isolant à crépir de la façade
Pose d’une plaque en fibro-ciment pour parachèvement du dessous de la corniche
Pose de 50 cm d’isolant sur le plancher des combles avec remontée le long de la poutre de rive
Remplissage d’isolant entre l’ancienne corniche en béton et la sous-toiture existante.
Raccord toiture existante avec façade existante – vue en coupe (source Arch. FHW).
Raccord entre une nouvelle façade à ossature bois et un nouveau châssis coulissant avancé
Enlèvement du châssis existant et du seuil en pierre
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose de la nouvelle façade légère en caissons bois préfabriqués
Pose d’isolant entre les caissons et la structure en béton
Pose du nouveau châssis coulissant avec son seuil à l’avant de la nouvelle façade
Finitions intérieures y compris étanchéité à l’air
Pose du bardage avec les lattages devant les caissons
Raccord façade à ossature bois avec châssis avancé – vue en coupe (source Arch. FHW).
Raccord entre une nouvelle façade à ossature bois et un nouveau châssis en retrait
Enlèvement du châssis existant et du seuil en pierre
Enlèvement du parement en pierre naturelle
Pose de la nouvelle façade légère en caissons bois préfabriqués
Pose d’isolant entre les caissons et la structure en béton
Pose du nouveau châssis coulissant avec son seuil à l’avant de la nouvelle façade
Finitions intérieures y compris étanchéité à l’air
Pose du bardage avec les lattages devant les caissons
Pose d’une plaque de finition sous le linteau de la façade légère
Raccord façade à ossature bois avec châssis en retrait – vue en coupe (source Arch. FHW).
Raccord entre la nouvelle toiture plate et la nouvelle façade du hall de sport
Ces deux éléments étant neufs la continuité de la couche isolante ne pose pas de problème.
Raccord entre la toiture plate et la façade du hall de sport (source Arch. FHW).
Informations complémentaires
Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par les auteurs du projet, les architectes associés Damien Franzen, Olivier Henz, Eddy Wertz et Madeline Demoustier (FHW) dans le cadre du concours Bâtiment exemplaire Wallonie.
Nous avons également consulté l’expert nommé par la Région wallonne pour vérifier les travaux : MATRIciel. Notre interlocuteur fut Monsieur Thomas Leclercq.
Schéma © Architecture et Climat (UCLouvain).
![Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Climatisation]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2019/03/compresVis.jpg "Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Climatisation]")
