Energie Plus Le Site

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.

Energie Plus Le Site

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.

Category Archives: Bâtiment dans sa globalité

Author Image Posted By : Gregory Leonard 5 Fév, 2022

La place des énergies renouvelables à l’école

Quel intérêt pour une école ?

La production d’énergie renouvelable sur le site par des technologies peu émettrices en carbone  reste la meilleure manière pour des écoles d’atteindre le net zéro énergie et donc le net zéro carbone.

Une bonne utilisation de ces technologies renouvelables peut permettre de combattre les pics d’énergie de pointe, de compenser le talon de consommation de l’école, ou encore, dans les meilleurs cas, de couvrir l’ensemble des besoins en énergie de l’établissement. Il faut cependant éviter de tomber dans le travers d’un système renouvelable devant compenser des performances thermiques limitées d’un bâtiment ! Il est et sera toujours mieux de chercher à se passer d’un appoint d’énergie que de la produire de manière renouvelable.

De plus, la présence et la visibilité de sources de production d’énergie renouvelable sur le site de l’école s’accompagnent de potentiels pédagogiques non négligeables.

Quelle puissance nécessaire ? 

En moyenne, les écoles en Wallonie consomment en électricité 200 kWh/élève par an. Pour les écoles de taille moyenne, la consommation annuelle en électricité (sans ventilation) revient donc à 80 000 kWh.

Si l’on considère une réduction de 20% de celle-ci grâce à des actions comme celles proposées par le défi Génération 0 Watt, on peut considérer des consommations se situant autour des 160 kWh/élève par an comme base de travail.

Certains établissements ayant effectué un travail beaucoup plus important peuvent atteindre des consommations bien plus basses, de l’ordre de 50 kWh/élève par an. On peut majorer ces chiffres de 7 à 13 kWh/an par élève lorsqu’on ajoute un système de ventilation simple ou double flux.

Le tableau ci-dessous reprend les consommations électriques et thermiques théoriques moyennes en fonction du degré de rénovation. Ceci permet donc d’une part de se situer par rapport aux autres établissement et d’autre part d’évaluer le potentiel d’efficacité d’une production d’énergie renouvelable.

Actuel Actuel 0 Watt

(-20%)

 Rénovation presque passive Rénovation passive
Electrique (sans chauffage) 200 kWh/élève.an

25kWh/m².an

 160 kWh/élève

20kWh/m².an

 50 kWh/élève

6kWh/m².an

 25 kWh/élève

3 kWh/m².an
Thermique 1100 kWh/élève

138kWh/m².an

 Même que l’actuel car 0 Watt agit sur la consommation électrique surtout. 240 kWh/élève

30 kWh/m².an

 120 kWh/élève

15 kWh/m².an
VMC / / 10 kWh/élève 7 kWh/élève

Quelle technologie choisir pour une école ?

Il existe plusieurs sources de production d’énergie renouvelable. Les panneaux photovoltaïques et l’éolien sont les plus propices à être utilisés dans des bâtiments scolaires. Dans ce type de bâtiment, il est impératif d’utiliser des technologies qui soient faciles en maintenance et en entretien afin qu’elles puissent faire profiter au mieux de leur plein potentiel. La cogénération est donc plus délicate, mais pas à exclure pour autant.

Bien que la dimension technique soit probablement la plus efficace dans la diminution des émissions de carbone, elle peut facilement entraîner l’effet inverse. En effet, il est nécessaire pour les écoles d’avoir des responsables énergie et des équipes pédagogiques formées en amont du passage à l’action, pour une mise en place efficiente des systèmes. Equiper les écoles d’installations très performantes mais complexes à gérer ne fonctionne pas. Les écoles ne possèdent actuellement pas de gestionnaires techniques capables d’assurer la gestion de ces systèmes. La rénovation zéro carbone de manière générale est donc une tâche très complexe qui fait appel à toute une série de technologies et qui nécessite une sensibilisation et un renforcement des compétences des parties prenantes.

  • Panneaux photovoltaïques

Le photovoltaïque est la technologie la plus adaptée pour des écoles, elle demande peu de maintenance et offre un rendement efficace pour les consommations électriques d’une école. Mais attention que les panneaux photovoltaïques prennent énormément d’espace ! De grandes surfaces de toiture sont donc nécessaires pour une installation optimale.

A titre d’exemple :

  • Si l’école consomme 160 kWh/élève par an -> 64 000 kWh par an pour une école de 400 élèves

Il faudra environ 600 m² de panneaux (plus de 300 panneaux) ((https://www.ef4.be/fr/pv/composants-dun-systeme/dimensionnement-projet-photovoltaique.html)).

  • Si l’école consomme 50 kwh/élève par an après rénovation -> 20 000 kWh par an pour une école de 400 élèves

Il faudra presque 200 m² de panneaux (une centaine de panneaux).

Pour plus d’informations sur la technologie photovoltaïque, consultez les pages suivantes :

Éolien

Une autre possibilité de production d’énergie verte pour l’école est le petit éolien. C’est une technologie qu’on rencontre moins mais qui n’est toutefois pas à négliger. Elle permet, avec relativement peu de moyens, de compenser des besoins électriques faibles. En effet, le petit éolien trouve sa place dans des écoles de petite taille ou dans des écoles ayant déjà réduit considérablement leurs besoins en électricité.

A titre d’exemple :

  • 2 éoliennes de puissance 5kW (10 à 12m de haut) qui tournent pendant 2000 h/an (5h30 par jour) chacune à puissance nominale peuvent produire 20 000 kWh par an. Soit l’équivalent d’une école de 400 élèves consommant en électricité 50 kWh/élève.

Cependant, la majorité du temps, l’éolienne ne fonctionne pas à puissance nominale, le vent n’étant généralement pas suffisant pour garantir cela. Du coup, il faudra une puissance installée supérieure avec des éoliennes qu’avec des centrales classiques pour atteindre une même production d’énergie annuelle. Il est possible recalculer le nombre d’heures que l’éolienne doit tourner à puissance nominale pour débiter la même production électrique annuelle (avec un vent dont la vitesse varie). Typiquement, la production annuelle électrique d’une petite éolienne en Wallonie correspond à 11 % du temps à puissance nominale.

Les petites éoliennes ((Images provenant de https://neonext.fr/eolienne-skystream/)) ne sont pas toujours à axe horizontal comme sur les images ci-dessus. On retrouve de plus en plus d’éoliennes à axe vertical, principalement en milieu urbain. Elles s’y adaptent particulièrement bien car elles peuvent fonctionner avec des vents venant de toutes les directions. De plus, elles sont relativement silencieuses, peuvent facilement s’intégrer à l’architecture des bâtiments, permettent de placer la génératrice au niveau du sol et ne nécessitent pas de mécanisme d’orientation((https://energie.wallonie.be/fr/vade-mecum-pour-l-implantation-d-eoliennes-de-faible-puissance-en-wallonie.html?IDD=77455&IDC=6170)).

Les projets de petit éolien permettent donc d’organiser son indépendance énergétique moyennant certaines formalités. Les démarches administratives, les contraintes urbanistiques ou encore les limites techniques sont autant d’obstacles qui peuvent freiner les porteurs de projets à s’orienter vers ce type de production d’énergie. Le vade-mecum de la Région Wallonne pour l’implantation d’éoliennes à faible puissance vous accompagnera dans toutes vos démarches et questions relatives à cette technologie. Vous pouvez également prendre connaissance de ce projet de construction d’éolienne par des élèves pour leur école à Verviers.

Pour encore plus d’informations sur la technologie éolienne, consultez les pages suivantes :

  • Cogénération

Elle permet de couvrir relativement aisément les besoins en électricité d’une école. Cependant, la cogénération n’est pas la technologie la plus adaptée dans ce contexte car elle demande trop de maintenance et de gestion. A ce jour, les écoles n’ont pas de personnel spécialisé ou de gestionnaire technique attitré pour gérer le fonctionnement d’installations comme celles-ci.

Toutefois, il peut être intéressant pour une école d’avoir recours à la cogénération par le biais d’un tiers investisseur. Celui-ci s’occupe des études préliminaires, de l’installation et de la maintenance, sans que l’école ne doive intervenir. Ou encore, l’école peut se greffer à des réseaux de chaleurs existants dans son quartier/sa commune, dont l’énergie partagée est produite via des technologies de cogénération.

Place de l’école dans des communautés d’énergie

La production d’énergie renouvelable au sein de l’école offre de nombreux avantages, dont celui d’offrir le potentiel de créer des communautés d’énergies. Les installations de production d’énergie dans les écoles produisent occasionnellement un grand surplus d’énergie, qu’il est bénéfique de faire profiter au plus grand nombre. Le regroupement autour d’un projet de communauté d’énergie permet ce partage.

Les écoles ont un rôle moteur au sein de ces communautés. Les établissements scolaires, par leur caractère éducatif, pédagogique, social et institutionnel, participent à stimuler et activer la société.  En adoptant un comportement exemplaire en faveur de la transition énergétique, les écoles deviennent également des vitrines qui portent un rôle exemplatif auprès des pouvoirs publics (particulièrement les écoles du réseau officiel).

Par ailleurs, la communauté d’énergie permet à l’école un retour sur investissement plus rapide des installations de production d’énergie. En effet, l’école profite d’un bénéfice en revendant son surplus d’énergie à un prix supérieur au prix du kWh renvoyé sur le réseau.

Pour plus d’informations à ce sujet n’hésitez pas à consulter la page consacrée aux communautés d’énergie.

Exemple de communauté d’énergie

Depuis 2020, une école de la commune de Ganshoren à Bruxelles a établi un projet de communauté d’énergie renouvelable autour de partage d’électricité. Celle-ci est produite tant par des panneaux disposés sur le toit de l’école (34,77 kWc) ainsi que chez un particulier (2,4 kWc) habitant dans le quartier de l’école.

Les surplus d’électricité venant de ces deux sources de production permettent d’alimenter en électricité verte une quinzaine de résidents du quartier ayant été équipés de compteurs intelligents.

Le surplus d’énergie autoconsommée est actuellement en grande partie complété par de l’électricité complémentaire venant de fournisseurs.

L’autoconsommation du surplus est vouée à de nombreuses améliorations, au fur et à mesure que les membres de la communauté s’habituent à une nouvelle gestion de leurs consommations électriques.

Pour plus d’informations sur le projet : https://nosbambins.be/

les matériaux de construction
Author Image Posted By : Gregory Leonard 28 Mai, 2021

Limiter les impacts de l’utilisation des matériaux de construction

L’analyse multicritère des impacts d’un matériau ou d’une solution est un exercice complexe.

Si on privilégie le réemploi et qu’on choisit des matériaux

  • fabriqués partir de matières premières renouvelables (et renouvelées !) et/ou ou à partir de matières recyclées ;
  • peu transformés (surtout thermiquement) ;
  • peu ou pas traité, n’utilisant pas de produits toxiques ;
  • résistants et réparables ;
  • issus de filières locales et d’entreprises qui respectent leurs travailleurs ;
  • assemblés mécaniquement ;
  • réutilisables ou recyclables en fin de vie.

Alors, on est dans le bon ! Analysons tout ceci de façon détaillée : ici

Plus d’info sur les hypothèses et la méthode d’évaluation ?

Plus d’info sur les outils d’évaluation des impacts environnementaux des matériaux ?

Des critères pour privilégier les matériaux durables

Author Image Posted By : Sylvie 7 Sep, 2018

Stratégie de conception d’un bâtiment Q-ZEN (Quasi Zéro Energie)

Stratégie de conception d’un bâtiment Q-ZEN

Stratégie globale

Quelle stratégie de conception utiliser et quel « niveau d’effort sur la performance énergétique » doit-on réaliser pour répondre aux exigences du Q-ZEN Wallon ?

Pour rappel les exigences principales du Q-ZEN sont :
  • Les Umax des différentes parois du volume protégé de 0,24W/m².K sauf pour :
    • Les vitrages (1,1 W/m³.K) ;
    • Les fenêtres (1,5 W/m³.K) ;
    • Les façades légères et les portes (2,0 W/m².K).
  • Un niveau K35;
  • Le niveau Ew inférieur à 45. (90 pour les bâtiments non résidentiels autres que les parties fonctionnelles bureau et enseignement)

Pour plus de détails, allez voir notre page sur les exigences de la réglementation Q-ZEN.
Pour Energie+, la meilleure énergie reste celle que l’on ne consomme pas. Pour cette raison les priorités dans la stratégie de conception d’un bâtiment Q-ZEN sont les suivantes :

  • La première chose à faire sera de chercher à réduire les besoins d’énergie du bâtiment à leur minimum [par l’isolation thermique, un volume réduit et rationnel, un rapport entre les parois opaques et transparentes équilibré, des pare-soleil, …].
  • Lorsque les besoins du bâtiment sont réduits à leur minimum raisonnable, le concepteur devra veiller à répondre à ces besoins thermiques et électriques avec des systèmes techniques efficaces, adéquats, bien dimensionnés, bien régulés et correctement mis en place, tant au niveau de la production thermique que de la distribution des fluides, le choix des émetteurs et la régulation globale.
  • Finalement, le concepteur envisagera de produire le maximum des besoins résiduels de manière renouvelable.

Schéma sur la stratégie globale du Q-Zen wallon.

Il est important d’agir dans cet ordre [Réduire les besoins > utiliser des systèmes efficaces > exploiter des sources locales et renouvelables d’énergie] et de se pencher sur l’aspect suivant une fois que l’optimum est atteint pour chaque étape de la conception.

Les exigences Q-ZEN ne recouvrent qu’une partie des postes de consommation, pour diminuer la consommation totale du bâtiment, visitez notre page consacrée à la Stratégie de conception « soft énergie » à tous les niveaux.

Une géométrie compacte

Pour commencer, il faudra trouver l’optimum entre une grande compacité pour limiter les pertes de chaleur et une faible compacité (augmenter les surfaces de façade) pour profiter du maximum d’éclairage naturel. Selon les cas, le juste compromis sera en faveur de l’une ou de l’autre solution.

Aujourd’hui, dans les bâtiments isolés au niveau du Q-ZEN, la consommation d’éclairage représente environ ¼ des consommations.

Il convient donc, a priori, de favoriser autant que possible l’éclairage naturel en limitant la profondeur des locaux. On recommande de limiter la profondeur des bureaux au double de la hauteur du local, soit à environ 6 m. Ainsi, si deux rangées de bureaux sont séparées par un couloir central, cela donne une profondeur de bâtiment d’environ 15 m.

Pour tous les cas, à l’exception des bâtiments majoritairement composés de façades légères vitrées, une bonne pratique consiste à vérifier que le bâtiment respecte l’exigence sur le niveau K lorsque les valeurs U des parois respectent strictement les valeurs Umax.

Si le bâtiment nécessite d’aller au-delà des exigences Umax sur les parois pour atteindre le niveau K35, le concepteur doit considérer que la compacité du projet pourrait poser problème et agir sur la forme du bâtiment ou encore revoir la quantité de parois transparente à la baisse.

Lorsque le bâtiment est majoritairement composé de vitrage ou de façades légères et que le respect strict des valeurs Umax ne permet pas d’atteindre le niveau K35, la compacité ne sera alors pas nécessairement la seule à incriminer. Il faudra également envisager d’aller bien au-delà des exigences Q-ZEN sur la valeur U des façades légères pour que le niveau K puisse être respecté.

Généralement, aller en deçà du niveau K20 n’apporte que peu de gains énergétiques, car les économies sur la production de chaleur sont en bonne partie compensées par l’augmentation de la consommation pour le refroidissement et l’éclairage.

En effet, la consommation pour l’éclairage artificiel peut augmenter car, à volume égal, plus le bâtiment à un niveau K « performant », plus il est opaque (le ratio parois opaques/paroi transparentes augmente) et/ou moins il dispose de surfaces d’enveloppe extérieure. De surcroît, plus les vitrages sont isolants et plus la protection contre la surchauffe devient importante, moins leur transmission lumineuse sera bonne.

Le schéma ci-dessous illustre cette problématique. Toutefois, ces courbes ne représentent qu’une tendance générale et d’un bâtiment à l’autre, en fonction des choix techniques, du type d’occupation, de l’environnement, de la géométrie, ces tendances peuvent varier.

Courbe sur l'évolution des postes de consommation en fonction du niveau K de projets existants.
Évolution des postes de consommation (hors énergie renouvelable) en fonction du niveau K basé sur l’étude de 9 projets existants répondant aux exigences Q-ZEN

Plus d’information : Optimaliser le volume du bâtiment

Un rapport équilibré entre parois opaques et les parois translucides

Ce n’est un secret pour personne, bien que les progrès techniques soient impressionnants, les fenêtres sont moins isolantes que les parois opaques. Ainsi, un bon triple vitrage récent sera toujours trois à quatre fois plus déperditif qu’un mur opaque respectant les exigences Q-ZEN.

Alors on ne met plus de fenêtre ? NON, l’occupant a besoin d’éclairage naturel et de vues vers l’extérieur pour son confort et son bien-être. Il s’agit plutôt de trouver un équilibre optimal entre maîtrise des déperditions thermiques et bien-être. Attention, lorsqu’un bâtiment est très vitré, celui-ci risque de surchauffer. Dans ce cas, il faudra réduire le facteur de transmission solaire (facteur g) et/ou penser à la mise en œuvre de pare-soleil.

Conseil : la taille des vitrages n’est pas la seule donnée importante concernant l’éclairage. La disposition et l’orientation de ceux-ci sont tout aussi importantes. Par exemple, plus un vitrage sera haut, plus la lumière qui la traverse se diffusera profondément au sein de la bâtisse.

Opter pour une proportion de vitrage comprise entre 30 et 45 % de la surface de la façade constitue une bonne première estimation qu’il faudra affiner ensuite en fonction du programme, des orientations et de la géométrie. Pour aller au-delà de ces valeurs indicatives, il est nécessaire de porter une attention accrue sur le niveau d’isolation des vitrages, leur facteur solaire et la présence d’éventuels pare-soleil.

Plus d’information : Choisir la position et la dimension de la fenêtre

Un bon niveau d’isolation des parois

Lorsque la forme de l’édifice est définie, vient le moment de déterminer le niveau d’isolation des différents éléments constructifs du bâtiment…Dans tous les cas, les éléments devront respecter les exigences concernant les Umax . Améliorer le niveau d’isolation est vraisemblablement une des manières les plus durables et abordable de réduire les besoins en énergie du bâtiment.

De plus, en réduisant les besoins, nous pouvons nous contenter de systèmes de climatisation plus petits et donc moins coûteux (ou plus efficaces pour le même montant).

Au-delà des 10 à 15 cm d’isolant généralement requis pour répondre à l’exigence sur les Umax, chaque centimètre d’isolant supplémentaire permet de gagner parfois jusqu’à 1 point sur le niveau Ew ! Vous savez maintenant comment empocher quelques points supplémentaires !

Dans les murs récents, 95 % de la résistance thermique du mur est réalisée par la présence d’un matériau isolant dédié à cette fonction. Les matériaux isolants les plus utilisés (Laines minérales, XPS…) ont une conductivité thermique (λ) de 0,035 W/m.K. Le schéma suivant ne tient pas compte des autres matériaux constituant la paroi et donne une idée de la valeur U atteinte en fonction de l’épaisseur d’isolant « courant » qui pourra être mis en œuvre.

Courbe représentant la valeur U de la paroi en fonction de l'épaisseur de l'isolant.

Pour atteindre le standard Q-ZEN, plus le niveau d’isolation sera élevé, plus il sera facile de l’atteindre sans faire appel à des technologies complexes de production de chaud ou de froid.

Avec des valeurs U inférieures à 0,15 W/m².K pour les parois opaques et des fenêtres performantes (U<0,8 W/m².K), le bâtiment que vous concevez est déjà en bonne voie pour répondre aux 3 exigences principales du Q-ZEN (Umax, K35 et EW45) sans même avoir à y installer des technologies coûteuses ou devoir produire des énergies renouvelables sur place.

Mais maintenant que les besoins sont réduits, les systèmes nécessaires seront plus petits et donc moins coûteux !

Plus d’information : Concevoir l’isolation

Attention à l’étanchéité !

Avec des bâtiments toujours mieux isolés, la proportion des pertes par infiltration dans le total de déperdition devient non-négligeable ! Un débit de fuite à 50 Pa par unité de surface inférieur à 2 m³/h.m² doit être visé. Afin de valoriser cet effort dans le cadre d’un encodage PEB, un test Blowerdoor devra être réalisé.

Plus d’information : Concevoir l’étanchéité à l’air

Valoriser la fraîcheur de l’environnement

Le renforcement de la performance énergétique d’hiver augmente parfois le risque de surchauffe en mi-saison ou en été. Or, dans notre climat, le recours au refroidissement mécanique devrait rester exceptionnel. Des stratégies de rafraîchissement naturel, par ventilation nocturne ou par géocooling notamment, permettent de limiter ou d’éviter la consommation en été de l’énergie économisée en hiver.

Plus d’information : Valoriser la fraicheur de l’environnement

Des systèmes adaptés

La ventilation et la récupération de chaleur

Si les bâtiments étanches représentent un gros atout énergétique, les occupants ont quant à eux besoin d’air frais en grande quantité. L’atout de ventilation double flux est de pouvoir réguler la quantité d’air frais injecté dans le bâtiment pour l’adapter aux besoins du moment et répondre à la norme en matière de ventilation hygiénique pour les bâtiments non résidentiels NBN EN 13779 [2]. La présence d’un récupérateur de chaleur sur ce type de ventilation est aujourd’hui incontournable dans les immeubles de bureau désireux d’atteindre le standard Q-ZEN. Leur rendement peut atteindre les 90 % (!). Pour un coût relativement faible, 75 à 90% des pertes par ventilation peuvent ainsi être évitées !

Plus d’information  Choisir le système de ventilation.

Le système de chauffage

Un bâtiment Q-ZEN n’exclut par l’utilisation de systèmes « classiques » et permet généralement l’utilisation d’une chaudière au gaz à condensation, tout en conservant un niveau Ew répondant aux exigences Q-ZEN. Néanmoins, pour que cette solution soit viable, il faudra répondre à l’une de ces conditions :

  • Le niveau d’isolation des parois opaque atteint 0,15 W/m².K et/ou le niveau K est inférieur à 20 ;
  • OU le bâtiment est équipé d’une surface de panneaux PV équivalent à 10 % de la surface de plancher chauffé.

Par contre, lorsqu’un tel niveau d’isolation ne peut être atteint et que l’on ne dispose pas d’une surface permettant d’accueillir des panneaux photovoltaïques le concepteur des installations devra se pencher sur des techniques plus complexes et coûteuses (à la construction) comme la cogénération, une pompe à chaleur performante…

Plus d’information : Concevoir le chauffage

Le système de refroidissement

Dans les bâtiments récents, compacts et bien isolés, le problème de la surchauffe et de la consommation de froid prend de plus en plus d’importance par rapport à celui de la consommation de chauffage.

Courbe sur la tendance de l'évolution du niveau EW en fonction du niveau K pour 8 bâtiments.
Tendance de l’évolution du niveau EW en fonction du niveau K pour 8 bâtiments.

Les bâtiments ayant un niveau K inférieur à 20 auront une consommation pour le froid pouvant être équivalente voir supérieure à la consommation pour le chaud ! Et le changement climatique va renforcer cette tendance.

Comme pour le chauffage, Q-ZEN ne veut pas nécessairement dire High-tech. Dès lors que les risques de surchauffe sont bien gérés, que le bâtiment est bien isolé et que l’inertie du bâtiment est adaptée, un système de refroidissement « classique » comme une machine à compression électrique pourra dans certains cas suffire à atteindre le standard Q-ZEN. Néanmoins, dans les bâtiments fortement isolés, la part de consommation concernant le refroidissement est élevée de sorte qu’il sera toujours intéressant d’installer un système adapté et performant.

Dans le cas des bâtiments moins isolés et à défaut de panneaux photovoltaïques présents, le concepteur devra agir au moins sur la production de chaleur ou de froid pour atteindre un niveau Ew acceptable. S’il agit sur le refroidissement, il devra alors étudier la possibilité d’installer un système de : nightcooling, géocooling ou une pompe à chaleur à absorption performante selon les opportunités du projet.

Les systèmes passifs de maitrise de la surchauffe seront toujours à prescrire avant toute intervention active sur le refroidissement.

Plus d’information : Concevoir la climatisation

L’éclairage

Pour atteindre le niveau Ew de 45 exigé par la réglementation Q-ZEN pour les parties fonctionnelles bureau et enseignement, le concepteur devra valoriser au maximum la lumière naturelle et veiller à réduire le plus possible les besoins d’éclairage artificiels. La présence de détecteur de présence, d’une gestion par petite surface, de luminaires économiques et bien dimensionnés permet de gagner un grand nombre de points sur le niveau Ew à moindres frais.

Nécessité : Encodez les valeurs réelles dans le logiciel PEB : Dites non aux valeurs par défaut ! Voyez plutôt : entre les valeurs par défaut pour l’éclairage et un système bien conçu et correctement encodé, un gain de 30 à 45 points (!) sur le niveau Ew est régulièrement observé ! Autant dire que sans cela il faudra se lever tôt pour que notre bâtiment soit Q-ZEN !

Plus d’information : Concevoir l’éclairage

Produire et autoconsommer de l’énergie renouvelable

Produire de l’énergie renouvelable

Lorsque les besoins sont limités au maximum raisonnable et que les systèmes sont choisis de manière adaptée, la faible quantité d’énergie consommée pourra être partiellement ou totalement produite sur site.

Si idéalement le renouvelable devait être considéré comme un moyen, en bout de chaîne, permettant de réduire la consommation d’énergie issue du réseau, force est de constater qu’aujourd’hui les panneaux solaires photovoltaïques sont particulièrement avantageux… tant d’un point de vue économique que de leur rendement énergétique.

En effet, sans effort particulier sur l’isolation et les systèmes, la simple installation de 10 à 15 Wc/m² de surface de plancher chauffée permet dans 95 % des cas d’atteindre le standard Q-ZEN pour peu que leur exposition soit satisfaisante. Ainsi, lorsque l’on dispose d’une surface permettant l’installation de PV équivalente à ±10 % de la surface de plancher chauffée, être Q-ZEN ne sera jamais un souci, comme le montre notre étude.

Faut-il pour autant évacuer les considérations sur l’isolation et l’efficacité des systèmes ? Faut-il approcher la conception énergétique d’un bâtiment en faisant le minimum sur l’isolation et les systèmes et chercher à compenser par du PV ensuite ?

Pour qu’elle soit durable et « future-proof », la conception énergétique d’un bâtiment Q-ZEN doit être vue comme un ensemble équilibré entre performance de l’enveloppe, performance des systèmes passifs, performance des systèmes actifs et finalement consommation d’énergie produite sur site.

Le Q-ZEN ne doit pas être vu comme un objectif en soi, mais plutôt comme un minimum acceptable.
De plus, avec l’arrivée du tarif prosumer, le faible taux autoconsommation et la levée de la prime Qualiwatt sur le photovoltaïque, la solution solaire gagnera à s’inscrire dans une démarche de performance énergétique du bâtiment qui soit globale.

Plus d’information sur :

  • le photovoltaïque
  • le solaire thermique
  • l’éolien
  • la cogénération

Et n’oublions jamais que produire sa propre électricité c’est bien, la consommer : c’est mieux !

 

Author Image Posted By : Sylvie 3 Fév, 2014

Système de refroidissement [Concevoir l’avant projet ]

Système de refroidissement

Stratégie de choix

Un système technique, notamment de refroidissement, ne devrait pas se choisir uniquement sur base de critères technologiques et économiques, même s’ils sont essentiels. Le choix doit intégrer toute la complexité du bâtiment, son programme, ses besoins énergétiques de chaud et de froid, son site, son occupation,…

Pour s’y retrouver, il est nécessaire de se donner une stratégie. Un exemple de stratégie de choix peut être d’identifier des groupes de critères jugés prioritaires sur base desquels faire une première sélection peut s’effectuer. Par exemple, dans une approche orientée vers la performance énergétique, on mettra en avant les critères liés :

  • Aux propriétés thermiques et constructives du projet :
    Quelle est l’inertie du bâtiment ? Quelles sont les puissances demandées et les besoins d’énergie en chaud et en froid, en fonction des charges internes et solaires, des performances de l’enveloppe ? Quels sont les débits d’air hygiéniques ? Quelle est la modularité envisagée (possibilité de modifier fréquemment les cloisons) ?
  • Aux ressources énergétiques disponibles sur le site :
    Dans notre climat, un bâtiment peut être rafraîchi la plus grande partie de l’été en ventilant naturellement le bâtiment par de l’air extérieur. Si le site est trop bruyant ou pollué, une ventilation mécanique adaptée utilisée en mode free cooling sera également efficace. L’air extérieur peut en outre être rafraichi par des aménagements paysagers (parcs, bassins) ou technologiques (humidification). Si l’air extérieur reste malgré tout chaud la journée, la température nocturne tombe suffisamment pour permettre de décharger la chaleur accumulée à l’intérieur. Si l’air extérieur n’est pas valorisable sur le site du projet, peut-être une ressource hydrique l’est-elle (sans aller jusqu’à solliciter la nappe phréatique, un étang par exemple constitue une masse d’eau fraiche impressionnante) ? La capacité thermique du sol peut également être sollicitée, si sa composition permet des forages à un coût raisonnable.
  • Au profil de l’occupant :
    Selon qu’il souhaite ou non avoir un rôle actif dans la conduite du bâtiment, les choix techniques ne seront pas les mêmes. Est-il disposé à ouvrir ses fenêtres en été ? Les choix dépendront également des profils d’occupation : sont-ils stables ou variables ? Enfin, les attentes de confort sont un critère majeur : les occupants exigent-ils une température constante réglable selon leurs envies, ou sont-ils prêts à accepter une évolution raisonnable, mais moins maîtrisée des conditions intérieures ?

Une fois que l’on s’est donné une liste de critères principaux, il faut faire l’inventaire des choix possibles, et s’orienter vers celui qui offre la meilleure performance énergétique. Cette première sélection doit ensuite être discutée sur base des autres critères : impact financier, contraintes d’entretien, risque de nuisance acoustique, etc.

Author Image Posted By : 24 Juin, 2009

Enveloppe

Le choix d’un niveau d’isolation correct

L’isolation doit faire partie intégrante de tout projet de construction et de rénovation où l’ambiance intérieure est destinée à être chauffée ou climatisée. Cette technique doit être intégrée dès le début du projet pour au final respecter au minimum la réglementation en vigueur ou, mieux, les objectifs fixés par différentes labellisations.

Une attention particulière doit aussi être portée aux différents nœuds constructifs (raccords entre les parois) qui présentent plus de risques de ponts thermiques.

Le choix de la fenêtre

Le choix de la fenêtre, sa position, son orientation, son type de vitrage a également un grand impact sur la qualité du projet au niveau énergétique.

Une fenêtre doit être vue comme :

Le choix de la protection solaire

Le choix d’une protection solaire est fonction des objectifs que l’on se donne :

  • les objectifs principaux sont de limiter les surchauffes et l’éblouissement ;
  • les objectifs secondaires sont d’augmenter le pouvoir isolant de la fenêtre, d’assurer l’intimité des occupants ou d’occulter un local et de décorer la fenêtre.
Author Image Posted By : Sylvie 8 Mai, 2008

Valoriser la fraîcheur de l’environnement [Esquisse du projet]

Valoriser la fraîcheur de l'environnement

Valoriser la fraicheur de l’air extérieur

Le potentiel lié à la fraicheur extérieure

L’isolation des bâtiments élargit la période de refroidissement en mi-saison et en été. Ce besoin peut être pour une bonne part résolu en valorisant l’air extérieur lorsqu’il est plus frais que la consigne intérieure.

En moyenne, la température extérieure à Uccle est 98 % du temps inférieur à 24°C et ne dépasse 27° que 40 heures par an. En outre, en été, dans notre pays, la température nocturne minimale est inférieure de plus de 8°C à la température maximum diurne, et cette température extérieure nocturne est toujours inférieure aux plages de confort. Il existe donc un pouvoir rafraîchissant naturel important de l’air extérieur, sans traitement et donc sans coût énergétique autre que son transport.

Les profils de températures moyennes à Uccle montrent que la température extérieure est généralement inférieure à la température de confort.

Ce pouvoir rafraîchissant est cependant limité par deux facteurs : la faible capacité frigorifique de l’air extérieur et la quantité d’air pouvant être valorisée, qui est limitée par l’encombrement des gaines de ventilation, la taille des ouvertures en façade, le risque de générer un courant air.

Ainsi, imaginons un local à 26°C avec une charge thermique (élevée) de 60 W/m² (ordinateur, éclairage, occupants, ensoleillement, …) ou 20 W/m³ (si la hauteur sous plafond est de 3 m). La température de l’air extérieur est de 20°C. Calculons le débit nécessaire pour évacuer la chaleur d’un m³ du local :

débit = 20 [W/m³] / (0,34 [W/(m³/h).K] x 6 [K]) = 9,8 [renouv./h]

où,

  • 0,34 W/m³.K est le pouvoir calorifique de l’air et 6 K est la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur

Il faudrait donc un taux de renouvellement horaire de 9,8 : chaque heure, l’air du local serait renouvelé 10 fois ! en dehors de la difficulté technique, cela génère un climat peu confortable…

En pratique, la fraîcheur de l’air extérieur peut être valorisée de trois façons : par une ventilation intensive naturelle (free cooling naturel), par l’intégration d’air frais dans le système de conditionnement d’air (free cooling mécanique), et par le refroidissement direct des boucles d’eau froide (free chilling).

Données

 En savoir plus sur le climat belge ?

L’exploitation de l’air extérieur par ventilation naturelle (free cooling naturel)

La  ventilation intensive estivale (ou free cooling naturel), vise le refroidissement passif du bâtiment par l’ouverture de sa façade. L’objectif est soit de compenser en journée les charges internes et solaires, soit de « décharger » et refroidir pendant la nuit la masse du bâtiment, afin que cette masse puisse limiter la montée en température le lendemain.

La ventilation intensive est efficace en journée si l’air extérieur n’excède pas la température intérieure, mais n’est pas non plus trop froid, pour éviter la sensation de courant d’air, ce qui limite son usage en mi-saison. De plus, il restera toujours les 40 heures, soit de 5 à 10 journées de travail par an, où la ventilation ne ferait qu’empirer les choses puisque la température extérieure est supérieure à la température intérieure. Le refroidissement par ventilation de jour peut donc être une solution en mi-saison, mais a ses limites en été.

Le refroidissement par ventilation de nuit par contre conserve son efficacité toute l’année, sauf canicule extrême. Malgré tout, pour qu’un free cooling permette de se passer de climatisation en journée, il faut assurer durant la nuit, un taux de renouvellement d’air nettement plus important que le taux de ventilation hygiénique : au minimum 4 [vol/h] par rapport à 1 [vol/h].

Au-delà de l’économie d’énergie qui en résulte, c’est une certaine qualité de vie qui est recherchée : absence de système sophistiqué de climatisation, … et plaisir de pouvoir ouvrir sa fenêtre et d’entrer plus en contact avec l’environnement extérieur.

Techniques 

 En savoir plus sur la ventilation intensive d’été ?

L’intégration  de l’air frais dans le système de conditionnement d’air (free cooling mécanique)

La climatisation est parfois nécessaire (charges thermiques élevées, consignes intérieures strictes de température et d’humidité, …).

On sera alors attentif au fait que le système installé n’exclue pas le refroidissement naturel : dès que la température extérieure descend, elle doit pouvoir supplanter la climatisation mécanique. Idéalement, celle-ci ne devrait plus servir que dans les périodes de canicule.

Tout particulièrement, dans les locaux refroidis toute l’année (locaux intérieurs, locaux enterrés, …) et dans les locaux à forte occupation de personnes (salles de conférence, locaux de réunion, …), il est dommage de faire fonctionner la climatisation en hiver et en mi-saison. On privilégiera les systèmes « tout air » à débit variable.

Durant les nuits d’été, le bâtiment peut facilement être refroidi par le balayage de l’air extérieur (l’installation fonctionne alors en « tout air neuf »). Et en mi-saison, l’air extérieur assure seul le refroidissement par mélange avec l’air recyclé.

Bien sûr, la consommation du ventilateur ne doit pas dépasser celle de la machine frigorifique ! La perte de charge du réseau de ventilation (pulsion, extraction et recyclage) doit rester faible. Il faut prévoir la place pour de larges conduits.

Concevoir

 En savoir plus sur le choix du mode de gestion du débit d’air neuf ?

L’utilisation de l’air frais comme source froide d’une installation de refroidissement (free chilling)

Aussi curieux que cela puisse paraître, de nombreuses machines frigorifiques fonctionnent en hiver. Pour assurer le refroidissement de la salle informatique, pour refroidir le cœur du bâtiment surchauffé par les équipements, …

La première réaction est d’imaginer de scinder la production de froid : une petite machine couvre les besoins permanents de la salle informatique, par exemple. Et la grosse machine est mise à l’arrêt en hiver, tout en pouvant jouer le rôle de groupe de sécurité en cas de défaillance de la première.

La deuxième réaction est d’analyser si le circuit d’eau glacée ne pourrait pas être refroidi directement par l’air extérieur, en by-passant la machine frigorifique. Si le fonctionnement est continu tout l’hiver, cela en vaut sûrement la peine (c’est le cas pour un groupe qui refroidirait des locaux de consultations situés en sous-sol d’un hôpital, par exemple).

Lorsque la température extérieure descend sous les 8 à 10°C, on peut fabriquer de l’eau glacée sans utiliser le groupe frigorifique. L’eau peut-être directement refroidie par l’air extérieur. La machine frigorifique est alors  mise à l’arrêt.

L’économie d’énergie est évidente ! La rentabilité du projet est d’autant plus élevée que les besoins de refroidissement sont importants en hiver et que l’installation s’y prête.

Toutes sortes de configurations sont possibles en intercalant dans la boucle d’eau glacée soit un aérorefroidisseur (en parallèle ou en série avec le groupe frigorifique) soit une tour de refroidissement (ouverte ou fermée) ou encore un échangeur à plaque couplé avec une tour de refroidissement.

Aérorefroidisseur monté en série avec un évaporateur

Concevoir

 En savoir plus sur la mise  en place d’un free-chilling ?

Valoriser la fraicheur du sol

Le sol présente un potentiel important pour rafraichir les bâtiments. Sa température est, en été, moins élevée et surtout plus stable que celle de l’air extérieur. Une masse de sable, d’argile ou de roche présente en outre une capacité calorifique importante.

La température moyenne mensuelle est amortie et déphasée par rapport aux températures extérieures. Le sol présente donc un potentiel de rafraichissement particulièrement intéressant au printemps et en été, lorsque la température extérieure est plus élevée.

Les propriétés thermiques du sol dépendent des propriétés de ses constituants et de leurs proportions. Quelques ordres de grandeur :

nature des constituants Conductivité thermique (W/m°c) Capacité calorifique volumique Cp(Wh/m3°c) Diffusivité thermique (m2/h
constituants minéraux 2,92 534 0,0054
constituants organiques 0,25 697 0,00036
eau 0,59 1 163 0,00050
air 0,025 0,34 0,0756

Frédéric Chabert « Habitat enterré » (1980).

La conductivité thermique des sols varie de 1 à 5 selon qu’il est sec ou saturé. La capacité thermique moyenne des sols varie elle de 1 à 3.
L’exploitation de la fraicheur du sol se fait en y organisant un échange de chaleur par le passage contrôlé d’air ou d’eau. Lorsqu’il s’agit d’un échangeur air-sol, on parle de puits canadiens ou provençaux. Lorsqu’il s’agit d’un échangeur eau-sol, on parle de geocooling, une appellation qui, strictement, devrait également recouvrir les puits canadiens.

Parmi les diverses solutions d’échangeur eau-sol, notons l’exploitation du sol sous la dalle de fondation (attention à la puissance qui peut rester alors faible…),

ou dans les pieux de fondation :

Des échangeurs de type forage vertical, indépendants de la structure du bâtiment, sont également possibles.

Une autre possibilité est d’utiliser l’eau des nappes phréatiques souterraine au moyen, en la pompant pour la conduire vers un échangeur de chaleur eau-eau, mais cette technique peut générer des problèmes de nature hydraulique dans le sol (déséquilibres des nappes phréatiques, pollutions).

Un des grands intérêts des techniques de geocooling est que le niveau de température concerné (de 5 à 15°C) est intéressant tant :

  • Pour le refroidissement direct : un échange de chaleur, par l’intermédiaire de boucles d’eau, entre le bâtiment est le sol), en vue d’alimenter un système de refroidissement par dalle ou par plafond froid.
  • Pour le refroidissement indirect : valoriser le sol comme source froide de la machine frigorifique, quel que soit le système de distribution et d’émission dans le bâtiment.
  • Que pour le chauffage par pompes à chaleur. En pratique, on n’envisagera pas de valorisation thermique du sol uniquement pour le refroidissement estival. L’investissement en pompages ou forage ne se fera que si le sol peut être valorisé au maximum de son potentiel, c’est-à-dire tant en refroidissement l’été qu’en chauffage l’hiver. Le géocooling est donc intimement lié à la géothermie.

Pour en savoir plus :

Concevoir

 Choisir une production de froid « alternative » : geocooling

Concevoir

Choisir un système rayonnant sur boucle d’eau froide : plafond froid et dalle active.

Concevoir

 Le choix de la source de chaleur du chauffage par pompe à chaleur.

Techniques

 Le géocooling.

Valoriser la physique de l’air humide

Le contenu énergétique de l’air est lié à la fois à sa température et à son humidité. En effet, la présence de vapeur d’eau dans l’air représente une forme d’énergie latente, égale à la quantité d’énergie nécessaire pour vaporiser ou condenser cette eau. La somme de l’énergie sensible (liée à la température) et de l’énergie latente (liée à l’humidité) est appelée enthalpie. Cette quantité d’énergie est importante, puisque la chaleur de vaporisation d’un litre d’eau est de 2 257 kJ/kg (à la pression atmosphérique et à 100 °C). Soit 5,4 fois plus que pour chauffer le litre d’eau de 0 à 100 °C ! Elle est cependant limitée par la quantité maximale de vapeur que l’air peut contenir, qui dépend de sa température.

Le diagramme psychrométrique est l’outil indispensable pour visualiser et mesurer ces quantités d’énergie. L’enthalpie est représentée sur l’axe diagonal à gauche du diagramme. On constate que le niveau d’enthalpie est équivalent pour un air à 30 °C et 30 % d’humidité relative et pour un air à 17 °C et 100 % d’humidité relative. Autrement dit, si l’on arrive à créer des transferts entre l’énergie sensible et l’énergie latente d’une masse d’air, on devrait être en mesure de créer de l’air froid (et humide) au départ d’air chaud (et sec). Et cela sans grande consommation d’énergie, puisque l’enthalpie de l’air serait conservée.

Comment réaliser ce petit miracle ? Simplement en humidifiant l’air.
En pratique, deux types d’applications ont été développées pour valoriser ce principe physique.
Le premier dispositif se trouve dans l’architecture vernaculaire de nombreuses cultures, mais fut particulièrement développé par les Perses. Ils combinaient des tours à vent (« bagdir ») avec locaux servant de glacières (« yakh-chal ») souvent reliées à un canal souterrain (« qanat »). Par cet ensemble de dispositifs, ils étaient capables de conserver des aliments et rafraîchir des bâtiments dans un climat particulièrement chaud. Marco-Polo, lors de son premier voyage en orient, se serait vu offrir des glaces en plein été !

Plus récemment, l’idée de refroidir de l’air par humidification a été appliquée dans des groupes de traitement d’air. On parle alors de refroidissement adiabatique. Une différence majeure avec la solution imaginée par les Persans : ici c’est l’air extrait du bâtiment que l’on refroidit par humidification. Un échangeur de chaleur air-air permet ensuite de rafraîchir l’air neuf au contact de l’air extrait. Nos ambiances sont déjà suffisamment humides en été que pour éviter d’y pulser un air saturé !
Pour en savoir plus :

Théories

 Les grandeurs hygrométriques.

Concevoir

Choisir une production de froid « alternative » : refroidissement adiabatique et climatisation solaire.

Valoriser le soleil

Paradoxalement, la chaleur du soleil peut être utilisée pour rafraichir un bâtiment… pour autant que l’on dispose de l’équipement adéquat.

Généralement, produire du froid implique l’usage d’une machine frigorifique. Celle-ci se compose de deux échangeurs de chaleur (condenseur et évaporateur), d’un détendeur et d’un compresseur électrique. Pas de place pour l’énergie solaire là-dedans, si ce n’est au travers de capteurs photovoltaïques.

Mais il existe un autre type de machine frigorifique, dit « à ab/adsorption« . Là, l’échange thermique est basé à la fois sur la vaporisation d’un réfrigérant (de l’eau) et sur la capacité de certaines substances à absorber la vapeur d’eau pour la restituer à un niveau de pression différent lorsqu’ils sont échauffés. Le cycle de cette matière absorbant joue le rôle du compresseur dans une machine frigorifique traditionnelle, tout en demandant une alimentation en chaleur plutôt qu’en électricité. Or, qui dit soleil dit chaleur ! La combinaison de capteurs solaires thermiques et d’une machine frigorifique à ab/adsorption constitue ce que l’on appelle une « climatisation solaire », une idée séduisante si les besoins de froid du bâtiment sont liés aux gains solaires.

Pour en savoir plus :

Concevoir

Choisir une production de froid « alternative » : refroidissement adiabatique et climatisation solaire.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Chauffage [Concevoir l’avant-projet]

Chaudière à brûleur radiant modulant avec ventilateur ?
Circulateur à vitesse variable ?

Plafond chauffant ?
Vanne thermostatique ?

Décomposer la réflexion en 4 postes

Pour faciliter la tâche, décomposons l’installation de chauffage en 4 parties :

  1. production de chaleur,
  2. distribution de chaleur,
  3. émission de chaleur,
  4. régulation.

Cela permet de visualiser directement les qualités à atteindre par l’installation, en termes de pertes à minimiser :

Objectifs d’une installation de chauffage de qualité : cliquez sur les boutons ci-dessus pour visualiser les différentes pertes, et donc les objectifs de qualité.

La production de chaleur

Production de chaleur
Une réflexion préalable, faut-il investir dans une cogénération chaleur + électricité ? Oui, si les besoins de chaleur du bâtiment sont élevés.

Un cogénérateur produit simultanément de l’énergie électrique et de la chaleur pour le bâtiment. Le premier avantage de la cogénération est d’ordre énergétique : entre 15 et 30 % d’économie d’énergie primaire sur les besoins totaux. Mais l’avantage de la cogénération est aussi financier, dans la mesure où elle permet à l’utilisateur de réduire sa facture électrique.

Photo cogénérateur.

La cogénération : pour qui ?

Incontestablement, le premier secteur concerné par la cogénération est le secteur hospitalier. Les besoins thermiques d’un hôpital sont élevés et relativement constants. Il faut en effet produire de l’eau chaude sanitaire tout au long de l’année et bien souvent chauffer les chambres même en été. De plus, la demande électrique d’un hôpital est relativement importante. Le secteur hospitalier permet dès lors d’envisager la mise en place d’unités de cogénération puissantes dont le prix d’installation par kW est intéressant.

Le secteur hôtelier présente des caractéristiques similaires, seules les tailles des installations varient.

Un autre secteur qui mérite un intérêt particulier est le secteur sportif et plus particulièrement le secteur des piscines. Le profil de leurs besoins thermiques et électriques est intéressant pour une cogénération. Malheureusement, les tailles de ces installations sont faibles et demandent des moteurs de faible puissance dont les coûts sont élevés. Ce handicap est compensé, dans certains cas très largement, par les subsides auxquels peuvent prétendre les piscines (Infrasport, AGEBA dans certains cas).

L’intérêt de la cogénération pour les nouveaux immeubles de bureaux (banques, administrations,…) est beaucoup plus faible. La difficulté réside dans le peu de demande de chaleur en journée (dans un bâtiment bien isolé, le chauffage est essentiellement concentré sur la relance du matin, alors que les besoins électriques sont répartis tout au long de la journée). Mais chaque cas est particulier et mérite d’ être étudié avec soin.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur la mise en place d’une cogénération, cliquez ici !

Production de chaleur
Quel choix de combustible ? Le gaz sort gagnant.

Le débat se situe généralement entre le fuel et le gaz naturel.

Raccordement au gaz ou placement de citernes à mazout ?

Pour notre part, nous pouvons résumer le choix comme ceci :

  • Si la priorité est donnée à l’efficacité énergétique et à la réduction de l’émission de gaz à effet de serre, le gaz naturel, en particulier avec les chaudières à condensation, est largement gagnant.
  • Si la priorité est donnée à la rentabilité de l’investissement, le fuel se défend. Il a été, en moyenne, moins cher que le gaz ces dernières années. Mais son avenir est instable.
  • Si le réseau de gaz naturel n’est pas présent, la question ne se pose plus : le gaz en bonbonne est nettement plus cher à l’usage et, suite à son bilan écologique défavorable, l’électricité ne doit pas être utilisée pour le chauffage direct, ni des locaux, ni de l’eau chaude sanitaire. On sera d’ailleurs très attentif à éviter les « appoints » électriques sur les unités terminales (bouches de pulsion d’air, par exemple).

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix entre fuel et gaz naturel, cliquez ici !

Alternative : envisager le chauffage au bois ? Oui, en région forestière.

Le chauffage au bois d’un groupe de bâtiments dans une région boisée est écologiquement très intéressant, par exemple via l’exploitation des taillis des bois communaux. Il est par contre peu imaginable de développer un tel projet en milieu urbain.

Nous n’avons pu développer ici les techniques de chauffage au bois pour le secteur tertiaire. Nous vous recommandons de contacter une équipe spécialisée dans ce domaine :

ERBE asbl (Equipe Régionale Biomasse Énergie).
Tel : 081 627 144

L’APERe (Association pour la Promotion des Energies Renouvelables) vous conseille encore d’autres Sites web :

Alternative : envisager la pompe à chaleur ? Oui, si source de chaleur disponible.
Le bilan global d’une pompe à chaleur est « neutre » aujourd’hui :

  • En moyenne annuelle, elle produit 2,5 à 3 kWh de chaleur pour 1 kWh électrique au compresseur,
  • mais pour obtenir 1 kWh en centrale, il aura fallu utiliser 2,5 à 3 kWh de combustible ou d’énergie nucléaire,
  • et le prix du kWh électrique est 2,5 fois plus élevé que le prix du gaz naturel ou du fuel…

Mais il se peut que l’existence d’une source de chaleur particulière fasse pencher la balance dans un sens très favorable. Ainsi, il nous paraît intéressant d’étudier la pertinence du placement d’une pompe à chaleur :

  • Si l’on prévoit dans plusieurs locaux des apports internes élevés durant l’hiver : salle informatique, locaux intérieurs, locaux enterrés, locaux avec équipements forts dispensateurs de chaleur tels que salle de radiographie, imprimerie,… (la chaleur extraite de ces locaux pourra être restituée vers les locaux demandeurs en façade).
  • Si le bâtiment comprend des locaux chauds et humides (piscine, buanderie, …).
  • Si le bâtiment provoque des rejets thermiques vers l’extérieur durant tout l’hiver (process industriel, extraction d’air vicié à fort débit,…).

Concevoir

 Pour plus d’informations sur les domaines d’application de la pompe à chaleur, cliquez ici !

Production de chaleur :
Opter pour les chaudières à très basse température et/ou à condensation.

Un rendement maximum de la chaudière ? La garantie d’une bonne utilisation de la chaleur du combustible est de constater … que les fumées sortent froides de la chaudière ! Et que la chaufferie reste froide elle aussi. De là, les chaudières à très basse température.

Pratiquement toutes les chaudières sur le marché sont de bonne qualité, pour le secteur tertiaire (moyenne puissance). Une technique sort du lot : la chaudière gaz à condensation. Une technique est aujourd’hui à rejeter : la chaudière gaz atmosphérique.

photo principe de l'échangeur d'une chaudière à condensation. Depuis quelques années, on développe des « chaudières à condensation » : les fumées passent au travers d’un échangeur alimenté par l’eau froide revenant des radiateurs. Or les fumées contiennent de l’eau, à l’état de vapeur. Cette vapeur va condenser, former des gouttes (à évacuer vers l’égout) et préchauffer l’eau froide. Cette technique peut apporter en pratique de 6 à 9 % d’amélioration de rendement. Mais elle n’est courante que pour le gaz.

Pour le fuel, la présence de soufre va rendre les gouttes très corrosives et demander l’usage de chaudières inox, très coûteuses. Mais on en parle de plus en plus.
Photo d'un brûleur de chaudière atmosphérique. Une chaudière atmosphérique est une chaudière dont le brûleur ne possède pas de ventilateur : la flamme bleue est visible directement.

Problème : cette chaudière reste en contact avec l’air ambiant une fois la flamme éteinte. Or le foyer est chaud et est surmonté de la cheminée !
Conclusion : l’air de la chaufferie s’engouffre dans le foyer, appelé par le tirage thermique. Et l’eau de chauffage parcourant le foyer se refroidit en pure perte…

De l’apport d’air comburant étant naturel, le réglage de la combustion est moins performant.

Quelle technologie ? Notre sélection :

Voici les orientations que nous considérons être actuellement les plus performantes (en matière de consommation énergétique et de protection de l’environnement) pour le choix d’une chaudière :

Si le gaz est disponible :

Choix d’une chaudière gaz à condensation ou la combinaison d’une chaudière à condensation avec une chaudière traditionnelle,

  • équipée d’un brûleur modulant (avec une grande plage de modulation : de 10 à 100 %) et avec un dosage entre l’air comburant et le gaz le plus précis possible sur toute la plage de modulation,
  • raccordée à un circuit hydraulique favorisant au maximum la condensation (c’est-à-dire le retour d’eau très froide) et le plus simple possible de manière à éviter les erreurs de conception et de régulation (chaudière ne nécessitant pas de débit minimal),
  • avec les émissions de NOx les plus faibles possible, et en tout cas < 150 [mg/Nm³].

Si le gaz n’est pas disponible :

  • pouvant travailler à très basse température,
  • équipée d’un brûleur « Low NOx » à 2 allures,
  • équipée d’un compteur fuel.

S’il est imaginé que l’occupation puisse être très variable :

Si certaines personnes restent le soir pour prolonger leur travail, si une garde est organisée (conciergerie), … une production spécifique (décentralisée) pourra être imaginée dès le départ du projet (convecteur gaz indépendant, par exemple).

Production de chaleur :
quel dimensionnement ?

Avec les chaudières modernes performantes, dont le brûleur est vendu séparément de la chaudière, le surdimensionnement de la chaudière n’est plus à combattre à tout prix. En effet, l’isolation est devenue telle que ce surdimensionnement n’apporte guère de pertes supplémentaires. Au contraire, un corps de chaudière surdimensionné par rapport à la puissance du brûleur entraîne une augmentation du rendement de combustion.

Pour la même raison, il n’est plus nécessaire de dissocier la puissance à installer en plusieurs chaudières. S’il n’y avait le souhait d’assurer en permanence du chauffage en cas de panne, on recommanderait de placer une grosse chaudière unique équipée d’un brûleur 2 allures ou modulant, ce qui diminuerait l’investissement tout en permettant un rendement optimal.

La puissance utile de l’installation sera dimensionnée sur base de la norme NBN B62-003. L’application de cette norme conduit en outre à un surdimensionnement suffisant pour permettre une relance en cas de chauffage intermittent, ce, même dans la cas d’un bâtiment très isolé. Il ne sert donc à rien de prévoir une réserve de puissance complémentaire pour la chaudière et son brûleur.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix de la production de chaleur, cliquez ici !

La distribution de chaleur

Distribution de chaleur : favoriser l’eau

Le fluide caloporteur (entre chaudière et émetteurs) sera de préférence l’eau : plus flexible, demandant moins d’énergie de transport que l’air, et permettant un passage éventuel futur d’une énergie à une autre (contrairement à l’électricité).

Distribution de chaleur : sept critères de qualité

1° – Le réseau sera décomposé en zones thermiquement homogènes (même horaire d’occupation, même nécessité de dérogation, même orientation, même type de corps de chauffe) : à chaque zone son circuit et sa régulation.

Ainsi, si une bibliothèque est prévue dans une école, elle doit disposer de son propre circuit hydraulique, afin de garantir une régulation adaptée (ne chauffer que la bibliothèque le samedi matin, par exemple). De même pour la salle de gym, pour le réfectoire, pour la salle de réunion, pour la cuisine, … Cet investissement dans des tuyauteries supplémentaires permettra dans le futur d’optimiser la régulation des différentes zones.

Exemple de décomposition en zones homogènes pour une école.

De même, lors de la conception d’un immeuble de bureaux, on imaginera de pouvoir chauffer chaque étage indépendamment des autres (utilisation de WE, multi-locataires, …).

2° – Les tuyauteries et les vannes seront très bien isolées dans le sol, à l’extérieur ou dans des espaces ne faisant pas partie du volume protégé (volume chauffé) du bâtiment (chaufferie, grenier, sous-sol, …). On isolera de même toutes les conduites de chauffage se trouvant dans les faux plafonds, les locaux techniques ou les gaines techniques, même si ceux-ci font partie du volume protégé du bâtiment. De même, les circulateurs à rotor noyé seront munis d’origine d’une coquille isolante.

Ordres de grandeur :

  • Dans une ambiance à 20°C, la perte de 1 m de tuyau de 1 pouce non isolé avec de l’eau de chauffage est équivalente à la consommation d’une ampoule de 60 W !
  • L’épaisseur d’isolation sera plus ou moins équivalente au diamètre du tuyau.

3° – Un circulateur à vitesse variable sera placé sur un réseau équipé de vannes thermostatiques : il est logique que si la température est atteinte dans un local, le débit d’eau dans le radiateur soit stoppé par la vanne thermostatique (ou par une vanne 2 voies dans les ventilo-convecteurs). Mais alors, si plusieurs vannes sont fermées, la pompe de circulation doit diminuer sa vitesse de rotation : c’est le cas des circulateurs à vitesse variable.

Vanne thermostatique et circulateur à vitesse variable, deux équipements à associer…

4° – Des vannes d’équilibrage seront prévues au départ des circuits secondaires : vu le calcul très approché des tuyauteries, il est heureux de prévoir ce répartiteur global entre les différents circuits. De plus, c’est ce qui va permettre de régler les circulateurs à leur bonne vitesse nominale (en pratique, il apparaît que les circulateurs sont en moyenne 2 fois trop puissants –> la première économie générée par un circulateur à vitesse variable est de pouvoir bien régler le débit maximal). L’économie sur la consommation du circulateur amortit rapidement cet outil.

Possibilité de mesure du débit réel.

5° – Les tuyauteries seront choisies suffisamment larges : il est dommage de choisir des tuyauteries de faible section, … puis de consommer de l’énergie pour y faire passer malgré tout un débit d’eau important.
Ordre de grandeur : le dimensionnement du réseau de distribution doit être tel que la puissance électrique des circulateurs ne dépasse pas le millième de la puissance utile des chaudières.

6° – Les circulateurs seront arrêtés lorsque la demande est nulle : en fonction de la programmation (nuit, week-end, vacances) et en fonction de la température extérieure (coupure si t°ext> à 15°C, par exemple).

7° – Un circuit de réserve est placé dès le départ : l’emplacement pour un circuit supplémentaire est à prévoir sur la boucle primaire afin d’éviter des « repiquages » d’installations ultérieurs.

Distribution de chaleur : pour les chaudières à condensation, bien étudier le circuit.

Pour bénéficier de la condensation des fumées, il faut disposer d’eau de retour très froide. Toute possibilité de recyclage d’eau chaude directement vers la chaudière doit être évitée. En d’autres mots, il faut éviter les bouteilles casse-pression, les collecteurs bouclés, les soupapes de pression différentielle, les vannes 3 voies diviseuses.

Exemples de situations défavorables…

Or certains fabricants imposent un recyclage (un bypass) car leur chaudière est à faible capacité d’eau et donc nécessite un débit d’eau permanent ! C’est peu compatible avec un retour d’eau très froide …

Il vaut mieux sélectionner une chaudière dont la capacité en eau est élevée et qui ne demande pas de débit permanent. Sa chaudière est une « grosse marmite » dont la flamme peut s’enclencher sans risque s’il n’y a pas de circulation d’eau. En quelque sorte, la bouteille casse-pression est intégrée dans la chaudière.

Circuit favorable au retour d’eau froide vers la chaudière.

Un circuit primaire ouvert est alors recommandé. Et seules les pompes secondaires alimentent les réseaux. Encore une économie.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur la distribution du chauffage, cliquez ici !

L’émission de chaleur

Émission de chaleur : favoriser la basse température

Au départ, il faut se rendre compte que, dans un immeuble récent bien isolé, la performance des différents types d’émetteurs sera toujours assez bonne. Grâce à l’isolation, la température intérieure est assez homogène, quel que soit le moyen de chauffage.
Photo chauffage par le sol.

Idéalement, pour assurer le rendement optimal de la chaudière (et tout particulièrement la condensation), il faut travailler avec un fluide caloporteur à la plus basse température possible. Et donc, disposer de la surface d’émission la plus grande possible.

Ceci conduit inévitablement au chauffage par le sol. Hélas, ce système présente par ailleurs beaucoup d’inconvénients dont l’inertie, ce qui le rend inadapté lorsque les besoins sont variables dans le temps ou en intensité (à ne pas installer dans une école, ou un restaurant, ou une salle de réunion, ou dans un local avec des larges baies vitrées…).

Finalement, le radiateur réalise le bon compromis entre apport par rayonnement et par convection, et, s’il est largement dimensionné (sur base d’un régime 80° – 60°), il permettra des retours froids la majeure partie de l’année.

Bien sûr, un radiateur devant une allège vitrée ne devrait jamais exister…

Synthèse des critères de choix

Le chauffage par le sol est intéressant :

  • dans des locaux situés au-dessus de locaux chauffés,
  • non soumis à des apports de chaleur importants et variables (occupants, soleil, …),
  • à usage continu (de type hébergement).

Il peut apporter une réponse adéquate aux locaux de grande hauteur, où le chauffage à air chaud sera moins adéquat (stratification).

Le chauffage par convecteur convient dans des locaux avec une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion).

Dans tous les autres cas, le chauffage par radiateurs est le meilleur compromis confort/consommation.

À noter qu’en rénovation, les anciens radiateurs pourront souvent être conservés vu leur surdimensionnement fréquent, favorable à un fonctionnement à basse température.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix d’un émetteur de chauffage

La régulation de chaleur

Régulation de chaleur : c’est le point clef de la consommation énergétique.

Nous sommes à l’époque du « just in time » de la production de chaleur. Les régulateurs sont suffisamment intelligents que pour ne produire que la chaleur « juste nécessaire », à la température minimale souhaitée, au bon moment. Il est impératif de réserver un budget important à la qualité de la régulation. Qualité ne veut pas dire sophistication. Au contraire, la bonne gestion future sous-entend des systèmes simples.

Une sonde extérieure (complétée par une sonde d’ensoleillement au Sud)
et une sonde d’ambiance (dite « de compensation ») définissent les besoins des locaux.
Elles demandent à la vanne 3 voies mélangeuse de s’ouvrir en conséquence.

Le système de régulation doit permettre de :

  • Chauffer distinctement chaque zone de locaux dont l’usage est distinct.
    Par exemple, la bibliothèque, la cafétéria, la salle de réunion, … auront des régulateurs indépendants des bureaux qui la jouxtent. À ce titre, la vanne thermostatique n’est qu’un complément local de régulation et non l’outil de base (la vanne reste ouverte la nuit, mais une programmation centrale doit arrêter le débit d’eau dans les radiateurs).
  • Programmer le chauffage exclusif d’une zone thermique distincte.
    Par exemple, il doit être possible de chauffer la bibliothèque le samedi, sans alimenter le restant du bâtiment. Dans un immeuble de bureaux, chaque étage doit pouvoir être alimenté séparément, même si un seul exploitant est prévu… au départ.
  • Minimiser la température de l’eau en sortie de chaudières.
    La solution traditionnelle consiste à chauffer l’eau en fonction de l’évolution de la température extérieure. Mais aujourd’hui, il est possible de se limiter à la température maximale demandée par le circuit secondaire de distribution le plus demandeur. Ou encore, dans les bâtiments conditionnés, ce sera le pourcentage d’ouverture des vannes des unités terminales qui seront représentatifs des besoins locaux. Même s’il fait froid dehors, l’occupation réelle du bâtiment peut limiter les besoins… et donc la température de départ de l’eau chaude en chaufferie.
  • Gérer l’intermittence par un régulateur-optimiseur.
    Il assure une coupure complète des circuits de distribution (et éventuellement des chaudières) la nuit et le week-end, avec un contrôle anti-gel interne de sécurité, et calcule automatiquement le moment de la coupure et de la relance en fonction des températures intérieures et extérieures. Autrement dit, on abandonne le simple « ralentissement nocturne », qui fournit de l’eau tiède dans le bâtiment à minuit, … en pure perte.
  • Arrêter l’apport d’air neuf en période de relance.
    Dans un bâtiment bien isolé, le chauffage de l’air neuf représente 50 % environ des besoins. Il doit pouvoir être arrêté (ou recyclé) en période de relance, avant l’arrivée des occupants, fournissant ainsi un surcroît de puissance pour la montée en température des locaux après la coupure nocturne.
  • Imaginer dès le départ la gestion future par les occupants.
    Comment cela se passera-t-il lorsqu’une réunion sera organisée le soir ? et durant les congés entre Noël et Nouvel An, s’il gèle dehors ? Qui aura accès à quoi ? Est-ce qu’une programmation annuelle ne serait pas pratique pour encoder une fois pour toutes les congés ? et quelle dérogation à cette programmation ?… Autant y penser au départ du projet…
  • Utiliser un détecteur qui sera le témoin des besoins réels.
    Par exemple, autrefois la salle de gymnastique était chauffée du matin au soir. Qu’il y ait quelqu’un ou non dans la salle. Aujourd’hui, c’est le contact dans la serrure de la porte ou un détecteur de présence qui enclenche l’aérotherme lors de l’arrivée du groupe. Vu l’isolation des locaux, la température des locaux passera rapidement de la consigne de veille à la consigne normale.

Lister les besoins des locaux

Au départ, il est important de préciser les demandes de chaque zone. Et de trouver quel sera le témoin de la demande réelle : le thermostat d’ambiance, la température extérieure, un détecteur de présence, … Le fabricant peut répondre à toute demande… si elle est clairement exprimée.

Chaque zone d’occupation et de besoin homogènes, disposant de son propre circuit de distribution, verra la température d’eau régulée, par exemple en fonction d’un thermostat d’ambiance (dans le cas ou un local « témoin » est possible) et/ou d’une sonde extérieure.

Les locaux profitant d’apports de chaleur plus importants que les autres (soleil, occupants, …) seront équipés de vannes thermostatiques, vannes de qualité « institutionnelle » si les locaux sont ouverts au public.

Vanne institutionnelle : le réglage de la consigne n’est pas accessible à l’occupant, elle résiste au choc d’un ballon de basket et ne peut être facilement démontée.

Analogique ou numérique ?

   

Régulateurs analogique et numérique.

Aujourd’hui, une régulation numérique s’impose, car elle permet beaucoup plus facilement une adaptation de la régulation aux besoins, une modification des paramètres, une communication des informations à distance et donc un suivi à distance. 

Concevoir

 Pour plus d’informations sur la régulation d’un système de chauffage
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir la fenêtre comme capteur d’énergie solaire [Esquisse du projet]

L’architecture participe à la juste captation des apports solaires, plus recherchés pour leur lumière que pour leur chaleur dans un immeuble tertiaire.

L’immeuble tertiaire se distingue de l’immeuble domestique

Les besoins thermiques d’un immeuble tertiaire (bureaux, écoles, …) sont très différents de ceux d’un bâtiment domestique.

Bâtiment tertiaire Bâtiment domestique

En hiver
Des apports internes élevés sont apportés par les occupants, par l’éclairage et les appareils de bureautique. Les apports internes sont limités, exceptés dans la cuisine.
Le profil de demande de chaleur est essentiellement concentré sur la relance du matin, avant l’arrivée des occupants.

Lorsque le soleil arrive, le bâtiment est déjà chaud, particulièrement pour les locaux orientés à l’Ouest (soleil l’après-midi).

Dans une classe d’école par exemple, il n’est plus nécessaire de chauffer lorsque les élèves sont présents (nous parlons bien ici d’un nouveau bâtiment bien isolé).

 Le profil de demande de chaleur est variable suivant l’occupation, mais il est marqué par une demande qui se prolonge en soirée, après le coucher du soleil.

Un des objectifs sera de stocker la chaleur solaire de la journée dans les parois, pour lisser la pointe de température en journée et libérer la chaleur en soirée.

En été
L’exigence de confort est importante afin d’améliorer la productivité des occupants. L’occupant accepte plus facilement un inconfort temporaire et attend la fraîcheur de la soirée.

Il peut facilement adapter sa tenue vestimentaire et son activité.
L’environnement extérieur ne permet pas toujours une ouverture des fenêtres (bruit, air pollué, …) Généralement, l’environnement permet plus facilement l’ouverture des fenêtres.

Conclusions

En hiver, le profil de demande thermique d’un immeuble tertiaire est peu en coïncidence avec le profil de l’apport solaire, surtout pour les immeubles de bureaux dont les apports internes sont élevés.

Le profil de demande de chaleur est essentiellement concentré sur la relance du matin, avant l’arrivée des occupants.

En été, , et de plus en plus en mi-saison, la sensibilité du bâtiment et des occupants au risque de surchauffe est élevée.

Quelle place pour les apports solaires de chauffage ?

De ce qui est dit ci-dessus, et des conséquences de l’isolation des bâtiments sur le profil de demande, on déduit que les apports solaires sont peu recherchés pour leur appoint en chauffage dans un nouveau bâtiment bien isolé et avec des apports internes moyens ou élevés (immeubles de bureaux, par exemple).

Concrétisons par un exemple

Voici les résultats d’une simulation réalisée sur un immeuble de bureau-type.

Ramenons à 100 la demande en chaud et en froid de l’immeuble dans sa version de base (50 % de vitrage) et analysons l’impact d’une modification de la surface vitrée :

Pourcentage
de vitrages		 Demande
de chauffage		 Demande
de refroidissement
0 % 77 80
50 % 100 100
70 % 110 108

Il apparaît :

  • que l’augmentation globale de la surface vitrée augmente les déperditions en hiver,
  • que l’apport solaire ne compense pas ces déperditions,
  • que la demande de refroidissement est logiquement en hausse en été.

Avec les modes constructifs actuels, le bâtiment qui aurait le moins besoin de chauffage et refroidissement est celui que n’aurait pas d’ouvertures !

À noter que cette évolution est identique quelle que soit l’orientation du local :

Local Nord Local Sud
Pourcentage
de vitrages		 Demande de chauffage Demande
de refroidissement		 Demande de chauffage Demande
de refroidissement
0 % 84 73 71 84
50 % 103 79 90 120
70 % 116 81 103 134

La valeur 100 correspond à la demande moyenne des locaux, avec 50 % de vitrages.

A noter :

  • L’importance de la demande de refroidissement dans les locaux au Nord, demande essentiellement liée à la présence des apports internes.
  • Une simulation des locaux avec des apports internes faibles présente la même tendance à l’augmentation des consommations avec l’augmentation de la surface vitrée.
  • Le placement de vitrages réfléchissants au Sud génère une diminution de la demande de refroidissement nettement plus forte que l’augmentation de la consommation de chauffage.

Constats (essentiellement pour des immeubles de bureaux)

  • L’idéal thermique restera toujours le vitrage clair équipé d’un store extérieur mobile : la chaleur solaire est captée si nécessaire et le store est abaissé le reste du temps. Toutefois, la convivialité intérieure et l’apport lumineux lorsque les stores sont abaissés laissent à désirer…

 

  • Dans un bâtiment tertiaire vérifiant la réglementation thermique en matière d’isolation et disposant d’apports internes normaux (> 25 W/m²), il y a peu intérêt à capter l’énergie solaire pour diminuer les besoins de chauffage et beaucoup de risque de surchauffe et d’éblouissement.

 

  • Par réalisme, le critère thermique impose une limitation des espaces vitrés dans un bâtiment tertiaire, quelle que soit son orientation; ouvrir la façade « du sol au plafond », c’est créer un problème et devoir user d’artifices coûteux pour gérer l’excédent solaire. Et finalement, c’est nier toute architecture d’une façade, comme succession de pleins et de vides…

 

  • Le pourcentage de vitrage à choisir est essentiellement fonction des besoins d’éclairage naturel et de convivialité recherchée dans le bâtiment.

 

  • Idéalement, les surfaces vitrées seront choisies avec un faible coefficient de transmission thermique pour limiter les pertes en hiver et équipées d’une protection solaire en été. Toutefois, vu la difficulté d’une bonne gestion des protections solaires et le coût des protections automatisées, il est possible également de sélectionner des vitrages avec un faible facteur solaire (FS = 0,4 au maximum) et un bon rendu lumineux (FL = 0,7).

Conclusions : quel pourcentage d’ouverture de la façade ?

Si l’on ne prend en compte que le seul critère thermique, et si une protection solaire très efficace n’est pas prévue, une limitation des espaces vitrés s’impose dans un bâtiment tertiaire bien isolé, quelle que soit son orientation.

Le pourcentage de vitrage à choisir de prime abord pourra généralement être compris entre 30 et 45 % de la surface de façade, cette fourchette variera essentiellement fonction :

  • du rapport au contexte dans lequel le bâtiment s’inscrit,
  • du besoin d’éclairage naturel,
  • du souhait de contacts visuels avec l’extérieur,
  • de la recherche de repères visuels dans le bâtiment.

Voici deux couloirs du même bâtiment, avec les mêmes orientations.
Simplement, dans le premier cas, l’architecte a introduit une ouverture vers l’extérieur pour introduire de la lumière naturelle…
C’est ce qui fait la qualité de l’ambiance intérieure.

A la limite, on peut comprendre une compagnie d’assurance anglaise, qui, vu les apports internes très élevés, a décidé de s’ouvrir principalement au Nord, réservant au Sud l’emplacement de la cafétéria.

Vue des espaces vitrés côté nord.

Remarque importante.

Dans nos conclusions, le vitrage apparaît mal adapté comme capteur d’énergie solaire dans les bâtiments tertiaires. Par contre, et tout particulièrement lorsque le bâtiment présente des besoins d’air neuf élevés (laboratoires, salles de conférence, salles de réunion,…), il est utile d’étudier la valorisation de l’apport solaire pour le préchauffage de l’air neuf. Le principe est alors de placer la prise d’air neuf dans un espace qui par lui-même récupère la chaleur solaire ou la chaleur du bâtiment. On pense tout particulièrement ici à un système de type « double-peaux », mais l’atrium ou le puits canadien sont d’autres manières d’appliquer ce principe.

Une très grande sensibilité aux apports internes

Le résultat des simulations thermiques est très variable en fonction d’un paramètre : la charge interne.

Un bâtiment actuel est souvent à l’équilibre entre ses pertes thermiques et ses apports internes. S’il faut chauffer par période de gel, et refroidir en période de canicule, entre ces 2 extrêmes il existe une large plage où le bâtiment est proche de l’équilibre thermique : les résultats seront alors fonction des hypothèses choisies.

Exemple.

Reprenons l’analyse d’un immeuble de bureau-type.

Si 100 est la demande en chaud et en froid de l’immeuble dans sa version de base (50 % de vitrage-apports internes moyens), analysons l’impact d’une modification des apports internes :

Apports
internes		 Demande
de chauffage		 Demande
de refroidissement
– 50 % 146 52
moyens 100 100
+ 50 % 23 226

Exemple de diagramme énergétique établi pour cet immeuble de bureaux :

Face à une telle sensibilité, il apparaît

  • Qu’une analyse des besoins thermiques spécifique au bâtiment et à son utilisation (simulation dynamique) est indispensable pour une conception correcte du bâtiment et de ses équipements.
  • Que face à l’incertitude sur le fonctionnement réel du bâtiment (demain et après-demain), même si le refroidissement naturel du bâtiment est recommandé en priorité, l’adjonction éventuelle future d’un système mécanique de refroidissement doit être étudiée dès le début d’un projet d’immeuble de bureaux.

Exemple de situation dont les occupants se plaignent :

Une grande baie vitrée orientée au sud, une faible inertie (tapis et plafond acoustique)… … et la présence de nombreux PC génère de la surchauffe en été.

Une sensibilité aux masques solaires

Toutes les conclusions tirées ci-dessus sont en partie dépendantes de la présence d’un masque solaire éventuellement créé par les bâtiments voisins.

Par exemple, le bilan énergétique du dernier étage est sensiblement différent de celui du rez-de-chaussée.

On peut donc imaginer que le choix du vitrage puisse évoluer en fonction de l’étage.

L’influence de l’orientation de la façade

Lorsque l’apport solaire est recherché (bâtiment avec faibles apports internes), il est important de sélectionner une surface vitrée dont l’efficacité est maximale : capter un maximum d’énergie en hiver et un minimum en été.

Gains solaires par ciel serein en Belgique,
à travers un double vitrage.

(La lettre indique l’orientation et le nombre est l’inclinaison. Les orientations ouest et sud-ouest correspondent approximativement aux orientations est et sud-est.)

À première vue, la surface vitrée verticale orientée au sud (= S 90) paraît très intéressante, puisque plus d’apports en mi-saison qu’en été.

À l’opposé, on trouve la surface horizontale (coupole en toiture) dont la spécificité est de capter très peu d’énergie en hiver et de provoquer de la surchauffe en été.

Les surfaces à l’est et à l’ouest (= E 90) présentent également un bilan contraire à l’évolution des besoins du bâtiment.

Par contre, si la façade ne comporte pas de masques, un bâtiment de bureaux avec des apports internes moyens ou élevés sera en surchauffe très rapidement, dès l’arrivée du soleil.

Dans ce cas, l’apport solaire total étant plus important au Sud, c’est cette orientation qui sera la plus défavorable en matière de refroidissement annuel (malgré une légère diminution des consommations d’hiver).

C’est ce que montre notre exemple de

bureau-type :

Local Ouest Local Sud
Pourcentage
de vitrages		 Demande de chauffage Demande
de refroidissement		 Demande de chauffage Demande
de refroidissement
50 % 103 104 90 120

La valeur 100 correspond à la demande moyenne des locaux, avec 50 % de vitrages.

Exemple de protection architecturale très efficace sur une façade Sud… et qui participe à l’architecture de la façade !

Mais l’avantage de la façade au Sud est de profiter d’un soleil très haut sur l’horizon. Les auvents créés par l’architecture de la façade formeront une protection solaire efficace.

Au contraire, les protections architecturales ne sont pas efficaces à l’Est et à l’Ouest : le soleil est trop bas sur l’horizon pour être arrêté par le masque architectural.

Un éblouissement important en résulte.

Seuls des stores sont possibles, mais le coût et la maintenance en sont élevés.

Conclusions

Partons d’un bâtiment rectangulaire dont on se poserait la question : quelles orientations des façades des grands côtés du rectangle ?

1° Sans protections solaires, le choix de l’orientation d’un bâtiment est à faible impact énergétique : la consommation totale (chaud + froid) plus importante au Sud est compensée par une consommation totale plus faible au Nord.

Il est préférable :

  • Soit de privilégier l’ouverture au nord pour favoriser l’éclairage naturel (et de limiter les espaces vitrés au sud et à l’ouest),

 

  • Soit de placer pour les orientations sud, est et ouest, des vitrages réfléchissant le rayonnement solaire toute l’année. Il existe des vitrages qui ne laissent passer que 40 % de l’énergie solaire thermique, tout en laissant passer 70 % de la lumière.

2° Si des protections solaires sont prévues, les grands côtés Nord et Sud sont plus faciles à gérer : une protection architecturale fixe est très efficace au Sud et ne nécessite que peu d’entretien.

Par contre, les grands côtés est et ouest demanderaient des protections mobiles pour limiter les apports de chaleur et l’éblouissement des occupants. C’est plus coûteux, mais cela peut induire plus de vie dans le bâtiment, car la lumière est toujours présente dans les locaux.

En simplifiant, on pourrait dire que dans des locaux d’hébergement, on privilégierait les côtés est et ouest avec protections solaires, et que dans les immeubles de bureaux, on choisirait les façades nord et sud, avec avancées architecturales.

L’influence de l’inclinaison du vitrage

Ce diagramme montre évolution de l’énergie captée par une surface orientée au Sud en fonction de l’inclinaison.

Conclusions

On limitera les surfaces vitrées horizontales (coupole, toiture d’atrium, …) aux seuls besoins d’éclairage naturel des locaux situés au dessous.

Dans l’immeuble ci-contre, il paraît énergétiquement peu opportun de créer une telle surface de captation. Elle risque d’entraîner soit une surchauffe élevée, soit une consommation d’énergie frigorifique importante

concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix des vitrages.

Quelle protection contre les apports solaires d’été ?

Dans un bâtiment bien isolé et avec des apports internes élevés, la limitation des surchauffes devient une priorité du concepteur, dès le stade de l’esquisse.

La meilleure protection solaire… c’est une surface de vitrage limitée !

La façade est aujourd’hui libérée de la fonction de portance. Elle ne doit plus remplir qu’une fonction d’enveloppe. La mode est à « la transparence », à l’ouverture des façades du sol au plafond… Or la zone inférieure d’une fenêtre est très peu efficace en matière d’éclairage naturel. La présence d’une allège opaque est donc thermiquement préférable (présence d’une isolation pour diminuer les pertes en hiver et opacité vis-à-vis des apports solaires en été).

Cette transparence totale de la façade va générer une sensibilité très forte à la surchauffe (les agriculteurs en sont bien conscients dans leur serre…). D’où la mise en place de doubles façades coûteuses, … pour gérer le problème que l’on a créé !

Double peau globale et double peau par étage.

En hiver, l’intérêt est réel grâce au préchauffage possible de l’air neuf et à la diminution des déperditions de la paroi vitrée. Mais en période de refroidissement, un store doit être placé dans la lame d’air et la double peau peut devenir alors une contrainte pour éliminer la chaleur emprisonnée (par rapport à un simple store extérieur).

Cette technique semble à réserver aux bâtiments nécessitant un apport d’air neuf fort élevé, pour lesquels la double-peau constitue un moyen de préchauffer l’air.

Les surcoûts sont importants et, sans vouloir tirer ici des conclusions trop rapides, on est en droit de se poser la question si ce budget ne serait pas mieux utilisé dans d’autres améliorations énergétiques, plus efficaces et plus simples à gérer dans le temps ? À titre d’exemple, un récupérateur de chaleur sur l’air extrait apporte lui aussi une possibilité de préchauffer l’air neuf, mais avec un coût d’installation incomparable…

Aula Magna de Louvain La Neuve.

Détail de la double peau,  qui n’est pas en communication avec l’ambiance intérieure.

La présence d’une protection solaire

On ne peut imaginer la conception d’un immeuble, climatisé ou non, sans l’organisation d’une protection solaire efficace.

Dans un bâtiment climatisé, elle permet une diminution drastique des coûts d’exploitation. Dans les autres, elle limite le risque de surchauffe.

Dans les deux cas, elle permet de gérer l’éblouissement, tout particulièrement pour faciliter le travail sur ordinateur. Des stores intérieurs compléteront utilement le dispositif.

Les éléments architecturaux (balcons, débords de toiture, décrochements, …) sont particulièrement efficaces au Sud puisque le soleil est alors haut sur l’horizon.

En été…   … et en hiver.

   

Stores verticaux, simultanément capteurs solaires photovoltaïques.

   

Bâtiment Sedilec à LLN.

Certaines protections architecturales tentent de stopper le soleil, tout en privilégiant la réflexion du rayonnement lumineux vers le plafond (« light-shelves« ).
Les stores mobiles extérieurs sont les plus efficaces pour contrôler le flux solaire en fonction du besoin réel. Mais ils sont délicats en terme de maintenance et nécessitent un contrôle automatique pour être relevés en cas de vent. La réduction du champ visuel de l’occupant en est un autre inconvénient.

Se croirait-on sur la Poztdammer Platz de Berlin ?

Panneaux de bois coulissants.

concevoir

 Pour plus d’informations sur la mise en place de protections solaires.

Protections végétales ?

Des végétations plantées à proximité du bâtiment peuvent participer à la gestion des apports solaires.

Les arbres à feuilles caduques ont l’avantage de perdre leurs feuilles et de permettre ainsi l’exposition au soleil en hiver.

Mais il s’agit là d’un appoint, plutôt à vocation domestique, et non d’une solution complète, ne fut-ce que pour les étages supérieurs.

Annexe : les paramètres du bureau-type

L’immeuble de bureaux-type utilisé ci-dessus présente les caractéristiques suivantes :

Dimensions extérieures : 60 x 18 m, sur 3 plateaux, soit un total de 3 240 m².

Dans la version dite « de base » :

  • l’orientation des façades principales est Nord-Sud,
  • le pourcentage de vitrages est de 50 % sur toutes les façades,
  • le vitrage est double avec un traitement basse émissivité (k = 1,9 W/m².K),
  • l’isolation est de 6 cm en façade, 12 cm en toiture et 3 cm dans les planchers sur sol,
  • les apports internes dans les bureaux sont de 35 W/m² (un PC de 160 W, une lampe individuelle de 18 W, un éclairage généralisé de 13 W/m² et une personne dont le métabolisme apporte 81 W pour une surface de travail de 12 m²).
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Eclairage artificiel

Eclairage artificiel

S’il fallait en quelques lignes préciser une installation performante d’aujourd’hui, on pourrait la décrire comme suit :

photo bureau éclairé.

Il s’agit une installation qui ne dépasse pas une puissance installée de 1,3 W/m²/100 lux, soit pour une situation classique de bureaux (où 500 lux sont requis sur la table de travail) 6,5 W/m².

Pour ce faire, l’éclairage direct est privilégié (avec éventuellement une petite composante indirect) tout comme l’usage de luminaires à bon rendement.

L’installation visera à apporter un niveau d’éclairement suffisant mais pas plus important que nécessaire.

Concevoir

 Pour en savoir plus sur la conception d’une installation d’éclairage efficace.
  • L’éclairage de décoration est limité aux halls d’accueil et salles d’exposition. La lampe à vapeur d’halogénure métallique de faible puissance (35 à 150 W) est choisie. Sa lumière se laisse facilement focaliser. Si un flux lumineux élevé par unité est requis, elle permet une économie d’énergie de 70 % par rapport aux lampes halogènes.
  • Les tubes fluorescents sont équipés de ballasts électroniques dimmables, afin de pouvoir moduler l’intensité lumineuse des lampes en fonction des besoins. Une des techniques consiste à intégrer une petite cellule sensible sur le luminaire, cellule qui vérifie que les 500 lux ne sont pas dépassés en dessous de lui. Si le soleil brille, la lampe réduit son intensité lumineuse et donc sa consommation !
  • Une gestion d’ensemble est prévue, de telle sorte que les lampes ne s’allument qu’en cas de besoin : détecteur de présence dans un couloir ou dans une salle de réunion, sonde de luminosité en façade qui éteint tous les luminaires en façade si l’intensité dépasse un certain seuil, minuteur dans les sanitaires, etc …

Concevoir

 Choix d’un mode de gestion de l’éclairage.

Découvrez cet exemple de limitation de la consommation d’éclairage réalisée à l’université de Montfort.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Privilégier les outils de régulation et de gestion

Privilégier les outils de régulation et de gestion

Privilégier la régulation

La régulation est le cerveau des installations. Elle doit atteindre plusieurs objectifs :

  • fournir le service à l’endroit souhaité, au moment voulu, avec l’intensité voulue,
  • ne jamais détruire de l’énergie (= casser du chaud par du froid),
  • conserver une logique et une technicité simple, accessible à l’exploitant.

Quelle que soit la technique en jeu, on sera attentif à ne pas raboter sa qualité.

Le premier objectif peut s’écrire en d’autres mots : « une bonne installation est celle qui ne consomme rien lorsque la demande est nulle »…

Exemple, la production d’eau chaude sanitaire.

Est-on sûr que le système ne consomme pas essentiellement pour se maintenir en température (en été, par exemple) et non pour préparer de l’eau chaude ?

Mais les deux premiers objectifs peuvent se contredire : à force de vouloir apporter à chaque occupant la bonne température, donc de préparer un réseau « chaud » et un réseau « froid »,… de la chaleur et du froid se détruisent à la distribution.

Exemple, la production d’eau chaude sanitaire.

En été, les pertes de la boucle de distribution d’eau chaude sanitaire viennent augmenter la température des locaux, donc la consommation de la climatisation le cas échéant.

S’il est bien une amélioration majeure de ses 20 dernières années, c’est l’arrivée de la vitesse variable (basée par exemple sur l’utilisation d’un variateur électronique de fréquence). Au minimum, tous les équipements « rotatifs » (pompes, ventilateurs, compresseurs) devraient être équipés d’une régulation par vitesse variable pour s’adapter aux besoins réels.

Quelques exemples.

  • Couper les ventilateurs dans les parkings en fonction d’une sonde CO.
  • Moduler les débits d’air dans les salles de réunion par sonde CO2.
  • Éclairage et débits d’air dans les auditoires d’étudiants commandés par des détecteurs de présence.
  • Couper l’humidification au dessus d’une T°ext de 8°C.
  • Couper les luminaires en façades lorsqu’il y a du soleil.
  • Placer des vannes thermostatiques sur les radiateurs et des circulateurs à vitesse variable.
  • Commander la température de départ de l’eau glacée à l’évaporateur par une sonde de température extérieure.
  • Régler le débit de déconcentration de l’humidificateur par une sonde de conductibilité électrique.
  • Moduler la hotte d’extraction de la cuisine collective en fonction de la température sous celle-ci.
  • …

Parfois chères en rénovation, ces mesures coûtent peu si elles sont prises dès la phase de conception.

Le « on-off », c’était pour papa ! Donner un tel objectif de gestion à un bureau d’études doit se faire dès l’Avant-Projet afin qu’il puisse optimaliser les applications.

Par exemple, si les débits d’air sont modulés en fonction des besoins, il faut définir le découpage de l’unité gérée (par local, par zone de locaux sur une même façade, …) afin de pouvoir définir le réseau. Mieux, si les locaux de réunion sont réunis autour d’une même conduite de distribution d’air, un seul groupe de préparation va gérer ceux-ci. On pourra profiter d’un effet de foisonnement, tablant sur le fait que toutes les salles ne seront pas occupées en même temps, et au taux de remplissage maximal. Le coût d’installation en sera réduit d’autant.

Quels outils de comptage ?

L’installation de compteurs devra permettre :

  • De mesurer toutes les consommations d’électricité et de combustibles de chaque bâtiment (donc y compris la consommation de fuel).
  • De mesurer distinctement la part liée à la climatisation (présence d’un compteur électrique distinct sur chaque machine frigorifique de plus de 10 kW).
  • De mesurer la performance des installations de production d’eau glacée (compteur d’énergie thermique sur la boucle d’eau glacée).
  • De mesurer la consommation en eau chaude sanitaire.
  • De réaliser un partage des consommations par locataires : s’il existe une multi-propriété ou différents locataires dans le bâtiment, chaque entité devra disposer de compteurs d’énergie propres, tant en électricité qu’en énergie thermique.
  • De mesurer la quantité d’eau entrant dans le réseau de chauffage à partir du réseau d’eau de ville (ce simple compteur sur le raccordement au réseau permet de surveiller si des apports d’eau anormaux sont réalisés, apports qui, à terme, risquent de corroder le réseau).

Ne jamais lésiner sur les indicateurs…

Les outils de gestion, se sont également tous les plans, schémas, logique de régulation,… à recevoir lors de la réception du bâtiment.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Ventilation [ Concevoir l’avant projet ]

Ventilation

Organiser une ventilation permanente des bâtiments

En ventilation naturelle, il peut paraître curieux de placer des joints pour étanchéifier les châssis et, simultanément, de placer des grilles de ventilation dans le même châssis ! Et pourtant, c’est correct. Toute la différence tient dans ce qu’on ne maîtrise pas le débit d’air qui passe dans les joints et que l’on maîtrise le débit qui passe dans la grille…

Dans le bâtiment-passoire de papa, toute la chaleur s’échappait la nuit et le WE par les inétanchéités.

La Citroën 2CV était sympathique, avec une ventilation naturelle extraordinaire, … mais on ne la vend plus aujourd’hui.

Le maintien de la qualité de l’air intérieur est aussi fondamental aujourd’hui que la réalisation du confort thermique. L’organisation d’une ventilation permanente, qu’elle soit naturelle ou mécanique, est un objectif logique, en plus que d’être une obligation réglementaire.

On y sera d’autant plus attentif dans les bâtiments scolaires où la tradition n’existe pas.

Privilégier la ventilation mécanique ?

Le chauffage de l’air neuf hygiénique représente près de la moitié de la consommation de chauffage d’un bâtiment isolé. Pour diminuer ce poste, le choix du système de ventilation n’est pas neutre.

En pratique, si on excepte le système B peu répandu, la norme propose 3 systèmes de ventilation, représentés ci-dessous de façon simplifiée dans le cas d’un immeuble d’hébergement :

Système A
(ou ventilation naturelle). 		Amenée d’air naturelle

Évacuation d’air naturelle

 
Système C
(ou simple flux avec extraction mécanique).

 Amenée d’air naturelle

Évacuation d’air mécanique

 
Système D
(ou double flux).

 Amenée d’air mécanique

Évacuation d’air mécanique

 

L’investissement minimal, le souci d’éviter le bruit et le coût d’exploitation des ventilateurs, … feraient pencher pour le système A. Mais ce système est celui qui génère la plus grande consommation énergétique puisque le débit d’air est permanent et que l’on imagine difficilement que l’on va fermer les grilles lorsque l’occupant est absent.

Tout au contraire, le système D peut être arrêté la nuit et le WE (soit les 2/3 du temps) et une récupération de chaleur peut être réalisée sur l’air extrait (récupération de 50 % de la consommation). Dès lors, le chauffage de l’air de ventilation via un système D (muni d’un récupérateur de chaleur) chute donc au sixième de celui du système A ! Mais c’est le plus cher à l’investissement…

Le système C est sans doute un compromis : l’arrêt des extracteurs limite l’entrée d’air en dehors des périodes d’occupation.

À première vue, le système D est optimal pour un immeuble de bureaux.

Le système A est possible en théorie, en pratique c’est un système quasi irréalisable et de façon générale peu recommandable.

Ce choix n’est pas neutre sur la conception du bâtiment, dès la phase d’avant-projet. Notamment suite aux interactions avec la climatisation éventuelle.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix des systèmes de ventilation.

Surdimensionner (pour une fois !) les conduits d’air

À débit transporté égal, si la section d’un conduit d’air double, la vitesse diminue de moitié… et la puissance du ventilateur est diminuée par 8 !

Il faut le prévoir dès l’avant-projet pour réserver des espaces techniques suffisants (encombrement des conduits) et des trajectoires rectilignes (le moins de coudes possible).

En général c’est le contraire qui se produit : le bureau d’études est obligé de travailler à haute vitesse pour faire passer le débit d’air dans les petites sections tortueuses.

Et du bruit sera inévitablement entendu. À moins que des baffles acoustiques soient placés. Mais ces baffles augmentent fortement la perte de charge (= le frein) du conduit et donc la consommation du ventilateur…

Et puis, la consommation du ventilateur 8 x trop importante va se libérer en chaleur dans l’air transporté. Si l’air doit rafraîchir les locaux, il faudra augmenter d’autant l’énergie frigorifique pour combattre cet apport de chaleur…

L’ingénieur dirait : « posez les larges conduites d’abord et construisez le bâtiment autour ! ». Bon, cette caricature ne va pas motiver l’architecte…! Mais quand même, pourquoi ne pas tenter une « conception douce » des équipements ?

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix des réseaux de ventilation.

Réguler en fonction des besoins réels

On a déjà attiré l’attention sur l’intérêt de la ventilation mécanique, permettant une programmation horaire générale. Mais si en plus, chaque local (ou zone de locaux) à occupation variable est équipé d’une régulation indépendante, il est possible d’en moduler l’apport d’air frais hygiénique. Par exemple, la ventilation d’une salle de réunion peut être gérée en fonction de la lecture d’une sonde de présence ou d’une sonde CO2 traduisant la présence effective d’occupants.

À noter dans cette même logique de débit d’air contrôlé : un sas sera prévu à l’entrée du bâtiment. C’est d’autant plus important si le bâtiment est conditionné, car les locaux seront mis en surpression.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur les techniques de régulation de la ventilation.

Sélectionner des bouches fonctionnant à basse température

Pour éviter l’inconfort, l’air hygiénique est souvent préchauffé à 20°C en centrale avant d’être pulsé dans les locaux.

Or, imaginons une température extérieure de 13°C. Si le bâtiment est conditionné, dans beaucoup de locaux, le refroidissement est déjà enclenché.

On assiste alors à un gaspillage énergétique : l’air extérieur est chauffé de 13 à 20°C… et du froid est apporté dans les locaux.

Le concepteur doit sélectionner des bouches qui permettent de pulser de l’air à 14…15°C dans le local, sans inconfort.
Il se tournera, par exemple, vers des diffuseurs à jet hélicoïdal qui favorisent pour un même débit, un brassage plus rapide entre l’air ambiant et l’air pulsé.

 

Si la climatisation n’est pas présente, la possibilité de pulser de l’air frais limitera le risque de surchauffe en mi-saison.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix des bouches de ventilation.

Découvrez ces quelques exemples de systèmes optimisés de ventilation : l’antenne communale de Louvain-la-Neuve, le bâtiment PROBE du CSTC ou encore l’école TANGA.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Stratégie « soft-énergie » à tous niveaux

Stratégie "soft-énergie" à tous niveaux

L’énergie dans le bâtiment, ce n’est pas que chauffer et refroidir…

L’énergie consommée par un immeuble de bureaux, c’est le double de celle demandée par le chauffage et le refroidissement du bâtiment. En effet, l’éclairage, la bureautique, les pompes et ventilateurs, … alourdissent fortement la facture.

Il est utile de prendre le temps d’étudier tous ces aspects globalement, dès le départ. La place réservée à l’éclairage naturel des locaux en est un exemple clair.

Photo bâtiment Iveg à Anvers.   Photo bâtiment Iveg à Anvers - 02.

Le siège d’Iveg à Anvers consomme 2 x moins que la moyenne … mais sa conception a été étudiée durant 2 ans, en collaboration avec le centre de recherches du CSTC.

 

Le siège d’Elia à Bruxelles est Passif, BREEAM et NZEB grâce à la lumière naturelle, 30 cm d’isolation, du triple vitrage et ses 4 000 m² de PV.

L’énergie dans un immeuble, c’est combien par an ?

L’analyse énergétique d’un local type de bureau (Bâtiment ancien avec 8 cm d’isolant)  :

  • entre 70 et 100 kWh/m²/an de chauffage,
  • 120 kWh/m² électricité (soit 300kWh d’énergie primaire /m²).
  • TOTAL de 385kWh/m²/an d’énergie primaire,
    • dont +- 8,5 m³ de gaz naturel et 120 kWh d’électricité ;
  • Soit +- 47€/m²/an

Dans un immeuble de bureaux QZEN construit aujourd’hui, l’énergie hors bureautique représente un coût d’environ 10 €/m²/an €.

Évaluer

 Pour plus d’informations sur les consommations dans différents types d’immeubles climatisés.

Quelle répartition des consommations dans un bâtiment ?

Dans un bâtiment climatisé, en très grosse approximation (puisque tout dépend du type de bâtiment, des vecteurs énergétiques et de son usage), ce coût se répartit en :

  • 15 % pour le chauffage des locaux et de l’air neuf hygiénique,
  • 15 % pour le refroidissement des locaux,
  • 15 % pour l’éclairage,
  • 15% pour les auxiliaires (pompes et ventilateurs) et équipements électriques divers ;
  • 40 % pour la bureautique.

À partir du programme du bâtiment, on demandera au bureau d’études d’établir un bilan global prévisible des sources de consommation.

Concevoir

 Pour découvrir un exemple d’analyse des besoins thermiques d’un immeuble de bureaux.

Un choix d’équipements électriques à faible consommation

Une politique « soft-énergie » globale

Pour limiter l’énergie, il est donc tout aussi important d’agir sur le choix du luminaire, sur le mode de régulation de la ventilation que sur l’épaisseur de l’isolant.

Mieux, l’investissement sur des équipements électriques performants permet de faire « coup double » :

  • économie directe d’électricité,
  • économie indirecte sur la demande de refroidissement et donc sur la capacité de « s’en sortir sans climatisation » !

Toute consommation électrique se transforme en chaleur…

La consommation électrique a doublé en 15 ans dans le secteur tertiaire ! La bureautique (PC, imprimante, photocopieuse, …) explose. De plus en plus, nous chauffons nos bureaux … à l’électricité !

Mais ce chauffage-là, il nous est impossible de l’arrêter en été. Pire, le ventilateur de l’air de refroidissement chauffe l’air de 1 degré, environ. Donc plus nous surdimensionnons nos installations, plus le ventilateur sera puissant, plus il faudra le refroidir …

Ne sommes-nous pas là dans un cercle infernal ?

Si on ne peut aller totalement contre cette évolution qui impose l’équipement électrique comme outil de développement économique, il nous est possible de l’infléchir lorsque l’on prend conscience de l’impact de nos choix.

Par exemple, à débit constant, si nous doublons le diamètre d’un conduit d’air, la consommation du ventilateur chute au 32ème de sa valeur !!!

Des options à prendre dès le début du projet

Voici une série de propositions qui peuvent permettre concevoir un bâtiment « low-tech », « low-energy » … tout en étant « high-design » !

Assurer dans tous les locaux de vie, un éclairement naturel qui rende l’éclairage artificiel nécessaire pendant moins de 40 % du temps d’occupation.

Concevoir

 Choisir les luminaires.
 Limiter l’éclairage artificiel à une puissance de 8 Watts/m² pour un éclairement de 500 lux : choix de luminaires et de lampes performantes.

Concevoir

 Choisir les luminaires.

Réguler l’éclairage artificiel en fonction de l’éclairage naturel pour ne pas avoir de cumul de chaleur entre éclairage artificiel et éclairage solaire.

Concevoir

 Apport d’éclairage naturel dans la page Choisir la gestion et la commande
Réguler l’éclairage et la bureautique en fonction de la présence effective de l’utilisateur.

Concevoir

 Choisir les ordinateurs
 Placement de l’imprimante et de la photocopieuse à proximité de l’extraction d’air hygiénique (évacuation directe des polluants et de la chaleur dissipée).
 Concentration des équipements informatiques et de communication communs (centraux téléphoniques et data, serveurs informatiques, etc…) dans un local séparé des zones de vie ou de travail. Ce local pouvant être refroidi mécaniquement d’une façon distincte.
Intégration des conduits d’air dès la phase de l’esquisse pour favoriser des sections larges et droites, et ainsi limiter les puissances des ventilateurs.

Un emplacement central des groupes de traitement d’air est aussi favorable à ce niveau.

La même démarche peut être réalisée pour les tuyauteries d’eau, mais l’impact énergétique est 10 fois plus faible.

Concevoir

 Choisir le réseau de distribution.

Vers une stratégie « soft-énergie »

Poursuivons la traque aux sources de consommation

Sans être ici exhaustif, mais plutôt pour expliquer la logique du raisonnement, on envisagera de :

Maîtriser les apports solaires par le choix de surfaces vitrées limitées (= ne pas vitrer toute la façade) et équipées de protections solaires.

Concevoir

 Choisir la fenêtre comme capteur d’énergie solaire.
Prérefroidir l’air hygiénique de ventilation par le passage dans un conduit enterré.
Éviter toute boucle de circulation d’eau chaude sanitaire dans le bâtiment, en décentralisant la production près des points de puisage.

Concevoir

 Choisir le réseau d’eau chaude sanitaire

Vers un bâtiment inerte et stable en température intérieure

Si les sources (internes et externes) d’échauffement sont bien maîtrisées, le risque de surchauffe est nettement diminué. Si le bâtiment comporte un grand « réservoir thermique de stockage » : c’est l’inertie de ses parois.

Prévoir d’emblée une inertie thermique accessible suffisante dans les parois : sous l’effet du soleil, le bâtiment ne doit pas se comporter comme une voiture ! Sans inertie, la température intérieure monterait très rapidement et la climatisation mécanique devrait être enclenchée.

Finalement, dans quel type de bâtiment trouvons-nous de la fraîcheur naturelle en été : le préfab de chantier ou l’ancien immeuble de la maison communale ?

Evaluer

 Repérer l’origine de la surchauffe

Équipé d’une régulation peu sophistiquée

Et dans ce bâtiment massif, fortement isolé, efficacement ombré, les fluctuations de température seront relativement lentes. Il est donc possible d’y intégrer une forme de régulation qui combine des prises de mesure limitées (la température de quelques locaux représentatifs par exemple) et des actions « douces » (modification d’un régime de température, ouverture modulée d’un dispositif de ventilation, etc.). L’important sera que l’action du système de régulation soit basée sur une mesure la plus représentative possible du ressenti, et donne lieu à des actions mesurées, auxquelles les occupants peuvent déroger. Dans tous les cas, le fonctionnement du bâtiment devra être le plus intuitif possible pour les occupants, et induire naturellement des comportements d’utilisation rationnelle de l’énergie.

Retenons qu’une stratégie « soft-énergie », appliquée à l’ensemble des consommateurs, est un point de départ qui permet ensuite d’envisager pour le traitement thermique des locaux de nombreuses alternatives… douces !

Favoriser les énergies renouvelables

Pour diminuer encore l’appel à des énergies fossiles, il est possible de recourir à la production :

  • d’eau chaude par des capteurs solaires thermiques ou photovoltaïque,
  • d’électricité par des capteurs solaires photovoltaïques,
  • cogénération,
  • pompe à chaleur à haut rendement,
  • de chaleur par utilisation de la biomasse (essentiellement le bois).

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le chauffage solaire de l’eau chaude sanitaire.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Préparer l’exploitation du bâtiment

Préparer l'exploitation du bâtiment

Keep it simple !

Les bâtiments à haute performance environnementale peuvent devenir très complexes. Parfois, simplifier les techniques permet de garder le contrôle et de faciliter l’obtention du confort des utilisateurs.

Il est primordial de s’assurer que le niveau de technicité des installations de chauffage, refroidissement et ventilation correspond aux capacités de compréhension et d’action des personnes qui seront chargées d’assurer leur conduite. Selon les situations, cela nécessitera de rédiger des notices explicatives claires ou d’organiser des séances de formation et d’information des futurs occupants et gestionnaires.

Dans tous les cas, il conviendra de mettre en balance la complexité liée à une recherche de performance optimale, et le risque éventuellement accru d’un mauvais usage des installations.

La simplification des techniques : Pierre Sommers vous conseille from Bruxelles Env. on Vimeo.

L’importance de la mise en service

Pris par l’urgence, par le déménagement, … la mise en service est bien souvent négligée.

Et pourtant la mise au point des installations est une étape fondamentale de la vie du bâtiment. Il faut passer de la théorie du projet à la réalité in situ.

Les régulateurs numériques d’aujourd’hui sont hyperpuissants. Mais ils doivent être paramétrés avec soin… et le technicien en charge du travail n’a pas participé aux réunions de conception.

A la fin de son travail, il est impératif que le technicien écrive tout, comme s’il devait partir à la retraite le lendemain et qu’il transmettait le dossier à son collègue ! Une fois le technicien parti, le gestionnaire se retrouvera bien seul…

La rédaction du projet « as built »

En pratique, il devrait y avoir :

  • La liste de tous les équipements de chauffage et climatisation, avec caractéristiques techniques nominales (dont les courants nominaux absorbés) et année de fabrication.
  • Les schémas de principe hydrauliques des circuits de chauffage et des circuits d’eau glacée et le schéma de principe aéraulique de la ventilation, « as built », avec débits et pressions des pompes et ventilateurs.
  • Le schéma électrique des armoires de commande,
  • Le repérage de chaque équipement technique dans le bâtiment (conduit et appareil).

   

   

C’est si simple et cela facilite tellement la vie …

  • La description détaillée du fonctionnement des installations (liste des régulateurs, paramètres de régulation et logique de régulation).
  • La description des réglages lors de la dernière mise au point.

Ces documents seront placés dans une armoire prévue à cet effet dans les locaux techniques de production de chaleur, de froid et de ventilation.
On procédera à l’affichage au mur du principe du schéma hydraulique dans chaque chaufferie, avec revêtement protecteur.

Sans revêtement, il sera trop rapidement dégradé…

Un double de tous ces documents sera en possession du gérant.

Le contrat de maintenance

Objectifs

Les installations techniques de chauffage, de ventilation et de climatisation doivent être entretenues, mais aussi réglées et conduites avec les objectifs suivants :

  • Le maintien des conditions de confort des occupants, tant en été qu’en hiver.
  • L’économie des énergies, fuel/gaz et électricité, en effectuant les meilleurs réglages possibles des équipements existants.
  • Le maintien des équipements en bon état de fonctionnement par un entretien adapté à leurs spécificités.
  • La sécurité de fonctionnement des équipements.
  • La sécurité des personnes.

Contenu du contrat d’entretien

Un cahier des charges technique d’entretien doit être établi par le client au moment de l’appel d’offres aux différentes entreprises de maintenance.

Ce document doit contenir, en plus des principales clauses générales administratives et juridiques, les deux documents techniques suivants :

  • La liste de tous les équipements à entretenir avec leurs dates de fabrication et leurs principales caractéristiques techniques.
  • La liste des prestations techniques d’entretien et de contrôle à réaliser sur chaque type d’équipement avec leur fréquence.

Le nombre minimum de visites de contrôle par an (en plus de celles indispensables pour l’entretien) est donc imposé, suivant complexité des installations : 4 (minimum) à 12 fois par an.

Il ne faut donc pas laisser les sociétés de maintenance proposer librement le programme d’entretien et le nombre de visites pour les contrôles, les réglages et la conduite. Sinon, on risque de confier l’entretien à l’offre la moins chère,… qui est souvent la moins bonne ou la moins complète. En effet, dans le but d’emporter le marché certaines entreprises proposent un programme insuffisant.

La maintenance URE doit permettre d’accorder à chacun le droit au confort thermique et à la qualité de l’air, mais de refuser tout gaspillage, par négligence de conduite, de gestion ou d’entretien. Elle doit garantir au propriétaire que son bâtiment est exploité « au mieux » compte tenu des équipements existants.

Pour garantir une exploitation URE optimale, il y a lieu :

1. De vérifier l’existence d’un d’entretien régulier des installations, sous forme :

  • D’un planning d’avancement de l’entretien, c.-à-d. un document qui donne la liste avec date des opérations d’entretien qui ont déjà été faites pour cette année.
  • D’un carnet d’entretien, càd un carnet vierge dans lequel le(s) responsable(s) note(nt) toutes les interventions qui ne sont pas sur le planning d’entretien : les dépannages, les remplacements, les ajouts ou modifications, les mesures ou autres constatations, les visites de contrôles, les modifications de réglages, etc.
  • Des attestations de contrôle des brûleurs.
  • De la vérification régulière des courants absorbés par les groupes de pulsion et par les groupes frigorifiques, avec comparaison par rapport au courant nominal pour repérer une dérive.
  • Des attestations de fourniture des filtres ou autres pièces de remplacement prévues à l’entretien.
  • Des check-lists des contrôles mensuels ou trimestriels avec les paramètres relevés (température, pressions, réglages, etc.).
  • Des principales consommations annuelles ou mensuelles, par poste.

Remarque : il pourrait être vérifié simultanément d’autres données relatives à la pollution et la sécurité, à la consommation en eau, en sel de traitement des eaux, … Nous n’abordons pas ces points ici qui dépassent notre champ d’investigation, mais il est certain qu’une vision globale doit être donnée à ces contrôles d’exploitation.

2. De vérifier l’absence de « gaspillage » lors de l’exploitation des installations

Une maintenance correcte devra vérifier que l’installation ne puisse :

  • Humidifier l’air inutilement (respect strict du critère RGPT, sauf salle informatique).
  • Déshumidifier l’air inutilement,
  • Chauffer l’ambiance au-delà de la température minimale de la plage de confort (arrêt effectif du chauffage si la température de l’air dépasse 21°C).
  • Refroidir l’ambiance en deçà de la température maximale de la plage de confort (enclenchement du refroidissement si la température dépasse 24°C).
  • Détruire, lors du traitement d’un local donné, de l’énergie frigorifique par un apport d’énergie calorifique complémentaire, excepté si le froid est réalisé par l’air extérieur ou si le chaud est basé sur une récupération de chaleur au condenseur de la machine frigorifique.
  • Traiter et pulser dans les locaux un débit d’air neuf excessif par rapport à la présence effective des occupants (débit à définir : par exemple dépassant 50 m³/h/pers effectivement présente).

Elle devra vérifier également :

  • Le fonctionnement effectif des fonctions URE disponibles telles que free cooling ou free-chilling, récupérateur de chaleur sur l’air extrait ou sur condenseur, …
  • L’arrêt effectif d’équipements en fonction de la température extérieure ou du moment de la journée ou de la semaine (nuit, week-end, congés, …).

3. De signaler au gestionnaire toutes les mesures URE qu’il serait utile de réaliser

On ne peut reprocher à une société de maintenance qu’une vanne soit déficiente ou qu’un récupérateur soit manquant. Mais on peut lui reprocher de ne pas avoir signalé au gestionnaire les mesures qui lui permettraient de diminuer ses coûts d’exploitation.
Exemples : le placement d’un récupérateur sur l’air extrait, la mise en place d’un free-chilling, l’absence d’une régulation performante, l’intérêt de placer un circulateur à vitesse variable,… sont des mesures dont la société de maintenance peut apprécier la pertinence et la rentabilité.
Elle devrait avoir l’obligation de le signaler par écrit.

Contrôle de maintenance

Il est très utile de prévoir dès la rédaction du contrat d’entretien un système de contrôle d’entretien par le client, par son Responsable Énergie ou par son Ingénieur Conseils. Et donc d’en faciliter le travail ultérieur.

En général, les sociétés de maintenance préparent pour chaque chantier un planning d’entretien prévisionnel, ce planning ne donne que les dates prévues pour les différents entretiens et ne permet donc aucun contrôle de ce qui a été effectivement réalisé. Il est donc très utile de prévoir l’obligation d’afficher en chaufferie un planning mensuel ou trimestriel d’entretien vierge sur lequel la société de maintenance aura l’obligation de noter la date de chaque prestation contractuelle après qu’elle ait été effectuée.

Après une saison de chauffe complète, le planning doit donc être complètement rempli. Ce système permet de contrôler mois par mois l’état d’avancement de l’entretien. En plus de cela, les techniciens inscriront dans le carnet d’entretien conservé en chaufferie toutes les autres interventions non contractuelles, comme les dépannages, les visites supplémentaires, les modifications, etc.

Critères de qualité.

Il faut prévoir des critères de qualité énergétique à respecter. Par exemple, pour 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 €). 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.

Bien sûr, le contrôle d’entretien ne sert à rien non plus s’il n’y a pas de sanctions prévues en cas de manque d’entretien. Il est donc conseillé de prévoir dans le contrat des clauses du type :

  • Le paiement des factures trimestrielles pourra être bloqué jusqu’à la réalisation complète des prestations prévues.
  • Une pénalité de 125 € par brûleur et par contrôle sera due au cas où les deux contrôles annuels contractuels n’auraient pas été effectués à la fin de l’année et les attestations de réglage envoyées au Client.
  • Même type de pénalités pour l’oubli du nettoyage ou du remplacement des filtres, ou autres opérations ponctuelles importantes.

Il faut aussi éviter de mettre dans le contrat d’entretien des clauses qui vous obligent à perdre du temps et de l’argent en passant devant un tribunal pour le plus petit litige.

Prix du Contrat d’Entretien

Le bon fonctionnement économique des installations dépend beaucoup de l’entretien et des réglages des équipements. Or, ceux-ci ne seront réalisés correctement que si le prix du contrat d’entretien est suffisant. Il faut donc éviter de souscrire à une offre de contrat d’entretien dont le prix est anormalement trop bas.

Depuis de nombreuses années, les grosses sociétés de maintenance se font une concurrence féroce afin d’augmenter leur part de marché et d’aboutir à la faillite et à la reprise des plus faibles. Il en résulte souvent des offres de prix anormalement basses pour de gros chantiers.

Lorsque ces offres sont faites à perte, ce qui est parfois le cas, l’entreprise qui a obtenu le marché a plusieurs possibilités pour ne pas y perdre : le plus simple est de ne faire qu’une petite partie de l’entretien et des contrôles prévus, une autre solution est de remplacer par du neuf (avec 20 à 30 % de bénéfice) tous les équipements qui devraient être dépannés, ou remis en état.

Cas vécu.

Sur base d’un cahier des charges précis et identique pour tous les soumissionnaires, les offres étaient de : 22 150 €/an, 13 700 €/an et 5 828 €/an ! Heureusement, le Client (secteur privé) a éliminé l’offre la plus basse et a choisi celle de 13 700 €/an.

Personnel d’entretien

Le choix de la société d’entretien et du personnel de contrôle et de conduite est un problème très important, car pour une grosse installation, toutes les sociétés de maintenance ne se valent pas.

D’abord, il faut vérifier que les sociétés qui présentent une offre de contrat d’entretien ont bien la compétence nécessaire pour les installations en place, en particulier concernant les groupes frigorifiques, les régulations digitales ou les régulations informatisées avec télésurveillance. Il faut aussi vérifier si la société de maintenance possède bien un service de dépannage 24h sur 24h, y compris (et surtout) en juillet et août, à l’époque ou la climatisation est indispensable et où une panne ne peut pas attendre la fin des congés annuels du bâtiment.
Voici 2 cas vécus.

  • La société de maintenance qui propose l’entretien des installations de climatisation ne possède pas de technicien frigoriste. Elle sous-traite alors une fois par an un gros entretien du groupe frigo mais ne peut donc pas assurer correctement les autres prestations contractuelles de contrôle de ces équipements spécifiques.
  • Une société de maintenance qui n’a pas de frigoriste constate la panne complète d’un groupe frigo de 2 ans d’âge, elle diagnostique une destruction complète au niveau des clapets et propose le remplacement du groupe pour un montant de 12 400 € HTVA. Heureusement, le Client a eu recours à un Bureau d’Ingénieur Conseil et vérification faite, il n’y avait qu’un problème de fluide frigorigène et aucun dégât aux machines.

Gestion énergétique

 Pour accéder au cahier des charges d’exploitation énergétique des installations_Exploitation_HVAC.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Limiter les pertes de chaleur

Limiter les pertes de chaleur

Un profil de demande thermique en forte évolution

Les conséquences de l’isolation des parois extérieures

Hier et aujourd’hui
(couleur beige = isolant).

Le fonctionnement thermique des bâtiments tertiaires subit une révolution depuis 20 ans suite à la conjugaison de 3 facteurs :

  1. Un renforcement de l’isolation et surtout l’arrivée de vitrages très performants.
  2. Une explosion des apports internes électriques.
  3. Une tendance à augmenter les surfaces vitrées en façade.
Résultats d’une simulation informatique

Pour un même immeuble type de bureau, nous avons comparé les bilans énergétiques entre une construction ancienne (simple vitrage, murs non isolés, …) avec une version usuelle aujourd’hui (double vitrage, murs isolés, …).

Voici les bilans obtenus (évolution de la demande en fonction de la température extérieure, celle-ci variant de – 10 à + 30 °C) :

Une évolution sensible par rapport aux bâtiments des années 70 apparaît :

  • L’isolation élevée diminue les besoins de chauffage en hiver.
  • La bureautique couvre une part des besoins d’hiver… mais augmente les besoins de refroidissement en été et en mi-saison.
  • Le soleil génère des pointes de température difficile à accepter par l’occupant. Les périodes de canicule sont présentes, elles génèrent un risque d’inconfort majeur, mais ne représentent pas une consommation d’énergie élevée, car le temps est court.

Si autrefois le chauffage était arrêté par + 15°C extérieur, aujourd’hui le chauffage des locaux est arrêté dès + 11°C extérieur, voire moins s’il y a beaucoup d’apports internes (la chaudière reste en service pour l’éventuel chauffage de l’air neuf et de l’eau chaude sanitaire). En mi-saison, des locaux restent en demande de chaleur au nord, alors que la façade sud est déjà en demande de refroidissement.

L’isolation diminue la demande de chauffage (hiver) et augmente la demande de refroidissement (été). Mais le bilan global des consommations annuelles est toujours positif en faveur de l’isolation.

Par rapport à un bâtiment mal isolé, la consommation de chauffage tombe au tiers de sa valeur. Et parmi ce tiers restant, le chauffage de l’air neuf hygiénique représente la moitié des besoins.

Si autrefois il y avait 8 mois d’hiver et 4 mois d’été, aujourd’hui la période de chauffe est limitée à 6 mois (15 octobre – 15 avril).

Mais le besoin de rafraîchissement est accru, en été et en mi-saison.

La diminution de l’inertie et l’augmentation des gains internes

Autrefois, le bâtiment disposait d’une bonne inertie thermique qui lissait les pointes d’apports solaires en journée (les bâtiments ne se comportaient pas comme une voiture laissée en plein soleil …) grâce à l’immense réservoir que constituait la masse des parois.

Suite à sa faible isolation, le bâtiment se « déchargeait » la nuit de la chaleur accumulée en journée.

Aujourd’hui, la tendance va vers :

  • La diminution de l’inertie pour des raisons fonctionnelles (tapis, faux plafond, cloisons mobiles, …).
  • L’augmentation des équipements de bureautique (doublement des consommations électriques du secteur tertiaire durant ces 15 dernières années !).
  • L’amplification des apports solaires suite au souhait du Maître d’Ouvrage de larges baies vitrées.
  • La chaleur interne se retrouve « piégée » dans le bâtiment suite à l’isolation des parois.

Faut-il une forte isolation ? Ne perd-on pas en climatisation ce que l’on gagne en chauffage ?

Non, toutes les simulations informatiques montrent que le bilan reste bénéficiaire en faveur de l’isolation, notamment parce que la saison de chauffe est plus longue que l’été.

Voyons les choses positivement : autrefois, on n’avait pas conscience de l’existence d’une « chaleur interne » parce que celle-ci était négligeable face aux déperditions des parois. A présent, les fuites de chaleur étant maîtrisées et les apports internes amplifiés par l’évolution technologique, ces apports viennent à satisfaire en bonne partie nos besoins hivernaux. Nous arrivons à chauffer nos bureaux avec 7 litres de fuel au m², contre 20 à 25 dans les années 50. Et c’est tant mieux.

Puisqu’une consommation électrique minimale est nécessaire (bureautique, éclairage, …), tant mieux si nous pouvons « utiliser une deuxième fois » cette énergie pour nous chauffer.

Quant aux besoins de rafraîchissement, la courbe bleue du diagramme ci-dessus montre qu’ils apparaissent majoritairement lorsque la température extérieure est entre 14 et 22°C, c.-à-d. plus froide que l’ambiance intérieure. À ce moment, il devrait être possible « d’ouvrir le bâtiment » pour valoriser l’air frais et décharger le bâtiment,… mais le bruit, la pollution de l’air ou le risque d’intrusion rendent cette ouverture parfois complexe.

Ceci renforce l’importance d’une conception initiale du bâtiment adaptée à ce nouveau profil de consommation et la mise en place d’un système de refroidissement qui valorise l’air frais extérieur.

Théories

 Pour plus d’informations sur l’évolution des besoins thermiques des immeubles, suite à l’isolation des parois.

Et ceci ne nous épargne pas la nécessité de trouver une solution pour gérer la période de canicule !

Optimaliser le volume du bâtiment

En réalité la chose n’est pas simple : il s’agit de trouver, selon la programmation du bâtiment et le contexte d’implantation (forme et taille du terrain, environnement bâti ou paysager, …) le compromis optimal entre :

  • une grande compacité pour limiter les pertes de chaleur,
  • et une faible compacité pour profiter d’éclairage naturel et faciliter le rafraîchissement par ventilation naturelle.

L’intérêt de la forte compacité

Un bâtiment compact, s’approchant du cube, a peu de pertes de chaleur. La surface de déperdition de l’ensemble de ses façades est limitée par rapport au volume des locaux. Les zones centrales, en contact avec d’autres locaux à la même température, ont beaucoup moins de pertes de chaleur que les locaux périphériques.

Par contre, ces zones sont difficilement éclairées et ventilées naturellement.

L’intérêt de la faible compacité

Un bâtiment peu compact (barre, en « peigne », carré avec cour intérieure, présentant de nombreux décrochements, …) a une surface de façade plus importante par rapport au volume des locaux et aura donc plus de déperditions, et une demande de chauffage accrue.

Par contre, le fait d’avoir plus de locaux en façade permet de les éclairer naturellement, et d’organiser relativement facilement une ventilation naturelle.

Exemple : Queen’s Building de l’Université de Montfort, en Angleterre. Les locaux, ventilés naturellement, sont agencés par rapport à leur fonction et la développée de l’enveloppe est importante.

Photo Queen's Building.

Plan Photo Queen's Building.

Plan du premier niveau :

  1. ateliers d’électricité
  2. salles de cours
  3. atrium
  4. auditoires
  5. laboratoire de mécanique

Concrètement

Selon les cas, le juste compromis sera en faveur de l’une ou de l’autre solution.

Dans les bâtiments récents, bien isolés, le problème de la surchauffe et de la consommation de froid prend de plus en plus d’importance par rapport à celui de la consommation de chauffage.

Il convient donc, a priori, de favoriser autant que possible l’éclairage naturel et les possibilités de refroidir naturellement le bâtiment par ventilation naturelle intensive en :

  • Limitant la profondeur des locaux. On recommande de limiter la profondeur des bureaux au double de la hauteur du local, soit à environ 6 m. Ainsi, si deux rangées de bureaux sont séparées par un couloir central, cela donne une profondeur de bâtiment d’environ 15 m.
  • Limitant le nombre d’étages à 2 ou 3 idéalement. Les contraintes techniques pour organiser une ventilation naturelle intensive dans des bâtiments plus hauts deviennent très lourdes (exemple : cheminées hautes).

Limiter les besoins de chauffage

Opter pour un bâtiment bien isolé

L’isolation de l’enveloppe est, et de loin, le moyen le plus efficace pour réduire la consommation d’un bâtiment. Et les vitrages très performants permettent aujourd’hui de diminuer drastiquement les consommations d’hiver.

Non, on n’isole JAMAIS trop. L’isolation diminue la demande de chauffage en hiver et augmente celle de refroidissement en été, mais le bilan global des consommations annuelles est toujours en sa faveur.

Il est toujours utile d’isoler, même si cela entraîne la nécessité de climatiser. Bien entendu, l’idéal est de trouver des solutions naturelles pour rafraîchir le bâtiment et éviter ainsi le refroidissement mécanique.

Dans les propos ci-dessous, on supposera toujours que le bâtiment est bien isolé.

On donnera également aux concepteurs le temps et les moyens nécessaires pour étudier les détails de construction à prévoir pour éviter les ponts thermiques (principe de continuité de l’isolation).

Concevoir

 Pour plus de détails sur la conception des détails de façades.

Favoriser l’étanchéité de l’enveloppe

Le problème est qu’il est impossible d’arrêter ce type de ventilation lorsqu’elle n’est pas nécessaire, en dehors des temps d’occupation notamment. Or elle est fortement consommatrice d’énergie.

Aujourd’hui, il convient de réaliser une enveloppe très étanche à l’air (parois, joints, portes, etc.) et d’organiser une ventilation hygiénique contrôlée (naturelle ou mécanique).

  • Lors de la construction, on sera très attentif à l’étanchéité à l’air des parois. Le bâtiment ne doit pas se « décharger » de sa chaleur en hiver par des fuites multiples de son enveloppe. La norme européenne EN 13779 recommande un taux de renouvellement d’air maximum sous la pression d’essai de 50 Pa (n50) de 1/h, ce qui génère en moyenne un taux de renouvellement d’air par infiltration de 4 % (0,04/h).

« Blower-test » de contrôle de l’étanchéité .

  • Il sera très utile de prévoir un sas à l’entrée du bâtiment, particulièrement en cas de climatisation de celui-ci.
  • On sera très attentif également à la fermeture des grilles de châssis (ventilation hygiénique) pendant la nuit et le week-end, quitte à installer des grilles motorisées si la motivation future de l’occupant paraît faible…

Limiter les besoins de chauffage de l’air neuf hygiénique

Dans un immeuble bien isolé d’aujourd’hui, le chauffage de l’air neuf hygiénique génère plus de la moitié des consommations de chauffage. On veillera dès lors à :

  • Limiter le débit d’air neuf à 30 m³/heure/personne en période de chauffe. Ce débit peut bien sûr être augmenté en mi-saison et/ou en été.
  • Favoriser les installations de ventilation « double flux » : une école est occupée 25% du temps, un bureau 30% du temps ! Il est donc fondamental de pouvoir stopper le débit d’air en période d’inoccupation.
  • Gérer ce débit en fonction de la présence effective des occupants : un capteur (détecteur de présence, sonde CO2, …) peut permettre de moduler le débit, par palier (ventilateur à plusieurs vitesses) ou en continu (ventilateur à vitesse variable). Tout particulièrement, le débit d’air neuf sera stoppé lors de la relance du bâtiment (le lundi matin, par exemple), avant l’arrivée des occupants.
  • Préchauffer l’air neuf hygiénique par récupération de chaleur
    • Sur l’air extrait (échangeur à plaques, par exemple). Idéalement, il faudra prévoir alors que les conduites d’extraction soient proches des conduites de pulsion d’air.
    • Sur une zone tampon du bâtiment. Par exemple, une prise d’air placée dans un atrium captera de l’air déjà préchauffé par le bâtiment et/ou le soleil.
    • Sur un puits canadien dans le sol pour capter l’énergie géothermique.
    • Sur un condenseur de machine frigorifique, si celui-ci présente un fonctionnement annuel. On imagine par exemple qu’un rideau d’air chaud à l’entrée du bâtiment puisse être alimenté par le refroidissement de la salle informatique ou de la chambre froide de la cuisine.

Si ces idées sont retenues dès le début du projet, elles entraînent peu de surcoûts.

Concevoir

 Pour plus de détails sur la conception des installations de ventilation.

Faut-il forcément climatiser le bâtiment ?

Pour certains, le rafraîchissement de l’ambiance intérieure semble aujourd’hui incontournable. Le maître d’ouvrage se trouve-t-il alors confronté à l’obligation d’investir à la fois dans une installation de chauffage, certes plus petite qu’avant, mais aussi dans une installation de refroidissement ?

Non, une machine frigorifique ne doit pas être obligatoirement être installée dans nos régions. Mais une « stratégie de rafraîchissement active » doit être étudiée si la puissance thermique des apports de chaleur dépasse 50 à 60 W/m² au sol.

Décrivons ci-dessous ces diverses possibilités.

Calculs

 Pour évaluer la puissance thermique prévisible dans un local et vérifier que les 60 W/m² ne sont pas dépassés, nous vous proposons

une feuille de calcul simplifiée sur Excel.

Trois stratégies sont possibles :

Stratégie 1 : limiter les sources de chaleur et se passer de la machine frigorifique

Constat : depuis l’âge de la pierre, l’homme se chauffe. Cela se comprend, il souhaite vivre dans une ambiance entre 20 et 24°C. Or la température moyenne extérieure annuelle dans nos Régions est de 10°C. Un complément de chaleur est nécessaire.

Par contre, la température à Uccle dépasse 24° durant 2 % de l’année seulement ! Autrement dit, 98 % du temps, il fait plus froid à l’extérieur du bâtiment qu’à l’intérieur. Comment se fait-il que nous ayons alors besoin d’une machine frigorifique pour le refroidir ???

Inspirons-nous du mas provençal (qui reste bien frais même lorsqu’il fait torride à l’extérieur) pour construire un bâtiment.

  • Il dispose de suffisamment d’inertie intérieure pour stabiliser les variations de température en journée,
  • il « décharge » le bâtiment via un rafraîchissement nocturne par air (free cooling) ou par eau (slab cooling) pour évacuer l’excédent de chaleur grâce à l’air frais de la nuit.

Free cooling et slab cooling.

Pour vous faire une opinion, voici trois exemples conçus en Angleterre, pays qui a pris beaucoup d’avance dans ce domaine :

Études de cas

Le bâtiment environnemental du « BRE ».

Études de cas

 Le centre administratif de Powergen.

Études de cas

Le « Queen’s Building » de l’Université De Monfort.

Mais en Belgique aussi, des initiatives sont prises, comme dans le bâtiment IVEG à Anvers :

Études de cas

Le bâtiment IVEG.

Stratégie 2 : installer chauffage et refroidissement, mais en limiter l’usage aux périodes extrêmes

Analysons la répartition des températures extérieures à Uccle :

Admettons l’évolution actuelle vers l’installation d’une machine frigorifique. Ce n’est pas en soit plus mauvais de refroidir que de chauffer (contrairement à une idée couramment répandue, avec un 1 kWh électrique au compresseur, on produit 3 kWh de froid. Et pour obtenir 1 kWh électrique en sortie de centrale, il faut consommer 2,8 kWh d’énergie primaire. Donc le bilan entre chauffage et refroidissement est neutre).

L’objectif de conception devient :

  • recours au chauffage des locaux durant les seules périodes de grands froids (T°ext <…5°C…),
  • recours au refroidissement mécanique aux seules périodes chaudes (T°ext >…18°C…),
  • durant le reste du temps (5°C < T°ext > 18°C), c.-à-d. plus de 60 % de l’année, les apports internes et externes « gratuits » assurent le chauffage, et l’air extérieur assure le refroidissement de mi-saison. Aucun apport thermique par combustible ne doit être apporté à ce moment.

Cela sous-entend une conception adaptée du bâtiment (pouvoir ouvrir les façades dès qu’il fait trop chaud à l’intérieur, par exemple) et du système de climatisation (conçu comme un appoint), ainsi que le placement d’un récupérateur de chaleur sur l’air extrait, …

C’est une solution à très basse consommation, mais qui nécessite parfois un investissement plus élevé, sauf si le même système gère le chaud et le froid (slab cooling, pompe à chaleur, …). En contre-partie, elle apporte une garantie de résultat final : chauffage et climatisation sont présents pour couvrir toute période de pointe, toute évolution future du bâtiment.

Comment choisir ?

La première stratégie devrait a priori être toujours étudiée. Puisqu’elle ne fonctionne que si les apports de chaleur sont drastiquement réduits, ceci sous-entend que l’approche énergétique est globale. On y gagne donc deux fois : parce que les équipements sont à faible consommation et parce qu’ils n’ont pas entraîné le fonctionnement d’un climatiseur. De plus, la simplification des systèmes est une garantie d’exploitation future à faible coût. Enfin, elle permet à l’occupant de retrouver le contact avec l’extérieur par l’ouverture des fenêtres, ce qui est luxe à nul autre pareil.

La deuxième stratégie est certainement prometteuse. Cette recherche « d’autonomie » maximale du bâtiment sans énergie autre que celle des équipements interne (éclairage et bureautique) et externe (soleil), cette conception des systèmes de chauffage et de refroidissement comme appoint en période de pointe, … constitue un des défis majeurs à relever pour les bâtiments futurs. Lorsque le contexte l’impose (environnement bruyant et pollué, volonté de garantir une stricte consigne de température intérieure, …), c’est la voie à suivre. Elle demande de la créativité tant à l’architecte qu’à l’ingénieur. Encore faut-il leur en laisser le temps et les moyens dans la phase de conception.

À noter une troisième stratégie « de compromis » :

Peut-être qu’une climatisation partielle du bâtiment est la solution ?

Dans les locaux avec forte production de chaleur interne (le centre informatique d’une société d’assurances, par exemple), la climatisation s’impose. Mais il est possible de regrouper dans cette partie du bâtiment les équipements les plus dispensateurs de chaleur (photocopieuses, imprimantes, …) et d’y prévoir une installation de free-chilling (by-pass de la machine frigorifique en hiver et refroidissement direct sur l’air extérieur).

Une telle centralisation des équipements de bureautique permet également de mieux gérer le bruit dans les locaux : les moniteurs des PC sont centralisés en ne laissant plus l’accès qu’aux écrans et claviers. Des lecteurs communs de CD ou de disquettes sont accessibles en partage.

De même, l’ensemble des locaux de réunion peuvent être regroupés (superposés, un ou deux par étage) et gérés par une installation « à volume d’air variable » (VAV).

Enfin, les autres locaux, dégagés des apports thermiques principaux, peuvent alors être gérés par refroidissement naturel.

A chaque besoin,… sa solution. Et cette « décomposition thermique » du bâtiment peut avoir un impact extérieur visible sur son architecture, … ce qui n’est pas inintéressant !
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir le programme de bâtiment

Définir le programme, c’est aussi imaginer l’ambiance intérieure …

Mise en commun et chasse à l’inoccupation des espaces

Un point important pour réaliser des économies d’énergie consiste mettre en commun un maximum de services de manière à réduire le nombre de ceux-ci tout en permettant qu’ils soient de taille et qualité satisfaisante.

Lors des premiers dessins, il faut se poser la question du taux d’occupation des différents espaces et étudier la possibilité de combiner des usages de manière à réduire la quantité d’espace non utilisé de longues heures chaque jour. En agissant ainsi, le coût de la construction sera réduit et ce sont autant de m² et de m³ qui ne devront être chauffés alors qu’ils sont inoccupés la plupart du temps.

Est-il nécessaire d’avoir 8 imprimantes par étage ? Faut-il réellement une salle de réunion par département ? Chaque étage doit-il avoir sa cafétéria ? Plutôt que d’avoir un parking de 200 places chacun, nos deux enseignes ne pourraient-elles pas se contenter d’un parking commun de 300 places utilisable en soirée par les riverains ?

Un point important pour réaliser des économies d’énergie consiste mettre en commun un maximum de services de manière à réduire le nombre de ceux-ci tout en permettant qu’ils soient de taille et qualité satisfaisante.

Lors des premiers dessins, il faut se poser la question du taux d’occupation des différents espaces et étudier la possibilité de combiner des usages de manière à réduire la quantité d’espace non utilisé de longues heures chaque jour. En agissant ainsi, le coût de la construction sera réduit et ce sont autant de m² et de m³ qui ne devront être chauffés alors qu’ils sont inoccupés la plupart du temps.

Plus la mise en commun sera forte et plus le taux d’occupation des espaces sera optimisé, plus les économies d’énergie seront grandes.

Schéma sur le principe de mise en commun des espaces.

Choisir l’ambiance intérieure souhaitée

L’architecte et le bureau d’études ne pourront développer des stratégies adéquates que si le Maître de l’Ouvrage s’est préalablement positionné sur l’ambiance intérieure qu’il souhaite créer dans son bâtiment.

Le souhait de pouvoir gérer son propre environnement

Parmi les attentes exprimées auprès des promoteurs, on entend de plus en plus souvent le souhait des occupants de pouvoir ouvrir leur fenêtre. Il y a un certain rejet des ambiances feutrées, trop coupées du bruit du monde extérieur.

Malgré la fluctuation des températures que cela peut entraîner, il apparaît que l’occupant est beaucoup plus conciliant avec le confort lorsqu’il gère lui-même son environnement. Par contre, il sera très exigeant avec le service de maintenance lorsqu’il se trouve face à une fenêtre fixe, totalement dépendant de la pulsion d’une bouche d’air…

Dans les bureaux paysagers, les personnes qui ont vue sur l’extérieur et accès à l’ouverture de la fenêtre sont généralement beaucoup plus satisfaites que les autres occupants.

Plus généralement, c’est donc l’accès éventuel par l’occupant à la ventilation, à l’éclairage, aux protections solaires, au chauffage, … qui doit être défini dès le départ du projet.

Attention : la définition de l’ambiance dépasse le simple souhait et demande une réflexion approfondie. Ainsi,

  • l’ouverture des fenêtres peut générer des nuisances acoustiques,
  • l’air extérieur peut être pollué et nécessiter une filtration,
  • si la climatisation est installée, elle devra être coupée lors de l’ouverture de la fenêtre. L’occupant devra alors choisir : fermer sa fenêtre et avoir une ambiance refroidie, ou ouvrir sa fenêtre et laisser la température monter.

Par exemple, au siège d’ELIA à Bruxelles, chaque zone de 40 m² peut réguler la température locale de +-2 °C par rapport à la température de consigne générale et ouvrir une bouche d’aération naturelle sur simple pression d’un bouton. La hauteur et l’exposition au vent grâce au site dégagé du bâtiment rendent la ventilation naturellement puissante et sensible par les occupants.

Le remplacement de la climatisation par un free cooling de nuit

Voici un autre exemple de choix d’un type d’ambiance : une stratégie de « free-cooling », c’est à dire de refroidissement naturel du bâtiment sans climatisation mécanique, peut être décidée. On profite de la fraîcheur de la nuit pour ventiler le bâtiment.

Ceci sous-entend une variation de la température intérieure sur la journée puisque c’est le bâtiment qui fait tampon, accumule la chaleur en journée et attend la nuit pour se décharger.

Il faut donc décider d’accepter ou non le fait qu’en été le bâtiment soit par exemple à 22°C au matin et à 26°C au soir.

L’intégration de la lumière dans le bâtiment

Photo d'un atrium.

Par un jeu d’atria, par des puits de lumière, par des coupoles vitrées,… il est possible d’intégrer la lumière naturelle au sein du bâtiment. La consommation d’éclairage artificiel en sera diminuée d’autant, mais surtout, le bâtiment y trouvera son âme.

A contrario, ce sont des m² ou des m³ à financer. Et ce sont bien souvent des apports de chaleur excédentaires en été, qui ne pourront être maîtrisés que par une possibilité d’ouverture automatisée en toiture. Donc un coût.

Il faut trouver l’optimum entre une grande compacité pour limiter les pertes de chaleur et une moins grande compacité (augmenter les surfaces déperditives) pour profiter davantage d’accès à de la lumière naturelle. La compacité du bâtiment joue un rôle fondamental dans le calcul du niveau K du bâtiment.

Mais la qualité architecturale est un élément de satisfaction de l’employé sur son lieu de travail qui influe aussi sur sa productivité professionnelle…
En caricaturant quelque peu, on peut aller jusqu’au fait que le choix de la hauteur sous-plafond caractérisera la « hauteur d’esprit » des occupants !

Choisir des consignes de confort réalistes

Les études du « sick building syndrom » ont montré l’impact négatif d’un choc thermique trop important à l’entrée du bâtiment climatisé. Ceci ne veut pas dire que l’on apprécie pas la fraîcheur d’un bâtiment en plein été, mais bien que notre corps s’adapte au climat et trouve très confortable une ambiance à 26°C lorsqu’il fait 30°C dehors.

Si aux États-Unis l’ambiance intérieure semble établie sur base d’un « 22°C toute l’année, quelle que soit la température extérieure », un mouvement d’opinion se dessine chez nous pour rejeter ce « tout air conditionné » et réintégrer une certaine saisonnalité de l’ambiance intérieure. On parle plutôt de « rafraîchir » l’ambiance afin de passer plus facilement les quelques jours de canicule de l’année.

Le bureau d’études concevra le système et le dimensionnera en fonction des exigences de son client. C’est donc ce niveau d’exigence qui sera à la base du projet. On sera donc attentif à définir avec soin les consignes intérieures souhaitées.

Température et humidité

Solution 1

Classiquement, on impose au cahier des charges des températures intérieures à vérifier dans les situations extérieures les plus critiques.
Par exemple :

  • Température en hiver : 21°C par – 10°C extérieur (- 8° à Bruxelles et – 12°C en Ardennes).
  • Température en été : 24°C (26°C si plafonds froids) par + 30°C et 50 % HR.
  • Humidité : min 40 % en hiver, max 65 % en été.

Imposer une telle exigence à un bureau d’études, c’est forcément imposer une climatisation mécanique.

Solution 2

On peut également lui proposer un niveau d’exigences plus compatible avec la recherche de solutions alternatives, admettant de dépasser temporairement certaines limites de température. Par exemple, en Hollande, il est proposé le critère de « 100 heures par an au dessus de 25,5°C, dont 20 heures au dessus de 28°C ». C’est une simulation informatique qui devra prouver que cette exigence sera bien satisfaite pour une année climatique type moyenne.

Solution 3

On peut également aborder le problème sur base d’un rafraîchissement garanti. Ce n’est plus une consigne intérieure fixe mais bien un abaissement de 3 ou 4°C par rapport à la température extérieure.

Solution 4

Et un compromis peut être trouvé : une climatisation partielle des lieux. Pourquoi ne pas concentrer les locaux générateurs de surchauffe (locaux informatiques, salles de réunion, …) dans une zone du bâtiment qui sera refroidie mécaniquement ? Les autres locaux seront moins chargés en apports internes et seront plus facilement refroidis naturellement. Les niveaux d’exigence sont alors adaptés en fonction des lieux.

Apport d’air neuf hygiénique

Dans un bâtiment bien isolé, la consommation liée au traitement de l’air neuf hygiénique (chauffage et humidification en hiver, refroidissement en été) dépasse les pertes par les parois de l’enveloppe. La définition du débit est donc d’une importance capitale pour la consommation future du bâtiment.

La norme européenne EN 13779 (Ventilation for buildings – Performance requirements for ventilation and air-conditionning systems, Commission technique CEN/TC 156, 1999) propose différents débits d’air neuf à respecter en fonction de la qualité de l’ambiance à respecter :

Norme européenne EN 13779 pour les locaux sans fumeur.
Catégorie de qualité d’air Débit d’air neuf
Excellente qualité
(niveau ambiant de CO2 < 400 ppm au dessus du niveau extérieur) 		> 54 [m³/h.pers]
Qualité moyenne
(niveau ambiant de CO2 400 – 600 ppm au dessus du niveau extérieur) 		de 36 à 54 [m³/h.pers]
Qualité acceptable
(niveau ambiant de CO2 600 – 1 000 ppm au dessus du niveau extérieur)		 de 22 à 36 [m³/h.pers]
Faible qualité
(niveau ambiant de CO2 > 1 000 ppm au dessus du niveau extérieur) 		< 22 [m³/h.pers]

L’exigence du RGPT, 30 [m³/h.pers], correspond donc à une qualité acceptable. Un courant actuel venu des pays nordiques tend à installer de 50 à 70 [m³/h.pers]. Compte tenu des fortes conséquences énergétiques de ce choix (chauffage, humidification, refroidissement), une valeur située entre 30 et 40 m³/h semble adéquate. On choisira certainement 30 m³/h si une possibilité d’ouvrir les fenêtres existe. Un système double flux avec récupération de la chaleur sur l’air rejeté permet de préchauffer l’air neuf et réduire considérablement les pertes liées à la ventilation.

Éclairage

Une des techniques les plus économes pour un immeuble de bureaux consiste à assurer un éclairement général de 200 lux, tout en dotant chaque poste de travail de son éclairage individualisé. On atteint dans ce cas une puissance installée de 7 Watts/m²/500 lux… soit 3 x moins que ce qui était installé dans les années 70.

Question : lorsque le bureau d’études estime les charges thermiques du local, doit-il cumuler la charge d’éclairage et celle d’ensoleillement ? Si le soleil est présent, ne peut-on tabler sur une extinction des luminaires ?

Bureautique

Il existe des solutions pour diminuer les charges internes. Un PC dégage 150 Watts, dont 100 pour l’écran. Si le choix d’écran plat est décidé, les apports de chaleur diminuent au tiers. Et le gain énergétique est double puisqu’à l’énergie électrique plus faible pour alimenter l’équipement est ajoutée l’énergie économisée en climatisation.

En tant que maître de l’ouvrage, il faut clairement définir les charges liées à l’équipement. Cela évitera au bureau d’études de prendre des coefficients de sécurité trop importants. Si le niveau énergétique est faible, cela lui donnera également plus d’aisance pour proposer des solutions alternatives.

Par exemple, si la charge thermique est faible (équipements à faible consommation et apports solaires limités), il est possible d’utiliser des plafonds froids ou des poutres froides, alimentés par de l’eau à 17°C (régime 17/19).

Photo plafond froid.

Le risque de condensation est faible lors de l’ouverture des fenêtres et l’on ne devra plus consommer beaucoup d’énergie pour déshumidifier l’air neuf hygiénique. De plus, une partie de l’année, l’eau réchauffée à 19°C pourra être refroidie en toiture sans équipement frigorifique, simplement en passant dans un aéroréfrigérant (= échangeur eau/air avec ventilateur). Ce sera particulièrement efficace la nuit et le bâtiment pourra ainsi être déchargé de la chaleur accumulée en journée.

Choisir le degré de flexibilité

La flexibilité est aujourd’hui un must, surtout si l’on est promoteur. Le bâtiment devient une boîte dans laquelle le client futur installera ce qu’il souhaite.

Cette approche génère généralement trois difficultés majeures :

  1. Les cloisons intérieures légères sont sans inertie et des faux-plafonds (et/ou faux-planchers) coupent l’accès thermique aux dalles de béton. L’espace intérieur devient très sensible aux apports solaires (effet similaire à la voiture laissée au soleil…) et une climatisation s’impose.
  2. Si le client peut intégrer où il veut une salle de réunion (apport d’air neuf hygiénique élevé) ou une salle informatique (apports thermiques élevés), le bureau d’études va devoir surdimensionner les installations de tout le bâtiment, créant des coûts d’exploitation nettement plus élevés des auxiliaires (pompes, ventilateurs).
  3. L’architecture du projet en soufre et donc la qualité des ambiances. Sans citer de marque, on peut tenter un parallèle avec des hôtels préfabriqués aux abords de nos villes… que nous acceptons pour dormir une nuit, mais pas pour vivre ou travailler.

Il apparaît important de limiter dans le programme les zones de flexibilité, réservant à certains espaces des tâches spécifiques.

Il est d’ailleurs curieux de constater que les anciens bâtiments de qualité sont toujours là, rénovés certes, mais en y adaptant un nouveau programme. À l’opposé, les bâtiments légers modulaires, pourtant très flexibles, sont abandonnés et détruits.

Une réflexion qui intègre le bureau d’études dès l’esquisse

La conception d’un bâtiment à basse énergie forme un tout : choix de l’orientation, choix de l’enveloppe, choix des équipements, … tout est lié.

Architecte et bureau d’étude doivent y travailler ensemble dès le départ. Par exemple, le free cooling naturel du bâtiment demande des taux de renouvellement d’air horaires > 4, donc des débits d’air importants, donc des sections élevées, donc des « cheminées » à intégrer dès le début du projet architectural.

Cheminées de ventilation naturelle du bâtiment du BRE.

Une des difficultés à ce niveau est créée par le principe des concours d’architecture. L’architecte y travaille seul pour limiter les frais (il travaille souvent à perte…). Il conçoit une enveloppe attractive pour gagner le concours… et se voit contraint de la respecter ensuite. C’est là que l’on voit parfois les bureaux d’études s’arracher les cheveux !

Suggestion : idéalement, le maître d’ouvrage devrait prendre en compte le coût d’exploitation du bâtiment et proposer parmi les critères d’évaluation du concours un quota de 30 %, par exemple, pour la vision globale des coûts sur la durée de vie du bâtiment. Le bureau d’études doit alors être associé au concours…

Acoustique

L’ambiance acoustique de chaque espace doit également être conçue dès la programmation tant les nuisances sonores peuvent être à l’origine de tensions ou de problèmes de concentration. Il conviendra de regrouper les espaces en fonction du niveau sonore produit et accepté dans le cadre des activités ayant cours dans cet espace et/ou, à défaut, de recourir à des dispositifs d’isolement et/ou d’absorption acoustique adéquats.

 

À gauche : dispositifs d’absorption acoustique appliqués sur un plafond à forte inertie.
À droite : paroi légère vitrée et dédoublée séparant un openspace d’une salle de réunion.

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Eau chaude sanitaire [Concevoir l’avant projet]

Eau chaude sanitaire [Concevoir l’avant projet]

Plaçons-nous dans l’idéal pour décrire l’installation de production d’eau chaude sanitaire :

Équiper les points de puisage de réducteurs de débit

Du bouton-poussoir à fermeture automatique au robinet à œil électronique, en passant par la douche à faible débit : l’installation la plus économe est celle qui consomme peu d’eau.

En voici une version, avec l’alimentation en savon également sous contrôle.

A priori, décentraliser la production

Si le gaz est disponible et vu les nouvelles contraintes liées à la légionelle (maintien à haute température), on décentralisera au maximum la production : produire près du lieu de puisage, avec des préparateurs instantanés étanches (encore appelés appareils « ventouses »). Autant faire circuler la conduite de gaz dans le bâtiment que la conduite d’eau chaude.

Si production centralisée, alors semi-instantané

Schéma production centralisée, alors semi-instantané.

Si les besoins sont élevés, ou si le gaz n’est pas disponible, une installation semi-instantanée paraît optimale : un échangeur instantané pour produire au moment de la demande, avec le renfort d’un petit ballon de stockage pour stabiliser la température de l’eau durant la première minute de puisage.

L’eau chaude sanitaire est le « vilain petit canard » de l’installation de chauffage !

Les besoins de chauffage du bâtiment sont de plus en plus souvent couverts par des émetteurs à basse température, avec de l’eau préparée par une chaudière à condensation gaz performante.

La production d’eau chaude à haute température perturbe cette évolution. Si les besoins sont élevés, on étudiera donc l’intérêt d’assurer une production de l’eau chaude par une chaudière indépendante.

Choisir un circuit adapté à la chaudière

Schéma circuit adapté à la chaudière.

Si la production d’eau chaude est combinée avec le chauffage du bâtiment par une chaudière à condensation, on dimensionnera l’échangeur au régime 70° – 40° et/ou le circuit hydraulique sera bien étudié pour favoriser le retour d’eau froide vers la chaudière.

Préchauffer par une installation solaire

Prévus dès le départ du projet, des capteurs solaires permettront de couvrir 50 % des besoins annuels, avec une rentabilité financière correcte et une rentabilité environnementale très forte.

Isoler fortement le(s) ballon(s) et la boucle de circulation

On choisira sans hésiter des ballons coiffés d’une jaquette isolante de 10 cm d’épaisseur. L’investissement est très rapidement amorti.

De même pour la boucle de distribution : la lutte contre le développement de la légionelle impose des hautes températures, et donc une isolation plus élevée qu’autrefois.

Accumulateurs d’eau chaude en milieu hospitalier.

Munir l’installation d’outils de gestion

Un compteur permettra de connaître les besoins d’eau chaude du bâtiment, de connaître l’importance du débit de pointe, … C’est sur base de ce profil de puisage que l’on pourra piloter au mieux l’installation, et… la rénover ultérieurement !

Concevoir

 Choix du mode de préparation de l’eau chaude.

Concevoir 

Choix du réseau.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir la fenêtre comme capteur de lumière naturelle [Esquisse du projet]

Favoriser l’éclairage naturel extérieur

Dans une démarche de construction ou de rénovation lourde, on privilégiera l’utilisation de la lumière naturelle à la place de l’éclairage artificiel. La qualité « spectrale » de la lumière naturelle ainsi que sa variabilité et ses nuances offrent une perception optimale des formes et des couleurs. L’éclairage artificiel devrait donc être considéré comme un complément à la lumière naturelle. Aussi, d’un point de vue énergétique, l’utilisation de l’éclairage naturel comme « source » lumineuse est gratuite ; ce qui signifie que la facture en électricité sera d’autant plus réduite que l’éclairage naturel exploité.

Dans bien des projets de conception ou de rénovation de bâtiments tertiaires, en confort lumineux, l’objectif premier est de privilégier l’ouverture des espaces de travail vers la lumière naturelle tout en sachant qu’une trop grande ouverture des façades est souvent synonyme d’éblouissement, de surchauffe et déperditions thermiques au travers des baies vitrées. Le compromis reste de rigueur !

Bien des paramètres viennent influencer de manière plus ou moins significative la pénétration de la lumière dans les espaces de travail :

  • L’orientation des façades ;
  • La présence d’ombres reportées (bâtiments ou autres façades du bâtiment étudié faisant de l’ombre) ;
  • La taille, la forme et la position des baies vitrées dans les façades ;
  • La forme et les dimensions des trumeaux ;
  • Les caractéristiques des vitrages ;
  • La présence de protection solaire (fixe, mobile, …) ;
  •  …

Vitrage clair.           Vitrage sélectif.           Auvent.           Lamelles.           Ombre reportée.

Pour un projet de taille importante, une étude par un bureau spécialisé est toujours intéressante sachant qu’il est possible d’optimiser conjointement les conforts lumineux et thermiques par des simulations dynamiques tenant compte de l’ensoleillement et du climat à tout moment de l’année disponible sous forme de bases de données type « météonorm » par exemple.

L’éclairage naturel extérieur n’est pas uniforme

L’intensité de la lumière naturelle varie fortement en fonction du type de ciel, du moment de l’année, de l’heure dans la journée, de l’orientation de l’ouverture, de son inclinaison et de son environnement.

Les études d’éclairage naturel des locaux sont basées, conventionnellement, sur un ciel couvert donnant un niveau d’éclairement de 5 000 lux sur une surface horizontale en site dégagé (Commission Internationale de l’Énergie).

Or, en Belgique, un tel éclairement est dépassé 80 % du temps entre 8h00 et 16h00, par ciel couvert. Et ce ciel couvert ne se présente que 36 % du temps de l’année.

À l’extrême, en juin, à midi et par ciel serein, l’éclairement dépasse 100 000 lux! (Franchement, de quoi se plaint-on ?!)

Lumière solaire directe ou lumière solaire diffuse ?

La lumière solaire directe dispense un flux considérable, facile à capter et à diriger. Elle présente une dynamique intéressante (création de reliefs dans le bâtiment) et peut être utilisée en tant qu’énergie thermique. Par contre, le rayonnement solaire direct est souvent une source d’éblouissement et parfois de surchauffe du bâtiment. De plus, sa disponibilité est épisodique et dépend de l’orientation des ouvertures.

La lumière diffuse du ciel est disponible dans toutes les directions. Elle suscite peu d’éblouissement, ne provoque pas de surchauffe, mais elle peut être insuffisante dans de nombreux cas. En outre, elle crée peu d’ombres et de très faibles contrastes. Une lumière diffuse est donc idéale pour des locaux de travail où il est important d’avoir un éclairage constant, sans source d’éblouissement. La lumière du nord est assurément une lumière diffuse (depuis toujours exploitée dans les ateliers d’artistes). Mais il est possible de valoriser également la lumière directe venant des autres orientations, pour autant qu’une protection masque le disque solaire ou qu’un rideau intérieur diffuse la lumière incidente.

L’influence de l’environnement

Lors de la conception d’un bâtiment, il est donc important de mesurer l’impact de l’environnement existant sur le nouvel édifice afin de profiter au mieux des possibilités offertes par le terrain pour capter la lumière.

Le relief du terrain, les constructions voisines, … peuvent modifier fortement l’apport.

L’effet de rue est caractérisé par le masque solaire que créent les bâtiments situés de l’autre côté de la rue. Il dépend de la hauteur de ces constructions et de la distance qui sépare les deux côtés de la rue.

Des surfaces réfléchissantes placées au sol telles qu’un dallage brillant ou un plan d’eau peuvent contribuer à capter davantage de lumière. Ainsi, l’eau, en réfléchissant le ciel et l’environnement, intensifie l’impression lumineuse d’un lieu.

Mais la présence d’un bâtiment voisin équipé de vitrages réfléchissants, précisément pour se protéger de l’ensoleillement, risque de provoquer un éblouissement excessif des occupants.

Des éléments liés au bâtiment lui-même, tel que des murs de refends, des surplombs, des light shelves, … peuvent aussi provoquer un ombrage en fonction de leur taille, de leur réflectivité et de leur orientation.

La végétation se distingue des autres écrans parce qu’elle peut être saisonnière, ce qui est le cas des arbres à feuilles caduques, et que par ailleurs elle ne possède qu’une opacité partielle. Elle se contente de filtrer la radiation lumineuse plutôt que de l’arrêter.

Sélectionner la fenêtre comme espace capteur de lumière

Pour quels locaux ?

A priori, tous les locaux devraient disposer d’un éclairage naturel (sauf archives et locaux techniques). On peut parler de nécessité pour les « locaux de vie » (où les occupants séjournent plusieurs heures par jour) et de souhait pour les sanitaires et les circulations (où les occupants ne font que passer).

Voici deux couloirs du même bâtiment, avec les mêmes orientations.
Dans le premier cas, l’architecte a introduit une dissymétrie dans la distribution des locaux, et des ouvertures vers l’extérieur pour introduire de la lumière naturelle.
Faut-il préciser que la première mise en œuvre est plus chère ?..
On parle ici de qualité de l’ambiance intérieure dans un lieu de travail.

Ouverture latérale ou zénithale ?

Ouverture latérale et ouverture zénithale.

Au niveau de l’apport de lumière naturelle, une ouverture zénithale s’ouvre sur la totalité de la voûte céleste. Elle induit une meilleure pénétration de lumière, particulièrement par temps nuageux. La distribution lumineuse obtenue par une ouverture zénithale est aussi beaucoup plus homogène que celle produite par une fenêtre latérale. De plus, la lumière entre dans les locaux par le plafond, ce qui limite a priori les phénomènes d’éblouissement. L’éclairage zénithal convient spécialement à la pénétration de la lumière naturelle dans les bâtiments bas et profonds.

Distribution de lumière très homogène,
mais défavorable à la perception du relief.

Mise en évidence du relief par l’éclairage latéral,
malgré un couloir rectiligne.

Par contre, la lumière latérale est favorable à la perception du relief. L’entretien est également plus facile que pour une ouverture zénithale. De plus, le bilan thermique est en faveur d’une ouverture verticale. En été, les apports peuvent être limités (particulièrement au sud, via une « casquette » architecturale).

Tandis que les apports d’été sont toujours excédentaires au niveau d’une ouverture en toiture.

Seule solution : la décapotable ! Si la coupole ou la verrière peut être largement ouverte en été, le problème peut être résolu. Reste la gestion de la pluie et du vent…

Quelle orientation de la fenêtre latérale ?

Les pièces orientées au nord bénéficient toute l’année d’une lumière égale et du rayonnement solaire diffus. Il est judicieux de placer des ouvertures vers le nord lorsque le local nécessite une lumière homogène, peu variable ou diffuse, et lorsque les apports internes sont élevés.

Les pièces orientées à l’est profitent du soleil le matin, mais le rayonnement solaire est alors difficile à maîtriser, car les rayons sont bas sur l’horizon. L’exposition solaire y est faible en hiver, mais elle permet d’apporter des gains solaires au moment où le bâtiment en a le plus besoin. Par contre, en été, l’orientation est présente une exposition solaire supérieure à l’orientation sud, ce qui est peu intéressant.

Une orientation ouest présente un risque réel d’éblouissement et les gains solaires ont tendance à induire des surchauffes. En effet, les vitrages tournés vers l’ouest apportent des gains solaires l’après-midi, au moment où le bâtiment est depuis longtemps en régime.

Une orientation sud entraîne un éclairement important. De plus, les pièces orientées au sud bénéficient d’une lumière plus facile à contrôler. En effet, en hiver, le soleil bas (environ 17°) pénètre profondément dans le bâtiment, tandis qu’en été, la hauteur solaire est plus élevée (60°) et la pénétration du soleil est donc moins profonde. En été, les apports solaires sur une surface verticale sont également nettement inférieurs au sud qu’à l’est ou à l’ouest, car ils sont diminués par un facteur égal au cosinus de l’angle d’incidence.

Les dimensions de l’ouverture

On peut quantifier l’apport de lumière naturelle dans un local par le facteur de lumière du jour (FLJ). Exprimé en %, il exprime le rapport entre l’éclairement intérieur sur le plan de travail dans le local, et l’éclairement extérieur sur le plan horizontal, en site dégagé, par ciel couvert.

Plus le facteur de lumière du jour est élevé, plus le temps d’utilisation des locaux avec la lumière naturelle est élevé, limitant ainsi la consommation d’éclairage artificiel.

Un objectif raisonnable est d’arriver à un temps d’utilisation de l’éclairage naturel d’au moins 60 %. Ceci entraîne un facteur de lumière du jour de 2,5 (exigence de 300 lux) à 4 % (exigence de 500 lux) dans les locaux de vie, et de 1,5 % dans les circulations et sanitaires (exigence de 100 lux).

Une méthode approchée permet d’évaluer le Facteur de Lumière du Jour moyen d’un local donné, en fonction de sa surface vitrée.

L’emplacement de l’ouverture

Bien sûr, plus la surface est importante, plus l’éclairage naturel est élevé. Mais on sait que les apports solaires augmenteront eux aussi et donc le risque de surchauffe du local. Il nous faut donc optimiser l’efficacité lumineuse de la fenêtre.

Pour évaluer l’influence de l’emplacement de la fenêtre sur la répartition de la lumière dans un local, nous comparons trois fenêtres identiques, situées à 3 hauteurs différentes.

Plus la fenêtre est élevée, mieux le fond du local est éclairé et plus la zone éclairée naturellement est profonde. Si le fond du local (situé à 7 m de la façade dans notre test) reçoit une valeur de référence 100 pour la fenêtre basse, il recevra 128 pour la fenêtre à mi-hauteur et 143 pour la fenêtre haute.

A surface égale, l’efficacité lumineuse d’une fenêtre est donc maximale au niveau d’un bandeau horizontal, situé en partie supérieure de la paroi.

Une telle fenêtre en hauteur procure les avantages suivants :

  • Une répartition très uniforme de la lumière dans l’espace ainsi qu’un bon éclairage du fond du local.

 

  • Une source de lumière au-dessus de la ligne de vision, ce qui réduit les risques d’éblouissement direct.

Cependant, le seuil se trouve au-dessus du niveau de l’oeil, la vue sur l’extérieur est impossible. La fenêtre ne peut jouer son rôle de lien entre un local et son environnement. De plus, une zone d’ombre est formée à proximité du mur de fenêtre. En général, il est préférable de coupler une telle fenêtre avec une fenêtre classique, équipée de protections solaires.

Pour maximiser les apports de lumière naturelle, on peut également interrompre un faux plafond à proximité de la fenêtre pour favoriser la pénétration de la lumière naturelle par cette ouverture. Ce procédé est connu sous le nom de « plafond biaisé ».

De cette étude, on peut déduire une autre conclusion très intéressante : c’est la zone inférieure d’une fenêtre qui est la moins efficace en matière d’éclairage naturel. La présence d’une allège opaque est donc thermiquement préférable (présence d’une isolation pour diminuer les pertes en hiver et opacité vis-à-vis des apports solaires).

La forme de la fenêtre

Analysons l’influence de la forme de la fenêtre en comparant la répartition lumineuse fournie par trois fenêtres de proportions différentes, pour une surface vitrée identique et une hauteur de l’allège constante.

Lorsque la largeur de la fenêtre diminue, la répartition devient moins uniforme, bien que l’éclairement moyen soit pratiquement le même dans les trois cas étudiés. Par contre, l’éclairement du fond du local augmente avec la hauteur de la fenêtre. Pour une même surface vitrée, une fenêtre haute éclaire davantage en profondeur. L’idéal réside donc dans une fenêtre horizontale, mais dont le linteau est élevé. En première approximation, une pièce est convenablement éclairée jusqu’à une profondeur de 2 à 2,5 fois la hauteur du linteau de la fenêtre par rapport au plancher.

Analysons l’influence de la répartition des ouvertures dans une façade : comparons la grande fenêtre centrée et deux fenêtres plus petites, placées symétriquement.

Dans les deux cas, les fenêtres ont une superficie vitrée totale identique et la même hauteur; leur allège est située au même niveau par rapport au sol. La moyenne des éclairements varie peu, mais la répartition de la lumière dans la partie du local avoisinant les fenêtres est différente. Dans le cas de deux fenêtres séparées, une zone d’ombre apparaît entre celles-ci, ce qui peut créer des problèmes de confort visuel pour les occupants.

Le type de châssis

Le type et la taille du châssis modifient la vue vers l’extérieur et la quantité de lumière admise dans un édifice.

Le châssis fixe sera sans conteste le plus mince mais il empêche le plaisir du contact direct avec l’air extérieur…

Le matériau utilisé pour le châssis détermine également son encombrement : en général, un châssis en bois est plus mince qu’un cadre en aluminium à coupure thermique. Les châssis en PVC sont les plus larges.

Mais les innovations récentes permettent de plus en plus de diminuer l’impact visuel des châssis et d’augmenter ainsi la quantité de lumière captée.

Cafétéria dans un lycée.

Valoriser l’éclairage naturel capté

Les dimensions du local

La profondeur du local ne devra pas dépasser le double de la hauteur du linteau de la fenêtre, puisque l’intensité de la lumière naturelle décroît très rapidement en fonction de l’éloignement de la fenêtre.

Ainsi, la profondeur des bureaux devrait être limitée à 6 mètres.

À noter qu’une variation de la hauteur sous plafond (pour une même baie vitrée et une surface de plancher identique) induit une très faible différence dans la répartition lumineuse du local. Le niveau d’éclairement est cependant un petit peu plus élevé dans les pièces ayant un plafond plus bas.

La réflexion sur les parois

La nature et la couleur des surfaces intérieures influencent directement l’éclairage naturel dû aux réflexions intérieures. Une bonne distribution de la lumière nécessite des parois et du mobilier de couleurs claires.

L’importance de la clarté des surfaces est due à un double effet

  • les facteurs de réflexion plus élevés permettent à la lumière d’être davantage réfléchie.

 

  • l’œil humain analyse des niveaux de luminance : sous les mêmes conditions d’éclairage, une surface claire est donc subjectivement perçue comme mieux éclairée qu’une surface foncée.

On peut dire que si le facteur de réflexion moyen des murs d’un volume quelconque est inférieur à 50 %, la lumière pénétrera difficilement en profondeur dans cet espace. Or la plupart des matériaux architecturaux ont de faibles facteurs de réflexion. Un plancher clair peut avoir un facteur de réflexion de 30 %, mais pas beaucoup plus, ce qui est nettement plus bas que les murs (~ 50 % ) et que les plafonds (~ 70 %).

Dès lors, pour favoriser la pénétration de la lumière dans un local, on adoptera un revêtement du sol et du mobilier relativement clair, possédant donc un facteur de réflexion élevé. De plus, la clarté des tables de travail s’avère un élément favorable au confort visuel dans la mesure où la réduction du contraste entre le papier et le support de la table induit une diminution des efforts d’accommodation que l’œil doit effectuer à chacun de ses mouvements.

En revanche, les sols sont souvent de couleur relativement sombre afin de faciliter leur entretien. Il faut donc envisager un compromis susceptible de satisfaire simultanément les exigences de confort et de maintenance.

Comme le plafond ne reçoit la lumière naturelle que de manière indirecte, son influence sur la répartition de la lumière est relativement faible. En revanche, lorsqu’un dispositif de distribution lumineuse dévie la lumière vers le haut, par exemple à l’aide d’un  light shelf, le plafond reçoit une grande quantité de lumière qu’il doit répartir dans toute la pièce; le facteur de réflexion de cette surface doit alors être élevé (> 70 %), valeur correspondant à celle du plâtre blanc propre.

Lorsque les matériaux de revêtement présentent une certaine brillance, la lumière arrive plus facilement en fond de pièce.

En contrepartie, les surfaces en question acquièrent une luminance élevée et peuvent donc devenir des sources d’éblouissement.

De manière générale, les surfaces brillantes sont donc à conseiller comme moyen de transmission de la lumière naturelle, mais elles sont à éviter dans les locaux de travail, dans la mesure où les activités (lecture, écriture,…) peuvent être perturbées lorsque l’environnement lumineux est fort contrasté.

Distribuer l’éclairage dans les locaux

L’inconvénient de la lumière naturelle par rapport à la lumière artificielle réside dans la grande inhomogénéité des éclairements qu’elle induit. La répartition de la lumière représente donc un facteur clef pour assurer un éclairage de qualité.

Un éclairage naturel direct engendre des risques importants d’éblouissement et entraîne une répartition des luminances très irrégulière dans le local.

L’éclairage naturel indirect utilise les réflexions des rayons lumineux sur une paroi pour obtenir une distribution lumineuse plus homogène. Cependant, le niveau d’éclairement assuré dépend fortement du coefficient de réflexion de la paroi et donc de sa maintenance régulière.

Le Kimbell Art Museum, conçu par L. Kahn, renferme un exemple d’éclairage naturel indirect fabuleux.

De longs plafonds cylindriques laissent pénétrer la lumière naturelle en leur centre grâce à un système filtrant et réfléchissant, qui redirige la lumière solaire éclatante du Texas sur les voûtes du musée.

L’aménagement des parois intérieures

La distribution de l’éclairage dépend aussi de l’organisation des espaces intérieurs. Utiliser des cloisons transparentes ou translucides permet à la lumière de se répandre dans les deux pièces séparées par la surface vitrée. À l’intérieur d’un bâtiment, l’architecte est tributaire des effets de lumière qui se créent : il dote les espaces intérieurs de l’atmosphère désirée par une disposition étudiée des ouvertures et des obstacles à la lumière. Par exemple, un local disposé à l’est peut, par le truchement des baies intérieures, recevoir un peu de lumière de l’ouest.

Dans un long couloir, la présence de fenêtres translucides donne un relief agréable et permet d’éviter l’éclairage artificiel (bandes verticales à côté des portes ou impostes au-dessus des portes).

Les meubles sont parfois de réels obstacles qui empêchent la transmission de la lumière vers certaines parties de la pièce. Il est donc essentiel de réfléchir au type de meubles, ainsi qu’à leur emplacement, de manière à favoriser la pénétration de la lumière naturelle.

Ces deux modes d’éclairage peuvent aussi être combinés pour créer un éclairage direct/indirect, alliant une ouverture directe à la lumière naturelle à un système d’éclairage indirect. Un exemple de ce type d’éclairage est une façade qui unit une fenêtre normale et un light shelf. Ce mode d’éclairage possède, en général, les avantages de l’éclairage indirect, mais la partie directe permet en plus de créer des ombres, qui mettent en valeur le relief des objets. D’autre part, la maintenance des coefficients de réflexion des parois est un peu moins critique vu qu’une partie de l’éclairage entre de manière directe dans l’espace.

Gérer l’éclairage artificiel en fonction de l’éclairage naturel

Force est de constater que les occupants d’un bâtiment tertiaire sont peu motivés à éteindre leurs luminaires, même si l’éclairage naturel est suffisant. De plus, la modulation ON-OFF n’est pas souple et provoque un choc psychologique lors de l’extinction.

      

Par exemple, il est possible aujourd’hui de placer une cellule sensible à l’intensité lumineuse en dessous du luminaire. Si, en présence de soleil, celle-ci dépasse les 500 Lux souhaités, l’alimentation électrique du luminaire est automatiquement réduite. Sans que l’occupant ne s’en rende compte, l’éclairage naturel est directement valorisé. C’est « la vanne thermostatique » du luminaire !

Concevoir

 Pour plus d’informations sur la mise en place d’une technique de gestion de l’éclairage artificiel.

Renforcer l’éclairage naturel à l’intérieur du bâtiment

Le puits de lumière

Certaines zones centrales dans un bâtiment n’ont pas d’accès direct à la lumière du jour. Dès lors, un conduit de lumière, passant à travers différentes pièces, permet de répandre la lumière naturelle captée en toiture ou en façade dans ces locaux aveugles.

Signalons toutefois que les puits de lumière risquent d’occuper un assez grand volume dans le bâtiment. Leur surface interne doit être d’autant plus réfléchissante que la lumière naturelle doit être amenée profondément dans le bâtiment. Pour limiter au maximum les pertes par absorption, il faut utiliser des matériaux très performants au niveau photométrique.

Architecte : M. Botta.

Utilisation du verre
dans des éléments de sol ou d’escalier.

Si le puits de lumière prend de plus larges dimensions, on parle d’atrium. Sa gestion thermique est souvent difficile (refroidissement par la surface vitrée en hiver, surchauffe par l’excès d’apports solaires en été). Un équilibre dans le degré d’ouverture doit donc être trouvé pour favoriser l’éclairage des pièces centrales, tout en évitant un déséquilibre thermique … coûteux en climatisation !

   

Exemple d’un atrium bien dimensionné.

Au Lycée Vinci de Calais, une dynamique est donnée par les 3 ouvertures : bandeau lumineux sur toute la longueur, coupole en toiture, pignons vitrés aux deux extrémités.

Si toute la toiture avait été ouverte, l’énergie incidente aurait entraîné des surchauffes en été.

Le conduit solaire

Un conduit solaire transmet la lumière solaire directe au cœur même du bâtiment. Le rayonnement solaire est capté au moyen d’un système de miroirs et de lentilles ou de capteurs paraboliques, éléments qui se meuvent en fonction de la trajectoire du soleil. La transmission du rayonnement solaire se fait par des systèmes de miroirs, de lentilles, de prismes réflecteurs, de fibres optiques, de baguettes acryliques, de fluides de cristaux liquides ou des conduits creux, dont les faces intérieures sont recouvertes de métaux polis. Les faisceaux lumineux ainsi obtenus peuvent alors être dirigés sur une surface précise ou diffusés dans l’espace.

Ce conduit, beaucoup moins volumineux qu’un puits de lumière, peut facilement atteindre une longueur de 15  mètres. Il est parfois associé à un puits de lumière.

Le conduit solaire apporte un flux lumineux nettement plus important et plus concentré que le puits de lumière. Cependant, tous ces systèmes de gestion du rayonnement solaire direct sont relativement chers à installer et s’appliquent donc plus particulièrement aux régions fortement ensoleillées.

Le « light shelf »

Un light shelf est un auvent, dont la surface supérieure est réfléchissante.

L’objectif est double

  1. Rediriger la lumière naturelle vers le plafond, ce qui permet de faire pénétrer la lumière profondément dans la pièce.
  2. Protéger l’occupant des pénétrations directes du soleil (éblouissement et rayonnement direct).

La surface du light shelf doit être aussi réfléchissante que possible, mais peut-être mate, brillante ou spéculaire. Une surface spéculaire renvoie théoriquement plus de lumière, mais il faut pour cela qu’elle soit nettoyée très régulièrement, ce qui n’est pas toujours aisé. En pratique, un light shelf brillant (semi-spéculaire) est sans doute le meilleur choix.

La couleur du plafond doit être aussi claire que possible, car il joue le rôle de distributeur de la lumière naturelle réfléchie par le light shelf. Sa pente a également de l’importance : un plafond incliné vers le fond du local ou de forme arrondie incurvée vers l’intérieur de l’espace augmentera fortement la profondeur de pénétration de la lumière dans le local.

Architecte : Michael Hopkins and Partners.

Dans nos régions, il est surtout applicable pour des locaux profonds d’orientation sud. Ses performances sont fortement réduites pour des orientations est et ouest, pour lesquelles le rayonnement solaire a un angle d’incidence plus faible.

De manière relative, plus le local est sombre, plus l’apport d’un light shelf peut être intéressant. Si la composante réfléchie interne est déjà grande dans un local, le même système sera proportionnellement moins efficace. L’emploi d’un light shelf en rénovation sera particulièrement profitable dans les pièces dont les murs ont des coefficients de réflexion faibles et un mobilier foncé (à noter qu’il sera moins cher de commencer par repeindre les murs !).

Le choix de la meilleure configuration de light shelf résulte d’un équilibre entre les demandes d’éclairage naturel et les besoins d’ombrage d’un local.

Un light shelf est habituellement situé à environ deux mètres de hauteur, divisant la fenêtre de façade en deux parties. Sa position dépend de la configuration de la pièce, du niveau des yeux et de la hauteur sous plafond pour permettre une vue vers l’extérieur et ne pas causer d’éblouissement. Une position basse augmente la quantité de lumière réfléchie vers le plafond … mais accroît les risques d’éblouissement.

L’augmentation de la profondeur du light shelf limite l’éblouissement, mais diminue aussi la pénétration de la lumière et la vue vers l’extérieur. Le light shelf, affectant la conception architecturale et structurelle d’un édifice, est de préférence introduit au début de la phase de conception puisqu’il nécessite un plafond relativement haut pour être efficace.

Les light shelves horizontaux sont un bon compromis entre une inclinaison du système vers le centre de la pièce ou vers l’extérieur. Tournée vers l’extérieur, le light shelf crée un plus grand ombrage, mais tournée vers l’intérieur il éclaire mieux le fond de la pièce.
On peut classer un light shelf selon sa position : intérieur, extérieur ou combiné.

Ainsi que le montre les simulations de l’éclairage d’un local, sans et avec light shelf,

  • Le light shelf extérieur donne les meilleurs résultats du point de vue du niveau d’éclairement en fond de pièce, tout en ombrant la grande fenêtre.

 

  • Placé à l’intérieur, il réduit le niveau d’éclairement moyen du local, mais offre toutefois un ombrage pour la partie supérieure du vitrage.

 

  • Enfin, le light shelf combiné assure la distribution lumineuse la plus uniforme dans le local; il se révèle également la meilleure protection solaire.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Récupérer les sources de chaleur « perdues » du bâtiment

Récupérer les sources de chaleur "perdues" du bâtiment

Placer un récupérateur de chaleur sur l’air extrait

L’air hygiénique est extrait à une température de l’ordre de 21° durant tout l’hiver. Or la température moyenne extérieure saisonnière est de l’ordre de 6° dans nos régions. Il faut donc chauffer l’air neuf de 15°C durant 8 mois. Pour un bâtiment bien isolé, cela représente 50 % de la consommation de chauffage annuelle.

Or il est possible de récupérer 50 % de la chaleur du fluide qui traverse un récupérateur de chaleur. C’est donc un potentiel énergétique non négligeable. Tout se passe comme si l’air extérieur passait en moyenne à 13,5 °C !

Avantage : c’est directement l’air vicié qui préchauffe l’air neuf. Il y a donc synchronisme des besoins en période de chauffe. La rentabilité est variable, mais elle se situe entre 4 et 6 ans, ce qui est très faible face à la durée de vie de l’installation. Classiquement un échangeur à plaques sera choisi, mais plusieurs autres systèmes sont à étudier. Pour diminuer les coûts à l’investissement, il faut organiser un regroupement des conduits de pulsion et d’extraction dès l’Avant-Projet.

Schéma récupérateur de chaleur sur l'air extrait.

Cette technique demande un soin particulier lors du dimensionnement afin que le bénéfice thermique ne soit pas trop « mangé » par le supplément de consommation des ventilateurs.

Précisons qu’il s’agit bien d’un échange thermique et qu’il n’y a pas de mélange entre l’air vicié et l’air neuf.

Une bonne gestion doit être étudiée, car en mi-saison, l’air extérieur peut être à 18°C et il serait dommage de le chauffer avec de l’air à 23°C, par exemple. Un by-pass doit être prévu.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur le choix d’un récupérateur de chaleur.

Re-pulser l’air extrait dans une autre zone du bâtiment

Une solution classique consiste à pulser l’air extrait des bureaux dans les parkings situés sous le bâtiment, ce qui permet de chauffer en même temps ce lieu. Très honnêtement, cela nous paraît une faible économie, car le chauffage des parkings est luxe peu utile. La consommation des ventilateurs sera plus forte que si des simples ventilateurs axiaux organisent le balayage. Enfin, avec une sonde CO, il est possible de diminuer drastiquement les besoins en journée (moteurs à l’arrêt), or les besoins des bureaux sont constants…

Il paraît plus utile de valoriser cet air une deuxième fois : extraction par les zones d’archives, extraction par l’atrium qui constitue une zone tampon (attention au risque de surchauffe en mi-saison… by-pass ?), … Il faut repartir de la logique appliquée dans le secteur domestique : l’air est apporté au living et est extrait en cuisine. Il sert donc deux fois.

Récupérer la chaleur au condenseur de la machine frigorifique

Si une machine frigorifique fonctionne en hiver et en mi-saison, il y a probablement moyens de combler des besoins de chauffage dans le bâtiment. Difficulté : la chaleur fournie par un condenseur est à très basse température (40°C à 50°C). Il faut donc trouver des besoins à basse température

  • boucle d’eau chaude des ventilos-convecteurs,
  • préchauffage de l’eau chaude sanitaire (premier ballon en série avec le ballon final),
  • préchauffer l’air neuf hygiénique du bâtiment,
  • postchauffer l’air neuf déshumidifié pour une installation de plafonds froids (obligatoire dans la Nouvelle Réglementation Thermique française),
  • …

Chaque cas est un cas d’espèce à étudier par le bureau d’études, mais l’imaginer dès l’Avant-Projet permet souvent de se faciliter la vie par la suite !

Exemple d’application très intéressante.

Le plus logique est de récupérer la chaleur sur le condenseur à air pour chauffer directement l’air d’un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d’air chaud à l’entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur la récupération de chaleur au condenseur d’une machine frigorifique.

Utiliser les systèmes de climatisation à débit de fluide réfrigérant variable

Imaginons une demande de chaleur dans un local en façade et des apports de chaleur dans un local de réunion juste à côté. Il existe aujourd’hui un équipement capable de refroidir un local et de transférer la chaleur vers un local voisin ! C’est en quelque sorte une pompe à chaleur dont la source froide est constituée par un des locaux. La performance énergétique pourrait en être très élevée.

Pour être rentable, il faut que le bâtiment présente souvent cette complémentarité des besoins. On pense par exemple à un bâtiment qui aurait des locaux aveugles (intérieurs), en demande de refroidssement toute l’année.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur les systèmes de climatisation à débit de fluide réfrigérant variable.

Placer une pompe à chaleur sur les sources chaudes du bâtiment

Par exemple, il est possible de refroidir (et déshumidifier par la même occasion) une buanderie surchauffée et produire ainsi de l’eau chaude sanitaire : on fait coup double !

Schéma pompe à chaleur sur les sources chaudes du bâtiment.

Concevoir

 Pour plus d’informations sur les systèmes de récupération avec PAC.
Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Choisir le lieu d’implantation

Suivant le lieu d’implantation, la consommation liée au transport des occupants
risque de dépasser la consommation de l’immeuble de bureaux …

Valoriser les réseaux de transport en commun

 

Dans un immeuble de bureaux, la consommation journalière des 12 m² occupés par une personne correspond à un parcours aller/retour en voiture de 30 km.

La consommation liée au transport des occupants du bâtiment est donc souvent plus élevée que la consommation du bâtiment lui-même !

Lors du choix d’implantation, parmi les autres critères, on prendra en compte l’intégration dans un réseau de transport en commun.

Pour plus d’info sur ce thème, vous pouvez consulter le site ouverture d'une nouvelle fenêtre ! http://mobilite.wallonie.be de la Région Wallonne.

Favoriser le transport à pied ou à vélo

L’accessibilité des piétons et des cyclistes est essentiellement du ressort de l’urbanisme. Cependant, localement, il est possible de favoriser cette politique, par la réservation d’une zone de parkings pour les vélos, par exemple. Ou l’insertion au programme du bâtiment d’une salle de douches pour les occupants cyclistes.

Valoriser les services de proximité

Dans un zoning industriel, les repas de midi, les courses durant la pause, … génèrent des déplacements énergivores.

On peut donc penser au contraire à une implantation qui limite cet usage :

  • présence de restaurants, de commerces,
  • présence de sociétés de services à proximité,
  • …

Valoriser les ressources locales

Les matériaux qui entreront dans le projet représenteront chacun un investissement énergétique.

On privilégiera donc le choix de matériaux de construction locaux, l’utilisation de matériaux recyclables ou recyclés,…

Plus largement encore, une réflexion peut être menée sur la valorisation de la main-d’œuvre locale, voire sur l’appel à des organismes locaux d’insertion professionnelle.

Intégrer le bâtiment au sein d’un projet urbain global

Est-il normal de concevoir des immeubles similaires dans nos régions et sous les tropiques… ?

Ceci dépasse le seul critère énergétique, mais peut être porteur d’une réflexion intéressante :

  • Intégrer le bâtiment dans son contexte topographique, architectural, urbanistique, culturel, …
  • Apporter de la mixité dans les affectations urbaines (bureaux, logements, écoles, commerces, …).
  • Proposer un aménagement local dont la logique s’intègre au projet urbain existant ou peut s’étendre ultérieurement au voisinage futur.
  • Valoriser les espaces publics et semi-publics.

Plus localement, il est aussi utile de réintroduire le contact avec l’environnement grâce aux espaces extérieurs qui environnent le bâtiment.

 

Les fontaines, les bassins,… créent un rapport ludique et symbolique avec l’eau.
Ils favorisent la diversité biologique.

Mais aussi, ils modifient le microclimat dans l’espace environnant, réduisant en été la température de l’air extérieur par évaporation (chaleur latente).

 

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Concevoir l’esquisse du projet – généralité

Concevoir l'esquisse du projet

Préalable, un document de synthèse peut être imprimé à destination du Maître d’Ouvrage.

Avertissement : l’esquisse décrite ici ne prend en compte que des considérations énergétiques et de confort s’adressant aux bâtiments du tertiaire de manière générale. La prudence est de mise lorsqu’on aborde certaines zones à risque de l’hôpital.

Conception énergétique d’un bâtiment tertiaire :

>  version PDF

Author Image Posted By : 25 Sep, 2007

Projet et cahiers des charges

Projet et cahiers des charges

Pour intégrer l’efficacité énergétique dans les projets :
  • Le bureau d’études doit rédiger des clauses énergétiques dans ses prescriptions :
    c’est l’objet des « Cahiers des Charges énergétiques ».
  • L’architecte ou encore le Maitre d’ouvrage doivent pouvoir vérifier la qualité énergétique à chaque étape du chantier :
    c’est l’objet des « Check-Lists énergétiques ».

Attention : ces documents ont été rédigés en 2004 et datent donc quelque peu. Il est important de les utiliser avec précaution même si l’esprit général reste valable.

Des cahiers des charges pour le bureau d’études

Les clauses énergétiques à intégrer dans les prescriptions.

Le chauffage > pdf
L’eau chaude sanitaire > pdf
L’éclairage > pdf
La climatisation (HVAC) > pdf 

Des check-lists pour l’architecte et le Maitre d’Ouvrage

Les critères de qualité énergétique pour chaque étape du chantier.
Le chauffage > pdf 
L’eau chaude sanitaire > pdf 
L’éclairage > pdf 
La climatisation > pdf 
La ventilation hygiénique > pdf 
À ce stade, il sera aussi utile de préparer l’exploitation du bâtiment

Copyright © 2025 | Powered by Accron