Enjeux énergétiques et environnementaux de la construction Enjeux énergétiques et environnementaux de la construction Francis Allard

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1 Enjeux énergétiques et environnementaux de la construction Enjeux énergétiques et environnementaux de la construction Francis Allard francis.allard@univ-lr.fr 1 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 JOURNEES ENERGIE, TRANSPORTS, HABITAT : QUELS ENJEUX POUR DEMAIN ?

2 Les enjeux énergétiques et environnementaux de la construction Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 2  Le contexte environnemental  Le contexte énergétique  Les initiatives européennes  Quelles stratégies pour le bâtiment en Europe?  Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings (NZEB)  La réhabilitation  La situation du bâtiment en France  Les problématiques scientifiques

3 3 Réchauffement global

4 4 Corrélation concentration en GES/température

5 Bilan Concentration en dioxyde de carbone et température Température Concentration en CO 2 En à peine plus de 200 ans nous aurons rejeté dans l’atmosphère ce que la nature avait mis 600 millions d’années à piéger 5

6 Le phénomène est durable!!!! 6

7 7 Evolution des températures terrestres au 21 ème siècle Le convergent Le tout fossile Le mixte Le tout ENR L’hétérogène 7

8 Solution unique, réduction immédiate des émissions:le facteur 4 Source : GIEC 8

9 Un autre phénomène à prendre en compte: le développement des Îlots de chaleur urbains Différences maximum de températures mesurées entre les centres urbains et zones rurales en Europe et Amérique du Nord (Littlefair, 2000, Oke 1982). 9

10 10 Développement de la climatisation d’été (+1000% de vente en Italie de 1990 à 1997) Charges anthropiques (bâtiments, transports, …) Ensoleillement Effet du Smog urbain Accumulation de chaleur (matériaux, formes urbaines, absence de végétation) Population urbaine: 76% de la population en Europe (2001) Athènes

11  Les charges de climatisation peuvent être plus que doublées  Les COP des systèmes de climatisation sont réduits (-25% à Athènes)  Les pics de puissance sont accrus (2 à 4% pour 1°C supplémentaire ) Distribution des charges de climatisation [kWh/m 3 ] à Athènes en 2004, pour une température intérieure de consignede 26°C, (Santamouris et al,2004) Effet directs et indirects sur la demande énergétique des bâtiments 11

12 Évolution de la fourniture énergétique mondiale 3%/an 12

13 Évolution de la fourniture énergétique européenne 1.3 %/an 13 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

14 Contexte Énergétique Européen Une solution durable: économiser l’énergie!!!! 14 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

15 Un défi économique et politique Prédiction de la dépendance énergétique européenne 15 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

16 L’ initiative européenne contre le changement climatique (décembre 2008) 20 % de réduction des gaz à effet de serre 20% d’énergie renouvelable en + 20% de gain d’efficacité énergétique 16 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

17 Les plans nationaux 17 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

18 Quelle feuille de route pour le bâtiment en Europe? 18 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

19  41 % de l’énergie finale utilisée  36 % des émissions de CO 2  Fort potentiel d’économie d’énergie: ~30 % en 2020  9 % du P.I.B européen, 8 % des emplois et 2 mille milliards d’€ /an;  Le secteur européen le plus actif en termes de lutte contre le changement climatique : Energy Performance of Buildings Directive (EPBD, 2002/91/EC) y “EPBD recast” (Juin 2010) Le secteur de la construction en Europe

20 F. Allard 31 Janvier 2012 atif Un réel potentiel de réduction des émissions de CO2 à coût négatif isolation éclairage climatisation chauffage 1% de gain en efficacité énergétique des bâtiments européens correspond à une réduction des émissions de 55Mt CO 2 (20% de l’objectif de Kyoto) 20 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

21 21 heat transmission (U) ventilation solar gains internal gains heating system (building) domestic hot water lighting cooling fans and pumps distribution loss renewable thermal renewable electrical heating system (district) Statuts des réglementations en thermique des bâtiments en Europe en 2001 (F. Allard, C.A. Roulet, CLIMA2001, Napoli)

22 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 Exigences minimales pour tous les états membres:  Une méthodologie commune pour évaluer l’efficacité énergétique des bâtiments (notion de consommation globale conventionnelle)  Une réglementation dans chaque état membre définissant les valeurs maximales avec réajustement tous les 5 ans  La mise en place dans tous les états membres des certificats de performance dans un format unique (DPE)  La mise en œuvre des inspections régulières des chaudières de plus de 10kW et des systèmes de climatisation de plus de 12kW.  Un ajustement des niveaux de performance au niveau du neuf pour les réhabilitations importantes (plus de 1000 m2 et plus de 25% de la valeur du bâtiment »  Un grand effort de normes européennes communes. (CEN) EPBD (2002/91/EC ) 22

23 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 «  “Near Zero Energy Buildings” Chaque état membre doit mettre en œuvre une politique visant pour tous les bâtiments neufs une consommation énergétique “quasi nulle” pour 2020 (2018 pour les bâtiments publics.)  Réhabilitation basse consommation: toute réhabilitation de plus de 25% du coût du bâtiment ou 25% de son enveloppe se doit d’appliquer les niveaux d’exigences en vigueur. La contrainte des 1000 m 2 n’existe plus.  Une méthode pour évaluer l’efficacité économique des stratégies.  Un nouveau “package” de normes mieux adaptées est demandé au CEN.  L’intégration des autres directives (produits, énergies renouvelables,…) est à intégrer dans une démarche globale cohérente.  Un usage mieux approprié des DPE qui doivent à terme renseigner sur l’amélioration potentielle de l’efficacité énergétique. EPBD « recast» (2010) 23

24 Une nouvelle directive EED (octobre 2012) 24 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

25 L’efficacité énergétique: un enjeu pour 2020 25 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

26 Le bâtiment, le secteur clé d’amélioration Bâtiment 26 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

27 27 European Roadmap to 2050 (COM(2011)112) 27

28 28 NZEB Définition 28 Article 2 de recast EPBD: “a building that has a very high energy performance.... The nearly zero or very low amount of energy required should be covered to a very significant extent by energy from renewable sources, including energy from renewable sources produced on-site or nearby”.

29 Une ambition partagée F. ALLARD-AIVC 2013-Athens 29 United States France

30 30 Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings Control the movable property items consumption Control the property ems consumption Synthesis

31 31 “un bâtiment sobre privilégiant l’utilisation des énergies renouvelables” Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings Control the movable property items consumption Control the property items consumption Synthesis use of on site renewable energies

32 32 PAGE 32 Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings Contrôle de la consommation des bâtiments Cas de la France F. ALLARD-CLIMAMED2013 Istanbul Evaluation des consommations en kWh pe/m 2 Year

33 33 Bâtiments Autres équipements Inclure les consommations de tous les équipements… Evaluation des consommations en kWh pe/m 2 an

34 34 Exploiter “on site or nearby” renewable energy sources Tel que définit aujourd’hui le but des NZB repose en grande partie sur la possibilité d’utiliser des sources proches d’énergie renouvelable. Les challenges et les verrous des énergies renouvelables:  Réduction des coûts  Intégration architecturale et technique  Stockage de chaleur et d’électricité  Systèmes de contrôle permettant l’utilisation prioritaire des énergies renouvelables  Dimensionnement des systèmes  Garantie de production  Connections aux réseaux Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings

35 35 F. ALLARD-CLIMAMED2013 Istanbul consommation productionconstructionmobility Maîtrise de la production d’énergie renouvelable en contexte urbain Low Important Evaluation des consommations en kWh pe/m 2 an

36 36 Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings Analyser les performances sur le cycle de vie total du bâtiment 36 Synthesis

37 37 F. ALLARD-CLIMAMED2013 Istanbul PAGE 37 consommationproduction mobility Prendre en compte l’énergie grise Low Importa nt construction Evaluation des consommations en kWh pe/m 2 an

38 38 Un bâtiment sain, sûr et confortable facilitant les comportements éco- responsables. Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings 38 Synthesis

39 39 Fournir un environnement sain et confortable Confort Global  Confort d’été même avec le réchauffement climatique  Confort acoustique même pour des bâtiments plus légers  Confort visuel: optimisation des surfaces vitrées  Minimiser les inconforts… Santé et sécurité  QAI( matériaux et produits, stratégies de ventilation)  Qualité de l’eau  Sécurité électrique, protection électromagnétique,..... Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings

40 40 Faciliter les comportements eco- responsables Evaluer et prédire  Nécessité d’outils de modélisation adaptés Faire évoluer les comportements  Via la conception du bâtiment  Via l’information des occupants Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings

41 41 Des NZEB dans des quartiers et des villes durables Synthesis Questions posées par la définition des Nearly Zero Energy Buildings 41

42 Impact du micro climat urbain/ efficacité énergétique des bâtiments On ne peut plus concevoir des bâtiments comme s’ils étaient construits sur un aéroport, Les interactions entre le microclimat urbain et le bâtiment sont déterminantes sur les choix de stratégie énergétique, On manque cruellement de données expérimentales et de modèles permettant d’apprécier ces interactions. 42

43 Modélisation multi échelle des transferts à l’échelle de la rue canyon 43 vitesse calculée Station météo rue canyon étudiée Canopée forestière Modélisation microclimatique Ville Région modélisation météorologiqueBâtiment Canopée urbaine Rue Vent géostrophique Troposphère Canopée urbaine

44 44 F. ALLARD- CLIMAMED2013 Istanbul PAGE 44 consommationproductionconstructionmobilité Comment associer la production locale avec la mobilité? Prendre en compte la mobilité Evaluation des consommations en kWh pe/m 2 an

45 45 L’approche globale est absolument nécessaire.

46 Baseline Standards [ASHRAE, CEN, ISO] Advanced Standards, [ASHRAE 189.1, AEDG] Multi-Performances: Comment évaluer la performance globale, quels indicateurs choisir? 46 Environmental Standards Leed, Bream, HQE,… F. ALLARD-BS 2013-Chambéry

47 47 Coût d’investissement maîtrisé Source ICADE-2008

48 Les NZEB: des examples partout en Europe F. ALLARD-CLIMAMED2013 Istanbul 48 Sweden Portugal Germany Holland Switzerland Finland France

49 Evolution des taux de rénovation pour atteindre les objectifs de la directive EED 49 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

50 Impact économique de la réhabilitation énergétique des bâtiments en Europe Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 50

51 Potentiel cumulé d’économie lié à l’amélioration de l’efficacité énergétique par pays (2030) Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 51

52 Bénéfices annuels pour 2020 Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 52

53 Et en France, quelle est la situation du bâtiment? 53 Une grande variété d’architecture

54 La situation française/énergie Secteur du bâtiment 1 er consommateur 54

55 Saintes 7 Février 2012 Emissions de gaz à effet de serre En total: 25 %

56 56 La feuille de route nationale

57 La structure du parc français Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 57 Le bâtiment (2010)  32,6 millions de résidences(2.4 milliards m 2 ) 15,5 millions de maisons individuelles 12 millions de bâtiments d’habitat collectif 3.2 millions de résidences secondaires 1.9 millions de logements vacants le tertiaire  904 millions m 2 SectorSurface chauffée(Mm 2 )Ratio Commerces203.74922.5 % Bureaux198.76522 % Ecoles180.58420 % Santé104;04111.5 % Sport66.8507.4 % Hotel -restaurant62.3786,9 % Community buildings62.3646.9 % Transport25.1092.8 % TOTAL903.840100 % 64,5%

58 Structure de l’habitat (2007) 58 8 périodes principales de construction MaisonsAppartementsTotal% Avant 1915 3 225 600 1 665 800 4 891 40019.96 1915 - 1948 2 061 000 1 192 900 3 253 90013.28 1949 - 1967 1 827 900 2 557 200 4 385 10017.89 1968 - 1974 1 404 900 1 990 300 3 395 20013.86 1975 - 1981 1 809 000 1 177 500 2 986 50012.19 1982 - 1989 1 776 800 774 200 2 551 00010.41 1990 - 1999 1 294 500 940 100 2 234 6009.12 2000 et après 504 800 302 500 807 3003.29 Total13 904 50010 600 50024 505 000100.00 1 ère réglementation Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

59 Le parc de logements 59 65% du stock a été construit avant 1975, 31% avant 1949, 34% entre 1950 et 1974, 13% entre 1975 et 1981 and 22% après 1982. 55% des maisons individuelles n’ont pas été réhabilitées durant les 20 dernières années. La demande moyenne en énergie primaire est d’environ 250-260 kWhpe /m 2 an Le taux de construction neuve est de 1% En suivant la tendance actuelle (1,2% de réhabilitation) nous atteindrons 160-180 kWhpe /m 2 an en 2050, La cible est autour de 50 !!!!!)

60 60 Historique de la performance énergétique des bâtiments Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014

61 Les problématiques scientifiques Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 61  Recherche méthodologique:  optimisation (économiques, environnementales,….) des stratégies de construction et de réhabilitation, des réseaux énergétiques (smart grids, smart networks)  garantie de performance,  jeux d’acteurs,…..  Recherche technologique:  Les outils (adaptation des outils, collection et transfert de données,…)  Les enveloppes (des matériaux aux composants)  Les systèmes constructifs,  Les stratégies de conditionnement (QEI, HVAC,..)

62 Les problématiques scientifiques Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014 62  Recherche phénoménologique:  Transferts couplés de chaleur et de masse, humidité, polluants gazeux et particulaires….  Modélisation et simulation:  multi échelle spatiale et temporelle (système, bâtiment, milieu urbain)  déterministe (phénomènes physiques)  stochastique ( variabilité des paramètres, aspect aléatoire de la mise en œuvre, des comportements,…)  Recherche SHS:  Le comportement des usagers,  L’acceptabilité des solutions technologiques et des mises en œuvre,  Les études économiques prospectives (scénarios)

63 Conclusion 63 Les enjeux environnementaux vont nécessairement conduire à des évolutions fortes des politiques (transition énergétique) Le secteur du bâtiment est le secteur clé de toute politique énergétique et/ou environnementale En quelques années l’Europe a clairement affichée une politique volontariste de leadership (NZEB, réhabilitation,….) Un effort important de recherche et d’innovation méthodologique et technologique est aujourd’hui nécessaire pour atteindre les objectifs annoncés. Séminaire Energie, Poitiers 21/04/2014