L’innovation au service du Bâtiment Basse Consommation Les enjeux du bâtiment BEPOS Les développements à l’INES Etienne Wurtz Directeur de recherche CEA Institut National de l’Energie Solaire Le Bourget du Lac

Volet 1 : Energie solaire photovoltaïque Laboratoire systèmes photovoltaïques Laboratoire stockage batteries Laboratoire modules solaires Laboratoire cellules solaires Laboratoire matériau silicium

Volet 2 : Energie solaire thermique et intégration dans l'habitat Laboratoires Convergence Habitat/Transport Laboratoire Bâtiments démonstrateurs Laboratoire Tests éléments du bâtiment Laboratoire Tests thermiques

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REPARTITION DES Consommations énergétiques Eau chaude 11,5% Eclairage 1,5% Le chauffage représente le plus grand potentiel Autres consommations électriques 11,5% Chauffage 75,5% Consommation d’énergie finale dans l’existant

Limiter les besoins énergétiques et developPer les ENR 195 195 Ventilation 180 180 Gains solaires 165 165 Sources internes 150 150 135 135 120 120 Annual energy consumption (kWh/m²a) 105 Annual energy consumption (kWh/m²a) 105 90 90 Demande énergétique 75 75 Pertes par les parois Ventilation 60 60 Gains solaires 45 45 Sources internes Photovoltaïque Photovoltaïque 30 30 Pertes par les parois Récupération sur l’air extrait 15 15 Demande énergétique Pour la réhabilitation de 320 kWh/m2/an en moyenne aujourd’hui à 50 en 2050

Consommations actuelles du bâtiment BEPOS : LE BÂTIMENT À ÉNERGIE POSITIVE: Pour les bâtiments neufs de 50 kWh/m2/an actuellement à 0 kWh/m2/an en 2020 ? Consommations actuelles du bâtiment ~ 320 kwh/m2/an (chauffage + eau chaude) v RT2012 ~ 50 kwh/m2/an v RT2020 0 kwh/m2/an v Quels moyens pour y arriver?

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… et si un bâtiment à énergie positive n’était pas un bâtiment qui produisait plus qu’il ne consommait ? …

RECETTE POUR RÉALISER UN BÂTIMENT À ÉNERGIE POSITIVE Soit une maison de 100 m2 pour 4 personnes Elle nécessite 320 kWh/m2 pour le chauffage On y ajoute 60 kWh/m2 pour les usages électriques Puis 1000 kWh par personne pour l’ECS Il nous faut donc 42000 kWh pour l’année

Plus de jardin et un investissement pour l’énergie de 420 000 euros LA SOLUTION! Un panneau photovoltaïque produit 100 kWh d’électricité par m2 en une année Il suffit donc de poser 420 m2 de panneaux photovoltaïques dans le jardin et on a réussi RESULTAT Plus de jardin et un investissement pour l’énergie de 420 000 euros On va donc chercher une autre solution sans attendre le réchauffement climatique … Et si un bâtiment à énergie positive n’était pas un bâtiment qui produisait plus qu’il ne consommait …

Définition d’un concept d’efficacité solaire Maison 1 Maison 2 Un bâtiment BBC devient autonome en chauffage avec une efficacité de 12% en hiver Besoins [kW.h/(m².an)] 18 15 = maison passive

Un optimum entre gain énergétique et coût financier Coûts €/m² hab 400 300 200 100 €/kWh 0,8 0,6 0,4 0,2 Negawatt Bioclim. & solaire thermique Bâtiments producteurs d’énergie Bâtiments consommateurs d’énergie PV solaire … Et si un bâtiment à énergie positive n’était pas un bâtiment qui produisait plus qu’il ne consommait … Gains (kWh ou negaWh) Isolation qques cm Eclairage Isolation = 20cm Solaire thermique Isolation (40cm) PV solaire

Intérêt économique du point de non-chauffage

L’enjeu est de faire augmenter le taux de couverture solaire Aux origines de l’énergétique du bâtiment, les deux concepts ont coexisté : La voie de l’isolation La voie du bioclimatique L’isolation l’a largement emporté Simplicité de conception Sollicitations bien connues Mêmes performances des produits dans toutes les régions, pour toutes les orientations Une exploitation même limitée des ressources couvre l’essentiel des besoins

Des principes simples Des exigences inédites Des outils de calcul puissants et performants Une incontestable évolution Nouveau contexte et nouveaux moyens En hiver un bâtiment isolé reçoit 5 fois plus d’énergie solaire qu’il n’a de besoins En été un logement protégé des apports solaires n’a pas besoin de climatisation Les puits canadiens, micro-cogénérations, rafraîchissements solaires n’ont fait preuve que de leur coût! Le soleil permet de couvrir les besoins pour les bâtiments basse consommation à Marseille

65 cm d’épaisseur d’isolant ça suffit? Trouver la limite 65 cm d’épaisseur d’isolant ça suffit?

Optimiser l’épaisseur d’isolant La capacité thermique spécifique est : 29.2 (W.h/m2.K)

La consommation d’hiver d’un vitrage passe de 350 kWh/m2/an à une valeur négative où il “produit” de l’énergie Comfort Source : DHV-PEP Chiel Boonstra

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les travaux de l’ines Des développements numériques et expérimentaux dans tous les domaines liées à l’énergétique du bâtiment en neuf et en réhabilitation Répondre aux attentes des industriels sur le bâtiment du futur et ses équipements Aller au-delà du concept du BEPOS consistant à consommer en hiver ce qu’on a produit en été Nom événement | Nom Prénom | 26

PV+thermique (préchauffage eau/air) Intégration du PV en toiture Stratégie d’intégration toiture PV+thermique (préchauffage eau/air) PV + séchage

Conception d’une toiture active intégrée : Le concept Conception d’une toiture active intégrée : Couverture/étanchéité Isolation Préchauffage air neuf Ventilation Production Eau Chaude Sanitaire Production Electrique La conception détaillée La démonstration CESI intégré PV + préchauffage air neuf

Boites adiabatiques Façades de test Cellules de Test Composants façades Boites adiabatiques Façades de test

Composants d’enveloppe pour le neuf Matériaux biosourcés : Fibre de bois Béton de granulats végétaux Intégration PV verticale

Développement de composants de façade industrialisés pour la rénovation Boites adiabatiques Façades de test Façade épave Facade rénovée Gradients de températures Facteur de lumière du jour

Bâtiments expérimentaux Béton Banché + ITE Très forte inertie Blocs béton Brique isolée + enduit isolant aérogel Ossature bois – Très faible inertie Préfabrication

Travaux sur la masse thermique et le confort d’été Comparaison mesures/simulation Calage de modèles numériques Modélisation de la tache solaire Modélisation de la constante de temps d’un bâtiment Modélisation et mesure de dérives caniculaires

Modélisation numérique 1/ 𝐻 𝐶𝐸𝑥𝑡 𝑆 𝑀𝑢𝑟 R 𝑆𝑖 / 𝑆 𝑀𝑢𝑟 𝑅 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙 𝜌 𝑀𝑢𝑟 𝐶𝑝 𝑀𝑢𝑟 𝑒 𝑝 𝑆 𝑀𝑢𝑟 𝐓 𝐈𝐧𝐭 𝐓 𝐒𝐢 𝐓 𝐦𝐢 𝐓 𝐒𝐞 𝑃 𝐶ℎ𝑎𝑢𝑓 +𝛾 Φ 𝑟𝑎𝑦 𝑖𝑛𝑡 + 𝑃 𝐼𝑛𝑡 1/ 𝐻 𝑅𝑎𝑑 𝑆 𝑀𝑢𝑟 𝜌 𝐴𝑖𝑟 𝐶𝑝 𝐴𝑖𝑟 𝑉 𝐴𝑖𝑟 𝐓 𝐂𝐢𝐞𝐥 (1−𝛾) Φ 𝑟𝑎𝑦 𝑖𝑛𝑡 𝛼 Φ 𝑟𝑎𝑦 𝑒𝑥𝑡 Ropen Modélisation par analogie électrique CS1 – 52kWh/(m².an) 11cm isolation / BA19 Cloisons BA19/air/BA19 1 Vol/h RA Chauffage intermittent 16/21°C 1 paroi en contact avec l’extérieur BAT31 – 440kWh/(m².an) 20cm béton + BA13 Simple vitrage 5.6 W/(m²K) 1 Vol/h RA Tchauff : 19°C 6 parois en contact avec l’extérieur BAT21 – 20kWh/(m².an) 20cm béton +20cm isolation + BA13 Double vitrage 1.1 W/(m²K) 0.04 Vol/h RA Tchauff : 19°C 6 parois en contact avec l’extérieur MODELINCAS – 25kWh/(m².an) PV :17cm isolation / 5cm béton PH : 40cm isolation PB : 16cm béton / 20cm isolation 0.1 Vol/h RA Tchauff : 19°C 𝐓 𝐄𝐱𝐭 Analyse de signature thermique d’enveloppes

Qualité d’air intérieur & confort thermique Mesures sur mortier photocatalytique + mcp Modélisation de l'âge de l’air Modélisation et mesure de concentration en CO2

Superisolation par l’extérieur octobre 2012 octobre 2012 Simulation thermique sans Parex.IT avec enduit Limitation des ponts thermiques linéiques ᴪ = 0.38W/(m.K) * mars 2012 ᴪ = 0.155W/(m.K) **

Réhabilitation modulaire par l’intérieur Coupe verticale Coupe horizontale

Matériau à changement de phase et isolation sous vide

Confort d’été par ventilation naturelle Conception d’un bâtiment rafraichi par ventilation naturelle dans le cadre de l’antenne Corse de l’INES

Monitoring de l’ambiance

Comportement de l’ambiance Flux positif Flux négatif Béton 180 mm Calcul de gisement de ventilation naturelle Modélisation des flux aérauliques

Développements produits Vitrage PV Volet Roulant Autonome Mur solaire capteur + stockage + ventilation Ventilation mécanique par insufflation

Analyse du comportement d’une ambiance Outils « experts » Outils de synthèse

Stockage intersaisonnier Développement de 2 réacteurs pilotes Principaux résultats Densité énergétique élevée : > 200 kWh/m3 selon les sels utilisés Cyclage : pas de dégradation des performances Objectif de démonstration : 90% couverture solaire besoin de chauffage 80% couverture solaire ECS

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PROPOSITIONS DE STAGES Intégration de superisolant à base d’aérogel dans une plateforme expérimentale Participation à l’expérimentation bilan carbone de la DHUP Développement d’un observatoire de mesures in situ Contact : etienne.wurtz@cea.fr Nom événement | Nom Prénom | 46

Merci pour votre attention