D’après les productions du lycée Raoul Follereau de Belfort MM. Pascal Morlong (SI) et Triponey (SPC) Thème sociétal Les économies d’énergie dans l’habitat dans une démarche de développement durable 1

Problématique   Comment prévoir le plus finement possible la consommation énergétique d’un pavillon à usage d’habitation ? Les futurs propriétaires de maisons individuelles veulent connaître avec le plus de précision possible les dépenses énergétiques de leurs logements. 2

Objectifs : La découverte du contexte, les paramètres caractéristiques, l’analyse des prescriptions réglementaires (RT 2012), Les notions de flux, les déperditions, les solutions techniques, L’analyse des relevés d’un bâtiment existant, la simulation par deux types de logiciels, La mesure de l’écart performances simulées / performances mesurées, La mesure de l’écart performances mesurées / performances attendues, La mesure de l’écart performances simulées / performances attendues, L’analyse et l’interprétation de ces écarts. Situation dans le cycle de formation : Deuxième partie de l’année en classe de première ou première partie de l’année en classe de terminale. 3

Les connaissances et capacités visées A2 : mettre en relation les propriétés du matériau avec les performances du système B1 : identifier les propriétés des matériaux des composants qui influent sur le système B4 : proposer des modifications structurelles pour améliorer les performances du système A3 : quantifier des écarts et proposer des causes aux écart constatés C2 : Analyser les résultats expérimentaux B1 : identifier les pertes d’énergie D1 : optimiser les paramètres en vue de répondre au problème posé B1 : décrire les lois d’évolution des grandeurs B4 : modifier les paramètres d’un modèle 4

Organisation temporelle de la séquence Titre 2 Semaine 1 L M J V S D Texte calibri 18 TD (2h) Cours (2h) Semaine 2 L M J V S D TP (2h) Synthèse (2h) Évaluation (2h) Lancement mini projet 5

Les caractéristiques du bâtiment sont connues. Le système choisi Une maison d’habitation individuelle labellisée BBC-Effinergie dont nous possédons : les plans, la composition et les caractéristiques des murs extérieurs et intérieurs, la composition et les caractéristiques du plancher bas, du plancher haut, les caractéristiques de la porte d’entrée, de la porte sur garage, la surface et le type de menuiseries extérieures utilisées. Les combles ne sont pas aménagés. Nous pouvons observer sur le toit les panneaux solaires pour l’ECS. Les caractéristiques du bâtiment sont connues. Le scénario de vie du bâtiment est connu. 6

Le système souhaité est le logement répondant à la norme BBC c’est à dire ayant une consommation énergétique de l’ordre de 50 kWhep/m2.an plage comprise entre 40 et 60 kWhep/m².an Le système réel est le logement dont on a relevé les consommations sur une période longue (ici 2 ans). Le système simulé est le logement modélisé sur lequel on applique un logiciel réglementaire ou un logiciel dynamique. 7

Indications quantifiées dans la RT2012 Besoin Connaître la consommation énergétique annuelle de la maison en kWhep/m².an Indications quantifiées dans la RT2012 Exigence maximale de consommation d'énergie primaire à 50 kWhep/m².an en moyenne (avec une variation de 40 à 60 selon la zone géographique). Cinq usages pris en compte : le chauffage, la production d'eau chaude sanitaire, le refroidissement, l’éclairage, auxiliaires (ventilateurs, pompes). La RT2012 fixe à 1/6 de la surface habitable la surface minimum de parois vitrées (16%). Grandeurs mesurables Les consommations électriques, les consommations de gaz. Grandeurs simulées Maquette numérique des plans de l’habitation, la composition des murs, des sols, et des plafonds, des baies vitrées, l'installation de chauffage, l’orientation du bâtiment, les déperditions du bâtiment , l’estimation de la consommation énergétique annuelle ainsi que le coût correspondant. 8

Phase de lancement C TP S E MP TD 2h Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 Les chiffres clés de la consommation du bâtiment et de l’émission de CO2, Les déperditions à travers l’enveloppe du bâtiment, Les apports d’énergie dans le bâtiment. 9

Les exigences réglementaires : - BBIO : Besoins Bio climatiques Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 C TP S E MP TD 2h Phase de lancement Les objectifs de la RT2012 Les exigences réglementaires : - BBIO : Besoins Bio climatiques CEP : Consommation en Energie Primaire TIC : Température Intérieure de Confort. Les contrôles, les mesures. Vidéo (14 mn) Les objectifs de la RT2012, Les exigences réglementaires de la RT2012 : BBIO CEP TIC. Les contrôles – les mesures, Réinvestissement Analyse du besoin de la réglementation thermique 2012 Dates d’application. Tic : Exigence de confort en été. Bbiomax : limite du besoin cumulé en énergie pour les composantes dépendant de la conception du bâti (chauffage, refroidissement, éclairage naturel). Cepmax : consommations énergétiques en énergie primaire. 10

Vidéo collective : bien isoler sa maison Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD TP S E MP Cours 2 h Vidéo collective : bien isoler sa maison - La répartition des déperditions thermiques. - Les différents types d’isolants. Comment agit un isolant ? Les paramètres dépendant de la résistance thermique R. La valeur optimale de R. - Des recommandations.

Réinvestissement - Analogies Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD TP S E MP Cours 2 h Réinvestissement - Analogies Thermique Electrique Mécanique Hydraulique La chaleur Courant d’entropie Intensité électrique i Ampère(A) Force Newton (N) Débit Q m3/s Résistance thermique R m².K/W Résistance électrique R Ohm (Ω) Coefficient de frottement l Perte de charge de la canalisation Température Kelvin (K) Potentiel Volts (V) Vitesse v(m.s-1) Pression (altitude) Pascal (Pa) Différence de température DT = RF Loi d’Ohm U=RI Force de frottement F = l v Puissance thermique Flux de chaleur F Watt (W) Puissance électrique P=U I Watt (W) Puissance mécanique P=C W ou P=F V Watt (W) Puissance hydraulique P=Q*ΔP Watt (W) 12

La résistance thermique Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD TP S E MP Cours 2 h La résistance thermique 13

Le flux de chaleur TD TP S E MP Cours 2 h Semaine 1 L M J V S D

Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD TP S E MP Cours 2 h Exercice : Comparaison des déperditions pour un mur isolé et non isolé de 10 m² avec DT=15°K Φ = 43,8W Φ = 600W

Expérience collective Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD TP S E MP Cours 2 h Expérience collective Tests de différents matériaux et solutions techniques d’isolation

Groupe 1/3 TD C S E MP TP 2h Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 L’objectif de cette activité expérimentale est la mesure de l’écart entre les performances simulées et les performances attendues par la réglementation thermique. Le logiciel de simulation affiche une consommation énergie primaire de 67 kWhep/m²/an, valeur supérieure aux exigences de la RT2012. Le travail de l’élève est d’analyser les influences de la modification de la surface des baies vitrées, de l’orientation de la maison et la modification de l’épaisseur de l’isolation dans le but d’améliorer le Cep. La RT2012 fixe à 1/6 de la surface habitable la surface minimum de parois vitrées (16%). Dès que la surface vitrée augmente, le logiciel de simulation affiche des gains au niveau de la consommation énergétique significatifs. Lorsque le couple orientation/performances des baies est optimisé, les gains générés sont encore plus élevés. Les besoins en éclairage artificiel sont alors réduits, le bâtiment résidentiel est lumineux, donc confortable et agréable à vivre. 17

Influence de l’orientation et de la surface des baies vitrées Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 1/3 Influence de l’orientation et de la surface des baies vitrées Orientation des baies % de Surface habitable de parois vitrées 25% Nord 25% Sud 25% Est 25% Ouest 40% Sud 20% Nord 20% Est 20% Ouest 50% Nord 50% Sud 65% Sud 35% Nord 12% 78.08 76.46 77.07 74.94 16% 75.65 73.85 74.42 72.02 25% 72.06 69.42 69.83 66.54 Dès que la surface vitrée augmente, les gains obtenus au niveau de la consommation énergétique sont significatifs. Lorsque le couple orientation/performances des baies est optimisé les gains générés sont encore plus élevés. Les besoins en éclairage artificiel sont alors réduits. De plus, le cout du m² de baie diminue également car son prix est principalement du à une base fixe, la part variable qui augmente avec la taille de la baie étant moins influente. unité : kWhep/m2.an 18

L’isolation de la maison simulée est performante. Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 1/3 Influence de l’épaisseur de l’isolant des murs extérieurs et du plancher haut. L’isolation de la maison simulée est performante. Une sur isolation est inutile. L’épaisseur d’isolation du plancher haut est déjà importante dans cette maison, ce qui aura pour effet de diminuer fortement les déperditions thermiques en hiver et d’apporter un meilleur confort thermique d’été. Une sur isolation n’est donc pas utile. De plus, il faut veiller à une bonne ventilation des combles, ce qu’une sur isolation pourrai limiter. 19

Groupe 1/3 Bilan de l’étude Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 1/3 Bilan de l’étude Pour optimiser la consommation énergétique d’un bâtiment, il faut : Ouvrir la maison coté sud (baies vitrées) et la fermer côté nord, Avoir une surface de baies vitrées la plus grande possible (éclairage artificiel limité, apports gratuits d’énergie solaire, maison lumineuse et agréable à vivre), Ne pas sur isoler les murs et les combles.

Groupe 2/3 TD C S E MP TP 2h Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 L’objectif est de caractériser l’écart entre la consommation énergétique mesurée et la consommation énergétique simulée 21

Deux logiciels de simulation utilisés Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 2/3 Deux logiciels de simulation utilisés Nous utiliserons deux logiciels de simulations, Archimist qui est un logiciel d’optimisation énergétique, et une feuille de calcul réalisée par un thermicien. Le problème technique est de montrer l’influence des multiples hypothèses faites lors des simulations thermiques. Ces approximations nous rapprochent-elles de la consommation réelle ? 51 kWhep/m².an 67 kWhep/m².an 22

56 kWhep/m².an Groupe 2/3 TD C S E MP Mesures réelles TP 2h Semaine 1 J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 2/3 Mesures réelles : consommation de gaz, : consommation d’électricité. Les élèves travaillent ensuite sur les mesures réelles, ils tiennent compte du rendement du chauffe eau solaire en hiver et en été et retirent les consommations de l’électroménager (four, table de cuisson, télévision, ordinateur). Ils obtiennent une Cep de 56 kWhep/m².an. 56 kWhep/m².an 23

Groupe 2/3 Bilan de l’étude Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 2/3 Bilan de l’étude Justification des écarts simulation / mesures : Trop de paramètres, pas tous maîtrisables, entrent en jeu : l’impact des données climatiques variables d’une année sur l’autre, l’impact du débit exact d’air , l’impact des apports de chaleur dus à l’électroménager, l’impact des réglages et pilotages des installations. Impact des données climatique : si le logiciel de simulation utilise un fichier météo établi à partir de valeurs mesurées, il existe souvent un écart avec les valeurs sur site. En ville la température est plus élevée qu’en campagne, les stations météo sont en campagne. Impact du débit exact d’air. On peut faire varier ce débit de façon très importante en ouvrant ou en fermant la fenêtre. La maison peut présenter des défauts de ventilation. La perméabilité de l’enveloppe peut être surestimée. Impact des apports de chaleur dus à l’électroménager, à l’éclairage, à la vapeur d’eau de la respiration et de la transpiration, aux cheminements des apports d’eau ou d’air. Une baignoire, un évier rempli d’eau chaude libère de la chaleur… Impact du comportement des usagers : Une augmentation de la température de consigne de chauffage par degré supplémentaire est de 12% à 15%. Impact des réglages et pilotage : La maintenance de la chaudière et de la ventilation double flux doit se faire périodiquement pour garder des systèmes performants. Ainsi la consommation de chauffage est issue de calculs dont certains ne sont que des approximations. Elle ne présente pas les niveaux réels de consommation mais permet de dégager des tendances principales. 24

Groupe 3/3 TD C S E MP TP 2h Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 Le but de cette activité est de caractériser les écarts entre les performances mesurées et les performances attendues par la réglementation thermique. 25

Groupe 3/3 Mesures réelles Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 3/3 Mesures réelles : consommation de gaz, : consommation d’électricité. Le problème technique est de montrer que l’on peut mesurer à partir des relevés des indices des compteurs de gaz et d’électricité, la consommation énergétique de la maison individuelle sur une année. Pour pouvoir obtenir une valeur fiable, les élèves doivent tenir compte du rendement du chauffe eau solaire en hiver et en été. Ils doivent en plus retirer les consommations de l’électroménager (four, table de cuisson, télévision, ordinateur) car elles ne sont pas prises en compte dans les 50 kWhep/m².an. A la fin de la séance, les élèves justifient la labellisation BBC-Effinergie. 26

Consommation de 56 kWhep/m².an conforme à la RT 2012. Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 TD C S E MP TP 2h Groupe 3/3 Bilan de l’étude Consommation de 56 kWhep/m².an conforme à la RT 2012. Pour affiner la mesure, il faudrait instrumenter les prises électriques, Une maison neuve consomme toujours plus d’énergie. A partir des mesures relevées sur les compteurs de gaz et d’électricité, nous pouvons affirmer que la cette maison consomme plus de 50 kWhep/m².an. En prenant en compte la modulation de cette valeur moyenne en fonction de la localisation géographique (zone H1), de l’altitude et de la surface, cette maison rentre dans les conditions du label BBC2005 et Effinergie. Elle respecte donc les exigences de la RT2012 concernant le Cep. Pour affiner le résultat de la mesure de la consommation énergétique, il faudrait mesurer les consommations de l’électroménager en instrumentant les prises électriques. Une maison neuve consomme toujours plus d’énergie : « elle doit sécher ». A conditions climatiques équivalentes, les consommations dans les années suivantes devraient donc baisser. Le comportement des usagers influe sur la consommation. Ainsi une augmentation de la température de consigne de chauffage par degré supplémentaire est de 12% à 15%. La maintenance de la chaudière et de la ventilation double flux doit se faire périodiquement pour garder des systèmes performants. 27

Phase de restitution - Synthèse Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 L M J V S D Phase de restitution - Synthèse TD C TP E MP Synt. 2h Les élèves, à tour de rôle, présentent leurs résultats (souhaités, relevés, simulés), justifient les écarts et valident les modèles de simulation. Les logiciels de simulation ne peuvent pas prévoir la consommation de chauffage de façon exacte. Trop de paramètres non maitrisables entrent en jeu. La simulation thermique ne présente pas les niveaux réels de consommation mais permet de dégager des tendances principales. 28

calculer des déperditions, Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 L M J V S D Evaluation TD C TP S MP Eval 2h Les élèves disposent d’un rapport d’une campagne de mesures sur un bâtiment de 7 étages, des résultats d’une simulation dynamique et des exigences de la RT2012. Le travail consiste à : justifier les écarts, calculer des déperditions, - proposer des modifications à apporter pour diminuer la consommation énergétique de ce bâtiment. Le rapport d’une campagne de mesures réalisée sur un bâtiment de sept étages est fourni, Les résultats de la simulation dynamique sont donnés, Les exigences de la RT2012 sur les logements collectifs sont fournies. Les élèves : - expliquent les écarts, - calculent les déperditions d’une paroi, d’une fenêtre, d’une paroi composée, - proposent des modifications à apporter pour diminuer la consommation énergétique du bâtiment. 29

Lancement d’un mini projet Semaine 1 L M J V S D Semaine 2 L M J V S D Lancement d’un mini projet TD C TP S E Mini projet Les élèves, en groupes, sont les thermiciens d’un BE. A partir des éléments d’un bâtiment existant (construction 1990), ils quantifient les gains énergétiques réalisés: en améliorant l’isolation, en remplaçant les menuiseries extérieures, la chaudière… en augmentant les apports solaires. Ce mini-projet a pour objectif de développer les compétences mises en œuvre lors de la séquence et de mobiliser les connaissances et capacités associées. Dans cette étude de cas, l’élève joue le rôle d’un thermicien répondant à la demande de son chef de projet qui désire améliorer la consommation énergétique d’une maison construite en 1990. A l’aide des plans de la maison, des caractéristiques des murs, de l’isolation des combles, des caractéristiques des fenêtres, les élèves : - simulent la consommation énergétique de la maison, - calculent la consommation énergétique sur une année à partir des factures fournies par le propriétaire, - calculent les déperditions des parois, - analysent les causes des écarts entre la simulation et les valeurs réelles, - quantifient les gains énergétiques réalisés en renforçant l’isolation, en remplaçant les menuiseries extérieures, la chaudière, en ajoutant un apport solaire. 30

Conclusion de l’activité : les acquis des élèves Caractéristiques des grandeurs physiques Matériaux Matériaux ANALYSER MODÉLISER Notion de pertes d’énergie Analyser le besoin Analyser le système Caractériser des écarts Analyser le besoin Analyser le système Caractériser des écarts Analyser le besoin Analyser le système Caractériser des écarts Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simuler Valider un modèle Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simuler Valider un modèle Identifier et caractériser les grandeurs agissant sur un système Proposer ou justifier un modèle Résoudre et simuler Valider un modèle Sélection, tri et classement de données SYSTÈME Analyse des écarts Structures Grandeurs influentes d’un modèle Justifier le choix d’un protocole expérimental Mettre en œuvre un protocole expérimental Justifier le choix d’un protocole expérimental Mettre en œuvre un protocole expérimental Rechercher et traiter des informations Mettre en œuvre une communication Rechercher et traiter des informations Mettre en œuvre une communication COMMUNIQUER EXPÉRIMENTER Modèles de comportement 31 31