L’enveloppe du bâtiment : De la protection à la production 14ième Rencontres Scientifiques de la Région Centre Demain quel habitat ? Centre de Congrès de Vierzon – mardi 10 avril 2011 Daniel QUENARD CSTB / Enveloppe et Revêtements / Physique des Matériaux daniel.quenard@cstb.fr - 04 76 76 25 46 08/07/2009| CSTB- Dpt Enveloppe & Revêtements | Div. Matériaux

Sommaire Introduction : consommation énergie, émission GES, polluants … Objectifs Grenelle du Bâtiment Enveloppe Protectrice / Convertisseur de Climat Réduction des besoins Enveloppe Collecteur de Ressources : Energie (soleil, vent), Eau … Quelle utilisation de la production ? Vendre et/ou consommer localement Conclusion

1 : Epuisement des ressources Combustion (Chaudières /Moteurs CI) Chiffres 2006 Bâtiments + Transports ~ 70 % Consommation Finale Energie 40 % Bâtiments ~ 70 % Chauffage/ECS Chaudières : fioul-gaz-bois ( + électricité) Uranium Hydraulique 29 % 21 % Transports ~ 50 % VP Moteurs Combustion Interne (98% pétrole) ~ 50 % VP 2/3 1/3

2 : Emission de GES Impacts sur le Climat Transport + Bâtiment : 45 % GES – en hausse

3 : Emissions Polluants Impacts sur la Santé Combustion : : il n’y a pas de feu sans fumée … « La pollution de l’air diminue l’espérance de vie de 9 mois pour chaque Français et l’exposition aux particules fines causerait 40 000 décès chaque année. C’est un enjeu de santé public » Nathalie KOSCIUSKO-MORIZET - décembre 2010 Particules (PM10) : B+T 60 % NOx : B+T 60 % Ile-de-France / Airparif /Estimations 2000 Contribution en % des différents secteurs d’activités aux émissions de polluants Source : Impact sanitaire de la pollution atmosphérique urbaine Estimation de l’impact lié à l’exposition chronique aux particules fines sur l’espérance de vie – AFSSE – 2005 Source : ZAPA – Ministère - AirParif

Consommation d’énergie finale par usage dans le résidentiel Augmentation régulière de l’ES (électroménager/multimédia) RT2000 Décroissance du Chauffage, malgré le nb croissant de logements ES Notes : * électricité nécessaire pour les services qui ne peuvent être rendus que par l’usage de l'énergie électrique, tels que l'éclairage et l'électroménager. Elle ne prend pas en compte l'eau chaude, le chauffage et la cuisson, qui peuvent utiliser différents types d'énergie ; ** corrigé des variations climatiques, c'est-à-dire calculé en tenant compte d'un indice de rigueur climatique, permettant d'obtenir la consommation correspondant à des conditions climatiques "normales". Source : Ceren.

Les objectifs du Grenelle Bâtiment Objectifs pour le neuf 2012 Bâtiments Basse Consommation < 50 kWh/m².an – (BBC) 2020 Bâtiments à Energie Positive (BEPos) Objectifs pour l’existant 2008 240 kWh/m².an) 2012 -12% (210 kWh/m².an) 2020 -38% (150 kWh/m².an ) 2050 -70 à -80% (50 à 80 kWh/m².an) Rénovation de 400 000 logements par an dès 2013 (classe F, G) BEPos SOURCE : Biennale de l’habitat durable Grenoble - 2 juin 2008 - de la RT 2005 au BEPOS – JC Visier, JL Chevalier - CSTB

Dépenses énergétiques des ménages 2006 2006 : 8,4 % budget 4,8 % énergie du logement 3,6 % carburant automobile. LOGEMENT Chauffage Eau Chaude Sanitaire Cuisson Equipement électrique DEPLACEMENT Carburant pour les véhicules. Logement : surface d’habitation et source d’énergie utilisée pour le chauffage. L’éloignement des villes-centres est, quant à lui, le facteur clé en terme de dépenses en carburant. Source : http://www.lefigaro.fr/conso/2010/10/12/05007-20101012ARTFIG00753-energie-les-francais-depensent-2300euros-par-an.php

Depuis le premier choc pétrolier des progrès massifs ont été réalisés sur le chauffage FRANCE 5 usages RT Chauffage Ventilation Climatisation ECS Eclairage/Aux. CVC  ECS  ECL CVC  20 millions de logements avant 1975 Ordres de grandeur des consommations d’énergie pour un logement

Les Bâtiments Economes : Les principaux labels en Europe Des périmètres différents (CVC, ECS, ECL …) Des méthodes de calcul différentes (Shon …) Des règles de conversions différentes Allemagne Maison Passive CVC : Chauffage Ventilation Climatisation ECS : Eau Chaude Sanitaire ECL : Eclairage EM : Electroménager - MM : MultiMedia C < 120 kWh/m².an CVC ECS ECL EM MM France Danemark Basse Energie Classe 1 Suisse C < 50 kWh/m².an CVC ECS ECL C < 35+1100/A kWh/m².an CVC ECS C < 38 kWh/m².an CVC ECS < 15 kWh/m².an Chauffage & 2,5 2 2,58 2,70 2,70 R=Cep/C Energie Finale Ratio : énergie primaire//énergie finale pour l’électricité Energie Primaire Source : Présentation Effinergie « Enjeux et référentiel », March 2007, and EuroACE.

Développer la « trésorerie énergétique» Le triptyque énergétique Réduction des consommations Réduire les « dépenses » Augmenter les « revenus » Développer la « trésorerie énergétique» (stockage) Energies Renouvelables Energies Fossiles Limiter le recours au « stock fossile»

Les grands principes Isolation Thermique & Inertie Le Climat Zones Froide, Zone Méditerranéenne … Compacité Réduire les surfaces « déperditives » Etanchéité à l’air Fenêtres – Réseau électricité Isolation Thermique & Inertie Toiture – Murs –Fenêtres Intégration des EnR + Efficacité Energétique EnF Apports Solaires/Protection Solaire CESI « hybride »

Les grands principes Ventilation – Eclairage Sans oublier le confort des occupants … Qualité de l’air – Lumière Ventilation – Eclairage

Le Climat

Nord/Est LE CLIMAT Sud/Est Source : EFFINERGIE

La compacité

LA COMPACITE Volume Int./Surface Ext. … mais production PV toiture x2 ! Intérêt de la Mitoyenneté Déperditions Apports solaires Source : EFFINERGIE

Etanchéité à l’air « Tunnels Thermiques » & Ponts Thermiques

Etanchéité à l’air Ponts & Tunnels Thermiques Source : CETE Lyon

Les « tunnels thermiques » Surface Equivalente des « trous »  70 % des fuites Source : CETE Ouest

Impact de l'étanchéité à l'air sur le besoin total de chauffage d'un bâtiment de 110 m2 type BBC Environ 4 kWh/m² pour 1 vol/h sous 50 Pa I4 Source : CETE Lyon - RAEE

Les ponts thermiques Source : EFFINERGIE

Le contrôle de l’étanchéité et des ponts thermiques Source : Le Moniteur – Club Construire Durable

Isolation Thermique

Pourquoi isoler ? Exemple des Maisons Existantes: Toiture / Murs / Vitres 68 % des déperditions

Résistance Thermique R RT 2005 RT 2012 30-40 cm 15-20 cm 12-16 cm 15–20 cm Résistance Thermique R Source : EFFINERGIE

Quel isolant ? Matériaux Fibreux … des produits sous Avis Technique Laine de Verre Laine de Roche … des produits sous Avis Technique

Quel isolant ? Mousses Cellulaires PU PSE d ~ 100 µm Particules Opacifiantes Graphite PU PSE

Panneaux Isolants sous Vide PIV = 0.040 W/mK = 0.032 W/mK l = 0.010 W/mK Source : IEA-HIPTI-Annexe 39

Isolation Thermique par l’Intérieur Panneaux Isolants sous Vide 40 mm  160 mm Source : ISOVER - Vacupad

Isolants Nano-Structurés Aérogel dans un mat fibreux l = 0.019 W/mK Source : Rockwool

ITE : Isolation Thermique par L’Extérieur Modes de Fixation Source : Le Moniteur – Club Construire Durable

ITE : Isolation Thermique par L’Extérieur Solutions Sèches Source : Le Moniteur – Club Construire Durable

L’isolation coûte et rapporte Le coût de l’isolation suivant la nature des travaux varie de 5€ à 100 €, mais l’isolation permet de gagner sur sa facture énergétique de 3 € à 12 € par an et par m² de surface isolée Production d’un m3 de mousse de polyuréthane rigide pour isoler, - 70 litres de pétrole brut. En l’espace de 50 ans, ce m3 permettra d’économiser près de - 5.500 litres de fuel. Dans le même temps, ce sont 19.000 kg de CO2 et autres substances avec impact sur le climat, qui ne seront pas rejetés dans l’atmosphère.

Fenêtres Vitrages – Protections Solaires

Fenêtre Premier capteur solaire installé Apports solaires (lumière, chaleur) Renouvellement d’Air Isolation Acoustique AEV : étanchéité Air, Eau, résistance au Vent Extérieur Intérieur Source : EFFINERGIE

pertes Apports solaires Pertes nettes simple Bilan énergétique annuel Facteur Solaire pertes Apports solaires Pertes nettes Bilan énergétique annuel Source : DHV-PEP Chiel Boonstra

Ventilation Nocturne Source : EFFINERGIE

Vitrages Electrochromes Vitrage Electrochrome Facteur Solaire Transmission Lumineuse Source : Velux USA - Sage Source : VELUX USA

Fenêtres « éclairantes » Prototype lampe OLED Recyclage des matériaux « complexes » ? Source : Osram

Un exemple pour la rénovation RAPPEL : … 20 millions de logements avant la première RT - 1975 Source : L'Efficacité énergétique des bâtiments en Allemagne. Dossier d’information du Service pour la Science et la Technologie de l’Ambassade de France en Allemagne – Avril 2007 - ADIT

- ventilation, inertie … Confort d’été : - protection solaire - ventilation, inertie … Source : L'Efficacité énergétique des bâtiments en Allemagne. Dossier d’information du Service pour la Science et la Technologie de l’Ambassade de France en Allemagne – Avril 2007 - ADIT

Production Intégrée à l’Enveloppe

Une production locale qui pourrait se généraliser Ordres de grandeur des consommations et productions locales d’énergie pour un logement

Architecture Bioclimatique Nuit/Lune/Nord Confort d’été Ventilation Nocturne Jour/Soleil/Sud Apports Solaires

Production locale / surface disponible Occupation / Utilisation des sols Surface France : 543 965 km² 1,5 % Sols Bâtis 8142 km² 9,4 % Zones Artificialisées 51 447 km² Consommation électrique française : 550 TWh/an - Energie solaire reçue par un carré de notre sol d'environ 25 km sur 25 km - PV : 10 % rendement - 5000 km² 5000 km² :  60 % Sols Bâtis  10 % Zones Artificialisées Source ; http://www.stats.environnement.developpement-durable.gouv.fr/acces-thematique/territoire/occupation-des-sols-et-paysages/indicateurs-cle-occupation-des-sols.html Europe : Surface au sol des bâtiments  22 000 km² (carré de 150 km de coté). 40% des toitures et 15 % des façades sont adaptées pour l’installation de panneaux PV, avec un rendement : 15%, Production Potentielle : 1400 TWh = 40% consommation d’électricité en Europe Source : European Photovoltaic Industry Association (EPIA),   

Taux de solarisation des toitures d’immeubles pour « zéro énergie fossile Habitat et déplacement dans les aires urbaines Impacts énergétiques et environnementaux de la croissance périurbaine Charles Raux Jean-Pierre Traisnel

Potentiel Énergétique des Toitures 210 bâtiments à Zurich Un millier à Fribourg GE SmartHouse Surface de toit potentiellement utilisable pour le solaire thermique : 32,1 m² / 100 m² pour le canton de Fribourg 31,6 m² / 100 m² pour la ville de Zurich. Surfaces de captage d'orientation optimale (orientée au sud et inclinaison moyenne). 11,7 m² pour 100 m² de surface habitable chauffée - Fribourg 4,8 m² pour 100 m² de surface habitable chauffée - Ville de Zurich. Explications : Nombre d'étages plus importants à Zurich Plus de toits orientés de manière optimale pour le canton de Fribourg Bâtiments Basse Consommation (Minergie) + 100 l de stockage par m² de capteur solaire 70 % des besoins (Chauffage, ECS et air ambiant) sont alors couverts pour : - 50 % des bâtiments d'habitation du canton de Fribourg - 12,5 % de ceux situés à Zurich Un « potentiel solaire thermique » nettement plus élevé à la campagne qu'en ville Densification ? Source : Le Moniteur - 2011

Quelques exemples

… des maisons sans chauffage traditionnel Goteborg/Lindas Source : Client: Egnahemsbolaget Architecte: EFEM arkitektkontor, Göteborg

…des maisons qui produisent de l’Energie Toiture PV PAC Maison ZEN Source : Cythelia - France Maison Hybrid Z Source : Misawa Home - Japon

Habitat Energie Positive + Systèmes Hybrides EnR/EnF … une maison à Energie Positive Thening - Autriche PV Solaire Th. Habitat Energie Positive = Habitat « Passif » + Systèmes Hybrides EnR/EnF Source : IEA – SCH Task 28 / ECBCS Annex 38: Sustainable Solar Housing

Passive / Energie Zéro / Energie positive Maisons Passive / Energie Zéro / Energie positive Projet Ville Pays Mur U W/m².K Toiture Fenêtre PV kW Sol. Th m² 20 Maisons jumelées Göteborg Suède 0,10 0,08 0,80 5 ECS Hybrid-Z Kanagawa Japon 0,38 0,48 2,55 11,3 PAC Plus Energy House Thening Autriche 0,11 0,79 10,4 17 façade Maison Energie Positive = Maison Passive/BBC + Toiture PV

Que faire de la production ? Vendre en injecter sur le réseau Consommer localement la production locale (exemple du CESI pour l’ECS)

Des Bâtiments Economes & Producteurs d’Energie … des usagers « énergivores » RT 2020 BEPOS Manque l’Energie Grise des Equipements Electrodomestiques et de la Mobilité

Evolution de la consommation d’électricité Eclairage/Electroménager/Multimédia Source : ENERTECH Olivier SIDLER

Chauffe-eau Solaire Individuel Véhicule Electrique Solaire Individuel CESI et VESI 15-20 m² 3-5 m² Production Électrochimique H2PAC Stockage 14-20 kWh 300 - 500 l Consommation 2300 kWh/an 2000 kWh/an* CESI Chauffe-eau Solaire Individuel VESI Véhicule Electrique Solaire Individuel *Pour un VE avec une consommation de 150Wh/km parcourant 13000 km/an

Basse Consommation/Production Locale/Stockage « Smart House » Basse Consommation/Production Locale/Stockage 2 1 3a 3b Source : The Fast Company

L’ECO-HOUSE selon SHARP

Conclusion Les leviers : - Réduire les consommations (logement/déplacement) - Augmenter les productions locales - Gérer les intermittences (stockage) - Développer la mutualisation / les échanges Trouver la bonne échelle : Matériaux / Equipements / Bâtiments / Quartiers / Ville / Territoire Approche Système / Holistique / Globale Approche Intégrée : de la conception à l’utilisateur (confort) …

Passage des Energies de stocks à des Energies de flux Consommation annuelle mondiale Pétrole Energies de stocks Disponibles … mais qui s’épuisent (Centrales/Chaudières/MCI …) Gaz Uranium Ressources énergétiques totales Charbon Eolienne Hydraulique solaire Energies de flux dispersés & intermittents Convertisseurs/Stockage SURFACE Energie annuelle Photosynthèse

Limiter le recours à la combustion … favoriser la transformation Ponts Thermiques 5% Apports Internes Simple flux Air Neuf Air vicié Perte : 20 % Perte de chaleur par l'enveloppe Toiture : 30 % Murs : 25 % Vitrages : 13 % TOTAL : 68 % Apports Solaires Volets Fenêtres-Vitrages Isolation Faible Inexistante Inertie Sol : 7 %

Limiter le recours à la combustion … favoriser la transformation ? Perte de chaleur par l'enveloppe - moins 70 % Apports Internes Air Neuf Air vicié Inertie Apports Solaires Protections Solaires Volets Doubles voire Triples Vitrages Isolation Renforcée Masques Capteurs Double-Flux – h = 75 % Pré-chauffage Pré-rafraichissement

MERCI pour votre attention Courbe de la puissance mondiale de combustion des carburants fossiles Source : Revue 3EI n°36 mars 2004 SITUATION ÉNERGÉTIQUE MONDIALE À L’AUBE DU 3ème MILLÉNAIRE. PERSPECTIVES OFFERTES PAR LES RESSOURCES RENOUVELABLES. Bernard MULTON, Gael ROBIN, Marie RUELLAN, Hamid BEN AHMED Antenne de Bretagne de l'École Normale Supérieure de Cachan – SATIE (UMR CNRS 8029) - Campus de Ker Lann - 35170 BRUZ SOURCE : « métaphore de l’allumette », P. CREOLA, « Space and the Fate of Humanity », Symp. Space of service to Humanity, 5-7 feb. 96, Strasbourg., pp.3-14

Ménages : consommation & émissions de CO2 France : 65 Millions d’habitants T+L : 66 % T+L : 39% 33 Millions de Logements 28 Millions Résidences Principales 16 Millions Maisons Individuelles 31 Millions Véhicules Particuliers Source : INSEE – Tableau de l’Economie Française - juin 2010