Confortables & Innovantes Enveloppes Confortables & Innovantes Humidité/Thermique/Optique Economie d’Energie / Santé CSTB – lundi 3 octobre 2011 DER/CPM D. Quenard – C. Pompéo - H. Sallée – F. Olive – M. Cosnier – G. Garnier A.M. Pardo – F.D. Menneteau – M. Marion – L. Gounon M.L. Eliard 27/09/2011| DER/CPM |

Enveloppe … une définition L’enveloppe du bâtiment est une interface qui protège contre les intrusions, les intempéries, le chaud, le froid, l'éblouissement. L'enveloppe "surface" devient, à l'extérieur, un "collecteur de ressources" comme l’air, l’eau, l'énergie ou la lumière. A l'intérieur, elle est un "diffuseur de bien être » qui assure confort à ses occupants : température idéale en toutes saisons, air sain, lumière diffuse et agréable, silence...

Confort & Parois Non-isolée Isolée DPE- ADEME

Enveloppe et objectifs du Grenelle Réduction de moitié du chauffage ES Source : Ceren.

L’isolation thermique … la solution la plus efficace Réduire la consommation énergétique et les émissions de CO2 L’isolation thermique … la solution la plus efficace Source : http://www.epa.gov/oar/caaac/coaltech/2007_05_mckinsey.pdf

Chauffage / Combustion Emissions Polluants / Santé « 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 ations 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

Apports Solaires : lumière - chaleur VITRAGE simple U W/m².K Tp Surface FS Pertes Apports solaires Pertes Nettes Bilan énergétique annuel Source : DHV-PEP Chiel Boonstra

Le défi de la rénovation 210 million bâtiments en Europe Environ 53 milliard de m² (résidentiel / tertiaire) Résidentiel 60% 40 % Tertiaire The table above seeks to establish a baseline for the quantum of buildings in the European Union. The division into subsections of building types follows a generally accepted sub-division of the building stock and it is further broken down to reflect construction before the first major oil crisis in 1973 as the buildings built before that time were built in an era where there was little or no consciousness of the need to design for energy efficient performance. The construction sector is one of the most important industrial and economic sectors in the European Union. Its annual turnover was estimated at €1.2 trillion in 2009, providing 7.1% of all employment and 29% of industrial employment in the European Union. Furthermore, investment in construction represented over 51% of all fixed capital investments in that year. The sector therefore plays an essential role in renewed economic growth for the European Union. Policy measures should help to foster growth in this key industry whilst reducing the sectors environmental footprint and helping to improve energy security. Technological advances and new construction methods and techniques mean that in the very near future all new buildings in Europe can (and in the view of the E2APT should) be nearly zero energy buildings that demand very little, or no, primary energy input in order to make them habitable and very comfortable. The estimated rate of new buildings per year in the European Union is slightly more than 1%, meaning that about 2.1 million new buildings are built each year. It is suggested that there is no need for the upcoming Energy Efficiency Strategy, or any other new policy instruments, to target these new buildings specifically, asthe recast of the Energy Performance of Buildings Directive (2010/31/EU) already addresses this need. However, there is a strong need to ensure that the recast is effectively and rapidly implemented in all Member States and that compliance with its requirements is assured. The Importance of Buildings to European Objectives It is widely acknowledged that the use of buildings is the largest consumer of energy and the largest contributor to greenhouse gas emissions in the European Union. In fact buildings are responsible for about 40%2 of energy consumption and about 36% of all greenhouse gas emissions. As a result buildings have a significant impact on the environment and on climate change. It is estimated that there are about 210 million buildings in the European Union providing approximately 53 billion square metres of usable indoor space for our activities. These buildings are divided into the following types 3: Construction neuve : environ 1 % Source : E2APT-RICS-ACE

Isolation – Inertie Assistée The table above seeks to establish a baseline for the quantum of buildings in the European Union. The division into subsections of building types follows a generally accepted sub-division of the building stock and it is further broken down to reflect construction before the first major oil crisis in 1973 as the buildings built before that time were built in an era where there was little or no consciousness of the need to design for energy efficient performance. The construction sector is one of the most important industrial and economic sectors in the European Union. Its annual turnover was estimated at €1.2 trillion in 2009, providing 7.1% of all employment and 29% of industrial employment in the European Union. Furthermore, investment in construction represented over 51% of all fixed capital investments in that year. The sector therefore plays an essential role in renewed economic growth for the European Union. Policy measures should help to foster growth in this key industry whilst reducing the sectors environmental footprint and helping to improve energy security. Technological advances and new construction methods and techniques mean that in the very near future all new buildings in Europe can (and in the view of the E2APT should) be nearly zero energy buildings that demand very little, or no, primary energy input in order to make them habitable and very comfortable. The estimated rate of new buildings per year in the European Union is slightly more than 1%, meaning that about 2.1 million new buildings are built each year. It is suggested that there is no need for the upcoming Energy Efficiency Strategy, or any other new policy instruments, to target these new buildings specifically, asthe recast of the Energy Performance of Buildings Directive (2010/31/EU) already addresses this need. However, there is a strong need to ensure that the recast is effectively and rapidly implemented in all Member States and that compliance with its requirements is assured. The Importance of Buildings to European Objectives It is widely acknowledged that the use of buildings is the largest consumer of energy and the largest contributor to greenhouse gas emissions in the European Union. In fact buildings are responsible for about 40%2 of energy consumption and about 36% of all greenhouse gas emissions. As a result buildings have a significant impact on the environment and on climate change. It is estimated that there are about 210 million buildings in the European Union providing approximately 53 billion square metres of usable indoor space for our activities. These buildings are divided into the following types 3:

Valider l’intégrabilité des innovations FUI Sirteri Boite dans la Boite Isolation + Fenêtre + Protections Solaires + Inertie + Ventilation Nocturne Façade Rideau Ossature Alu - PRV Ademe COFAHE Façade Rideau Ossature Bois ANR Effinovbois DER/HTO RUPTISOL Rupteurs de Ponts Th. par l’intérieur

Système Industrialisé de Rénovation du Tertiaire par l’Intérieur Projet FUI : SIRTERI  Système Industrialisé de Rénovation du Tertiaire par l’Intérieur Principe de la «boîte dans la boîte» : isolation + inertie assistée Le Conseil Général de l’Isère a mis à disposition trois bureaux au septième étage du bâtiment DODE de la Cité Administrative de Grenoble, pour évaluer ce concept.

Principe Surventilation des bureaux Ventilation pour les panneaux MCP Double fenêtre Panneaux MCP =Panneaux Radiants = Cloisons Actives Panneaux PIV

Pose de la ventilation dans les faux plafonds

Pose des fenêtres

Pose des panneaux super isolants

Pose des Panneaux MCP MICRONAL ® 5 µm

Températures d’air des trois bureaux

- + Déstockage du MCP la nuit Paroi bureau Ref Gain sur la température d’air Paroi bureau Ref Paroi Bureau sur-ventilé Paroi ventilée MCP Paroi bureau MCP + - Sens conventionnel du flux Air bureau MCP

Indicateurs de confort Stores ouverts sur 16 jours en septembre   Bureau MCP Ventilé Bureau Ventilé Bureau Ref. Air Extérieur Heures T≥ 27 °C 23 24 64 14.5  % temps entre 8h et 19 h 13% 14% 36% 8% T maxi sur la période °C 29.6 30.5 34.3 30.1 Stores fermés sur 12 jours en septembre   Bureau MCP Ventilé Bureau Ventilé Bureau Ref. Air Extérieur Heures T≥ 27 °C 25 39 76 46  % temps entre 8 h et 19 h 19% 29% 57% 34% T maxi sur la période °C 28.6 30.5 35.7 33.0

Paroi Isolante Inerte et Translucide - INERTRANS Rayonnement global vertical (W.m-2) Rayonnement Flux entrant cellule test Flux entrant cellule ref FLux entrant (W.m-2) Restitution de chaleur progressive durant la nuit Vue extérieure Vue intérieure Caractérisation de la convection naturelle dans une brique de verre Modèle Boltzman sur gaz réseau Mesures PIV

… de la recherche à l’évaluation

Les IHP - Isolants Haute Performance PIV / VIP : Panneaux Isolant sous Vide INP : Isolant Nano-Poreux Spaceloft Aspen aerogel CUAP Porextherm : CUAP ZAG - accepté Microtherm : CUAP CSTB – en cours Contact pour AT : doublage intérieur+ VIP composant de façade + VIP Aerowool - Rockwoll : Pass’Innovation

Les MCP Plaque MCP Energain Dupont : Pass’Innovation

HUMIDITE

QUESTIONS ?

Rappel des objectifs Comprendre et appréhender les phénomènes de transferts de gaz (air, polluants) à travers une paroi et plus particulièrement les constructions à ossature bois, et les parois à rénover. Réaliser une étude détaillée du comportement des composants de l’enveloppe, en particulier des points singuliers (ponts thermiques, ruptures d’étanchéité …) Proposer des modèles de transferts couplés gaz (air et vapeur d’eau) et chaleur, validés par des mesures à l'échelle réelle

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

Projet OPTIMOB => Réduction des risques liés à l’humidité - déterminer l’impact couplé de l'étanchéité à l'air et des transferts d'humidité sur le transfert de chaleur, - évaluer les risques de condensation et les problèmes d’étanchéité à l’air des maisons à ossature bois Étude expérimentale Échelle réelle Sollicitations climatiques naturelles Étude d’un bâtiment dans son ensemble Étude numérique Développement d’un modèle Validation avec l’expérimentation Généralisable (climat, construction)

Support expérimental Maison à ossature bois 20m², 2,50m Ossature épicéa Construction février-mars 2008 Côté sud: réserver pour insérer une fenêtre Côté nord: entrée par une double porte

Instrumentation

Station météo À proximité de la cellule Température, humidité relative Rayonnement solaire direct et diffus Vitesse et direction du vent

Impact du parement intérieur sur l’humidité absolue MESURES Génération de vapeur surface parement derrière plâtre derrière MFP derrière PV

Impact de l’isolant sur la température SIMULATION Impact de la capacité thermique (ρ.Cp) ρ.Cp fdb=160 [kJ/m3.K] ρ.Cp ldv=15 [kJ/m3.K]

Conclusion Le rôle primordial du pare-vapeur en tant que barrière à la propagation de vapeur a été clairement confirmé  Le rôle important des matériaux de parement hygroscopiques dans l’ « inertie hygrique » a été également confirmé La modification des transferts thermiques par des transferts hygriques dans l’enveloppe contenant des matériaux hygroscopiques a été mise en évidence

Reste à faire Mise au point de l’outil de transferts couplés « chaleur-air-humidité », en développement mais non encore totalement validé Valider l’outil : - En intégrant les aspects étanchéité/ventilation/rayonnement incident - En poursuivant le développement de la base de données matériaux - Définir des scénario intérieurs

Humidité … suite Hygrobat : en cours - revisiter les bases théoriques des transferts couplés : chaleur/air/humidité LEPTIAB – LOCIE – CEA/INES/LEB – LERMAB-LERFOB-EDF-TREFLE – LMDC CRITTBOIS – LIGANTEC – NR GAIA Humibatex : début 2012 – humidité dans les bâtiments existants CETE – INSA – LEPTIAB – ALDES – ISOVER – Ventilairsec

… de la recherche à l’évaluation Humidité et AT Risque de condensation dans les cadres de fenêtre

QUESTIONS ?

Prospective Equipements Anciens – Nouveaux Usages

Energie Positive ? Jeudi 11 Mars 2004 Octobre 2011 Janvier 2005 http://web.ujf-grenoble.fr/imagesetsciences/energiesdufutur/pres_pdf/quenard.pdf Janvier 2005

Des Bâtiments Economes & Producteurs d’Energie … des usagers « énergivores » 2 autres usages 1 impact RT 2020 Manque l’Energie Grise des Equipements Electrodomestiques et de la Mobilité

Performance et Localisation Indicateur Energie Primaire Totale Normation Zone H2B pour 1 an Etude QEB - CIMBETON

Projet REZO-ZERO 2007-2009 Convergence Bâtiment Transport

Borne Bidirectionnelle

Mitsubishi: i-MiEV alimentation des équipments électro-domestiques Aujourd’hui : Alimentation d’un téléphone ou d’un ordinateur portable. Demain : Prise : 100 V Puissance : 1500 W Batterie lithium-ion : 16 kWh, Consommation d’un ménage pour environ 1, 5 jour PAGE 46

VE = nouvel équipement de la maison ?

Chauffe-eau Solaire Individuel Véhicule Electrique Solaire Individuel Analogie CESI-VESI 15-20m² 3-5 m² Production Stockage 2300 kWh/an Consommation 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

Equipements très performants individuellement vs Equipements moins performants mutualisés ???

Usages Mutualisés équipements domestiques Réfrigérateur/Congélateur Froid Chauffe-eau Thermodynamique Chaud

Climatisation et ECS ?

Mutualisation équipements informatiques / PC / ECS

Mutualisation à l’échelle des bâtiments DALKIA Data-Center : Nouvelles Chaufferies ? ECS/Piscine … www.helen.fi

Merci pour votre écoute

Projet COFAHE (PREBAT, 2007-2010) sur des composants de façade à haute performance énergétique : expérimentation en taille réelle (caractérisation thermique). Partenaires : CSTB, COMPOSITEC, VETROTEX, GOYER. Coût complet : 165 k€ (aide accordée au CSTB : 82 k€). Responsable scientifique : H. Sallée Projet OPTIMOB (PREBAT, 2008-2011) sur la réduction des risques liés à l’humidité et aux transferts d’air dans les constructions à ossature bois : expérimentation en taille réelle (mesure de température et d’humidité dans les parois d’une maison à ossature bois (modélisation analogique, approche globale). Partenaires : CSTB, EDF, ALDES, INSAVALOR-CETHIL, CTBA, OSSABOIS Coût complet du projet : 750 k€ (aide accordée au CSTB : 173 k€) Responsable scientifique CSTB : G. Garnier. Projet ENVHY (PREBAT, 2007-2009) sur l’amélioration des performances des bâtiments neufs, notamment par la prise en compte renforcée des aspects bioclimatique : expérimentation en taille réelle, modélisation multiphysique (approche CFD pour les écoulements d’air, approche globale pour la thermique du bâtiment) Partenaires : CSTB, CTBA, SMURFIT KAPPA, CRISTOPIA, ITF, CREABOIS, LOCIE, LAG, Université J Fourier Grenoble Coût complet du projet : 460 k€ (aide accordée au CSTB : 116 k€) Responsable scientifique : K. Johannes. Projet RenEauSol (Habisol, 2010-2012) sur un capteur auto-stockeur intégré en toiture : expérimentation de taille réelle (PIV, cavité, eau, convection naturelle) Partenaires : LOCIE, CETHIL, CEA, CSTB, CRESSON, Tecnisun Coût complet du projet : 1 098 k€ (aide accordée au CSTB : 38 k€ + financement d’une thèse APS-ADEME) Responsable scientifique CSTB: M. Cosnier

Projet RENOKIT (PREBAT, 2007-2009) sur l’évaluation d’un système intégré pour la rénovation par l’intérieur des logements existants : expérimentation en taille réelle (mesures thermique, fluxmétrique, acoustique, modélisation analogique, approche globale). Partenaires : CSTB, CTBA, SMURFIT KAPPA, CRISTOPIA, ITF, IRABOIS. Coût complet du projet : 485 k€ (aide accordée au CSTB : 209 k€) Responsable scientifique CSTB : H. Sallée. Projet MAISON PASSIVE (PREBAT, 2007-2011) sur la conception et l’évaluation expérimentale de maisons passives : expérimentation en taille réelle (mesures thermique et fluxmetrique, modélisation analogique, approche globale) Partenaires : CNRS/LMOPS, ARMINES CEP, CETIAT, CSTB, CEA, Maison GIRAUD, SAINT GOBAIN ISOVER. Coût complet du projet : 1040 k€ (aide accordée au CSTB : 122 k€). Responsable scientifique CSTB : D. Quenard Projet INERTRANS (PREBAT, 2008-2011) sur un composant d’enveloppe de bâtiment en brique de verre associant inertie et isolation translucide : expérimentation en taille réelle et en dimensions réduites (mesures PIV, mesures thermique, approche globale, modélisation fine de type gaz sur réseaux). Partenaires : CSTB, CETHIL, ARMINES CEP, CRISTOPIA, SAVERBAT, SIRIUS. Coût complet : 983 k€ (aide accordée au CSTB : 163 k€). Responsable scientifique CSTB : M.Cosnier

Les projets (FUI) :   Projet SYSPACTE (FUI, 7ème appel d’offre, 2009-2012) sur les panneaux thermoélectriques pouvant être utilisés comme parois actives : modélisation multi-physique (double approche CFD et analogie électrique : phénomènes thermoélectriques et échangeurs) et réalisation d’un prototype intégrant le panneau thermoélectrique couplé aux échangeurs optimisés. Partenaires : ACOME, CRISMAT, ICG, LOCIE, CSTB, ANJOS. Coût complet du projet : 1540 k€ (aide accordée au CSTb : 110 k€). Responsable scientifique CSTB : M. Cosnier. Projet SIRTERI (FUI, 5ème appel d’offre, 2008-2012) sur un système industrialisé de rénovation du tertiaire par l’intérieur : expérimentation en taille réelle (mesures thermique, fluxmétrique sur un bureau rénové. Modélisation analogique (approche globale). Partenaires : Sainte Marie Constructions isothermes, CNRS, A.RAYMOND. Coût complet du projet : 970 k€ (aide accordée au CSTB : 100 k€). Responsable scientifique CSTB : H. Sallée.