EPFL, LESO-PB 1 Energétique du Bâtiment Nicolas Morel Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment (LESO-PB), ENAC Edgard.

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2 EPFL, LESO-PB 1 Energétique du Bâtiment Nicolas Morel Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment (LESO-PB), ENAC nicolas.morel@epfl.ch Edgard Gnansounou Laboratoire des systèmes énergétiques (LASEN), ENAC edgard.gnansounou@epfl.ch

3 EPFL, LESO-PB 2 Contenu du cours 1Introduction (NM) A quoi sert l'énergétique du bâtiment ? Rappels de physique du bâtiment 2Les besoins de l'occupant, confort (NM) 3Bilan thermique d'éléments du bâtiment (NM) 4 Bilan thermique du bâtiment (NM) Déperditions par transmission et ventilation Gains internes et solaires Bilan 5Installations techniques (EG) 6Optimisation économique (EG) 7Diagnostic (NM) 8Synthèse, interactions

4 EPFL, LESO-PB 3 Objectifs du cours n Calculer le bilan thermique d'un bâtiment, déterminer ses faiblesses n Proposer des améliorations énergétiques n Dimensionner les installations techniques Vous pourrez: Pour garantir le confort et le bien être des occupants

5 EPFL, LESO-PB 4 Energie dans le bâtiment n Chauffage n Refroidissement n Aération, ventilation n Eau chaude (et froide) n Transports (escalators, ascenseurs) n Eclairage n Communications n Production de biens n Autres appareils

6 EPFL, LESO-PB 5 Applications de l'énergétique du bâtiment Assurer le confort, la qualité de l'environnement intérieur Choisir les mesures constructives appropriées Prédire les puissances nécessaires, dimensionner les installations Prédire les consommations

7 EPFL, LESO-PB 6 Température Été Hiver PrintempsAutomne Bon bâtiment Bâtiment mal adapté Température extérieure Z o n e d e c o n f o r t Bâtiment adapté au climat

8 EPFL, LESO-PB 7 Le bâtiment devrait être au moins aussi confortable que l'extérieur

9 EPFL, LESO-PB 8 Indice de Dépense d'Énergie Norme SIA 180/4

10 EPFL, LESO-PB 9 Le potentiel d'économies

11 EPFL, LESO-PB 10 IDE en Suisse

12 EPFL, LESO-PB 11 IDE en France

13 EPFL, LESO-PB 12 Evolution de l'IDE en Suisse

14 EPFL, LESO-PB 13 Isolation thermique n Isolation continue, pas de ponts thermiques Dérogations possibles si confort et salubrité assurés. 2 m 0,2 - 0,4 W/(m²K) 0,3 - 0,4 W/(m²K) 0,3 - 0,6 W/(m²K) 1,5 - 2,4 W/(m²K)

15 EPFL, LESO-PB 14 Le beurre et l’argent du beurre!

16 EPFL, LESO-PB 15 Budget énergétique global n De l'énergie a été consommée pour construire chaque composant et pour assembler ces composants en un bâtiment:  sous forme directe  sous forme indirecte

17 EPFL, LESO-PB 16 Calcul de l'énergie grise n Méthode statistique: contenu énergétique proportionnel au coût n Méthode input-output: n Méthode du processus

18 EPFL, LESO-PB 17 Méthode statistique C onsommation proportionnelle au coût CH : 6,2 MJ/Fr. ou 1,7 kWh/Fr. 1 m³ de laine de verre à 200.- contiendrait 340 kWh Pèse 20 kg, donc 17 kWh/kg

19 EPFL, LESO-PB 18 Méthode input-output Besoins en services, énergie, matériaux ABCDEFGHI A42632 B23324450 C1105 D99224 E4533 Produit

20 EPFL, LESO-PB 19 Méthode du processus On suit la chaîne de production Exemple: laine de verre: 5 kWh/kg, comprenant Extraction et transport des matières premières Fusion du verre Fibrage et collage Conditionnement

21 EPFL, LESO-PB 20 Budget énergétique du bâtiment n E= E D +E I = E D +E m + E c + E r + E d - E rec  E m =  V i e i contenu énergétique des divers matériaux bruts utilisés dans le bâtiment.  E r énergie de réparation.  E c énergie de construction.  E d énergie de destruction du bâtiment.  E rec énergie récupérable après démolition.

22 EPFL, LESO-PB 21 Conception globale n Consommation globale minimale  Dimensionnement correct  Homogénéisation et cohérence des efforts

23 EPFL, LESO-PB 22 Conception globale * Satisfaire les besoins nécessaires * Minimiser les frais d'entretien et la consommation * Assurer la fourniture d'énergie, donc utiliser les sources renouvelables * Eviter la saturation des réseaux

24 EPFL, LESO-PB 23

25 EPFL, LESO-PB 24 Capacité thermique n Chaleur  énergie liée à l'agitation aléatoire des molécules  agitation thermique se mesure par la température [K] ou [°C]  chaleur se mesure par l'augmentation de température n Capacité thermique  pour chauffer une masse m [kg] d'un matériau de chaleur spécifique c [J/kg K], de la différence de température  [K], il faut une quantité de chaleur Q [J] donnée par l'expression: Q = m · c ·   le produit C = m · c est la capacité thermique du corps considéré [J/K]

26 EPFL, LESO-PB 25 Modes de transfert de chaleur n Conduction: transfert de l'agitation par chocs intermoléculaires n Convection: transport de matière entre zones chaude et froide n Rayonnement:émission- absorption de rayonnement électromagnétique n Evapo-condensation: évaporation et condensation

27 EPFL, LESO-PB 26 Conductivité thermique Conductivité thermique : Quantité de chaleur passant en 1 seconde au travers de 1 m² d'une couche de matériau homogène de 1 mètre d'épaisseur, soumis à une différence de température de 1 degré [W/m K] Autre définition de : q = - · grad  (q = densité de flux [W/m 2 ]) n Conductance thermique unidimensionnelle g: g = A · / x [W/K] P = g ·  [W] (puissance thermique) 1K 1 m

28 EPFL, LESO-PB 27 Rayonnement solaire (spectre) Spectre du rayonnement solaire

29 EPFL, LESO-PB 28 Rayonnement solaire (intensité) n Rayonnement solaire   composante directe (les rayons provenant directement du soleil)  composante diffuse (les rayons diffusés par l'atmosphère) n Rayonnement global  E g = E dir + E diff  maximum environ 1000 W/m 2 sur une surface perpendiculaire au rayonnement solaire, par ciel clair (E diff représente alors environ un tiers ou un quart de E g )  E dir,h =E dir,perp · cos (z)z = angle zénital  ciel couvert: uniquement du diffus, distribution isotrope si ciel très couvert

30 EPFL, LESO-PB 29 Angles solaires et temps solaire (1)

31 EPFL, LESO-PB 30 Angles solaires et temps solaire (2) n Déclinaison géocentrique:  = 23.45° · sin((n-81) ·360/365) Temps solaire vrai: H v [h] = H s [h] +  H + Long/15 - F

32 EPFL, LESO-PB 31 Angles solaires et temps solaire (3) Angle horaire:  = 15° · (H s - 12) Angle zénithal: cos  z = sin  · sin  + cos  · sin  · cos   = latitude) Angle d'incidence sur un plan quelconque: cos  = sin  · sin  · cos  - sin  · cos  · sin  · cos  · cos  + cos  · cos  · cos  · cos  + cos  · sin  · sin  · cos  · cos  + cos  · sin  · sin  · sin   = orientation du plan,  = pente du plan)

33 EPFL, LESO-PB 32 Angles solaires et temps solaire Relation entre la déclinaison, la latitude et la hauteur du soleil à midi solaire

34 EPFL, LESO-PB 33 Exercice supplémentaire 1.1 n Quelle est la hauteur du soleil à Lausanne le 1 er février à 12 heures (heure légale) ? et à 12 heures (temps solaire) ? n Données:  hauteur du soleil: h = 90° -  z avec  z = angle zénital  Lausanne est située à une latitude de 46.5 °N et une longitude de 6.6 °E  fuseau horaire: +1 par rapport au méridien de Greenwich

35 EPFL, LESO-PB 34 Exercice supplémentaire 1.2 n On remplit une boîte cubique de polystyrène expansé (λ = 0.04 W/m K) de 30 cm d'arête (dimension intérieure) avec de l'eau à une température de 20 °C. L'épaisseur des parois de la boîte est de 4 cm. Combien de temps faut-il approximativement pour que l'eau commence à geler lorsqu'on met la caisse dehors à –10 °C ? Après combien de temps est-elle complètement sous forme de glace ? n Hypothèses et données: 1.Supposer que l'eau reste à température uniforme lorsqu'elle se refroidit, et que le mélange eau-glace reste à la température de 0°C jusqu'à la solidification complète. 2.Négliger la couche limite extérieure d'air (la couche de polystyrène est la seule isolation vers l'air extérieur), et supposer une conduction unidimensionnelle. 3.Chaleur spécifique de l'eau 4180 J/kg K, chaleur latente eau-glace 330'000 J/kg n Indications:  Ecrire l'équation différentielle de conservation de l'énergie et la résoudre !  Introduire la constante de temps.