Bien être et énergie dans le bâtiment: Une question d’architecture! Claude-Alain Roulet Prof. Hon. EPFL
Introduction
Contenu
Rôles du bâtiment Energie et bien être
© Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
Confort thermique Stratégies passives Conclusions
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Un bâtiment sain • ne doit ni causer ou aggraver des maladies, ni créer des risques d'accidents ou causer la mort, • doit assurer le confort. Ces critères de santé doivent être pris en compte avec les critères de développement durable. Conférence EPIC 02, Lyon © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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La santé selon l'OMS est: Un état de bien être physique, mental et social complet et non simplement l'absence de maladie ou d'infirmité.
© Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Energie et bien être Moins d'énergie = moins de confort?
Moins d'énergie avec PLUS de BIEN ETRE ……si on travaille bien!!
© Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Enjeux L’acteur et son besoin Le promoteur rentabilité La compagnie propriétaire prestige Le locataire performance/prix L’occupant confort, bien être La société développement durable Tous ces enjeux doivent être pris en compte Ils ne sont pas contradictoires
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Développement durable
té
on om i
Equitable
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Durable
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Viv ab
ci é So © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
bl e Via
le
Environnement
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Bâtiment durable • • • • •
Bâtiment qui pourra servir longtemps Bon environnement intérieur Economiquement rentable Agréable pour ses occupants Faible impact sur l’environnement
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Construire pour l’avenir Un bâtiment dure plusieurs dizaines, voire centaines d’années Le bâtiment construit ou rénové aujourd’hui doit rester confortable malgré une très probable réduction des ressources énergétiques fossiles et une augmentation de la température
© Claude-A. Roulet, Apples, 2017
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Vie du bâtiment 100 90 80 70 60 50 40
Valeur
30 20
Choix
10 0 0
10
20
Construction © Claude-A. Roulet, Apples, 2017
30
40
50
60
70
80
90
100
Rénovation 10
(
NZEB i BEPos
Production
BEPOS
Consommation 12
Contradictions On ne peut rien faire, même pas vivre, sans énergie, donc:
Le bâtiment « zéro énergie » n’existe pas L’énergie se transforme, mais ne se perd ni se gagne, donc
Tous les bâtiments sont à zéro énergie La définition du BEPos est donc
conventionnelle et politique. 13
Production et consommation Définitions conventionnelles Consommation d'énergie: quantités d'électricité et d'énergie provenant de combustibles entrant dans le périmètre de bilan et transformés en une autre forme. La consommation d'énergie provenant de sources renouvelables situées dans le périmètre du bilan et de chaleur provenant de l'environnement direct n'est pas comptée dans le bilan. Production d'énergie: quantité d'énergie qui ressort du périmètre et qui est utilisée en dehors du périmètre du bilan. Par exemple, la chaleur produite n'est comptée que si elle est livrée à - et utilisée par - un tiers. 14
BEPOS: Périmètre de bilan
Tenerdis
© C.-A. Roulet, 2013
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Quel niveau ĂŠnergĂŠtique? Utilisation
Utile
Pertes
Transport
Transformation
Secondaire
Finale
Pertes
Pertes
Sources
Primaire
Pertes
16 16
Bâtiment à énergie résiduelle positive Bâtiment satisfaisant les critères suivants: Bilan annuel positif (énergie primaire). Besoins annuels de chauffage limités. Besoins annuels totaux d’énergie primaire limités pour chauffage et refroidissement, ventilation, eau chaude sanitaire et éclairage installé. 17
Situation en Suisse La loi ne limite que les besoins en chauffage Le refroidissement n’est pas nécessaire Tous les bâtiments neufs ou rénovés ont besoin de 3 fois moins d’énergie de chauffage que les bâtiments du siècle passé 43’812 bâtiments
Petit historique
Avant le XIème siècle: Exclusivement «renouvelable» 1876: loi sur les forêts 1940: « la femme suisse cuit à l’électricité » 1950 -1970: passage du charbon au mazout pour le chauffage 1972: premier choc pétrolier 1973: fondation de la SSES, Société Suisse pour l’Energie Solaire 1975: création du GRES-EPFL, qui devient LESO en 1982 1978: 2ème choc pétrolier 1978-1990: Impulsprogram 1980: SIA 180/1 et 180/3 1988: SIA 380/1, révisées en 2001, 2009 et 2014 1998: fondation de Minergie® 2009: Certificat énergétique des bâtiments (SIA 2031 et CECB)
© Claude-A. Roulet, Apples, 2014
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IDE Suisse - Chauffage 240
120%
220 100%
IDE fnale [kWh/m²]
180 160
80%
140 120
60%
100 80
40%
60 40
20%
Surface de plancher [Mm²]
200
© Claude-A. Roulet, Apples, 2017
2010
2000
1990
1980
1970
1960
1950
1940
1930
1920
1900
0
1910
20 0%
20
Consommation d’énergie fnale en Suisse 1,000,000 Consommation annuelle d'énergie finale [PJ] . 900,000
Carburants
700,000
Gaz
600,000
Comb. pétroliers
500,000
Chaleur à distance
200,000 100,000 0 © Claude-A. Roulet, Apples, 2017
Chauffage
400,000 300,000
) Electricité
800,000
Déchets
Charbon Bois
Autres renouv.
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Le critère de confort Le bien-être
La satisfaction
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Conforts Qualité d’air Santé
Visuel
Acoustique
Thermique …et autres…
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Le confort thermique
Š Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Le confort thermique D’après la norme EN ISO 7730, il y a situation de confort si deux conditions sont satisfaites : 1 2
Le bilan thermique de l’individu est équilibré sans que ne soit trop sollicités ses mécanismes autorégulateurs Il n’existe pas d’inconforts locaux dus : - à la sensation de courant d’air - à l’asymétrie du rayonnement - au gradient vertical de température - à la température du sol
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n o i n t o a r a ti o p ns a Ev nde o C
Rayonnement
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Air
Co co nve nd cti uc on tio n 26
Les échanges du corps humain 180 160 140 Flux de chaleur [W ] . Évaporati 120 on Conductio 100 n Rayonnem 80 Convection ent 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Température ambiante [°C]
Température opérative
ou température ressentie
3.2 160 3.0 Marche 2.8 10°C ±5°C 2.6 135 10°C 2.4 Ménagère 12°C 2.2 16°C °C 16°C 14 110 2.0 18°C 1.8 20 °C Bureau été 22°C 1.6 85 Bureau hiver 25°C ±4°C 24°C 1.4 21°C 26°C 1.2 ±3°C 60 28°C 1.0 0.8 ±2,5°C ±1°C ±1,5°C ±2°C 0.6 35 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Clo
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Activité [W/m²] .
Activité [Met] .
Température opérative optimale
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Domaine de validité du modèle de Fanger
Basé sur des expériences en chambre climatique Donc valable en environnement conditionné (chauffé ou refroidi, ventilation mécanique)
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Acclimatation en absence de conditionnement
Air conditionné Observé[°C] . Température intérieure Ajusté Prédit
Température extérieure [°C]
Ventilation naturelle Observé Température intérieure [°C] . Ajusté Prédit
Température extérieure [°C]
Analyse de 160 bâtiments dans le monde entier. © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Modèles de confort thermique 30 29 Température intérieure ressentie idéale 28 27 26 25 24
EN
23
nés n o iti d n o c s e c a p s EN-ISO 7730, e
22 21 20
, 5 1 152
n o ti la ti n ve
lle e r u t a n
5
10
15
20
25
30
Température extérieure moyenne © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Confort thermique acceptable
en locaux non conditionnés à ventilation naturelle EN 15251 33 32 Température opérative intérieure [°C] . 31 30 29 28 27 26 Bon, 90% satisfaits Excellent, 94 % satisfaits Acceptable, 85% satisfaits 25 24 23 22 21 20 19 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Température extérieure moyenne sur une semaine [°C]
Limites du confort acceptable activité sédentaire 30
Habillement adapté
29 Température opérative intérieure 28 27 26
o n x
25
o c n
o i t i nd
s é nn
u a c s é Lo n n o i t i d n o c Locaux
24 23 22 21 20
5
7
9
11
13
15
17
19
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25
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Température extérieure en moyenne courante © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Confort et Architecture Le confort d'un bâtiment est un des aspects de son architecture. L'architecte doit en garder la maîtrise Une sculpture peut être inconfortable, pas un bâtiment.
Le
confort naturel du bâtiment est défini dès l’avant projet
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Contrôle de l'environnement intérieur Mesures passives
Mesures actives
Mesures architecturales et constructives permettant d'atteindre naturellement le but poursuivi
Mesures technologiques permettant d'atteindre le but poursuivi par des actions mécaniques
Architecte
Ingénieur
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Mesures passives
Distribution des volumes Emplacement des ouvertures Inertie thermique Isolation thermique Ventilation naturelle Refroidissement passif Chauffage solaire passif Isolation et absorption acoustiques Eclairage naturel Etc.
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Mesures actives Chauffage local ou central Ventilation mécanique Conditionnement d'air Musique d’ambiance Eclairage artificiel Images sur écrans Etc.
Complément aux mesures passives. Ne doivent pas corriger des erreurs de conception © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Avantages et inconvénients Mesures passives Bon
marché “Pas d’énergie” Pas de panne Disponibilité Contrôle Architecte © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
Mesures actives Cher Energivore Tombe en panne Disponibilité Contrôle Ingénieur
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Stratégie Pousser les mesures passives aussi loin que raisonnablement possible Pallier les insuffisances avec les mesures actives Réduit la dimension et le coût des mesures actives Donne souvent plus de liberté dans la conception © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Tenir compte de l’usager Donner les moyens de contrôle 5 Temperature in winter: incomfortable 4 3 2 1
Fair
Poor
Control on temperature
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Adaptation du bâtiment au climat Orientation par rapport au soleil Orientation par rapport aux vents Enveloppe adaptée au climat Masse thermique
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Le bâtiment
devrait être
au moins aussi confortable que l'extérieur Cabanac, Fernandez et al. © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Le bâtiment devrait être
au moins aussi confortable que l'extérieur Cabanac, Fernandez et al. © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Wikimedia Commons Š Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Pour améliorer le confort thermique En saison froide: • Isolation thermique • Inertie thermique • Protections solaires • Ventilation contrôlée • Chauffage solaire passif • Chauffage actif © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
En saison chaude: • Isolation thermique • Inertie thermique • Protections solaires • Ventilation contrôlée • Refroidissement passif • Refroidissement actif
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Optimisation des gains solaires
Excellente isolation thermique Grandes surfaces de captage Protections solaires efficaces, extérieures (et intérieures) Bon contrôle du chauffage Inertie thermique suffisante
Refroidissement passif
Tem p eratu re °C
Refroidissement passif 35
30
TG 04
25 TG 03 20
15 2.08
Ext. Temp. 3.08
4.08
5.08
6.08
7.08
Date j.mm Š Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Refroidissement passif Climat adéquat Grandes ouvertures, une en haut Excellente isolation thermique Réduire les sources de chaleur Protections solaires efficaces Inertie thermique Stratégie de ventilation
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Simulations de démonstration • • • •
Un bureau 5m de large, 4 m de profond, 3 m dehauteur Façade Sud Forte inertie: dalles de béton, murs de maçonnerie • Occupation standard
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Cas simulés Aucune isolation thermique, simple vitrage. Isolation extérieure 5 cm, double vitrage (U = 3 W/m²K) Isolation extérieure 10 cm, vitrage moderne (U = 1.1 W/m²K) Store à lamelles si nécessaire Avec et sans refroidissement passif © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017 52
Air extérieur à Barcelone
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Non conditionnĂŠ Sans isolation
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Non conditionnĂŠ Isolation simple
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Non conditionné Isolation renforcée
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Non conditionnĂŠ Isolation simple, sans protection
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Non conditionnĂŠ Sans refroidissement nocturne
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Heures trop chaudes ou trop froides Heures trop froides -8000 -6000 -4000 -2000
0
Heures chaudes 2000
Air extérieur Sans isolation Isolation simple Isolation renforcée
Avec protections solaires et refroidissement nocturne
Sans protection solaire Isolation simple
Sans refroidissement nocturne © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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Consommation d’énergie (avec protections solaires)
Refroidissement kWh/m²
-10 0
Chauffage 10 20 30 40 50 60 70
Sans isolation Isolation simple Isolation renforcée
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Propositions
Conclusions
• Adapter les règles de confort – ISO 7730 pour locaux conditionnés seulement – EN 15251 annex A pour locaux à ventilation naturelle, ni chauffés ni refroidis
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Propositions
Conclusions
• Conception architecturale: – Espaces de vie du côté “soleil” – Isolation thermique extérieure – Grandes fenêtres avec protections solaires – Masse thermique en contact avec l’air intérieur et isolée de l’extérieur. – Ouvertures pour le refroidissement passif • Protégées des effractions, intempéries et insectes • > 5 % de la surface de plancher • Une ouverture haute
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Propositions • Livre de maison:
Conclusions
– Adapter l’habillement à la saison – Utilisation des protections solaires • En saison froide, laisser entrer le soleil • En saison chaude, protection extérieure
– Refroidissement passif: • ouvrir la nuit, fermer le jour!
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D’abord une protection
Ensuite une expression ! Š Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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D’abord une protection
Ensuite une expression ! Š Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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DE ARCHITECTURA (VITRUVE)
« Haec avtem ita fieri debent, vt habeatvr ratio firmitatis, vtilitatis, venustatis.» Dans tous ces différents travaux, on doit avoir égard à la solidité, à l'utilité, à l'agrément. de Architectura, Liber I, caput 3. © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017
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s e i c à r G
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