/RES-0712-comparaison_internationale_batiment_ by Laurent PEREZ

COMPARAISON INTERNATIONALE BATIMENT ET ENERGIE

C – COMPOSANTS ET EQUIPEMENTS INNOVANTS

PREBAT - Comparaison internationale Bâtiment et Energie / Décembre 2007 / ADEME-PUCA-CSTB

Sommaire

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C1 RECENSEMENT .................................................................................................. C2 PAROIS OPAQUES ............................................................................................. C3 PAROIS TRANSPARENTES ............................................................................... C4 SYSTÈMES CONSTUCTIFS COMPARÈS .......................................................... C5 PHOTOVOLTAÏQUE INTEGRÉ EN TOITURE OU FAÇADE .............................. C6 SYSTÉMES SOLAIRES COMBINES ................................................................... C7 STOCKAGE DE CHALEUR ................................................................................. C8 VENTILATION DOUBLE FLUX AVEC RÉCUPERATION ................................... C9 SYSTÉMES COMPACTS VENTILATION-CHAUFFAGE-ECS ............................ C10 MICRO COGÉNÉRATION .................................................................................. C11 CLIMATISATION BASSE CONSOMMATION .................................................... C12 MICRO RÉSEAU DE CHALEUR ........................................................................ C13 ECLAIRAGE ........................................................................................................ C14 APPROCHE INTÉGRÉE .....................................................................................

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C1 C 20 C 51 C 74 C 86 C 112 C 151 C 193 C 223 C 246 C 275 C 319 C 344 C 366

Comparaison internationale Bâtiment et énergie

C1- Recensement

Auteur : Daniel Quenard (daniel.quenard@cstb.fr)

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C.1.1 INTRODUCTION L'objet de cette partie est de recenser les briques technologiques qui permettent de réduire la consommation énergétique des bâtiments, déjà utilisées dans d'autres pays et qui pourraient être transposée en France. Ce recensement ne traite pas de la problématique du développement durable dans sa globalité. Néanmoins, dans l'analyse des briques les aspects socio-économiques seront abordés en complément des aspects techniques.

C.1.2 DEFINITION La définition initiale de la brique technologique a été la suivante : - Une "brique technologique" désigne un élément ou un sous-ensemble nécessaire à la réalisation du système bâtiment. Une brique technologique peut donc être un composant, un équipement ou un sous ensemble. Mais après discussion avec nos donneurs d'ordres, il est apparu nécessaire d'étendre la notion de brique audelà de l'objet technologique élémentaire en intégrant les aspects liés à l'assemblage des briques et aux liens entre le bâtiment et son environnement proche, le bâtiment étant considéré comme une "cellule vivante" dans un "organisme vivant"

C.1.3 LES CRITERES DE CHOIX DES BRIQUES Comme l'objectif premier du PREBAT est la réduction de la charge énergétique des bâtiments dans la consommation national, il nous a paru important de partir des besoins tels qu'ils sont présentés dans les tableaux 1 et 2 (page suivante) pour le résidentiel et le tertiaire (Source ADEME) On constate immédiatement que l'usage dominant est le chauffage, plus de 70 % dans le résidentiel et plus de 50 % dans le tertiaire. Mais pour ce dernier, si on combine chauffage et climatisation, on approche les 60 %. Viennent ensuite les besoins spécifiques en électricité (éclairage, électroménager, multimédia …), l'ECS et la cuisson. Il faut noter que dans les logements neufs la part de l'électricité se rapproche de celle du chauffage, c'est surtout dans l'ancien que les besoins de chauffage doivent être réduits. Face à cette situation, il existe trois options principales : la réduction des besoins (surtout pour le chauffage et la climatisation), la substitution des sources d'énergie (pour l'ECS, l'éclairage et l'électricité spécifique) ou une combinaison des deux. En observant ce qui se passe dans les trois pôles mondiaux "énergivores" : Europe, Amérique du Nord et Asie les réponses sont variables suivant les climats, les traditions constructives et l'appétence à l'innovation. Par exemple, en Europe du Nord et Centrale (Allemagne, Suisse, Autriche, Benelux, Pays Scandinave, Irlande …), les efforts se portent surtout sur la réduction des besoins de chauffage en développant des procédés d'isolation thermique à très haute performance. Au Japon, un effort très important est fait sur l'intégration du photovoltaïque en toiture et en façade avec une implication forte des constructeurs de maisons individuelles. Aux Etats-Unis, on s'oriente plutôt vers une combinaison énergies renouvelables/réduction des besoins avec la recherche d'un bilan annuel énergétique proche de zéro en énergie fossile. Dans tous ces pays, la tendance forte reste néanmoins d'atteindre, pour le neuf, une consommation en énergie fossile quasi-nulle vers 2050 avec une réduction d'environ 70 % des besoins et par conséquent un apport en énergie renouvelable de 30 %. En effet, avec la consommation actuelle des bâtiments, substituer les énergies fossiles par des énergies renouvelables est peut-être techniquement réalisable mais économiquement illusoire et réduire les consommations, c'est aussi augmenter les chances de succès des énergies renouvelables.

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MI IC TOTAL %

Electricité Consommation spécifique totale 200,3 28,4 19,1 37,3 285,1 117 18,8 10,1 21,1 167 317,3 47,3 29,2 58,3 452,1 70.2 10.5 6.5 12.8 Tableau 1 - Répartition des résidences principales par usage (Source ADEME) Nombre en millions 13,94 10,68 24,61

Chauffage

ECS

Cuisson

MI : Maison Individuelle – IC : Immeuble Collectif – ECS : Eau Chaude Sanitaire Consommations d’énergie (TWh) Branches Chauffag ECS Cuisson Electricité Climatisatio e spécifique n

Total

Commerces

22,2

2,9

1,1

20,5

2,9

49,7

Bureaux

28,5

1,4

0,8

16,3

4,2

51,2

Enseignement

19,9

2,4

1,6

2,3

0,3

26,6

Santé, action sociale

14,9

3,7

1,2

5,3

26,6

Sports, loisirs

9,1

3,8

0,4

2,9

0,8

CAHORE

9,8

2,6

5,9

3,3

0,9

22,6

Habitat communautaire

2,1

1,3

1,9

0,1

12,3

Transports

0,5

0,2

3,8

0,1

8,7

Total 115,4 19,4 12,7 56,3 10 ,3 214,1 Parts en % 54 % 9% 6% 26 % 5% 100 Tableau 2 - Tertiaire : consommations énergétiques finales par usages en 2001

Figure 1 : Les pertes par l'enveloppe et la ventilation (source ADEME)

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C.1.4 LA CLASSIFICATION DES BRIQUES La classification des "briques" est organisée suivant les trois composantes principales des bâtiments : Structure (fondations incluses), Enveloppe (finitions incluses), Equipements : La structure : Les fondations, le sol environnant et la structure porteuse se voient rarement confier un rôle "énergétique" dans le bâtiment, or ils existent des potentialités importantes dans ce domaine. Parmi les systèmes existants ou en développement, nous pouvons citer les exemples suivants : - les pompes à chaleur - les puits canadiens - le stockage dans les fondations - l'utilisation des locaux enterrés (caves, parking, vide sanitaires …). -… L'exploitation de la structure pour améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments ne pourra se faire si les incontournables concernant la sécurité (sismique et feu) et la qualité de l'air ne sont pas respectés. L'enveloppe : La réalisation d'un bâtiment à haute efficacité énergétique dépend très fortement de l'optimisation de son enveloppe qui va jouer trois rôles essentiels : - la réduction des besoins (chauffage, climatisation et éclairage) qui passe par deux actions primordiales : l'étanchéité et l'isolation. - la production d'énergie par intégration de capteurs : solaire, micro-éolien … -… Auquel, pourraient s'ajouter les émetteurs intégrés (plancher et plafonds chauffant/rafraichissants, ventilation …) Les équipements : Pour assurer le confort des occupants, les équipements viennent généralement en complément et leur dimensionnement dépend généralement des caractéristiques de l'enveloppe. Les principaux couplages enveloppe/équipements sont les suivants : chauffage/isolation et climatisation/inertie/protection solaire/ventilation, et dans une moindre mesure éclairage/fenêtres … Reste l'ECS et les équipements électriques qui constituent deux entités à part qui nécessitent un double effort des constructeurs pour faire des produits économes et des utilisateurs pour en faire un usage raisonné. Mais dans les deux cas, les énergies renouvelables (solaire thermique et photovoltaïques, voire la biomasse et l'éolien …) peuvent apporter des solutions intéressantes. Les besoins chaleur/électricité peuvent aussi être produits simultanément et efficacement par la cogénération. Les équipements seront classés en deux grandes catégories : Equipements pour le Chauffage, l'ECS, l'Eclairage, la Ventilation, la Climatisation L'effort important envisagé sur l'enveloppe pour réduire drastiquement les besoins (surtout sur le chauffage) devrait induire des changements importants dans le domaine des systèmes de chauffage avec une demande croissante de systèmes de faible puissance ou pour des raisons de rendement le développement de systèmes compacts multifonctionnels, voire leurs mise en réseau. Pour illustration, on peut lister quelques technologies déjà disponibles ou en développement : - Production et Stockage de Chaleur : équipements à faible consommation, basse température, systèmes compacts, cogénération, chaudière bois granulés … - Eau Chaude Sanitaire : équipements à faible consommation, ENR, systèmes compacts … - Eclairage : naturel, artificiel faible consommation, LED, OLED - Ventilation et Qualité de l'Air : double flux, récupération d'énergie, systèmes compacts … - Climatisation : équipements à faible consommation, modulables, climatisation solaire …

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- Production Décentralisée d'Electricité : solaire, éolien, cogénération … - Réseaux de Chaleur : -… Equipements pour la Gestion Technique "Intelligente" des Bâtiments Les paragraphes précédents illustrent la complexité grandissante du système bâtiment : couplage enveloppe/équipement, systèmes multi-source/multi-fonction … sans oublier le rôle primordial des utilisateurs et/ou des gestionnaires. Pour atteindre un fonctionnement optimal de ce système, une approche globale et intégrée dès la conception est obligatoire ainsi que l'introduction d'un peu d'intelligence pour au minimum informer l'utilisateur et/ou le gestionnaire, l'aider dans ses choix et l'accompagner pendant toute la durée de vie du bâtiment. Cette approche global du bâtiment nécessite à la fois des technologies et des procédures. Parmi les technologies, on peut citer : - les capteurs/actionneurs intégrés : micro-climat local, qualité des ambiances intérieures … - les systèmes de gestion intelligents des sources et des émetteurs : régulation multi-sources (gaz, fioul, bois, cogénération, électricité réseau/solaire/éolien/cogénération), systèmes hybrides pour le chauffage, la climatisation et l'éclairage, éclairage naturel/artificiel … - les systèmes de contrôle, diagnostic, affichage, NTIC : information des utilisateurs et/ou des gestionnaires (tableau de bord, livret de l'utilisateur, carnet d'entretien …). Une Architecture Globale et Intégrée: A l'issue de la première phase du projet et après discussion avec des acteurs du PREBAT, la nécessité d'une brique sur l'architecture globale et intégrée est apparue comme évidente. Cette brique, un peu particulière puisque n'étant pas réellement un objet technique concret, devrait permettre d'éviter certain travers comme la juxtaposition de briques technologiques performantes qui ne fourniraient pas forcément un bâtiment efficient du point de vue énergétique à l'image (puisque le Mondial approche !) d'une équipe de "stars" qui ne constituent pas forcément une équipe homogène, complémentaire et efficace. Dans cette brique seront analysés les principes souvent rassemblés sous le vocable de "bio-climatique" tels que la ventilation naturelle, l'éclairage naturel, les apports solaires passifs, voire les puits canadiens et provençaux …

C.1.5 LE CHOIX DES BRIQUES Le choix des cinq premières briques (Tableau 1) a été réalisé sur la base des constats exposés précédemment et après analyse des technologies les plus utilisées dans les principaux projets de bâtiments basse consommation à travers la monde, c'est-à-dire : Minergie (Suisse), Passivhaus (Allemagne, Autriche, Benelux, Pays Scandinave, Italie) et Zéro Energy Home (USA et Japon ). Après analyse, les trois critères les plus importants sont les suivants : - 1 : réduction des besoins (sobriété), en Europe principalement le chauffage. - 2 : efficacité énergétique des équipements et confort des occupants. - 3 : production locale ou décentralisée d'énergie Les critères N°1 et 2 traduisent plutôt la spécificité de la marque Minergie et du label PassivHaus ; c'est-à-dire la réduction des pertes par un renforcement de l'étanchéité et de l'isolation de l'enveloppe qui, d'une part, induit l'installation d'une ventilation non pénalisante donc avec récupération d'énergie et d'autre part et permet d'utiliser des systèmes de faible puissance, combinés ou compacts. Le critère 3 est plutôt une caractéristique des bâtiments dit Zéro Energie qui doivent équilibrer leur "compte énergétique" annuel et donc produire pendant les périodes favorables, généralement de l'électricité photovoltaïque qui utilisé pour les besoins proche et dont le surplus est réinjecté sur le réseau. Les briques 1 et 2 répondent au critère N° 1, les briques 3 et 4 au critère N°2 et la brique 5 au critère N° 3. Les briques suivantes sont plutôt venues en complément des cinq premières, sans ordre de priorité pour l'instant. Les deux dernières répondent à la nécessité de considéré le bâtiment comme un système globale (assemblage des briques et utilisation des spécificités du site) dans son environnement local (urbain ou rural).

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N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

"Briques Technologiques" Parois Opaques (murs, toitures, planchers …) à Haute Performance Energétique U < 0,1 W/m².K – Inertie Thermique Parois Transparentes (Fenêtres, Baies Vitrées…) à Haute Performance Energétique - U < 1 W/m².K – Protections Solaires Systèmes Constructifs Comparés Systèmes Photovoltaïques Intégrés en Toitures et Façades Solaire Thermique - Systèmes Solaires Combinés Stockage de Chaleur Ventilation Double Flux avec Récupération d'Energie Systèmes Compacts Ventilation/Chauffage/ECS Systèmes de Production Faibles Puissances – Micro cogénération Climatisation/Rafraîchissement - Basse Consommation Production Décentralisée à l'échelle du Quartier / Réseaux de Chaleur Eclairage Basse Consommation - Naturel Conception Architecturale Globale – Approche intégrée

Tableau I : Les 13 briques technologiques sélectionnées

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BRIQUE N°1 : PAROIS OPAQUES A HAUTE PERFORMANCE ENERGETIQUE Comme indiqué dans les paragraphes précédents, l'usage dominant de l'énergie dans les bâtiments reste en France, et dans la plupart des pays européens, le chauffage (environ 70 %). Alors quelles actions entreprendre pour réduire la consommation de chauffage ? Toutes les études sur l'utilisation rationnelle de l'énergie dans le bâtiment montrent que limiter les pertes est le moyen le plus efficace avec le meilleur retour sur investissement. En effet, quelle que soit l’efficacité du système de chauffage, l’efficacité énergétique globale du bâtiment sera dégradée si certaines caractéristiques thermiques ne sont pas satisfaisantes et induisent du gaspillage. Pour l'enveloppe, les deux caractéristiques thermiques primordiales (Figure 1) sont l’isolation thermique (ponts thermique inclus) et l'étanchéité à l'air. En utilisant les matériaux isolants disponibles (industrialisés ou non), la voie la plus directe pour renforcée l'isolation thermique est l'augmentation de l'épaisseur ; c'est la solution préconisé dans les deux programmes de développement de bâtiment basse consommation ou passif : le label PassivHaus en Allemagne et la marque Minergie en Suisse. Pour traiter les ponts thermiques, deux procédés se dégagent : l'isolation thermique par l'extérieure et les structures à ossature (surtout pour la maison individuelle), en utilisant principalement le bois. Un effort tout particulier est porté sur l'étanchéité à l'air (pour éviter les "tunnels thermiques" résultant principalement des passages de réseaux et des jonctions entre éléments). Pour les labels les plus exigent, un contrôle de la perméabilité à l'air est même imposé. Dans les maisons ossatures bois (MOB), un "emballage" (par l'utilisation de membranes) de la maison est souvent réalisé. Le point critique reste la rénovation dans les cas où l'isolation par l'extérieur n'est pas acceptée. Pour répondre à ce défi, un effort important est fait en Suisse et en Allemagne pour développer des isolants "sous-vide" à très haute performance et de faible épaisseur (réduction attendue d'un facteur 6 à 8). Enfin, avec le regain d'intérêt pour le solaire passif, l'inertie thermique des bâtiments revient au premier plan. En effet, alors que l'inertie thermique "consomme" de l'énergie quand celle-ci est payante (on chauffe les murs !), au contraire, quand l'énergie est gratuite, l'inertie thermique un rôle essentiel pour le "stockage" et la réémission. L'inertie thermique joue aussi un rôle primordial pour le confort d'été. C'est pourquoi, à côté des solutions traditionnelles de murs "lourds" (béton, pisé, brique …), de nouvelles technologies sont redécouvertes et adaptées, comme l'utilisation des matériaux à changement de phase dans l'enveloppe.

BRIQUE N°2 : PAROIS TRANSPARENTES A HAUTE PERFORMANCE ENERGETIQUE Dans l'habitat, laisser entrer la lumière a depuis toujours été un besoin primordial pour le confort et la santé des occupants mais la réponse à cette exigence fondamentale, initialement "le trou" dans le mur a pendant très longtemps pénalisé l'efficacité énergétique de l'enveloppe. En effet, ce "trou" est resté le point faible du point de vue thermique à cause principalement de l'exigence de transparence pour la vision. Le simple vitrage ne joue qu'un rôle d'étanchéité à l'air. La taille des fenêtres a donc beaucoup variée au cours des temps. En effet, la fenêtre (ou les baies vitrées en générale), de part son caractère multifonctionnel doivent présenter un équilibre entre des fonctions parfois antagonistes : éclairage/isolation, apports solaires/surchauffe … Mais les innovations technologiques récentes ont permis à la fenêtre de faire des progrès considérables et de devenir un des premiers composants d'enveloppe à présenter "un bilan énergétique annuel positif". Parmi les innovations technologiques, nous pouvons citer : - le double-vitrage qui permet d'introduire une couche isolante, la lame d'air (l'air immobile restant un des meilleurs isolants thermiques …) - la ou les couches basse-émissivité qui limite fortement les pertes thermiques par rayonnement de l'intérieur vers l'extérieur - le triple vitrage qui n'est qu'une augmentation de la lame d'air … mais aussi du poids - la double fenêtre qui, avec le retour du mur épais résultant du renforcement de l'isolation, pourrait retrouver de l'intérêt.

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le vitrage "sous-vide" qui élimine le dernier "transporteur" d'énergie qu'est l'air et permet ainsi de réduire les épaisseurs … mais bien sûr avec une augmentation du coût d'investissement.

De même que pour la Briques n°1, un soin très particulier devra être apporté à la liaison fenêtre-mur pour limiter au minimum les ponts thermiques et assurer une étanchéité parfaite. Ces deux dernier points sont cruciaux et dépendent essentiellement de la qualité de la mise en œuvre, dont de l'information et de la formation des poseurs. Afin de ne pas renouveler les erreurs des premières "maisons solaires" qui ont abusé des vitrages pour favoriser au maximum les apports solaires (ce qui avait pour conséquent des surchauffes en été et des déperditions importantes en hiver … car les vitrages simples protègent du vent et des intempéries mais n'isolent pas …), une protection solaire (store, brise-soleil …) devra être associée à toutes les fenêtres. Enfin, dans le futur, la fenêtre, de part sa forte industrialisation, est certainement appelée à jouer un rôle très important, que ce soit dans le neuf ou la réhabilitation, en devenant un composant actif multifonctionnel (protection, isolation, ventilation, éclairage, production …)

BRIQUE N°3 : SYSTEMES CONSTRUCTIFS COMPARES Il existe à travers le monde plusieurs systèmes de construction : construction lourdes ou légères, voie humide ou sèches, ossature bois ou acier, modulables … L'analyse des programmes de construction des maisons basse-consommation montre que les constrcution à ossature sont dominantes, en particulier les maisons à ossature bois pour les maisons passives (Allemagne) et zéro-énergie (US-Japon) Cela signifie-t-il qu'il n'y aurait qu'un nombre limité de solution pour réaliser des bâtiments basseconsommation énérgétique.

BRIQUE N°4 : SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES INTEGRES EN TOITURE ET FAÇADES Bien que ne représentant aujourd'hui que 13 % dans le résidentiel mais déjà près de 30 % dans le tertiaire, l'usage spécifique de l'électricité va certainement croître dans les années à avenir à cause de la multiplication des équipements et cela malgré une diminution régulière des consommations individuelles des appareils. Pour répondre à cette demande en électricité, la production photovoltaïque reste une des solutions les plus élégantes mais le coût d'investissement reste très pénalisant. Les pays les plus actifs dans ce domaine sont le Japon, l'Allemagne, les Etats-Unis et l'Espagne. Au Japon par exemple, l'intégration du photovoltaïque dans le bâtiment, en particulier en toiture, a été fortement soutenu par le gouvernement et les principaux constructeurs (Sekisui, Misawa) ont développé des solutions standards de toitures solaires, pour pérenniser, voire développer le marché après l'arrêt des subventions. L'intégration en toiture et en façades est une voie de développement intéressante car elle permet de réduire les coûts en remplissant 2 fonctions (étanchéité et production d'électricité) en une seule pose.

BRIQUE N°5 : SOLAIRE THERMIQUE – SYSTEMES SOLAIRES COMBINES Le soleil constitue la principale source d'énergie renouvelable et la plus disponible. A côté de l'architecture solaire et/ou bio-climatique qui est l'un des piliers des bâtiments à basse consommation, une utilisation plus active de l'énergie solaire s'est développée comme les équipements pour l'ECS et le chauffage : CESI (Chauffe-Eau Solaire Individuel) et PSD (Plancher Solaire Direct).

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BRIQUE N°6 : STOCKAGE DE CHALEUR Dans un bâtiment, les besoins de chaleur sont dominants. Le chauffage et l'ecs (C+ECS) représente parfois plus de 80 % de la consommation, en particulier dans les logements existants. Par ailleurs, pour les EnR, l'énergie n'est généralement pas disponible quand on en a besoin et pour une utilisation optimale des centrales de production d'électricité, il vaudrait mieuxproduire alors qu'il n'y a aucune demande. Par conséquent, à cause du caractère intermittent des énergies renouvelables (solaire, vent …) et de l'intérêt de lisser la demande pour les énergies secondaires (électricité), il est indipensable de mettre en place des sytèmes de stockage qui joueront un rôle tampon entre offre et demande.

BRIQUE N°7 : VENTILATION DOUBLE FLUX AVEC RECUPERATION D'ENERGIE Avec la réduction drastique des pertes dans les bâtiments à faible consommation, par le renforcement de l'isolation et de l'étanchéité, la ventilation devient une exigence absolue pour assurer la qualité de l'air dans les logements. Mais comme le montre la Figure 1, la ventilation mécanique contrôlée dans son principe initiale : aspiration d'air extérieure froid et rejet d'air chaud ; contribue pour une part importante (environ 20 %) aux déperditions thermiques. Afin de traiter cet antagonisme : renouvellement d'air sans perte d'énergie ; de nouveaux systèmes de ventilation ont été développés dans les pays les plus avancés dans le domaine des bâtiments à faible consommation. Le système de ventilation simple flux a donc été remplacé par un système double-flux avec récupération d'énergie. Dans certain pays, comme la Suisse ou la ventilation n'était pas obligatoire, on a même inventé une nouvelle appellation : l'aération douce.

BRIQUE N°8 : SYSTEMES COMPACTS : VENTILATION/CHAUFFAGE/ECS Les besoins limités des bâtiments basse consommation ou des maisons passives ont induits aussi le développement de systèmes compacts qui rassemblent en un seul produit les fonctions ventilation, chauffage et production d'eau chaude sanitaire. Ces nouveaux systèmes constituent une famille de produits comportant généralement : - une pompe à chaleur sur air extrait pour le chauffage d'un ballon d'ECS, - un récupérateur de chaleur statique air extrait/air neuf. Le vecteur du chauffage est généralement l'air. En plus du ballon d'ECS, il peut y avoir un ballon d'eau de chauffage qui peut compléter le chauffage de l'air soufflé. Le ballon d'ECS comporte un appoint généralement électrique, de puissance variable suivant les produits. Certains industriels proposent de coupler ce système compact à d'autres éléments : - puits canadien pour le préchauffage de l'air neuf, - capteurs solaires contribuant au chauffage du stockage.

BRIQUE N°9 : SYSTEME DE PRODUCTION (CHAUD-FROID) FAIBLES PUISSANCES – MICRO COGENERATION La réduction drastique des besoins (par exemple, 15 kWh/m².an pour les besoins de chauffage en maison passive) rendent les systèmes de production actuels obsolètes ou du moins, mal adaptés. De nouveaux

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équipements de production de faible puissance sont donc en développement et plusieurs types de sources pourront être utilisés : fioul, gaz, biomasse … Cette brique analysera donc tous les systèmes de production faible puissance comme par exemple la "petite" ou micro-cogénération, la trigénération, micro-turbine, moteur à gaz, moteur Stirling, pile à combustible … La cogénération est la production simultanée de chaleur et d'énergie mécanique, généralement transformée en électricité, à partir d'une même source d'énergie, ce qui permet d'améliorer très nettement l'efficacité énergétique du système avec un gain d'énergie primaire qui s'élève à 35 %.

BRIQUE N°10 : CLIMATISATION/RAFRAICHISSEMENT BASSE CONSOMMATION Le secteur tertiaire représente environ 17% de la consommation d'énergie nationale. Une faible part de cette consommation du tertiaire est due à la climatisation mais ce poste est l'un des seuls qui augmente fortement depuis plusieurs années. La promotion de nouvelles technologies de climatisation à faible consommation d'énergie et l'amélioration de l'efficacité énergétique est indispensable. Pour des bâtiments conçus pour avoir un niveau de charges modéré en été (gains internes réduits, protections solaires efficaces, optimisation de l'inertie), des techniques alternatives aux systèmes classiques peuvent être envisagées. Elles cumulent trois avantages : - une faible puissance installée (et donc coûts d'investissement réduits), - une consommation énergétique réduite - la non-utilisation de fluides frigorigènes. La réduction cumulée de la puissance de pointe et de la consommation font de ces systèmes des solutions prometteuses qui peuvent être utilisées seules ou en fonctionnement hybride avec un système classique. Quelques exemples : - Le rafraîchissement par évaporation qui repose sur la chaleur latente de vaporisation de l'eau pour réduire la température sèche de l'air. - Le rafraîchissement par dessiccation a pour principe de déshumidifier l'air au travers d'une roue à dessiccation pour pouvoir le refroidir ensuite par réhumidification de cet air. Le passage de l'air au sein de la roue déshumidificatrice induit une hausse de la température sèche. Cette technique entre dans la catégorie 'faible consommation' lorsqu'une source de chaleur gratuite est disponible. - Les plafonds froids refroidissent le local en grande partie par transfert de chaleur radiatif. Le rafraîchissement est obtenu par circulation d'eau froide dont la température doit être supérieure à la température de rosée de l'air (16°C). Des sources froides comme l'eau de mer/lac/rivière/nappe aquifère ou d'une tour de refroidissement peuvent être envisagées.

C10

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BRIQUE N°11 : PRODUCTION DECENTRALISEE A L'ECHELLE DU QUARTIER / RESEAUX DE CHALEUR Au-delà du bâtiment, il est important de prendre en considération le quartier car la mise en réseau de certains équipements ou l'installation de réseaux de chaleur peut permettre soit de valoriser localement de la chaleur "gaspillée", soit mettre en place des systèmes efficaces de production-distribution (production décentralisée + réseaux). En effet, la production décentralisée (souvent chaleur/électricité) fournit les solutions flexibles et potentiellement très efficaces (au dessus de 75 %). Avec une politique appropriée, cette technologie pourrait avoir une contribution significative à la recherche de l'efficacité énergétique en site urbain. En particulier le développement de la cogénération couplée aux réseaux de chaleur pourrait fournir des solutions locales intéressantes. Ce type de systèmes se développe au Royaume-Uni, Danemark et en Allemagne. La Commission Européenne estime que si la cogénération se développait jusqu'à atteindre 18 % de l'électricité produite en Europe en 2010, cela déboucherait sur des économies d'énergie de l'ordre de 3 à 4 % de la consommation totale d'énergie primaire de l'UE. Dans certains cas, le bâtiment pourrait même jour un double rôle de producteur/consommateur dans son environnement local.

BRIQUE N°12 : ECLAIRAGE BASSE CONSOMMATION L’éclairage des bâtiments consomme environ 4 millions de tep/an et il constitue un poste important de la consommation d'électricité, en effet la consommation annuelle d'électricité liée à l'éclairage d'un logement représente près de 15 % de la facture d'électricité. Le gain potentiel est de 2,5 millions de tep/an. Le poids moyen de l'éclairage sur la facture d'électricité atteint 30 % dans les bureaux, voire 39 % dans les locaux d'enseignement. La durée de vie modérée des lampes actuelles (1 à 3 ans en usage normal) fait que ce résultat pourrait être acquis très rapidement. La seule mesure récente est l’obligation faite par la réglementation thermique 2000 aux immeubles tertiaires neufs d’utiliser un fort pourcentage de sources à basse consommation. Rien n’existe concernant les « logements neufs » et encore moins la rénovation. Le secteur tertiaire public qui couvre 10 % environ du marché de l’éclairage utilise peu de sources performantes dans ses immeubles anciens. Pourtant, il pourrait avoir un effet d’entraînement sur l’ensemble du marché. On estime qu'une réduction de 30 % est possible sur le poste éclairage, à qualité égale. La France se situe extrêmement mal entre les pays européens pour l’usage des sources les moins consommatrices (moins de 10 % du marché), bien loin des pays d’Europe du Nord où les sources « basse consommation » couvrent près de 90 % du marché, et plus proche de pays comme la Grèce ou le Portugal. Parmi les nouvelles technologies on peut citer les lampes à diodes (LED, OLED) qui sont dans une phase de développement. Ces lampes ont un meilleur rendement en lumière que les lampes fluorescentes. Quelques applications existent dans des créneaux particuliers et il y a donc déjà de petits marchés. Cette technologie paraît particulièrement prometteuse pour l’avenir. La diffusion de matériels de ce type obéira, évidemment, à la même problématique que celle des lampes « basse consommation » qui peine toujours à s’imposer au bout de 30 ans. Enfin, à l'image du chauffage basse température ou l'augmentation de la surface d'échange permet la diminution de la température, une augmentation des surfaces éclairantes devrait être permettre une réduction de la consommation et apporter un meilleure confort visuel.

C11

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BRIQUE N°13 : ARCHITECTURE GLOBALE INTEGREE Toutes les briques décrites précédemment peuvent présenter des performances intrinsèques remarquables mais l'objectif final restant la performance du bâtiment; seule une approche globale permettra un assemblage optimal pour atteindre l'objectif d'un bâtiment confortable toute l'année au moindre coût en énergies fossiles. De plus, la conception architecturale intégrée permet de considéré le bâtiment dans son environnement local (vent, ensoleillement, température sèche et humides, sol …). Dans cette brique seront donc analysés les principes dits du "solaire passif", de "l'architecture bio-climatique" avec prise en compte des scénarii possibles de ventilation naturelle, d'éclairage naturel, l'intégration des murs solaires et des puits canadiens et provençaux qui pourraient couplés avec d'autre briques décrites précédemment. Cette brique importante revêt un caractère original par rapport aux précédentes car elle ne s'intéresse pas à un objet technique mais plutôt à une démarche d'intégration, une approche globale pour réaliser un produit "bâtiment" performant.

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REFERENCES : 1 : Stratégie et moyens de développement de l'efficacité énergétique et des sources d'énergie renouvelables en France - Rapport au Premier ministre - Yves COCHET - La Documentation française; 2000;183 pages www.ladocumentationfrancaise.fr/rapports-publics/014000086/index.shtml 2 : Débat national sur les énergies -Rapport du Comité des Sages, Pierre Castillon, Mac Lesggy, Edgar Morin -Remis à Nicole Fontaine, Ministre déléguée à l’Industrie – 12/09/2003 www.industrie.gouv.fr/debat_energie/site/pdf/rapport-sages.pdf 3 : Rapport de Jean Besson - Parlementaire en mission sur le Débat national sur les énergies Remis à Nicole Fontaine, Ministre déléguée à l’Industrie – 8/10/2003 www.industrie.gouv.fr/debat_energie/site/pdf/rapport-besson1.pdf 4 : Nouvelles technologies de l’énergie – Rapport Gagnepain Proposition de Programme de Recherche Direction de la Technologie - 15 février 2005 www.industrie.gouv.fr/energie/prospect/pdf/rapport-gagnepain.pdf 5 : Nouvelles technologies de l’énergie – Rapport Thierry Chambolle www.industrie.gouv.fr/energie/prospect/pdf/rapportnte.pdf 6 : Recherche et Développement sur les économies d'énergie et les substitutions entre énergies dans les bâtiments, Rapport Conseil Général des Ponts et Chaussée, N° 2004-0189-01-juin 2005- établi par Jean Orselli. http://lesrapports.ladocumentationfrancaise.fr/BRP/054000567/0000.pdf http://www2.equipement.gouv.fr/rapports/archive_r/hab_r.htm 7 : Les Politiques de l'urbanisme et de l'habitat face aux changements climatiques : Avis et rapports du Conseil Economique et Social présenté par M. Paul de Viguerie – Séance des 25 et 26 avril 2006. www.conseil-economique-et-social.fr 8 : Le Logement de Demain, pour une Meilleure Qualité de vie : Avis et rapports du Conseil Economique et Social présenté par Mme Cécile Felzines – Séance des 13 et 14 décembre 2005 www.conseil-economique-et-social.fr 9 : Rapport Nouvelles Technologies de l'Energie, Proposition de Programme de Recherche - Direction de la Technologie -15 février 2005 - www.recherche.gouv.fr 10 : Habitat et développement durable – Les perspectives offertes par le solaire thermique - Jean-Pierre Traisnel, www.iddri.org/iddri/telecharge/cahier-du-clip/clip_16.pdf 11 : Habitat et Développement Durable, Bilan rétrospectif et prospective, Jean-Pierre Traisnel, Bruno Peuportier, Alain Bornarel www.iddri.org/iddri/telecharge/cahier-du-clip/clip_13.pdf 12 : Livre Vert sur l'Efficacité Energétique : Comment Consommer Mieux avec Moins : Commission Européenne – Direction Générale de l'Energie et des Transports. 13 : Produire son énergie, c’est possible : Le Moniteur Environnement – Hors Série -Avril 2002 14 : La Maison Passive : Introduction pour les architectes et les futurs maîtres d'ouvrage, Adeline Guerriat, Institut Supérieur d'Architecture de la Communauté Française La Cambre 15 : Le bâtiment à énergie positive – Futuribles – n° 05, janvier 2005 – www.futuribles.com 16: Le développement durable – Futuribles – n°315, janvier 2006 17 : Les chiffres clés du bâtiment - Données et Références - Edition 2004 - ADEME 18 : Smart Materials & Technologies for the Architecture and Design Professions, Michelle Addington & Daniel Schodek – Harvard University – Architecture Press Elsevier -2005 19 :Matériaux Emergents, Christian Janot & Bernhard Ilschner, Presse Polytechniques et Universitaire Romandes. 20 : Rapport sur l’environnement 2005 – ROCKWOOL – www.rockwool.fr 21 : L’Architecture écologique – 29 exemples européens, Dominique Gauzin-Muller, Le Moniteur – Paris : 2001 22 : L’avenir du chauffage … sa disparition ? L’exemple des maisons passives allemandes : Chaud-FroidPlomberie, n°651, novembre 2002. 23 : Fraîcheur sans clim' : Le guide des alternatives écologiques

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Thierry Salomon, Claude Aubert – Terre Vivante 24 : Vers l'autonomie énergétique des bâtiments, CSTB Magazine, n°142, juillet-août 2002. 25 : Logements à Faibles Besoins en Energie - Guide de recommandations et d’aide à la conception - Région Rhône-Alpes ADEME - ODH 26 Conseil Général de Savoie Cabinet Olivier SIDLER 26 : La Maîtrise de la Demande d’Electricité - Olivier SIDLER - ENERTECH - Association Négawatt - Paris - 25 avril 2003 27 : L’Inertie thermique en climat méditerranéen. Confort et consommations d’énergie Colloque - 15 Mai 2003 – Montpellier - Olivier SIDLER – ENERTECH 28 : Vers des bâtiments à énergie positive –7ème Festival Images et Sciences – 2-11 mars 2004 - Energies du futur - Claude Pompéo, Hébert Sallée, Daniel Quenard - CSTB Grenoble. 29 : La Maison des [néga]watts, Le guide malin de l’énergie chez soi », Thierry Salomon et Stéphane Bedel, Terre Vivante, 2003. 30 : Etude expérimentale des appareils électroménagers à haute efficacité énergétique placés en situation réelle, projet Ecodrome, programme SAVE, rapport final, ENERTECH Cabinet Olivier Sidler, janvier 1998. 31 : Bâtiments de logements HQE® économes en énergie et en eau, programme ReStart, Evaluation des performances, Suivi lourd, rapport final, ENERTECH Cabinet Olivier Sidler, Avril 2004. 32 : Eco-conception des bâtiments, Bruno Peuportier, Les Presses Ecole de Mines de Paris, 2003 33 : Enormous Potential for Passive and Lowest-Energy Houses », Press release of Fraunhofer Institut of Solare Energiesysteme, July 2004. 34 : Passive house projects in Belgium - Erwin Mlecnik - Passiefhuis-Platform vzw www.passiefhuisplatform.be 35 : Energy savings in retrofitted dwellings: economically viable? G. Verbeeck, H. Hens Energy & Buildings - 2004 36 : Energy savings in Danish residential building stock, H. Tommerup, S. Svendsen - Energy & Buildings 2005 37 : Coûts et Bénéfices : Protection Thermique des Bâtiments – CEPE-ETH Zurich – OFEN – Suisse 38 : Dossier : Vers l'habitat à énergie positive, Energie et Développement Durable Magazine, n°11, avril-mai 2006 39 : Riding down the experience curve for energy-efficient building envelopes: the Swiss case for 1970–2020 Martin Jakob and Reinhard Madlener - Int. J. Energy Technology and Policy, Vol. 2, Nos. 1/2, 2004 153 40 : Marginal costs and co-benefits of energy efficiency investments - The case of the Swiss residential sector - Martin Jakob - CEPE-ETH - CH - Energy Policy 41 : Mobilisation des potentiels de rénovation dans les bâtiments d’habitation - Rapport concernant l’état des travaux sur mandat de l’OFEN et de l’OFL - Walter Ott -Yvonne Kaufmann, econcept AG, Zurich & Martin Jakob, CEPE, Zurich - Cahier des journées du 13e séminaire suisse 2004 «Energie- und Umweltforschung im Bauwesen», les 9 et 10 septembre 2004 à l’EPF Zurich 42 : Breaking the “heating barrier” - Learning from the first houses without conventional heating, Robert Hastings - Energy and Buildings 36 (2004) 373–380 43 : Mitigation of CO2 Emissions from the Building Stock - Beyond the EU Directive on the Energy Performance of Buildings - ECOFYS-study - EURIMA, 45 : Towards Energy Efficient Buildings in Europe - Final Report June 2004 with Update of Annexes July 2005 - Rod Janssen - Energy Consultan t- London, UK 46 : Cost-Effective Climate Protection in the EU Building Stock - Report established by ECOFYS for EURIMA 47 : The Contribution of Mineral Wool and other Thermal Insulation Materials to Energy Saving and Climate Protection in Europe - Report established by ECOFYS for EURIMA - European Insulation Manufacturers Association 48 : Assessment of Potential for the Saving of Carbon Dioxyde Emissions in European Building Stock – Report prepared for the EuroACE by Caleb Management Services - May 1998 -

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49 : The cost Implications of Energy Efficiency Measures in the Reduction of Carbon Dioxyde Emissions from European Building Stock – Report prepared for the EuroACE by Caleb Management Services - The European Alliance of Companies for Energy Efficiency in Building - December 1999 50 : L’importance fondamentale de l’isolation des bâtiments pour l’environnement – EURIMA - European Insulation Manufacturer Association. 51 : Vacuum Insulation Panels – Study on VIP-components and Panels for Service Life Prediction in Building Applications, Annex 39 “HiPTI – High Performance Thermal Insulation” of IEA/ECBCS-Implementing Agreement, Report on Subtask A, 2005. 51 : Vacuum Insulation in the Building Sector, Systems and Applications, Annex 39 “HiPTI – High Performance Thermal Insulation” of IEA/ECBCS-Implementing Agreement, Report on Subtask B, 2005 52 : Solar Electric Power - The U.S. Photovoltaïc Industry Rodamap, Produced and printed by the United States photovoltaics industry. Facilitated by the National Center for Photovoltaics. Prepared by Energetics, Incorporated, Columbia, Maryland, under contract to Sandia National Laboratories - Reprinted May 200153 : Overview of “PV Roadmap Toward 2030 2030”, PV2030, June 2004- New Energy & Industrial Technologye Development Organisation (NEDO) New Energy Technology Development Department 54 : Letting the Sun Shine on Solar Costs: An Empirical Investigation of Photovoltaic Cost Trends in California, Ryan Wiser, Mark Bolinger, Peter Cappers, and Robert Margolis Environmental Energy Technologies Division, January 2006 - LBNL-59282 - NREL/TP-620-39300 55 : PV Status Report 2005 - Research, Solar Cell Production and Market Implementation of Photovoltaics August 2005 - Arnulf Jäger-Waldau - European Commission, DG JRC, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit - Ispra, Italia 57 : U.S. Climate Change Technology Program – Technology Options for the Near and Long Term November 2003 – Page 21-28 http://www.climatetechnology.gov/library/2003/tech-options/tech-options.pdf 58 : Nanotechnology in Construction -1st International Symposium in Construction Glasgow- 2003 University of Paisley 59 : Nanotechnology helps solve the world’s energy problems - NANOFORUM – avril 2004 60 : FP7 Research Priorities for the Renewable Energy Sector - EUREC Agency, March 2005 -www.erecrenewables.org 61 : Energy Technology Futures – Canada – www.energy.ca 62 : Energy Transition - www.senternovem.nl/EnergyTransition/Index.asp www.energytransition.info 63 : Tecnology Roadmaps http://www.eere.energy.gov/buildings/tech/roadmaps.html - Roadmap : Building Envelope - Roadmap : Windows - Roadmap : Vision & Lighting - Roadmap : High Performance Commercial Building - Roadmap : Advanced Panelized Construction - Roadmap : HVAC 64 : The Promise of Solid State Lighting for General Illumination – Light Emitting Diode (LEDS) & Organic Light Emitting Diode (LEDS) - Conclusions and Recommendations from OIDA Technology Roadmaps - Cosponsored by DOE (BTS) and OIDA – Optoelectronic Industry Development Association. 65 : Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities International Energy Agency - Photovoltaic Power Systems Programme -European Photovoltaic Industry Association 66 : A Vision for Photovoltaic Technology Report by the Photovoltaic Technology Research Advisory Council (PV-TRAC) - Directorate-General for Research Sustainable Energy Systems - EUR 21242 - 2005 67 : Sustainable Solar Housing - Marketable Housing for a better Environment IEA - SHC Task 28 / ECBCS Annex 38 http://www.iea-shc.org/task28/index.html 68 : Ecosystems and Human Well-Being – Millenium Ecosystem Assessment - www.maweb.org

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69 : From Cradle to Cradle : Remaking the Way we Make Things - William McDonough & Michael Braungart – North Point Press – 2002. 70 : Natural Capitalism – Creating the Next Industrial Revolution – Paul Hawken – Amory Lowins – L. Hunter Lovins – Little , Brown & Co – 1999 71 : Factor 4 – Doubling Wealth – Halving Resource Use, Ernst von Weizsacker, Amory B Lovins, L. Hunter Lovins, Earthscan Publi. Ltd, London – 1999 72 : Buildings Technology in the Vanguard of Eco-efficiency - Keynote Speech - Ernst Ulrich von Weizsäcker, MP - The 2005 World Sustainable Building Conference in Tokyo on 27 September, 2005 73 : Steps towards a sustainable development - A White Book for R&D of energy-efficient technologies Eberhard Jochem (Editor) - March, 2004 - www.energie-initiative.net 74 : Habitations Solaires Photovoltaïques – Stratégie Japonaise de Commercialisation axée sur l'efficience, Masa Noguchi, Centre de la technologie de l’énergie de CANMET - Varennes 75 : Une revue de projets et mesures visant les maisons solaires à consommation nulle ou faible d'énergie, Rémi Charron, Centre de la technologie de l’énergie de CANMET – Varennes 76 : Smart Energy Efficient Building http://www.ntnu.no/em/fokus/smartbygg/prosjekt_rapp.htm 77 : Bienvenue dans la maison du futur Le Journal du CNRS - N°190 - Nov-Déc 2005 http://www2.cnrs.fr/presse/journal/2524.htm 78 : Bâtiment et Energie – Objectif Basse Consommation Environnement Magazine – Dossier – N° 1644 – Janvier-Février 2006 79 : Bâtiment et Effet de Serre – le chantier de l'isolation dans les bâtiments existants – ENPC Atelier Changement Climatique – 2004-2005 - http://climweb.free.fr http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/ 80 : Comparaison des règlements thermiques de la France et l’Allemagne - ENPC - Atelier Changement Climatique – 2002-2003 - http://climweb.free.fr http://www.enpc.fr/fr/formations/ecole_virt/trav-eleves/cc/ 81 : Maîtriser les Consommations d'énergie et réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l'habitat existant en France – Colloque CAH- 2003 - www.cah.asso.fr 82 : Mieux répondre aux attentes des particuliers pour réduire la consommation d'énergie de leur logement – Colloque CAH- 2005 - www.cah.asso.fr 83 : Amélioration Energétique des Bâtiments Existants : les bonnes solutions – COSTIC – FFB – ADEME – 2004 – www.sebtp.com 84 : Les consommations d'énergie des bâtiments existants, Projet de Fin d'Étude de Stéphane Nuss Strasbourg (ENSAIS) - Mai 2002 – CoSTIC - http://www.costic.asso.fr 85 : Towards a Climate-Friendly Built Environment, Marilyn A. Brown,Frank Southworth -Therese K. Stovall, ORNL, Oak Ridge National Laboratory, Prepared for the Pew Center on Global Climate Change June 2005 86 : International Survey of Building Energy Codes www.greenhouse.gov.au/energyefficiency/buildings 87 : The potential impact of zero energy homes NREL – NAHB - February 2006 www.toolbase.org

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SITES WEB : Gouvernement Conseil Economique et Social www.conseil-economique-et-social.fr Mission Interministériel sur l'Effet de Serre – MIES www.effet-de-serre.gouv.fr Plan climat 2004 http://www.ecologie.gouv.fr Ministère de l'Économie, des finances et de l'industrie, et notamment la Direction générale de l'énergie et des matières premières (DGEMP), http://www.minefi.gouv.fr/themes/energie_mat_premieres/energie/index.htm Direction Générale de l'Énergie et des Matières Premières http://www.industrie.gouv.fr/energie/sommaire.htm Aides et Crédits d'impôt http://www.industrie.gouv.fr/energie/developp/econo/textes/credit-impot-2005.htm www.anil.org www.cler.org/aides http://www.ademe.fr/particuliers/Fiches/aides_financieres/index.htm http://www.habitatdeveloppement.fr www.cah.asso.fr www.anah.fr Organismes Nationaux et Internationaux GIEC : Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat http://www.ipcc.ch Réseau Action Climat France www.rac-f.org Site d'Ispra sur l'Efficacité Energétique http://energyefficiency.jrc.cec.eu.int Technologies www.toolbase.org http://www.advancedbuildings.org/ Bâtiments Basse Consommation, Passifs voire à énergie positive www.passiv.de www.minergie.ch http://www.plusenergiehaus.de http://www.rolfdisch.de http://www.sonnenschiff.de http://www.weberhaus.de www.schwoerer.de http://www.associations.ca/nzeh/index.html http://www.sterlinghomesgroup.com/drake/index.html www.solarbau.de http://www.passiefhuisplatform.be www.energytech.at Renovation Bureaux d'Etudes www.eboek.de/literatur.html www.viriden-partner.ch Projet Solanova www.usf.uni-kassel.de/usf/forschung/projekte/solanova.en.htm http://www.solanova.energia.bme.hu Integrated ecological and energy-oriented refurbishment of service buildings http://www.energyagency.at/(en)/projekte/lcc_eco.htm Projet INTEREB – Rénovation énergétique des bâtiments

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http://www.fedarene.org/Best_Practices/Documents/Intereb/Intereb_guide.pdf http://www.rhonalpenergie-environnement.asso.fr Eclairage Syndicat de l'Eclairage www.feder-eclairage.fr

http://www.syndicat-eclairage.com

Associations European Insulation Manufacturer Association www.eurima.org European Alliance of Companies for Energy Efficiency in Buildings www.euroace.org European Renewable Energy Council www.erec-renewables.org European Council for an Energy-Efficient Economy. www.eceee.org Assiciation Technique Energie Environnement www.atee.fr Institut des Bioénergies www.itebe.org Syndicat National des Fabricants d'Isolants en Laines Minérales Manufacturées www.filmm.fr Association PROMO PSE : principaux acteurs de la chaîne de fabrication du polystyrène expansé (PSE) www.promo-pse.com Association Negawatt www.negawatt.org Association Isolons la Terre www.isolonslaterre.org Association HQE www.assohqe.fr Association AMORCE www.amorce.asso.fr/ Fédération des Associations Régionales pour les Nouvelles Energies www.fedarene.org Centre d'Information sur l'Energie et l'Environnement http://www.ciele.org Comité de Liaison Energies Renouvelables http://www.cler.org/predac/ Syndicat des Energies Renouvelables http://www.enr.fr Plate-formes Technologiques Européennes European Construction Technology Platform (ECTP) www.ectp.org European Solar Thermal Technology Platform www.esttp.org Photovoltaic Technology Platform www.eupvplatform.org Baromètre EurObserv'ER http://ec.europa.eu/energy/res/publications/barometers_en.htm Commissionnement www.commissioning-hvac.org/ www.commissionnement.org Directives – Réglementations Européennes http://www.enper.org www.enper-exist.com http://www.epbd-ca.org www.buildingsplatform.org www.inive.org Pompes à Chaleur Association Française pour les Pompes à Chaleur http://www.afpac.org IEA- HPP - Testing and calculation of combined heat pump systems www.annex28.net/index.htm Site ADEME-BRGM www.geothermie-perspectives.fr Climatisation à Haute Efficacité Energétique et à Faible Impact Environnemental http://www.cenerg.ensmp.fr/francais/themes/syst/html/bsyst.htm

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Cogénération- Réseau de Chaleur www.petitecogeneration.org www.cogen.org www.cogen-challenge.org www.dgfer.org http://www.viaseva.com www.iea-dhc.org http://www.fg3e.fr http://www.semhach.fr/sommaire.htm http://www.veoliaenvironnement.com/fr/metiers/energie/

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie

C2- PAROIS OPAQUES MURS, TOITURES, PLANCHERS A HAUTE PERFORMANCE THERMIQUE EN AUTRICHE, AU DANEMARK ET EN ALLEMAGNE Auteurs : Hafiane Cherkaoui (hafiane.cherkaoui@cstb.fr) avec la participation de Marc Colombard-Prout (marc.colombard-prout@cstb.fr)

Experts : Svend Svendsen (Université Technologique du Danemark), Fritz Oetll (Architecte – POS Architekten – Autriche)

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INTRODUCTION L’étude a pour objet d’évaluer les solutions techniques des Procédés d’Isolation à Haute Performance Thermique (PIHPT) pratiquées à l’étranger pour l’isolation thermique, voire l'inertie thermique, des parois opaques et d’analyser les conditions de leur transposition en France. Le champ de l’étude a été limité à trois pays européens, l’Autriche, le Danemark et l’Allemagne où des solutions très performantes en termes d’isolation thermique sont déjà mises en application. Seuls, l’Autriche et le Danemark ont fait l’objet d'une analyse par des experts extérieurs, les informations sur l’Allemagne sont issues en partie de l’étude sur les programmes d’opérations performantes et de données fournies par des industriels de l’isolation.

FICHE RESUME Composant, sous-ensemble étudié

Paroi avec U < 0,2 W/m²°K - sol, mur et toiture

Pays

Autriche

Procédures

Subvention pour la R&D et les opérations de Besoin de règles de calcul (Codes) dans les activités de recherche et de démonstration. Les aides à la pierre attribuées par les Landër développement

Référence : maison passive

notamment sur la base performances énergétiques.

Danemark

critères

de Simulation de la consommation d’énergie dans le bâtiment existent.

Ministère fédéral des transports, de l’innovation et de la technologie (BMVIT) ; la société Autrichienne pour l’Environnement et la Technologie (ÖGUT) et avec une forte mobilisation des industriels et des professionnels.

Gouvernement et compagnies de distribution d’énergie Secteur du bâtiment: propriétaires, fabricants de matériaux de construction, consultants, entrepreneurs. Instituts de recherche et de développement.

14 opérations de démonstration et près de 1000 maisons passives à la fin de 2005. Consommation énergétique réduite de 60kWh/(m².a) à 40 kWh/(m².a) pour les Principaux bâtiments à basse consommation et à 15 résultats kWh/(m².a) pour les maisons passives (maisons individuelles, logements collectifs et non résidentiels, jardin d’enfant, écoles, bureaux, bâtiment industriels et églises, ..) Recours aux meilleures technologies courantes, les produits systèmes et technologie à basse consommation et les solutions pour les bâtiments passifs sont simples et disponibles pour tous. Possibilité de Adaptation des systèmes de double flux ainsi transposition en développés, Soucis des détails techniques de conception et France de mise en oeuvre, Dispositifs d’évaluation, Dispositifs de mobilisations des acteurs privés, Structure des programmes de R&D et nature des opérations de démonstration,

Des bâtiments avec une enveloppe avec des coefficients de transferts thermiques inférieurs à 0.2 W/m2K ont été réalisés comme avec des solutions courantes en neuf ou en rénovation.

Acteurs principaux

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Le développement et l’utilisation de parois avec des valeurs du coefficient U de 0.1 W/m2K ont commencé. Pas de difficultés majeures : besoin de développer l’isolation à haute performance thermique.

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Modalités de financement et de subvention au niveau national et régional permettant d’atteindre une part significative du marché, Changement dans les comportements dans les processus de prise de décisions Partenaire mobilisé

Fritz Oetll : architecte – POS Architekten

Svend Svendsen : professeur Département de Géni Civil de l’université “technique” du Danemark.

C.2.1 CONTEXTE, ANTERIORITE, DYNAMIQUES D’ACTEURS CONTEXTES NATIONAL ET LOCAL Autriche Le contexte autrichien est très spécifique, notamment en ce qui concerne le financement du logement basé sur des aides à la pierre pour le secteur locatif comme pour l’accession à la propriété attribuées par les Landërs. Ces aides bénéficient à 80% de la population (voir le rapport sur les programmes R&D en Autriche qui développent l’analyse des spécificités du contexte autrichien). En Autriche, les expériences pilotes qui ont été prises comme références sont les maisons et bâtiments passifs réalisés en Allemagne et dans les pays scandinaves (en particulier en Suède). Le secteur résidentiel des maisons individuelles représente 50 % du marché en neuf et constitue donc une part importante du potentiel d’économie d’énergie. De plus, c’est le domaine où la sensibilisation par rapport au coût de l’énergie est la plus marquée. Les conditions du développement,en Autriche, des procédés d’isolation à haute performance thermique (PIHPT) peuvent être résumées comme suit : - Des régions en zone alpine (environ 80%) avec des hivers longs, - Une grande différence entre les régions rurales et urbaines : pour le rural, le chauffage est individuel et essentiellement au fioul avec une forte sensibilité au coût de l’énergie. Pour l’urbain, le chauffage est essentiellement fourni par des chaudières gaz ou des réseaux de chaleur alimentés par des chaudières d’incinération de déchets. - Une sensibilisation à la dépendance par rapport à l’approvisionnement : par exemple, les difficultés récemment rencontrées pour l’acheminement du gaz de la Russie, - Une forte dépendance à l’énergie fossile importée (fioul, gaz), - Le refus du nucléaire : en efet, l’Autriche est le seul pays à avoir construit une centrale nucléaire qui n’a jamais été mis en service et qui ne peut pas développer l’hydraulique (barrages) à cause de l’opposition de la population à la défiguration du paysage. - Un coût élevé de l’énergie : surcoût du transport pour le rural et surcoût lié aux réseaux et à leur maintenance pour les zones urbaines, - Une forte sensibilisation de la population aux questions environnementales qui, en l’absence d’alternatives, se focalisent sur les bâtiments à faibles consommations énergétiques et le recours aux énergies renouvelables, - Un code du bâtiment peu descriptif et très ouvert à l’innovation : durant les dernières années, les critères d’attributions des aides à la pierre en Autriche ont évolué rapidement en exigeant une faible consommation énergétique (inférieure à 45 kWh/m².an), voire moins dans certaines régions pour le neuf. Les bâtiments de référence sont les maisons passives avec aujourd’hui un objectif de 20% de part du marché d’ici 5 ans. - Une sensibilisation au niveau des autorités : Programme national pour la R&D pour la conception et la durabilité des bâtiments mais aussi pour l’environnement. Au niveau local, certaines actions sont menées pour combiner l’efficacité énergétique et les aspects écologiques. Les budgets dédiés à ces activités restent très significatifs à l’échelle de la taille du pays. - Un aspect réglementaire : la certification des performances énergétiques dans le cadre de la Directive Européenne sur les Performances Energétiques du Bâtiment est entrée en vigueur en 2006.

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Les instituts de recherche qui ont contribué au développement des procédés sont principalement des établissements privés mais aussi des organsimes publics, fortement impliqués comme l’OIB (Organisme Autrichien de la Construction). Danemark Les principales caractéristiques du contexte national et local qui ont favorisé le développement des procédés d'isolation à haute performance thermique (PIHPT), sont les suivantes : - Incitation au développement et à l’usage des PIHPT par la R&D et les taxes sur l’énergie, - Exigences du code du bâtiment pour l’utilisation des PIHPT. Le transfert de ces procédés de la R&D au développement industriel résulte de recommandations d’instituts de recherche ou de centre d’information ainsi que d’une coopération directe entre R&D et industrie de la construction. Les caractéristiques du contexte de développement de ces procédés peuvent s’expliquer par différents facteurs : - Un climat relativement froid vu la situation géographique du pays, avec 3000 degré jours. - Le Danemark produit actuellement plus de pétrole et de gaz qu’il n’en consomme mais il devra à nouveau dans le futur importer de l’énergie d’origine fossile. - Le Danemark s’est engagé de réduire de 21 % les émissions à effet de serre. - Les contraintes sociétales se traduisent par des exigences renforcées dans le code du bâtiment - Les sociétés qui produisent les isolants constituent un lobby important (Rockwool …). - Le coût de l'Energie du chauffage pour les bâtiments de 0,1 euro par kWh (fioul ou gaz, taxe comprises) - Parmi les conditions favorables, on peut citer les règles de construction qui sont basées sur des performances à atteindre et sur des descriptions de techniques et de solutions. - Dès les années 60, le code du bâtiment a mis en place des exigences sur les performances thermiques pour l’enveloppe des bâtiments neufs. - Politiques : actuellement l’incitation aux économies d’énergie est prise en charge par les compagnies de distribution d’énergie qui financent cette activité en ajoutant un léger surcoût au prix de l’énergie. - Au niveau local, certains groupes ont convaincu des collectivités locales à mettre en place des exigences spéciales pour des bâtiments qui sont réalisés sur le foncier vendu par la collectivité locale ; ceux-ci doivent avoir des performances énergétiques supérieures à celles qui sont exigées par le code du bâtiment. - Recherche : certains programmes de recherche ont financés le développement de maisons à hautes performances énergétiques. Allemagne En Allemagne, la période de chauffe dure environ 6 mois, de novembre à avril. Le pays est autonome pour sa consommation en électricité mais le chauffage électrique est quasiment inexistant. Néanmoins, pour le chauffage, l’Allemagne est complètement dépendante d’autres pays (gaz, fioul, essentiellement). Le charbon est encore un peu employé. La conscience écologique des habitants est relativement développée ce qui conduit à une politique volontariste de l’Etat pour atteindre les objectifs fixés par le protocole de Kyoto. Les règles de construction sont favorables, la première Réglementation Thermique, visant à économiser de l’énergie date de 1985. La réglementation actuelle ne fixe pas d’objectifs pour les éléments pris séparément, mais un seuil pour le bilan énergétique de l’ensemble de la construction. De plus, l’étanchéité à l’air de la construction est également imposée (volume d’air échangé ≤ 1,5 fois le volume total du bâtiment pour une différence de pression de 50 Pa; pour une construction avec VMC, ou ≤ 3 fois le volume total pour une construction sans VMC). Les incitations financières sont régionales et différentes d’un Lander à l’autre. ANTERIORITES ET ORIGINES DES PROCEDES D’ISOLATION DE HAUTE PERFORMANCE THERMIQUE APPLIQUES AU MUR OPAQUE D’UN BATIMENT.

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Autriche Les premières maisons passives ont été construites en 1995 à des fins de démonstration. Ces premières maisons passives sont décrites avec des informations sur les détails de construction dans les catalogues industriels d’isolation en 1998. Les acteurs pionniers pour développer les maisons passives ont tout d’abord été un petit groupe d’une vingtaine d’architectes et d’experts qui ont débuté leur action en 1993 par des séminaires. Parallèlement, les fabricants de matériaux d’isolation ont crée une organisation pour promouvoir une meilleure qualité thermique du bâtiment afin d’atteindre les objectifs du Kyoto et développer l’emploi dans le secteur de la construction. Une étude réalisée en 1994 a constitué un outil important pour convaincre les gouvernements fédéraux et régionaux d’engager des actions pour améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. Cela a même débouché sur émulation entre les régions, voire une compétition. De 1998 à 2001, 84 maisons individuelles et appartements ont été construites, évaluées et documentées. Ces réalisations ont contribué à la diffusion efficace de l’information sur l’intérêt du sujet. Par la suite, une action importante a été lancée avec un programme fédéral nommé ”Haus der Zukunft – Maison du Futur” par le ministère pour l’innovation et la technologie. Actuellement, 151 projets de R&D associant économie d’énergie et écologie sont achevés et parmi ceux-ci, 35 bâtiments démonstratifs jouent un rôle important pour la prise de conscience collective. Ces projets ont permis le développement de produits et labels actuels associés au concept des maisons passives ou bâtiment à faible consommation énergétique. Parmi les paramètres adoptés, l’épaisseur minimale de l’isolant de 35 cm est l’un des plus emblématiques.

Surface utile des bâtiments passifs en Autriche en avril 2006, résidentiel, bureaux et bâtiments publics (source: IG Passivhaus Österreich).

Histogramme : nombre de maisons passives construites en Autriche : total (en orange) ; documentées (en rouge) Soit 1,8% pour 2002, 3% pour 2003 du total des (source: IG Passivhaus ÖSterreich) nouvelles surfaces utiles dans le secteur résidentiel (dernière source disponible de Statistik Austria). D’où une tendance croissante de la proportion des maisons passives. Danemark Rappel historique : Au sein de l’université technique du Danemark (DTU), le laboratoire d’isolation thermique a été crée en 1959. Il a eu un rôle précurseur dans la recherche et le développement sur les économies d’énergie des bâtiments neufs et existants, avec une spécialisation sur l’amélioration de l’isolation des bâtiments. Dans les années 60, un important projet expérimental a démontré la possibilité, sans risque de développement des moisissures, de remplir les cavités de parois avec les matériaux d’isolation et de contribuer ainsi à une amélioration significative des performances thermiques des parois. Après la crise pétrolière de 1973, une maison à consommation énergétique zéro, avec une enveloppe à forte isolation, a été développée et construite en 1975 sur le campus pour démontrer la possibilité de résoudre le problème de l’approvisionnement énergétiques par les économies d’énergie.

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Ce projet s’est poursuivit par un projet de R & D sur la période 1976-1984 où 7 maisons individuelles ont été développées, construites et évaluées. La consommation annuelle pour le chauffage et l’eau chaude a été de 5000 kWh environ (pour des surfaces de sol de 140 m², soit 36 kWh/m²). Les épaisseurs d’isolants étaient de 20 à 50 cm avec des coefficients U de 0,20 à 0,10 W/(m²K). Les constructions ont été réalisées en utilisant à la fois des techniques traditionnelles et de nouveaux systèmes d’ossatures porteuses en bois. Bien que les bâtiments expérimentaux atteignaient les performances attendues et étaient attractifs pour le marché, ces exigences n’ont pas été intégralement transposées dans les mises à jour du code de la construction. En effet, le code de 1985 avait seulement une exigence de 0,35 W/m²K pour les murs en briques. La raison de cette application lente des résultats de R & D dans le code du bâtiment résultait en général du conservatisme du secteur du bâtiment et d’une focalisation sur les nouveaux systèmes de production énergétiques (charbon, cogénération, réseaux de chaleur, production nationale du gaz et du pétrole) dans le programme énergétique national des années 80. En 1990, un nouveau programme national a été lancé avec le but de réduire la charge de chauffage pour les bâtiments neufs de 50% par des exigences dans le code du bâtiment de 1995 (25%) et de 2005 (25%). Les activités de R & D ont été financées pour préparer les bases techniques afin d’introduire les exigences dans le code du bâtiment. De 1995 à 2005: le coefficient de transmission thermique U d’environ 0,20 W/m²K a été introduit dans les exigences thermiques du code du bâtiment. Parallèlement, la Directive Européenne pour la Performance Energétique du Bâtiment a été mise en place au Danemark et les performances énergétiques sont donc exprimées sur la base de la consommation énergétique globale du bâtiment. En même temps, les exigences sont devenues plus strictes et des coefficients plus faibles sont fréquemment utilisés. Dans le code de 1995, les exigences sur la valeur U pour l’enveloppe du bâtiment était de 0,20 W/m²K, 0,30 W/m²K pour des parois lourdes (murs) et 0,15 W/(m²K) pour les toitures inclinées (rampants). En se basant respectivement sur les activités R & D réalisées de 1995 à 2005, et sur les coopérations entre les instituts de recherche et le secteur de la construction (fabricants de matériaux et composants de procédés à faibles consommation d’énergie et différents constructeurs de maisons) un programme de réduction du chauffage a été introduit dans le code de 2006. Les exigences pour le neuf sont exprimées par un cadre énergétique. Pour les bâtiments neufs ou les rénovations lourdes, les exigences sur le coefficient U sont les suivantes : U W/m²K Murs (lourds et légers)

0,20

Planchers

0,15

Planchers avec planchers chauffants

0,12

Toitures

0,15 Coefficients U au Danemark

Ces valeurs recommandées ne sont pas exigées dans les bâtiments neufs mais elles peuvent être utilisées comme indicateurs pour les valeurs U à atteindre sur une base volontaire. On peut remarquer que ces valeurs sont équivalentes, voire supérieures à celles exigées par le label suisse Minergie. En plus des valeurs requises, le code défini deux classes pour les maisons à basse consommation énergétique avec un coefficient de consommation énergétique réduit de 25% et 50%. Ces exigences sont volontaires mais sont programmées par le gouvernement pour devenir obligatoire d’ici 2010 et 2015. L’idée est d’une part, d'encourager la construction de bâtiments plus perdormants que ceux qui respectent la réglementation et d’autre part développer la prise de conscience du secteur de la construction pour qu’il se prépare au changement dans les délais requis. A l’avenir, des valeurs de U encore plus faibles, proche de 0,1 W/(m²K) vont devenir des valeurs types dont le but d’économiser l’énergie dans le bâtiment.

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La base de développement des enveloppes à hautes isolation a été réalisé par les industriels de la construction, les fabricants de matériaux d’isolants et de composants qui ont mis sur le marché leur produits ou par le biais de projets RD financé par des fonds publiques.. Les acteurs clés ont été les grandes entreprises, les centres de recherche et les PME qui ont contribué d’une manière importante en tant que contractants pour la mise en œuvre. La mise en œuvre des PIHPT est de même nature que la construction traditionnelle avec des épaisseurs plus importantes, l’isolation par l’extérieur étant courante au Danemark. Le processus de conception des PIHPT est identique à celui utilisé par les industriels pour développer de nouveaux produits en améliorant leurs performances. Dans certains cas, les projets de recherche et de développement ont été les catalyseurs du processus. Allemagne Les initiateurs des premières constructions allemandes du type maisons passives qui apparaissent au milieu des années 90, sont issus des milieux écologistes et du domaine de la construction. Parmi ces pionniers, il y avait des fabricants d’isolants alternatifs (fibres de cellulose …) et ce sont des initiatives privés qui ont portés les premières constructions. Beaucoup de réalisations sont localisées dans la région de Springe-Eldachsen. Des membres de ce collectif étaient déjà à l’origine de la réglementation imposant de construire "étanche à l’air" (1985). C’est également ce groupe qui a par la suite développé la théorie des systèmes constructifs "ouverts à la diffusion de la vapeur d’eau" qui est généralement tarduite à tort comme "murs respirants". C’est aussi à Springe Eldachsen que des formations ont été lancées dans le domaine de l’étanchéité à l’air notamment pour le test de la porte soufflante (Blower Door) Pour élargir le marché des isolants en fibres de cellulose par exemple, au départ limité à l’isolation dite écologique, les fabricants ont modifié leur stratégie de marketing et se sont orientés vers le marché traditionnel de l’isolation, ne mettant plus en avant les propriétés dites "écologiques" du matériaux, mais plutôt ses propriétés d’isolant thermique (avec une amélioration d’environ 20% sur la performance thermique). Les isolations réalisées en ouate de cellulose ont fait alors l’objet d’études expérimentales (suivies par exemple par le Fraunhofer Institut), de manières à en améliorer la qualité (meilleur conductivité thermique, moins de risques de tassement, une densité plus faible…) et pour en observer le comportement (caractère hygroscopique entre autre…). Les acteurs moteurs qui ont porté l’innovation dans le domaine des maisons «passives», sont les industriels et les maîtres d’ouvrage privés ; l’obstacle principal étant le coût de la construction. MOTIVATION DES ACTEURS Autriche Il n’y a pas eu de développements importants de nouveaux procédés mais plutôt une motivation des industriels de l’isolation à promouvoir des solutions plus performantes simplement avec avec des épaisseurs plus importantes … ce qui permet de tripler le volume de vente et de faire des remises ! Les fabricants de fenêtre et de systèmes de ventilation étaient également très motivés par ce nouveau marché. Une première étape importante a été la renaissance des structures en bois (construction jusqu’à 4 étages) avec des coûts relativement faibles et des solutions techniques permettant de réduire les pertes énergétiques. Ces techniques sont souvent combinées avec d’autres techniques d’isolation en utilisant par exemple de la ouate de cellulose pour le remplissage des cavités de parois. En ce qui concerne les nouveaux produits d’isolation sous vide (VIP) qui sont développés en Allemagne, certaines applications pour les murs et les toitures terrasses ont été brevetées par des PME, architectes et bureau d’études. Jusqu’à présent, les sociétés gestionnaires de logements, qui réalisent jusqu’à 50 % du volume de la construction, n’avaient pas réellement demandé des produits innovants à des prix abordables. Cette situation a évolué au cours des dernières années à cause d’une part du coût de l’énergie qui est devenue une question d’intérêt national et d’autre part les consommateurs sont demandeurs de solutions innovantes, en particulier pour la rénovation.

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Danemark Les acteurs clés sont les instituts de R&D et les industriels ; tout particulièrement les fabricants de matériaux (isolants …) et composants (fenêtres …), mais aussi des fabricants d’autres matériaux pour l’enveloppe du bâtiment (membranes …). Les actions clés sont la recherche et le développement de produits. L’intégration de ces procédés dans l’enveloppe des bâtiments a été réalisée par les concepteurs et l’ingénierie aux plans techniques, architecturaux et économiques. La commercialisation des procédés et sa diffusion sont assurées par le secteur industriel de la construction. Ces développements sont portés par des réseaux d’acteurs existants. Acteurs clés En Autriche : - un certains nombre d’institution comme l’OIB et depuis quelques années, quelques promoteurs à but non lucratif, qui ont développés un projet pilote pour établir un standard de maison passive. - Le ministère de l’innovation et de la technologie qui avait lancé un programme de bâtiment durable avec des résultats très significatifs. - L’état et les régions qui ont promu aussi l’efficacité énergétique dans les bâtiments au travers des aides à la pierre. Au Danemark, les décideurs clés sont le gouvernement avec son programme d’économie d’énergie, l’agence gouvernementale chargé de la mise au point du code du bâtiment, en coopération avec le secteur du bâtiment d’une manière générale. Acteurs moteurs En Autriche, les industriels ont réalisé de la R&D pour améliorer la conductivité thermique des isolants. Par exemple, la conductivité thermique du polystyrène expansé PSE est passée de 38 mW/mK à 32, voire 30. Par ailleurs, pour réduire les ponts thermiques des rupteurs spécifiques ont été développés. Les programmistes, concepteurs et architectes constituent les principales forces motrices tandis que les propriétaires de logement conscient des questions énergétiques demeurent des prescripteurs essentiels. Enfin, un nombre limité de journalistes essaient aussi de promouvoir le thème des économies d’énergie. Au Danemark, les acteurs moteurs sont issus du domaine de la R & D , principalement des industriels, mais aussi des centres techniques, constructeurs, prescripteurs, entrepreneurs, consommateurs ou utilisateurs, architectes, autorités locales,…. Acteurs résistants Autriche Une partie limitée de la R&D au sens large, y compris chez les fabricants, qui ont été parfois réticentes au développement des parois à haute performance. En ce qui concerne les architectes et les BE (ingénierie) ; on constate l’existence de deux communautés bien séparées : une qui s’intéresse aux questions du développement durable et l’autre principalement préoccupée par la conception esthétique formelle avec très peu de lien entre les deux approches. Les propriétaires institutionnels et les promoteurs ne font pas encore la promotion du concept de bâtiment performant sur le plan énergétique hormis quelques opérations exemplaires. Les collectivités locales n’adressent pas avec suffisamment d’attention, l’impact des politiques d’utilisation du sol sur l’efficacité énergétique. Les codes de la construction ont en moyenne un mauvais standard sur l’efficacité énergétique parce qu’ils ne sont pas concernés par l’aide à la pierre comme pour le logement.

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Danemark Les acteurs les plus résistants (voire opposés) au développement des PIHPT sont principalement les architectes et les entrepreneurs qui souhaitent conserver les solutions traditionnelles. Au début, certains fabricants de blocs (briques et béton) ont été réticents mais aujourd’hui leur position est plutôt positive car ils ont développé des solutions techniques à haute performance pour économiser l’énergie (particulièrement pour le mur).

C.2.2 CONTENU DE L’INNOVATION DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE Concepts du système Autriche Les deux principaux types de constructions utilisés sont les suivantes : - Parois lourdes : béton, blocs béton, briques … - Parois légères : ossatures en bois, Les deux approches sont utilisées pour réaliser des maisons passives et le choix dépend principalement de la culture des investisseurs, de leurs préférences ou ce qu’ils pensent être les préférences des consommateurs (what does he like or think that the consumer likes) ainsi que de l’utilisation du bâtiment et du nombre d’étage. Par exemple, tous les bureaux et logements collectifs sont construits avec des parois lourdes. Néanmoins, il faut noter qu’en 2005, un premier bâtiment de 4 étages a été réalisé en associant parois lourdes et ossatures bois. Deux exemples de parois représentatives des techniques de mise en œuvre sont présentés ci-après : -

Une paroi lourde : 18 cm de béton avec une isolation extérieure de 40 cm de polystyrène expansé, coefficient U de 0,1 W/m²K

Une paroi légère en bois avec un coefficient U de 0,13 W/m²K

Comme l’indique les valeurs des coefficients U, la différence essentielle entre ces deux types de paroi n’est pas leur pouvoir isolant mais leur inertie thermique (capacité à déphaser la sollicitation radiative ou thermique et à stocker de l’energie) qui sera très différente. La paroi lourde et épaisse jouera un rôle très favorable, en été, pour éviter les surchauffes.

Exemple de deux systèmes développés pour répondre à des contraintes architecturales, techniques et de mise en œuvre. (www.ibo.at ) Le problème majeur des solutions avec parois lourdes est la perte de surface utile qui est de l’ordre de 5% par rapport aux standards des bâtiments courants. Bien sûr, cet aspect n’est pas du tout appréciés par les investisseurs. Les isolants sous vide (PIV Panneux Isolants sous Vide ou VIP – Vacuum Insulation Panels) pourraient résoudre ce problème mais ils sont encore trop onéreux pour constituer une réelle alternative dans le neuf mais pourraient trouver des applications intéressantes dans l’ancien. Les bâtiments de faibles hauteurs, avec moins de 3 à 4 étages, avec une ossature bois ou avec des parois préfabriquées en bois peuvent aussi permettre résoudre ce problème d’épaisseur car ils intègrent l’isolation

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entre la structure porteuse et fournissent une surface utile satisfaisante avec une excellente performance thermique. Ces constructions nécessitent une très grande attention tout au long du processus de construction, de la conception à la réalisation sur chantier. Souvent l’absence de savoir faire pour la mise en oeuvre sur site amène les promoteurs et les entreprises de bâtiment à se retirer des maisons passives. La forte isolation des murs et planchers n’a de sens que si elle est intégrée dans une solution globale de chauffage, de rafraîchissement et de ventilation à basse énergie, par conséquent le concept doit être planifié dès le début du projet (voir la brique "archtecture globale"). Dans ce cas, un haut niveau de confort avec des coûts énergétiques très bas et des coûts d’investissement acceptables peut être garanti. La culture traditionnelle des concepteurs en Autriche est généralement opposée à cette nouvelle démarche globale. De plus, l’ingénierie du chauffage, du rafraîchissement et de la ventilation est généralement impliquée trop tardivement dans les projets. Au début, il y a eu de fortes intérrogations de la part des architectes pour traiter la très faible charge le chauffage dans les maisons passives. En effet, une maison passive se traduisait souvent pars des murs très épais avec de petites fenêtres (PassivHaus = BlockHaus). Depuis, la forme des bâtiments est mieux prise en compte et la qualité des fenêtres (voir brique parois transparentes) permet de concevoir des espaces intérieurs qui peuvent bénéficier largement de l’éclairage naturel. De même, il y avait au départ de vraies difficultés techniques pour concevoir et réaliser des bâtiments absolument étanches à l’air. Depuis, la plupart des problèmes de joints et de fuite ont été résolus et des tests ont été mises au point tel que le test de perméabilité à l’air (blower-door/porte soufflante) qui constitue un outil pratique et raisonnable pour vérifier l’étanchéité à différent stade de réalisation du bâtiment ou des ajustements peuvent encore être aisément réalisables : le test est fait généralement avant la mise en place de l’isolation par l’extérieur. Danemark Les principales techniques utilisées pour les parois à haute performance thermique sont basés essentiellement sur l’utilisation d'isolants en fortes épaisseurs, la réduction des ponts thermiques et l’augmentation de l’étanchéité à l’air. Les systèmes développés pour assurer l’aptitude à l’emploi des produits sont basés sur des analyses détaillées des ponts thermiques, en utilisant des documents techniques (tableaux, normes) de construction ou en faisant des calculs avec des outils de modélisation 2-D. Des tests in situ de mesure de la perméabilité à l’air (par la mise en pression ou dépression - test de la fausse porte ou porte soufflante – blower-door) et la visualisation des déperditions énergétiques par caméra infra rouge sont aussi effectués.

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Exemple de systèmes qui répondent aux exigences des maisons passive : U < 0.01 W/mK De la botte de paille à l’isolant sous-vide. (Source : Guerriat, A. La maison passive : Introduction pour les architectes et futurs maîtres de l’ouvrage, édité par l'auteur, Thuin, septembre 2006, 162 pages)

Technologies représentatives Autriche Il est nécessaire de distinguer les parois lourdes avec des procédés composites et les constructions à ossature bois. Les procédés d’isolation les plus utilisés sont les panneaux de polystyrène expansé ou en laine minérale pour les parois lourdes alors que la laine minérale en rouleaux est utilisée dans les constructions en bois. Le remplissage avec de la ouate de cellulose des cavités dans les structure en bois est aussi une solution utilisé. Le liège est très rarement employé. Très exceptionnellement on a recours à des VIP pour des applications très spéciales où une très forte isolation d’épaisseur faible est nécessaire. Ces VIP peuvent être associés à des panneaux de façades en aluminium par exemple pour les protégés. Les structures types sont les suivantes : - béton dans les zones urbaines et pour les bâtiments et logement collectifs à plusieurs étages - briquettes jusqu’à 5 étages, souvent associées avec une structure béton, comme matériaux de remplissage, - briques dans les maisons individuelles, - ossature bois avec des panneaux massifs en bois porteur de 10 cm dans les petits projets de logements, jusqu’à 3 - 4 étages,

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Les systèmes de fixation : - fixation des panneaux de polystyrène expansé et de fibres minérale avec un mortier adhésif et des fixations en métal ou PVC selon la stabilité nécessaire, - dans les structures en bois, l’isolant est inséré dans les cavités ou maintenu par des tasseaux ou liteaux, Les systèmes de protection extérieure : - principalement pour les panneaux de polystyrène expansé, avec une couche décorative de 2 à 3 mm ou une alternative écologique avec un plâtre inorganique de 10 mm, - panneaux de revêtement en bois ou en fibre de ciment pour l’ossature bois, - quelques exemples intéressants sur l’utilisation des panneaux solaires comme solution pour le bardage, Les méthodes utilisées pour éliminer les ponts thermiques : - fixations non métalliques, des structures de balcon séparées du bâtiment par des rupteurs de ponts thermiques - dans le cas de liaison, celle-ci doit être ponctuelle avec une très faible conductivité thermique, Les méthodes utilisées pour assurer l’étanchéité à l’air : - pour les structures massives, l’étanchéité est plus facile à traiter mais la principale question reste la jonction mur-fenêtre qui doit être traitée avec des membranes spécifiques, - les constructions en bois utilisent une séquence précise d’épaisseurs d’isolants auxquelles sont associés le pare vapeur et le pare vent (ou pare air) qui ont une importance spéciale. Ces membranes sont du type feuilles d’aluminium, membranes tissées ou synthétiques, - les installations électriques nécessitent des solutions pour le calfeutrement des orifices en utilisant des mastics car la mousse n’est pas suffisamment étanche. Danemark Les principaux procédés utilisés peuvent être caractérisés de la façon suivante : - les produits isolants utilisés sont des produits traditionnels en laine minérale (de verre et de roche), polystyrène expansé ou extrudé, argile expansée, béton allégé. Les autres produits isolants tels que les produits naturels représentent une part de marché encore marginale et les produits super isolants (VIP) ne sont pas encore utilisés. - les principaux systèmes utilisés pour une intégration au cadre bâti : isolation intérieure, extérieure, reparties … - les supports et structures porteuses : béton, brique, ossature bois ou acier mais aussi du béton avec des agrégats en argile expansée et du béton allégé. - le système de fixation de l'isolation : pour le cas des murs construits en briques, le mortier colle utilisé pour maintenir les isolants est installer de telle façon qu’il n’existe pas de lame d’air entre le mur intérieur et l’isolant. Dans le cas de mur à ossature bois, une enveloppe (membrane) est utilisée pour maintenir l’isolant mais aussi pour le protéger contre tout mouvement d’air dû à l’effet du vent (réduction de la perméabilité à l'air). - les revêtements extérieurs de protection : enduits, bardages, vêtures … - les modalités de traitement des ponts thermiques : une bonne conception et l’utilisation de matériaux porteurs isolants comme les blocs béton avec des agrégats d’argile expansée en fondation et planchers. - les modalités de traitement de l'étanchéité à l'air : deux ou plusieurs couches d’isolation avec traitement des jonctions entre lés (en pose croisée), des films ou membranes d’étanchéité à l’air, des panneaux de fibres de bois et des plaques de plâtre.

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DESCRIPTION DES PRODUITS ET MODALITES D’INTEGRATION ARCHITECTURALE Les principaux matériaux utilisés sont le polystyrène expansé et la laine minérale. Le polystyrène expansé présente des avantages coût-bénéfice mais aussi des inconvénients par rapport à la sécurité incendie qui doit être prise en compte en mettant en place des barrières de protection comme par exemple de la laine minérale. La transmission de la vapeur doit être aussi prise en compte avec beaucoup d’attention et les pares vapeur côté intérieur doivent être mis en œuvre avec beaucoup de soin. Les laines minérales ont l’avantage d’être plus souples pour traiter les surfaces irrégulières. De plus, ce matériau facilite la diffusion de vapeur (souvent appelé à tort "respiration") dans le bâtiment. A noter que l’isolation renforcée par l’extérieur est la plus répandue pour les bâtiments importants (immeubles). Cependant, les entrepreneurs rencontrent des difficultés pour intégrer ces procédés dans leurs processus de construction sur chantier compte tenu des compétences de la main d’oeuvre. HORIZON TEMPOREL Autriche Quelques recherches ont été mises en place pour réduire épaisseur de l’isolation, mais aujourd’hui, on peut dire que les solutions matures, comme précédemment mentionné, sont le polystyrène expansé (PSE) et la laine minérale. Les solutions émergentes sont des procédés spéciaux comme les isolants sous vide. Les solutions en cours de développement en Autriche sont les matériaux dits "écologiques" comme les fibres de bois, laine de coton, chanvre, fibres végétales… D’autres matériaux d’origine agricole, comme la paille sont en cours expérimentation mais ne sont pas encore industrialisées à grande échelle. Danemark Le développement des procédés d'isolation à haute performance thermique résulte de la réglementation et des révisions du code du bâtiment. Les perspectives sont d’ajuster les nouvelles exigences tous les 5 ans. Les systèmes ayant un coefficient U inférieur à 0,20 W/m²K sont considérés comme des procédés d’isolation traditionnels et performants. Les systèmes avec un U inférieur à 0,10 W/(m²K) sont considérés comme des nouvelles solutions mais déjà dans une phase mature. Innovation "mature" (un peu chère encore !) Autriche Les techniques d’isolation éprouvées sont les suivantes : - pour les parois lourdes, le polystyrène expansé est le plus utilisé tandis que la laine minérale est utilisée pour les grands bâtiments (de hauteur inférieur à 26 m), - pour les constructions à ossatures bois, la ouate de cellulose est la plus utilisée devant la laine minérale. Le polystyrène expansé et la laine minérale sont les produits les plus souvent mis en oeuvre. Pour ces solutions, il n’y a pas de difficultés techniques majeures. Les fabricants d’isolants offrent des formations et des sites d’informations. Les problèmes techniques liés aux fortes épaisseurs d’isolants sont rares, les entreprises de construction maîtrisent pour la plupart le savoir faire. Les difficultés sont liées principalement à la perte de surface, en raison de l’insuffisante évolution des règlements d’urbanisme qui ne permettent pa toujours une densification plus importante pour les bâtiments durables.

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En ce qui concerne la durabilité des performances, le polystyrène expansé présente quelques risques d’endommagement lorsqu’il est mis à l’extérieur: dégradation de revêtements de façade en soubassement. En générale, les solutions à fortes épaisseurs ne bénéficient pas encore d’un recul suffisant pour apprécier la durabilité de leurs performances. Danemark Les technologies éprouvées sont toutes mises en œuvre avec des produits isolants traditionnels dont l’épaisseur est supérieure à 25 cm. Les procédés d’épaisseur supérieure à 50 cm ne sont pas encore répandus mais viennent d’être introduits pour les planchers et plafonds dans les bâtiments à faible consommation énergétique. Les produits isolants classiques sont le plus souvent utilisés. Les difficultés liées au coût des produits, à leur commercialisation, à leur durabilité et au savoir-faire pour la mise en œuvre, ne constituent pas de réelles barrières pour une large diffusion de l’isolation à haute performance thermique. Les difficultés rencontrées sont essentiellement dues aux exigences du code du bâtiment et au «conservatisme» des compagnies du secteur de construction. Il n’y a pas de problèmes particuliers sur la durabilité de performances de ces procédés. Innovation « émergente » (expérimentation) Autriche Les solutions en cours d’expérimentation : - Le développement de la laine minérale pour son utilisation en une seule couche épaisse au lieu de deux. - La paille est en voie de développement mais de manière marginale en zone rurale, - Une faible augmentation des procédés à base de liège, de fibres végétales, de noix de coco, de coton, et de laine de mouton, - Les panneaux avec de fortes épaisseurs pour les solutions éprouvées, Les acteurs supports : - ISOCELL et CPH pour la cellulose, - ISOVER ou HERAKLITH pour le chanvre ou des produits à base de fibres végétales, - STO pour les panneaux en laine minérale, - ISOLENA ou WOLIN pour la laine de mouton en rouleau ou en vrac. Les barrières ou difficultés à franchir pour que ces solutions émergentes deviennent matures sont dues au fait que le marché est déjà occupé par les produits standards distribués par les grands industriels fabricants d’isolants. Les fabricants de solutions alternatives avec un impact plus faible sur l’environnement n’ont pas les ressources financières suffisantes pour mettre en place des chaînes de fabrication et assurer la distribution ; néanmoins, il y a un marché pour ces solutions alternatives. Danemark Les solutions émergentes, telles que les produits naturels avec de fortes épaisseurs, ont fait l’objet d’activités de R & D pour la plus part des solutions possibles mais elles n’ont pas intéressé les acteurs d’une manière générale. Les résultats de recherche sur les performances sont documentés mais ne montrent pas de réels avantages par rapport aux techniques conventionnelles. Dans la plus part des cas, elles présentent plutôt des désavantages notamment pour le temps nécessaire à leur mise en œuvre (ces produits nécessitent beaucoup plus d’attention à la pose que les produits traditionnels). En conclusion, pour le Danemark, ces matériaux dits "écologiques" ne sont pas la solution aux problèmes de développement de maisons à basse consommation. Innovation "à l’horizon" (recherche) Autriche Les solutions futures

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- les supers isolants VIP (ou panneaux isolants sous vide) sont intéressants par leurs faibles épaisseurs et par le gain en surface utile lors de la mise en oeuvre, - les panneaux en polystyrène expansé ont semble-t-il encore un potentiel de développement pour réduire la conductivité thermique, - les produits à base de paille peuvent se développer pour devenir une des solutions standards en zone rurale, Les difficultés rencontrées pour développer ces solutions résultent du fait que le marché Autrichien est petit et que les entrepreneurs restent par nature encore très prudents. Mais on peut aussi noter une absence de liens entre une petite communauté de concepteurs "verts" innovants, les PME et les grands acteurs du marché du domaine du bâtiment. Danemark La recherche et le développement de nouvelles technologies telles que les supers isolants, ou isolants sous vide ne sont pas réellement développés au Danemark sauf pour les pare-vapeur de fonctionnalités avancés et les aérogels pour les isolants transparents dans le domaine du vitrage. La mise en œuvre de parois à haute performance thermique avec des coefficients U inférieurs à 0,1 W/m²K passe donc généralement par l’augmentation des épaisseurs. Ce procédé peut être largement diffusé sur le marché. La R&D doit se focaliser dans le futur sur le développement de nouveaux produits et la conception globale en prenant en compte toutes les performances (acoustiques, environnementale …) et pas uniquement les performances énergétiques, mais les financements sont insuffisants. CHAMP D’APPLICATION Résidentiel (individuel/collectif) Neuf ou Rénovation (interventions lourdes) Autriche Les projets en cours sont basés sur les standards des maisons passives établis pour des maisons individuelles mais qui démarrent aussi pour les constructions sociales (petits collectifs …). Il semble qu’il y ait un potentiel pour que ces constructions deviennent de nouveaux standards dans le bâtiment. Comme précédemment mentionné, les principaux PIHPT utilisés sont les panneaux de polystyrène expansé (devant la laine minérale) pour les parois lourdes et la cellulose (devant la laine minérale) pour la construction légère en bois. L’isolation par l’intérieur est inexistante pour les nouvelles constructions. Les constructions à ossatures métalliques porteuses sont quasiment inexistantes pour l’habitation. Les acteurs clés sont les propriétaires de maisons individuelles incités par les critères d’attribution des aides à la pierre. Durant les trois dernières années les promoteurs ne se sont pas réellement saisis de la demande et des potentialités des bâtiments à basse consommation d’énergie. Les acteurs moteurs sont quelques PME, des groupes de lobbying et des programmistes ainsi que quelques bailleurs sociaux. Les plus résistants sont le grand public, principalement pour des raisons économiques : le développement futur nécessite donc d’établir des définitions claires des avantages pour le grand public lorsque l’on utilise les procédés à basse consommation énergétique. Danemark Projets et applications en cours : des logements collectifs construits dans les années 1960 avec des éléments sandwichs préfabriqués et des bâtiments plus anciens construits avec des blocs en briques ont besoin d’être rénovés surtout les façades qui présentent des dégradations et par conséquent, des problèmes de déperditions thermiques et l’apparition de moisissures. Pour combiner rénovation et économie d’énergie, on a recours à

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l’isolation par l’extérieur protégée par des écrans pare-pluie. Cette technique permet de réduire les effets de ponts thermiques. Des systèmes avec ou sans ossatures en bois ou métallique sont aussi utilisés. Il y a quelques années, la surface estimée de l’isolation de façades au Danemark en rénovation, était d’environ 100.000 m² par an. Les épaisseurs d’isolants les plus utilisées varient entre 10 et 15 cm. Les principaux acteurs moteurs pour la rénovation sont les propriétaires de patrimoines immobiliers qui souhaitent améliorer l’état des bâtiments (moisissures, dégradation de façades, …). Les évolutions futures consistent à développer des solutions pour l’isolation par l’extérieur dans le but de mettre l’existant au même niveau que les maisons à faible consommation énergétique mais actuellement l’amélioration du niveau d’isolation en utilisant l’isolation par l’extérieur reste très coûteuse. Il y a donc un besoin de développement des procédés d’isolation par l’extérieur performant (isolation + parepluie) pour des bâtiments démonstrateurs avec une esthétique acceptable et facile à entretenir. Par exemple, de nouveaux bardages (dimensions et aspects différents) pourraient être conçues et ainsi remplacer les briques traditionnelles utilisées en paroi extérieure. Réhabilitation, Amélioration de l’existant (interventions limitées) Autriche Actuellement, plusieurs projets de réhabilitation de maisons individuelles en appliquant la norme maison passive sont en cours. Les PIHPT les plus utilisés sont ceux utilisés dans la construction neuve, mais avec d’avantage de laine minérale (plus souple) en raison de l’état des parois anciennes. Il y a un grand potentiel d’économie d’énergie dans les bâtiments existants (stock) construits au 19ème et 20ème siècle. Environ 50% ont de mauvaises performances thermiques (en moyenne 150 kWh/m²a). Jusqu’à présent, les acteurs clés sont les concepteurs et les programmistes, ainsi que le lobbying de la communauté des maisons passives. Le développement futur dépend du budget des Länders et des critères d’attribution des aides à la pierre pour la réhabilitation Danemark Projets et applications en cours : les vides d’air dans les anciens murs (cavity wall) en briques sont remplis par de la laine minérale en vrac. Cette technologie, développée et décrite dans les années 50, été utilisée à grande échelle mais certaines vieilles maisons n’ont toujours pas d’isolation dans les cavités de murs (cavity wall). Les principaux systèmes utilisés sont des procédés d’isolation des combles, en utilisant des isolants avec 20 à 30cm et des murs avec 7 cm d’isolation. Les principales actions sont à l’initiative des propriétaires. Les évolutions pour l’avenir s’orientent vers le développement de systèmes complets pour la rénovation de l’enveloppe qui sont utilisables par les bricoleurs et les professionnels. Un ensemble de matériaux et d’instruction d’installation avec une documentation sur les performances et leur durabilité peuvent être utiles pour aider à adopter ces systèmes. Non Résidentiel (Bureaux, Enseignement, Santé, Commerces, Hébergement/Restauration, Industriels, Agricoles) Neuf ou Rénovation (interventions lourdes) Projets en cours en Autriche : à la fin de 2005, 31 bâtiments de bureaux, 7 bâtiments publics (écoles et logement du gardien) et 6 autres (commerce, tourisme) ont été réalisés, sur la base du standard maison passive, et documentés. Parmi les types de constrcution on trouve : - 11 bâtiments avec des parois lourdes (briques, béton), - 10 avec une structure mixte (béton allégé), panneaux pleins préfabriqués en bois, - 24 en structure bois avec une épaisseur d’isolation supérieure à 30cm. Au total, la surface est estimée à 29500m².

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Les acteurs clés sont les architectes, les entreprises et industriels, certains propriétaires privés et les collectivités locales. Les autres acteurs du bâtiment sont plutôt résistants. Le développement futur nécessite une augmentation du nombre de bâtiments démonstrateurs, une prise de conscience au niveau du public qui doit dépasser un certain taux critique (environ 5 à 10 % du volume construit). Au Danemark, certains points traités dans le cas du résidentiel en 2.4.1 s’appliquent aussi pour le nonrésidentiel. Selon les instituts sous la tutelle du gouvernement, des exigences nouvelles sont introduites dans le code du bâtiment en 2006 pour mettre l’accent sur les économies d’énergie. Réhabilitation, Amélioration de l’existant (interventions limitées) En Autriche, moins de 10 cas sont en cours sur la base du standard de maison passive (en grande partie des logements) et sont documentées : - 2 projets avec des parois lourdes existantes en appliquant directement l’isolation (mortier de colle et systèmes de fixations), - 5 projets avec une structure mixte (bâtiment existant avec des parois lourdes en appliquant une ossature bois support d’isolants), - 2 projets avec une structure en bois (extensions de bâtiments existants). Fin 2005, la surface concernée est de 18840 m², avec une épaisseur d’isolant supérieur à 30cm. Acteurs clés : quelques ambitieux propriétaires privés et architectes programmistes, des collectivités locales et entrepreneurs. Le développement futur nécessite un grand nombre de d’exemples de bâtiments et une évolution des aides à la pierre pour le concept de bâtiments passifs en réhabilitation amélioration. IMPACTS Les différents impacts, incidences et effets des procédés d’isolation thermique haute performance dans les deux secteurs du résidentiel et du non résidentiel sont présentés dans les deux paragraphes ci-dessus.: Résidentiel (individuel/collectif) Autriche Consommation d’énergie : moins 30% pour les bâtiments neufs par rapport à la réglementation technique, moins 10% en réhabilitation par rapports aux bâtiments neufs. Emission de CO2 : de meilleurs résultats sont obtenus avec les produits naturels. Concernant la durée de vie des bâtiments, le standard des maisons passives est actuellement le concept le plus prometteur pour le développement durable pour les bâtiments neufs et existants. Ce concept est caractérisé par une consommation énergétique très basse, une forte indépendance par rapport aux prix de l‘énergie, un grand confort thermique et de régulation d’air et peu de contraintes de conception. Histogramme : réduction totale de l’émission de CO2 (en tonne), résultants de basse consommation énergétique (MWhx0,15) par les maisons passives en Autriche (sources : -Passivhaus Österreich).

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Danemark Des études récentes sur la consommation énergétique et les émissions de gaz à effet de serre indiquent que la consommation d’énergie dans le secteur résidentiel au Danemark peut être réduite de 80% sur les 40 prochaines années en généralisant dans l'existant les mesures prises pour réduire la consommation énergétique en construction neuve. En particulier, en utilisant des systèmes énergétiques à faible consommation énergétique ou en utilisant uniquement des énergies renouvelables on pourrait aboutir à un arrêt complet des émissions de gaz à effet de serre (GES) dans le secteur du bâtiment. En effet, la principale source de GES est la combustion d’énergies d’origine fossile. La conception de nouveaux bâtiments en ayant recours aux PIHPT, source d’économie d’énergie, bénéficierait d’un processus de prise de décision plus rationnel qui permettrait de définir des solutions plus performantes à moindre coût. Cette approche est également nécessaire aux différentes phases de construction, exploitation, démolition et réutilisation. Pour l’amélioration du patrimoine existant, l’utilisation des PIHPT dans la rénovation des bâtiments doit conduire à la diminution de la consommation énergétique, améliorer le confort et augmenter la durabilité des bâtiments. Dans certains cas l’architecture extérieure doit être préservée mais ce n’est pas le cas pour la majorité d’entre eux. Non Résidentiel (Bureaux, Enseignement, Santé, Commerces, Hébergement/Restauration, Industriels, Agricoles) Les hôtels représentent un grand potentiel parce que les coûts de l’énergie et le confort sont des points clés pour le succès du tourisme dans l’avenir. Pour les bâtiments de bureaux, le marché décidera si les locataires deviendront sensibles au coût de l’énergie ou si les propriétaires et/ou gestionnaires introduiront des loyers toutes charges comprises pour des bâtiments à faible consommation d’énergie. Pour les hôpitaux et les maisons de retraite en Autriche, plusieurs exemples de bâtiments montrent un grand potentiel avec quelques points particuliers : besoin de températures élevées dans les chambres, besoin d’air frais et propre pour des raisons d’hygiène, explosion du prix de l’énergie).

C.2.3 MISE EN ŒUVRE FIABILITE DE LA MISE EN ŒUVRE SUR CHANTIER Conception des éléments constituant les procédés de haute performance d’isolation thermique adaptés au chantier Les composants utilisés pour les bâtiments neufs, mais aussi dans l’existant, sont les produits industrialisés (isolant en panneaux, en rouleaux, etc). Ils font l’objet de procédures d’évaluation ou de normes et répondent aux besoins des chantiers. En Autriche, le nombre de bâtiments réalisés selon le concept des maisons passives apportent dès maintenant une expérience suffisante pour développer ce type de bâtiments. L’implémentation et l’intégration des PIHPT dans les bâtiments ne posent pas de réelles difficultés dans le cas du neuf, hormis la nécessité de nouveaux développements de l’enveloppe des bâtiments et des optimisations économiques. En ce qui concerne l’existant, de nombreux problèmes mineurs sont rencontrés mais généralement résolus. Quelques exemples de difficultés rencontrées : - Pour l’isolation par l’intérieur : contraintes d’espace et problèmes potentiels de moisissures dues à l’humidité où les pares vapeur ne sont pas toujours complètement étanches (jonctions, déchirures ...). L’isolation par l’intérieur est une méthode qui n’est pas recommandée en raison des exigences sur les surfaces utiles. - Pour l’isolation par l’extérieur : problèmes dus à la liaison fenêtres-murs et toiture-murs qui sont généralement résolus en utilisant des solutions combinées.

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Acceptabilité par les entreprises de construction Avantages et inconvénients des techniques - L’utilisation du standard des maisons passives qui exige une qualité de mise en œuvre supérieure permet de réduire les dommages ultérieurs et les frais qui en découlent, - Techniques de pose et outillages : on peut considérer que les mêmes techniques et outils sont utilisées pour la mise en œuvre des fortes ou faibles épaisseurs d’isolants dans ces pays où l’isolation par l’extérieur domine. Des dispositifs de fixation non-métallique des isolants épais sur les murs extérieurs, ont du être développés afin d’éviter la création de ponts thermiques, ainsi que des rupteurs thermiques, notamment pour les fondations. - Gestion des délais de mise en œuvre : des investissements pour la formation des artisans et des coûts supplémentaires de supervision de chantier sont nécessaires, mais ces besoins disparaitront lorsque le standard sera établi. - Productivité et rentabilité sur chantier : certains entrepreneurs du bâtiment se focalisent sur le standard des maisons passives comme argument de vente, mais la majorité des entrepreneurs n’aiment pas l’isolation épaisse car elle nécessite des ouvriers plus qualifiés donc mieux rémunérés, plus de supervision du chantier alors que le critère du prix est l’élément déterminant dans la construction. - Délais de livraison des produits : plus élevé dans les structures bois pour les panneaux préfabriqués. - Il n’y a pas de problèmes particuliers liés au stockage, à la manutention ou à la fragilité (rouleaux compressés de laine minérale, …) Bien entendu, tout changement dans le travail réalisé par les entreprises va créer des problèmes d’adaptation. Il y a aussi la nécessité de distinguer les gagnants potentiels comme les entreprises de maçonnerie et de gros œuvre qui peuvent se diversifier dans l’isolation par l’extérieur et les perdants probables comme les chauffagistes et les plaquistes. Compétences des poseurs - installateurs Les procédés nécessitent des compétences particulières notamment pour maitriser tous les détails ou points singuliers de mise en œuvre tels que les jonctions mur-sol, les liaisons mur-fenêtre ou le jointement des lès d’isolants. Une attention toute particulière doit être apportée aux détails de mise en œuvre qui présentent une importance cruciale pour atteindre les performances attendues ! Professions concernées En Autriche, l’isolation est habituellement réalisée par des entreprises de bâtiment, des façadiers, des charpentiers. Il n’y a pas de nouvelles professions dérivées. Enfin, il y a des offres de formation sur la mise en œuvre, et plus particulièrement pour les points de détails (ponts thermique, étanchéité à l'air …), proposées par les fabricants d’isolants et certaines organisations a but non lucratif soutenues par l’administration dans le domaine du bâtiment, les autorités locales et certains groupes de lobby. Apparition de Professions Nouvelles Aucune nouvelle profession n'a été créee mais de nouvelles formations qui portent sur l’isolation à haute performance, l’étanchéité à l’air, la régulation de l’air intérieur. Ce savoir-faire est apporté par de nouveaux instructeurs pendant une période plus ou moins longue jusqu’à la diffusion du savoir-faire à l’ensemble du marché. Les formations de qualifications ont été assurées dans le cadre de séminaires organisés pour les programmistes et les superviseurs de chantier et aussi au cours d’ateliers pour les ouvriers et artisans. SPECIFICITE DE MISE EN ŒUVRE Pour chaque secteur de construction (résidentiel/tertiaire), les spécificités de mises en œuvre peuvent être caractérisées par un certain niveau de difficulté.

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En Autriche, pour les premiers bâtiments (jusqu’en 2000 environ), il y avait de nombreux problèmes dans la mise en œuvre du standard des maisons passives. Mais le retour d’expérience a permis d’acquérir un savoir faire important et les structures à ossature ont fait parallèlement un grand bond en avant en termes de conception, fabrication et mises en œuvre. Des catalogues décrivant les détails des solutions éprouvées et des spécifications ont été mis à disposition avec des procédures et des règles de mise en œuvre détaillées. Résidentiel (individuel/collectif) Tout d’abord, il est nécessaire de mieux connaître le stock des bâtiments existants, les types et différentes générations de bâtiments construits (19ème siècle, avant et après la 2ème guerre mondiale, années 60, 70, 80) , notamment sur le plan de la physique du bâtiment, pour maîtriser leur réhabilitation avec un objectif de haute performance thermique. Actuellement en Autriche, la réflexion est focalisée sur les grands complexes résidentiels des années 70, ce qui permet d’avoir un grand impact moyennant l’élaboration d’un standard de solutions applicables à grand échelle. Au Danemark, pour le neuf, la mise en œuvre doit respecter le code du bâtiment notamment celui de 2006. Pour la réhabilitation, les difficultés dépendent du type d’ouvrage : par exemple, il y a moins de difficultés en comble qu’en mur. En revanche, la documentation technique n’est pas suffisante. En ce qui concerne la réglementation, le code du bâtiment de 2006 stipule que lorsque la toiture ou le mur nécessite un changement ou l’introduction d’un pare pluie, il est demandé d’isoler l’ouvrage en respectant les nouvelles exigences si c’est économiquement acceptable. MODALITES DE GESTION, D’EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE Aujourd’hui, il n’y a pas de maintenance spécifique ; les bâtiments sont récents, moins de 8 ans. La finition et la protection des façades sont gérées de la même façon que dans le cas des solutions traditionnelles. En ce qui concerne la durabilité des procédés, - elle est estimée de la même façon que les enveloppes standards de bâtiments neufs, - au début, des problèmes avec la cellulose et la laine minérale en rouleaux ont été identifiées tel que le phénomène du tassement. INCITATIONS REGLEMENTAIRES, FISCALES, MODALITES DE FINANCEMENT Autriche - Incitations réglementaires : aides à la pierre pour la construction de bâtiments d’habitation mais pas pour les autres types de bâtiments. - Pas d’incitations fiscales. - Modalités de financement et prêts préférentiels : des prêts à pratiquement 0% provenant des fonds de l’état fédéral pour le logement et distribués par les Länder. - Retour d’investissement : le standard de la maison passive permet d’économiser dès le premier jour grâce aux coûts extrêmement réduit des consommations d’énergie : soit par exemple pour 100 m², 20 € par an. Danemark - Incitations réglementaires : code du bâtiment, - Incitations fiscales : taxes sur l’énergie d’origine fossile pour augmenter l’incitation économique privée aux économies d’énergie. Les taxes sur l’énergie d’origine fossile qui sont d’environ 100% sont payées par les consommateurs privés. Les réductions ainsi réalisées sont collectées par des compagnies commerciales et remboursées à l’état. - Financement : pas de problème, sauf pour les bâtiments de l’état et des collectivités locales, - Lors de l’évaluation des performances énergétiques d’un bâtiment, l’évaluateur peut recommander des améliorations.

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Allemagne La réglementation thermique allemande Enev n’exige pas des constructions du type "maiosn passive", mais impose un certain degré d’étanchéité à l’air. Il existe de nombreuses procédures d’incitation pour construire avec une isolation renforcée, chaque "Bundesland" ayant ses propres programmes. - Par exemple, une subvention peut être accordée pour l’achat d’isolant à partir de matière renouvelable, lors d’une opération de construction neuve ou de rénovation, à hauteur de 25€ à 35 € du m³ d’isolant selon la région. - En ce qui concerne la construction des "maisons passives" ou lors de rénovations de logements, l’Etat a débloqué 160 Millions d’Euros. Pour obtenir une subvention, il faut prouver, en utilisant le logiciel de calcul fourni, que la consommation d’énergie de chauffage est inférieure à 15 kWh/.m².an) par an et que la consommation totale est inférieure à 40 kWh/m².an. Le Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) gère ces subventions qui se traduisent par un crédit de 50 000€ à taux réduit (sur 20 ans, sans remboursement les 3 premières années, avec un taux nominal de 3,1%, ce qui revient à une subvention de 8000 € (source - info KfW).

C.2.4 EVALUATION DES RESULTATS PRATIQUES DANS LES PAYS CONCERNES L’institut le plus important pour l’évaluation est le "Passivhaus Institut" de Darmstadt en Allemagne qui a une grande réputation et ses certificats sont acceptés et utilisés. En Autriche, l’OIB est aussi agréé pour établir les certificats du standard "maison passive". De plus, le IG Passivhaus (Syndicat des Concepteurs et Constructeurs de Maisons Passives), assure aussi une gestion de la qualité en vérifiant le standard "maison passive" lors de la programmation et la construction. Au Danemark, un dispositif de label est mis en place depuis plusieurs années. Les procédures ont été révisées en 2006 en liaison avec la mise en place de la Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments. Les bâtiments importants font l’objet d’une évaluation de leur performance énergétique. Les nouvelles constructions doivent avoir un certificat basé sur leur évaluation déclarée par rapport à la conformité selon le code du bâtiment. Les bâtiments et appartements existants doivent faire l’objet d’une évaluation à l’occasion d’une vente. Les acteurs permettant cette évaluation sont des professionnels qualifiés dans le domaine du bâtiment et des systèmes énergétiques. Ils sont indépendants et autorisés à pratiquer le contrôle après formation et examen et leur qualification qui est contrôlée par les instituts de l’état. Les résultats de ces évaluations sont traduits par l’établissement de documents sur les performances énergétique des constructions actuelles mais fournissent aussi des recommandations pour des économies d’énergie complémentaires. Cela permet d’apporter une information objective sur la performance énergétique des bâtiments en relation avec la détermination de leur prix. Les propriétaires sont par conséquent amenés à réaliser des économies d’énergie. Le coût d’évaluation d’une maison familiale est limité.

LES PERFORMANCES Autriche Les procédures d’évaluation sont faites dans le cadre du standard de maison passive ou autres labels comparables par des laboratoires indépendants (universités technologiques) et des autorités locales comme la municipalité de Vienne qui dispose de ses propres laboratoires publics sur les composants du bâtiment. L'évaluation des performances est réalisée principalement par simulations et calculs. Pour l'évaluation in-situ, les deux principaux tests sont l’étanchéité à l'air (mesure de la perméabilité à l’air suivant la norme "Blower Door") à un stade où l’enveloppe est estimée étanche et le test par caméra infra rouge.

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Les demandeurs de l’évaluation sont principalement les clients mais cela dépend de l’offre. Les acteurs qui réalisent l’évaluation sont des experts indépendants L’évaluation est assez facile mais parfois il est difficile de localiser les fuites d'air. Les résultats sont des données simples. La maison passive doit être étanche à l’air en utilisant le test de la fausse porte (par aspiration ou par pression d’air) : la valeur requise pour le taux n50 de fuite d’air est de 0,6 h-1 pour les maisons passives. Danemark D’une manière générale, les méthodes et procédures d’évaluation utilisées sont basées essentiellement sur des inspections visuelles, des calculs sur la performance énergétique, des données de mesures pour les bâtiments importants et des documentations sur les nouveaux matériaux. Les outils d’évaluation expérimentale, tels que les tests de perméabilité à l’air ou l’utilisation de la caméra infra rouge peuvent être utilisés mais ne sont pas encore devenus des outils courants. Les principales références utilisées pour le neuf sont celles du code du bâtiment. Pour l’existant les références sont encore en phase d’implémentation et sont actuellement mal définies. Les principaux acteurs à l’initiative de ces évaluations sont les propriétaires. Actuellement, il manque un retour d’expérience pour pouvoir évaluer les difficultés ainsi rencontrées. En revanche, les résultats de ces premières évaluations ont permis d’avoir une attestation sur la performance énergétique et une liste de recommandations pour l’amélioration des caractéristiques énergétiques. Allemagne Pour l’obtention d’un permis de construire d'un bâtiment neuf, le demandeur est obligé de transmettre le calcul d’un bureau d’études (structure ou bilan thermique) prouvant que le projet est conforme à la réglementation thermique (Enev). Les isolants employés doivent être titulaires de l’agrément allemand (Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung). L’architecte ou le maître d’ouvrage peut faire contrôler l’étanchéité à l’air de la construction par un test de perméabilité à l'air (Blower Door) par un bureau d’études ou une entreprise habilitée. Les performances réelles des bâtiments sont mesurées, par exemple, par thermographie infra rouge et par analyse de la consommation d’énergie, sur demande du propriétaire. L’impact de cette évaluation est observé sur différents thèmes: Energie Pour la maison passive, en Autriche, la consommation énergétique doit être inférieure à 15 kWh/m²a (pour le climat de l’Europe centrale) avec des charges de chauffages inférieures à 10 W/m² (en surface habitable) ce qui peut concerner en moyenne 10% des bâtiments existants. Stabilité, Sismique, Feu Les mêmes niveaux que les solutions traditionnelles. Confort Hygrothermique, Acoustique, Eclairage Avec les maisons passives, l’amélioration est constatée au niveau de toutes les surfaces intérieures (parois et fenêtres, pas d'effet de surfaces froides) et il n’y a plus de problèmes de moisissures au niveau des points singuliers tels que par exemple dans les angles ou les rebords de fenêtres. Le niveau acoustique est également amélioré dans le cadre du standard de maison passive car même en maintenant les fenêtres fermées, le système de ventilation mécanique permanent permet d’avoir de l’air neuf en provenance de l’extérieur. L’isolation épaisse n’affecte pas l’éclairage naturel une fois que les solutions convenables sont détaillées et appliquées.

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L'isolation épaisse augmente le déphasage en été et apporte de l'inertie thermique (masse plus importante). Sanitaire et Environnementale La ventilation cause toujours des pertes d’énergie mais les pollens, l’air pollué et la poussière sont filtrés et restent à l’extérieur. Pour réduire les pertes d’énergie une récupération d’énergie est nécessaire. Risques de dégradation des performances après mise en œuvre En ce qui concerne le système de ventilation, les filtres doivent être changés tous les ans. Compatibilité entre performances Pour le confort d’été, l’isolation performante peut devenir un problème pour les étés très chauds si les protections solaires (naturelles ou artificielles) ne sont pas planifiées préalablement et convenablement. La ventilation nocturne joue aussi un rôle important. De plus, parmi les exigences de la maison passive figurent des équipements à base consommation car c’est la consommation énergétique globale qui est prise en compte. LES COUTS REELS L’évaluation des coûts, demandée par les propriétaires, les investisseurs et les entrepreneurs, est basée sur des calculs normalisés pour les ouvrages et les composants du bâtiment par les architectes et les programmistes à tous les stades d’un projet, de l’estimation aux coûts observés. On constate que les coûts varient en fonction des saisons, de la région et du marché. Actuellement la maison passive représente un surcoût d’environ 5 à 15 % par rapport à un bâtiment neuf standard. D’autre part, le coût opérationnel et de maintenance concerne essentiellement le changement des filtres d’aération qui sont facilement changeables par l’habitant. Dans le bâtiment non résidentiel, il n’y a pas de coût supplémentaire. Le retour d’investissement est estimé en moyenne entre 5 à 7 ans en moyenne mais cela dépend de la taille ou surface des bâtiments et des coûts d’investissement.

LE VECU DES UTILISATEURS – AVIS DES ACTEURS ET DU PUBLIC Quelques études ont été réalisées par des instituts de recherche indépendants, en associant interviews des habitants de maisons passives et mesures in-situ. Ces enquêtes ont été financées en grande partie par l’état fédéral ou ont été réalisées dans le cadre de programmes de recherche de l’Union Européen pour le développement durable des bâtiments. L'interprétation dépend beaucoup de la durée d'analyse car il n'est pas possible de suivre 24h sur 24 pendant 365 jours les occupants des maisons passives, (24 heures et 365 jours). Néanmoins, d'après l'avis des experts et des enquêtes d'opinions réalisées soit dans le cas du projet européen CEPHEUS ou par l'association Minergie, les habitants ont plutôt un avis positif et ne souhaitent pas quitter leurs maisons passives ou basse consommation, principalement pour le confort apporté par l'isolation (pas d'effet "parois froides") et la qualité de l'air ("ventilation permanente").

VITESSE DE DIFFUSION DANS LE PAYS Le Marché – Commercialisation En Autriche, sur les 10 dernières années, le volume de diffusion des maisons passives est estimé à environ 5%. Au Danemark, si l’on définit la performance de l’enveloppe du bâtiment avec un coefficient U < 0,2 W/m²K, on peut affirmer qu’une pénétration sur le marché quasiment équivalente à 100% a été atteinte dans les bâtiments neufs et dans les bâtiments existants en cours de rénovation en raison des exigences du code du bâtiment.

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Nature et efficacité des incitations En Autriche, l’évolution des dispositifs ou outils d’incitation pour la diffusion des solutions à haute performance thermique s’effectue au travers de l’évolution des critères d’attribution des aides à la pierre pour la construction neuve et la réhabilitation des logements. De nouvelles incitations sont envisagées par le biais de la réglementation dans le bâtiment, L’origine des incitations provient des Länder et de l’état fédéral, Les incitations ainsi évaluées, sont traduites par une décroissance de la consommation énergétique nationale et de l’émission du CO2. L’efficacité de ces incitations a été démontrée par des études économiques. Au Danemark, pendant longtemps, il n’y a pas eu d’incitations financières. En revanche, les taxes sur les énergies suscitent des économies d’énergie volontaire et le code du bâtiment défini un niveau minimum de performances énergétiques. L’incitation aux économies d’énergie s’appuie sur deux politiques parallèles: - Les exigences du code du bâtiment, - Les actions volontaires d’économie d’énergie suscitées par les compagnies de distribution d’énergie. Les compagnies de distribution d’énergie doivent aussi prouver qu’elles peuvent atteindre les objectifs qu’elles se sont fixées D’une manière générale, la nature des incitations est plutôt d’ordre réglementaire au Danemark. Actions de diffusion et de sensibilisation En Autriche les principaux supports de valorisation, en termes de publicité, sont les médias traditionnels et la télévision. Les acteurs les plus dynamiques dans la diffusion et la sensibilisation sont des petits groupes de lobbying, au total estimé à 500 personnes environ. Concernant les actions de diffusion et de sensibilisation, des activités ont été menées par les compagnies de distribution d’énergie pour le secteur du bâtiment, mais peu d’activités se sont focalisées sur l’enveloppe des bâtiments mais cela devrait évoluer dans le futur. En Allemagne, l’augmentation croit avec la sensibilisation de la population aux problèmes de l’environnement. Par ailleurs, le marché des isolants naturels ou à base de matériaux naturels est en constante augmentation en Allemagne et tout particulièrement la cellulose. Volonté d’exportation Parmi les actions significatives visant à exporter les produits et le savoir-faire, on peut citer les congrès ou salons sur les maisons passives ou basse consommation. Tous les pays voisins de l'Allemagne, de l'Autriche et de la Suisse (Belgique, Pays-Bas, Danemark, Slovaquie, Tchéquie, Pologne, Slovénie, Italie …) sont des cibles à l'exportation, entre particulier vers les pays de l'est ou les besoins de rénovations sont considérables. Néanmoins, le concept est trop très récent pour des conclusions. L’exportation des procédés ou du savoir-faire devrait être traitée directement par les fabricants de matériaux dont l’intérêt des acteurs cibles est fonction de chaque firme.

C.2.5 REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRE DIMENSIONS ETUDIEES : CONTEXTE, CONTENU, MISE EN ŒUVRE, EVALUATION POINTS FORTS, POINTS FAIBLES DE L’INNOVATION (METHODE SWOT) Forces (S : Strength) Les solutions techniques sont déjà disponibles et accessibles, pour le neuf et la rénovation lourde. Ces solutions permettent de répondre avec un bon rapport coût/bénéfice à l'augmentation du coût de l’énergie et à la diminution des resources.

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Faiblesses (W : Weakness) L’isolation par l’intérieur ou l’extérieur utilisant de fortes épaisseurs en neuf comme en rénovation peut se traduire par une réduction des surfaces utiles commercialisables. La majorité des entrepreneurs sont encore réticents, et les maîtres d’ouvrages publics et privés initiateurs très peu nombreux Un manque de ressources au niveau de la recherche et du développement pour développer des solutions améliorées peut constituer une faiblesse. Le gouvernement Danois a l’intention de stimuler les activités de R&D mais pas dans ce domaine. Des formations initiales et continues de qualification de toute la chaine d’intervenants, notamment sur les points singuliers de mise en œuvre sont indispensables, ce qui nécessite des investissements supplémentaires. L’architecture intérieure et extérieure et la conception intégrée des bâtiments doit être prise en compte dès la première phase du projet. L’architecture des maisons passives en Autriche fait l’objet de critiques en raison de la forte compacité et de la faible diversité architecturale. Opportunités– (O : Opportunities) Si les technologies ou produits associés à ces procédés présentent des avantages pour développer des bâtiments durables, une opportunité pourrait se présenter pour mettre au point, différents procédés compétitifs à long terme et en faire une activité profitable en élevant les exigences du marché et la valeur ajoutée du secteur. Il existe une opportunité de développement de nouveaux matériaux, nouveaux procédés et donc de nouvelles unités de fabrication (fixations, super-isolants). Il y a des perspectives d’élargissement du champ d’intervention et de la valeur ajoutée des entreprises de maçonnerie et de gros œuvre si elles s’ouvrent à l’isolation par l’extérieur. D’autres opportunités peuvent être listées : - Le développement du marché de la maison à ossature en bois ou à ossature métallique. - La mise en place d’une réglementation thermique pour l’existant, - Les technologies d’isolation haute performance permettent une réduction importante des ponts thermiques, - La formation du personnel, le développement de nouvelles qualifications et de l’emploi. - L’évolution des règles d’urbanisme pour favoriser la surdensité des bâtiments à haute performance énergétique afin de plus que compenser les pertes de surface constructible et de surface utile . - Il y a une opportunité pour les industriels de laa ventilation qui pourraient aussi devenir des acteurs du chauffage et du rafraichissement. Menaces (T :Threats) Dans l’objectif des bâtiments durables, si des technologies d’économie d’énergie ne sont pas développée maintenant, en raison des lobbying de compagnies de distribution d’énergie qui préfèrent se focaliser sur l’offre d’énergie plutôt que sur l’économie d’énergie, le problème énergétique sera résolu plus tard à un coût plus élevé avec des risques de sécurité de l’apprivoisement en énergie du pays. Le renforcement de l’isolation entraine une réduction de la surface constructible (SHON), habitable ou utile. Il y a un risque de mauvaise intégration des solutions par les constructeurs et les entreprises qui devront être capables de s’adapter aux nouvelles solutions. La recherche d’une compacité maximale peut déboucher sur une homogénéité et banalité architecturale. Il peut y avoir une forte résistance de certains acteurs, notamment des perdants les chauffagistes, plaquistes et autres spécialistes de l’isolation par l’intérieur. Les promoteurs peuvent être réticents compte tenu de la solvabilité limitée de leurs clients. Une fraction importante de la population est insolvable et risque d’être exclue. La "surchauffe" actuelle de la construction n'invite pas certains acteurs, au développement des bâtiments à faible consommation.

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POINTS SINGULIERS AU CONTEXTE DU PAYS La production nationale au Danemark en pétrole et en gaz risque de s’affaiblir fortement dans les 15 prochaines années et il y a ainsi un risque réel d’importer toute l’énergie à base de fossile dans l’avenir. Actuellement, aucun fond n’a été créé pour épargner les recettes pétrolières mais il est question d’établir un fonds sur les connaissances de la manière d’éviter les besoins en énergie fossile pour développer les bâtiments durables. Les maisons basse-consommation sont apparues et se développent dans les pays de l'Europe centrale et du Nord (Suède, Allemagne, Autriche, Suisse …). Le pilier de ces maisons est la forte réduction des besoins de chauffage et donc la prise en compte du confort d'hiver.

C.2.6 CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE LES CHANCES DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE Du point de vu technique, on peut supposer par exemple que le niveau d’isolation thermique exigé est plus faible en France qu’au Danemark, d’où un potentiel d’économe d’énergie plus important permettant d’atteindre des résultats plus élevés. Les technologies de construction actuelles doivent s’adapter aux techniques de pose des isolants plus épais notamment lorsqu’il s’agit de l’isolation par l’extérieur. Certains aspects devront être respectés tels que l’architecture, l’environnement intérieur et extérieur, la maintenance et les performances (qualité de l’air intérieur, économie d’énergie et équilibres économiques). Par exemple la technique de pose par soufflage de fibres minérales, ou par projection humide est connue en France 1 . Les techniques et compétences existent en France ou peuvent s’acquérir rapidement car le système de formation existe. Il est important de sensibiliser les milieux professionnels du bâtiment, et principalement les architectes et les ingénieurs (Maîtres d’œuvre) qui sont les conseils directs des maîtres d’ouvrage. Il est à noter que ces techniques sont déjà pratiquées en France à titre volontaire pour un certain nombre limité de maisons individuelles en utilisant le concept de la maison passive (forte épaisseur, enveloppe étanche). Il est important de prendre conscience que les changements significatifs nécessitent une génération pour qu’ils soient diffusés et assumés au quotidien par l’ensemble des acteurs de la construction La généralisation de l’isolation par l’extérieur nécessite une véritable révolution culturelle au sein des acteurs de la construction, qui est totalement sous estimée. Enfin, un des piliers des maisons basse-consommation est le renforcement de l'isolation thermique (toiture, plnachers, murs, fenêtres) pour réduire les besoins de chauffage, plus important dans les pays d'europe du nord et centrale. Le transfert de ces principes vers les pays du sud de l'Europe (Sud de la France, Italie, Espagne, Grèce …) n'est pas possible directement. Pour les climats des pays du Sud, les objectifs de consommation peuvent être maintenus mais les solutions retenues devront être adaptées pour prendre en compte les exigences du confort d'été. Par exemple, les solutions pour le confort d'hiver pourront certainement être modifiées : réduction des épaisseurs d'isolation, double-vitrage basse émissivité+argon au lieu de triple vitrage … mais il faudra introduire des exigences supplémentaires comme les protections solaires (masques, stores, brises soleil …), l'inertie thermique et la ventilation (naturelle, nocturne, assistée, puits provençal …).

Pour la cellulose, une difficulté réside dans le coût d’achat des machines pour insuffler la cellulose (il semble que les machines actuellement fabriquées en France, et utilisées pour les fibres minérales ne soient pas facilement réglables pour la cellulose). En comparaison avec l’Allemagne, le prix de la cellulose en France est plus élevé, en partie à cause des coûts de transport (actuellement, il n’y a aucune usine en France pour ce produit).

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COMPATIBILITE AVEC LE CADRE REGLEMENTAIRE ET NORMATIF FRANÇAIS La Directive européenne sur la performance énergétique du bâtiment est une base importante pour que le travail sur les économies d’énergie soit compatible avec le cadre réglementaire et normatif français. Les nouvelles solutions techniques vont dans le même sens que l’exigence croissante de la réglementation : par exemple, suppression des ponts thermique en 2010 et la mise en place d'une réglementation dans l’existant. En ce qui concerne le cadre normatif, la France est doté d’un système de certification et de description de mise en œuvre (DTU : Documents Technique Unifiés, Avis Techniques, CPT : Cahiers de prescriptions Techniques) connu des acteurs de la construction. Les nouvelles solutions seront ainsi documentées pour être compatibles avec les ouvrages du bâtiment. En plus, certains produits sont évalués d’une façon commune à tous les pays européens tels que l’agrément technique européen. QUELLE DYNAMIQUE D’ACTEURS NECESSAIRE Les acteurs nécessaires sont principalement le gouvernement, l’éducation nationale, les agences publiques, les centres techniques, les constructeurs, les industriels, les négociants distributeurs, les artisans, les propriétaires, les installateurs ou entreprises du bâtiment, les architectes, les maîtres d’ouvrage, les maîtres d’œuvre, les gestionnaires et les utilisateurs des bâtiments en service. En bref tout le tissu complexe et diversifié des acteurs de la construction doit être mobilisé. Il est important de disposer d’un secteur de démonstration, couvrant les principaux types de bâtiments (logement, bureaux, collèges, lycées, universités, hôpitaux, bâtiments publics, etc.) à une échelle consistante et avec une couverture géographique significative. En ce qui concerne la conception architecturale et l’ingénierie intégrée très en amont il est nécessaire de disposer d’un portefeuille de concepts de bâtiments couvrant les principaux types de bâtiments. Les acteurs de la construction ont besoin de "thermomètres partagés", bases de données partagées (et non propriétaires à tel ou tel type d’acteurs) sur les performances et les coûts, les postes de dépenses qui se compensent (plus d’isolation/moins ou pas de chauffage), les surcoûts indéniables, les coûts d’exploitation maintenance, les temps de retour sur investissement des solutions disponibles selon des scénarii d’évolution des prix de l’énergie. Il nous semble important de ne pas seulement raisonner construction neuve et bâtiments existants, mais aussi amélioration continue et progressive pour mobiliser les gestionnaires de bâtiments et patrimoine immobilier. En ce qui concerne la formation, le contenu des programmes d’enseignement doit évoluer qu’il s’agisse de la formation initiale (BEP, CAP, BAC PRO, BTS, écoles d’ingénieurs et d’architecture, économistes de la construction etc.), de la formation professionnelle continue (GFC, AREF, etc.), formations dispensées par les industriels ou les négociants, sans oublier les ingénieurs territoriaux de France. Il faut inventer de nouvelles compétences et qualifications reconnues, notamment avec les professionnels et le CNED, Centre national d’éducation à distance Au niveau des entreprises de bâtiments et constructeurs de maisons individuelles, les actions doivent impliquer les responsables d’études de prix, les ingénieurs qui préparent les plans d’exécution, l’encadrement de chantier (chef de chantier et conducteurs de travaux), les chefs d’équipe et les compagnons. Face au foisonnement d’initiatives décentralisées, la mise en réseau, la fédération, la capitalisation, le partage et le retour d’expérience sont essentiels pour accélérer la diffusion des bonnes pratiques, mettre en garde contre les "contre performances", partager les bases de données sur les solutions, leur durée de vie et leur coût. Il y a une forte opportunité pour promouvoir le raisonnement en coût global, basé sur des données réelles, Il y a besoin d’un dispositif de suivi et d'évaluation en continu, indépendant, des expériences exemplaires. Pour la maison individuelle, mais pas uniquement, il ne faut pas oublier l’importance du rôle des "pionniers" ou "précurseurs" qui souhaitent construire, au-delà de la réglementation. Dans ce cas, le problème n'est pas généralement financier mais vient plutôt d'une part, d'une absence d'offre de la part des architectes et constructeurs de maisons individuelles, et d'autre part d'un manque de sensibilisation information du grand public, voire des maires et techniciens municipaux qui délivrent les permis de construire. Il est aussi nécessaire d’inventer de nouveaux modes d’implication et de sensibilisation des médias.

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Il y a de formidables opportunités pour les acteurs de la construction d’élévation du niveau d’exigence du marché, d’augmentation de la valeur ajoutée du secteur, de création d’emplois et de compétences nouvelles. Mais s’il faut s’appuyer sur les gagnants potentiels, il faut aussi ménager les perdants potentiels et les aider à se convertir. DISPONIBILITE EN FRANCE DES TECHNIQUES CONCERNEES ET DES COMPETENCES DE POSE. L’utilisation des procédés avec de fortes épaisseurs d’isolants est une technique validée au niveau de certains pays européens, Suisse (Marque MINERGIE) et Allemagne (Label PASSIVHAUS)). En France, la mise en œuvre des nouveaux procédés d’isolation nécessite une certaine connaissance technique notamment pour les points singuliers de mise en œuvre : étanchéité à l’air, jointement entre lés, liaison mur-toitures, murs-fondations, parois-fenêtre lorsqu’il s‘agit, par exemple, de doubler, voire tripler les couches d’isolation. L’aspect mécanique des ouvrages et de durabilité doit être pris en compte. Les techniques de pose en double ou triple ossature support d’isolants sont abordables mais nécessitent la connaissance de certaines règles de mise en œuvre afin de respecter la stabilité mécanique des parois. La question essentielle qu’il faut se poser c’est quels seront les acteurs et professions support sur lesquels il faut s’appuyer pour diffuser les meilleures solutions techniques disponibles et maîtriser les détails de mise en œuvre. Les techniques de mise en œuvre d’une enveloppe étanche sont délicates et des tests d’évaluation de l’étanchéité à l’air devront accompagner les chantiers pour permettre les ajustements nécessaires en cours de réalisation en utilisant le test de la "fausse porte" (mise en pression ou dépression) ou par caméra infra rouge : des surcoûts supplémentaires seront donc à prévoir. Ils peuvent être rédhibitoires dans le cas de la maison individuelle. Il y a un vrai enjeu de développement de test à faible coût.

QUELS TYPES D’INCITATIONS ENVISAGER Réglementation Technique Parallèlement aux évolutions de la Réglementation Thermique en 2010 et 2015 avec l’objectif d’amélioration de 15% tous les cinq ans, il conviendrait de développer un politique de labels qui jouent un rôle moteur et exemplaire pour le développement des nouvelles technologies. Ces labels plus identifiables pourraient être basés sur la RT et ses options HPE et THPE , voire au-delà (Effinergie) Fiscalité, financement et soutien des Collectivités locales Des aides sont déjà mise en place par les régions (prêts bonifiés, à taux zéro, subventions), et l’Etat (déductions fiscales) pour encourager la réalisation de solutions permettant de réduire la consommation énergétique et le respect de l’environnement. Mais elles sont encore restrictives, les déductions fiscales ne portent que sur l’achat d’équipements et de composants et ne prennent pas en compte les coûts de mise en œuvre. Ces aides pourraient être proposées d’une manière plus importante et plus générale, surtout pour l’existant, afin de mieux inciter les acteurs et en particulier les propriétaires à adopter les nouvelles solutions, notamment les plus démunis. En Autriche, par exemple, les aides à la pierre attribuées sur des critères basés sur le concept des maisons passives et le non recours aux énergies fossiles sont très encourageantes. Initiatives Privées Des démarches, à titre privé et en nombre très réduit sont déjà entamées en France pour adopter le modèle de maisons passive pour les maisons individuelles. Ces démarches doivent être encouragées et fiabilisées par une mise en réseau afin de partager les difficultés rencontrées (trouver un architecte, un BET, un constructeur, un artisan, obtenir le permis de construire, le financement) … et les solutions trouvées, leur temps de retour sur investissement.

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Dans ce cadre, les actions de communications joue un rôle très important pour la diffusion des technologies sont parfois organisées en France (par exemple salon de la maison MINERGIE à Strasbourg en Mars 2006)

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C.2.7 ANNEXE : SOURCES D’INFORMATION A. RÉFÉRENCES 1 : CEPHEUS – Cost Efficient Passive Houses as European Standards - Measurement results from more than 100 dwelling units in passive houses ECEEE 2003 Summer Studay – Time to turn down energy demand 2 : CEPHEUS – Project information No. 36 - Final Technical Report - July 2001 Project supported by the Thermie-Program of EU (BU/0127/97) 3 : Enquête MINERGIE - Analyse détaillée de 52 bâtiments d‘habitation construits. Enquête de satisfaction et de consommation de 506 bâtiments d‘habitation. Réalisée par Silvia Gemperle, spécialiste MINERGIE, FHS et Severin Lenel, professeur, FHS www.minergie.ch Voir aussi les références listées dans le Chapitre Recensement des Briques B. EXPERTS Autriche Fritz Oetll : pos architekten ZT KEG A-1080 Wien _ Maria Treu Gasse 3 - Autriche www.pos-architekten.at Robert Schild Saint-Gobain Insulation Thermal, Acoustic and Fire Marketing Manager 18 avenue d'Alsace La Défense 3 - 92400 COURBEVOIE Phone : +33 (0)1 47 62 40 24 Fax : +33 (0)1 47 62 50 48 Mobil : +33 (0) 608 21 54 28 e-mail : robert.schild@saint-gobain.com Danemark Svend Svendsen : DTU – Danish Technical University Department of Civil Engineering Technical University of Denmark www.byg.dtu.dk Susanne Dyrbøl Rockwool International A/S Phone: + 45 46560300 Fax: + 45 46563311 Direct dial: +45 46558095 Mobil Phone: + 45 2428 9345 e-mail: susanne.dyrboel@rockwool.com www.rockwool.com Allemagne Amélie BRACKMANN DÄMMSTATT W.E.R.F. GmbH mailto:a.brackmann@daemmstatt.de Jürgen Schnieders

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Passive House Institute Rheinstr. 44/46 D-64283 Darmstadt juergen.schnieders@passiv.de C. ASSOCIATIONS ACERMI : Association pour la CERtification des Matériaux Isolants http://acermi.cstb.fr EOTA : European Organisation for Technical Approvals www.eota.be UEATC : Union Européenne pour l'Agrément Technique dans la Construction www.ueatc.com KEY-MARK http://www.key-mark.org/English/index.html Syndicat National des Fabricants d'Isolants en Laines Minérales Manufacturées www.filmm.fr Association PROMO PSE : principaux acteurs de la chaîne de fabrication du polystyrène expansé (PSE) www.promo-pse.com Association Isolons la Terre www.isolonslaterre.org European Insulation Manufacturer Association www.eurima.org D. INDUSTRIELS British Plaster Board www.bpbplaco.fr Eurocoustic www.eurocoustic.com EFISOL www.efisol.fr Isover www.isover.fr Knauf www.knaufinsulation.fr KP1 www.kp1.fr Lafarge www.lafarge-platres.fr www.lafarge-couverture.fr URSA www.ursa.fr

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C3 - PAROIS TRANSPARENTES A HAUTE PERFORMANCE THERMIQUE EN EUROPE DU NORD (fenetres et baies vitrées : U<1 W/m².K)

Auteurs : François Olive (francois.olive@cstb.fr) avec la participation de Jean-François Arènes

Expert : Svend Svendsen (Université Technologique du Danemark), Fritz Oetll ( Architecte – POS Architekten – Autriche )

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ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUES D’ACTEURS ....................54 1.1 Contexte National et Local :..........................................................................................54 1.2 Antériorités et Origines de procédés de haute performance d’isolation thermique appliqués aux fenêtres et baies vitrée : ......................................................................................55 1.3 Dynamique des Acteurs.................................................................................................57 1.3.1 Acteurs Moteurs et décideurs clés .........................................................................57 1.3.2 Acteurs Résistants à l'Innovation...........................................................................57 2 ETAPE 2 : CONTENU de l'innovation.................................................................................58 2.1 Description de la technologie : ......................................................................................58 2.2 Description des produits et modalités d’intégration architecturale ...............................58 2.3 Horizon temporel :.........................................................................................................59 2.3.1 Innovation « mature »............................................................................................59 2.3.2 Innovation « émergente » (expérimentation).........................................................59 2.3.3 Innovation « à l’horizon » (recherche) ..................................................................60 2.4 Champ d’application : ...................................................................................................60 2.5 Impacts : ........................................................................................................................60 3 ETAPE 3 : MISE EN ŒUVRE .............................................................................................61 3.1 Fiabilité de la mise en œuvre sur chantier .....................................................................61 3.2 Spécificité de mise en œuvre .........................................................................................61 3.3 Modalités de gestion, d’exploitation et de maintenance des fenêtres à haute performance thermique ...................................................................................................................................61 3.4 Incitations réglementaires, fiscales…, modalités de financement.................................61 4 ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS FAITE DANS LEs PAYS CONCERNEs62 4.1 Les performances...........................................................................................................62 4.1.1 Energie...................................................................................................................62 4.1.2 Stabilité, Sismique, Feu .........................................................................................62 4.1.3 Confort Hygrothermique, Acoustique, Eclairage..................................................62 4.1.4 Risques de dégradation des performances après mise en œuvre ...........................62 4.1.5 Compatibilité entre performances .........................................................................63 4.2 Les coûts réels ...............................................................................................................64 4.2.1 Coût Initial – Investissement .................................................................................64 4.2.2 Coût Opérationnel - Exploitation – Maintenance..................................................65 4.3 Le vécu des utilisateurs – Avis des Acteurs et du Public ..............................................65 4.3.1 Les propriétaires et gestionnaires ..........................................................................65 4.3.2 Les résidents et usagers .........................................................................................65 4.4 Vitesse de diffusion dans le pays...................................................................................65 4.4.1 Le Marché – Commercialisation ...........................................................................65 4.4.2 Nature et efficacité des incitations.........................................................................65 4.4.3 Actions de diffusion et de sensibilisation ..............................................................65 4.4.4 Volonté d’exportation............................................................................................65 5 ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRES DIMENSIONS ETUDIEES : CONTEXTE, CONTENU, MISE EN ŒUVRE, EVALUATION .............................................................................................................................66 5.1 Points forts, points faibles de l’innovation (méthode SWOT ) .....................................66 5.1.1 S : Strength - Forces ..............................................................................................66 5.1.2 W : Weakness : Faiblesses ....................................................................................66 5.1.3 O : Opportunities – Opportunités ..........................................................................66 5.1.4 T : Threats – Menaces ..........................................................................................66 5.2 Points singuliers au contexte du pays............................................................................67

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ETAPE 6 : CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE ................................67 6.1 Les chances de la transposition en France.....................................................................67 6.2 Compatibilité avec le cadre réglementaire et normatif français ....................................67 6.3 Quelle dynamique d’acteurs nécessaire.........................................................................67 6.4 Disponibilité en France des techniques concernées et des compétences de pose. ........67 6.5 Quels types d’incitations envisager ...............................................................................67 6.5.1 Réglementation Technique ....................................................................................67 6.5.2 Soutien des Collectivités locales ...........................................................................68 6.5.3 Fiscalité, Financement ...........................................................................................68 7 ANNEXE : SOURCES d'INFORMATION..........................................................................69 7.1 Références .....................................................................................................................69 7.2 Experts Consultés : ........................................................................................................69 7.3 Industriels ......................................................................................................................70 7.4 Données Techniques......................................................................................................72

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ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUES D’ACTEURS

1.1

Contexte National et Local :

C’est en Europe du Nord (Pays Scandinaves) et Centrale (Allemagne, Autriche, Suisse ) que le développement des parois transparentes (fenêtres et baies vitrées - vitrages + cadres) avec une isolation thermique haute performance (U < 1 W/m².K ) est le plus significatif. Ce rapport s'intéresse principalement à l'isolation thermique et par conséquent au coefficient U. En effet, la réduction des pertes constitue un axe majeur pour faire des économies d'énergie. Néanmoins, dans le cadre d'une approche globale du bâtiment, la fenêtre ne devra pas être vue uniquement du point de vue "perte" mais aussi du point de vue "gain", en particulier par la prise en compte des apports solaires et lumineux, sans oublier les performances acoustiques. Les conditions communes rencontrées, qui ont favorisé leur développement sont les suivantes : -

un climat rigoureux et une saison froide longue ;

- une forte dépendance énergétique vis-à-vis de pays étrangers (à l'exception peut-être de la Norvège qui malgré tout a développé un programme de bâtiments à basse consommation énergétique : le projet Smart Energy Efficient Building – SmartBygg ) ; - un coût élevé de mise à disposition de l’énergie (transport, réseaux de distribution) ; - une forte sensibilisation de la population aux questions environnementales ; - des codes du bâtiment peu descriptifs, souvent ouverts à l’innovation ; - un engagement des pouvoirs publics au niveau national ou local (programme nationaux de RD spécifiques avec des budgets conséquents, initiatives locales de promotion de solution écologique et avec une bonne efficacité énergétique). Au niveau local, certaines actions sont menées pour combiner l’efficacité énergétique et les aspects écologiques. Les budgets dédiés à ces activités peuvent être très significatifs à l’échelle de certains pays (Autriche par exemple) ; - la présence de labels ou de dispositif de certification (Passivhaus, Minergie) pour signaler la performance énergétique des bâtiments et des ouvrages. Ces dispositifs fédèrent des groupes de lobbying et de promotion de l’efficacité énergétique et favorisent la réalisation d’opérations de démonstrations. Par ailleurs, dans la plupart de ces pays la gestion des ressources et les contraintes environnementales apparaissent comme les principaux moteurs du développement des technologies qui permettent de réduire les besoins en énergie des bâtiments. De plus, tous ces pays se sont engagés à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre (accord de Kyoto). Localement, comme en Autriche où le tourisme est une ressource importante, la préservation des sites naturels conduit à une prise de conscience collective sur la nécessité de préserver l’énergie qui reste le premier producteur de gaz à effet de serre (GES), que ce soit lors de la production, du transport et de sa consommation. Dans la majorité des pays, le développement des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique reste limité. Le choix d’installer des menuiseries à haute performance reste du domaine volontaire : les réglementations nationales ou locales ne sont pas contraignantes et n’imposent pas des niveaux de performance impliquant des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique (U< 1 W/ m2 C), même si les codes de calcul des performances évoluent sur ce point. Les pionniers dans ce domaine sont l’Allemagne, l'Autriche et la Suisse. Il faut noter que les codes de calcul et les réglementations sont en évolution régulière dans la plupart des pays et que les produits qui émergent aujourd'hui deviendront la règle demain.

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Des certifications ou des labels (volontaires) incitent au développement de baies vitrées à haute performance thermique : - Passiv haus(Allemagne Autriche), - Minergie (suisse France). Ces labels imposent aujourd’hui des niveaux de performance élevés (0,8 W/ m2 K) et incitent, les industriels de la fenêtre à proposer des produits adaptés. En outre, des associations professionnelles ou écologistes font la promotion des économies d’énergie et de la haute performance énergétique auprès des décideurs publics. Dans la plupart des pays, des mécanismes d’incitations à économiser l’énergie ont été mis en place. L’incitation prend la forme de primes ou de crédits d’impôt. Ainsi aux Etats-Unis, l'installation de fenêtres haute performance marquées Energy Star permet de bénéficier d’un crédit d'impôts de 10% du prix d'achat, avec un maximum de 200 $. 1.2

Antériorités et Origines de procédés de haute performance d’isolation thermique appliqués aux fenêtres et baies vitrée :

Les fenêtres haute-performance sont l’évolution directe des produits existants. Après l’apparition dans les années 1970 du double vitrage pour remplacer le simple vitrage, l’introduction des verres à couche peu émissive (Vitrage à Isolation Renforcée - VIR) de plus en plus performants a marqué une étape importante. Les limites physiques de l’émissivité étant atteintes, pour améliorer encore les performances thermiques, le triple vitrage s’impose.

Figure 1 : Double Vitrage avec Couche Basse Emissivité : www.cekal.com Ces innovations sur le vitrage ont permis de diviser par 6 le coefficient U du vitrage : il est passé de 5,6 (simple vitrage) à 0,5 W/m².K, voire proche de 0,2 pour les vitrages les plus performants sur le marché. D’autres solutions technologiques sont également en cours d’études, en intégrant des vitrages "sous vide". Ces technologies sont disponibles commercialement mais restent encore confidentielles. La pénétration des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique est très différente en fonction des pays. En Finlande depuis les années 1990, les fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique sont devenues peu à peu un standard (tableau 1). On constate le développement en parallèle du double et du triple vitrage mais sans couche basse-émissivité.

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Evolution des fenêtres en Finlande Période

U fenêtres

Fenêtre typique

< 1970

2,5

double vitrage cadre bois

1970-1980

2,1

double et triple vitrage cadre bois

1980-1990

1,8

double et triple vitrage cadre mixte bois aluminium

1990-2000

1,8

triple vitrage cadre mixte bois aluminium

Tableau 1: Evolution des fenêtres en Finlande (source VTT Building Technology – projet Sureuro) Pour compléter le tableau I, il est important d'ajouter que la réduction du coefficient U s'accompagne toujours d'une diminution du Facteur Solaire qui passe de 0,90 pour un simple vitrage à environ 0,5 pour un triple vitrage. La transmission lumineuse est aussi modifiée. C'est pourquoi, au Etats-Unis et au Royaume Unis, le marquage des fenêtres fournit non seulement le coefficient U mais aussi le coefficient g et la transmission lumineuse. En effet, suivant les zones climatiques considérées, le bilan énergétique (pertes/gains) d'une fenêtre sur une période de chauffe est variable, dans certains cas, il peut être positif. 1

: Logements à Faibles Besoins en Energie - Guide de recommandations et d’aide à la conception - Région Rhône-Alpes ADEME - ODH 26 Conseil Général de Savoie - Cabinet Olivier Sidler – Enertech - http://sidler.club.fr

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http://www.nfrc.org/label.aspx

http://www.bfrc.org/ratings.aspx

Figure 2 : Les données affichées pour les fenêtres aux Etats-Unis et au Royaume-Unis. Au Danemark, en Autriche et en Suisse, la diffusion des produits à forte isolation (fenêtres, baies vitrées) reste fortement dépendante des programmes de certification volontaire et de promotion des bâtiments à faible consommation énergétique. En Autriche, entre 1998 et 2001, 84 maisons individuelles et appartements ont été construits, évalués et documentés. Ces projets de démonstration ont contribué à l’information et à la promotion de l’efficacité énergétique dans les logements. Une action importante a été menée par la suite avec un programme fédéral "Bâtiment Durable du Futur", lancé par le ministère pour l’innovation et de la technologie. Actuellement, 151 projets de construction ont été réalisés dans le cadre de la R&D faisant ressortir les aspects économie d’énergie et écologie. Parmi eux, 35 bâtiments de démonstration ont été construits pour favoriser une prise de conscience collective dans ces domaines. 1.3

Dynamique des Acteurs

Les acteurs principaux pour le développement des fenêtres à haute performance thermique sont les suivants : - les fabricants de verre et les industriels des vitrages, - les bureaux d'architectes et les bureaux d'études spécialisés, - les fabricants de matériel spécifique ou destiné aux maisons basse consommation énergétiques ou passives. Ces acteurs sont soutenus au niveau local par des associations ou des instituts qui ont pour but de contribuer à l’efficacité énergétique et de promouvoir les économies d’énergie. Ainsi, le Passivhaus Institut fournit référentiels techniques, outils logiciels de conception (pour les bureaux d'études), guides de mise en œuvre (isolation, fenêtres, ventilation, …). En outre, il a mis en place une certification volontaire des bâtiments passifs et des composants, appareils ou systèmes qui leur sont destinés. Par ailleurs, il diffuse l’information au travers de plusieurs sites Internet, des brochures, des guides techniques, des outils logiciels et organise des conférences. En Suisse, l'association Minergie fait aussi un important effort de marketing pour promouvoir sa marque. 1.3.1

Acteurs Moteurs et décideurs clés

Les acteurs qui accompagnent ce développement sont : - les gouvernements avec les programmes d’aide à la construction des bâtiments à faible consommation énergétique, en collaboration avec tous les acteurs du bâtiment : banques, architectes, BE, constructeur, promoteurs, etc. ; - des instituts spécialisées comme l’OIB (Autriche), le Fraunhofer Institut für Solare Energie ou l’Institut für Building Physics (Allemagne) et d’autres organismes (Association, ONG …) qui développent des projets pilotes pour étendre le standard PassivHaus à travers l'Europe (Benalux, Italie, Irlande …). - l'Europe qui a soutenu (6ième PCRD - projet CEPHEUS) et soutient encore à travers le programme Intelligent Energy Europe,des projets pour étendre le standard PassiveHaus en Europe (projet PEP) du Nord et du Sud ( projet Passive On ) - les particuliers "pionniers" ou précurseurs, propriétaires de maisons individuelles qui ont toujours un rôle prépondérant pour une prise de conscience collective sur les problèmes environnementaux. 1.3.2

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Acteurs Résistants à l'Innovation

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Il n'existe pas d'acteurs résistants au développement des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique. Mais les fabricants de cadres (menuisiers, "gammistes" …) ne font pas d’effort important de développement particulier de nouveaux produits vraiment adaptés aux vitrages épais et plus faciles à mettre en œuvre. Ils privilégient l’adaptation des cadres existants (augmentation du nombre d'alvéoles pour les cadres PVC ), ce qui peut limiter le gain de performance thermique. Le frein principal à la diffusion des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique reste la faiblesse des exigences réglementaires en termes de performance énergétique et la forte diffusion du double vitrage à isolation renforcé (VIR) dont les verriers font une très forte promotion et qui répond aux exigences réglementaires vis-à-vis des performances thermiques, dans la majeure partie des pays. 2 2.1

ETAPE 2 : CONTENU DE L'INNOVATION Description de la technologie :

La technologie la plus représentative de la fenêtre haute performance est le triple vitrage (parfois avec gaz rare et couches basse émissivité) avec un cadre mixte (bois-alu) à rupture de pont thermique. A l’heure actuelle à l’exception de la Finlande et des constructions labellisées «PassivHaus» ou «Minergie P», ce type de baies est très rare dans la construction alors que le double vitrage à isolation renforcée constitue un standard dans beaucoup de pays. Une fenêtre à haute performance thermique est une innovation qui peut-être réalisée avec les technologies disponibles actuellement mais son optimisation est certainement nécessaire : problème de poids, d'intégration et d'encombrement. 2.2

Description des produits et modalités d’intégration architecturale

La figure 3 illustre une fenêtre avec triple vitrage, utilisée dans le cadre du programme PassivHaus.

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Figure 3 : Un exemple de fenêtre haute performance Triple vitrage + Cadre haute performance L’intégration d’une telle fenêtre dans une construction neuve ne pose pas de problème particulier. En ce qui concerne la réhabilitation, il est nécessaire de tenir compte, pour intégrer la fenêtre à haute performance thermique, de son épaisseur (en termes de vitrage et de menuiserie) particulièrement importante. Une réhabilitation par changement simple de l'ouvrant n'est pas possible, seule une rénovation lourde (avec changement du cadre, renforcement de l'isolation des parois opaques et installation d'une ventilation) permettra d'atteindre les objectifs. 2.3

Horizon temporel :

2.3.1

Innovation « mature »

Les fenêtres à haute performance thermique (triple vitrage) sont des produits actuellement diffusés en Allemagne, Suisse, Autriche et toute l’Europe du nord. Leur développement commercial est lié au développement des maisons passives et des programmes publics similaires. La diffusion d’un tel produit en France ne présente pas de problèmes techniques. Toutefois, ce produit est intimement associé aux immeubles passifs. Son développement serait donc concomitant avec le développement des constructions passives en France. Les industriels qui développent ces solutions, en Suisse et en Allemagne, adhèrent généralement aux labels Minergie et PassivHaus et proposent des produits adaptés à ces labels, par exemple : - Minergie : 119 industriels participants ou membres dont 18 exclusivement pour le domaine de la fenêtre avec 33 modules "fenêtre" labélisés Minergie, - PassivHaus : 67 industriels "labélisés" dont 65% concernant les fenêtres. Pour traiter les problèmes de surchauffe en été, en particulier pour le développement des maisons passives dans l'Europe du Sud, les fenêtres haute-performance sont souvent associés à des protections solaires. Différentes technologies sont disponibles : les stores bannes, les stores intérieurs/extérieurs, voire intégrés dans le double ou triple vitrage. 2.3.2

Innovation « émergente » (expérimentation)

D’autres solutions pour développer les fenêtres à haute performance thermique sont aujourd'hui à l’étude. Pour réduire l'épaisseur, le triple vitrage avec un vitrage sous vide est en développement chez certains industriels. La figure 4 montre le schéma d’un tel vitrage. Ce vitrage présente l’avantage de rester dans des épaisseurs compatibles avec les cadres utilisés pour les doubles vitrages.

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Vitrage extérieur trempé peu émissif (4mm) Lame intercalaire de gaz isolant (10mm) Vitrage clair (3mm) Cavité sous vide (0,2mm) avec intercalaires en inox

Vitrage intérieur feuilleté de sécurité traité peu émissif (6mm)

Joint de scellement double barrière

Figure 4 : Schéma d’un double vitrage intégrant un vitrage sous vide (source VELUX). La double fenêtre est une solution qui fait également l’objet d’un regain d'intérêt avec le développement des murs épais (20-30 voire 40 cm d'isolant pour les maisons passive). Sa praticité demeure toutefois un obstacle à son développement. Le développement des murs épais fait que de nouveaux types de cadre (plus minces) sont proposés sur le marché pour conserver une ouverture totale suffisante et éviter l'effet d'ombrage résultant du mur épais. 2.3.3

Innovation « à l’horizon » (recherche)

Plus en amont, des recherches concernant la "fenêtre active multifonctionnelle" sont déjà bien avancées. La fenêtre deviendra un élément intégrant différentes fonctions comme l’isolation thermique et acoustique, la gestion des apports solaires et de l'éclairage naturel (vitrage électrochrome, thermochrome …), la production d'électricité (PV intégré), l'éclairage (LED ou OLED intégrées), voire la ventilation. 2.4

Champ d’application :

Les fenêtres à haute performance thermique sont destinées aux bâtiments à faible consommation d'énergie et aux maisons passives. Elles sont essentiellement installées en bâtiment neuf, parce que les maisons passives sont très majoritairement des maisons neuves mais leur utilisation peut être étendue à la rénovation lourde. De plus, une fenêtre à haute performance thermique doit être associée à des parois opaques ayant une isolation haute performance pour atteindre une efficacité optimale. C’est rarement le cas dans les immeubles existants si une rénovation lourde n’est pas engagée. Enfin, les fenêtres avec une isolation thermique haute performance ne sont pas pour l'instant utilisées en tertiaire. 2.5

Impacts :

L’impact le plus important, noté par les occupants, est l'amélioration du confort, en particulier l'hiver avec la réduction de l’effet de paroi froide à proximité du vitrage. De plus, les couches basses émissivité permettent de réduire les risques de surchauffe l'été. Ce gain est déjà ressenti avec des doubles vitrages à isolation renforcé mais il est meilleur avec des fenêtres à haute performance thermique. Enfin, les pertes thermiques par le vitrage sont réduites de plus de 50%.

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Il n’existe pas à notre connaissance d’étude sur la réduction des émissions de CO2 (et donc de l’effet de serre engendré) due à l’utilisation de fenêtres à haute performance thermique. Les seules études disponibles ont été réalisées par le GEPVP et concernent l’utilisation des doubles vitrages à isolation renforcé. Une des conclusions de cette étude est que le remplacement en Europe des simples vitrages par des doubles vitrages à isolation renforcé, pourrait faire économiser annuellement 26 million de tonnes équivalent pétrole et réduire l’émission annuelle de CO2 de 82 million de tonnes. 3 3.1

ETAPE 3 : MISE EN ŒUVRE Fiabilité de la mise en œuvre sur chantier

L’offre industrielle dans le domaine de la fenêtre est très flexible et permet généralement toutes les adaptations aussi bien au niveau des dimensions ou des matériaux utilisés (bois, PVC, alu), voire même de la couleur. La pose d'une fenêtre haute performance n’engendre pas de difficulté supplémentaire par rapport à une fenêtre classique même si l’épaisseur plus importante d’un triple vitrage (et sa masse) peuvent exiger des adaptations (réduction du jour pour renforcer la menuiserie). Les techniques de pose actuelles sont directement adaptables et tous les textes réglementaires ou documents d’application gardent leur validité ; l'exigence la plus importante restant d'assurer une bonne étanchéité à l'air entre la fenêtre et la paroi 3.2

Spécificité de mise en œuvre

Les composants d’une fenêtre à haute performance énergétique ont un prix élevé, que ce soit pour une installation dans le neuf ou l’existant. Dans le cas de rénovation lourde (qui s’apparente à de la construction neuve), la mise en œuvre des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique diffère très peu de celle des fenêtres avec vitrage isolant classique. Les documents techniques et règlementaires sont applicables. Pour la réhabilitation (remplacement de menuiserie), les dimensions (épaisseur notamment) des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique peuvent poser des problèmes d’adaptation. Les documents techniques et règlementaires existant demeurent toutefois applicables. Une mise en œuvre de qualité est indispensable pour assurer la performance de la fenêtre à haute performance thermique. La plupart des problèmes de performance des fenêtres ont pour origine une mauvaise liaison entre le cadre de la fenêtre et le bâti (passage d’air) du fait d’une mise en œuvre déficiente. 3.3

Modalités de gestion, d’exploitation et de maintenance des fenêtres à haute performance thermique

L’entretien et la maintenance des fenêtres à haute performance thermique est similaires à celle des vitrages isolants classiques. Le triple vitrage et les vitrages sous vides de par leur conception plus complexes sont toutefois soumis à des contraintes physiques plus fortes qui notamment sollicitent particulièrement les joints. 3.4

Incitations réglementaires, fiscales…, modalités de financement

Dans la plupart des pays, des aides basées sur les performances thermiques du bâtiment favorisent l’installation de vitrages isolants conformes à la réglementation thermique en vigueur, mais il n'existe pas de mesures spécifiques pour les fenêtres à haute performance thermique.

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4 4.1

ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS FAITE DANS LES PAYS CONCERNES Les performances

Les fenêtres à haute performance thermique sont des produits fortement industrialisés. L’évaluation de ces produits fait l’objet de normes européennes largement utilisées. L’évaluation des performances thermiques est réalisée selon les méthodes décrites dans les normes suivantes : - NF EN 410 - Novembre 1999 : Verre dans la construction - Détermination des caractéristiques lumineuses et solaires des vitrages ; - NF EN 673 - Août 2001 : Verre dans la construction - Détermination du coefficient de transmission thermique, U - Méthode de calcul ; - NF EN 674 - Décembre 1998 : Verre dans la construction - Détermination du coefficient de transmission thermique, U - Méthode de l'anneau de garde ; - NF EN 675 - Décembre 1998 : Verre dans la construction - Détermination du coefficient de transmission thermique, U - Méthode du fluxmètre. L’évaluation acoustique est réalisée selon les méthodes décrites dans les normes suivantes - NF EN ISO 140-1/A1 - Juillet 2005 : Acoustique. Mesurage de l'isolement acoustique des immeubles et des éléments de construction. Partie 1 : spécifications relatives aux laboratoires sans transmissions latérales - Amendement 1 : exigences particulières applicables au cadre de l'ouverture d'essai pour cloisons à doubles parements légers ; - NF EN ISO 140-3/A1 - Juillet 2005 : Acoustique. Mesurage de l'isolement acoustique des immeubles et des éléments de construction. Partie 3 : mesurage en laboratoire de l'affaiblissement des bruits aériens par les éléments de construction - Amendement 1 : conditions particulières de montage des cloisons à doubles parements légers. De plus, chaque élément de la fenêtre fait l’objet de norme d’essais que ce soit : - le vitrage ; - les profilés ; - la quincaillerie. 4.1.1

Energie

Le GEPVP estime que 20% de l’énergie utilisée pour le chauffage est perdue à travers le vitrage, l’utilisation des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique réduirait ces pertes de plus de 50%.

4.1.2

Stabilité, Sismique, Feu

Les performances en termes de stabilité au feu et au séisme sont identiques à celles obtenues avec les fenêtres classiques. 4.1.3

Confort Hygrothermique, Acoustique, Eclairage

La fenêtre joue souvent un rôle actif dans la ventilation et la qualité de l’air. Le cadre est souvent utilisé comme entrée d’air. L’amélioration des performances thermiques, en particulier des températures de surface interne, permet d’éviter ou de retarder la condensation sur le vitrage. Les performances acoustiques correspondent généralement à la meilleure classe de performance, c'est-à-dire un indice d’affaiblissement routier supérieur à 36 dB. 4.1.4

C62

Risques de dégradation des performances après mise en œuvre

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Si la mise en œuvre ne diffère pas fondamentalement de celle des fenêtres classiques, elle reste primordiale dans la performance effective de la baie installée et dans la pérennité de cette performance. Ce problème est d’autant plus aigu pour les fenêtres à haute performance thermique qui doivent apporter un confort thermique accru. Les fenêtres à triple vitrage ou double vitrage "sous vide" sont plus complexes que les fenêtres à double vitrage à isolation renforcée. Notamment, les joints qui séparent les vitrages sont susceptibles de se dégrader plus vite que ceux des doubles vitrages car ils sont plus sollicités. A coté du risque intrinsèque lié à la technologie des vitrages utilisés, le risque principal de dégradation des performances de la fenêtre dans son ensemble portent sur la liaison entre la fenêtre et la paroi opaque. L’étanchéité à l’air entre la fenêtre et le bâti doit être maintenue dans le temps, malgré le surpoids lié au triple vitrage. Le problème à résoudre est donc la liaison et la gestion de l’étanchéité à l’air entre la fenêtre et le bâti. Cette question est d'autant plus importante que la pose d’une fenêtre semble accessible à tout le monde alors que ce domaine ne tolère pas l’a peu près (même s'il existe de très bons bricoleurs). 4.1.5

Compatibilité entre performances

Une fenêtre est soumise à des contraintes contradictoires, notamment elle doit : • limiter les apports solaires thermiques en été et les favoriser en hiver, • permettre à la lumière de pénétrer pour l’éclairage tout en limitant l’éblouissement. Les caractéristiques des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique doivent être un compromis entre l’isolation thermoacoustique, les apports solaires, le climat et le confort souhaité par l'utilisateur. Ces fenêtres doivent être associées à une protection solaire externe pour pouvoir moduler les apports solaires en fonction des saisons.

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4.2

Les coûts réels 4.2.1

Coût Initial – Investissement

Le coût d’un double vitrage est de l’ordre de 15 euros / m², celui d’un double vitrage à vitrage à isolation renforcé de 20 euros / m². Dans le tableau ci-dessous, sont présentés les coûts en Autriche Cadre

Fenêtre Standard

Fenêtre Maison Passive

U-value < 1,4 W/m²K

U-value< 0,8 W/m²K

€/m²

PVC

190

250

Wood-Aluminium

210

280

Coûts des fenêtres haute-performance en Autriche (Source: Schöberl, Hutter; Passive house Technologies in Social Housing, Vienna, 2003) Selon l’ADEME, les triples vitrages et menuiseries correspondantes, développées en Allemagne et en Belgique sont 90% plus chères que les fenêtres standards. De plus, il semble qu'il existe une grande disparité des prix des vitrages à haute performance thermique en Europe : par exemple, plus du simple au double entre la Suisse et la France. En France, il n’y a quasiment pas de ligne de production de triple vitrage. Aujourd’hui, une menuiserie française équipée d'un triple vitrage français coûte plus du double d’une menuiserie équipée de double vitrage à isolation thermique renforcée. Au niveau actuel des prix de l’énergie en Europe, l’économie engendrée par les menuiseries à haute performance énergétique comparativement aux solutions classiques est faible, et induit des temps de retour sur investissement très long (au minimum 30 ans, en passant d’une menuiserie classique - PVC avec double vitrage simple, Uw < 2 W/m².K, 300€ hors pose - à une menuiserie à haute performance énergétique - PVC et triple vitrage haute performance, U = 0,8 W/m².K, 500€ hors pose – avec un chauffage électrique). Même si les prix des énergies augmentent de manière très importante, la « rentabilité » économique du remplacement des menuiseries dans les logements existants demeurent bien faible comparativement, par exemple, au remplacement de la chaudière. Toutefois, le remplacement de la fenêtre demeure une des premières idées quand il s’agit d’améliorer pour un habitant la performance énergétique de son logement. Le propriétaire et/ou l’utilisateur profite en effet de « co-bénéfices » non énergétiques qu’il valorise clairement si les menuiseries vétustes de son logement sont remplacées : • meilleur confort : suppression des parois froides, absence de courant d’air ; • meilleure protection contre le bruit extérieur ; • meilleure qualité de l’air, meilleure hygrométrie (grâce à l’aération contrôlée) ; • sécurité accrue, du fait des fenêtres constamment ou très souvent fermées ; • meilleur revenu locatif (dans le neuf en Suisse, l’aération contrôlée justifie une hausse de 5 % de loyer ; dans l’ancien, de nouvelles fenêtres et une isolation de façade renforcée peuvent justifier 100 à 150 francs suisses de loyer supplémentaire) ;

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•

meilleur prix à la revente (selon une enquête commune de la Banque cantonale de Zurich et du CEPE de l’EPF Zurich, les maisons Minergie (qui sont équipées de menuiserie avec une bonne performance thermique) se vendent en moyenne 9 % plus cher que des maisons standard dans des localisations similaires ; augmentation de la valeur immobilière à terme (selon les experts immobiliers de la Banque cantonale de Zurich, les bâtiments Minergie ont en tendance une valeur immobilière à terme supérieure à celle d’un bien immobilier standard comparable). absence d'entretien périodique

• •

4.2.2

Coût Opérationnel - Exploitation – Maintenance

Le coût d’exploitation et de maintenance d’un triple vitrage et de la menuiserie associée est quasiment nul et ne diffère pas de celui d’un double vitrage et de sa menuiserie. 4.3

Le vécu des utilisateurs – Avis des Acteurs et du Public 4.3.1

Les propriétaires et gestionnaires

Pas d'éléments sur ce point. 4.3.2

Les résidents et usagers

D’après les fabricants, que ce soit dans le résidentiel ou le collectif, le retour positif des usagers est essentiellement du à l’amélioration du confort, aussi bien en hiver (pas de parois froide) qu'en été. 4.4

Vitesse de diffusion dans le pays 4.4.1

Le Marché – Commercialisation

En Autriche, au Danemark et en Suisse, la commercialisation des fenêtres à haute performance thermique reste liée au développement des maisons à faible consommation énergétique et aux labels qui leur sont associés. Ces maisons représentent aujourd'hui moins de 10 % du marché mais ce marché est en croissance exponentiel. En Finlande le triple vitrage deviendrait le standard mais pour l’instant aucun chiffre de pénétration du marché n’est disponible. 4.4.2

Nature et efficacité des incitations

Pas d'éléments sur ce point 4.4.3

Actions de diffusion et de sensibilisation

Les actions de diffusion et de sensibilisation sont essentiellement centrées autour de deux axes : - la promotion de la maison à maisons à faible consommation énergétique, portée par les différents labels, les associations et agences de promotion pour l’environnement et les économies d’énergie. - la promotion de l’amélioration du confort d’été et d’hiver, portée par les industriels. 4.4.4

Volonté d’exportation

Les industriels étrangers ou français établis à l’étranger ne font pas d’effort particulier pour exporter vers la France des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique. Selon les fabricants, le marché français n’est pas prêt à accepter les dimensions de menuiserie imposées par la technologie du triple vitrage. En outre, le transport de vitrage à haute performance thermique (triple vitrage ou double vitrage sous vide) est plus difficile que celui des doubles

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vitrages classiques, car ils sont plus lourds (triple vitrage) et plus fragiles tant qu’ils ne sont pas montés. En France, l’effort de communications des industriels porte actuellement sur le double vitrage à isolation thermique renforcé (VIR) qui compte tenu du climat répond aux exigences de la réglementation et peut trouver un marché très important dans la réhabilitation. Néanmoins, des industriels suisses ou allemands sont prêts à répondre à la demande de triple vitrages sur le marché de niche des maisons basse consommations énergétique. Enfin, une entreprise française propose depuis peu une fenêtre triple vitrage. 5

5.1

ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRES DIMENSIONS ETUDIEES : CONTEXTE, CONTENU, MISE EN ŒUVRE, EVALUATION Points forts, points faibles de l’innovation (méthode SWOT ) 5.1.1

S : Strength - Forces

Au niveau du produit, les différents points forts des fenêtres haute-performance sont les suivants : - une mise en œuvre peu différente de celle des menuiseries classiques ; - une modularité et adaptabilité des éléments au point de vue de la taille, de la forme et de la couleur. - un potentiel de développement de nouveaux produits associés particulièrement au niveau des cadres (notamment l'intégration de systèmes de ventilation) ; - un marché français de plus en plus intéressé par les maisons à faible consommation énergétique mais qui offre une plus grande diversité (Zones Climatiques) que les marchés Suisse et Autrichien, voire Allemand ou Scandinave. 5.1.2

W : Weakness : Faiblesses

Les principaux points faibles français sont : - un prix élevé, - des exigences réglementaires insuffisantes, - le développement commercial des vitrages à isolation renforcé, - le climat français moins rigoureux que celui des pays du nord de l’Europe. Le statut juridique de la fenêtre (faisant partie de la façade) qui oblige l’intervention de nombreux acteurs (copropriété, syndic d’immeuble, préfecture, verriers, menuisiers, poseurs, etc.) ainsi que le manque d’information et de lien entre eux, reste un handicap au développement structuré du produit. 5.1.3

O : Opportunities – Opportunités

Le développement de ce produit pourrait profiter : - d’un fort lobbying de la part des verriers ; - de la valorisation des compétences déjà existantes. 5.1.4

T : Threats – Menaces

La large promotion actuelle et la croissance de la diffusion du double vitrage et des verres à couche (vitrage à isolation renforcée) reste la principale menace au développement actuel ou à court terme des fenêtres et baies vitrées à haute performance thermique. Le contrôle insuffisant actuellement de la qualité de mise en œuvre des produits est également une menace forte pour le développement des fenêtres et baies à haute performance thermique. La mise

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en œuvre est primordiale pour que les consommateurs apprécient véritablement la performance de ces produits par rapport aux produits "standards" actuels. 5.2

Points singuliers au contexte du pays

Les points singuliers ont été listés au paragraphe 1.1. Il est à noter que, mis à part l'Allemagne, les autres pays où se développent les fenêtres à haute performance thermique sont de "petits" pays (Suisse, Autriche, Finlande …) avec une certaine homogénéité climatique. 6 6.1

ETAPE 6 : CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE Les chances de la transposition en France

Comme, il n'existe pas d'obstacles techniques, la transposition en France des fenêtres hauteperformance dépendra des évolutions à long terme de la réglementation et de l’implication des industriels dans son développement. Mais à court terme, comme dans les autres pays européens, l'implantation de labels très haute performance énergétique, le développement des maisons passives seront autant de marché (de niche aujourd’hui) potentiels pour les produits à haute performance thermique, qui favoriseront le développement des fenêtres ou baies vitrées à haute performance thermique. 6.2

Compatibilité avec le cadre réglementaire et normatif français

Le cadre normatif et réglementaire français n’offre aucun obstacle à la diffusion des fenêtres haute-performance mais il ne la favorise pas particulièrement. 6.3

Quelle dynamique d’acteurs nécessaire

Les fenêtres à haute performance thermique se développeront en France si une demande forte rencontre une offre à un prix raisonnable. On peut penser que la demande suscitera l’offre, notamment par le biais des constructeurs et/ou promoteurs qui souhaiteront proposer des bâtiments à faibles consommation énergétique à des clients de plus en plus exigeants et séduits par ce type de construction, à la recherche de biens durablement valorisables et confortables. Parallèlement, les pouvoirs publics doivent également contribuer à développer cette demande exigeante en renforçant l’outil réglementaire. Enfin, le développement d’indicateurs de performance énergétique des bâtiments (le diagnostic de performance énergétique en France), mettant en avant la performance énergétique des constructions lors des transactions immobilières, permettra également de renforcer cette demande. Les industriels pour la plupart européens, maîtrisent déjà dans les pays voisins les techniques nécessaires à l’élaboration de fenêtres à haute performance énergétique. Ils sauront répondre rapidement quand la demande se fera de plus en plus sentir. 6.4

Disponibilité en France des techniques concernées et des compétences de pose.

Les techniques concernées existent en Europe, elles sont détenues généralement par de grands groupes qui sont aussi présents en France. Le transfert des techniques ne repose donc que sur la volonté des acteurs industriels, principalement les verriers et dans une moindre mesure les menuisiers, à développer le marcher. Il faut noter que ces produits sont déjà disponibles en France à travers les distributeurs qui proposent des produits allemandes ou suisses, mais des PME françaises commencent à se positionner sur le marché. 6.5

Quels types d’incitations envisager 6.5.1

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Réglementation Technique

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La réglementation thermique qui joue son rôle de "voiture balai" n’est pas suffisamment exigeante aujourd’hui pour imposer les fenêtres à haute performance thermique (mais bien sur ne les interdit pas). Les initiatives locales ou privées pour récompenser le "maillot jaune" du bâtiment à faible consommation énergétique seront autant de mesures incitatives qui aideront les "pionniers" ou précurseurs des bâtiments économes. 6.5.2

Soutien des Collectivités locales

Certaines régions dans le cadre de politique locale en faveur des économies d’énergie proposent des aides financières. La « compétition » régionale ou locale sera aussi un des moteurs du développement de ces technologies. 6.5.3

Fiscalité, Financement

Dans le cadre de la politique nationale française en faveur des économies d’énergie, des aides sous forme de crédit d’impôt existent pour inciter les propriétaires, gestionnaires à réaliser des travaux pour réduire leur consommation. Tout contribuable, qu’il soit propriétaire-occupant, locataire, usufruitier ou occupant à titre gratuit, qui supporte, pour son habitation principale, des dépenses d’équipements est susceptible de bénéficier d’un crédit d’impôt. En ce qui concerne les parois vitrées, le taux est de 25% du montant de la dépense d'acquisition. Toutefois, les exigences pour bénéficier du crédit d’impôt si elles poussent à l’installation de menuiseries à isolation renforcée, sont insuffisantes pour inciter à l’installation de fenêtre à haute performance énergétique. Les caractéristiques exigées sont : - fenêtres ou porte-fenêtre dont le coefficient de transmission thermique Uw est inférieur ou égal à 2W/m²°K ; - vitrages à isolation renforcée dont le coefficient de transmission thermique Ug est inférieur ou égal à 1,5 W/m²°K ; - double fenêtre dont le coefficient de transmission thermique Uw est inférieur ou égal à 2,4 W/m²°K. Une même démarche avec des exigences plus fortes ou dont le taux de crédit d’impôt est fonction de la performance effective de la menuiserie installée, permettrait d’inciter à la mise en œuvre de menuiserie à haute performance thermique. Ce type de crédit d’impôt pourrait également affectée la taxe d’habitation. Des aides similaires au niveau local sont également envisageables.

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7 7.1

ANNEXE : SOURCES D'INFORMATION Références

WEBZINE CSTB : Baies et Vitrages - 2006 http://webzine.cstb.fr/equipbaie/private/exports/09-06-2006.pdf Les 10 tableaux qui permettent de comprendre le marché de la fenêtre en France en 2004 BATIM ETUDES - Juin 2005 - SNFA, SNFMI / GEPILB, UFPVC http://www.snfa.fr/stock_docs/communique_public_etude_fenetre_2004_la_clef.pdf Etude sur le parc fenêtre des logemnts des particuliers – septembre 2004 http://www.uf-pvc.fr/img/img_metier/renovation_logement2004.pdf Etude sectorielle : La baie - Fenêtres, fermetures et vitrages Janvier 2000 Etude CSTB réalisée par Jean-François ARENES - Patrick ELIAS - CSTB Fenêtre Bois : Performance Thermique Record, FFB, Batimétiers, juin 2006 Low-E Glass in Buildings - Contribution of the flat glass industry towards reducing greenhouse gas emissions & energy consumption in the EU15, GEPVP, The European Association of Flat Glass - mars 2005 - www.gepvp.org Energy & Environmental Benefits from Advanced Double Glazing in EU Buildings GEPVP, The European Association of Flat Glass - mars 2005 - www.gepvp.org Advanced glazing and transparent insulation – EASE project – Education of Architects on Solar Energy & Ecology - http://www-cenerg.ensmp.fr/ease/tech_main.html WINDAT project – Windows as a Renewable Energy Source for Europe Windows Energy Data Network - http://windat.ucd.ie/index.html et http://windat.ucd.ie/wis/html/index.html Performance, Durability and Sustainability of advanced windows and solar components for building envelopes - http://www.iea-shc-task27.org Smart Energy Efficient Building : SINTEF – NTNU - Norvège http://www.ntnu.no/em/fokus/smartbygg/prosjekt_rapp.htm Efficient Windows Collaborative (EWC) www.efficientwindows.org Windows & Daylighting – LBNL – Lawrence Berkeley National Laboratory http://windows.lbl.gov/ British Fenestration Rating Council www.bfrc.org National Fenestration Rating Council www.nfrc.org Minergie – Réglement Fenêtre http://www.minergie.ch/download/Reglement_fenster.pdf PassivHaus – Fenêtres – Produits Certifiés – "Zertifizierte Produkte" – "Fensterrahmen" www.passiv.de PassivHausFenster www.passivhausfenster.at www.passivhausfenster.de Voir aussi les Références Citées dans la Partie Recensement 7.2

Experts Consultés :

Svend Svendsen : DTU – Danish Technical University Department of Civil Engineering Technical University of Denmark www.byg.dtu.dk

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Fritz Oetll : pos architekten ZT KEG A-1080 Wien _ Maria Treu Gasse 3 - Autriche www.pos-architekten.at Pierre Jaboyedoff : Sorane SA Route du Bois 37 Case Postale 248 1024 Ecublens - Suisse 7.3

Industriels

Verriers : Le portail français du verre www.verreonline.fr Féderation Française des Professionnels du Verre www.ffpv.com www.verre.org Saint-Gobain www.saint-gobain-glass.com Glaverbel www.glaverbel.com Pilkington www.pilkington.com Nippon Sheet Glass http://www.nsg.co.jp/en/corporate/buisiness/build.html http://www.nsg-spacia.co.jp/ Guardian http://www.guardian.com/fr/index.html Velux www.velux.com Interpane http://www.interpane.net/3-68.iplus_3S-iplus_3CS.html?e=3 Triples Vitrages www.sofraver.ch www.glastroesch.ch Fenêtres avec Triple Vitrage Loewen http://french.loewen.com/whyloewen_heatsmart_frn.htm Bieber http://www.bieber-bois.com/dn_fenetre_triple_vitrage/ Boillon Fermetures http://www.boillonfermetures.fr/ Internorm http://www.internorm.fr/ Tryba www.tryba.com Kömmerling-Profine www.koemmerling.de

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Double Fenêtre www.schwoerer.de www.fiberline.com Fenêtre Innovante www.iku-windows.com

Associations EUROACE : European Alliance of Companies for Energy Efficiency in Buildings www.euroace.org SNFA : Syndicat National de la construction des Fenêtres, Façades et Activités Associées www.snfa.fr UFPVC : Union Fenêtre PVC www.uf-pvc.fr GEPVP : Groupement Européen des Producteurs de Verre Plat - European Association of Flat Glass Manufacturers www.gepvp.org European Solar Shading Association www.es-so.org Union professionnelle belge de Producteurs de volets et protections solaires www.verozo.be Association CEKAL pour la certification des vitrages isolants www.cekal.com Association Française des Organismes de Certification des Matériaux de Construction http://afocert.cstb.fr

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7.4

Données Techniques

Evolution du Coefficient U (W/m².K) entre 1970 et 2000

Simple vitrage

Double vitrage standard : 4-6-4 (1970)

Double vitrage standard : 4-6-4 (1990)

Double vitrage peu émissif : 4-14-4 (1990)

Double Vitrage à Isolation Renforcée (VIR) à gaz 4-14-4 (2000)

Triple vitrage VIR à gaz : 4-12-4-12-4 (2000)

Evolution du coefficient de transmission thermique U (W/m².K)

Marché Le tableau ci-dessous décrit le marché de la fenêtre en France. Il confirme que le double vitrage à isolation renforcé est le plus courant.

Matériau Bois PVC Aluminium Mixte BoisAlu Ensemble

SV 24 8 18

DV clair 585 2 876 739

DV th renf 974 2 917 793

DV acou renf. 64 449 100

DV th+acou renf 13 187 142

DV anti-effraction 78 238 126

0 5 118 23 11 2 50 4 204 4 802 636 353 444 Tableau 3 : Marché de la fenêtre en France (en millier de fenêtres) SV : Simple Vitrage - DV : Double Vitrage th : thermique – acou : acoustique – renf : renforcé

Total 1 737 6 675 1 917 159 10 488

Certification CEKAL : www.cekal.com Isolation thermique courante : Ug > 2 W/m².K Isolation thermique renforcée TR : Ug <= 2 W/m2.K Marquage : - Les vitrages sont marqués TR ( Thermique Renforcée) lorsque la valeur du coefficient Ug conventionnel de transmission thermique est inférieure ou égale à la limite de 2 W / (m2.K) - Mode de classement :

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Le coefficient de transmission thermique Ug est calculé à partir des valeurs d'émissivité des produits verriers. Ces calculs sont effectués selon les Règles Th-U et la norme NF EN673.

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C4 – SYSTEMES CONSTRUCTIFS COMPARES

Auteur : Jean-Luc Salagnac (jean-luc.salagnac@cstb.fr)

Expert : S. Svendsen (Univ. Technologique du Danemark)

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Sommaire

Introduction............................................................................................................................ 76 Etape 1 – Contexte :.............................................................................................................. 77 Etape 2 - Contenu : ............................................................................................................... 78 Etape 3 – Mise en œuvre ...................................................................................................... 81 Etape 4 - Evaluation : ........................................................................................................... 82 Etape 5 - Réflexion critique sur les 4 étapes ................................................................... 83 Etape 6 - Conditions de la transposition en France ........................................................ 83

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Introduction L’obtention de performances énergétiques supérieures à celle des bâtiments courants résulte de la mise en œuvre de dispositions prises à tous les stades d’un projet de construction : depuis la programmation jusqu’à la maintenance en passant par la conception et la mise en œuvre des partis techniques choisis. La mise en cohérence de ces dispositions, garante de la maîtrise de l’ensemble du projet dans le cadre de son économie, fait l’objet d’un rapport PREBAT spécifique sur l’approche intégrée [1]. Le présent rapport aborde une question moins large : celle de l’incidence du parti constructif sur l’obtention de la performance attendue. Une lecture transversale des analyses SWOT du rapport Benchmarking PREBAT n°1 [2] met en évidence une faiblesse commune à plusieurs des sous-ensembles analysés. Il s’agit de la sensibilité de la performance des ouvrages à la qualité de la mise en œuvre des produits et procédés. Les manières de réaliser ces ouvrages sont très nombreuses comme l’évoque le rapport. La technicité requise est implicitement une variable du problème. Un procédé potentiellement performant qui serait très exigeant en matière de qualification, d’outillage, de conditions de chantier pourrait ne pas révéler sa performance du fait de la difficulté à réunir toutes les conditions requises. Les procédés de construction dominants partagent cette caractéristique de permettre, dans des conditions économiques compétitives, d’être tolérant (dans certaines limites) à des défauts résultant d’une conception et d’une mise en œuvre imparfaites. La technicité requise garantit une appropriation étendue des conditions de mise en œuvre tout en permettant d’obtenir une qualité satisfaisante pour l’occupant. Dans la perspective de réalisation de bâtiments présentant des performances plus élevées que celle des bâtiments courants actuels, il est légitime de s’interroger sur les limites éventuelles de performances des procédés dominants afin d’évaluer la marge de manœuvre qu’ils présentent. Jusqu’où peut-on « pousser » ces procédés ? A partir de quel niveau faut-il envisager de revoir ces partis constructifs ? Comment devrait-on alors poser la question du développement de systèmes de substitution ? Le présent rapport aborde ces questions à travers l’examen du cas danois. Ce pays s’est en effet posé les questions qui viennent d’être évoquées et y a apporté des réponses dont on peut tirer des enseignements pour la situation française. Après avoir décrit le contexte danois sous plusieurs aspects : exigences de performances, organisation des acteurs, méthode choisie, résultats obtenus, nous en analyserons les atouts et terminerons sur des réflexions relatives à la transposition de certains de ces éléments. Les éléments relatifs à la situation danoise proviennent du rapport établi par des spécialistes de ces questions à l’université technique du Danemark [3]. Les points de vue développés dans ce rapport concernent pour l’essentiel le logement individuel et le logement collectif. Quelques éléments relatifs au non-résidentiel sont également fournis.

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Etape 1 – Contexte : Le Danemark est bien entendu confronté à l’obligation d’améliorer les performances thermiques à la fois du parc existant et des constructions neuves. Comme en France, la réglementation est un vecteur essentiel de ces évolutions. A dater du 1er janvier 2006, une nouvelle réglementation est entrée en vigueur. Elle introduit des exigences tant pour les logements neufs que pour les logements existants. La référence aux niveaux de performance des parois a été abandonnée pour être remplacée par une expression d’exigences relatives à la une consommation en kWh/m²/an. Cette consommation inclut les énergies nécessaires au chauffage, au rafraichissement, à la production d’ecs et à la ventilation. Sont ainsi prises en compte les pertes des canalisations et autres réservoirs de stockage de chaleur. Le tableau 1 présente l’évolution de ces exigences pour les bâtiments neufs. Pour l’année 1985, l’expression donnée n’est pas celle figurant dans la réglementation de l’époque puisque la méthode était différente de celle introduite en 2006. Cette expression « reconstituée » permet néanmoins de situer les évolutions. La lettre A désigne la surface du logement (m²).

Référence

Exigence (kWh/m²/an)

Valeur pour A= 100 m² (kWh/m²/an)

Building regulations 1995 (BR95):

95 +

3000 A

125

Building regulations 2006 (BR06):

70 +

2200 A

Low energy class 2 (BR06):

50 +

1600 A

Low energy class 1 (BR06):

35 +

1100 A

Tableau 1 : évolution des exigences réglementaires danoises (BR : Building Regulation)

Outre des exigences de base plus sévères, la réglementation de 2006 (BR06) introduit deux classes de bâtiments particulièrement performants :

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•

classe 2 : niveau inférieur de 25% à la base

•

classe 1 : niveau inférieur de 50% à la base

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Cette disposition est destinée à anticiper les futures exigences. L’ambition est qu’en 2015, le plancher de référence soit la classe 1 de la réglementation de 2006. Pour ce qui est des bâtiments existants, secteur bien entendu considéré comme prioritaire, la situation danoise est la suivante : 75% des logements actuels ont été construits avant 1979, date du premier renforcement de la réglementation thermique. Le niveau d’isolation des 25% restant est évalué à 50% des exigences introduites en 2006. Les éléments présentés au chapitre suivant sur les pistes suivies pour améliorer la situation résultent d’une approche collective et « nordiquement » consensuelle des problèmes. A noter que nos collègues danois du DTU insistent sur la dynamique associée à ces objectifs ambitieux. Dynamique qui repose sur une coopération étroite entre professionnels de la construction et le monde de la recherche avec en perspective la mise au point de solutions intégrées exportables en Europe.

Etape 2 - Contenu : Tant pour ce qui est des bâtiments existants que des bâtiments neufs, les efforts se portent naturellement vers un renforcement de l’isolation de l’enveloppe, mesure accompagnée de la mise en place d’une ventilation avec récupération de chaleur sur air extrait et d’un traitement des pertes thermiques des équipements (ballons d’ecs, canalisations). Le point faible des opérations de réhabilitation est évidemment le renforcement de l’isolation thermique des planchers bas et des fondations; ouvrages dont le traitement est plus aisé pour un bâtiment neuf. Les voies suivies par les danois s’inscrivent de manière pragmatique dans le développement de méthodes venant se greffer sur les pratiques courantes dans ce pays, elles-mêmes issues des techniques traditionnelles développées sur la base des ressources naturelles du pays : abondance d’argile, peu de bois (contrairement aux autres pays scandinaves). Le mur en briques de terre cuite est ainsi l’élément de référence au Danemark. Parmi les moteurs des évolutions de cette technologie, les préoccupations énergétiques ont leur part puisque, dès 1961, la première réglementation exigeait un coefficient U de 1.00 W/m².K. En 1977, dans le sillage du choc pétrolier de 1973, cette valeur était ramenée à 0.40 W/m².K. Performance satisfaite par un mur double comprenant 85 mm d’isolant. En 1995, 125 mm d’isolant étaient nécessaire pour atteindre une valeur de U de à 0.30 W/m².K. Les exigences introduites en 2006 correspondent à des valeurs de U de à 0.20 W/m².K, nécessitant 190 mm d’isolant. La technologie du mur double accepte ces évolutions apparemment sans problème. Evolution qui pourrait être prolongée sans difficulté jusqu’à 250 mm d’isolant (figure 1). Cette limite pourrait être poussée techniquement à 400 mm avant de rencontrer des problèmes de liaison mécanique entre les deux murs. L’intérêt économique viendrait cependant mettre un frein à cet accroissement de l’épaisseur d’isolant avant d’atteindre 400 mm. Un des aspects de cette limite économique est lié au coût de réalisation de fondations adaptées.

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Figure 1 : travaux en cours de mise en œuvre d’un mur double sur un bâtiment existant avec une épaisseur d’isolant de 250mmm (source DTU [3]) Une autre évolution se fait jour. L’importance de la fonction esthétique traditionnelle du mur extérieur maçonné en briques étant très forte, des tentatives sont en cours pour assurer les autres fonctions de cet ouvrage (mécanique, protection contre les agents climatiques) par une structure bois associée à un parement en briques. Un travail conduit au DTU en collaboration avec un constructeur a abouti à faire évoluer le mur double initial (épaisseur 410 mm pour une couche d’isolant de 190 mm) vers un mur composite bois/parement de 510 mm d’épaisseur pour 365 mm d’isolant. Le gain d’isolant est ainsi de 175 mm pour une augmentation de l’épaisseur totale du mur de 100 mm. En compétition avec le mur double traditionnel, solution dominante notamment pour les logements individuels, d’autres procédés sont utilisés de manière plus marginale au Danemark comme des structures à ossature bois ou acier. On trouvera en annexe des éléments statistiques sur les procédés constructifs danois. Les fondations présentent des difficultés d’amélioration des performances thermiques. Le DTU, en relation avec les constructeurs danois a examiné cette question pour déterminer, dans leur contexte (bâtiments bas (voir annexe), pas d’aléa sismique) des solutions optimales. Les résultats de ces réflexions est présenté figure 2 pour d’une part les structures lourdes issues des solutions traditionnelles, d’autre part des structures légères. Trois types de fondation ont été retenus : •

fondation large destinée à reprendre des efforts transmis par les deux murs du mur double,

•

fondation étroite destinée à reprendre les efforts transmis par la structure interne,

•

fondation à redan assurant la reprise de la structure externe.

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Fondation large

Fondation étroite

Fondation avec redan

Mur double avec isolant

Mur porteur intérieur

Mur porteur extérieur

Les plus Technique éprouvée Robustesse

Les moins Augmentation de l’épaisseur de la fondation avec celle de l’isolant Une partie de l’inertie est reportée à l’extérieur

Les plus Simplicité structurale Nombreuses possibilités de peau externe résistant à la pluie et au vent

Les moins Difficulté de traitement des points singuliers (baies, pied de mur, fixation de la peau extérieure)

Les plus

Les moins

Réduction des pertes linéiques

Difficulté de mise en place et de protection de l’écran parevapeur

Façade externe robuste

Complexité structurale Inertie thermique reportée à l’extérieur

Porteur Non isolant

Isolant Non porteur

Isolant Porteur LEGENDE

Structure légère avec élément porteur intérieur Les plus Simplicité structurale Nombreuses possibilités de peau externe résistant à la pluie et au vent

Les moins Difficulté de traitement des points singuliers (baies, pied de mur) Faible inertie

Structure légère avec élément porteur extérieur Les plus Réduction des pertes linéiques Mise en place façade ayant l’apparence d’une maçonnerie en briques sans fondation supplémentaire

Les moins Difficulté de mise en place et de protection de l’écran parevapeur Complexité structurale Faible inertie

Figure 2 principes de fondations présentant de bonnes performances thermiques dans le contexte danois

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Outres les murs et les fondations, les autres ouvrages des maisons individuelles font l’objet d’évolutions sur la base des considérations suivantes : •

les planchers bas, dont la contribution au bilan thermique croît au fur et à mesure que les performances des murs (et plus généralement de l’enveloppe) sont renforcées. Les possibilités d’amélioration par renforcement de l’isolation sont cependant grevées par des considérations mécaniques. Dans le contexte danois, un plancher bas non chauffant, constitué d’une dalle armée de 100 mm d’épaisseur, reposant sur 200 mm de polystyrène mis en place sur un lit de granulats d’argile expansé (150 à 300 mm) constitue un optimum. L’épaisseur d’isolant serait plus importante pour un plancher chauffant.

•

la toiture, dont l’isolation est déjà assurée (référence BR95) par 205 à 300 mm d’isolant. La perspective de pousser cette épaisseur à 500 mm semble acquise.

•

les fenêtres, dont l’amélioration passe à la fois par l’utilisation de parties vitrées à fortes performances (propriétés et nombre des vitrages) désormais disponibles couramment et par un traitement des ponts thermiques au niveau de la liaison avec les éléments de structure,

•

la ventilation, dont l’importance relative croit avec l’amélioration générale de l’isolation de l’enveloppe. L’utilisation d’échangeurs sur air extrait s’impose naturellement dès lors qu’une performance thermique élevée est recherchée,

•

les réseaux et les équipements, qui présentent un potentiel de réduction de pertes thermiques, sont optimisés en termes de pertes thermiques par une réflexion sur la géométrie, les parcours et le niveau d’isolation.

Le DTU estime qu’une économie de chauffage de 70 % par rapport aux exigences BR95 pour une maison individuelle est réalisable sans difficulté technique pour un surinvestissement limité (2 à 6 % sur une base de 175 000 €). Pour ce qui est des logements collectifs, le mur double a été adapté en réalisant une structure porteuse en béton, « habillée » par un mur en brique. L’isolation est placée entre les deux ouvrages. Une variante plus économique consiste à réaliser la peau extérieure par des panneaux en béton accrochés à la structure. Cette solution présente des ponts thermiques. La question des bâtiments non résidentiels à hautes performances énergétiques est encore en devenir du fait notamment de l’importance de la ventilation suivant les destinations.

Etape 3 – Mise en œuvre Les travaux relatifs aux bâtiments à hautes performances énergétiques au Danemark ont été principalement fondés sur l’évolution des techniques dominantes actuelles plus que par le souhait d’introduire une révolution dans les modes constructifs. Ce choix apporte a priori une garantie quant à l’appropriation des solutions décrites tant au stade de la conception que lors de la mise en œuvre sur chantier. Par ailleurs, l’habitude de coopération entre concepteurs (architecte, ingénieurs BE) et entreprises contribue à créer les conditions d’un bon déroulement des opérations.

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Ce contexte est a priori de garantir l’obtention de performances élevées : les règles du jeu, les repères, ne sont pas fondamentalement perturbés par rapport à un chantier traditionnel et l’attention peut plus facilement être portée sur le soin à apporter à l’exécution d’ouvrages comparables à ce qui se fait traditionnellement sans avoir à s’approprier un mode constructif nouveau. Malgré ce contexte favorable, le DTU pointe cependant quelques améliorations à apporter lors de ces phases. La formation des compagnons est notamment perfectible comme l’illustrent les problèmes rencontrés lors de la mise en œuvre du pare-vapeur dans des bâtiments très isolés dotés d’un système de récupération d’énergie sur air extrait. Faute d’information suffisante sur le rôle joué par le pare-vapeur dans la performance d’étanchéité à l’air des bâtiments (en complément de son rôle premier), un manque de soin lors de la pose n’a pas permis d’atteindre les bas niveaux de fuite d’air escomptés. Cet exemple illustre l’importance de la continuité de la chaîne d’information entre la phase de conception et le chantier. Vigilance d’autant plus importante que cela concerne des ouvrages qui sont très voisins des ouvrages réalisés traditionnellement. La formation des occupants se révèle également être un enjeu d’après l’expérience danoise. La encore, la continuité de l’information depuis la conception jusqu’à l’utilisateur mérite une attention particulière.

Etape 4 - Evaluation : La technicité des études de conception et d’optimisation ne change pas de nature en passant d’une opération traditionnelle à une opération « hautes performances énergétiques ». Sans doute faut-il cependant plus insister que d’habitude sur la communication d’information en passant d’une phase à une autre de l’opération. Au-delà de la seule communication, il y a peut-être à réfléchir à la qualité du message reçu. Pour pallier aux défauts « sournois » comme ceux résultant d’une pose imparfaite du pare-vapeur, la réglementation 2006 impose un essai de surpression sur le bâtiment construit, essai destiné à qualifier le niveau d’étanchéité à l’air. En dehors de quelques situations où le défaut d’étanchéité à l’air est patent (brèche, absence manifeste de joint), un défaut d’étanchéité à l’air peut être très difficile à corriger sur un bâtiment terminé. La réalisation du test est destinée à rendre très vigilants les entrepreneurs. Dans le même esprit et afin de garantir le maintien des performances dans le temps, il est envisagé de rendre obligatoires des mesures de maintenance et d’entretien des ouvrages et systèmes concourant à l’obtention de la performance thermique. L’instrumentation, le monitorage de bâtiments se pratique dans quelques projets de recherche mais il n’est pas envisagé de développer ce type d’approche pour des opérations courantes du fait du coût de l’instrumentation et de l’exploitation des données.

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Etape 5 - Réflexion critique sur les 4 étapes L’expérience danoise a ceci d’intéressant qu’elle est très pragmatique. Elle est fondée sur une posture qui consiste à dire : avant que d’imaginer d’autres modes constructifs, regardons jusqu’où peuvent être poussés les procédés actuellement dominants. Cette posture modeste et sage prend acte d’une réalité : le secteur de la construction innove en permanence mais la diffusion de l’innovation est lente, voire très lente. Aussi, les systèmes dominants actuels ont-ils été introduits il y a souvent plusieurs décennies et ils sont ancrés dans l’histoire et la tradition. Il se trouve par ailleurs que la technique du mur double est propice à l’exercice en ce qu’elle présente un potentiel d’évolution sans révolution. Modeste et sage, il est par ailleurs utile de le rester de manière à ce que les évolutions indispensables soient néanmoins bien intégrées et sans faille tout le long de la chaine d’acteurs. Les danois restent cependant ouverts à d’autres voies comme en atteste les éléments rapportés par le DTU.

Etape 6 - Conditions de la transposition en France Nous examinerons la question de la transposition de la démarche danoise sous trois aspects : •

la méthode générale,

•

la technique du mur double,

•

la coopération entre acteurs,

La méthode générale est comprise ici comme la posture consistant à examiner le potentiel de progrès recelé par les procédés constructifs dominants avant d’imaginer d’autres modes constructifs, a priori en rupture avec ce qui se fait de manière courante. La sagesse de cette posture lui confère un caractère quasi universel. Sa transposition dans le contexte français doit pouvoir s’opérer en principe sans obstacle. La situation de départ est cependant bien différente. Le procédé constructif de réalisation des murs dominant en France est la maçonnerie avec isolation par l’intérieur et l’augmentation de l’épaisseur a immédiatement une incidence sur les surfaces disponibles pour les occupants. La technique du mur double n’est pas inconnue de la codification française. Elle fait notamment l’objet de deux chapitres du DTU 20.1, Ouvrages en maçonnerie de petits éléments - Parois et murs : • •

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Partie 1 (P 10-202-1) : Cahier des clauses techniques, chapitre 3.4.2 Partie 2 (P 10-202-2) : Règles de calcul et dispositions constructives minimales, chapitre 4.5

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La présence d’isolation dans le vide de construction est également évoquée ainsi que les précautions à prendre pour éviter les condensations non souhaitables au niveau de ces ouvrages. Cependant, cette technique est relativement peu utilisée en France et les zones d’utilisation sont plutôt localisées au nord du pays. Eloignée qu’elle est des pratiques dominantes, elle pâtit d’un handicap de départ pour devenir un procédé performant en France. L’existence de l’expérience danoise pourrait cependant donner lieu à réflexion compte tenu de son potentiel. La coopération entre acteurs dans les pays nordiques a déjà été mentionnée à d’autres occasions pour sa réalité, sa permanence et son efficacité. Sans l’idéaliser, elle fait partie des habitudes malheureusement difficilement transposables car fondées sur des habitudes sociales et culturelles différentes de celles qui prévalent en France. Toutes les mesures qui pourront être imaginées, mises en œuvre, évaluées, pérennisées pour celles qui en valent la peine et qui iront vers l’amélioration de la communication (pas uniquement la transmission d’information) entre acteurs ne pourront être que bénéfiques à l’ensemble du processus de construction. Parmi ces mesures, les actions d’information destinées à rendre exigeants les maîtres d’ouvrage, les actions de formation ayant pour objectif de rappeler l’ardente obligation d’un chainage cohérent des actions depuis la programmation jusqu’à la maintenance en passant par la conception et la mise en œuvre sont des priorités. Il ne s’agit pas de revoir de fond en comble l’organisation de base d’un projet de construction mais de redonner aux phases traditionnelles leur contenu, leur mode d’enchaînement et de contrôle. Ce faisant, les frontières traditionnelles entre les différentes interventions peuvent être amenées à évoluer, notamment par une réflexion sur les interfaces critiques qui conditionnent l’obtention de la performance recherchée. Bien entendu, ces réflexions de progrès doivent être menées en ne perdant pas de vue qu’un bâtiment n’est pas caractérisé que par ses performances énergétiques …

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Références [1] Colombard-Prout (M.), Quénard (D.), Salagnac (J-L.) .- PREBAT, Briques technologiques : Approche intégrée .- CSTB, novembre 2007 [2] ADEME, CSTB, PUCA .- PREBAT : comparaison internationale bâtiment et énergie, rapport n°1 .Paris, CSTB, Juin 2006 [3] Rose (J.), Svendsen (S.) .- Developing High Energy Performance Buildings, (rapport en anglais) .Lyngby, DTU, février 2007

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie

C5 - PHOTOVOLTAIQUE EN TOITURE OU EN FACADE

Auteur : Rodolphe Morlot (rodolphe.morlot@cstb.fr) avec la participation de Philippe Dard Expert : E. Leonardi (Univ. New South Wales - Australie)

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INTRODUCTION Réservé jusqu’à présent au marché des « sites isolés », marché de première importance pour les Pays en voie de Développement qui ne peuvent supporter les investissements de production des modules, le photovoltaïque devient aujourd’hui un enjeu économique important pour les entreprises européennes, faces aux ambitions des entreprises américaines et japonaises de ce secteur, grâce à la maturité technique et administrative du marché de la « connexion réseau » (vente en partie ou de la totalité de la production électrique solaire au réseau de distribution électrique). L’objectif du doublement d’ici 2010 de la part des sources d’énergie renouvelable hors hydraulique affiché par la Commission Européenne dans le Livre Blanc consacré à la politique énergétique de l’UE, vient renforcer les besoins en développement de la filière photovoltaïque, qui découle des engagements des Etats signataires à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre d'au moins 5% par rapport aux niveaux de 1990 durant la période 2008-2012, lors du protocole de Kyoto sur les changements climatiques. Cette volonté affichée par l’UE, se traduit pour le photovoltaïque par la volonté de mettre en place 1 million de systèmes photovoltaïques pour l’Europe, ce qui est cohérent avec les mesures mises en place au Japon et aux Etats Unis. Pour réaliser cet objectif, le photovoltaïque se tourne vers le secteur du bâtiment, qui représente à lui seul le plus grand consommateur d’énergie (environ 45% de l’énergie globale d’un pays industrialisé tout usage confondu, dont 80% au cours de sa vie en œuvre), devant le secteur des transports, et contribue pour 25 à 30 % des émissions de CO2. L’objet de cette étude est l’évaluation, la capitalisation et l’analyse des conditions de transposition à la France des systèmes photovoltaïques intégrés au cadre bâti. Les systèmes photovoltaïques sont des produits assurant de façon conjointe les fonctions de production d’électricité autonome et les fonctions de stabilité, d’étanchéité à l’air/eau, de sécurité… liées au respect de l’intégrité du cadre bâti (habitabilité, durabilité). Le champ de l’étude a été limité au Japon, pays dans lequel les produits répondant à cette définition existent. La filière photovoltaïque y est fortement développée et le « mariage » avec le secteur de la construction très prolifique.

C.6.1 CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUE D’ACTEURS CONTEXTE NATIONAL ET LOCAL Japon : La consommation en énergie au Japon a augmenté de façon continue depuis la fin de la deuxième guerre mondiale, avec simplement un ralentissement pendant les crises pétrolières des années 1970. La consommation d’énergie finale atteint aujourd’hui un peu plus 350 Mtep. La consommation d’énergie primaire1 par habitant est d’environ 4,0 tep par habitant, identique à la moyenne des 15 pays de l’Union Européenne avant 2004 et deux fois plus faible que celle des Etats-Unis2. La sécurité d’approvisionnement a toujours été au centre de la politique énergétique du Japon, obsédé par sa propre vulnérabilité en ce domaine. Et le Japon ressemble à bien des égards à la France, notamment par sa pauvreté en ressources énergétiques, et par les réponses apportées à cette situation. Ainsi, le nucléaire représente plus du tiers de la production d'électricité. On ne saurait en effet occulter la réalité du développement du nucléaire japonais, entériné par l’adoption du programme énergétique publié le 12 juillet 2001 (Ministère de l’Economie, du Commerce et de l’Industrie - METI). Pour autant, et suite à la première crise pétrolière de 1973, le potentiel du photovoltaïque a été reconnu par le gouvernement japonais, qui a soutenu un programme de R&D combiné à des subventions pour l’installation de systèmes photovoltaïques. La crise financière des années 1990 (chute des cours boursiers et des prix fonciers) a entraîné une baisse des investissements privés puis publics dans l’industrie et la construction. Le gouvernement japonais à adopter en 1997 un large plan de restructuration économique. Le volet énergétique de ce plan d’action classe le développement et la commercialisation des énergies renouvelables comme l’une des priorités. Sur le plan législatif, cette loi sur les nouvelles énergies définit la responsabilité de chaque secteur

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(gouvernement, consommateurs, fournisseurs, fabricants d’équipements) pour introduire et développer les nouvelles énergies, qui ont atteint techniquement un niveau d’utilisation pratique mais qui ne sont pas encore largement utilisées pour des raisons économiques. Cela inclut l’éolien, le photovoltaïque, la biomasse, l’incinération de déchets et l’hydroélectrique de petite taille (jusqu’à 1 MW). Aujourd’hui le Japon est le leader mondial du photovoltaïque en terme de volume de production de modules photovoltaïques (618 MW en 2004), devant l’UE (308 MW) et les Etats-Unis (139 MW). Un objectif de 4,8 GW de systèmes photovoltaïques installés est visé pour 2010. Le photovoltaïque nécessite un investissement environ vingt fois plus important que le nucléaire mais le coût de revient de l’électricité pour un particulier n’est que deux à trois fois plus élevé que le prix d’achat d’électricité auprès d’une compagnie électrique. Le photovoltaïque peut alors rapidement devenir un investissement intéressant pour les particuliers. Les programmes de R&D mis en place par le gouvernement japonais visent donc à réduire le coût de production de l’électricité à partir du photovoltaïque pour le rendre de plus en plus compétitif. Le photovoltaïque est par ailleurs une source d’énergie particulièrement bien adaptée au Japon pour fournir un complément d’énergie en cas de forte demande. Le pic de demande d’électricité est en effet l’après midi (surtout en été à cause de la forte utilisation des climatiseurs), au moment où la production des installations photovoltaïques est à son maximum. Les nouvelles énergies représentent environ 1% de la totalité des sources d'énergie primaire au Japon, mais seulement 0,5% pour la production d'électricité. Le METI a fixé comme objectif pour 2010 que les nouvelles énergies, prises de façon globale, représentent 3% de l'énergie primaire. L’objectif est de produire 1.35% de la fourniture nationale d’électricité à partir des nouvelles énergies en 2010, soit 12.2 TWh, contre 0.33 TWh en 2003. Ce n’est pourtant qu’en 2002 que le Japon a ratifié le protocole de Kyoto. Dans le cadre de cet accord international, le Japon s’engage à réduire d’ici 2010 ses émissions polluantes de 6% par rapport aux niveaux observés en 1990. Prise de conscience collective et actions Deux lois gouvernementales ont permis d’asseoir la stratégie nationale du développement du photovoltaïque au Japon, et induire les progrès planétaires de la filière que l’on connaît aujourd’hui. En 1980 le gouvernement adopte une loi concernant « la promotion du développement et de l’introduction des énergies alternatives ». Cette loi a pour objectifs : - d’approvisionner le Japon en énergies de substitution des énergies fossiles, - la création du NEDO (New Energy Development Organization), pour la mise en œuvre des développements techniques concernant les énergies de substitution, - la création de la NEF (New Energy Foundation) pour la diffusion des ENR, notamment par l’attribution de subventions. En 1996 le gouvernement adopte une loi concernant « les mesures spéciales pour la promotion de l’utilisation des nouvelles énergies ». Cette réglementation visant à intensifier la diffusion des ENR, a conduit schématiquement à l’adoption des points suivants : - 1er Principe : Les consommateurs et les fournisseurs d’énergie ont pour DEVOIR de collaborer avec le gouvernement en vue de promouvoir les ENR (engagement de l’ensemble du pays est fondamentalement nécessaire) - 2nd Principe : le pays prévoit de prendre des mesures d’aides destinées à apporter un soutien financier aux entités qui UTILISENT dans leur activité ou profession des ENR, par exemple sous forme de prêts garants. Cette réglementation invite les professionnels et les particuliers à opter de manière active pour les ENR, en précisant par des recommandations pragmatiques le rôle que doivent assumer d’une part les consommateurs et les fournisseurs d’énergie, d’autre part le gouvernement et les collectivités locales.

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Les mesures pour la promotion des nouvelles énergies sont alors différentes pour chaque région et chaque ENR. Le gouvernement agit soit directement via le MITI (Ministry of International Trade and Industry, devenu le METI en 2001), soit indirectement via le NEDO ou la NEF Différentes actions viennent compléter la politique volontariste du gouvernement japonais, en premier lieu sous l’égide de certains Ministères : - MLIT (Ministère de l’Aménagement du Territoire, des infrastructures et des transports), qui recommande pour la construction de bâtiments du gouvernement respectant l’environnement, l’intégration de systèmes photovoltaïques. Début 2004, on comptait 455kW installés sur 13 bâtiments du gouvernement central. - MEXT (Ministère de l’Education, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie) a entrepris un projet pilote d’ECO-ECOLES pour encourager l’installation de systèmes photovoltaïques dans les écoles, des maternelles aux lycées. Début 2004, on comptait 341 écoles de ce type, dont 229 possédaient un système photovoltaïque d’au moins 10 kW. - MoE (Ministère de l’Environnement) soutient les projets de réduction d’émissions de CO2 en utilisant des énergies naturelles. La loi sur l’achat « vert » oblige les institutions publiques a acheter des équipements respectueux de l’environnement, dont font partie les systèmes photovoltaïques. En complément des programmes nationaux, certaines préfectures et municipalités ont fixés leurs propres objectifs d’introduction du photovoltaïque à l’horizon 2010 et soutiennent l’installation du photovoltaïque dans les bâtiments publics et chez les particuliers. Début 2004, 262 gouvernements locaux (préfectures, villes, cantons…) offraient des subventions aux systèmes photovoltaïques résidentiels, complémentaires de celles de la NEF, allant jusqu’à 40% du coût d’installation. Les préfectures qui proposent des subventions (Aichi, Nagano, Hyogo) ont plus de systèmes photovoltaïques installés que celles qui n’offrent pas de subventions. Les dix compagnies électriques qui exploitent le parc nucléaire, se sont également engagées à acheter l’électricité fournie par le photovoltaïque au même prix que le tarif de vente de l’électricité classique. De plus 4,5 MW sont installés sur leurs installations. Les compagnies électriques ont également mis en place des « Green Power Fund », pour promouvoir le développement de l’éolien et du photovoltaïque. Les clients de ces compagnies peuvent s’ils le souhaitent verser une contribution mensuelle (autour de 500 yens) pour subventionner l’installation de systèmes photovoltaïques dans des bâtiments publics (285 entre 2001 et 2003, environ 5 MW). Enfin, certaines banques et institutions financières proposent des prêts à taux préférentiels pour l’installation de systèmes photovoltaïques sur des maisons individuelles.

ANTERIORITES ET ORIGINE DE L’INNOVATION La conversion de la lumière du soleil en énergie électrique ou conversion photovoltaïque (photo = lumière, voltaïque = électricité), a été découverte par le physicien français A. Becquerel en 1839 (apparition inexpliquée d’étincelles entre deux matériaux sous l’effet de la lumière = effet photovoltaïque). C’est aujourd’hui le seul phénomène connu pour transformer directement l’énergie lumineuse produite par le soleil, en énergie électrique. L’élément de base de cette transformation est la cellule photovoltaïque ou photopile, qui utilise donc l'énergie des photons et non pas la chaleur du soleil. Compris entre 5 et 20%, le rendement énergétique dépend avant tout de la technologie de construction des cellules photovoltaïques. Lorsqu'elle est éclairée, la cellule produit une tension de 0.5 volt, le courant délivré étant fonction de la surface de cellule et de l'ensoleillement incident (de l'ordre de 30 mA pour chaque cm² de capteur sous un ensoleillement maximum de 1 kW/m²). Pour produire plus de puissance et fournir à un équipement électrique une tension et une puissance adéquates, les cellules photovoltaïques sont connectées électriquement entre elles (connections série / parallèle), pour former un module. Consacrée à l’origine presque exclusivement aux applications spatiales, l’électricité solaire photovoltaïque est aujourd’hui utilisée par différentes applications terrestres (relais de télécommunication, balisages, pompages, habitations isolées et habitations urbaines). Elle permet désormais à tout un chacun de produire sa propre

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électricité et s’il y a lieu, de la revendre au réseau électrique. Les avantages de l’électricité solaire photovoltaïque sont multiples, car elle représente la source d’énergie potentiellement la plus importante pour un usage domestique ou collectif. Si le Japon occupe la première place au niveau mondial dans le domaine du photovoltaïque, c'est en grande partie grâce au projet « Sunshine », conçu sur 20 ans, qui soutient et oriente la R&D depuis 1974. Des projets exploratoires de R&D à court terme, révisés tous les 4-5 ans, pour : - améliorer les rendements des cellules et réduire les coûts (couches minces, cellules cristallines à double et triples jonctions, cellules à concentrateurs à très haut rendement, cellules hybrides silicium amorphe/silicium polycristallin, Silicium à nanostructure contrôlée,…), - et optimiser les process de fabrication industrielle pour une production de masse (nouveau procédé permettant la production de tranches de silicium polycristallin à partir de silicium fondu et sans étape de découpe,…). Les industriels à l’époque impliqués sont déjà des multinationales (Sharp, kyocera, Sanyo, Kaneka, Mitshubishi Electric), qui sont aujourd’hui les « majors » en terme de capacité de production de modules photovoltaïques sur le marché mondial. Pour amener le plus rapidement possible la technique au stade de l'application industrielle, le Japon a lancé en 1993 le « New Sunshine Project ». Le programme a contraint les distributeurs d’énergie électrique à acheter l’excès d’énergie photovoltaïque au prix de vente au détail. En 1995, le programme « Solar Roofs » est mis en place pour promouvoir l’usage du photovoltaïque dans le résidentiel. En plus d’offrir des prêts avantageux et des subventions, l’initiative comprenait un vaste programme d’information et de sensibilisation. Entre 1994 et 1999, l'Etat a pris en charge 30 à 50% du coût des installations PV construites sur des maisons d'habitation. Depuis 2000, le gouvernement subventionne le photovoltaïque avec une contribution fixe par kW installé. Ce montant était alors de 180 000 yens/kW et il est encore de 20 000 yens/kW en 2005. Au total, l'Etat japonais a injecté – entre 1994 et 2005 – 1187 milliards de yens de subventions pour des installations photovoltaïques construites sur des bâtiments d'habitation. Cette politique de subventionnement a permis d'abaisser d'un tiers les coûts de fabrication des installations photovoltaïques et de créer un marché pour les écouler. Cette réussite est liée à une forte politique de soutien à la « Dissémination des systèmes photovoltaïques résidentiels », qui a assuré la création d'un marché initial pour le photovoltaïque, et à la participation active des constructeurs de maisons individuelles, comme Sekisui, Misawa Homes et Daiwa House. Une grande partie des maisons au Japon sont soit préfabriquées, soit construites avec des éléments standard, facilitant ainsi l’intégration de panneaux solaires. Près de la moitié des systèmes photovoltaïques est vendue lors de la construction d’une nouvelle maison. Ces entreprises de construction individuelles mènent leurs propres recherches sur l’intégration des systèmes aux habitations. Les avantages pour le consommateur sont le prix plus faible du système qui est complètement intégré à la maison et le coût de financement plus faible, car les coûts additionnels du PV sont inclus dans le prêt pour la maison. Le prix d’installation d’un système de 3kW pour un particulier est ainsi passé de 11 millions de yens en 1993 à environ 2 millions de yens en 2003. Ce prix correspond à un coût de 45yen/kWh, soit le double du tarif de l’électricité vendue par les compagnies d’électricité. Le programme national actuel, « Advanced PV Generation », met l’accent sur la dissémination à grande échelle du PV et la réduction des coûts. Une partie du programme est aussi consacrée à favoriser la recherche exploratoire à long terme. A la fin du programme APVG (fin de l’année fiscale 2005, c’est à dire mars 2006), la NEDO va continuer un programme de R&D similaire pour atteindre les objectifs à court et long terme fixés par la Roadmap PV2030.

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Facteur de réussite : Corrélation entre l’évolution du prix des systèmes, du nombre de systèmes installés par an et du budget des subventions - Source : Sharp. DYNAMIQUE DES ACTEURS Les acteurs qui accompagnent le développement du photovoltaïque intégré au cadre bâti sont : Les institutions gouvernementales - NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization): Organisme principal du Ministère de l’Economie, du Commerce et de l’Industrie pour orienter et subventionner la recherche sur les technologies des nouvelles énergies et de l’environnement. - ANRE (Agency for Natural Resources and Energy): Agence chargée de la politique énergétique au sein du Ministère de l’Economie, du Commerce et de l’Industrie (METI). - NEF (New Energy Foundation) : Chargé du programme de subvention. Les Associations de la filière photovoltaïque - PVTEC (Photovoltaic Power Generation Technology Research Association): Association des entreprises impliquées dans la R&D sur le photovoltaïque. - JPEA (Japan Photovoltaic Energy Association) : Promotion de l’énergie photovoltaïque par la diffusion de l’information sur le photovoltaïque (organisation de conférences, publication de revues). Les Associations de la filière construction - JAHB’Net (Japan Area Home Builders' Network): réseau national d'environ 600 constructeurs de maisons individuelles et compagnies de construction au Japon (siége à la maison d'Aqura), a rédigé et publié le 20 Avril 2005, une charte décrivant une maison normalisée capable de réaliser des coûts de service nuls, en combinant un système photovoltaïque de production de l'électricité avec tous les appareils électriques. Les laboratoires de Recherche dans le domaine du photovoltaïque - JET (Japan Electrical Safety and Environment Technology Laboratories): Certification du matériel électrique. Participe à des projets de recherche de la NEDO sur le photovoltaïque. - AIST (National Institute for Advanced Industrial Science and Technology): Cinq équipes de recherches abordent la recherche sur le photovoltaïque dans son ensemble. Le « Mega Solar », un système de 1000 kW, a été installé en 2004, avec plusieurs types de modules. Les laboratoires de Recherche dans le domaine de la construction - Building Research Institute,

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Tokyo Institute of Technology Nagoya Institute of Technology

Les universitaires - Atsushi Akisawa Lab, Tokyo University of Agriculture & Technology: Sur l’énergie solaire en général, sur les cellules à concentrateur et à colorants pour le photovoltaïque. - Chubu University - Gifu University - Kanazawa University - Kurokawa Kousuke Lab, Tokyo University of Agriculture & Technology: le professeur Kurokawa est un des acteurs principaux dans l’établissement de la roadmap PV 2030 [http://pv.ei.tuat.ac.jp/english/papers/ieeepvsc31_kurokawa.pdf] - Kyushu University - Okada Yoshitaka Lab, Tsukuba University - Okamoto Hiroaki Lab, Osaka Univiversity - Tohoku University - Toyohashi University, Toyohashi et Toyota Technological Institute, Nagoya : cellules photovoltaïque avec concentrateur - Wada Takahiro Lab, Ryukoku University : Matériaux pour le PV (CIS, TIO2) - Fuyuki Takashi Lab, Nara Institute of Science and Technology: (Semiconducteurs) - Hanna Junichi Lab, Tokyo Institute of Technology: procédés de fabrication des cellules (plasma CVD) - Konagai-Yamada Lab, Tokyo Institute of Technology: le professeur Konagai préside le comité de la JSPS sur le photovoltaïque (175th Comittee on Innovative Photovoltaic Power Generating Systems). Les Industriels de la filière photovoltaïque La moitié des systèmes PV vendus dans le monde sont fabriqués par des entreprises japonaises : Sharp, Kyocera, Sanyo, Mitsubishi Electric pour ne citer que les plus importantes. Si les cellules sont fabriquées uniquement au Japon, la fabrication des modules est en partie délocalisée hors du pays. En 2006, la capacité de production des 4 plus grands fabricants de cellules japonais dépassera les 1.2GW.

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Industriel Sharp Kyocera MSK Sanyo electric Mitsubishi Electric (MELCO) Kaneka Mitsubishi Heavy Industries Hitachi Honda Motor Fuji Electric Showa Shell Sekiyu Fujiprim / Clean Venture 21 Matsushita Ecology System Canon

technologie sc-Si, mc-Si, thin film Si 1 mc-Si, spherical Si PV-module a-Si/sc-Si, thin film Si mc-Si a-Si, a-Si/p-Si a-Si sc-Si CIGS a-Si CIGS PV-module, spherical Si CIGS mc-Si (triple jonction)

Capacité de production [MW] 2005 2006 500 Pas précisé 240 Pas précisé 180 Pas précisé 160 250 135 230 30 55 10 40 10 Pas précisé 2.8 27.5 3 15 20 3 -

Les industriels de la filière Construction, PME - Sekisui, Misawa Homes, Daiwa House - Kyoei, Kajima, Obayashi, - Shimizu, Takenaka, Yano-jyuken,… -

Asahi Glass Co. Ltd., Nippon Sheet Glass Co. Ltd. Chisso Corporation, Clean Venture 21 Corporation, Ebara Corp. Daido Metal Co. Ltd., Daido Steel Co Ltd., Kawasaki Steel Corp. Nippon Shokubai Co. Ltd., Stanley Electric Co., Toppan Printing Co.

Il n’y a pas à proprement parler d’acteurs résistants à l’innovation : il semble en effet que tous les acteurs jouent le jeu, car même si certains suivent une politique prudente, ils sont tous conciliant avec la NEDO, dans la mesure où cela ne leur coûte rien. Leur volonté d’aboutir à une production industrielle n’est pas toujours très affirmée, à en juger des annonces d’industrialisation à grande échelle, pas toujours suivies des effets escomptés. Il n’en reste pas moins que la politique volontariste du gouvernement leur offre la possibilité de passer rapidement d’une attitude proche d’une veille active, à une stratégie offensive si l’opportunité commerciale se présente.

C.6.2 CONTENU DE L’INNOVATION DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE La production d'électricité basée sur la conversion de la lumière du soleil par des photopiles à base de silicium cristallin est la voie la plus avancée sur le plan technologique et industriel. En effet, le silicium est l'un des éléments les plus abondants sur terre, parfaitement stable et non toxique. On distingue donc les technologies suivantes : 1 Silicium cristallin (c-Si) : nom sous lequel sont regroupées les différentes formes cristallines. Le silicium microcristallin (µc-Si) est un matériau de l'ordre du µm d'épaisseur employé dans la fabrication de modules et cellules photovoltaïques (taille de grain < 1 µm). Le monocristallin (sc-Si) sert à la fabrication de lingots et de plaquettes ou de cellules obtenus par la méthode de tirage de Czochralski ou par fusion de zone. Une plaquette est composée d'un seul grain. Le multicristallin (mc-Si) est obtenu par solidification directionnelle en creuset pour la fabrication de lingots, de plaquettes ou de cellules (taille de grain : 0,1 - 10 cm). Le polycristallin (pc-Si), épais de 10 à 30 µm, est déposé sur un substrat pour la fabrication de lingots, de plaquettes ou de cellules (taille de grain : 1 µm - 1 mm) Silicium amorphe (a-Si) : à l'état non cristallin. Déposé sur un substrat avec une épaisseur de l'ordre de 1 µm, il est utilisé dans la fabrication des cellules et modules photovoltaïques.

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cellules silicium monocristallines (sc-Si). Ce type de cellules est produit à partir d'un monocristal de silicium qui est obtenu par fusion et étirement à basse vitesse (épaisseur de 200 µm). La production de ces cellules est plus onéreuse que celle des polycristallines. En revanche, leur rendement est élevé, environ 15 % à une température de cellule de 25 °C (version commerciale) et 24 % pour le meilleur rendement obtenu en laboratoire.

cellules silicium polycristallines (p-Si). Ce type de cellulles est produit à partir d'un lingot de silicium polycristallin. On les reconnaît aisément à leur structure scintillante. Leur rendement est de 11 % à une température de cellule 25 °C (18 % en laboratoire).

cellules silicium amorphe (a-Si). Ce type de cellules, de structure moléculaire non cristalline, nécessite moins d'énergie pour leur production que les cellules cristallines, car il est composé de couches minces. Leur rendement actuel atteint 5 à 7 % à une température de cellule de 25 °C (10 % en laboratoire). La technologie au silicium amorphe permet de fabriquer des cellules “ semi-transparentes ” qui laissent passer 10 à 20 % de la lumière.

cellules au Cadmium Telluride (CdTe). Ce matériau polycristallin à couches minces (1 à 2 µm), réalisé par électro-déposition, brumérisation et évaporation, permet une production à faible coût. L'efficacité de ces modules a été mesurée entre 6 % et 8,5 % (16 % en laboratoire).

cellules au diséléniure de cuivre et d'indium (CuInSe2, ou CIS). Matériau polycristallin à couches minces, qui a atteint une efficacité de 10,2 % sur un module prototype (17,7 % en laboratoire). La difficulté de cette technologie est liée au procédé de fabrication. Il faut éviter l'apparition de défauts lors de la phase de déposition du diséléniure de cuivre pour former une couche uniforme.

cellules au Gallium Arsenide (GaAs). Ce composé III-V est fait pour des cellules photovoltaïques à très haut rendement (25 à 28 %). Il est souvent utilisé à des fins spatiales ou pour les systèmes à concentrateurs. Le procédé de multi-jonction III-V du GaAs permet de dépasser une efficacité de 30 %.

Plus les rendements sont élevés plus la cellule coûte chère. C'est pourquoi l'on retrouvera sur le marché de l'intégration au bâti les technologies au silicium amorphe, au silicium mono et polycristallin et les technologies dites à couches minces, qui pourront être déposées sur tout type de support. Globalement, la fabrication des plaquettes de silicium (étape préliminaire à la fabrication de la cellule), représente 40 % du prix du module, élément qui remplit plusieurs fonctions : connecter les cellules entre elles de manière à fournir la tension voulue (typiquement 36 cellules en série pour une sortie sur 12 V) et les protéger contre les agressions de l'environnement (érosion, humidité, grêle, sel, UV, etc.). Pour en réduire le coût, des gains doivent être recherchés à toutes les étapes : la purification du silicium (toute présence d'impuretés même à des taux très faibles réduit le rendement des cellules : les concentrations en impuretés tolérées vont de 0,1 à quelques dizaines de ppm (parties par million) et même de l'ordre de quelques dizaines de ppb (parties par milliard) pour certaines impuretés), la fabrication des lingots et la découpe des plaquettes [3]. Le bon fonctionnement d'une cellule nécessite plusieurs fonctions : une absorption maximum de la lumière sur tout le spectre solaire, une collecte efficace des porteurs (électrons et trous) générés par les photons et l'établissement d'une connexion électrique avec le circuit extérieur. La première étape de sa fabrication est donc une attaque chimique de la surface pour la nettoyer et la rendre rugueuse, donc peu réfléchissante. La jonction est ensuite formée par diffusion de dopants (les plaquettes utilisées sont généralement dopées P, mais du phosphore est introduit par diffusion afin de doper N le silicium sur une profondeur de l'ordre du micromètre) et un dépôt anti-réfléchissant est effectué. Les grilles métalliques servant à collecter le courant, très étroites afin de ne pas créer un effet d'ombrage important, sont ensuite réalisées par sérigraphie. Un recuit permet alors la formation du contact électrique entre le silicium et les grilles collectrices. Un ruban d'aluminium destiné à réaliser les interconnexions entre cellules est ensuite soudé sur les grilles. Puis les cellules sont testées individuellement, triées selon leurs rendements de conversion, et assemblées en modules. La face éclairée des cellules est collée sur un verre trempé qui assure la protection mécanique. L'arrière des cellules est protégé par une feuille de verre ou de plastique. Les collages sont réalisés par un polymère qui assure la protection contre l'humidité [3]. Les produits photovoltaïques se diffusant le mieux sont en majorité intégrés en toiture (tuiles solaires), lié au programme de dissémination du photovoltaïque pour le secteur résidentiel (« HIT Power Roof » de SANYO, « Solar Roofing Element » de MSK, « Batten and Seam » et « Stepped Roof » de CANON, « Eco Roof » de

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KYOCERA). Mais les programmes de démonstration permettent aussi d’innover en terme d’intégration du photovoltaïque en façade (éléments de remplissage : DAIDO HOXAN/KAJIMA/SHOWA SHELL) [4].

HORIZON TEMPOREL Depuis 1999, le Ministère de la Construction (MoC) accepte que les cellules photovoltaïques soient utilisées en tant que matériaux de construction des toitures. C’est avec le produit « Eco Roof » de KYOCERA, certifié conforme à la clause 38 de la loi sur les normes de construction au titre de matériaux pour toiture, que le programme de dissémination a pu réussir. Jusqu’en octobre 1998, la pose de ce modèle nécessitait la réalisation d’un support métallique (mise en œuvre en superposition par rapport au toit existant). Depuis mars 1999, date à laquelle le produit a obtenu l’agrément du MoC, cette opération devient inutile. Le système a été repensé pour réaliser une étanchéité parfaite, et ne dépasse plus que de 35mm du toit. Outre une esthétique améliorée, l’intégration de modules photovoltaïques dans le toit, dès sa construction, permet des réductions de coût (le prix du système a pu être réduit en moyenne de 50000 yens). Ce travail de conception a été réalisé en partenariat avec les sociétés MISAWA HOMES et SEKISUI HOUSE, les deux plus gros fabricants de maisons individuelles au Japon. Les efforts consentis par ces deux sociétés dans la standardisation de leurs habitations, du point de vue de l’intégration des installations photovoltaïques, a été déterminant. Le procédé « Eco Roof » et son évolution : - avec un procédé similaire l’ECONOROOTS (2.52kWc, 18.7m²) - puis en 2005 le SAMURAI (3.783kWc, 29.8m²) Les efforts de développement de produits spécifiques à l’intégration du photovoltaïque au cadre bâti a été suivi par la plupart des fabricants de modules, comme en témoigne les possibilités offertes par le marché aujourd’hui :

Source : RTS Corporation (2005) De nouveaux produits devraient apparaître dans les années à venir, grâce notamment aux travaux de Recherche en cours sur les procédés industriels de MATSUSHITA ECOLOGY SYSTEM (CIGS) et CANON (mc-Si triple jonction). Remarque : la société KYOCERA propose également un « Super Solar System » qui combine solaire Photovoltaïque et solaire thermique pour la récupération d’eau chaude pour le fonctionnement d’une pompe à chaleur. Grâce à la seule énergie solaire, les systèmes permettraient de couvrir 65% des besoins en énergie d’un foyer (durée d’amortissement calculée à 10 ans).

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Champ d’application Spécificité du marché de la construction au Japon, une grande partie des maisons sont soit préfabriquées, soit construites avec des éléments standard, facilitant l’intégration de panneaux solaires. Le champ d’application jusqu’en 2006 était principalement le secteur du résidentiel compte tenu du système de subvention mis en place par le gouvernement (90% du marché en 2005, soit 291 MW, contre 6% pour le secteur industriel, soit 18 MW installés, et 3% pour les bâtiments publics, soit 8 MW). Près de la moitié des systèmes photovoltaïques sont vendus lors de la construction d’une nouvelle maison, par les entreprises de maisons individuelles. La nouvelle orientation donnée par le gouvernement à travers la « Roadmap PV 2030 », consiste à déplacer le centre d’intérêt focalisé jusqu’ici sur les systèmes photovoltaïques résidentiels aux systèmes photovoltaïques publics et industriels. Le gouvernement juge en effet que le marché sur le secteur résidentiel, après dix années d’aides, est désormais autoporté : il suspend donc en 2006 les subventions accordées au résidentiel, pour les attribuer aux secteurs public et industriel. Malgré la fin progressive du programme, le nombre de systèmes photovoltaïques résidentiels installés chaque année continue d’augmenter et ce pour plusieurs raisons : - de plus en plus municipalités offrent des subventions, - des constructeurs immobiliers ont intégrés le photovoltaïque dans leurs nouvelles maisons, - les consommateurs prennent en compte l’aspect environnemental, - les fabricants de panneaux solaires ont déployé une forte stratégie de marketing. IMPACTS Consommation d’énergie et émission de gaz à effet de serre La grande majorité des installations photovoltaïques sont aujourd’hui des systèmes de 3 ou 4 kW installés chez des particuliers et reliés au réseau. On considère qu’un système photovoltaïque possède un facteur de charge de 12%. Un système de 3,5 kW peut donc fournir 10 kWh par jour, 3,7 MWh par an, ce qui correspond aux besoins domestiques liés à un niveau de confort moderne incluant télévision, hifi et électroménager. En 2005, il s’est vendu plus de 58000 installations de type résidentiel, soit près de 215 GWh produit par l’électricité solaire. Le prix de vente relativement élevé de l’électricité domestique au Japon peut expliquer le succès du photovoltaïque : il est de 23 Yen/kWh soit 0,17 euros/kWh, situation identique à l’Allemagne. En France le prix de vente est de 0,12 euros/kWh. Contenu environnemental Si la photopile, élément de base du photovoltaïque, permet de produire de l'électricité sans aucun rejet dans l'atmosphère, les procédés actuels de fabrication (proches de ceux de la micro-électronique) font encore appel à beaucoup d'opérations qui nécessitent l'usage de produits chimiques et de gaz toxiques. Afin de pallier ces inconvénients de nouveaux procédés d'élaboration du matériau et du dispositif sont à l’étude. En dépit de ces inconvénients, les fabricants de modules photovoltaïques assurent que l'énergie produite pendant trois ans par une cellule photovoltaïque amortit la dépense énergétique nécessaire à sa construction, la durée de vie d'une cellule étant garantie à vingt voire trente ans. Conception du bâtiment (neuf) et son usage Le concept de « Zero Utility Cost Housing » [www.japanfs.org] est né de l’intégration du photovoltaïque au cadre bâti, grâce à l’association JAHB’Net. Une charte décrit une maison normalisée capable de réaliser des coûts de service nuls, en combinant un système photovoltaïque de production de l'électricité avec tous les appareils électriques. Appelée HYUGAzero, la maison fortement isolée et totalement électrifiée, est équipée d'un système de génération photovoltaïque de 5.76 kW. Le revenu de l'électricité produite en surplus des consommations surpasse les coûts de l'électricité de réseau utilisés, ramenant des coûts de service annuels à zéro (le réseau indique qu'il est possible de réduire les coûts de service d’environ 5.920.000 yens sur 30 ans). Facilité par des accords d'association, n'importe quel membre du réseau JAHB’Net peut offrir le générateur photovoltaïque, l'électrification et donc cette nouvelle génération de maison « efficiente » en énergie. JAHB’Net

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a également réussi à abaisser ses coûts de construction en mutualisant l’achat des matériaux, en concentrant ses campagnes de promotion sur de courtes périodes (publicité également commune), et en éliminant le système de sous-traitant. D’autres concepts existent autour du photovoltaïque intégré au cadre bâti, comme : - la maison « Parfait Ex » de SEKISUI Chemical, maison d’un étage à structure métallique et comportant en série, des installation photovoltaïque d’une capacité de 2 à 5 kW, disposé en surimposition sur un toit plan, grâce à une patte de fixation adaptée à ce type de toiture japonaise. - la maison HYBRID Z de haute qualité environnementale de MISAWA Homes, avec 12kWc photovoltaïque intégré sur les 2 pans de toits (tuiles) - ou l’ECO Sunny House (Kankyo Kobo) de DAIWA HOUSE Industry, qui propose une maison préfabriquée avec 3kWc installé en intégration (tuiles).

C.6.3 MISE EN ŒUVRE MISE EN ŒUVRE SUR CHANTIER Il n’est pas précisé les problèmes de mise en œuvre sur chantier des systèmes photovoltaïques intégrés au bâti. Peut être de par l’approche singulière des japonais à la conception et la production d’habitations « usinées », qui résout les aléas sur chantier. Par contre, des nouveaux programmes de recherche inscrits dans le cadre du programme « Roadmap PV 2030 » et issus des disfonctionnements constatés, on peut déduire les difficultés rencontrées et les efforts à produire pour anticiper un fort déploiement de la technologie raccordée au réseau : - Recherche sur les systèmes photovoltaïques groupés et reliés au réseau : démarré en 2002, ce programme de cinq ans a pour but de mener un essai à grande échelle sur un groupe de systèmes photovoltaïques équipés de batteries et connectés au réseau de manière concentrée. Le projet veut élucider deux difficultés techniques, les contraintes sur la sortie causée par l’augmentation du voltage et l’impact d’une connexion concentrée sur les lignes électriques. Des systèmes photovoltaïques ont été installés dans un quartier résidentiel de la ville de Ota (préfecture de Gunma dans la grande banlieue de Tokyo), sur 400 maisons en 2005. - Les systèmes de nouvelles énergies : démarré en 2003, ce programme de cinq ans a pour but d’étudier la faisabilité et la performance de systèmes de production d’électricité utilisant une combinaison de sources variées (photovoltaïque, éolien ou piles à combustibles). L’objectif de parvenir à une production stable d’électricité (et de chaleur) pour un raccordement au réseau électrique sans contrainte. Trois sites de démonstration ont été retenus en 2004, situés dans la préfecture d’Aichi sur le site de l’exposition universelle (total 2 400 kW dont 330 kW de photovoltaïque), dans la préfecture d’Aomori (710 kW dont 80 kW de photovoltaïque) et dans la préfecture de Kyoto (850 kW dont 50 de photovoltaïque). Rien ne transparaît sur les programmes de Recherche liés à la définition de nouveau concept d’intégration suite aux difficultés de mises en œuvre rencontrées. Les toits japonais sont de plus en plus nombreux à être munis de panneaux solaires. Les constructeurs essaient d'intégrer au mieux ces équipements volumineux afin de les rendre moins encombrants sans en sacrifier leur efficacité. La NEDO prévoit également dans sa « Roadmap PV 2030 », de : -

former culturellement et professionnellement de nouvelles ressources humaines, et de soutenir de nouveau secteur d’activité de l’énergie utilisant les mini réseaux,

qui sont des indicateurs forts sur les besoins de formation du secteur industriel.

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Source: New Energy Foundation, 2001 MODALITES DE GESTION, D’EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE Pas de précisions sur cet aspect.

Incitations réglementaires, fiscales… et modalités de financement Réglementation Le JET (Japan Electrical Safety and Environment Technology Laboratories) a débuté un programme de certification des modules photovoltaïques, « jetPVm certification », en octobre 2003. Des essais permettent l'accréditation de la performance et de la fiabilité des modules manufacturés photovoltaïques, et l'inspection de l'usine de modules est exigée afin de confirmer la conformité du système de fabrication avec des normes nationales (conformes aux normes internationales CEI 61215 et CEI 61646). Le référentiel a été choisi en relation directe avec la pratique internationale, pour faciliter la certification des modules à l’international et favoriser l’importation de modules. Par ailleurs, le JET conduit un programme de certification pour évaluer la performance et la fiabilité d'unités de protection de raccordement au réseau (onduleurs de puissance) pour les systèmes photovoltaïques de petite taille, dédiés au résidentiel. Cette certification vise à accréditer les fonctions de protection et de contrôle des onduleurs, pour le raccordement au réseau, fonctions stipulées dans le « Guideline of Grid Connection Requirement (an instruction issued by the chief of public utility department of Agency for Natural Resources and Energy (ANRE) of METI in 1986, revised in 1998) ». Les normes industrielles japonaises (JIS) suivantes sont à l'étape de la discussion et seront éditées dans un proche avenir. La discussion des normes suivantes a été validée : - "Indication of photovoltaic array performance (JIS C 8952)" - Standardization of "Estimation method of generated output of PV system" - Standardization of "Structural design and installation method of roof-type PV system" - Standardization of "Safety design of electric system of residential PV system" - Standardization (to be JIS) of "Design guide on structures for photovoltaic array (TR C 0006-97)" - Standardization (to be JIS) of "Design guide on electrical circuit for photovoltaic array (TR C 0005-97)" La discussion est en cours pour les normes suivantes : - "General rules for stand-alone photovoltaic power generating system (JIS C 8905)" - "Measuring procedure of photovoltaic system performance (JIS C 8906)" - "On-site measurements of photovoltaic array I-V characteristics (JIS C 8953)" - "Measuring procedure of power conditioner efficiency for photovoltaic systems (JIS C 8961)" - "Testing procedure of power conditioner for small photovoltaic power generating systems (JIS C 8962)" - Draft TR of "On-site measurements of photovoltaic power generating systems (tentative translation)" Financement

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Comme énoncé précédemment (§2.1), le gouvernement, appuyé d’actions cibles mises en place par certains Ministères, certaines préfectures et municipalités, certaines banques, accordent des subventions ou prêts à taux préférentiels. L’ensemble des compagnies d’électricité rachète la production résiduelle d’électricité. Les prix d'achat peuvent être modifiés dans des délais très courts et unilatéralement. A la suite de la baisse des coûts des modules, le gouvernement a réduit les subventions. En 2006, le programme du photovoltaïque résidentiel doit s’auto financer. Le gouvernement ne subventionne plus ces installations, mais ré-oriente ses efforts sur la dissémination dans le secteur des bâtiments industriel et public.

C.6.4 EVALUATION DES RESULTATS DANS LE PAYS CONCERNE LES PERFORMANCES Dans une maison modèle, ce sont les cellules photovoltaïques qui jouent le rôle d'éléments de couverture. Elles ont un rendement de 17,3% et pèsent 15 kg/m² soit moitié moins que les matériaux de couverture habituels. On considère qu’un système photovoltaïque possède un facteur de charge de 12%. La grande majorité des systèmes installés au Japon a une puissance de 3,5 kW et peut fournir 10 kWh par jour, soit 3,7 MWh par an, ce qui correspond aux besoins domestiques liés à un niveau de confort moderne. Campagnes de mesures : Elles sont en cours d’implémentation dans les nouveaux programmes (cf. §4.1) Par contre il est stipulé que pour le raccordement au réseau, les clients ont une obligation de retour d’information pendant 2 ans. A qui, pour quoi ? Pas plus d’informations à ce jour sur ce point. Caractérisations en laboratoire Elles sont évaluées par le JET (cf. §4.3). Ces caractérisations sont essentiellement électriques. Sinon, les cellules photovoltaïques ont été acceptées en tant que matériaux de construction des toitures (certifiées conformes à la clause 38 de la loi sur les normes de construction au titre de matériaux pour toiture). Confort thermique Pas d’informations à ce jour sur ce point. Confort acoustique Pas d’informations à ce jour sur ce point. Aspect sanitaire et environnemental Pas d’informations à ce jour sur ce point. Risques de dégradation des performances après mise en œuvre Pas d’informations à ce jour sur ce point. Compatibilité entre performances des différents composants Une lame d’air est toujours prévue pour le refroidissement en intégration toiture.

LES COUTS REELS Coût initial – Investissement En 1994, le prix du système photovoltaïque était de 3500 yens/W installé (prix de vente du module autour des 675 yens/W). En 2005, grâce au déploiement des différentes stratégies de soutien, le prix du système photovoltaïque (installé), est de 650 yens/W (prix de vente du module 400 yens/W).

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Coût opérationnel – Exploitation – Maintenance Pas d’informations à ce jour sur ce point.

Rapport Coûts - Performances LE VECU DES UTILISATEURS – AVIS DES ACTEURS ET DU PUBLIC Gestionnaire Pas d’informations à ce jour sur ce point. Mainteneur – Commissionnement Pas d’informations à ce jour sur ce point. Utilisateur final - Occupants Une installation photovoltaïque est très coûteuse, même pour la classe moyenne japonaise. Malgré tout, on achète du photovoltaïque, car de nombreux japonais souhaitent faire « quelque chose » et s’engager contre le réchauffement climatique. Ils sont également sensibles aux nouveautés techniques.

VITESSE DE DIFFUSION DANS LE PAYS Le marché – Commercialisation Le programme "70 000 toits solaires" installés pour l'an 2000, initié en 1994, a rapidement engendré une baisse des coûts. En 1998, la puissance installée est estimée à 25 MWc et les commandes à 40 MWc. Le décalage entre les deux étant du aux délais d'installation. En 1997, 28 000 familles japonaises étaient prêtes à débourser un apport personnel de 17000€ pour une installation photovoltaïque. Depuis avril 1997, des maisons standard, conçues pour consommer peu d'électricité sont commercialisées. Sur certaines, les modules photovoltaïques couvrent 100% des besoins, le surplus étant vendu au réseau. En 2005, 291 MWc ont été installés dans le résidentiel, représentant 90% du marché de la connexion réseau. Cela représente l’installation de systèmes photovoltaïques dans près de 58000 foyers. Efficacité des incitations, actions de diffusion En plus des incitations financières du gouvernement et autres municipalités, les fabricants d'installations photovoltaïques, les compagnies d'électricité et les grands groupes du bâtiment effectuent un marketing intensif et font beaucoup de publicité à la télévision. Ensemble, ils ont sorti un « hit » sur le marché: la maison 100% électrifiée, avec option photovoltaïque. Le concept se définit ainsi : finis le gaz et le mazout, nous offrons un système domestique avec photovoltaïque, pompe à chaleur, cuisinière électrique, climatisation, aération mécanique. Plus une enveloppe du bâtiment légèrement améliorée (avec env. 5 à 8 cm d'isolation thermique) – tout en un ! Volonté d’exportation Les produits photovoltaïques intégrables aux bâtiments sont exportés uniquement aux Etats-Unis. Pour l’Europe, le Japon exporte uniquement ses modules photovoltaïques standards, aux grands regrets de certains de nos architectes…

C.6.5 REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRES DIMENSIONS ETUDIEES POINTS FORTS, POINTS FAIBLES DE L’INNOVATION (METHODE SWOT) S : Strength – Forces

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- de bénéficier d’un contexte énergétique, politique et environnemental très favorable, d’une ressource énergétique quasi illimitée, et d’un marché en pleine expansion pour lequel les applications et les innovations se multiplient. - de reposer sur des technologies microélectronique et couches minces, en conservant une bonne marge de progrès et d’innovations. Le photovoltaïque envahi progressivement certaines niches, en progressant en volume de plus de 30% chaque année depuis 1999. - de pouvoir s’intégrer un peu partout, pour fournir sur place de petites puissances (de 1 à 5000 watts), domaines ou aucune autre filière ne peut entrer en compétition avec le photovoltaïque ; - d’être un générateur simple et très fiable pour les technologies amorphes et cristallines. Les modules sont garantis pendant 25 ans par la plupart des constructeurs. - de pouvoir s’intégrer facilement, sans gênes particulières (bruit, esthétique si certains progrès sont réalisés.) Il se substitue notamment à des toits ou façade, comme élément de bâtiment en verre produisant de l’énergie, et venir en diminution du coût ; - Plus que le prix du kWh, c’est le coût de la substitution à une autre solution qui est important (substitution à la création d’un réseau électrique en zone rurale, raccordement au réseau électrique existant pour la vente du surplus d’électricité non consommé, en zone urbaine). Au japon - la nécessité de développer le photovoltaïque est un acquis, même si le discours a un peu évolué au cours de la dernière décennie. La sécurité des approvisionnements et la diminution de la facture énergétique, font toujours partie de l’argumentaire en faveur de ce développement, mais l’environnement a pris le relais et les objectifs de Kyoto, difficiles à tenir face à une croissance importante de la consommation, sont désormais en première place. On n’en est plus à se demander POURQUOI, mais COMMENT développer l’utilisation du photovoltaïque. - Une volonté sans réserve du gouvernement à développer le photovoltaïque, via des subventions à la R&D, aux industriels à travers des programmes de démonstration (Collectivités Locales), ou de dissémination à grande échelle (dans le résidentiel notamment), aux opérateurs de nouvelles énergies… - Un fort lobbying des multinationales à soutenir cette volonté politique pour le déploiement du photovoltaïque à grande échelle, avec pour challenge la diminution du coût de production. Un relais également positif auprès des acteurs de la Construction, pour faire du photovoltaïque un produit intégré au bâti, et développer une sérieuse offre commerciale. - Plus de 80% des systèmes sont aujourd’hui installés chez les particuliers dont 90% sont raccordées au réseau (les clients souscrivant à une obligation de retour d’information pendant 2 ans). En 2000, un sondage annonçait 75% d’usagers satisfaits, contre 25% trouvant finalement un intérêt quasi nul et un investissement relativement lourd, malgré le système d’aides, qui profite plus aux industriels et aux compagnies d'électricité. Mais le souhait de faire « quelque chose » contre le réchauffement climatique et le « marketing intensif » de la part des industriels font que les japonais sont prêts à payer de leur poche. Ils sont également sensibles aux nouveautés techniques. - Un marché de la construction neuve constitué en majorité par des maisons préfabriquées, technique qui a été soutenue en son temps par de forts investissements en R&D. C’est un point fort du développement de la technologie du PV, par rapport à la profession qui doit intervenir pour la mise en œuvre des systèmes. En conclusion, la technologie est mature et est socialement acceptée.

W : Weakness : Faiblesses - Pour le photovoltaïque connecté au réseau, la technologie (module et onduleurs) est acquise, les freins sont aujourd’hui plutot d’ordres administratif et normatif. Il faut pouvoir raccorder l’installation en toute sécurité au réseau électrique, et envisager la sécurité des biens et des personnes qui travailleront ou utiliseront l’enérgie solaire photovoltaïque. En terme de normes, le photovoltaïque souffre de devoir

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répondre à de multiples référentiels, autant électrique, que électromagnétique, environnemental, que de la construction dans sa nouvelle conception liée à son intégration au cadre bâti. - d’être l’énergie la plus chère par kWh (tendance confirmée sur encore 2 à 3 décennies à venir), produisant du courant continu, qui n’est pas ou peu utilisé directement pour les usages spécifiques de l’habitat (sauf électrisation de site isolé). Les équipements électriques sont en majorité à courant alternatif (choix lié aux contraintes de transport de l’électricité dans un schéma de production centralisé de celle-ci), c’est pourquoi la connexion au réseau pour la revente de courant alternatif est la solution à ce jour la plus rentable, mais peut être pas la plus pertinente en terme d’économie d’énergie. Le photovoltaïque pour une utilisation locale, est donc tributaire du développement d’équipements en courant continu à très faible consommation. - d’être tributaire du développement des onduleurs en terme de qualité de conversion du courant traité et réinjecté sur le réseau électrique, qui à terme, dans la perspective d’un déploiement massif de petites installations (type individuelles) connectées au réseaux, pourront engendrer des interférences, pouvant jouer sur la qualité des « services électrico-magnétiques » existants. - Pour le photovoltaïque de site isolé (comme pour le photovoltaïque sécurisé = connexion réseau + batterie), le stockage est le maillon faible. La solution est d’allonger la durée de vie des batteries pour la rendre proche de celle des modules. Le temps de retour énergétique de la batterie est un autre point faible. Le module rembourse en 2 à 4 ans l’énergie dépensée pour sa fabrication, soit en 1/10 de la durée de vie. En revanche, le temps de retour des batteries est aussi de 2 à 4 ans, soit équivalent sinon supérieure à la durée de vie de certaines batteries. Au Japon - Malgré un essor rapide des technologies, le photovoltaïque « pèse » encore peu de chose dans le bilan énergétique national. L’ensemble des modules existant actuellement au Japon produit autant d’énergie que 30% d’une tranche nucléaire. Ce n’est pas une solution significative pour répondre immédiatement aux enjeux nationaux. - Un kilowatt de puissance installée coûte actuellement 670 000 yens. La production annuelle se monte à environ 1000 kWh/kWc installé. Les compagnies d'électricité paient de 22 à 25 yens par kWh, soit autant que pour le courant conventionnel. Cette somme ne permet de couvrir que la moitié des coûts de production. Malgré toutes les subventions (de l'Etat et de la commune, soit environ 70000 yens/kW), la période d'amortissement reste de 24 à 27 ans. Le photovoltaïque n'est donc pas rentable pour l'exploitant. Le coût des installations est trop élevé et les tarifs d'injection sont trop bas. - Dans la mesure où les systèmes PV seront à moyen terme connectés de manière localement concentrée au réseau électrique, deux difficultés techniques vont freiner le développement des « groupes » de systèmes PV : les contraintes sur la sortie causée par l’augmentation du voltage, et l’impact d’une connexion concentrée sur les lignes électriques (gestion des charges et pollution harmoniques). Des études sont menées actuellement pour trouver les solutions appropriées à un déploiement du photovoltaïque à très grande échelle, avec notamment la nécessité de stocker localement l’énergie en batteries. - Les problèmes non techniques, l’adaptation aux usagers, les limites de fourniture d’énergie qui sont liées notamment à la météo, à la modification des approches classiques bouleversent tellement les habitudes que seules des crises, pétrolières par exemple, pourraient accélérer les adaptations nécessaires.

O : Opportunities – Opportunités - L’apport d’une solution technique pour éviter les pics de demande en électricité et diversifier la production d’électricité face à la croissance des consommations (recherche d’une indépendance énergétique) - L’assise d’un savoir faire industriel sans précédent, sur la base d’un investissement en R&D remarquable - La réunion d’une volonté politique et industrielle pour mettre en place tout un secteur d’activité, et la naissance d’un marché (toits photovoltaïques qui pourraient devenir le toit standard à terme), dans la

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perspective d’un projet national fort, sur fond d’indépendance énergétique et d’engagement envers l’environnement. - La définition d’une feuille de route des objectifs à réaliser pour les années à venir, et des moyens attribués pour les atteindre (financement par les organismes d’Etat, les industriels, les établissements financiers…) - L’ouverture vers une rupture technologique pour le secteur de la Construction, avec l’amorce d’une nouvelle approche de bâtiments économe en énergie, voire à « consommation nulle » (100% des consommations couvertes par la production PV) : Concept de plus en plus demandé par les utilisateurs. - La facilité d’associer une solution photovoltaïque intégrée au concept de maisons préfabriquées - les opportunités concernent aussi la mise en place de prêts et leur remboursement. Les formules sont variées : banques vertes, coopératives, prépaiement par cartes ou compteurs, etc... Les clients peuvent être propriétaires. Mais une autre formule se développe aussi rapidement : la société de service louant les matériels. - La possibilité pour différentes compagnies d’électricité, de se lancer dans des projets de génération d’électricité à partir de photovoltaïque : création de nouvelles entreprises de production d’électricité indépendantes à partie d’ENR. T : Threats – Menaces - pas de signalement fort d’un point de vu environnemental (ce qui se passe en Australie) - ou un signalement trop fort qui ferait l’effet boomerang : l’opportunité de mettre en place des aides publiques peut être une menace si les objectifs du montage financier d’octroi des subventions, sont à cause du succès de l’opération, trop rapidement atteints. - C’est ce qui s’est produit au Japon en 2000 lorsque la NEF a suspendu ces aides face à l’augmentation subite des demandes (trois fois plus vite que prévu). Le message politique à ainsi fragiliser le milieu industriel (révision des plans de production, de commercialisation et d’investissement !). Victime d’un succès en grande partie lié à la réactivité des constructeurs de maisons individuels voulant intégrer le PV dans leur offre commerciale (matériaux de construction pour l’habitat neuf). La menace est d’activer trop vite des leviers qui feraient varier la cadence de production des modules PV. Ceci aurait un effet direct sur les coûts.

C.6.6 CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE LES CHANCES DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE La région Rhône Alpes qui concentre une grande partie de l'industrie photovoltaïque nationale apparaît plus que jamais comme le pôle majeur du photovoltaïque en France avec 38% de la puissance financée. Loin derrière, la région Languedoc Roussillon s'adjuge la 2ème place avec 11%. Ces deux régions totalisent à elles seules près de la moitié de la puissance financée sur l'ensemble de la France continentale. Seules 2 régions, la Haute Normandie et la Lorraine n'ont pas financé de générateurs en 2004. Cependant le déséquilibre territorial est patent, 87% de la puissance ayant été financée par 8 régions. En 2003, il s’est installé 5.874 MWc de systèmes photovoltaïques tous secteurs confondus dont : - 1,957 MWc en sites isolés (résidentiel et non résidentiel), - 1,875 kWc en « connexion réseau » (4.254 MWc en 2004 !). Ce qui porte la capacité totale opérationnelle installée en France (Métropole, Corse et DOM seulement) à 21,073 MWc dont 17,256 MWc de systèmes photovoltaïques autonomes en dehors du réseau électrique et 3,817 MWc de systèmes débitant dans le réseau électrique. Cette capacité totale installée représente la production annuelle de 20 GWh d’électricité [5].

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Si l’on voit un petit fléchissement des installations en sites isolés, on remarque une nette progression dans le domaine du « connecté réseau », qui s’associe souvent au concept d’ « intégration » au bâtiment. Les solutions techniques sont encore la surimposition en toiture ou l’installation en toiture terrasse, sans réelle intégration à l’enveloppe du bâtiment, mais la demande se fait de plus en plus pressante dans ce domaine. D’où l’émergence de produit de construction associant produit traditionnel et module photovoltaïque comme la tuile PV-Starlet d’IMERYS-TOITURE. L’industrie des cellules/modules photovoltaïques n’a pas augmenté sa production sur l’année 2003, mais a travaillé fortement à la réduction des coûts de fabrication en intégrant les résultats des projets de R&D engagés jusque là, et soutenus en grande partie par les pouvoirs publics (ADEME, CEA, CNRS, Conseils Régionaux). Les budgets publics d’intervention pour la recherche et pour l’ouverture des marchés, a été de 25 millions d’euros en 2003.

Capacite Production Max. [Mwc] Cellule Modules s

Production Totale [Mwc] Technologie

Photowatt Free Energy Emix Tenesol

Multicristallin Amorphe Multicristallin Multicristallin Total

Cellules 2001 2002 2003 13 17 14 Production 2006 Production 2007 13 17 14

Modules 2001 5 0,5

2002 8 0,5

2003 10 0,6

5,5

8,5

10,6

20 1

Le chiffre d’affaire des principales entreprises du secteur, en progression de 18% en 2002 pour 130 millions d’euros, a encore progressé en 2003 pour atteindre 140 millions d’euros. On peut estimer que le chiffre d'affaires généré en 2004 par le marché des générateurs photovoltaïques raccordés au réseau a été de 16,7 M€. Les générateurs photovoltaïques ont été principalement installés dans l'habitat individuel avec une TVA à 5,5 %. Le prix de vente moyen d'un système HT était d’environ de 7,2 €/W installé en 2004. Les aides publiques quant à elles se sont établies autour de 4,3 €/W soit 57 % du coût TTC supporté par le particulier. On note une augmentation significative de la puissance moyenne du kit photovoltaïque moyen déposé sur une habitation : de 1 kW en moyenne au début du décollage du marché en 1999 on est passé à 2,3 kW en 2004. Le marché des bâtiments tertiaires a lui plus de mal à se développer avec environ une trentaine d'installations financées. Cependant et pour la première fois en France, 2 installations de plus de 100 kW ont été financées en 2004. A cet égard, la première tranche d'un générateur photovoltaïque de 600 kW pouvant à terme en compter 10 (soit 6 MW) devrait être réalisée en région parisienne en 2005. Pour les activités de R&D, le programme pluriannuel de l’ADEME (1999-2002) s’est achevé en 2003 pour évaluation. Le coût des projets de recherche et de développement technologique sur cette période était de 72 Millions d’euros, financé à hauteur de 47 Millions d’euros par l’ADEME. Le résultat de ces investissements se traduit par la mise en place de deux plate-formes technologiques : -

« RESTAURE » pour le CEA-Genec à Grenoble, pour le développement de nouvelles techniques industrielles pour la fabrication de cellules PV au silicium cristallin (taille maxi de 20x20cm²)

CISEL commune à EDF R&D et CNRS à Chatou, pour le développement de module à base de matériaux en couches minces Cu-In-Se (taille maxi de 30x30cm²)

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Pour les activités de soutien financier pour les opérations d’ouverture de marché, l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) 2 dont un des programmes est dédié au solaire photovoltaïque, ainsi que l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME) depuis 1998, dans le cadre de son contrat EtatADEME avec le programme gouvernementale de relance des énergies renouvelables, ont fortement réactivé les aides à la recherche et à l’investissement pour la filière du photovoltaïque. L’objectif visé sur le marché, est de continuer à installer 1 MWc/an en site isolé (systèmes autonomes en dehors des réseaux électriques), installations qui sont par ailleurs essentiellement subventionnées par les fonds publics FACE et européens FEDER. Depuis 2002, cette volonté s’est étendue à installer en 5 ans, 20 MWc de systèmes photovoltaïques intégrés au bâti et débitant dans le réseau électrique. Cette décision fait suite à l’annonce officielle du tarif d’achat de 0,15€ le kWh électrique produit par un système photovoltaïque raccordé au réseau en France métropolitaine et 0,30€ le kWh en Corse et dans les DOM (publication Mars 2002 – Ministère de l’Industrie). Cette volonté d’entrainer toujours plus en avant le développement du marché du photovoltaïque se traduit par la révision du tarif d’achat (publication JO du 26 Juillet 2006 – Ministère de l’Industrie) aux conditions énoncées dans l’arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d’achat de l’électricité produite par les installations utilisant l’énergie radiative du soleil telles que visées au 3o de l’article 2 du décret no 2000-1196 du 6 décembre 2000, à savoir : « L’énergie active fournie par le producteur est facturée à l’acheteur sur la base des tarifs T définis ci-dessous. Ils peuvent inclure une prime à l’intégration au bâti appelée I, applicable lorsque les équipements de production d’électricité photovoltaïques assurent également une fonction technique ou architecturale essentielle à l’acte de construction […toitures, ardoises ou tuiles conçues industriellement avec ou sans supports, brise-soleil, allèges, verrière sans protection arrière, garde-corps de fenêtre, de balcon ou de terrasse, bardages, mur rideau] Pour bénéficier de cette prime I, le producteur doit fournir à l’acheteur une attestation sur l’honneur certifiant la réalisation de l’intégration au bâti des équipements de production d’électricité photovoltaïques. Le producteur tient cette attestation ainsi que les justificatifs correspondants à la disposition du préfet (directeur régional de l’industrie, de la recherche et de l’environnement). 1. En métropole continentale, le tarif applicable à l’énergie active fournie est égal à : T + I, formule dans laquelle : T = 30 c€/ kWh (hors TVA) ; I = 25 c€/kWh. 2. En Corse, dans les départements d’outre-mer et dans la collectivité territoriale de Saint-Pierre-et-Miquelon et à Mayotte, le tarif applicable à l’énergie active fournie est égal à : T + I, formule dans laquelle : T = 40 c€/kWh (hors TVA) ; I = 15 c€/kWh. L’arrêté du 7 juillet 2006 relatif à la programmation pluriannuelle des investissements de production d’électricité fixe en parallèle les objectif de développement du parc de production électrique, en indiquant la puissance supplémentaire à mettre en service, par source d’énergie primaire renouvelable, d’ici la date du 31 décembre 2015.

En 2005, l’ANR a financé 10 projets de recherche et développement technologique sur de la recherche exploratoire (cellules organiques/inorganiques), sur des technologies couches minces (CIS et Si micorcristallin), sur la filière Silicium (matériau charge et cellules à haut rendement) et sur les systèmes. Le montant du financement de l’ANR est de 9.6 M€ sur 3 ans qui s’ajoute à celui de l’ADEME qui était de l’ordre de 2.5 M€. Pour 2006, un financement global ANR/ADEME est prévu à hauteur de 11.5 à 12 M€. Cela signifie que le financement de la recherche sur le PV s’établira dès 2007 à environ 12 M€ par an et il est possible d’envisager plus à l’avenir.

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Ces objectifs de puissance visent à assurer le développement de ces énergies à un rythme compatible avec l’objectif accepté par la France dans le cadre de la directive 2001/77/CE susvisée que 21 % de la consommation intérieure brute d’électricité soit d’origine renouvelable à l’horizon 2010.

Solaire photovoltaïque

2010 (MW)

2015 (*) (MW)

160

500

(*) Les valeurs retenues pour les objectifs 2015 comprennent celles retenues pour 2010

On possède sur le territoire français de fortes compétences en R&D, des industriels, et des bureaux d’études dans le secteur du photovoltaïque. Le « mariage » ave le bâtiment est depuis 2001 attendu, sans réel succès, faute de marché du photovoltaïque intégré. Faute de produits certifiés aussi pour donner confiance à la maîtrise d’œuvre afin qu’elle s’approprie la technologie avant de la proposer à la maîtrise d’ouvrage, et faute enfin d’installateurs qualifiés tout simplement. L’expérience du développement de la tuile PV par Imerys Toiture est riche d’enseignement dans la façon dont il faut aborder ce « mariage » avec le secteur de la construction. Le processus qui vise à évaluer la Responsabilité, l’Assurance et la Garantie des ouvrages, à travers la procédure d’Avis Technique, n’a pas encore eu de succès auprès de produits adaptés à l’intégration du photovoltaïque au cadre bâti. Ce manque de produits reconnus fait défaut au développement de la filière, les attentes des professionnels et des Maîtres d’Ouvrage Publics étant fortes sur ce point. Au Japon, la réussite de ce « mariage » entre bâtiment et photovoltaïque a été impulsée par la volonté des constructeurs de maisons individuelles de proposer un produit photovoltaïque intégré certifié à leur offre commerciale. Ils ont par la même occasion, su exploité la notion de production électrique décentralisée assurer par le PV pour développer les concepts de maisons 100% autonomes… Enfin, le coût est un frein au développement du marché, malgré une bonne presse du photovoltaïque auprès du grand public (sondage Louis Harris). Les subventions nationales ne sont plus vraiment d’actualité, contrairement au Japon, remplacées par le crédit d’impôt, et le tarif d’achat du kWh produit par le distributeur d’électricité. Seules les subventions des Régions persistent et viennent en complément du crédit d’impôt.

COMPATIBILITE AVEC LE CADRE REGLEMENTAIRE ET NORMATIF FRANÇAIS En France, l’organisation de la codification technique repose sur le concept de techniques traditionnelles (définies par les Normes et DTU) et non-traditionnelles des produits de construction (Avis Techniques, passeport à l’innovation et antichambre des techniques traditionnelles). Cette codification fait intervenir les critères techniques et judiciaires suivants, d’éligibilité du produit et de sa mise en œuvre : la Responsabilité des acteurs, la Garantie de l’ouvrage (décennale), et l’Assurance. L’utilisation des modules photovoltaïques dans le bâtiment est rendue aujourd’hui difficile, du fait qu’il n’existe pas de réglementation spécifique pour la mise en œuvre de capteurs intégrés au cadre bâti. Le module photovoltaïque n’est donc pas au sens de la réglementation française, considéré comme un produit verrier reconnu. A ce titre, il ne peut assurer les fonctions de clos et de couvert dans les marchés publics d’établissements pouvant recevoir du public (ERP). Les autres réalisations (marchés privés entre autres), devront néanmoins suivre les règles existantes en matière de photovoltaïque et d’enveloppe du bâtiment. Ce que l’on peut craindre aujourd’hui des capteurs photovoltaïques standard (avec ou sans cadre), c’est principalement la durabilité du produit une fois mis en œuvre en intégration. Les premières visites sur sites du CSTB ont d’ailleurs montré certaines dégradations possibles des capteurs une fois intégrés. L’Avis Technique à travers une série de tests et de calculs, sert à évaluer le produit et sa mise en œuvre afin d’appréhender : - l’aptitude à l’emploi du produit, - la sécurité du produit dans l’ouvrage, - l’habitabilité de l’ouvrage,

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la durabilité de l’ouvrage,

et de justifier auprès de la profession le respect des critères d’éligibilité. Mis à part pour les Etablissements Recevant du Public où l’Avis Technique revête un caractère obligatoire, l’Avis Technique est pour les autres réalisations, une démarche qualité volontaire de la part de l’Industriel. QUELLE DYNAMIQUE D’ACTEURS NECESSAIRE Il manque aujourd’hui une implication forte des acteurs de la Construction pour la définition de produits photovoltaïques intégrés au bâtiment, à la vue du schéma développé par le Japon. On peut dire que tout est aujourd’hui en place et dimensionné pour permettre la réussite du déploiement du photovoltaïque à grande échelle, et la révélation de la filière « photovoltaïque intégré au bâtiment » : -

équipes R&D existantes, avec un savoir faire d’une vingtaine d’années (CEA, CNRS, CSTB consortium INES – et Universités)

programmes de financement en R&D importants (AII, Fondation, PREBAT, FCE, Pôles de Compétitivité Régionaux)

problèmes techniques et juridiques propres au raccordement au réseau résolus,

politique du tarif d’achat du kWh produit en progression

procédures d’évaluation et de certification des systèmes intégrés validées (GS6 – GS14),

réglementation RT2005 incitative quant à l’utilisation de modules PV intégrés, vis-à-vis du calcul des consommations des bâtiments

…

Tout à l’exception d’une seule composante, que l’on pourrait identifier sous forme d’un nouveau métier : ingénieur « intégrateur » ou « assembleur ». Cette personne possèderait les connaissances et compétences sur les deux « familles » (photovoltaïque et bâtiment), afin d’opérer la conception de ces nouveaux systèmes. C’est peut être là l’occasion pour les acteurs de la Construction d’investir cette position et combler leur absence dans ce domaine. Mais gageons que les nouvelles orientations sur l’environnement et son volet énergie, les exigences envers l’affichage des consommations du parc immobilier, et les objectifs futurs de bâtiments facteur 4 et bâtiment à énergie positive, fassent réagir la profession. DISPONIBILITE EN FRANCE DES TECHNIQUES CONCERNEES ET DES COMPETENCES DE POSE Le frein au développement du photovoltaïque pour son intégration au bâtiment est aujourd’hui lié à la double compétence que l’installateur doit avoir pour la mise en œuvre des modules. A la fois couvreur/façadier et électricien, le photovoltaïque recouvrant deux lots dans le cahier des charges de la Construction. Cela pose la difficulté de savoir qui intervient, comment il intervient vis-à-vis du produit fournit sur le chantier, et qui en est responsable tout au long du processus de son intégration, connexion au réseau compris. A ce jour, seuls quelques Bureaux d’Etudes compétents dans le domaine du photovoltaïque en assurent la mise en œuvre (APEX BP Solar, TENESOL, SUNWATT, pour ne citer que les plus importants). Un effort important reste donc à faire pour instaurer une filière professionnelle. QUELS TYPES D’INCITATIONS ENVISAGER Réglementation Technique -

Normes et certification : la partie électrique des installations photovoltaïques est soumise de longue date à des normes internationales bien établies (normes IEC et NF) qui sont parfaitement assimilées par

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les industriels et les installateurs. Par contre l’interface avec la partie bâtiment pose encore un grand nombre de problèmes, notamment en ce qui concerne la garantie décennale, les Avis Techniques (CSTB) et la réglementation des ERP (Établissements Recevant du Public). il faut considérer que cette question est prioritaire et doit faire l’objet d’une volonté de la part des industriels à innover, s’ils veulent éviter de se trouver dans une impasse à court terme. Le contexte normatif est codifié dans le bâtiment, les outils sont disponibles pour les aider à innover, et pour certifier leurs produits. -

Raccordement au réseau : après plusieurs années de concertation entre EDF et les représentants des producteurs, les normes et les procédures d’accès au réseau applicables aux installations inférieures à 36 kVA peuvent être considérées comme acceptables dans le contexte législatif et réglementaire français, même si elles sont encore très lourdes en comparaison des meilleures pratiques européennes. Rien n’est encore réglé en revanche pour les installations comprises entre 36 et 250 kVA, la question étant de savoir si ce sont les normes de la HTA qui s’appliquent ou au contraire s’il est possible d’étendre celles pour les moins de 36 kVA. Un groupe de concertation SER/EDF/Hespul s’est saisi de la question.

Responsabilité civile vis-à-vis du réseau : la concertation avec les compagnies d’assurance mutualistes initiée par Hespul, le SER et l’organisation de consommateurs CLCV a abouti positivement avec l’inclusion sans frais de ce risque considéré comme négligeable dans les contrats RC classiques. Cette avancée devrait être logiquement étendue aux compagnies d’assurance privées.

Réglementation thermique du bâtiment : le système de calcul par points des performances énergétiques des bâtiments qui devrait être mis en place prochainement dans le cadre de la RT 2005 est très incitatif aux installations solaires thermiques dans la construction neuve. Son « durcissement » prévu pour la RT 2010 et les suivantes devrait conduire au même résultat pour le photovoltaïque. Ceci représente pour le SER une avancée majeure qui, conjuguée aux objectifs attendus pour le photovoltaïque au sein de la PPI en cours de préparation et aux nouveaux tarifs d’achat annoncés en octobre 2005, devrait offrir un cadre propice à un réel décollage de la filière.

Bilan environnemental et énergétique du photovoltaïque : cette question fait régulièrement l’objet d’interrogations et souvent de réponses péremptoires infondées de l’ordre de la rumeur (par exemple que le temps de retour énergétique du photovoltaïque serait infini…). Dans le but de mettre fin à ce type de désinformation, Hespul a conduit dans le cadre de sa participation à la « Tâche 10 » du programme PVPS de l’AIE une étude documentaire exhaustive au niveau mondial portant d’une part sur le temps de retour énergétique d’autre part sur la quantité de CO2 et de déchets nucléaires évitée par kWh produit en fonction du lieu (41 villes dans 26 pays de l’OCDE étudiées). Une présentation sommaire des résultats : entre 1,5 et 3,5 ans de temps de retour énergétique pour un système complet en toiture, entre 2,7 et 4,7 en façade (en attente de publication après validation de l’AIE).

Fiscalité, Financement, Soutien des Collectivités Territoriales -

Arrêté tarifaire : le SER, l’ADEME et Hespul ont formulé leur analyse et leurs propositions lors de la réunion du 15 décembre 2005 à la DIDEME consacrée à la préparation du nouvel arrêté tarifaire suite à l’annonce d’une augmentation substantielle du tarif photovoltaïque par le Premier Ministre en octobre 2005. La publication de l’arrêté, conformément aux termes de l’article 32 de la loi POPE du 13 juillet 2005, a été rendue le 26 Juillet 2006, annonçant un tarif d’achat de l’électricité de 30c€/kWh en métropole continentale (40c€/kWh Corse, DOM, Départements Collectivité Territoriale), et la mise en place d’une prime supplémentaire de 25c€/kWh en métropole continentale (15c€/kWh Corse, DOM, Départements Collectivité Territoriale), dès lors que les modules photovoltaïques s’intègrent au cadre bâti, et assurent une fonction technique et/ou architecturale.

Crédit d’impôt pour les particuliers : le passage à 50% du coût du matériel depuis le 1er janvier 2006 laisse entier le problème de la reprise des subventions à l’investissement des collectivités locales. Suite à une demande écrite, Hespul attend de la Direction de la Législation Financière du Ministère des Finances la confirmation que les aides au fonctionnement telles que celle mise en œuvre par la Région Rhône-Alpes ne sont pas soumises à cette reprise.

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Fiscalité : la question récurrente de la fiscalité applicable aux recettes de la vente d’électricité sous le régime de l’obligation d’achat, que ce soit pour les particuliers (BIC) ou les entreprises (IS, TP, …) a fait l’objet de questions écrites posées par la SER et par Hespul à la DLF, en attente de réponse.

Suivi du marché : cette question est devenue d’autant plus urgente à traiter que l’arrêt total de l’apport de subventions à l’investissement par l’ADEME suite à l’augmentation du crédit d’impôt et des tarifs d’achat élimine de facto une source d’information unique, fiable et facile à mobiliser à travers une enquête annuelle auprès des Délégations Régionales. Ce problème existe également dans de nombreux pays européens, à commencer par l’Allemagne où les chiffres d’installations réalisées en 2004 varient de 400 à … 760 MWc ! L’hypothèse de travail formulée par l’ADEME au sein du groupe de travail européen d’un « numéro unique d’identification » qui serait attribué à chaque contrat d’accès au réseau et faciliterait la consolidation des bases de données entre opérateurs de réseaux est exposée, mais elle soulève de nombreuses questions qui devront être examinées lors de prochains travaux.

Initiatives Privées Des efforts sont déjà consentis dans ce domaine, pour financer des opérations ENR auprès des particuliers. Il faudrait à ce titre aider à plus communiquer sur les produits existants, pas très connu même de la filière bancaire. L’avenir du photovoltaïque (Extrait des décisions du core-groupe français du projet européen PV Policy, piloté par l’ADEME) 1) Le coût du kWh photovoltaïque doit être comparé non pas au coût de production de l'électricité dite "classique" mais au prix de l'électricité payé par les particuliers car la production d’électricité photovoltaïque est située au plus près du point de consommation. 2) La baisse observée depuis plusieurs dizaines d’années des coûts de production des composants photovoltaïques stricto sensu et des organes périphériques nécessaires à leur mise en œuvre en tant que moyen de production d’électricité est liée à une courbe d’apprentissage tout à fait classique dans le domaine industriel. 3) L'intersection de la courbe de baisse du coût de l'électricité d'origine photovoltaïque (qui est directement proportionnelle à cette courbe d’apprentissage) avec celle de l’augmentation tendancielle des prix de vente de l’électricité au consommateur final conduira d’ici 10 ans à la compétitivité directe de l’électricité photovoltaïque avec ses concurrentes du marché sur les besoins de pointe et d'ici une vingtaine d'année sur les besoins de base. 4) Ce croisement des courbes qui pourrait apparaître dès 2010-2012 dans des pays cumulant un fort ensoleillement et un prix élevé de l’électricité vendue au consommateur final comme la Californie, le Japon ou le Sud de l’Italie, devrait être effectif dans les DOM entre 2015 et 2020, puis en France métropolitaine entre 2020 et 2030. 5) L’élément photovoltaïque doit devenir un matériau de construction qui produit de l'électricité. Le milieu du bâtiment doit s'approprier cette technologie et la banaliser. Le photovoltaïque s'inscrit de plus en droite ligne de l'objectif du plan Facteur 4 qui vise à diviser par 4 à horizon 2050 les émissions de CO2 du secteur du bâtiment. 6) Dès lors que cette vision est admise et partagée, il revient à tous les acteurs directs ou indirects, publics et privés, de la filière photovoltaïque, de mettre en œuvre, chacun dans son domaine de compétence, les moyens nécessaires pour que la France, qui bénéficie d’atouts liés à son potentiel d'ensoleillement et de savoir-faire liés à son histoire puisse en retirer le plus grand bénéfice en termes environnementaux, énergétiques, économiques, sociaux et stratégiques.

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7) Cette contribution de la France à l’avènement du photovoltaïque doit s’inscrire dans une perspective européenne avec la volonté de maintenir et de renforcer autant que faire se peut la position de l’industrie européenne par rapport à une concurrence qui se développera en tout état de cause à l’échelle mondiale.

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REFERENCES [1]

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JAUSSAUD C., JOLY J.P., MILLION A., NUNZI J.M. - Les modules solaires photovoltaïques : du silicium cristallin aux couches minces, CLEF CEA N°44, Septembre 2001, pp. 27-30

[4]

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JUQUOIS F. – Marché du solaire photovoltaïque en France 1992-2004, ADEME / Département Énergies renouvelables, Mars 2005, pp. 16

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TAKIGAWA K. - Photovoltaïque au Japon : Au Pays du Soleil levant, Energies renouvelables, Janvier 2006, pp. 28-32

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[9]

NEDO - Overview of Japan's PV Roadmap 2030 (PV2030), Juin 2004. pp. 13 Disponible sur internet : http://www.nedo.go.jp/english/archives/161027/161027.html

[10]

Agence Internationale de l’Energie – Photovoltaic Power Systems Programme. Japan country information. Disponible sur internet : http://www.iea-pvps.org/

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie

C6 - LES SYSTÉMES SOLAIRES COMBINÉS

Auteurs : Dominique Caccavelli (dominique.caccavelli@cstb.fr) et Nadine Roudil (nadine.roudil@cstb.fr)

Expert : Jean-Christophe Hadorn (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne - Suisse)

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SOMMAIRE 1. INTRODUCTION ..................................................................................................................................115 2. ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITE, DYNAMIQUE D'ACTEURS ...............................................116 2.1 Contexte national et local...............................................................................................................116 2.2 Antériorités et origine de l'innovation .............................................................................................120 2.3 Dynamique des acteurs .................................................................................................................120 3. ETAPE 2 : CONTENU DE L'INNOVATION .........................................................................................121 3.1 Caractéristiques des systèmes solaires combinés en Europe ......................................................121 3.1.1 La boucle solaire et son echangeur.....................................................................................122 3.1.2 Le ballon ou les ballons .......................................................................................................123 3.1.3 La préparation de l’eau chaude sanitaire ............................................................................123 3.1.4 L’appoint ..............................................................................................................................124 3.1.5 La régulation ........................................................................................................................124 3.2 Dimensions.....................................................................................................................................124 3.3 Différents systèmes solaires combinés..........................................................................................125 3.3.1 Les systèmes Combinés a appoint externe.........................................................................125 3.3.2 Les systèmes Combinés a appoint integre dans le ballon ..................................................125 3.3.3 Les planchers solaires directs .............................................................................................126 3.4 Les évolutions en cours .................................................................................................................127 3.5 Horizon temporel............................................................................................................................127 3.6 Champ d'application.......................................................................................................................128 3.6.1 Systèmes solaires combinés standardises..........................................................................128 3.6.2 Systèmes Combinés sur mesure.........................................................................................128 3.6.3 PSD .................................................................................................................................128 3.7 Impacts...........................................................................................................................................128 4. ETAPE 3 : MISE EN ŒUVRE ..............................................................................................................129 4.1 Fiabilité de la mise en œuvre sur chantier .....................................................................................129 4.2 Spécificité de mise en œuvre.........................................................................................................129 4.3 Modalités de gestion, d'exploitation et de maintenance ................................................................130 4.4 Incitations réglementaire, fiscale, modalités de financement ........................................................130 4.4.1 Allemagne ............................................................................................................................130 4.4.2 Suisse .................................................................................................................................131 4.4.3 Pays-Bas..............................................................................................................................132 4.4.4 Autriche ................................................................................................................................132 5. ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS DANS LE PAYS CONCERNE ...................................133 5.1 Les performances ..........................................................................................................................133 5.1.1 Energie.................................................................................................................................133 5.1.2 Confort thermique et acoustique..........................................................................................134 5.1.3 Sanitaire ...............................................................................................................................134 5.1.4 Risques de dégradation des performances après mise en œuvre .....................................134 5.2 Les coûts réels ...............................................................................................................................135 5.2.1 Coût Initial - Investissement.................................................................................................135 5.2.2 Coût Opérationnel - Exploitation - Maintenance..................................................................135 5.2.3 Le vécu des utilisateurs .......................................................................................................136 5.3 Vitesse de diffusion dans le pays...................................................................................................136 5.3.1 Allemagne ............................................................................................................................136 5.3.2 Suisse .................................................................................................................................136 5.3.3 Autriche ................................................................................................................................136 5.3.4 Pays-Bas..............................................................................................................................136 5.3.5 Actions de diffusion..............................................................................................................137 6. ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRE DIMENSIONS ETUDIEES ....................................................................................................................138 6.1 Points forts, points faibles de l'innovation (méthode SWOT).........................................................138 6.1.1 S : Strength - Forces............................................................................................................138 6.1.2 W : Weakness : Faiblesses .................................................................................................138 6.1.3 O : Opportunities - Opportunités..........................................................................................139 6.1.4 T : Threats - Menaces..........................................................................................................139 6.2 Points singuliers au contexte du pays............................................................................................140 7. ETAPE 6 : CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE ....................................................140 7.1 Les chances de la transposition en France ...................................................................................140 7.2 Compatibilité avec le cadre réglementaire et normatif français.....................................................142

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7.3 Quelle dynamique d'acteurs nécessaire ........................................................................................142 7.4 Disponibilité en France des compétences de pose. ......................................................................145 7.5 Quels types d'incitations envisager................................................................................................145 7.5.1 Réglementation technique ...................................................................................................145 7.5.2 Fiscalité, Financement, Soutien des Collectivités locales ...................................................145 ANNEXE ...................................................................................................................................................148 Références ...........................................................................................................................................148 Sites internet des organismes de recherche ou assimilés...............................................................148 Sites internet de constructeurs de SSC...........................................................................................149

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1. INTRODUCTION L'objet de cette étude est l’exposé du développement, l'évaluation, la capitalisation de l’expérience européenne et l'analyse des conditions de transposition en France des systèmes solaires thermiques combinés. Les systèmes combinés sont des systèmes solaires thermiques permettant de satisfaire les besoins, ou une part de ceux-ci plus précisément, en eau chaude sanitaire (ECS) et en chauffage. Les systèmes considérés ici sont : • Les systèmes solaires combinés à ballon(s) de stockage. Le principe consiste à stocker l’énergie produite par les capteurs solaires dans un ou plusieurs ballons puis à injecter cette énergie dans des radiateurs ou des planchers chauffants en fonction des besoins. • Les systèmes solaires combinés de type plancher solaire direct. Le principe consiste à injecter directement dans une dalle un liquide chauffé par les capteurs solaires. Cette dalle sert à la fois d'émetteur de chaleur basse température et de stockage. Le champ de l'étude a été limité aux pays dans lesquels des produits répondant à cette définition existent, à savoir principalement l'Allemagne, l’Autriche, la Suisse et la France. Les Pays-Bas ont également un marché qui se développe et seront abordés. Ces pays sont ceux où la technique des systèmes solaires combinés parfois dénommés "combisystèmes" (terme non utilisé dans ce rapport) et en abrégé "SSC", s’est développée de telle sorte que le marché reconnaît le système comme une offre identifiée, donc plus facile à appréhender. En 2005, la surface des capteurs solaires installés en Europe était d’environ 18 millions de m2 (7 millions de m2 pour les SSC). Si l’objectif fixé par la Commission Européenne de 100 millions de m2 de capteur en 2010 semble hors d’atteinte, on peut espérer atteindre à cette date les 60 millions de m2 de capteurs dont 20 millions de m2 pour les seuls SSC. A titre d’exemple, en Autriche 50 % des surfaces de capteur solaire installées par an sont intégrées dans des SSC. 100 90

Total collector area

m illio n s q u a re m e tre s

80 70

Share of combisystems

60 50 40 30 20 10 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Figure 1.1 - Prédiction de la surface de capteurs utilisés pour les systèmes solaires et pour les SSC en Europe [1]

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2. ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITE, DYNAMIQUE D'ACTEURS 2.1 CONTEXTE NATIONAL ET LOCAL Allemagne Le gouvernement fédéral s'est fixé pour objectif d'assurer un approvisionnement en énergie sûr, rentable et respectueux de l'environnement. Comme pour tous les pays, cela ne peut se faire hors du contexte international. La production nationale de sources d'énergie est loin de couvrir les besoins allemands en énergie. L'Allemagne est largement tributaire de l'importation de sources d'énergie. Des sources d'énergie diversifiées faisant largement appel aux EnR et la réduction des besoins en énergie grâce à une utilisation économe et rationnelle de l'énergie contribuent à sécuriser l'approvisionnement.

Figure 2.1 - L’Allemagne domine le marché européen en terme de flux annuel de m2 installés avec plus de 800'000 m2 prévus pour 2006 [DENA : http://www.deutsche-energie-agentur.de/page/index.php?dena] Jusqu’alors, le marché du solaire thermique allemand n’était dominé que par des installations de production d’eau chaude sanitaire. En raison de l’augmentation radicale des coûts de chauffage et grâce au soutien particulier du gouvernement fédéral allemand, la part des installations apportant aussi un complément au système de chauffage des locaux en période de chauffage a nettement augmenté. Plus de 40 % des capteurs solaires nouvellement installés en Allemagne depuis 2005 le sont dans les SSC, avec une surface moyenne d’installation de 11 m2 qui tend à augmenter.

Surface

Taille moyenne d’installation

De capteurs aidés

Tubes sous vide

Capteurs plans

Total

2002

61.821 m²

462.238 m²

524.059 m²

8,9 m²

2003

153.628 m²

1.352.600 m²

1.506.228 m²

9,9 m²

Part SSC

2004

79.662 m²

735.219 m²

814.881 m²

2005

137.702 m²

1.370.539 m²

1.508.241 m²

39%

10,1 m²

9,7 m²

2006*

134.314 m²

1.205.746 m²

1.340.060 m²

41%

11,1 m²

* données disponibles jusqu’en juillet 2006 seulement.

Tableau 2.1 – Allemagne : types de capteurs installés et part de marchés des SSC [BAFA]

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Suisse L'énergie hydraulique constitue la seule source d'énergie nationale en Suisse avec la biomasse qui n’est pas suffisamment développée (1/3 de la ressource est utilisée seulement). Avec la loi sur le CO2 du 1er mai 2000, la Suisse s'impose des objectifs contraignants pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cette réduction doit avant tout résulter de mesures librement consenties par les entreprises et les particuliers et de mesures de politique énergétique, mais aussi de l'action politique dans le domaine de l'environnement, des transports et des finances. En 2001, le Conseil fédéral se fondait sur les lois sur l'énergie et sur le CO2 pour lancer le programme Suisse Energie. Au moyen de mesures librement consenties par l'économie (conventions) et de campagnes d'information, Suisse Energie doit contribuer à atteindre les objectifs énergétiques et climatiques de la Suisse : réduire, d'ici 2010, la consommation d'énergies fossiles et les émissions de CO2 de 10 % par rapport à leur niveau de 1990 ; limiter la progression de la demande d'électricité à 5 % au maximum d'ici 2010 ; maintenir au niveau actuel l'apport de la force hydraulique à la production de courant même lors de l'ouverture du marché de l'électricité ; accroître la quote-part des autres énergies renouvelables de 1 % dans la production de courant et de 3 % dans la production de chaleur. En matière d’EnR, c’est la PAC géothermique sur sonde verticale qui se développe très fortement depuis 10 ans, grâce à une promotion forte par les électriciens, des tarifs électriques attirants et aussi un effort constant de recherche et développement dans les sondes et les pompes à chaleur depuis 20 ans. La Suisse a 18 axes de recherche en énergie et une constance dans la façon de les gérer depuis 1979 (voir http://www.bfe.admin.ch/index.html?lang=fr). Le marché du solaire thermique connaît une stagnation depuis 1999. Les mesures incitatives ont diminué et le gouvernement fédéral a connu des problèmes budgétaires importants. Les cantons ont relayé quelques aides mais au total l’incitation est faible. Et les campagnes en faveur du solaire sont le fait des associations et de l’industrie, aux moyens fort limités.

Figure 2.2 - Suisse : développement du marché des capteurs solaires plans de 1990 à 2005 [2] La typologie des installations en Suisse montre que les SSC en maison individuelle représentent 22.6 % des ventes en 2005 (644 installations), contre 37.4 % pour l’eau chaude sanitaire auxquels s’ajoutent 28.6 % pour l’eau chaude sanitaire en collectif. Les SSC dans les bâtiments collectifs sont moins répandus (5 %, 76 installations). La surface de capteur solaire des installations d’eau chaude sanitaire est inférieure à 10 m2, alors que pour les SSC cette surface est le plus souvent comprise entre 11 et 20 m2.

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Autriche En Autriche, les fossiles dominent avec 57 % le marché de la chaleur, mais le bois compte déjà pour 25 % de la couverture de la chaleur. En 2005, environ 681’500 m2 de capteur solaire ont été produits (2004 : 500 200 m2), environ 96,6 % de capteurs plans vitrés (658 010 m2), 0,8 % de capteur à tube sous vide (5 400 m2) et 2,6 % d'absorbeurs pour piscine (18 100 m2).

Figure 2.3 - Autriche : développement du solaire thermique entre 1975 et 2005 [3] L’Autriche s’est classée en 2005 en quatrième position mondiale en terme de m2 de capteurs solaires thermiques installés par habitant, derrière Chypre, Israël et la Grèce. Ce qui est à noter est que ces trois derniers pays ont commencé l’installation de chauffe-eau solaires, principalement et presque exclusivement à thermosiphon dans les années soixante. L’Autriche a démarré son programme solaire 20 ans plus tard et est en passe de devenir n° 1 mondial du solaire thermique par habitant avec des installations modernes et performantes. En 2005, l’Autriche a réalisé 23 000 installations solaires en maison individuelle (96 % du marché) pour 238 000 m2 de capteurs. La taille moyenne des installations est donc de 10 m2. 35 % des installations solaires sont des SSC (le reste sont des chauffe-eau), ce qui fait environ 10 000 SSC installés par an. Plus de 200 000 ménages utilisent le soleil pour l'eau chaude et le chauffage des locaux. La part des SSC augmente (2004 : 30 %, 2005 : 35 %). La tendance à s’équiper d’un SSC lors d’une rénovation est grandissante (2004 : en ancien 25 %, 2005: 40 %). Les facteurs qui ont permis le développement du marché du solaire thermique et des SSC en Autriche sont : 1. une volonté politique forte dès 1990 renouvelée en 2000 (campagne type solar na klar), 2. une professionnalisation de la distribution des installations et des composants solaires, 3. la stabilité des aides fédérales, 4. une crédibilité dans les installations solaires, retrouvée après la perte de confiance en 1984 grâce aux efforts de certification et de normalisation, 5. le développement de groupements d’auto constructeurs qui ont su redonner au marché cette confiance. Des cours et des relais ont été organisés dans tout le pays avec le soutien du Ministère de l’environnement et de la famille. A l’origine le premier grand groupe était en Styrie en 1984, et donnera naissance au bureau AEE Intec qui a donné assistance et conseil durant 20 ans au point de devenir le plus grand bureau d’études en énergies renouvelables d’Autriche,

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6. des travaux de réduction des coûts par l’industrialisation, qui ont abouti au n° 1 du fabricant de capteur en Europe (GreenOneTec) et aux systèmes combinés tout en un qui ont eu raison de la vague des systèmes en auto construction des années 1984-1997 (tout de même 400 000 m2 en auto construction ont été installés !), 7. l’installateur a été placé par les fabricants de systèmes au centre du dispositif client, et le solaire a été promu comme image positive pour l’installateur, 8. des mesures pour donner confiance aux clients : calcul de la part solaire de "son" installation, garantie sur chaque composant et sur le total, contrôle lors de la réception de l’installation. 9. Les coûts supportables pour une famille motivée construisant ou possédant déjà une villa. Une installation typique de SSC en Autriche coûte entre 7 500 à 8 500 € TTC (avec capteurs intégrés dans le toit). Le réseau d’installateurs connaissant le solaire est dense. La tendance récente en Autriche comme au Danemark d’ailleurs est au montage de blocs de capteurs de 6 ou 12 m2 en une fois avec une grue, pour réduire les temps et les coûts. Les fabricants de capteurs proposent entre 5 et 10 ans de garantie. La plupart des capteurs sont de qualité semblable en termes de performance, mais sans doute, comme en Suisse, pas en termes de durabilité. Les bureaux d’étude doivent depuis 2002 donner une garantie de 3 ans sur les installations faites dès la mise en service. En conclusion, l’Autriche où toutes les provinces octroient des aides au solaire via le mécanisme des hypothèques est un petit pays fortement orienté vers l’avenir solaire et ses exportations le prouvent.

Pays-Bas L’économie énergétique des bâtiments aux Pays-Bas est archi-dominée par le gaz naturel. Ce qui est un avantage pour le solaire, car : - il n’y a pas de coût pour l’usager qui soit lié au stockage de l’énergie d’appoint (pas de ballon), - les puissances instantanées peuvent être élevées et sont peu taxées, de sorte que : o l’on peut éviter de stocker l’énergie fossile sous forme de chaleur, comme c’est le cas avec du mazout ou du bois travaillant sur le ballon de stockage dans nombre de SSC, o l’on peut mettre solaire et gaz en série, réservant ainsi le ballon solaire au solaire, sans le "partager". En 1997, le gouvernement a lancé un programme de 4 ans d’aides diverses en collaboration avec l’industrie solaire hollandaise pour atteindre 400 000 chauffe-eau en 2010. L’objectif ne sera pas atteint (estimation 2005 : 50 000 chauffe-eau installés). Pionniers au début des années 90 et malgré la relance du programme 1996-2000, les Pays-Bas ont marqué le pas dans le développement du solaire thermique, principalement du fait des changements de gouvernement et de la non continuité des aides. A la fin 2005, les Pays-Bas comptaient 305 000 m2 de capteurs vitrés installés. Durant les 3 dernières années, le rythme d’installation s’est ralenti [ESTIF]. On estime à 10 la part de nouvelles maisons qui s’équipent en 2006 de solaire aux Pays-Bas, et dans la majorité des cas il s’agit de SSC de petites dimensions avec appoint gaz intégré. Le nombre de nouvelles maisons est cependant faible comme dans tous les pays d’Europe de l’Ouest, le renouvellement du parc se faisant sur 100 ans environ.

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2.2 ANTERIORITES ET ORIGINE DE L'INNOVATION Produire de façon combinée de l’eau chaude sanitaire et du chauffage par le solaire est une idée qui remonte aux années 1970 aux USA, notamment dans les Rocheuses où le climat est froid mais ensoleillé (Maison Löf, Baer, Balcomb,…). Les SSC conçus de façon plus industrialisée datent des années 1990-95 environ et résultent : - des travaux sur les "dream system" pour l’eau chaude sanitaire, qui ont abouti dans la tâche IEA SHC 14 aux kits solaires, pendants des thermosiphons compacts mais à circulation forcée ; - des erreurs des années 80 où les systèmes étaient plutôt faits sur mesure, ré-inventés à chaque fois et toujours trop compliqués. Aux artisans du solaire des années 80 qui exécutaient les idées des BET ou les leurs, se sont petit à petit substitués des groupes de coopérateurs (Allemagne) ou des artisans expérimentés ou, et c’est maintenant le cas la plupart du temps, des industries cherchant à se diversifier. Ils ont intégré de la R&D dans leur activité dès les premiers tests des capteurs en 1980-1985.

2.3 DYNAMIQUE DES ACTEURS Les acteurs des systèmes solaires combinés dans les pays étudiés sont : • A la base, des laboratoires de recherche connus pour travailler sur le sujet : - le Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (Allemagne), - ITW Stuttgart actif depuis 1975 dans le domaine (Allemagne), - Arsenal (Autriche), - AEE Intec (Autriche), qui est plus un bureau d’étude qu’un laboratoire (ce sont les fondateurs des installations en auto construction il y a 25 ans), - ISFH Hammeln (Allemagne), - SPF (Suisse), - ECN et TNO (Pays-Bas). • Des industriels du solaire possédant déjà une forte expérience et renommée (Solvis et Wagner en Allemagne, ATAG aux Pays-Bas, Agena, Soltop, Schweizer et Hoval en Suisse). • Des bureaux d'études spécialisés (AEE Intec, Solid en Autriche). • Les pouvoirs publics de plusieurs Länder (Baden-Würtemberg, Bavière, Brandenburg, Hessen, BasseSaxe, Nordrhein-Westfalen, Reinland-Pfalz, Schleswig-Holstein) qui soutiennent le développement des maisons passives et indirectement le recours au solaire actif. • Les programmes de recherche et développement et des installations pilotes et de démonstration en Suisse • Les programmes de recherche de l’IEA (Task 14, Task 26), de l’UE (Altener) • Les partis verts qui poussent pour le solaire. • Les associations professionnels (DGS, Swissolar, Enerplan, etc..) • Les grandes entreprises de chauffage qui adoptent le solaire depuis 10 ans (Buderus, Vaillant, Hoval, etc..) • Les grands distributeurs d’énergie notamment d’électricité et de gaz qui petit à petit comprennent que le solaire est une arme pour eux !

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En ce qui concerne la chaîne de valeur et la distribution, les industries solaires sont organisées selon 3 modèles : 1. sociétés qui fournissent le consommateur final ou les installateurs, même sans fabriquer elles-mêmes. C’était le cas de Conergy en Allemagne, qui vient de lancer sur le marché son propre capteur après avoir distribué celui d’autres durant plusieurs années et de Suntechnics, ou encore de Wattelse nouvellement créé en France, ou AET en Allemagne qui est un grossiste du solaire comme il se définit lui-même, 2. sociétés qui produisent et qui commercialisent elles-mêmes. C’est le cas de Clipsol en France et de Schweizer en Suisse, de Wagner en Allemagne ou Solvis ou d’autres, 3. sociétés qui sont plutôt des producteurs de composants et qui vendent au travers d’un réseau de distribution à 1, 2 voire 3 étages ! C’est souvent le cas pour les parties non spécifiquement solaires d’une installation. En ce qui concerne le marché des systèmes solaires combinés, le modèle n° 2 est le plus fréquent. Il est prévisible que le modèle 1 émergera, sans nécessairement entraîner une baisse de prix pour le consommateur, mais en réduisant la marge du producteur, comme ceci a été observé dans toute l’histoire de la distribution. Ensuite le marché appartient au distributeur qui fait jouer la concurrence entre producteurs, parfois en créant sa propre marque. En chauffage on observe cette tendance bien que les grands acteurs allemands du domaine cherchent à intégrer verticalement toute la chaîne (Buderus, Vaillant, De Dietrich..). Mais la volonté des producteurs de systèmes solaires combinés de faire évoluer leurs produits, toujours plus performants, très technologiques et de plus en plus électroniques, et qui nécessitent du conseil à la vente et à la pose, pourrait maintenir le modèle 2, comme on le voit dans le secteur automobile. Le nerf de la distribution ce sont les marges. En Autriche par exemple elles se répartissent ainsi [4] : - producteur - grossiste - installateur

: 40 % : 30 % : 20 % sur le matériel, 40 % sur l’installation.

L’échelon grossiste tend à sauter et le producteur tend à former ses propres installateurs. Pour le moment, en grande majorité l’installateur reste le maillon de liaison avec les consommateurs. Des sociétés pratiquent aussi le contracting solaire pour éviter au client le problème du financement, mais ce n’est vraiment efficace que pour des installations d’une certaine taille (100 m2 de capteurs au moins), donc pour des immeubles ou des collectivités. Et le modèle a de la peine à séduire les marchés.

3. ETAPE 2 : CONTENU DE L'INNOVATION Dans cette partie sont présentées les caractéristiques techniques des systèmes solaires combinés présents sur le marché allemand, suisse, autrichien, français et hollandais notamment. Ils représentent l’ensemble de la palette des solutions actuelles. Les sites Internet de sociétés fabricant des systèmes solaires combinés sont donnés dans la liste des références, à la fin de ce rapport.

3.1 CARACTERISTIQUES DES SYSTEMES SOLAIRES COMBINES EN EUROPE Un SSC comporte toujours les éléments suivants : 1. une boucle de captage solaire avec échangeur, 2. un système de stockage, unique ou double, 3. un système de préparation et de distribution de l’eau chaude sanitaire, 4. un système de distribution de la chaleur pour le chauffage, 5. un système d’énergie d’appoint, unique ou multiple, 6. un système de réglage de l’ensemble ou de sous-composants.

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3.1.1 LA BOUCLE SOLAIRE ET SON ECHANGEUR La boucle solaire est évidemment très importante dans un système solaire combiné. Elle est chargée de capter l’énergie solaire et de la transférer avant tout au ballon solaire. Les capteurs solaires Les capteurs plans vitrés à absorbeurs sélectifs sont depuis 10 ans le standard du marché. Les absorbeurs atteignent des performances remarquables et on peut considérer que les capteurs plans sont à un stade industriel avancé. En ce qui concerne les capteurs, le point le plus important n’est pas technique. Il est d’ordre industriel et économique : il y a beaucoup de fabricants de capteurs en Europe (plus de 200) et une consolidation est nécessaire dans les années à venir pour rester compétitif face aux fabricants chinois à bas coût de production et plus important encore à marché intérieur très vaste et en plein essor. La durée de vie des capteurs plans actuels est de plus de 20 ans pour les bons capteurs. Tous ne sont pas égaux en durabilité et il convient donc de choisir avec compétence les capteurs. Le circulateur solaire Une pompe est nécessaire dans la plupart des cas, car les capteurs sont en toiture et le stockage, trop important pour être sur le toit, est le plus souvent en sous-sol. Les circulateurs industriels donc à coût bas sont alimentés en 220 V. Il est tout à fait recommandable de choisir un circulateur alimenté en 12 ou 24V, par du photovoltaïque. Il a été montré en Suisse que le débit proportionnel à l’ensoleillement est l’optimum dans un système solaire combiné ou un chauffe-eau. De tels circulateurs sont rares sur le marché et ne sont pas connus pour leur fiabilité à long terme. Le fluide caloporteur Le fluide est le plus souvent de l’eau et un antigel, du propylène-glycol, mélange permettant de supporter -25 à - 30 C en Europe continentale. L’antigel n’est pas toxique, mais peut-être légèrement corrosif. L’échangeur L’échangeur est un élément sous-estimé. Il doit transférer ce qui a été capté de manière efficace, sinon il rend vain un captage efficace. En outre, efficacité signifie que la température de retour aux capteurs sera la plus basse possible. Il existe 3 types fondamentaux d’échangeur solaire : - immergé, serpentins plongeant dans le ballon de stockage par exemple, - externe, échangeur à plaque, mais nécessitant un deuxième circuit donc un deuxième circulateur, - double manteau, système le plus efficace si il est correctement mis en œuvre, mais il rend le ballon plus cher et plus lourd à manipuler. La régulation de la boucle solaire Le réglage de la boucle solaire est désormais très au point : le circulateur se déclenche si la différence de température entre la sortie du capteur et le bas du ballon solaire est supérieure à une valeur de consigne (5 ou 6 K). Cette différence est pré-réglée en usine par les fabricants de SSC, mais il est souvent possible de modifier les consignes dans les régulateurs actuels. Le savoir-faire est cependant peu répandu pour trouver les valeurs optimales. Si la boucle solaire comporte 2 niveaux d’injection dans le ballon (2 niveaux d’échangeurs immergés) ou plus, le régulateur solaire doit aussi piloter la vanne de réglage, généralement 3 voies.

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3.1.2 LE BALLON OU LES BALLONS Le ballon de stockage de la chaleur est l’élément central du dispositif d’un système solaire combiné. La plupart des systèmes n’ont qu’un ballon qui centralise tout : l’énergie solaire y est introduite et les demandes en eau chaude et en chauffage y puisent. On ne cherche plus depuis plusieurs années à avoir un lien hydraulique direct entre capteurs et chauffage : on sait que c’est théoriquement mieux pour l’efficacité des capteurs, mais ce n’est pas économique et difficile à régler. La stratification dans le ballon est importante pour diminuer les périodes où l’appoint entre en fonction. Le ballon est le plus souvent en acier (pas besoin d’émail ni inox car il s’agit d’eau de chauffage dans un système solaire combiné). Le plastique apparaît depuis quelques années et va se généraliser dans des systèmes sans pression. Certaines installations ont 2 ballons. C’est le cas notamment des systèmes solaires combinés pour le collectif ou en rénovation. La mise en série du ballon existant pour l’eau chaude sanitaire est une très bonne solution pour donner plus de capacité de stockage très utile en été.

3.1.3 LA PREPARATION DE L’EAU CHAUDE SANITAIRE Elle peut être : - instantanée à échangeur interne (spirale, qui doit être dimensionnée pour absorber la pointe de la demande), - instantanée à échangeur externe (qui nécessite un circulateur supplémentaire et un échangeur de haute performance), - par ballon immergé dans le ballon principal (système dit "tank in tank", très efficace et bon marché à l’exploitation), - par ballon séparé, en série avec le ballon principal (solution très performante car le ballon principal est réservée au chauffage, mais surtout pour la rénovation). Les diverses législations nationales contre la légionellose (Allemagne) ou la non contamination de l’eau chaude sanitaire par l’antigel (Pays-Bas) ont des impacts prépondérants sur les choix de solution.

Figure 3.1 - Préparation de l’eau chaude sanitaire par un échangeur à plaques externe [doc. Solvis 2006]

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3.1.4 L’APPOINT L’appoint peut être à gaz, au fioul, électrique ou au bois. L’appoint au fioul se charge en général de maintenir la température du haut du ballon proche d’une valeur de consigne (55 ou 60 °C). L’appoint électrique (rare pour un système solaire combiné) fait de même. L’appoint bois nécessite un ballon plus important car on doit aussi stocker la production si elle est intermittente (bûches). Dans le cas des granulés de bois, on a affaire à un système analogue au fioul. L’appoint à gaz présente l’avantage important de pouvoir être installé en série après le ballon solaire, sur le retour du chauffage, ce qui permet au solaire d’avoir (enfin) un ballon pour lui-même, et d’éviter de stocker une énergie fossile sous forme de chaleur ! La puissance importante d’un raccordement gaz et sa tarification actuelle permettent en effet d’envisager cette solution même pour l’eau chaude sanitaire (30 kW de puissance contre 5 à 6 pour le chauffage !).

3.1.5 LA REGULATION L’ensemble de l’installation est commandé par un microprocesseur et une carte I/O en général avec 12 entrées et 8 sorties. Un affichage de valeurs (températures) et d’état (pompes et vannes) est aussi présent. Les actuateurs sont des vannes 3 voies ou parfois 2 voies. On ne trouve pas de vanne 4 voies. Rarement il y a un compteur de chaleur solaire à cause de son surcoût. La régulation ne doit en effet pas dépasser en ordre de grandeur 1 000 Euros. Des algorithmes avancés de détection de panne ne sont pas encore partout intégrés dans les unités. Les pannes de base sont signalées en général (arrêt de la pompe solaire). Les interfaces utilisateur sont le plus simple possible et en général très compréhensible sans manuel.

3.2 DIMENSIONS La taille d’un système solaire combiné peut varier de 5 à 40 m2 de capteurs, et de 250 à 3000 l de stockage. L’Autriche et la Suède ont des installations plus fortement dimensionnées (20 m2, 2 m3) que l’Italie, l’Allemagne ou la France, principalement du fait de la volonté des clients d’être autonome en Autriche et du climat en Suède. Les Pays-Bas ont des installations plus petites que la moyenne (5 m2, 500 l). Ce qui est assez constant est ce qu’on appelle le ratio de stockage : de 30 à 100 l de stockage par m2 de capteur. En général pour un système solaire combiné on applique une valeur entre 75 et 100 l/ m2 entre Lyon et Stockholm, et 30 à 75 entre Rome et Lyon. Le dimensionnement du stockage optimal dépend bien évidemment du climat, des coûts relatifs des énergies concurrentes et d’appoint, de la place disponible ou du coût de l’espace requis. Notons que l’appoint dans un système combiné est appelé abusivement appoint ! Si la fraction solaire est inférieure à 50 %, l’appoint est la source principale et le solaire fait office d’appoint !

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3.3 DIFFERENTS SYSTEMES SOLAIRES COMBINES Il existe trois grandes familles de systèmes solaires combinés et à l’intérieur de chaque famille plusieurs configurations de schémas hydrauliques.

3.3.1 LES SYSTEMES COMBINES A APPOINT EXTERNE C’est le type de SSC le plus vendu en Europe. Un exemple d’installation est donné ci-dessous :

Figure 3.2 - Système solaire combiné à appoint externe [doc. Solvis] Le principe de fonctionnement de cette famille de SSC a été décrit au § 3.1.

3.3.2 LES SYSTEMES COMBINES A APPOINT INTEGRE DANS LE BALLON L’idée d’intégrer un brûleur directement dans le ballon vient de la recherche de réduction de coûts et de place par des industriels en Suisse (Agena), en Allemagne (Solvis) et aux Pays-Bas (Daalderop). C’est aussi un élément marketing puisque le client ne souhaite pas vraiment acheter 2 systèmes, l’un solaire et l’autre classique comme appoint, mais une seule "solution" pour son chauffage si possible solaire. Les solutions trouvées sont élégantes et fonctionnent bien. Elles n’offrent pas la flexibilité des solutions séparées et ont des performances légèrement moindres le sommet du ballon étant en période hivernale réservé à l’appoint. Mais économiquement le choix peut se justifier. Le plus souvent le brûleur est à gaz du fait de la compacité. Il n’y a cependant pas toujours condensation des gaz de fumée contrairement à une installation séparée fonctionnant sur le retour d’un chauffage par le sol par exemple. L’emprise au sol de l’ensemble est faible et cette solution convient bien aux maisons des Pays-Bas à place réduite et sans sous-sol !

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Figure 3.3 - Système solaire combiné à appoint intégré [doc Agena]

3.3.3 LES PLANCHERS SOLAIRES DIRECTS Le "plancher solaire direct" est une technique de chauffage solaire élaborée à l'École Supérieure des Ingénieurs de Marseille dans les années 70. Le pionnier industriel est bien évidemment T2i devenu Clipsol. L’idée est la suivante : il existe dans une maison un élément stockeur de chaleur potentiel : la dalle. Pourquoi ajouter un ballon relativement cher si la dalle peut faire l’affaire ? La dalle peut accumuler la chaleur d’une journée bien ensoleillée. Le concept a fait florès pour Clipsol sur le marché français. Les parts solaires atteintes sont de 30 à 70 % selon la latitude et le type de maisons. Il est impossible d’obtenir des fractions solaires élevées cependant du fait de la limitation de capacité de la dalle : d’une part le deltaT utile doit être restreint pour le confort (1925 C) et d’autre part la profondeur de pénétration d’une onde journalière dans le béton est de 14 cm ! Au delà la matière est peu utile pour un stockage diurne. Un autre avantage du PSD est que le retour du fluide provenant du plancher est à température la plus basse possible et peut selon les schémas de principe être directement connecté aux capteurs, ce qui est favorable à leur efficacité. Le concept quoique séduisant a du mal à s’exporter. Notamment parce que ce n’est pas la stratégie de Clipsol et parce que les pratiques locales sont pour le moment dominantes. Le prix d'un plancher solaire direct est à peu près équivalent à celui d'un chauffage central classique par plancher chauffant : 16 à 18 000 € pour une maison individuelle de 100 à 150 m2, non compris le chauffage d'appoint (total : 22 000 € hors subventions). Clipsol peut suivre par modem pratiquement toutes ses installations, de sorte que la société dispose d’une très riche base de données pour d’une part dimensionner et d’autre part améliorer ses installations. Le CSTB a développé un outil de calcul validé sur des mesures : le PSD Maison individuelle. Les économies du PSD sont calculées par rapport à un système de référence utilisant la même énergie (cf. Règles Th-C Cahiers du CSTB 2676). Le logiciel propose deux types d'appoint séparé pour le chauffage (cheminée avec insert ou poêle à bois et convecteurs électriques) et trois types d'appoints pour l'eau chaude sanitaire (chauffe-eau électrique à accumulation, au gaz à accumulation et au gaz à production instantanée).

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Figure 3.4 - Plancher solaire direct [doc Clipsol]

3.4 LES EVOLUTIONS EN COURS Plusieurs évolutions sont en cours pour les systèmes solaires combinés tirés par un marché très porteur depuis la hausse du pétrole en mars 2006. On peut citer sans développer ici : - La boucle solaire en drain-back appelée à se développer hors des Pays-Bas - Les ballons sans pression, permettant de limiter leur coût - Les échangeurs internes super performants avec stratification assistée, - La distribution à débit commandé (débit variable avec variation de fréquence), - Le ballon à faible perte thermique (actuellement 15 à 20%), - Le stockage dense, la grande ambition : pouvoir atteindre le stockage saisonnier dans des villas passives avec un stockage de moins de 10 m3, - La commande optimale de l’ensemble avec prévision offre et demande - Les polymères dans tous les éléments de la chaîne.

3.5 HORIZON TEMPOREL La Tâche 26 de l’AIE a identifié 21 configurations différentes de SSC en 2003 et d’autres configurations sont apparues depuis ! Une consolidation technique (les meilleurs systèmes gagnent…) et une consolidation de fournisseurs est à prévoir dans un horizon de 5 à 10 ans. Le marché des chauffe-eau solaires est proche de la maturité ce qui n’est pas encore le cas pour les SSC pour lesquels une simplification des schémas hydrauliques est encore nécessaire.

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3.6 CHAMP D'APPLICATION 3.6.1 SYSTEMES SOLAIRES COMBINES STANDARDISES Ces systèmes sont avant tout destinés au marché des villas neuves et en rénovation. La cible marketing est donc le propriétaire de villa ou de pavillon. Le dimensionnement faible (6 à 12 m2) ne la réserve pas à des villas de taille modeste ou de demande en chaleur réduite, mais à tout type de villa avec une distribution à eau.

3.6.2 SYSTEMES SOLAIRES COMBINES SUR MESURE Ces systèmes peuvent être adaptés à tout type de consommateur pour autant que la distribution soit à relativement basse température (max 45 - 50 C), ce qui suppose une enveloppe bien isolée ou ré-isolée et/ou un surdimensionnement des corps de chauffe.

3.6.3 PSD Les PSD sont surtout adaptés aux maisons neuves, car en rénovation la pose d’un plancher chauffant n’est pas toujours possible (seuils, hauteur sous plafond, etc..). On peut concevoir un PSD pour du collectif ou du tertiaire, mais dans les faits il n’existe que peu d’opérations de ce type.

3.7 IMPACTS Consommation d'énergie La consommation de chauffage et d’ECS d’une maison peut être réduite en moyenne de 30 % en utilisant un SSC. Les auxiliaires d’un SSC consomme entre 40 et 100 W, maximum 200 W pour les plus grands systèmes.

Contenu environnemental Il n'existe pas encore d’études approfondies sur ce sujet. L’ITW en Allemagne a montré que l’énergie grise des meilleurs SSC présents sur le marché pouvait être compensée en 2 ans et en 3 ou 4 ans pour les SSC moins performants (la durée de vie minimale est de 20 ans).

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4. ETAPE 3 : MISE EN ŒUVRE 4.1 FIABILITE DE LA MISE EN ŒUVRE SUR CHANTIER Les SSC sont des installations de génie climatique, il existe donc de nombreux installateurs, artisans pour la plupart. Une installation solaire est plus difficile à réaliser et à installer qu’une installation classique car il n’y a pas de réserve de puissance et les différences de température sont faibles. En outre, un mauvais fonctionnement de la boucle solaire peut être masqué par la présence de l’appoint Une installation mal conçue est impossible à mettre en service. Une installation mal posée est instable au réglage ! Les problèmes les plus fréquents concernent : - sondes mal implantées, - sondes mal fixées, - inversion de raccordements entrée - sortie, - vannes 3 voies montées à l’envers, - antigel insuffisant, - panne de pompe non détectée rapidement et donc surchauffes fréquentes, et à long terme : - entartrage des échangeurs d’eau chaude sanitaire, - purgeur qui fuit, - vannes 3 voies bloquées, - programmation de la commande (si elle est modifiable) mal faite ou modifiée sans compétences. La formation des installateurs est le plus souvent assurée par les fabricants de SSC (par exemple : Hoval en Suisse, Clipsol en France). Formation assez sommaire (2 à 5 jours) et assistance durant la ou les premières installations. Des chambres de commerce ou des instituts de recherche ou des associations professionnelles ont mis sur pied des cours de quelques jours mais ils sont souvent insuffisants pour rendre performants un installateur en toute circonstance (appoint gaz, fuel, bois, pompe à chaleur, électricité, etc..). La France a une vraie formation de longue durée (8 mois) depuis 2 ans seulement, suite à une initiative privée (Compagnons du solaire à Savoie Technolac), soutenue très timidement par l’ADEME. L’influence de l’usager sur les performances de son installation est non négligeable, et doit être gérée par un mode d’emploi simple et juste, et des affichages intelligents. L’autodiagnostic devrait se généraliser, mais il entraîne un surcoût.

4.2 SPECIFICITE DE MISE EN ŒUVRE Un SSC standardisé n’est pas difficile à poser pour un installateur, pour autant que le système soit bien conçu et bien documenté. Les modes de pose ne sont pas toujours bien lus par les installateurs cependant. La partie délicate est la pose des capteurs et le raccordement à la régulation existante si il y en a une. Il convient également de prêter attention aux raccordements des sondes, et à l’isolation des raccords. Un SSC sur mesure peut s’avérer difficile à mettre en œuvre, et souvent la pose en col de cygne des connections est oubliée. Une formation des installateurs en solaire est nécessaire surtout pour bien comprendre l’interaction entre la partie solaire et la partie traditionnelle, qui est délicate à raccorder si elle préexiste. La compétence de pose d’installations solaires se répand rapidement depuis 5 ans en Suisse, Autriche, Allemagne. Le marché est tendu et il est parfois difficile de trouver un installateur solaire compétant et disponible dans ces pays à moins de 6 mois !

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4.3 MODALITES DE GESTION, D'EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE Une maintenance insuffisante dans une installation solaire combinée entraîne les problèmes suivants : • Le système n’est pas régulièrement purgé. Comme l’appoint peut tout faire, on ne détecte même pas que le solaire ne fournit pas son quota ! • La perte d’antigel ou de sa concentration minimum nécessaire suite à des remplissages intempestifs à l’eau ou à une fuite ou encore la soupape qui a déchargé plusieurs fois durant un été. • Un danger de gel des capteurs en cas de perte d’antigel. • Des effets de corrosion si le pH de l’antigel n’est pas contrôlé au moins tous les 5 ans. Les professionnels autrichiens recommandent de signer un contrat de maintenance pour tout système combiné. En fait, ce contrat est ni plus ni moins utile qu’avec une installation classique de chauffage. L’association Autria Solar regroupe la trentaine de sociétés solaires du pays et prodigue assistance et conseils aussi en matière de maintenance. 4.4 INCITATIONS REGLEMENTAIRE, FISCALE, MODALITES DE FINANCEMENT

4.4.1 ALLEMAGNE Réglementation La première incitation réglementaire en Allemagne est la réglementation thermique EnEV. La réglementation thermique allemande EnEV "Energieeinsparverordnung" remplace depuis le 1er février 2002 deux réglementations : Wärmeschutz-Verordnung (WSchV 95) et HeizungsanlagenVerordnung. Elle a été complétée en 2004, et sera modifiée fin 2006 pour s'adapter aux directives européennes (en prenant notamment en compte l'éclairage dans les calculs). EnEV fixe une exigence sur la consommation d'énergie primaire du bâtiment et sur l'étanchéité à l'air de l'enveloppe. Cette consommation en kWh/m2/an doit être inférieure à une valeur limite, qui dépend du rapport entre la somme des surfaces des parois déperditives et le volume du bâtiment. Afin de poursuivre le développement dynamique du marché du solaire thermique, l’introduction d’une loi sur la chaleur à partir de sources d’énergie renouvelables qui devrait rendre obligatoire les installations solaires et par biomasse pour la génération de chaleur, est actuellement débattue en Allemagne. Cette loi vise à augmenter de manière significative la part des énergies renouvelables dans la production de chaleur d’ici à 2020. Financement et subventions L’Allemagne a soutenu les installations solaires thermiques durant les années 1990-2000 avec une aide fédérale par m² de 100 à 150 € selon les périodes. Il y a des aides financières de l’État fédéral, de différents Laender et aussi de programmes communaux. Les aides des "Ländern" sont variables. On peut les consulter sous : http://www.solarwaerme-plus.info/Foerderberater.7.1.html Actuellement (2006) au niveau fédéral, les installations solaires de préparation d'eau chaude et les SSC jusqu’à 200 m2 reçoivent 105 €/m2 (48 €/m2 au-delà pour les privés) , mais avec les conditions suivantes [http://www.iwr.de/foerderung/marktanreiz_04.html] : - au moins 10 m2 de capteurs plans vitrés (8 si tubes), - au moins 50 l/m2 de ballon (60 si tubes), - part solaire d’au moins 20 % des besoins en chauffage. Certaines grandes installations aidées doivent satisfaire également le critère de 525 kWh/m2 de productivité solaire pour une fraction solaire de 40 %.

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Cependant le marché explosant, les moyens du programme d'incitation du marché pour 2006 d'un montant de 180 millions € au milieu de l'année sont épuisés au 15.10.2006 selon la DGS, section allemande de l’ISES (www.dgs.de) et l’annonce officielle du ministère BAFA (http://www.bafa.de/1/de/). Dans le projet de budget du gouvernement fédéral, 174 millions € sont prévus "seulement" pour 2007. La décision déstabilise la branche solaire. On prédit pour les six prochains mois une diminution des ventes. En ce qui concerne les emprunts de particuliers, le KfW-Förderbank offre des crédits avantageux pour les économies d’énergie et le recours au solaire.

4.4.2 SUISSE Réglementation Les textes de la réglementation thermique suisse varient selon les cantons mais tous font référence aux recommandations de la Société Suisse des Ingénieurs et Architectes SIA. Il n’y a pas de normes en Suisse mais les professionnels suivent les recommandations SIA pour obtenir des couvertures d’assurance. La consommation d'énergie finale du bâtiment ne doit pas dépasser une valeur limite calculée à partir de la surface du bâtiment, sa forme, de la zone climatique, de la température intérieure, de l'occupation et des gains internes. Généralement la valeur est de 80 kWh/m2 an. Le standard Minergie (une association semi-privée) fixe depuis 10 ans la barre à 42 kWh/m2 pour le neuf. Il s’agit de l’énergie achetée à l’extérieur du système bâtiment [www.minergie.ch]. On peut donc faire une enveloppe moins contraignante pour autant que l’on produise la différence, par exemple avec du bois, une pompe à chaleur ou un système solaire combiné. Ce standard est suivi par 10 à 15 % du marché de la villa neuve, mais influence les réflexions du reste du marché car les médias relaient abondamment les bons exemples ! Le choix Minergie quand il est fait est favorable au solaire thermique car la barre des 42 kWh est difficile à atteindre (c’est 80 en rénovation). On atteint souvent 50 et les 8 restant doivent être fait au solaire ! Les clients sont rapidement convaincus en fait, au moins pour un chauffe-eau solaire (1 m2 par personne). Des réglementations contraignantes en faveur du solaire thermique n’existait pas jusqu’à il y a quelques semaines en Suisse. Le canton de Vaud (Lausanne) vient d’accepter une loi sur l’énergie qui impose que 30 % des besoins en eau chaude sanitaire soit couvert par du renouvelable local ! Financement et subventions Les cantons attribuent des subventions aux bâtiments respectant le standard MINERGIE soit de manière directe soit par le biais de déductions fiscales (le plus fréquent). Les aides par canton sont détaillés dans http://www.bfe.admin.ch/energie/00580/00582/index.html?lang=fr&dossier_id=00880. Le canton de Genève attribut des subventions directes s’élevant à (1 € = 1.6 CHF) : • 2 200 CHF + 200 CHF/m2 pour les installations individuelles et • 3 500 CHF + 350 CHF/m2 (capteurs vitrés) pour les installations collectives dès 20 m2 et de 100 m2 au max. Pour un SSC en villa (12 m2), Genève octroie ainsi 4 600 CHF pour un coût total de 26 000 CHF environ soit 18 %. Le canton de Vaud propose 2 000 CHF par installation. Les conditions sont que les capteurs aient été testés au SPF de Rapperswil ou par la Solar Keymark. Pour le moment il n’y a pas de condition pour les systèmes combinés, mais il est probable que ce soit bientôt le cas car le SPF a déjà testé 15 systèmes complets. Il y a aussi dans certains cantons des mesures fiscales : 50 % hors subventions sont déductibles du revenu à Genève !

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En ce qui concerne le financement, certaines banques pratiquent le "taux hypothécaire bonifié" de en général ¼ à ½ % surtout en cas de maison Minergie. Les offres classiques ont pour noms "Eco-Crédit" ou "Hypothèques MINERGIE". http://www.minergie.ch/fr/index.php?frame=http://www.minergie.ch/fr/service3.htm.

4.4.3 PAYS-BAS Réglementation En 1995, le concept de « norme d’efficacité énergétique» (Energie Prestatie Advies, EPN) a été introduit aux Pays-Bas, pour le logement et les bâtiments de services. L'EPN permet le calcul de la demande globale d'énergie d'un nouveau bâtiment et comprend une méthode normalisée pour le calcul d'un "coefficient d'exécution d'énergie" (EPC). L'EPC est une valeur théorique d'énergie primaire, tenant compte de la taille et du type du bâtiment et des mesures d’économie d'énergie. Il ne se concentre pas sur la qualité de différents composants. La raison derrière ceci était de réduire au minimum les coûts et de maximiser le potentiel économie d'énergie. Des aspects spécifiques de style de vie ne sont pas pris en considération dans les calculs. En 1995, quand la norme de rendement d'énergie a été présentée, la norme pour des logements était 1.4. En 1998 et 2000 la norme est devenue plus stricte (EPN=1.2 en 1998 et EPN=1.0 en 2000). Depuis janvier 2006 la norme pour des logements est EPN=0.8. Dans le secteur des services, il y a différentes normes pour différents types de bâtiments. L'EPN pour le secteur non résidentiel est devenu plus strict seulement en 2000. Dans la pratique les différences existent entre l’économie d'énergie calculée et réalisée. Les municipalités ont la charge de vérifier la conformité. Le recours à un stockage saisonnier en hiver est une technologie qui est considérée dans l'EPN pour des bâtiments dans le secteur des services. Le refroidissement par stockage saisonnier (nappe aquifère) est considéré comme partie de l'EPN pour les secteurs de service et résidentiel. En outre une combinaison ballon et pompe à chaleur est acceptée [http://www.Senternovem.nl]. Financement En 2000, les aides atteignaient 450 € pour un CESI et 700 € si plus de 3 GJ/an. Ce n’était pas beaucoup. Et dès 2003 les aides ont été arrêtées. On a vu l’effet désastreux sur le marché !

4.4.4 AUTRICHE Il n’y a pas d’aide fédérale direct pour les immeubles résidentiels. Les aides pour le solaire sont fournies via les aides conventionnelles pour l’habitat dans chacune des provinces, et donc de manière différente entre provinces. En outre, les aides sont différentes entre les villas et les immeubles d’habitation, et entre les rénovations et les constructions neuves. Un système solaire combiné de 8 m² pour un coût d’environ 4 650 € peut recevoir entre 6 et 36 % d’aide (en moyenne 25 %). Ce n’est donc pas la motivation principale du choix solaire, mais "ça aide" ! Certaines municipalités octroient également des aides pour le solaire individuel. Par exemple, Salzbourg offre des conditions avantageuses qui font que la plupart des constructions neuves en immeuble collectif ont du solaire (système de points écologiques). Avec ce système, de 1994 à 2002, la part du solaire dans les immeubles collectifs est passée de 9 à 65 % et la part du chauffage à bois est passée de 10 à 62 %. Le U moyen des bâtiments est passé de 0.43 à 0.32 W/m2 K. Pourtant l’aide solaire pour 7 à 10 m2 n’est que de 40 €/m2, soit 400 € pour un système solaire combiné de 10 m2, et l’installation solaire doit prouver qu’elle peut produire 350 kWh/m2 au minimum. Les sociétés commerciales peuvent obtenir une aide fédérale de l’ordre de 30 %, depuis des années.

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5. ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS DANS LE PAYS CONCERNE Une évaluation des SSC in situ par des organismes indépendants n’a pas encore été faite de manière systématique dans tous les pays. Les évaluations de la Tâche IEA SHC 26 sont les plus abouties pour le moment. En Suisse, des tests de systèmes solaires combinés ont été faits au banc en ensoleillement artificiel, et plusieurs ont été mesurés in situ dans des projets de recherche appliquée. En Allemagne et en Autriche, des mesures ont été faites sur plusieurs installations. En France, des suivis ont été réalisés de 2003 à 2006 sur 29 SSC dans le cadre du programme national d’évaluation des SSC piloté par l’Ademe.

5.1 LES PERFORMANCES 5.1.1 ENERGIE L'évaluation sur site de systèmes solaires combinés est aisée car les limites du système sont maîtrisées mais une instrumentation d’en général 24 mois est coûteuse. Globalement on peut dire que la productivité d’un système solaire combiné est de 200 à 400 kWh/m2 selon le climat et le dimensionnement (qui fixe la part solaire visée). Plus celle-ci est élevée plus faible est la productivité bien entendu. L’efficacité moyenne annuelle du captage est de l’ordre de 30 à 40 %, et l’efficacité du stockage est de l’ordre de 80 % (20 % de pertes thermiques), ce qui pourrait être amélioré compte tenu du fait que les durées de stockage sont relativement faibles (1 à 5 jours). Les principales améliorations possibles en terme de performances énergétiques sont donc : - meilleurs capteurs solaires : le gain sera cependant marginal par rapport aux capteurs actuels qui sont très bons pour la gamme de température nécessaire (1 à 2 points de fraction solaire, mais à un coût qui peut être important), - moins de pertes thermiques du stockage : gain potentiel moyen (1 à 3 points de fraction solaire), - meilleure régulation voire régulation optimale (au sens mathématique) : gain potentiel important (3 à 10 points de fraction solaire !), - meilleure gestion de l’appoint (liée au point précédent) et moins de cycles d’enclenchement/déclenchement (lié à la qualité du stockage et du transfert de chaleur) : le gain potentiel peut être très important (notamment en été) en termes d’énergie d’appoint économisée, - affichage des performances simple pour l’utilisateur (un simple compteur d’heures sur la pompe du circuit solaire serait déjà un bonheur !), - détection de pannes et alertes automatiques. Rappelons que la fraction solaire, pour être correcte, doit être définie par [5] : Fsol = 1 - Énergie auxiliaire/Demande totale Mais en fonctionnement réel, l'efficacité du système dans son ensemble va dépendre de plusieurs autres aspects : • les vacances des usagers, • les réglages des consignes par l’usager lui-même, qui ne comprend pas toujours tout de son installation, • la fréquence des "visites" ou contacts du fournisseur, • la présence d’une télémétrie et d’un contrat de suivi avec le fournisseur, • la dérive de sondes de température utilisées pour la régulation.

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5.1.2 CONFORT THERMIQUE ET ACOUSTIQUE Le confort thermique est assuré si l’installation est correctement mise en œuvre puisque elle a été conçue pour assurer un tel confort en toute situation. La puissance installée de l’appoint couvre à elle seule les besoins, le solaire venant diminuer la consommation annuelle d’énergie à "importer" dans le système. Un inconfort acoustique n’a pas été rapporté dans la littérature technique, le seul élément pouvant créer un bruit "nouveau" étant la pompe solaire, qui est de faible puissance (30 à 100 W), et souvent en "low flow" (débit faible de 10 à 20 l/h m2).

5.1.3 SANITAIRE Les systèmes solaires combinés préparent de l’eau chaude sanitaire et sont donc sujets aux problèmes connus des installations sanitaires, soit à l’heure actuelle, les risques de développement de légionnelles. Très peu de cas ont été rapportés de manière précise dans la littérature et des études complètes manquent ! Notons que la recherche de la bactérie est plus systématique qu’auparavant et que de ce fait le nombre de cas tend à augmenter (observation en Suisse pour 2003 : 2,3 cas pour 100 000 habitants, supérieur à la moyenne européenne). Le taux de mortalité tend à diminuer (de 10 à 5 % des cas) par dépistage plus tôt et traitements nouveaux. Une étude interne de la Tâche 32 de l’IEA a fait le point sur la situation dans les pays participants au travail [http://www.iea-shc.org Task 32]. La principale conclusion est que les SSC ne présentent aucun risque supplémentaire par rapport à une installation de préparation d’eau chaude sanitaire classique. Les risques sont en effet plus importants dans les installations qui tendent à produire des aérosols entre 20 et 60 °C. Le risque pour les installations solaires est : - a priori plus grand en hiver qu’en été, alors que les cas de légionellose sont plus fréquents en été lors des jours chauds et humides, - plus grand dans le haut du ballon ou plus exactement de la partie eau chaude sanitaire du système solaire combiné que dans le bas. Une fois par été au moins la partie eau chaude sanitaire d’un ballon solaire atteint 80 °C ou 90 °C et est ainsi totalement débarrassée de bactéries. Ceci peut se reproduire aussi durant toute période suffisamment ensoleillée. En Allemagne et en France les plus grands systèmes (plus de 400 l d’eau chaude sanitaire et avec plus de 3 l dans les conduites) sont soumis à la règle qui veut que l’eau délivrée soit chauffée à 60 °C au moins une fois dans une journée. Notons qu’une étude suisse a montré que le chauffage du ballon ne suffit pas, les bactéries pouvant être présentes dans les conduites. Ce qui impose pour les grands systèmes un bouclage.

5.1.4 RISQUES DE DEGRADATION DES PERFORMANCES APRES MISE EN ŒUVRE Le risque de dégradation des performances thermiques des systèmes solaires combinés est lié à : • La durabilité des capteurs eux-mêmes ; • La fréquence et la durée des surchauffes ; • L’encrassement des échangeurs de chaleur, notamment dans un environnement d’eau calcaire ; • L’encrassement des systèmes d’aide à la stratification dans le ballon lorsqu’il y en a (clapets ou autres systèmes) ; • La corrosion d’armatures, de tuyaux ou du ballon ; • La dérive des sondes de la régulation ; • La déprogrammation de la régulation ; • Le gel dans une installation à antigel insuffisant et avec un remplissage avec de l’eau du réseau (sans mélange) fait en été lorsque la pression était jugée trop faible ; • Le gel dans un système drain-back, dû par exemple à un coude ou une pente insuffisante pour la vidange !

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De plus, une absence de contrôle fréquent du taux de glycol dans le circuit solaire peut conduire à une dégradation prématurée du circuit solaire par gel. Les systèmes drain-back sont très fiables, et souvent n’ont nécessité aucun remplissage complémentaire en 15 ans !

5.2 LES COUTS REELS 5.2.1 COUT INITIAL - INVESTISSEMENT Les coûts des composants (c’est-à-dire hors installation) des systèmes solaires combinés varient très largement selon les pays de 200 à 1800 € par m2 de capteurs et relativement peu selon la taille de l’installation, preuve de la non consolidation du marché solaire thermique européen. La valeur la plus basse, de 200 €/m2, concerne un système de 14 m2 en Italie, et doit manifestement être considéré comme une exception. La valeur inférieure la plus réaliste est de 400 €/m2 hors installation pour le matériel d’un SSC. Il faut aussi relever que la référence en m2 de capteurs est la meilleure que nous ayons mais ne dit rien quant à la qualité et aux performances de ces m2 ! La France se situe dans le milieu du peloton avec l’Autriche. L’Allemagne et la Suisse (non figurée dans le graphique) sont plus chères, la Suède et le Danemark notablement moins chers. En règle moyenne, les capteurs représentent 40 à 50 % du coût total des composants et le stockage 25 à 35 %. Une tendance à la réduction de coût spécifique par effet de taille existe néanmoins, d’environ 1 200 €/m2 pour une installation de 6 m2 pour eau chaude sanitaire à 600 €/m2 pour un système solaire combiné de 20 à 25 m2. Pour un SSC de dimensionnement adapté au marché français (12 m2, 1000 l), on peut estimer qu’un prix médian serait 9 000 € HT pour le matériel, sans considérer la distribution (par exemple le chauffage de sol dans le cas d’un PSD). L’installation dure en général 2 à 3 jours, pour un coût avec marges de l’ordre de 2 000 € HT. L’investissement total serait donc de l’ordre de 11 000 € HT pour un système complet, permettant de produire environ 4 000 kWh solaire utile par an (330 kWh/m2 an). Dans une maison relativement bien isolée, avec des besoins de chauffage de 80 kWh/m2 soit pour 200 m2 de surface chauffée de l’ordre de 16 000 kWh par an, ce SSC permettrait d’assurer environ 25 % des besoins totaux. Dans une maison type Minergie (42 kWh/m2), le taux de couverture serait de 50 % en climat moyen, et largement plus dans le Sud de la France, où la barrière des 50 % solaire peut être plus aisément dépassée (double effet : plus de soleil, demande par m2 moins élevée).

5.2.2 COUT OPERATIONNEL - EXPLOITATION - MAINTENANCE Les coûts opérationnels sont : 1. Les coûts liés à la consommation d’appoint (électricité, gaz, fioul, bois, charbon dans le futur dans certains pays…). 2. Les coûts liés à la consommation de l'électricité des auxiliaires (pompes essentiellement). 3. Les coûts liés à l’entretien de la partie solaire (visites, remplissage de glycol). 4. Les coûts liés à une éventuelle surveillance à distance, parfois supportée par le fournisseur pour ses propres évaluations (hors l’installation d’un raccordement téléphonique), mais à long terme il ne faut sans doute pas compter que ce service soit totalement offert. 5. Les coûts d’entretien de la partie "appoint" (ramonage, nettoyage de coupelles ou gicleur, révision de citernes, etc..), cette dernière n’étant pas différente d’une installation traditionnelle. En admettant un investissement de 13 000 € TTC pour une production utile de 4 000 kWh/an, avec une annuité de 10 % incluant intérêt (4 %), amortissement (5 % soit 20 ans) et entretien (1 %, voir plus bas), le coût du kWh produit est de l’ordre de 32 cts €. Ce qui est assez élevé et bien évidemment ce coût est plus faible dans le climat du Sud de la France. Ne sont pas considérés les coûts de renouvellement de certaines parties telles les pompes et éventuellement une sonde. Si on tient compte d’un crédit d’impôt de 50 % sur le matériel, l’investissement à la charge du propriétaire est de 7 700 €, et le coût final passe à 19 cts €/kWh dans un climat moyen de la France.

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On peut estimer que les coûts liés à l’entretien de la partie solaire représentent environ 150 €/an et ceux liés aux auxiliaires de chauffage à environ 30 €/an. Le reste des coûts est lié à la partie plus conventionnelle que le propriétaire aurait de toute façon à payer. Les coûts d’entretien sont donc de l’ordre de 180 € /an soit environ 1 à 2 % de l’investissement.

5.2.3 LE VECU DES UTILISATEURS La standardisation joue un rôle essentiel dans la facilité et la qualité d’une mise en service, et la conscience professionnelle de l’installateur fait le reste. Il n’y a pas eu à notre connaissance une enquête "utilisateurs de systèmes solaires combinés" dans aucun pays. Certains projets EU ont abordé la question, mais pas totalement. Notre expérience est que la mise en service est déterminante pour le bon fonctionnement de l’installation et donc la satisfaction des utilisateurs : elle doit être telle que le système fonctionne correctement ! A l’exploitation, les systèmes drain-back (Pays-Bas) peuvent être perçus comme bruyants, le matin au remplissage et en fin d’après-midi lors de la vidange des capteurs. Il faut noter que les systèmes solaires combinés dans des maisons existantes à distribution à température élevée (plus de 50 °C) ont des performances en mode chauffage médiocres dans les climats sans soleil hivernal. Les maisons neuves, passives ou Minergie, à basse température de distribution, sont plus favorables à cette technique, même si en mi-saison lorsque le soleil est favorable aux systèmes solaires combinés, les apports passifs sont importants et concurrencent le système solaire combiné.

5.3 VITESSE DE DIFFUSION DANS LE PAYS 5.3.1 ALLEMAGNE Les systèmes solaires combinés sont vendus comme tels depuis 1997. La part de marché du système solaire combiné est depuis en augmentation constante. Un client convaincu du solaire pour l’eau chaude peut plus aisément être convaincu de faire "un peu" de chauffage aussi, à un coût qui peut apparaître marginal. Cependant il faut noter que passer d’un CESI 6 m2 à un système solaire combiné de 12 m2 ne double pas la performance mais double le coût. Surtout dans les climats du Nord de l’Europe où le stockage est le maillon faible, le soleil étant pratiquement invisible de décembre à février.

5.3.2 SUISSE La vitesse de diffusion est relativement faible entre 2000 et 2005, mais le nom "systèmes solaires combinés" voire le concept n’était ni totalement arrêté ni promu ! Depuis 2006, on observe une accélération pour des raisons connues (à-coup sur les prix du pétrole, prise de conscience ?), dont on ne sait si elles vont perdurer.

5.3.3 AUTRICHE L’Autriche a été le pays où la vitesse de diffusion a été la plus rapide. Les chiffres et les conditions ont été analysés précédemment, et le climat froid et ensoleillé des zones alpines est favorable pour les performances hivernales de systèmes solaires combinés dimensionnés largement (ballon de 100 l/m2).

5.3.4 PAYS-BAS Sans aide depuis 2003, le marché du solaire thermique aux Pays-Bas est atone. En outre, les performances des SSC hollandais, de dimensionnement très faible, sont faibles pour la part "chauffage". Les chauffe-eau solaires sont donc de performance comparable, tant que la surface de capteurs n’est pas augmentée (plus de 4 m2 !), et surtout tant qu’un stockage plus grand ou plus dense ne peut être installé ou proposé. Les systèmes solaires combinés hollandais ne sont cependant pas tellement plus compliqués qu’un chauffeeau du fait du choix du gaz comme appoint et ce dans un système très compact.

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5.3.5 ACTIONS DE DIFFUSION Autriche : • Les subventions ont été les meilleurs vecteurs de la diffusion car les médias relaient rapidement et largement ce type d’information ! • Des installations pilotes ont été instrumentées, documentées et présentées. • De nombreuses conférences techniques à 100-120 participants de la profession sont organisées en liaison avec les organisations professionnelles, dans des lieux pratiques et centraux tel les chambres de commerce des grandes villes. • Une revue, plutôt grand public, mais à caractère technique, dédiée au solaire réalisée avec l’aide de moyens publics par AEE Intec (les spécialistes du solaire en Autriche) a été créée et largement diffusée. Des cours ont été organisés pour les installateurs. • Plaquettes techniques et Sites Internet documentés, méthode usuelle de promotion mais qui est un support d’argument plus qu’un argument. • AEE intec a créé dans sa "petite" ville de Gleisdorf à 30 km de Graz en Styrie, un point focal annuel depuis 8 ans pour les spécialistes du solaire thermique de langue allemande, qui rassemble 100 à 150 participants et connaît un renom régional et international important. • Les garanties de résultats solaires n’ont pas été acceptées par la profession malgré des tentatives diverses de personnes clés en Autriche. Suisse : • Des installations dites "pilotes et démonstrations" ont été financées à hauteur de 30 % des surcoûts, et instrumentées durant 2 ans pour servir de base à la validation de modèles (TRNSYS et Polysun). Les installations ont été documentées soit sur une page soit sur des sites Internet (www.solarch.ch) et présentées à diverses occasions à la profession. • Une sorte de concours "Kombi-Kompakt+" a été financée par l’OFEN et réalisé au centre de recherches SPF. Les résultats concernant 15 systèmes sur le marché ont été promus par le SPF de manière anonyme vers la presse et les offices régionaux de l’énergie (1 office de l’énergie par canton qui reçoit beaucoup de demandes des particuliers concernant l’énergie et qui n’est pas nécessairement bien informé sur les systèmes solaires combinés). • Les participants à ce concours utilisent les résultats qui les concernent de manière non anonyme : ils ont reçu un document de 10 pages élaboré par le SPF et montrant leurs résultats comparés à tous les autres qui eux restent anonymes. • Les fournisseurs de systèmes sont présents dans toutes les expositions grand public (le plus efficace !). • Certains fournisseurs de systèmes sont aussi installateurs de leur produit. • Les garanties de résultats solaires n’ont pas été acceptées par la profession malgré des tentatives diverses. Allemagne : • Les tests du journal des consommateurs "Stifftung Warentest" ont été très utiles pour donner une crédibilité grand public aux systèmes solaires combinés. • Les foires solaires d’ampleur nationales et désormais européennes (Intersolar notamment) dans lesquelles la profession est très présente commercialement et techniquement pour convaincre. • Les séminaires OTTI de très haut niveau technique et scientifique rassemblent chercheurs et industriels solaires de langue allemande depuis plus de 10 ans. • Les études fréquentes sur les emplois créés par les énergies renouvelables qui diffusent le message que ces technologies propres sont favorables à l’emploi des travailleurs !

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6. ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRE DIMENSIONS ETUDIEES 6.1 POINTS FORTS, POINTS FAIBLES DE L'INNOVATION (METHODE SWOT) 6.1.1 S : STRENGTH - FORCES Une solution complète : contrairement aux chauffe-eau solaires qui n’assurent que la fonction ECS, les SSC permettent à la fois de produire l’ECS et le chauffage de la maison voire dans un futur proche (des projets de démonstration sont en cours) la climatisation si l’on couple le SSC à une machine à absorption. Du point de vue de l’industriel et de l’installateur, cette solution permet de générer un chiffre d’affaire (et des marges) plus importantes ce qui explique en partie la diversification de l’offre industrielle. Un potentiel d’économie d’énergie important : les suivis réalisés de 2003 à 2006 sur 29 SSC dans le cadre du programme national d’évaluation des SSC piloté par l’Ademe ont montré que ces systèmes pouvaient économiser en énergie finale entre 230 et 350 kWh/an par m2 de surface de capteur solaire ce qui représente entre 25 % et 40 % des consommations de chaleur (ECS et chauffage) d’une maison. Une technologie maîtrisée : une société comme CLIPSOL, leader sur le marché français avec 25 000 m2 de capteurs solaires installés, a plus de 25 ans d’expérience dans le domaine des SCC. Les autres sociétés présentes sur le marché français sont pour la plupart des sociétés ayant une forte notoriété dans le domaine du génie climatique (BUDERUS, VIESSMAN, DE DIETRICH, …) ce qui est un gage de maîtrise de cette technologie. Une technologie applicable partout : les SSC sont aussi efficaces dans le Nord de la France (où le gisement solaire est plus faible mais où la récupération des apports solaires est meilleure) que dans le Sud. Encadrée par des textes réglementaires : la RT2005 prévoie explicitement les SSC dans le calcul de la consommation énergétique des bâtiments ce qui permet de valoriser ces systèmes dans les bâtiments neufs. Une norme de calcul européenne similaire est en préparation pour répondre aux recommandations de la DPEB. Une forte acceptation sociale : les acquéreurs de SSC sont généralement fiers de leur installation solaire qu’ils n’hésitent pas à faire visiter. En Allemagne c’est en grande partie par un effet d’image que le marché du solaire thermique s’est développé.

6.1.2 W : WEAKNESS : FAIBLESSES Une solution partiellement solaire : dans la plupart des cas, un appoint est nécessaire pour palier au caractère intermittent de l’énergie solaire. L’acquéreur du SSC se trouvera donc en possession d’une installation solaire …et d’une installation classique de production de chaleur, généralement une chaudière. Une technologie encore chère : le surcoût d’une solution SSC par rapport à des installations classiques (dû en partie à la nécessité d’avoir un appoint) reste encore élevé malgré l’importance des aides publiques (directe et indirecte). Une offre qui se cherche : les catalogues des fabricants proposent encore trop souvent de nombreuses configurations de schémas hydrauliques, sensées couvrir l’ensemble de la demande des ménages en France et en Europe, quand 1 ou 2 configurations suffiraient amplement et permettraient d’éviter les erreurs d’installations et de mise en œuvre. Des performances encore perfectibles : un SSC bien conçu, bien installé, bien réglé et correctement dimensionné, économise annuellement au minimum 350 kWh en énergie d’appoint par m2 de capteur solaire (soit à peu près 5000 kWh par an pour une maison de 100 m2 habitable). Malheureusement les suivis réalisés dans le cadre du programme national d’évaluation des SSC ont montré des performances sensiblement inférieures dans un grand nombre de cas ce qui traduit à la fois des problèmes de conception, d’installation et de réglage de ces systèmes. Un marché segmenté : les SSC sont plus adaptés au marché du neuf que de l’existant. C’est bien sur le cas du PSD (CLIPSOL) qui utilise un plancher chauffant comme dispositif de stockage de chaleur mais aussi des autres systèmes lorsque le réseau de distribution et d’émission de chaleur est initialement conçu pour fonctionner à des températures élevées (> à 50 °C) ce qui ne permet pas de valoriser l’énergie solaire. Les SSC sont également mieux adaptés à la maison individuelle qu’à l’habitat collectif.

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Un environnement normatif à créer : il n’existe pas pour l’instant d’Avis Technique, de certification voire même de méthode normalisée pour évaluer la performance énergétique des SSC. Des normes européennes (EN 12977) sont en préparation mais il faudra au moins 2 ans avant qu’elles entrent en vigueur.

6.1.3 O : OPPORTUNITIES - OPPORTUNITES Un contexte énergétique très favorable : la diminution progressive des énergies fossiles et l’augmentation du prix de ces énergies qui en découle, les effets annoncés du réchauffement climatique (le 4ème rapport du GIES est particulièrement alarmiste sur les effets induits) tout cela renforce l’idée que le recours aux énergies renouvelables est non seulement souhaitable mais aussi incontournable. Des incitations financières attractives : crédit d’impôt porté à 50 %, aides directes attribuées par les conseils régionaux, conseils généraux, communes, ANAH, le tout pouvant représenter jusqu’à 80 % du montant total de l’investissement, contribue à rendre l’offre solaire et donc les SSC particulièrement attractive. Évidemment la pérennité de ces aides financières n’est pas garantie mais l’effet levier qu’elles induisent sur la demande est indiscutable. Des dispositifs réglementaires sur mesure : labels haute performance énergétique Énergies Renouvelables, "HPE EnR 2005", très haute performance énergétique Énergies Renouvelables, "THPE EnR 2005", projet d’arrêté sur le dépassement du COS, autant de mesures réglementaires qui valorisent l’usage des technologies basées sur l’énergie solaire thermique. Une directive européenne contraignante : bien que la Commission Européenne ait renoncé momentanément à promulguer une directive sur l’énergie thermique d’origine renouvelable, un projet de loi est en préparation qui fixerait la part des sources d’énergie renouvelables dans le bouquet énergétique de l’UE à 20 % d’ici à 2020. Vers des bâtiments à énergie positive : pour atteindre l’objectif de réduction par 4 des consommations d’énergie dans les bâtiments contenu dans le Plan Climat il est primordial mais pas suffisant d’améliorer la performance énergétique de l’enveloppe. Il faut également agir sur les systèmes énergétiques et les SSC qui permettent d’économiser jusqu’à 40 % d’énergie finale sont une bonne solution.

6.1.4 T : THREATS - MENACES Des mécanismes d’aides discontinus : lorsqu’en 1984 les pouvoirs publics français cessèrent de subventionner les installations solaires thermiques, les ventes s’écroulèrent. On peut penser que la situation en 2007 est beaucoup plus saine car elle s’appuie sur des fondamentaux tels que la fin programmée des ressources énergétiques fossiles. Cependant, une baisse significative des aides directes ou indirectes aurait certainement un impact très sensible sur les ventes de SSC. Une technologie fortement concurrencée : quand la contribution solaire d’un SSC peut représenter 40 % des consommations de chauffage d’une maison, une PAC en couvre 100 % dont plus des 2/3 sont d’origine renouvelable et cela pour un coût d’investissement bien plus faible. Et la plupart des PAC sont réversibles ! Le développement du marché des SSC est fortement influencé par celui des PAC. Par ailleurs, investir dans un SSC est économiquement moins avantageux pour les ménages que d’autres systèmes comme le bois énergie qui représentent une concurrence sérieuse dans la gamme des alternatives aux énergies fossiles. Une fiabilité sous réserve : en période estivale la surface disponible de capteur solaire est surdimensionnée par rapport aux besoins qui se limitent à la production d’ECS. Les composants du SSC sont alors soumis à des températures très importantes (jusqu’à 150 °C pour des capteurs plans) qui peuvent sur le long terme engendrer des problèmes de fiabilité et donc des contre-références. Une attitude souvent attentiste : en France, la conscience environnementale de la population est bien moins développée que celle des pays d’Europe du Nord. L’acquisition d’un SSC relève souvent d’une démarche personnelle ce qui limite forcément le marché à une frange de la population déjà convaincue par les bienfaits de l’énergie solaire. Le reste de la population, sans être pour autant hostile à cette technologie, adopte souvent une attitude attentiste.

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6.2 POINTS SINGULIERS AU CONTEXTE DU PAYS Le marché des SSC se développe en Europe essentiellement dans les pays où les besoins de chauffage sont importants (Suisse, Autriche, Allemagne, Scandinavie …). En France, c’est principalement dans la région Rhône Alpes (présence de CLIPSOL) et dans l’Est de la France que l’on observe le maximum de SSC installés. Il a été à plusieurs fois mentionné que du soin porté à la mise en œuvre de l’installation dépendait grandement les résultats en terme de performance. L’effort de formation des installateurs sur les systèmes solaires est donc indispensable. Cet effort a été entrepris en Autriche et en Allemagne il y a déjà plus de 15 ans ce qui explique le succès des SSC dans ces pays. En France, cet effort démarre tout juste ce qui peut se révéler dangereux dans le cadre d’un marché qui explose.

7. ETAPE 6 : CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE Notons en préambule le paradoxe suivant : ce rapport traite d’une innovation (les SSC) alors même que cette technologie existe en France depuis plus de 20 ans et que l’un des rares industriels français présent dans le domaine du solaire thermique (CLIPSOL) commercialise ce qui est certainement l’un des systèmes les plus aboutis d’un point de vue technologique (le PSD). Pourquoi donc parler d’innovation ? Tout simplement parce que le marché des SSC reste encore en France à l’état embryonnaire malgré une emballée des ventes observée depuis 3 ans (estimation 2006 : plus de 4 000 SSC vendus en France). Ceci étant l’impulsion semble donnée comme en témoigne le nombre de fabricants ou de revendeurs de SSC en France qui est passé de 5 en 2001 à 25 en 2006.

Figure 7.1 - Évolution du marché des SSC en France [source Enerplan]

7.1 LES CHANCES DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE Le développement des SSC en France est très étroitement lié à celui des EnR. Les contextes politique, économique et médiatique étant très favorables, on peut s’attendre à un développement important de ce marché dans les années à venir. Pour autant, il est très peu probable que le SSC s’impose comme solution de référence pour le chauffage de l’habitat car il s’appuie sur le vecteur eau et toutes les projections sur l’habitat de demain mettent plutôt en avant le vecteur air comme axe de progrès.

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Le tableau suivant tente de recenser méthodiquement les axes de la transposition et les points à renforcer :

Thématique

Objet Architectes BET

Compétences

Installateurs EIE Industriels du solaire Grossistes - distributeurs de matériel Incitations

Réglementaire Facilitation

Opinion publique

Obligations Compréhension des enjeux Préparation au solaire Culture et acceptation

Politique

Partis politiques Distributeurs d’énergie Maisons individuelles

Typologie des bâtiments

Habitat collectif Chauffage à distance Locaux (existence, disponibilité)

Produits solaires (SSC)

Financement

Importés Exportés Aides nationales Aides locales Prêts bonifiés Privé individuel

Conditions de marché

Privé immobilier Public

Certification et qualité

Existence de structures de tests Existence de procédures officielles d’évaluation Conseil aux industriels

Point faible en France ? Clairement oui mais peu de bâtiments sont le fait d’architectes ! Pas assez de BE compétent en matière de solaire Oui, nettement mais un effort de formation est en cours Pas assez de compétence dans les EIE Non Pas encore fréquent en France Faible jusqu’à présent mais des projets vont voir le jour (labels, droit à construire …) Faible, l’échelon régional commence à s’organiser Inexistantes Bonne Médiocre Faible, la principale motivation reste encore le coût Oui, pacte écologique de N Hulot Tendance positive (EDF , GDF) Bonne condition car le marché de la maison individuelle est très important en France Très faible pour la plupart des régions sauf exceptions Aucune culture solaire, mais peu de réseaux en France CLIPSOL essentiellement Très forte présence des fabricants européens sur le marché français Très faible Bonnes depuis crédit d’impôt Disparates Très peu répandus et connus L’installateur est déterminant en rénovation. Le constructeur en neuf, et ils ne sont pas bien informés Les promoteurs ne sont pas informés des SSC en tant que produit standard fiable Pas assez d’exemples réalisés par les collectivités et médiatisés Oui (CSTB) Non, en cours de développement A développer

Tableau 7.1 - Axes d’une transposition en France des bonnes expériences des pays analysés

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7.2 COMPATIBILITE AVEC LE CADRE REGLEMENTAIRE ET NORMATIF FRANÇAIS En France le recours aux EnR et pour ce qui nous concerne aux SSC n’a aucun caractère obligatoire. La méthode de calcul Th-C-E (Arrêté du 19 juillet 2006) fait explicitement référence aux SSC (§ 18) ce qui permet de valoriser cette technologie dans la construction neuve. Un certains nombres d’autres textes réglementaires sont en cours de préparation (Labels Haute Performance Énergétique Énergies Renouvelables, "HPE EnR 2005", très haute performance énergétique Énergies Renouvelables, "THPE EnR 2005", projet d’arrêté sur le dépassement du COS) qui devraient encore plus encourager le développement du marché des SSC surtout en habitat individuel. Le Plan Local d’Urbanisme (PLU), qui remplace le Plan d’Occupation des Sols (POS) précise, selon la zone géographique concernée, les contraintes de pose de capteurs solaires, et peut aller jusqu’à leur interdiction. Si le solaire n’est pas mentionné, on doit se conformer aux prescriptions générales concernant le bâti, comme la composition de la toiture, sa pente, sa couleur, etc. Par exemple, le PLU peut imposer une pente en toiture maximale de 30 %, ce qui peut être une contrainte à la pose de capteurs pour un système solaire combiné. Toute intervention envisagée à l’intérieur d’un périmètre de protection de 500 mètres de rayon autour des monuments historiques, toutes les modifications de l’aspect extérieur des immeubles, les constructions neuves, mais aussi les interventions sur les espaces extérieurs doivent recevoir l’autorisation de l’Architecte des Bâtiments de France (ABF). La notion de covisibilité avec le monument est ici déterminante ; il s’agit donc pour l’ABF de déterminer si les capteurs solaires et le monument sont visibles ensemble d’un point quelconque, ou l’un depuis l’autre. Certains abords de monuments sont protégés par d’autres types de mesures (ZPPAUP et secteurs sauvegardés) qui se substituent dans le premier cas, et se superposent dans le second, à la servitude des 500 mètres. inscrit ou classé, aux abords d’un monument historique ou dans une ZPPAUP, celui-ci doit être obligatoirement validé par les SDAP (Services Départementaux de l’Architecture et du Patrimoine - Architectes des Bâtiments de France ABF). Dans le cas d’un projet de construction neuve, le dossier de permis de construire doit mentionner l’emplacement et la surface des capteurs solaires. S’il s’agit d’une construction existante, c’est le régime de la déclaration de travaux qui s’applique.

7.3 QUELLE DYNAMIQUE D'ACTEURS NECESSAIRE Pour assurer le succès du développement des SSC en France, il est important examiner tous les acteurs de la filière du solaire et de comprendre comment ils peuvent travailler ensemble. Former des acteurs compétents La première nécessité est la professionnalisation de ces acteurs. De la qualité de leur formation dépendra le devenir de la filière solaire. Cette formation peut prendre plusieurs formes et se dérouler à l’initiative d’acteurs différents. - Le retard de l’éducation nationale : Un premier constat conduit à signaler le retard de l’éducation nationale dans la prise en compte des techniques solaires dans les formations aux métiers de base. Les CFA (Centre de Formation des Apprentis) assurent la formation initiales aux métiers de base susceptibles de développer le solaire (plombier-chauffagiste, d’électricien, couvreur ou maçon), les formations dispensées restent néanmoins cantonnées dans une approche très traditionnelle de ces métiers. La question du solaire et du solaire thermique n’est jamais abordée. L’impossibilité de transformer ou d’adapter le contenu des programmes à une réalité professionnelle qui fait de plus en plus de place aux énergies solaires est un frein dommageable à leur développement. L’Education Nationale doit devenir le moteur d’un changement d’état d’esprit parmi les futurs installateurs en développant une action favorable au solaire. Seule sa participation à la création de l’INES donne du réalisme à l’implication de l’éducation Nationale dans la formation aux métiers liés à l’énergie solaire. Cependant les objectifs de formation que l’institut est susceptible de proposer à travers sa plateforme « éducation » restent modestes. Pour l’instant, l’INES rend visible l’offre de formation disponible en solaire thermique sur tout le territoire français et en Europe. L’institut organise des stages de très courtes durée dans le domaine du thermique et du photovoltaïque. Le fait que l’INES soit installé sur le même site que les compagnons du solaire ou de fabricants comme CLIPSOL laisse présager la possibilité d’associations fructueuses sur certains modules de formation.

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La formation des installateurs solaire thermique reste globalement liée à des initiatives privées. Les possibilités de formation relèvent de trois ordres qui correspondent pour les professionnels à des démarches différentes qui ne débouchent pas sur le même niveau de compétence ni de certification en sortie de formation. - La formation continue : Les formations longues sont à la fois récentes et peu nombreuses. La plus réputée est dispensée par les compagnons du solaire. Elle concerne le solaire thermique et le solaire photovoltaïque. Elle conduit à l’obtention d’un Certificat de Qualification Professionnelle (CQP) d’installateur/mainteneur en système solaire thermique et photovoltaïque. Il s’agit là d’un équivalent Niveau IV et bac professionnel. La formation, très complète, est conçue en quatre cycles sur huit mois embrassant l’ensemble du domaine du solaire thermique et du solaire photovoltaïque. Le module le plus conséquent porte sur les systèmes solaires combinés et se situe en fin de formation. Les GRETA se sont également lancés dans des formations pour adulte de niveau CAP/BEP incluant la question du solaire thermique. Ils sont néanmoins au début d’un parcours qui demande encore à se développer. La rareté de ces formations montre qu’il est plus que nécessaire de les impulser au niveau national. - Les cycles courts : Certains organismes de formation proposent des cycles thématiques dans le domaine du solaire. L’objectif est le perfectionnement et de créer des sessions de formation plus souples. L’association les compagnons du solaire permet aux professionnels, en fonction de leurs besoins et de leur niveau, d’accéder directement au module « système solaire combiné » pour une durée de formation d’un peu plus de deux mois. Ce type de formation ne saurait être dispensée ailleurs que dans des écoles de formation assurant par ailleurs une formation complète et globale en solaire. La nécessité d’évaluer le niveau de pré-requis du candidat est fondamentale comme ses dispositions à avoir un projet professionnel où le solaire tient une place importante. - Formation Qualisol : il s’agit d’une formation courte qui a pour visée de familiariser les artisans avec les techniques du solaire. La formation dite Qualisol a été conçue en 1999 pour impulser efficacement l’essor du solaire en France. Le résultat est assez éloigné des premières attentes. D’une durée maximum de trois jours, ces formations dispensent des connaissances de base sur le marché du solaire et sur la pose d’un chauffe-eau jusqu’à sa maintenance. - Le temps passé en formation : Afin de promouvoir le solaire thermique une autre piste doit consister à multiplier et à faciliter les formations longues qui assurent une compétence réelle aux installateurs. Le coût de la formation peut être dissuasif. Ils semblent plus facile à mobiliser pour les sans emplois via l’ANPE, les Assedic, ou les missions locales. Pour les salariés en revanche, les procédures méritent d’être améliorées. Une formation continue avec une aide financière à la clé repose sur la volonté d’un employeur d’y souscrire pour son salarié. Dans le meilleur des cas, ce dernier obtiendra une aide à la formation tout en devant se passer pendant un certain temps de quelqu’un qu’il a décidé de faire accéder à un niveau supérieur de qualification dans l’entreprise parce qu’il était compétent. Par ailleurs, rien ne garanti qu’encourager la formation ne soit pas un investissement à perte pour les employeurs puisque nombre de salariés quittent leur emploi une fois formés. Un dispositif peut être pensé pour minimiser ce type de risque. L’autre alternative pour l’artisan consiste à prendre un Congé Individuel de Formation ce qui est soumis à un certain nombre de conditions. L’enjeu de la formation dans le domaine du solaire thermique combiné repose sur un accès facilité aux congés de formation pour les professionnels. - L’enjeu de la qualité : De la qualité des formations engagées dépendra l’implication des installateurs dans le développement et la protection de la filière solaire thermique. Les associations professionnelles de l’énergie solaire comme ENERPLAN ont un rôle essentiel à jouer dans ce contexte pour mettre en place une démarche qualité. Les objectifs d’ENERPLAN sont clairs : augmenter le niveau de compétence et l’implication des acteurs afin d’éviter les contres références. La nécessité d’une information de qualité via les réseaux de professionnels Le client est de mieux en mieux informé et dispose d’outils nouveaux. L’internet est devenu une banque d’information dans laquelle l’ensemble des acteurs du solaire ont investi. L’enjeu d’un tel outil réside dans la capacité des particuliers à y trouver des informations fiables et d’arriver à percevoir les avantages techniques et économiques des propositions faites (bénéfice et retours sur investissement). L’ADEME joue ce rôle de garantie en se donnant une visibilité sur la toile afin d’y diffuser des informations sérieuses. Les associations investies dans la filière solaire ont fait de même. Des réseaux ont été créés afin de faire circuler une information sure et identique. L’action menée par l’association TECHNOSOLAR s’inscrit dans cette veine. Elle regroupe des installateurs en photovoltaïque et thermique solaire qui ont souhaité via leur site assurer eux-mêmes l’information dans le domaine du solaire. L’association « Outils Solaires » située dans

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les Pyrénées Orientales propose une liste d’installateurs en solaire thermique et photovoltaïque par région qu’elle qualifie de fiable. Elle leur attribue le vocable de « motivés ». L’objectif de l’association est d’être un garde fou, en séparant les installateurs réellement solaires des « milliers de plombiers chauffagistes qui, selon elle, ont « simplement » signé la charte Qualisol. La difficulté des particuliers à trouver un installateur compétent est un problème de premier ordre dont l’ADEME est consciente et que l’agence cherche à palier à travers son réseau d’espaces info énergie. Leur capacité à se fondre dans le tissus associatif local a permis de faire évoluer la campagne d’information technique auprès du grand public depuis qu’il a été décidé de systématiser leur implantation. Leur action se veut pragmatique et pédagogique : ils assurent un conseil de proximité auprès des particuliers et des professionnels en s’appuyant sur les acteurs locaux de la filière. L’essor de la filière solaire est aussi lié à une simplification de l’utilisation des SSC pour les usagers. En effet, les particuliers ont l’habitude d’installation de chauffage fonctionnant au fioul, au gaz ou à base d’électricité très simple à mettre en route et à arrêter. Ils revendiquent donc un transfert de cette simplicité d’usage aux systèmes solaires combinés. Pour les installateurs, cette simplification est également importante car la majorité des systèmes sont posés par des plombiers-chauffagistes ou des électriciens qui n’ont pas les compétences d’un bureau d’étude. Rendre la pose accessible à tous les artisans est la condition de la mise en place d’un bon service après vente. L’intervention du fabricant sur le site d’installation doit être l’exception tant elle est discréditante pour l’installateur et le produit. En termes de préconisation, il serait pertinent d’envisager la mise en place d’un programme national ou régional de suivi des performances du matériel mis en vente par les fabricants. Quelques marques nationales et internationales se disputent le marché. Dotés de réseaux de vendeurs, la confiance en leur matériel repose sur leur capacité à montrer leur gamme de produit, la pose sur-mesure (même si le matériel est standard) est un gage d’adaptabilité aux situations les plus diverses et renforce la confiance dans le fabricant. Par ailleurs, il est important de refreiner le plus possible la vente de matériel aux particuliers. Si ces faits sont rares, ils existent néanmoins. Hormis le mécontentement des installateurs mis devant le fait accompli, de telles initiatives créent des contres références préjudiciables pour l’ensemble de la filière solaire. L’expertise des particuliers doit être limitées et ne pas être utilisée comme un argument de vente. Le secteur de la distribution de matériel solaire suit l’évolution du secteur du solaire thermique et est en essor constant. Deux filières de distribution semblent coexister en collaboration avec des artisans locaux ou disposant d’installateurs. L’une s’attache à distribuer les produits des fabricants sans distinction selon des accords établis avec des fournisseurs, l’autre est plus focalisée sur la distribution de kits et demeure sous la coupe des fabricants (ex BP Solar). Il est difficile d’évaluer le poids que chacune d’entre elles représente sur le marché. Dans un avenir proche, le renforcement du démarchage des clients par les sociétés de distribution est à prévoir. Il va de pair avec la multiplication des salons, véritables show room interactifs, où les clients peuvent approcher les produits et rencontrer les distributeurs. Certains distributeurs s’engagent dors et déjà dans des stratégies de marketing téléphonique direct à grande échelle (marketing téléphonique direct de la société Servin en Savoie, etc..) à l’image des distributeurs de menuiserie PVC mobilisant des techniciens conseils et se déplaçant pour réaliser des devis. L’innovation technologique via la R&D des fabricants doit être soutenue. De nombreux thèmes sont à explorer (détection de pannes, auto-diagnostic, stockage dense, installation simplifiée, systèmes sans pression, stratégies de lutte contre la surchauffe, combinaison avec la climatisation solaire, etc..). La Tâche 32 de l’IEA SHC a recensé une centaine de pistes d’amélioration de systèmes solaires combinés. Un thème crucial est la possibilité de dépasser 50% solaire, il manque un stockage efficace. Les fabricants doivent également continuer à faire évoluer le design de leurs produits particulièrement ceux situés en toiture. Des produits ingrats, massifs, défigurant une toiture ne facilitent pas la vente. Lorsqu’ils rénovent ou construisent un pavillon, les particuliers-consommateurs sont centrés sur l’esthétisme de leur maison et sur l’image sociale qu’ils souhaitent donner d’eux-mêmes au voisinage. L’évolution de l’aspect des produits de toiture vers l’esthétisme et le design est à préconiser pour développer le marché du solaire. Par ailleurs, en zone péri-urbaine, l’espace est réduit. Des travaux d’aménagement des sous-sols sont souvent réalisés pour permettre aux ménages de gagner de la place. Dans le cas des SSC, les fabricants ont intérêt à rendre leurs produits les moins volumineux possibles afin d’en faire un argument de vente auprès des particuliers

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7.4 DISPONIBILITE EN FRANCE DES COMPETENCES DE POSE. Il y a toutes les compétences en France. Il faut néanmoins organiser la formation continue de 3 à 5 jours (AFPA, INES, etc..) et la formation de longue durée type "Compagnons du solaire". La marque Qualisol attribuée aux installateurs agréés en matière de solaire thermique a fédéré à ce jour un réseau national de plus de 9000 installateurs. En janvier 2006, l’association Qualit’EnR a été créée pour garantir la qualité d’installation des systèmes à énergie renouvelable. L’association a pour vocation de fédérer autour d’une démarche qualité, les entreprises d’installation des systèmes à énergies renouvelables. Qualit’Enr intervient pour la promotion de la qualité des prestations des professionnels et gère des dispositifs de qualité et des règlements afférents aux appellations, dont Qualisol.

7.5 QUELS TYPES D'INCITATIONS ENVISAGER 7.5.1 REGLEMENTATION TECHNIQUE La Loi sur l’Energie prévoit explicitement un renforcement des exigences de la réglementation thermique française tous les 5 ans (d’environ 10%). Ce renforcement conduira au développement des maisons à très faible consommation d’énergie. Les SSC vont-ils en bénéficier ? A priori on peut penser que les propriétaires de ces maisons sont favorables au solaire actif, donc favorable aux systèmes solaires combinés. Cependant, plus les besoins de chauffage du bâtiment sont faibles et plus le recours au vecteur eau chaude peut s’avérer économiquement peu pertinent. La RT 2005 (bâtiment neuf) peut-elle encourager plus qu’elle ne le fait actuellement le recours aux EnR de manière générale et aux SSC de façon plus particulière ? En Espagne, la réglementation thermique des bâtiments (CTE - Código Técnico de la Edificación) impose à présent l'installation de capteurs solaires dans la construction des nouveaux logements ou des logements réhabilités pour l'eau chaude sanitaire. Elle impose en effet que 60% de la consommation énergétique de ces nouveaux bâtiments soit d'origine solaire thermique. En France une telle démarche semble peu probable mais on peut très bien envisager de définir le SSC comme solution de référence pour la zone climatique H3 de la réglementation française. La rénovation ne doit pas être oubliée, tout en donnant la priorité au préchauffage d’eau chaude sanitaire, avant d’envisager le chauffage solaire. Le projet d’arrêté relatif à la performance thermique des bâtiments existants ne prévoit aucune disposition relative aux systèmes solaires thermiques mais on peut envisager Les réglementations d’urbanisme (PLU, etc..) doivent être adaptées voire favorables au solaire thermique.

7.5.2 FISCALITE, FINANCEMENT, SOUTIEN DES COLLECTIVITES LOCALES On connaît l’impact des aides financières directes ou indirectes, par leur effet d’aide mais aussi et surtout par leur effet incitatif de reconnaissance pour un acte soutenu par la collectivité. Le plus important si on met en place un dispositif est : -

la simplicité extrême du modèle (pas de calculs savants sur les kWh etc..),

la simplicité extrême de l’administration (pas plusieurs formulaires à remplir comme le PV en France),

le guichet unique,

la continuité des aides avant de discourir sur leur niveau !

Les aides des collectivités territoriales Les aides données par les collectivités territoriales aux particuliers pour les inciter à investir dans les énergies renouvelables ont eu un impact énorme. Si elles varient selon les régions, elles ont contribué à ouvrir le marché du solaire aux ménages disposant de revenus moyens. Cette aide se produit à trois niveaux de territoire. Elle émane des régions, des départements et de certaines communes et est cumulable. L’installation d’un chauffe-eau solaire peut s’avérer financièrement très intéressante pour les particuliers dans certaines régions. Il faut faire l’avance de cet investissement pendant 6 mois et certes en

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avoir les moyens. Pour les SSC les sommes engagées sont plus conséquentes si bien que compte tenu des avances il n’est accessible qu’aux ménages les plus aisés qui bénéficient des déductions fiscales les plus intéressantes. L’engouement récent autour des aides est tel que certaines collectivités, face à l’explosion des demandes et à la nécessité de réaliser d’autres investissements liés à la mise en œuvre de la décentralisation, commencent à se retirer et à les supprimer. C’est le cas du conseil général de l’Ardèche qui a arrêté la distribution des aides en décembre 2006. La Région Rhône-Alpes a planifié l’arrêt des subventions également pour fin 2007, invoquant l’œuvre accomplie, la région regroupant sur son seul territoire 10% des installations en matière énergies renouvelables de France. Il s’agit là d’un enjeu important car l’essentiel des aides a bénéficié au solaire thermique. Leur disparition programmée risque d’être préjudiciable à l’essor de la filière. Les installateurs, les fabricants et les distributeurs sont devenus en quelques années les principaux promoteurs de l’aide fournies par les collectivités territoriales. Ils ont compris combien elles constituaient un excellent argument de vente minimisant le coût final de l’investissement des particuliers. En cumulant les aides, le coût d’un système solaire combiné devient un investissement intéressant. Un outil pourrait être créé sous la forme d’un fichier centralisant les aides et mettant à jour leurs évolutions selon leur source. On pourrait également y adjoindre un calculateur permettant aux particuliers d’évaluer leur crédit d’impôt. Cet outil serait un plus. Il pourrait être hébergé par l’ADEME ou Qualit’EnR. L’arrivée des banques sur le marché du solaire thermique Il est intéressant de constater qu’au moment où les aides vont se faire plus rares, une offre bancaire se développe qui revêt deux formes : -

Des prêts préférentiels proposés aux particuliers et soutenus par les crédits publics. L’association banque / collectivités territoriales est à souligner et dispose d’une grande marge de développement dans ce domaine.

Des campagnes incitatives autour de produits bancaires inédits afin de créer chez les particuliers un segment de marché spécifique au développement des énergies renouvelables et de l’énergie solaire en particulier. Les produits de ce type vont sans doute se multiplier à l’avenir.

- L’association banque / collectivités territoriales : Dès 1999, les premières initiatives marquent l’association inédite des collectivités territoriales et des établissements bancaires. Une forme inédite de collaboration apparaît. Son développement est à recommander dans le contexte de la disparition progressive des aides territoriales. Les prêts connus portent encore essentiellement sur la construction ou la rénovation de logements. Ils cherchent à valoriser la notion de construction durable. Ils financent des installations relatives aux énergies renouvelables comme un chauffe-eau solaire dans la mesure où la demande figure parmi un ensemble plus large de mesures d’amélioration des performances énergétiques et environnementales de l’habitat. Ainsi les prêts habitats de la banque populaire d’Alsace proposent un compte épargne éthique dit CODEVAIR soutenu par des crédits publics (ADEME ou conseil régional). L’intervention des collectivités territoriales permet de renforcer la capacité de bonification des prêts. Une convention entre la banque populaire d’Alsace et le conseil régional d’alsace associé à l’ADEME a également été signée, en juin 2004, pour le financement de chauffe-eau solaires individuels. La banque populaire est devenue un guichet unique de distribution des primes publiques pour la pose de chauffe-eau solaire. Elle a ensuite mis au point un PREVAIR CESI à 0% grâce à une subvention (offre réservée au chauffe-eau). Une telle initiative est à encourager afin de multiplier ce type de prêts à 0% uniquement consacrés au développement du solaire. Certaines région l’ont bien compris et lancent, comme la région Nord-Pas-de-Calais l’a fait en 2003, un appel à proposition auprès des banques afin de créer avec elles des partenariats. - Une opportunité de marché auprès des particuliers pour les banques : Certains établissements bancaires saisissent l’opportunité du développement de la filière solaire pour mettre en place des politiques d’incitation au prêt. Des prêts spécifiques, sans le soutien des collectivités territoriales, sont ainsi mis en place. Des partenariats privilégiés avec les acteurs du secteur sont développés. La caisse des Savoies du Crédit Agricole est très en avance dans ce domaine. Il a mis en place des prêts solaires. Il s’agit d’une offre de crédit avec différé d’amortissement de 12 à 18 mois susceptible de compléter le coût d’une installation solaire thermique. Un autre produit bancaire a été imaginé, s’adressant plutôt au photovoltaïque d’un maximum de 21 500 € allant jusqu’à 84 mensualités dont les remboursements sont évalués à partir d’un salaire moyen bas. L’absence de frais de dossier et des taux d’intérêts minorés rendent

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le produit attractif. Des délais d’obtention réduits avec un différé de déblocage de 4 à 6 mois permettent aux ménages d’attendre le versement des aides des collectivités territoriales. En 6 mois d’existence, 300 prêts ont été conclus répartis entre la Savoie et la Haute Savoie. L’engouement autour de ce type de prêt a surpris la direction de la caisse qui y voit désormais une très bonne opportunité financière. La caisse des Savoie a également su développer des partenariats privilégiés qui revêtent un caractère d’exclusivité avec deux des principaux acteurs du solaire de la région. Il témoigne de la mutation du secteur. En 20 ans la filière est sortie de la confidentialité et s’est marchandisée. Les acteurs du solaire ont conscience de la nécessité de s’allier à des banques pour se développer. L’association entre la caisse des Savoie du Crédit Agricole et les compagnons du solaire révèle un partenariat uniquement financier. Le crédit agricole s’engage à faire un don de 10 000 € sur 3 ans aux compagnons du solaire et à mettre à disposition d’un cadre qui intervient dans les formations sur le thème : « l’artisan et ses relations avec le banquier ». Le crédit agricole dispose ainsi d’un espace privilégié pour présenter sa politique, son approche comptable, les aides et les soutiens qu’il peut proposer aux artisans désirant s’installer. En échange les deux partenaires mettent en avant leur partenariat sur leurs sites web respectifs. Un partenariat ancien et encore plus privilégié a été conclu entre le Crédit Agricole et le fabricant CLIPSOL. Il a été à l’origine de la mise en place des prêts solaires. L’offre était liée au choix de CLIPSOL par les particuliers alors que le fabricant était seul sur le marché savoyard. La demande a permis par la suite d’ouvrir le produit à ses concurrents L’action à l’initiative de la caisse des Savoies du Crédit Agricole est à associer à une particularité régionale, celle du développement avancé du marché du solaire dans la région. Ailleurs, des produits bancaires analogues voient ponctuellement le jour. La caisse d’épargne Languedoc Roussillon propose un prêt « travaux développement durable » pour des travaux incluant l’installation d’un chauffe-eau solaire. Le crédit coopératif dispose d’une offre bancaire dite « eco-habitat » en cas d’installation d’énergie renouvelables. Le marché des « prêts vert » en est encore à ses balbutiements. Il faut compter avec eux pour le développement du marché du solaire. Dans ce contexte, les prémices lui ont déjà été bénéfiques. Sans l’aide des collectivités territoriales il est probable que ce type de prêt ne se popularise pas. En effet, ce sont les ménages les plus solvables qui y ont accès. Les sommes engagés pour une installation solaire thermique seront d’autant plus conséquentes que les prêts perdront leur caractère relais avec la disparition des aides. Un système de cautionnement peut être pensé, les collectivités territoriales assurant le rôle de garant auprès des banques. C’est un enjeu important dans les régions où le recours au solaire thermique est une alternative rentable

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ANNEXE RÉFÉRENCES [1]

Weiss W. et. al., Comparison of system design for solar combisystems, Proceedings ISES Solar World Congress, Göteborg, Juin 2003.

[2]

Markerhebung Sonnenenergie 2005, Mai 2006, Swissolar - OFEN Berne, 23 pages.

[3]

Die Entwicklung des Markts für Solarthermische Anlagen in Österreich, G. Faninger, iff, 2006, 30 Seiten.

[4]

Soltherm Europe - Austria, Market Analysis, August 2002, AEE Intec for DG TREN - 31 pages.

[5]

SYSTEM DESIGNS AND PERFORMANCE OF SOLAR COMBISYSTEMS -Status report of Task 26 of the IEA Solar Heating and Cooling Programme - Jean-Christophe Hador ,Werner Weiss, Jean-Marc Suter, Thomas Letz - Eurosun 2002 - Bologna Italy.

SITES INTERNET ASSIMILES

DES

ORGANISMES

RECHERCHE

Allemagne :

http://www.solarserver.de

ISES Allemagne :

http://www.dgs.de/

Autriche : Autriche : Autriche : Autriche : Autriche : Autriche, ville de Salzburg : EU : EU :

AEE INTEC : http://www.aee-intec.at/ www.solarwaerme.at/ http://www.austriasolar.at/ http://www.stescos.org/ http://www.arsenal.ac.at/

EU :

un annuaire http://www.europages.fr/cgi/epq.cgi?L=fr&DID=00&HC=05867&DMC.x=1

IEA :

www.iea-shc.org Task 26, Task 32

http://www.salzburg.gv.at/themen/ve/energie/erneuerbar/sonnenenergie.htm http://www.estif.org/solarkeymark/ un projet de suivi des systèmes solaires combinés (Asder pour la F) : http://elle-kilde.dk/altener-combi/

Pays-Bas : ECN Saxion Hogescholen TNO Bouw BDA Dakadvies b.v. Bouwvisie Ecofys b.v. Ekomation Solar Energy Natec Energy BV Schüco Nederland B.V. Solair Systems SolarNRG Stroomwerk Energy b.v. Sun Factory

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vA Consult W|E Adviseurs Duurzaam Bouwen

SITES INTERNET DE CONSTRUCTEURS DE SSC Allemagne Association : http://www.solarwirtschaft.de Solvis-Energiesysteme GmbH & Co. KG www.solvis.de Wagner & Co.Solartechnik GmbH www.wagner-solartechnik.de BBT Bosch Buderus Thermotechnik GmbH Consolar Energiespeichersysteme IKARUS-Solar AG Paradigma Energie-und Umwelttechnik GmbH & Co. KG Rotex GmbH Metall- und Kunststofftechnik Solartherm Solar-Heizsysteme Entwicklungs- und Vertriebs GmbH Stefan NAU GmbH & Co. KG UFE-Solar Viessmann Werke GmbH & Co KG Autriche Association: http://www.austriasolar.at/ Gasokol GmbH: http://www.gasokol.at Hinteregger ESTEC - Solartechnik: http://www.estec.at Insolar Solartechnik: http://www.insolar.at Max Weishaupt GmbH: http://www.weishaupt.co.at MEA SOLAR GmbH http://www.mea-solar.at S.O.L.I.D. GesmbH: http://www.solid.at Siko Energiesysteme GmbH: http://www.siko.at SOLARFOCUS: http://www.solarfocus.at SOLution Solartechnik GmbH: http://www.sol-ution.com Sonnenkraft Österreich Vertriebs GmbH: http://www.sonnenkraft.com Sun-Systems GmbH: http://www.sun-systems.com Teufel & Schwarz GmbH: http://www.teufel-schwarz.com thermo l solar: http://www.thermosolar.at Vaillant GmbH: http://www.vaillant.at France Association Enerplan : http://www.enerplan.asso.fr/ Sur le site d’Enerplan, on peut consulter la liste des membres et des constructeurs présents sur le marché français. Pays-Bas Association : http://www.hollandsolar.nl/ AGPO bv ATAG bv ATON Zonne-energie Systemen Daalderop bv DSS b.v. Inventum b.v. Jirlumar bv Pooltechnics bv Remeha BV Solair Systems SolarNRG Vaillant bv

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Suisse Association : http://www.swissolar.ch/ Agena http://www.agena-energies.ch/ Energie Solaire SA http://www.energie-solaire.com/ Hoval http://www.hoval.com Soltop http://www.soltop.ch/ Schweizer http://www.schweizer-metallbau.ch/ Flumroc http://www.flumroc.ch/txtengl/die_flumroc-gruppe.htm AMK http://www.amk-solac.com/ Vögelin http://www.voegelin.ch/

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C7 - STOCKAGE DE CHALEUR

Auteurs : Peter Riederer (peter.riederer@cstb.fr), Orlando Catarina (orlando.catarina@cstb.fr)

Expert : Jean-Christophe Hadorn (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne - Suisse)

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Sommaire 1

Etape 1 : Contexte, antériorités, dynamique des acteurs ................................................154 1.1 Contexte national et local........................................................................................154 1.2 Antériorités et origine de l’innovation....................................................................155 1.3 Dynamique des acteurs ...........................................................................................156 Etape 2 : Contenu de l’innovation ..................................................................................157 2.1 Description de la technologie..................................................................................157 2.1.1 Les raisons pour le stockage de chaleur..........................................................157 2.1.2 Les différents types de stockage .....................................................................157 2.1.3 Critères d’un bon système de stockage...........................................................166 2.1.4 Récapitulatif des applications de stockage thermique ....................................168 2.2 Horizon temporel ....................................................................................................169 2.2.1 Stockage pour eau chaude sanitaire ................................................................169 2.2.2 Stockage par inertie du bâtiment.....................................................................169 2.2.3 Stockage tampon dans les réseaux de chaleur à distance ...............................169 2.2.4 Stockage pour chauffage individuel à partir de sources intermittentes (bois, solaire, pompe à chaleur).............................................................................................................170 2.2.5 Stockage tampon pour limiter les émissions de polluants ..............................170 2.2.6 Stockage saisonnier de chaleur .......................................................................170 2.3 Barrières à la diffusion des nouvelles technologies de stockage ............................171 2.4 Champs d’application .............................................................................................172 2.5 Impacts....................................................................................................................173 2.5.1 Impacts énergétiques.......................................................................................173 2.5.2 Impacts environnementaux .............................................................................173 Etape 3: Mise en oeuvre..................................................................................................174 3.1 Fiabilité de mise en œuvre sur chantier ..................................................................174 3.1.1 Conception adaptée au bâtiment .....................................................................174 3.1.2 Acceptation par les acteurs .............................................................................175 3.1.3 Compétence des acteurs..................................................................................175 3.1.4 Adaptation des professions existantes ............................................................175 3.1.5 Besoin de nouvelles professions adaptées ......................................................176 3.2 Modalités de gestion, d’exploitation et de maintenance.........................................176 3.3 Incitations réglementaire, fiscale, modalités de financement .................................176 Etape 4 : Evaluation des résultats dans les pays concernés ............................................177 4.1 Les performances ....................................................................................................177 4.1.1 Energie ............................................................................................................177 4.1.2 Stabilité, feu, tremblement de terre.................................................................178 4.1.3 Impacts Environnemental et sanitaire.............................................................178 4.1.4 Risques de dégradation des performances après mise en oeuvre ...................178 4.1.5 Compatibilité des performances .....................................................................179 4.2 Coûts réels...............................................................................................................180 4.2.1 Coût initial - investissement............................................................................180 4.2.2 Coût opérationnel – exploitation - maintenance .............................................183 4.2.3 Relation entre coûts et performances avec et sans aides.................................185 4.3 Le vecu des utilisateurs...........................................................................................186 4.4 Vitesse de diffusion dans le pays ............................................................................186 4.4.1 Actions de diffusion........................................................................................186 4.4.2 Actions d’exportation de la technologie .........................................................186 Etape 5 : Reflexion critique du CSTB sur les quatre dimensions étudiées.....................187 5.1 Points forts, points faibles de l’innovation (Méthode SWOT) ...............................187

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5.1.1 S : Strength - Forces........................................................................................187 5.1.2 W : Weakness - Faiblesses..............................................................................187 5.1.3 O : Opportunities - Opportunités ....................................................................188 5.1.4 T : Threats - Menaces ....................................................................................188 6 Step 6: Conditions de transposition en France................................................................189 6.1 Les chances de la transposition en France ..............................................................189 6.2 Compatibilité avec le cadre réglemantaire et normatif français .............................189 6.3 Quelle dynamique d’acteurs nécessaire ..................................................................189 6.4 Disponibilité en France des compétences de pose..................................................189 6.5 Quels types d’incitations à envisager......................................................................189 6.5.1 Réglementation technique...............................................................................189 6.5.2 Soutien des collectivités etc. ...........................................................................190 6.5.3 Taxation, financement.....................................................................................190 6.5.4 Initiatives privées ............................................................................................190 7 Annexe : Sources d’information .....................................................................................191

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1 1.1

ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUE DES ACTEURS Contexte national et local

Au cours des 25 dernières années, on peut distinguer quatre groupes de pays en ce qui concerne le stockage de chaleur: 1. Les pays pionniers en matière de stockage saisonnier de chaleur solaire, mais dont l’activité a fortement été réduite (indiqués avec année approximative de début d’activité recensée et de réduction forte) a. les USA (1975-1984) b. la Suisse (1977-2000) c. la France (1978-1985) d. les Pays-Bas (1979-1990) e. la Suède (1980-1995) f. le Danemark (1985-2000) g. la Finlande (1985-1995) Parmi les conditions favorables, il faut relever dans ces pays : - la présence d’une tradition de géologues et d’hydrogéologues ; - la présence d’un sous-sol favorable ou au moins diversifié (rock-bed et quaternaire aquifère fréquemment) ; - la tradition du chauffage à distance qui permet de (pré-)disposer des infrastructures de mutualisation d’un stock central, ce qui est favorable à son efficacité et à son coût spécifique. C’est une volonté nationale dans tous les cas qui a poussé la recherche dans ces pays. Mais la durabilité des politiques a été trop courte pour permettre une émergence. Et par ailleurs, le prix des fossiles a reculé, rendant encore plus difficile à rentabiliser un investissement initial important. Notons toutefois que dans les grandes installations solaires avec stockage saisonnier, les capteurs représentent plus de 60% du coût initial, le stock quant à lui environ 20% seulement ! Devant la difficulté technique du stockage saisonnier et la baisse des prix réels de l’énergie, les volontés se sont émoussées. 2. Les pays qui continuent d’avoir une politique soutenue en matière de stockage saisonnier de chaleur solaire a. l’Allemagne depuis 1985 Partie légèrement en retard dans le stockage solaire, l’Allemagne a désormais le programme le plus ambitieux et le plus abondant d’exemples, seule manière de progresser car le domaine est lié à de nombreux facteurs peu « théoriques » (géologie, pratique d’installation, exploitation, etc..). C’est la préoccupation environnementale qui domine la volonté des pouvoirs publics allemands tant nationaux que locaux depuis 1998. 3. Les pays qui cherchent à développer le stockage surtout diurne (1 à 2 jours) pour le solaire ou le bois a. l’Allemagne b. l’Autriche c. la Suisse d. les USA

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Après les espoirs déçus quelque peu (par manque de moyens), les pays qui privilégient le solaire et le bois dans leur (modeste !) politique renouvelable, comprennent que le stockage court terme est la clé de l’efficacité des technologies intermittentes. Mais la vision est désormais plus systémique que par composants. La recherche s’oriente vers « la performance du système délivrant une prestation de confort », le stockage faisant partie d’un système global. 4. Les pays qui n’ont pas de politique particulière en matière de stockage de chaleur ou de froid et dont les développements se sont faits surtout par le privé a. la France (surtout les entreprises Clipsol et Cristopia) b. l’Espagne (peu de travaux) c. les Pays-Bas (principalement stockage de froid en aquifère) d. les USA (peu de systèmes avancés) e. le Canada (2006 : stockage saisonnier pour un quartier de villas « Drake Landing ») Ce sont les fabricants de systèmes solaires ou à bois qui ont proposé des stocks adaptés (mais pas toujours optimisés) à leur proposition technique. Mais le développement est peu documenté et le savoir est très inégalement réparti. Depuis 2000, les pays qui continuent de penser que le stockage de chaleur est la clé des renouvelables sont peu nombreux (Allemagne surtout). La motivation principale est environnementale désormais, avant d’être liée à la pénurie de ressources. Mais les à coups du prix de l’énergie vont redevenir un moteur. 1.2

Antériorités et origine de l’innovation

Le stockage de chaleur s’est développé historiquement de la manière schématique suivante depuis les années 1800 : De 1800 à 1900 - stockage pour les cuisinières à bois, de manière à profiter du moment de la cuisson des repas pour faire de l’eau chaude sanitaire - stockage pour les poêles à bois (pierres ou eau) - stockage pour les chauffages centraux à bois De 1900 à nos jours - stockage pour l’eau chaude sanitaire produite par tout type de source (bois, électricité, gaz, charbon) de manière à découpler l’offre et la demande et à satisfaire les pointes de consommation Dès 1940 - stockage pour l’eau chaude sanitaire solaire dans les thermosiphons (Australie, Afrique du Sud, USA, Israel, Turquie, Grèce, Chypre) Dès 1930 - stockage tampon dans les réseaux de chaleur à distance Dès 1970 - stockage de la consommation journalière pour l’eau chaude sanitaire solaire dans les systèmes actifs (ballon de 100 à 500 l) - stockage de quelques jours pour le chauffage solaire de villas (cuve de 1 à 2 m3) Dès 1980 - stockage saisonnier de chaleur solaire pour les villas (cuve de 10 à 100 m3) Dès 1985 - stockage à haute température pour les centrales solaires à tour (sels fondus à 540°C) Dès 1990 - stockage tampon pour le chauffage à bois avec des unités automatiques efficace - stockage tampon pour une pompe à chaleur domestique

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Dès 1985 - stockage saisonnier de chaleur pour l’énergie solaire en habitat collectif Dès 1990 - stockage dans les micro-réseaux de chaleur à distance alimentés par le bois surtout en Autriche Dès 1990 - stockage de froid dans les aquifères, valorisé en direct pour éviter un groupe de froid à source électrique Dès 1995 - stockage de froid dans le sol au moyen de groupe de sondes, valorisé en direct et par une pompe à chaleur Depuis 2000 - recherche sur les nouveaux matériaux pour stocker de la chaleur entre 23 et 200°C de manière plus dense que l’eau ou la pierre. En ce qui concerne le stockage saisonnier, la motivation principale est la recherche de solutions pour le recours à l’énergie solaire suite au choc pétrolier de 1973. Les pays de l’AIE notamment ont tous pressenti que le solaire thermique ne pourrait se développer massivement sans une solution de stockage saisonnier. Elle a d’abord été recherchée pour des ensembles collectifs du fait de l’avantage thermique qu’un grand stock procure puis petit à petit des solutions individuelles ont été testées. C’est l’anticipation de la pénurie et/ou de la hausse des prix des fossiles qui a été la cause de la recherche en stockage et en solaire thermique. Des technologies plus avancées que le thermosiphon ont été développées dès 1973 dans les pays européens notamment et aux USA. En 1984, les USA très présents dans le solaire jusque-là ont diminué très fortement leur effort de recherche sous la poussée politique libérale (élection de Reagan). L’acuité de cette peur a diminué dès 1990 et l’effort de recherche a nettement diminué, sauf en Allemagne. 1.3

Dynamique des acteurs

Il n’y a pas beaucoup de caractère normatif qui concerne le stockage de chaleur. Ce sont avant tout des principes d’optimisation technique ou économique qui orientent les choix. Cependant des législations particulières peuvent influer sur les optimums. Par exemple, la loi allemande impose le chauffage à 60°C au moins une fois dans la journée de tout ballon sanitaire pour prévenir un développement de la bactérie legionellae. Ceci n’est pas à l’avantage du solaire. Dans les grands réseaux solaires avec stock central, ceci explique le choix de la préparation décentralisée d’eau chaude sanitaire. Les acteurs importants du développement du stockage de chaleur sont : - les chercheurs - les fabricants de systèmes à énergie renouvelable au départ les PME - et depuis 2000 environ, les grands groupes du secteur du chauffage qui se lancent dans la pompe à chaleur, le solaire et le bois - les prescripteurs de chaufferies - les architectes. Il y a très peu de marketing des solutions de stockage en dehors des systèmes complets, sauf pour les fournisseurs de solutions exclusivement de chauffe-eau ou de cuves (par exemple : Jenni en Suisse) qui montrent dans leurs promotions la qualité de leurs exécutions techniques ou encore des solutions de stockage saisonnier pour une villa (Jenni a déjà réalisé une villa 100% solaire en 1990 et devrait mettre en service un locatif de 6 appartements 100% solaire en 2007).

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Plus précisément, les acteurs principaux par type de stockage sont les suivants : - Stockage court terme pour le solaire Les acteurs principaux sont les fournisseurs de solution. Ce sont eux qui orientent les choix car les clients veulent une prestation « globale » en fin de compte. Ils ne veulent pas « un stockage », tout au plus demandent-ils « une installation solaire », mais ils s’enthousiasment surtout pour les capteurs et le tableau de commande. Le marché est totalement commercial et appelé à se développer profondément vers des solutions de stockage de plus en plus performantes en terme d’efficacité, de densité, d’exergie et de place occupée. - Stockage tampon pour le bois Dans les réseaux de chaleur, les collectivités locales qui sont le plus souvent maître d’ouvrage orientent les choix par leurs prescriptions et leurs exigences. Il importe que les techniciens des collectivités soient bien informés des bonnes pratiques et éventuellement des méthodes d’optimisation. La tâche de projet incombe aux bureaux d’étude qui le plus souvent n’utilise aucun outil de calcul évolué et encore moins de simulation dynamique. - Stockage saisonnier Il s’agit le plus souvent de demande des collectivités ou de privés orientés par les ingénieurs qui ont déjà été exposés à un projet de stockage saisonnier, le plus souvent par leurs contacts avec la recherche ou leur origine de chercheur. Par exemple en Allemagne nombre de projets sont issus de la fondation Steinbeis, qui est une spin-off semi-privée de l’Université de Stuttgart (www.itw.de) et qui a récemment élargi ses activités à l’Europe (http://www.steinbeis-europa.de). 2

ETAPE 2 : CONTENU DE L’INNOVATION

2.1

Description de la technologie

2.1.1

Les raisons pour le stockage de chaleur

Les raisons principales du stockage de chaleur sont : - Utilisation optimale des énergies renouvelables et intermittentes, surtout l'énergie solaire ; - Récupération de chaleur ou de froid ; - Utilisation d'un tarif préférentiel ; - Réduction de la puissance installée ; - Ecrétage des pics de puissance ; - Réduction du nombre d'enclenchements/déclenchements. 2.1.2

Les différents types de stockage

Le stockage peut se réaliser soit dans la structure du bâtiment pour profiter de l’inertie (approche « passive »), soit dans des volumes de stockage dédiés à cet effet (ballons, cuves etc.) ou dans le sous sol (sondes ou nappes aquifère). On peut classer les types de stockages en fonction de trois paramètres principaux : 1. Le principe physique du stockage Le stockage de chaleur est basé sur 4 principes physiques : o la chaleur sensible : eau, sols, béton... (tout matériau à densité élevée est un bon candidat)

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Dans le cas du stockage sensible, l'énergie stockée dans un matériau donné dépend essentiellement du volume et de l'élévation de température de ce matériau. Ainsi ce type de stockage est efficace à très grande température et nécessite de grands volumes. Cependant à des températures élevées le problème des pertes thermiques et donc de l'isolation diminue la performance du stockage. Le ballon à eau chaude sanitaire est utilisé depuis la nuit des temps sur des feux de bois ouverts, le stockage d’eau chaude pour les besoins physiologiques est le type de stockage de chaleur largement le plus répandu dans le monde. La puissance de chauffe est le plus souvent très inférieure à la puissance de l’appel lors du soutirage de telle sorte que le stockage s’est tout de suite imposé. En outre, il est aisé de conserver de la chaleur dans de l’eau comme nous le verrons abondamment dans ce document. La structure d’un bâtiment de l’autre coté permet le lissage des pointes depuis l’origine des temps ! Les maisons en pierre ont toujours été réputées pour leur inertie. La nouveauté récente (30 ans) est la recherche d’inertie ET d’isolation dans les maisons dites « passives » avec les systèmes dits « à gain direct », dont le nouveau Mexique s’est fait le pionnier avec Wright et Balcomb dans les années 1970. Dans le cas du plancher solaire direct, le stockage est assuré par la dalle de béton de manière à réduire le coût. Le procédé a une limite en terme de fraction solaire cependant puisque la capacité de stockage est limitée entre 19 et 26C pour des raisons de confort. o la chaleur latente : eau, vapeur d’eau, paraffine et sels sont les meilleurs candidats Ce type de stockage peut être utilisé pour augmenter l’inertie des bâtiments dans le cas de constructions légères (cf. Micronal de BASF) ou dans des ballons de stockage utilisant des matériaux de changement de phase à la place de l’eau (cf. Cristopia). Des tentatives de renforcer l’inertie de dalles béton de chauffage de sol ont été faites avec des matériaux à changement de phase dans des capsules (société thermac). Faute de rentabilité, la société a cessé ces activités en 1985. Selon des études, la capacité thermique d’un panneau de plâtre gâché avec 30% de Micronal, de 1.5 cm d’épaisseur équivaut à celle d’une paroi de 12 cm de briques. L’avantage de cette solution est la stabilité de température lors du phénomène de changement de phase comme l’indique la figure ci-dessous combiné avec une capacité de stockage plus grande comparé avec de l’eau. Ceci est particulièrement adapté dans le cas de l’utilisation dans les parois du bâtiment. Comparaison de l'énergie stockable sous forme sensible ou latente 2 50 200 C haleur d e f usio n 19 0 [ kJ/ kg ]

150 10 0 50 0 20

T e m péra t ure [ C ] B ét o n

Eau

C aC l2 6 H2 O

Figure 1 : Caractéristiques des matériaux à changement de phase [Hadorn et ITW 2006]

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Figure 2 : Les microbilles du Micronal (www.micronal.de) renfermant une paraffine (se liquéfiant entre 23 et 26°C – disponible en mélange ou en poudre)

o la chaleur de sorption : Dans cette catégorie on peut distinguer les phénomènes d’adsorption, d’absorption dans des solides ou liquides. Deux types de systèmes existent : les systèmes fermés et les systèmes ouverts. o Dans les systèmes ouverts, le fluide de transfert est directement relâché dans l’environnement avec son entropie, de sorte que l’eau est un bon candidat. Exemple : les procédés par dessication et les solutions de stockage par adsorption de vapeur d’eau dans de la zéolithe en barreau solide percé de canaux. Ou encore le séchage des appareils photos avec un coussin poreux rempli de billes de silicagel. o Dans les systèmes fermés, seule l’entropie est relâchée. Le système conserve le fluide qui agit comme agent de transfert en circuit fermé. On distingue encore l’adsorption et l’absorption. Dans l’adsorption, un gaz vient s’attacher à la surface d’un solide, dans l’absorption, un composé se forme à partir du fluide et de l’absorbant, en général un sel d’hydrate ou d’ammoniac. En adsorption fermée, peu de systèmes existent pour le moment. En absorption, de nombreux réfrigérateurs ont été produits sur le principe de l’invention Sibir des années 1860. o Les matériaux les plus travaillés sont les zéolithes et le silicagel en adsorption, et le LiCl et BrLi pour l’absorption. o la chaleur de réaction chimique : la recombinaison exothermique de 2 liquides ou solides peut être exploitée si la réaction est réversible sans pertes.

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Figure 3 : Densité de stockage thermique (Van Berkel 2000 – IEA 32 June 2005) La densité peut aller de 1 à 100 théoriquement dans le même encombrement, mais la pratique actuelle est plus proche d’un facteur 2 seulement pour la gamme 20-100°C.

Le progrès sur cette thématique est résumé ci-dessous : o Les réactions chimiques permettent d’envisager des énergies de stockage importantes dans des volumes restreints. Plusieurs études ont essayé de déterminer les meilleures réactions pour l’énergie solaire dans la gamme 60-150C, 150-250 C et la haute température pour les centrales solaires. o Dans la gamme 60-150C, il semble que le NaOH soit le meilleur candidat. Un projet de recherche en laboratoire a débuté en 2005 en Suisse. o A 180C, le composé Mg(SO4) 7H20 est selon ECN des Pays-Bas le meilleur choix. Des études de laboratoire commenceront en 2007. o A haute température, c’est le ZnO le choix le plus efficace selon le PSI de Suisse qui travaille sur ce composé depuis plus de 10 ans avec la plateforme solaire européenne d’Almeria. o Les difficultés sont nombreuses pour le stockage chimique : réversibilité de la réaction, toxicité des composés, enveloppe à construire, double volume à stocker, coût des matériaux, température de charge élevée pour l’habitat. 2. La durée du stockage o Très court terme (de l’ordre de la minute ou de l’heure) : Les ballons électriques de 30 l environ que l’on place aux postes de soutirage permettent de stocker temporairement une faible quantité d’eau chaude en limitant les pertes de distribution dans les conduites. Les bouilloires des anciennes cuisinières à bois conservaient pour quelques minutes la chaleur avant de l’envoyer par thermosiphon dans la distribution. Un thermos est de nos jours souvent utilisé comme bouilloire de 1 l pour préparer le thé. Le corps de chauffe est intégré au bas ou dans ce stock « à court terme » en général isolé par un vide léger ou une mousse de polyuréthane de 2 cm d’épaisseur. o Court terme (jour) :

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Le solaire thermique nécessite un stockage au moins diurne, réalisé le plus souvent sous forme de cuve à eau.

Figure 4 : Gamme de cuves en acier avec échangeurs inox (Feuron AG) Les cuves sont soit avec échangeurs spirale soit avec système bain-marie ou « tank-in-tank » pour l’eau chaude sanitaire. On note les entrées/sorties à syphon

Figure 5 : Maison solaire passive avec stockage actif dans la dalle pour le climat de Lausanne On note que la fraction solaire est limitée par le stock

o Moyen terme (semaine) Ce stockage de moyen terme (semaine ou plus) n’a que peu d’intérêt. Il est néanmoins effectué dans des stocks saisonniers dont le dimensionnement (ou l’efficacité) est insuffisant. Ce n’est cependant pas un objectif. o Long terme ou saisonnier (saison soit entre 3 et 6 mois). Dès la 1ère crise du pétrole en 1973, on a cherché une solution pour stocker la chaleur solaire de l’été à l’hiver. Les premières expériences ont été réalisées dans des aquifères aux USA, en Suisse et en France. Ensuite la Suède a testé de nombreuses technologies durant les années 80, nous y reviendrons en détail. Puis l’Allemagne depuis 1995 développe un programme d’évaluations des techniques les plus prometteuses. Dans le cas des réseaux de chauffage ; un stock tampon sous forme de cuve à eau est souvent disposé en tête de réseau pour découpler la production de la consommation. Il est en général dimensionné pour 1 à 2 heures de production et peut atteindre plus de 10 ou 20'000 m3 dans les grands réseaux (Helsinki, Copenhague). Dès les premiers réseaux de

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chaleur, une certaine capacité de stockage dans le réseau lui-même est apparue. Celle-ci est cependant rarement considérée sauf dans le cas de réseau solaire d’ampleur comme à Marstal au Danemark où on surchauffe temporairement le réseau pour stocker une production solaire. Les équipements de distribution doivent pouvoir s’en accommoder. Le stockage saisonnier peut être réalisé par différentes principes. La Figure 6 résume ces technologies qui peuvent être groupées en trois grandes parties : les stockages à convection, à diffusion et mixed.

Figure 6 : Typologie du stockage saisonnier de chaleur, eau, sol et aquifère qui offre des coûts bas pour des volumes importants (Hadorn 1988)

Au cours des 20 dernières années, quatre techniques de stockage se sont imposées (Figure 7) : le stockage à eau, le stockage de type « lit de cailloux », le stockage par champs de sondes géothermiques ainsi que le stockage en nappe aquifère.

Figure 7 : Les 4 techniques de stockage saisonnier qui se sont imposées au cours des 20 dernières années

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(ISE 2003, http://fv-sonnenenergie.de/publikationen/th9798_03.pdf)

Stockage à eau : Le stockage à eau a été réalisé dans plusieurs projets de démonstration réels, surtout en Allemagne. La Figure 8 montre le principe du stockage du projet CSHPSS à Munich, le volume de stockage étant intégré au sous-sol, ce qui représente le cas le plus courant.

Figure 8 : Coupe du stock du projet CSHPSS de Munich

Un autre exemple est l’intégration du volume de stockage dans le bâtiment. La Figure 9 montre le projet de Jenni en Suisse. Un ballon de stockage de 205m3, chauffé par 276m² de capteurs solaires, est intégré au centre du bâtiment. Avec cette technique un stockage saisonnier est possible.

Figure 9 : 100% solaire pour ce projet de bâtiments locatifs de Jenni avec une cuve centrale de 205m3 et 276m² de capteurs solaires (Jenni 2006)

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Cependant, pour un fonctionnement optimisé, la charge et décharge de la cuve doit être géré afin de maximiser la stratification dans la cuve. Ceci est montré dans le Figure 10 sur l’exemple de Jenni en Suisse : le chargement de la cuve est géré par un ensemble de vannes hydrauliques pour éviter une dé-stratification du stock.

Figure 10 : Gestion de la stratification pour la charge/décharge d’un stock de 2057m3 (Jenni 2006)

Stockage dans des champs de sondes : Le stockage diffusif est réalisé par l’installation d’un champ de sondes qui permet de stocker (ou de déstocker) l’énergie dans le sous-sol. Cette solution, moins performant en terme de « densité » de stockage que le stockage à eau du à la chaleur spécifique plus faible du sol que celle de l’eau, permet par contre une réduction des coûts par rapport au stockage dans des cuves. Il permet également le stockage simultané de chaud et de froid ce qui n’est pas possible en une seule cuve de stockage à eau. Les Figure 11 et Figure 12 montrent deux projets basés sur les champs de sondes en Allemagne et en Suisse. A part les champs de sondes, des cuves à eau pour un stockage à plus courte durée est intégré dans le système.

Figure 11 : Le projet de CSHPSS de Crailsheim en Allemagne pour un quartier neuf où un réseau de distribution de chaleur à basse température est envisagé [Ecostock 2006]

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Figure 12 : Le plus grand stock diffusif de Suisse comprend 40 sondes de 160m de profondeur (Après deux ans de suivi le bon fonctionnement du stock a été prouvé, mais la recharge par le circuit capteurs est insuffisante du fait du design des circuits comme souvent trop complexe)

Stockage dans des nappes aquifères : Le stockage dans des nappes aquifères permet de stocker de l’énergie directement (sans intégration de sondes géothermiques) dans des nappes existantes. Cette technologie est assez courant aux Pays Bas et en Belgique pour le stockage de froid (Figure 13) et est maintenant aussi utilisé dans d’autres projets pour le stockage de chaleur. L’exemple le plus connu est celui du Reichstag à Berlin qui stocke de la chaleur et du froid dans deux nappes aquifères, situées à différentes profondeurs.

Figure 13 : Stockage de froid dans un aquifère pour une banque en Belgique [www.iea-eces.org]

Un exemple de la charge et décharge d’un stock saisonnier en bassin est montré dans la Figure 14. Un résultat typique est, pour le cas où on n’obtient pas d’autonomie complète,

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une décharge en début de l’hiver avec une sollicitation de plus en plus forte en fin d’hiver. Le stock est insuffisant dés janvier et un appoint gaz doit être utilisé. Si l’on veut couvrir les trois premiers mois de l’année avec le stock saisonnier, son dimensionnement augmente fortement et ce n’est pas pour le moment raisonnable. Ce qui milite pour les systèmes bivalents à pompe à chaleur et fait baisser les températures du stock donc son usage.

Figure 14 : Exemple typique de bilan de stock saisonnier en bassin de 5000m3 chargé par 2500m² de capteurs solaires (Reuss et al., Ecostock 2006)

3. Le niveau de température Les gammes de température varient de 0C à 100°C dans les applications liées au refroidissement, ou au chauffage de locaux ou d’eau sanitaire ou industrielle.

2.1.3

Critères d’un bon système de stockage

Les qualités d’un bon médium de stockage sont dès lors : a) Quantité maximale de chaleur stockable par unité de volume. b) Pertes thermiques faibles c) Coefficient d'échange thermique favorable. d) Toxicité et risques d'incendie minimaux. e) Réversibilité sur un grand nombre de cycles (pour les matériaux à changement de phase). f) Matériau de base bon marché g) Matériau compatible avec des réservoirs économiques. La Figure 15 montre l’impact du volume de stockage sur les pertes spécifiques. On voit clairement l’intérêt de nouveaux systèmes de stockage de chaleur (par exemple le stockage latent, à ad(d)sorption etc.) à volume réduit.

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Figure 15 : Effet de taille : les grands stocks ont des pertes spécifiques très faibles (Hadorn 1988)

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2.1.4

Récapitulatif des applications de stockage thermique Niveau de températures [°C] 18-26

Application

Cible de bâtiment

Etat de développement

Leaders

Chauffage passif

Tous

Très répandu mais peu calculé

Inertie rapportée (PCM) Cuve à glace ou nodules

18-24

Confort passif

Tous

0-10

Ecrétage de pointes tarifaires d’électricité

Cuve à eau

10-100

Eau chaude et chauffage

Cuve avec PCM

10-70

Eau chaude sanitaire

Commercial et administratif refroidis Individuel collectif individuel

Balbutiant dans le marché Commercial mais part de marché encore faible Marché de masse

USA Norvège Allemagne France Suisse Allemagne Espagne USA Asie

Adsorption fermée sur lit poreux Adsorption ouvert sur lit poreux Absorption

40-120

individuel

Recherche

20-40

Chauffage de l’air

individuel

Recherche

0-60

Refroidissement

individuel

Thermochimique Cuve à eau

60-200 20-90

Chauffage Chauffage

? Individuel Collectif

Diffusif avec pompe à chaleur

5-17

Eau chaude et chauffage

Individuel Collectif

Réfrigérateurs industriels Pompe à chaleur réversible au stade de prototype Recherche Démonstrations réussies, restent chères Démonstrations réussies, développement débutant

Diffusif sans pompe à chaleur

30-60

Chauffage

Collectif

Pilotes

Aquifère sans pompe à chaleur

5-15

Refroidissement

Collectif

Développement en Europe du Nord

Aquifère sans pompe à chaleur

25-65

Eau chaude et chauffage

Collectif

Pilotes difficiles à exploiter

Adsorption fermée sur lit poreux

30-60

Chauffage

Individuel

Adsorption ouvert sur lit poreux

20-60

Chauffage

Individuel

Thermochimique

60-200

Chauffage

Recherche fondamentale de matériau Recherche fondamentale de matériau Recherche théorique de réaction

Classement

Technique

Stockage diurne

Structure bâtiment

Stockage saisonnier

Recherche appliquée et technologique

Europe Suisse Autriche Espagne Danemark Allemagne Suisse Allemagne Allemagne France

Pays-Bas Allemagne Danemark Suède Autriche Suisse Allemagne Suède Pays-Bas Allemagne Suisse Canada Pays-Bas Belgique Allemagne Suède Allemagne USA Suisse Allemagne Autriche Allemagne

Pays-Bas

Tableau 1 : Techniques, gammes de températures et applications du stockage diurne et saisonnier (Hadorn 2005)

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2.2

Horizon temporel

2.2.1

Stockage pour eau chaude sanitaire

o Marché actuel : Pratiquement tout bâtiment d’habitation possède un stock d’eau chaude pour 3 raisons: répondre à la puissance d’appel, bénéficier d’un tarif avantageux lors de la production, découplé de la période de consommation et d’assurer un meilleur confort. Le marché est un marché de masse. Environ 100 millions de ballons installés en Europe, avec un renouvellement que nous estimons à 10 millions d’unités par an. o Dans 2 ans : pas d’évolution significative à attendre. o Dans 5 ans : lente évolution vers des ballons mieux isolés, à faible points thermiques, plus compactes, à connexions intégrées en périphérie pour simplifier le « plug and play » = raccordé facilement, avec des matériaux sans PVC ou PU, plus facilement recyclable (déconstruction aisée car sans colles ni solvants) pour le haut de gamme, avec autodiagnostic et information de l’utilisateur sur le fonctionnement. o Dans 10 ans : évolution vers des ballons acceptant les « multi-énergies », de manière peu efficace au début du fait de la complexité de la gestion d’un système multi-sources. En parallèle, le marché de base risque d’être inondé par des produits à faible coût en provenance de Chine (un ballon électrique de 300 l à moins de 200 €). 2.2.2

Stockage par inertie du bâtiment

o Marché actuel : le marché est l’ensemble du marché de la construction, mais le plus souvent le stockage procuré par les structures du bâtiment n’est ni « réfléchi » ni optimisé. La nouvelle réglementation thermique RT2005 en France permet de mieux appréhender le phénomène pour le cas estival. Les maisons avec isolation par l’extérieur bénéficient d’un stockage inertiel avantageux pour les gains solaires d’hiver et le confort d’été. La pratique n’est cependant pas très répandue en France. Pour améliorer l’inertie de parois minces, on a fait appel aux matériaux à changement de phase autour de la température de confort de 24 à 26°C. Ainsi un mélange plâtre – paraffine a été imaginé dans les années 70. Mais l’inflammabilité et le suintement du panneau ont bloqué tout développement commercial. Grâce à la technique de « microencapsulation » qui élimine les 2 problèmes, on a vu apparaître ces dernières années des panneaux minces dotés de microbilles de 2 à 20 micromètres en copolymères remplis de paraffine ou de cire (Micronal-BASF/août2004, http://www.basf.com/corporate/080204_micronal.htm, Energain de Dupont http://www2.dupont.com/Energain/en_GB/news_events/article20060413.html depuis avril 2006, à 21.7C avec feuilles d’aluminium surtout pour ralentir la propagation d’incendie). La capacité thermique d’un panneau de plâtre, gâché avec 30% de Micronal, de 1.5 cm d’épaisseur équivaut ainsi à celle d’une paroi de 12 cm de briques. Dans un calcul simple, BASF montre que la durée d’amortissement d’un panneau peut être de 5 ans, grâce aux économies de climatisation. Le produit Cooldeck de Climator (www.climator.com) est aussi sur le marché depuis 2 ans. Le marché actuel est faible, des rénovations pilotes sont en cours dont les résultats devraient sous-tendre le marketing de ces produits. o Dans 2 ans : les panneaux à inertie renforcée sont reconnus utiles grâce aux pilotes en cours. Les planchers solaires directs continuent leur pénétration sur le marché français mais en forte concurrence avec les systèmes solaires combinés à cuve. o Dans 5 ans : un marché se crée si le surcoût est raisonnable o Dans 10 ans : de nouveaux produits apparaissent en micro-encapsulation 2.2.3

Stockage tampon dans les réseaux de chaleur à distance

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o Marché actuel : les réseaux de chaleur au bois se développent dans toute l’Europe, et un stock tampon doit être dimensionné correctement pour optimiser le fonctionnement de la chaudière dans sa plage de charge où elle est la plus efficace. o Dans 2 ans : pas d’évolution particulière à attendre o Dans 5 ans : idem o Dans 10 ans : toujours des cuves à eau, peut-être plus optimisées par calcul et expérience, surtout si les centrales à cogénération produisant électricité et chaleur se généralisent, le stockage tampon devenant impératif pour lisser la production globale. 2.2.4

Stockage pour chauffage individuel à partir de sources intermittentes (bois, solaire, pompe à chaleur)

o Marché actuel : le marché est avant tout celui du solaire thermique, soit environ 1 stock de 400 à 500 l pour 6 à 12 m2 de capteurs. Les chaudières à granulés sont rarement équipées de stock tampon mais le seront sans doute de plus en plus. Les pompes à chaleur ont un stock côté distribution lorsque la distribution est très peu inerte (pas de chauffage de sol notamment). o Dans 2 ans : la cuve à eau dominera encore le marché o Dans 5 ans : une part de marché faible pourrait être prise par des combinaisons de stockage (eau et PCM), le rendant plus dense et donc moins volumineux, mais ce ne seront que des prototypes encore. o Dans 10 ans : le stockage thermochimique pourrait avoir fourni de nouvelles solutions pour le stockage dense dans les installations où les clients recherchent une fraction solaire élevée. 2.2.5

Stockage tampon pour limiter les émissions de polluants

A l’heure actuelle, il n’y a encore que peu d’installations à gaz ou mazout dotées d’un stock optimisé pour limiter les émissions de polluants. Les travaux scientifiques sont en cours pour justifier l’investissement. o Marché actuel : le marché est à ouvrir avec des arguments convaincants, et sous l’effet de taxes telles celles sur le CO2 ou sur le NOx un jour, on pourrait voir un marché se développer o Dans 2 ans : début d’argumentation scientifique o Dans 5 ans : début d’argumentation commerciale o Dans 10 ans : les stocks tampons sont intégrés dans les chaudières si leur intérêt écologique et économique est prouvé. 2.2.6

Stockage saisonnier de chaleur

o Marché actuel : le marché est très limité en ce qui concerne les stocks à usage direct (sans pompe à chaleur), quelques unités par an, à visée de prototype. Le marché des groupes de sondes pour pompe à chaleur avec recharge estivale (on ne parle pas ici des sondes uniques où il n’y a pas stockage véritable) est un peu plus développé surtout en Suisse, Autriche et Allemagne. On compte environ 10 à 20 unités par an avec 10 à 100 sondes de 100 m de profondeur en ordre de grandeur. Le stockage de froid dans les aquifères s’est par contre développé dans le nord de l’Europe du fait de sa rentabilité très bonne (entre 0 et 5 ans de temps de retour) o Dans 2 ans : peu d’évolutions notables pour le chaud, développement du recours aux aquifères pour le froid en été o Dans 5 ans : un début de développement de marché du stock saisonnier pour les ensembles bâtis, début de déploiement mondial des solutions avec aquifères pour le froid o Dans 10 ans : des solutions pour l’individuel très économe en demande (thermochimie, cuve super isolée) pourraient être disponibles (si on se donne les moyens de la recherche en Europe sur ce thème)

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2.3

Barrières à la diffusion des nouvelles technologies de stockage 1. pour les parois inertielles a. le manque d’information des professionnels b. les méthodes de calcul peu développées, peu intégrées c. le coût d. la crédibilité de la solution est encore insuffisante e. le rapport coût /bénéfice pas encore suffisamment démontré et propagé 2. pour le stockage dans les dalles a. la plus grande difficulté de mise en oeuvre b. le rapport coût /bénéfice pas encore totalement connu ou démontré 3. pour le stockage dans les systèmes solaires combinés a. ce n’est pas le stockage la barrière, éventuellement son encombrement, mais le coût du système complet b. la relative faible fraction solaire (30 à 50%) nécessitant un auxiliaire comme…principal 4. pour le stockage dans les installations à bois a. le rapport coût /bénéfice pas encore suffisamment démontré et propagé b. les méthodes de calcul d’optimum sont peu développées 5. pour le stockage saisonnier de chaleur mutualisé (CSHPSS) a. la méconnaissance des professionnels des possibilités b. l’investissement initial important c. le bas prix des fossiles d. l’encombrement du stock e. le risque à prendre (reconnaissances géologiques nécessaires) 6. pour le stockage saisonnier de froid en aquifère a. les conditions géologiques favorables b. la méconnaissance des professionnels 7. pour le stockage saisonnier individuel a. le manque de solution de stockage compact b. l’encombrement d’une cuve c. le coût global d. le manque d’offres clé en main sur le marché

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2.4

Champs d’application

Le nombre et le type d’applications de projets de stockage varient énormément selon la technique considérée. La figure ci-dessous résume les applications.

Tableau 2 : Applications typiques des différentes techniques de stockage

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2.5 2.5.1

Impacts Impacts énergétiques

Le stockage diurne est important pour les sources intermittentes. Sans stockage, une installation solaire pour l’eau chaude ne fournirait que le 1/100 de ce qu’elle peut fournir avec un stock, et ce d’autant moins que les besoins ne seraient pas en phase avec la présence de soleil. Le stockage saisonnier permet d’augmenter l’efficacité ou la productivité des capteurs plans. Une installation de 20 m² de capteurs par logement avec un stockage diurne a une productivité de l’ordre de 200 à 250 kWh/m2 de capteurs an latitude 45N. Avec un stock saisonnier performant cette valeur peut doubler car l’énergie d’été sera utilisée en hiver. 2.5.2

Impacts environnementaux

Les stocks diurnes ont des impacts directs limités car ils sont de petite taille. Les stocks saisonniers peuvent avoir une emprise au sol importante mais sans conséquence néfaste pour le sol. Les stocks de chaleur en aquifère peuvent avoir des impacts lors du traitement chimiques des eaux, par exemple pour éviter la précipitation de calcaire dans les échangeurs. Les stocks saisonniers permettent en densifiant l’usage du solaire de diminuer les impacts CO2 et NOx des installations que le solaire remplace. Les stocks de froid en aquifère également bien sûr, et ceci à été chiffré dans une étude récente en termes de CO2 évités.

Tableau 3 : Réalisations de stockage de froid aux Pays-Bas et la réduction de CO2 entraînée par le choix de l’aquifère plutôt qu’un compresseur (IF Technology 2004)

La perturbation thermique qu’engendre un stock souterrain doit être maîtrisée au niveau du projet, par simulation. Le bilan de charge et de décharge doit être équilibré, spécialement pour les stocks par sondes faute de quoi, en surexploitation hivernale du stock, les pompes à chaleur risquent de ne plus fonctionner après 10 ou 15 ans.

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Figure 16 : analyse par simulation 2D de l’impact thermique d’un stock de froid pour obtenir une autorisation de la part du service hydrogéologique local (IF Technology 2004)

ETAPE 3: MISE EN OEUVRE

3.1 3.1.1

Fiabilité de mise en œuvre sur chantier Conception adaptée au bâtiment

Les stocks court terme sont génériques pour les installations classiques fossiles. Le projeteur assemble le composant stockage dans son système. Pour le solaire, il faut avoir un ensemble cohérent simulé ou testé au banc au préalable du fait de la forte interaction entre température du stock et production des capteurs. La conception du stock est fondamentale (stratification, taille, échangeurs, matériaux, position des sondes, syphons, etc.). On tend de plus en plus à développer des systèmes en kit optimisés a priori. Les stocks saisonniers nécessitent une étude de détail qui peut être lourde (reconnaissance géologique et tests in situ). Dans tous les cas, une adaptation d’un concept existant au site particulier est nécessaire pour le moment car il n’y a pas assez de recul pour avoir des concepts totalement génériques. Sauf dans le cas des aquifères pour le rafraîchissement où l’on a désormais des solutions génériques pour les équipements de surface ; une adaptation aux conditions hydrogéologiques est quand même nécessaire. Lors de la phase projet ou de la conception, les intervenants de l’ensemble d’un projet de bâtiment ne sont pas consultés dans les projets de stockage non saisonniers. La technologie est considérée comme une technologie de soutien, tout comme les pompes ou les vannes. Dans le cas de stock saisonnier, l’impact sur le bâtiment est plus important (place réservée, besoins couverts, aspect novateur) de sorte que c’est l’ensemble des acteurs qui en général décident de se lancer après une longue phase de questionnements pour lesquels il peut être difficile de trouver un expert et des réponses ! Lors de l’exploitation, le responsable de la chaufferie joue un rôle crucial pour assurer le bon fonctionnement des installations. Il ne peut cependant faire des prouesses si le système est mal conçu surtout dans la gestion d’un stock dont les entrées et sorties sont préprogrammées. Il convient donc de porter une attention particulière à un fonctionnement optimisé par simulation dans le cas des

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grandes installations. La difficulté principale est comme toujours de prédire de manière relativement exacte les consommations futures. 3.1.2

Acceptation par les acteurs

Pour le stockage diurne, le désavantage est la place occupée, mais il est faible en regard du bénéfice. Pour les réseaux de chaleur à bois, l’optimum est à calculer de cas en cas pour ne devoir abriter que le volume de cuve optimale. Pour le stockage saisonnier, l’acceptation par la profession n’est pour le moment quasi-nulle faute d’information correcte et de pilotes probants dans tous les pays. En Allemagne il est cependant plus facile de convaincre un maître d’ouvrage en se basant sur les exemples existants qui sont assez bien relayés par la presse. Le coût est alors le frein, tant que les fossiles seront aidés par l’absence de taxe de pollution. Les temps de planification et de réalisation sont plus longs que pour une chaufferie classique et surtout il faut démarrer l’idée du solaire couplé au stockage saisonnier dès les esquisses. 3.1.3

Compétence des acteurs

Le stockage saisonnier nécessite surtout un bureau d’études compétent. Le reste est de l’exécution standard pour les entreprises. Il y a des points difficiles lors du projet (par exemple étanchéité, drainage, etc..) qui ont nécessité par le passé des recherches en collaboration avec des universités. Des solutions ont été testées, mais il reste des zones grises où le risque de projet doit encore être pris. Un soutien des pouvoirs publics dans les nouveaux projets est de ce point de vue souhaitable pour aider par des mesures ou des études en cas de besoin. 3.1.4

Adaptation des professions existantes

Les professions concernées par le stockage sont: - les architectes - les promoteurs - les bureaux d’études en chauffage - les ingénieurs civils - les hydrogéologues - les chimistes des eaux souterraines - les installateurs en chauffage - les chaudronniers et soudeurs - les isoleurs - les électroniciens et fabricants de régulation - les électriciens et fabricants de sondes de température - les entreprises de chauffage - les entreprises de tubes plastiques - les entreprises de cuves - les entreprises de forage. Les professions qui nécessitent le plus d’amélioration de compétence sont les BET et les installateurs. La formation est difficile à organiser : - d’une part il y a peu de spécialistes pouvant enseigner, sauf peut-être en Allemagne, - d’autre part il y a un marché non récurrent pour le moment, de sorte que les BET hésitent à demander à se former.

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On assiste plutôt à une implantation locale des BET qui ont la compétence. Par exemple IF technologie des Pays-Bas s’est implanté en Belgique, au Canada et sans doute prochainement en France. 3.1.5

Besoin de nouvelles professions adaptées

Depuis 10 ans, il n’y a pas eu émergence de nouvelles professions telles que : - foreurs et équipementiers de sondes terrestres à 100 ou 200 m de profondeur, par les foreurs qui ont appris les techniques petit à petit (cours en Suisse par exemple) - ingénieurs en énergétique solaire et stockage - ingénieurs en stockage de froid (avec des concepts tels que ceux de Cristopia par exemple, et aux USA de plus en plus). Les BET classiques n’ont pas encore totalement intégré de méthodes de calcul pour optimiser un stock de chaleur ou de froid. Il faut dire qu’il y a peu de logiciels disponibles, à part TRNYSY, sans doute trop difficile à prendre en main pour la plupart des bureaux d’études. Pour le stockage solaire, la version 4.0 de Polysun par exemple permet pas mal de latitude avec une interface très simple. 3.2

Modalités de gestion, d’exploitation et de maintenance

Il n’y a pas encore assez de recul pour les parois inertielles pour répondre à la question de la durée de vie et de la maintenance. Compte tenu des microcapsules qui sont comme de la farine, il est probable qu’il n’y aura pas de problème de maintenance mais de durabilité de la fonction et ceci peut être testé en cycles accélérés au laboratoire a priori. Une cuve de stockage de chaleur dure entre 12 et 20 ans. Il n’y a pas de maintenance particulière sauf une surveillance classique. L’expérience est de plus de 100 ans en ce domaine. Un stockage saisonnier est conçu pour durer plus de 20 ans. Certains éléments devraient durer beaucoup plus (sondes en terre), mais il faut prévoir de pouvoir remplacer certaines connections en surface si nécessaire, et surtout de pouvoir effectuer un diagnostic de recherche de la partie déficiente. Un stock souterrain diffusif nécessite moins de maintenance qu’une cuve à eau car en principe tout est confiné (attention au choix des tubes cependant avec la diffusion d’oxygène). Le stockage en aquifère requiert une maintenance très dépendante des conditions d’équilibre chimico-physique des eaux locales. Pour des stocks dépassant 30 à 40 °C, ceci peut ruiner l’économie du stock et mérite une très grande attention lors du projet. Ce qui limite pratiquement ce genre de stock à de très grands projets ou avec des aides publiques, qui peuvent payer des études préliminaires d’ampleur. 3.3

Incitations réglementaire, fiscale, modalités de financement

Il n’y a pas de loi d’incitations en matière de stockage, tout au plus sa nécessité ou son caractère utile sont cités dans les textes pour rendre attentifs le projeteur. Le financement de grands stocks saisonniers est un exercice singulier à chaque fois pour le moment. Mais si ils sont liés à des capteurs solaires, le problème est sur la partie solaire en fait et est classique désormais. Pour promouvoir le stockage de chaleur efficace et/ou optimale, une bonne mesure serait : - d’organiser un cours et des travaux pratiques (3 à 5 jours) ; - de réaliser un support de cours et un didacticiel ; - de paramétrer un logiciel pour calculer les cas usuels ; - de délivrer un certificat de capacité aux BET qui ont suivi le cours ; - de financer par les pouvoirs publics des pilotes dans le pays, inspiré des pays en avance mais avec les contraintes locales (législatives et techniques) ; - de diffuser le savoir ;

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d’obtenir des financements privilégiés pour les installations solaires dépassant 50% solaire en habitat groupé, voire une défiscalisation des coûts du projet pour le maître d’ouvrage.

ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS DANS LES PAYS CONCERNES

4.1

Les performances

4.1.1

Energie

Les performances d’un stock dans un système peuvent être évalués : a) par mesure : il faut une instrumentation assez lourde et précise (les compteurs de chaleur sont souvent imprécis) et une campagne sur plusieurs jours pour les stocks d’usage récurrent, de plusieurs mois pour les stocks diurnes solaires, et d’au minimum 2 ans pour les stocks saisonniers. Les mesures sur les stocks sont analysés selon 3 axes : - la performance globale du système, plus intéressante que la seule performance de stockage, - le bilan énergétique du stock (entrée-sortie, delta) - l’évolution des températures à différents points. b) par simulation : il faut disposer d’un modèle du composant stockage et d’un modèle du système avec le composant. Beaucoup de travaux ont été fait depuis 1977 pour la modélisation de tous les types de stocks saisonniers. On dispose désormais de modèles validés, en composant dans TRNSYS pour les cuves à eau (SST de Lund et Type 4 amélioré par ITW) et les stocks diffusifs souterrains sous certaines conditions d’homogénéité (DST). L’aquifère froid n’a pas de modèle TRNSYS complet (à part AST qui simule un puits unique) et le savoir-faire est dans les BET. L’aquifère chaud est toujours un problème du fait de la convection naturelle. Seuls les modèles de composant (éléments finis 2D ou 3D) existent, et lors de l’étude d’un système, des itérations manuelles entre modèles sont nécessaires. Pour les pieux échangeurs et les sondes multiples avec pompe à chaleur, la Suisse a développé le logiciel de dimensionnement Pilesim (TRNSED). Pour les parois inertielles à PCM, des modèles de composants sont dans certains laboratoires qui ont participé à la mise au point des panneaux (ISE). Pour les dalles, des modèles simplifiés ont été introduits dans TRNSYS (LASEN EPFL, EMPA). Les performances des stocks dépendent de la durée de stockage, de la température de travail, et de la constante de temps du stock. En général un stock court terme a une efficacité énergétique de l’ordre de 80% (soit 20% de pertes thermiques sur 1 jour). Un stock saisonnier peut voir son efficacité variée de 30 à 70% selon sa taille et le nombre de cycles déjà réalisés. Le stock saisonnier de 3'500 m3 en terre de Vaulruz en Suisse a une efficacité de 95% car il travaille entre 55C et 5C grâce à une pompe à chaleur. L’efficacité énergétique est cependant insuffisante comme notion. Il faut parler en efficacité exérgétique en fait mais la notion est délicate à manipuler et à comparer. L’important est la température utile du stock, soit la température limite à partir de laquelle son énergie est inutile. Sans pompe à chaleur, elle est d’environ 25C, avec pompe à chaleur elle peut être 0C !

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La performance s’évalue surtout par celle du système complet, le plus souvent en simulation pour déterminer la « fraction solaire » d’une installation qui dépend de la qualité et de la quantité du stock selon en général une courbe hyperbolique donc avec inflexion et asymptote. 4.1.2

Stabilité, feu, tremblement de terre

Dans les stocks à paraffine, il y a un risque d’incendie, mais la microencapsulation dans les panneaux a écarté ce danger. Les fondations des grandes cuves doivent être dimensionnées pour encaisser les cas de charge dynamiques selon les normes locales. Les stocks souterrains diffusifs sont sujets à des dilatations qui inquiètent souvent les ingénieurs civils. Des essais sur des pieux ont été menés à l’EPF Lausanne en laboratoire il y a quelques années pour conclure aux faibles contraintes engendrées par le stockage entre 10 et 25 C. A plus haute température il est recommandé de laisser la surface d’un stock peu profond, libre de construction. A plus basse température il faut faire attention au danger de gel et surtout de dégel pour les pieux flottants. Le stockage en aquifère peut engendrer des modifications chimiques des eaux souterraines et une modification du régime des eaux. Une pré-étude doit être faite. Le projet SPEOS en Suisse (1979-1989) a montré que les autres risques étaient négligeables. 4.1.3

Impacts Environnemental et sanitaire

Une étude suisse des années 1980 avait évoqué les risques environnementaux du stockage souterrain. Pour le moment il n’y a pas de rapports de terrain qui parlent de risques importants avérés. Mais il convient de peser les risques avant de construire un stock souterrain. 4.1.4

Risques de dégradation des performances après mise en oeuvre

Le risque de non conformité puis de dégradation des performances escomptées est le plus important. Il y a des causes multiples qui peuvent engendrer ce risque : - Erreur de calcul ou plutôt de paramètres (fréquent pour le sous-sol) - mauvaise exécution - incidents de chantier (exemple : pluies diluviennes qui ont noyé l’isolation laine de verre de 36 cm d’une cuve à eau de 2500 m3 !) - comportement différent de celui prédit par le modèle (stratification !) - consommations différentes de la prévision (toujours observé !) - étapes de développement du projet retardées donc moins de consommateurs que prévus - isolant moins efficace dans le sol que prévu (Hadorn 1988 l’a déjà expliqué maintes fois sur la base d’expériences in situ…) - circulation parasite - thermosyphonnage - pertes d’étanchéité - fissuration - tasements différentiels - etc… Une des pertes les plus importantes dans les cuves en béton est la perte d’eau par diffusion de vapeur. A 80C durant 6 mois, aucun béton classique ne résiste et une perte de 0.5% par jour signifie 90% du stock parti en 180 jours !!!! et surtout aucun liner plastique ne résiste. Une feuille en inox à soudure double a été mise dans la cuve de Rottweil ! ITW Stuttgart a mené une longue étude pour aboutir à un béton spécial avec un cimentier allemand.

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La dégradation des performances peut provenir de la dégradation des matériaux, surtout des isolants, de colmatage de tubes et surtout du colmatage d’échangeurs, ou de modification de qualité d’eau souterraine par exemple. 4.1.5

Compatibilité des performances

Il y a souvent la question de savoir si il vaut mieux dans un projet faire un stock saisonnier super isolé ou mettre l’isolation en plus autour du consommateur ! Il faut se la poser. Mais la surisolation d’un bâtiment a des limites. Cette réflexion favorise également les grands stocks saisonniers souterrains qui n’ont pas besoin s’ils dépassent 20'000 m3 d’être isolés tout autour mais uniquement sur le sommet soumis à des pertes vers l’air extérieur. Ces stocks nécessitent toutefois une phase transitoire pour chauffer la masse de sol environnante. Selon la taille il faut compter entre 3 et 5 ans de performances réduites par rapport à la valeur nominale en régime permanent. C’est une énergie d’appoint nécessaire qu’il faut comptabiliser dans le bilan !

Figure 17 : Amélioration de la demande nette en chaleur d’un bâtiment par l’isolation renforcée puis par le recours au stockage saisonnier de chaleur solaire : on passe de 150 à 50 kWh/m²/an en demande totale en chaleur (ISE 1998, http://fv-sonnenenergie.de/publikationen/th9798_03.pdf)

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4.2 4.2.1

Coûts réels Coût initial - investissement

Les études de coût ont surtout été faites pour le stockage saisonnier d’envergure, le volume devenant la variable prépondérante, et les coûts fixes devenant marginaux. Pour un ballon d’eau chaude les coûts d’installation et les autres coûts fixes peuvent dominer et sont très dépendants des conditions locales et d’occupation des installateurs. En outre une comparaison de coûts avec d’autres solutions n’a de sens qu’au niveau des systèmes complets qu’il faut comparer à prestation identique. Par exemple une installation de préparation d’eau chaude sanitaire solaire comparée à une installation électrique, ou encore une chaufferie solaire + stockage saisonnier comparée à une chaufferie à mazout, ou enfin un réseau de chauffage à distance à bois avec un stock optimal et le même réseau sans stock. En ordre de grandeur, l’expérience nous a appris les coûts d’investissement suivants :

Tableau 4 : coût spécifique d’investissement pour différentes techniques de stockage [Hadorn d’après diverses sources]

La référence est le coût des énergies fossiles soit une valeur assez basse de l’ordre de 3 à 10 €cts/kWh thermique. En cas de stockage de froid, la valeur de référence est plus élevée (10 à15 €cts/kWh) du fait de l’efficacité limitée des compresseurs électriques pour la production de froid. Les conditions locales peuvent déterminer largement les coûts finaux. Le tableau suivant montre les coûts observés en Allemagne pour divers cas réels, du moins cher au plus cher. L’effet de taille est manifeste. Relevons que dans une installation solaire avec stockage saisonnier centralisé (CHSPSS), l’investissement initial est important, puisque la moitié de l’énergie durant 20 ans (à fraction solaire de 50%) est achetée en année 0 ! Il faut pouvoir financer cet investissement, ce qui est souvent une

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barrière, et en outre ceci rend dépendant les calculs du prix du kWh des taux d’intérêt obtenus à la construction.

Tableau 5 : coût d’investissement de stocks saisonniers en Allemagne [Hadorn d’après : ISE 2003, http://fvsonnenenergie.de/publikationen/th9798__03.pdf et 2001, http://www.fvsonnenenergie.de/publikationen/Worksho_01.pdf]

Il faut aussi savoir que l’étanchéité d’un stock saisonnier qui doit garder de l’eau et en plus chaude durant 6 mois est un problème très délicat. Plusieurs solutions ont été essayées en Allemagne avant d’aboutir au choix d’un béton nouveau ultra haute étanchéité.

Figure 18 : Techniques d’étanchéité de cuves à eau et répartition des coûts dans des projets récents en Allemagne (Séminaire OPET Neckarsulm 2001)

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La cuve de 205 m3 du projet Jenni est chiffrée à 422 €/m3 et ceci dans des conditions favorables du fait de la proximité de l’usine (500 m) et de l’isolation relativement faible à notre avis (25 cm).

Figure 19 : Répartition des coûts du stock central du projet 100% solaire de Jenni (Jenni 2006) Les capteurs dominent mais de peu pour cette application de taille modeste pour un stockage saisonnier (valeurs en CHF ; 1€ = 1.57 CHF)

Il est difficile de comparer les coûts du stockage avec un système qui serait par exemple sans stockage. Un chauffe-eau solaire sans stockage aurait une performance environ 20 fois moindre qu’avec un stock diurne, et dépendrait de la simultanéité de l’usage avec la présence de soleil. Même un chauffage solaire de piscine a un stock : la piscine elle-même ! Les coûts d’investissement des stocks ont été donnés précédemment. En ordre de grandeur ils sont de 5 €/m3 pour les grands aquifères à 1000 €/m3 pour les ballons de chauffe-eau.

Figure 20 : Coûts spécifiques de différents stocks saisonniers en Allemagne (Heidemann 2005 ; http://fvsonnenenergie.de/publikationen/themen05_r01_b02_01.pdf)

Le « nombre de cycles équivalent » (Hadorn 1988) qu’effectue un stock durant une année est un paramètre déterminant pour évaluer le coût de l’énergie produite par le stock.

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Exemples comparés : 1. Stock pour eau chaude sanitaire dans un grand ensemble locatif de 10 m3. Coût d’investissement : 10'000 € Durée d’un cycle : 24h Nombre de cycles équivalent dans l’année : 300 Energie introduite dans le stock entre 10 et 90°C : 10 * 1.163 * (90-10) = 930 kWh Pertes thermiques durant 1 cycle : 10% Energie produite par cycle : 837 kWh Taux d’intérêt de l’emprunt: 5% Amortissement sur 20 ans : 5% Entretien et maintenance : 2%/an Coût du kWh fourni : 10'000 * 0.12 / 300 / 837 * 100 = 0.5 € cts/kWh 2. Stock saisonnier pour une villa de 10 m3. Coût d’investissement : 15'000 € (isolation renforcée) Durée d’un cycle : max 3 à 6 mois Nombre de cycles équivalent dans l’année : 10 (attention un stockage saisonnier ne fait pas 1 seul cycle par an) Energie introduite dans le stock entre 10 et 90°C : 10 * 1.163 * (90-10) = 930 kWh Pertes thermiques durant 1 cycle : 25% Energie produite par cycle : 697 kWh Taux d’intérêt de l’emprunt: 5% Amortissement sur 20 ans : 5% Entretien et maintenance : 2%/an Coût du kWh fourni : 15'000 * 0.12 / 10 / 697 * 100 = 26 € cts/kWh !!! Ainsi de faible pour un chauffe-eau solaire (0.5) le coût du stock dans la composition d’un kWh solaire passe à une valeur très importante (26cts€) et ce sans même considérer le coût de production de la chaleur. Le nombre de cycles est bien la valeur cruciale pour apprécier le coût de l’énergie fournie par un stock. Dans une installation solaire avec stock saisonnier la productivité des capteurs peut être doublée. Mais ceci ne suffit pas pour réduire le coût de l’énergie de l’ensemble. Les stocks saisonniers doivent coûter le minimum pour permettre une rentabilité d’une installation. 4.2.2

Coût opérationnel – exploitation - maintenance

On peut aussi comparer le solaire avec stockage saisonnier avec le solaire domestique pour l’eau sanitaire (CESI). C’est ce que le Tableau 6 tente de faire dans les conditions de l’Allemagne, en donnant les caractéristiques techniques de 3 systèmes : • Chauffe-eau solaire • Chaufferie solaire central avec stock court terme (dans le jargon du métier : CSHPDS) • Idem mais avec un stock long terme hypothétique (dans le jargon CSHPSS) sous forme d’une cuve dimensionnée avec 1.4 à 2.1 m3 d’eau par m2 de capteurs plans

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Tableau 6 : Comparaison entre 3 solutions solaires en Allemagne [Mangold et al., 2003] http://www.itw.uni-stuttgart.de/ITWHomepage/Sun/deutsch/public/pdfDateien/03-09.pdf) On constate que selon cette étude basée sur l’expérience de 15 ans, le solaire domestique (CESI) produit de la chaleur entre 15 et 30 €cts/kWh alors qu’une installation centrale, dans la mesure où elle est possible pour 30 logements ou plus, produit à moitié coût. Un stock saisonnier pour une habitat groupé de 100 logements avec réseau de distribution à basse température engendre un surcoût tout à fait raisonnable (16 à 42 €cts/kWh) par rapport aux chauffe-eau individuels, mais procure une fraction solaire de plus de 40 à 60% en réalisant une part importante du chauffage contre 15% pour la solution chauffe-eau. Si l’on valorise les émissions de CO2 du chauffage concurrent, le stockage saisonnier deviendrait plus intéressant encore. Si l’on examine divers systèmes « CSHPSS » avec des technologies de stockage saisonnier différentes entre eux, on obtient pour les projets récents de l’Allemagne le Tableau 7: - Les coûts du kWh solaire ont été de 16 à 42 €cts/kWh corroborant les valeurs considérées précédemment, pour des fractions solaires de 30 à 50%. - Le stockage en cuve à eau paraît plus coûteux que le stockage par sondes, mais le nombre d’installations de l’échantillon est insuffisant pour être péremptoire.

Tableau 7 : comparaison de 5 projets de centrales solaires de chaleur avec stockage saisonnier de types différents réalisés entre 1996 et 2000 [Mangold et al., 2003, http://www.itw.unistuttgart.de/ITWHomepage/Sun/deutsch/public/pdfDateien/03-09.pdf]

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Les projets de stockage saisonnier dit de 2ème et 3ème génération réalisés entre 1998 et 2004 sont à l’étude en Allemagne. Les résultats indiquent (Tableau 7) : - Les coûts du kWh restent entre 16 et 42 €cts/kWh - Les installations les plus récentes ont les coûts les plus bas de 16 €cts/kWh, pour des fractions solaires dépassant 50%, ce qui les amènent dans des zones compétitives même avec du fossile qui est aujourd’hui entre 8 et 15 €cts/kWh dans des installations individuels. La difficulté des systèmes solaires est qu’ils ne sont pas monovalents, même avec un stockage dit saisonnier, en tout cas pour le moment, et de ce fait un investissement pour l’appoint est nécessaire et renchérit le coût total du kWh fourni. Le stockage saisonnier de froid en aquifère est quant à lui rentable au moins aux Pays-Bas où les aquifères sont répandus et à faible profondeur. Les temps de retour sont entre 0 et 5 ans dans la plupart des cas ce qui explique le fort développement de la technique depuis 15 ans.

Figure 21 : Développement du nombre de projets de stockage de froid en aquifère aux Pays-Bas [Ecostock 2006, http://intraweb.stockton.edu/eyos/energy_studies/content/docs/FINAL_PRESENTATIONS/3A-2.pdf]

Les coûts d’exploitation et de maintenance d’un ballon solaire sont très faibles. Les coûts d’exploitation des stocks de grande taille sont composés: - de l’électricité pour les circuits de charge /décharge éventuels, surtout dans le cas des stocks souterrains par sones - de l’électricité pour le pompage/injection dans le cas des aquifères - des produits chimiques de traitement dans le cas des aquifères. On doit les calculer de cas en cas, et veiller à minimiser les pertes de charge dans les circuits. Les coûts de maintenance des stocks souterrains peuvent être importants. Il convient dès lors de provisionner ces coûts à raison de 1% de l’investissement par an. 4.2.3

Relation entre coûts et performances avec et sans aides

Les parois inertielles ont des temps de retour difficiles à évaluer : quel est la valeur du confort intérieur en été ? On compare à une installation de climatisation dans la règle, et l’on trouve des temps de 5 à 10 ans selon les prix de l’électricité et la structure du bâtiment. Les cuves à eau dans les installations solaires actives ne peuvent être dissociées de l’ensemble du système. Les temps de retour pour des CESI sont de 10 à 20 ans selon les conditions d’aide et le référentiel. Les installations solaires avec stocks saisonniers sans pompe à chaleur ont des temps de retour dépassant 20 ans, si le référentiel est la chaufferie simple à gaz ou mazout et en l’absence d’aide particulière. Les coûts du kWh solaire sont de l’ordre de 18 à 30 €cts.

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Les stocks de froid en aquifère ont des temps de retour de1 à 5 ans car ils sont é comparer avec des installations de production de froid par compression avec des COP médiocres et dans la période estivale où le prix de l’électricité grimpe. 4.3

Le vecu des utilisateurs

Il n’existe pas à notre connaissance d’enquête de satisfaction client pour le stockage seul. 4.4

Vitesse de diffusion dans le pays

Deux pays ont des programmes de promotion du stockage de chaleur: l’Allemagne et la Suisse. Ces programmes sont limités et se concentrent sur la démonstration d’installations et l’analyse des résultats. Ce support est néanmoins très précieux pour développer une technologie qui recouvre plusieurs domaines. 4.4.1

Actions de diffusion

La diffusion du savoir acquis sur les projets de démonstration en Allemagne, Suisse et Autriche se fait par: o des articles scientifiques lors de séminaires nationaux et de conférences internationales ; o des articles dans les magazines sur l’énergie renouvelable (erneuerbare energie en A, énergie solaire en CH, sonne wind und wärme en Allemagne) ; o des fiches techniques (BINE en Allemagne) ; o des sites Internet (par exemple www.solarch.ch en Suisse). La cible des messages est principalement le bureau d’études ou d’architecte susceptible de proposer ensuite une solution avec stockage à son client. En Suisse, entre 1998 et 2001, une recherche active de projets de 100 logements neufs ou en rénovation a été faite dans la région de Zürich afin de réaliser un premier cas de stockage solaire dans un stock diffusif sans recours à une pompe à chaleur. Et ce à la suite d’une étude détaillée durant 3 ans des solutions possibles. Il a été très difficile de localiser un cas intéressant et finalement le projet a buté sur une rénovation de 100 logements sociaux par impossibilité d’obtenir une température de retour au stock suffisamment basse dans cette rénovation. Le faible nombre de cas dans l’ensemble rend difficile le retour d’expériences synthétiques. Les stocks de froid dans des aquifères sont promus par IF technology des Pays-Bas lors de conférences nationales et en visite directe vers des maîtres d’ouvrage. Une stratégie payante car les temps de retours sont très favorables. 4.4.2

Actions d’exportation de la technologie

L’Allemagne s’est lancée dans le stockage saisonnier en 1985-1990. Elle a suivi la Suède et c’est Norbert Fisch d’ITW Stuttgart à l’époque qui a poussé en Allemagne pour faire connaître les technologies possibles. Il était aidé par Jan-Olof Dalenbäck de Chalmers qui était invité par Fisch dans toutes les conférences nationales allemandes et venait montrer l’expérience et l’avance suédoise dans le domaine. Grâce à un projet Altener, un réseau d’échanges à propos des grandes installations solaires a été créé (http://www.enerma.cit.chalmers.se/CSHP/Eurotop.htm). La stratégie a payé, l’Allemagne est désormais le leader dans ces techniques. Des exemples d’exportation sont:

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IF technology des Pays-Bas fait depuis 15 ans la promotion des stocks de froid en aquifère et a réussi des percées en Allemagne, Belgique, Suède et Canada ; Lund University a exporté son savoir faire dans le calcul des sondes et groupes de sondes depuis 20 ans en Scandinavie, Hollande, Allemagne, Suisse, Etat-Unis et Canada ; Le bureau Berchtold en Suisse exporte son savoir faire en matière de stocks diffusifs avec pompe à chaleur, acquis via des projets pilotes aidés financièrement par la confédération suisse, en Allemagne ; Le premier stock diffusif sans pompe à chaleur du Canada (Drake Landing 2006) a été réalisé grâce à l’aide de IF technology auprès du bureau d’études canadien qui avaient rencontré IF lors de conférences internationales ; Plusieurs tentatives d’exportation de techniques de stocks saisonniers vers la France depuis l’Allemagne, la Suisse et les Pays-Bas ont été faites mais pour le moment sans succès. Le stockage dans les pieux de fondation pourrait être une ouverture après que les sondes uniques pour les pompes à chaleur aient connues depuis 5 ans une forte percée sur le marché français.

Certains chercheurs sont spécialisés dans la communication sur le stockage souterrain (Prof Sanner Giessen Allemagne, A. Snijders de IF technology, JO Dalenbäck de Chalmers en Suède, N Fisch d’Allemagne, W. Weiss d’Autriche, O. Andersson de Suède). Le rôle de l’IEA dans l’échange des connaissances a été très important depuis 1979 au travers des programmes ECES (www.iea-eces.org) et SHC (www.iea-shc.org). 5

ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRE DIMENSIONS ETUDIEES

5.1

Points forts, points faibles de l’innovation (Méthode SWOT)

Une innovation récente est la paroi mince inertielle, comprenant des microcapsules de matériau à changement de phase. En matière de stockage de chaleur, l’innovation principale des dernières années réside dans la mise en oeuvre du stockage saisonnier dans des installations pilotes. Une innovation concernant le stockage diurne pourrait voir le jour dans le futur dans la densité volumique du stockage. En 2006/2007, aucune solution commerciale ne se dessine dans ce domaine. Nous analysons ici le cas du stockage saisonnier de chaleur, dans une optique sans pompe à chaleur. 5.1.1

S : Strength - Forces

1. permet des taux de couverture solaire proche de 100% : le solaire monovalent devient possible ou avec un appoint minimum en terme d’énergie annuelle 2. procure une productivité annuelle des capteurs double d’une installation avec stock diurne seulement (env 500 kWh/m2 an), ce qui permet de mieux rentabiliser les capteurs (pour autant que le stock restitue ensuite l’énergie) 3. permet du stockage d’énergie gratuit ou moins cher 4. peut alléger la maintenance de systèmes de production en limitant le nombre d’enclenchement/déclenchement d’appareils 5. diminution de la puissance installée 5.1.2

W : Weakness - Faiblesses

1. ne permet pas toujours de se passer de l’investissement initial d’un système auxiliaire, qui sera utilisé en appoint ou en sécurité dans le meilleur des cas 2. coût d’investissement initial élevé, notamment pour les maisons individuelles

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3. Marché de niche surtout pour l’habitat neuf, d’une certaine taille (100 logements) et à isolation très poussée 4. les technologies souterraines difficilement reproductibles telles quelles dans un autre site 5. les technologies non souterraines consomment de l’espace en surface à coût non négligeable 6. les stocks saisonniers sont soumis à des pertes thermiques assez importantes du fait de la longue durée du stockage 7. son développement est conditionné à celui des technologies d’énergie renouvelable qui sont celles qui le nécessitent le plus du fait de leur intermittence 8. Le potentiel géologique peut être une faiblesse localement, ou la prsence d’une anppe d’eau potable, mais il y a beaucoup de lieux où le sous-sol est accesible pour le stockage (environ 30 à 50% du territoire bâti) 9. L’entretien peut être lourd. Cela peut nécessiter par exemple des traitements chimiques, d’où la question de l’innocuité par rapport à l’environnement. 10. La combinaison de compétences nécessaires en construction et en géotechnique existe en France via le BRGM au moins, mais il faudrait des formations complémentaires sans doute. 11. Les technologies du stockage saisonnier sont des compétences support d’autres systèmes, si bien qu’elles souffrent de leur éclatement et de leur dévalorisation par rapport à des techniques considérées plus « nobles », comme le solaire. Le stockage n’enthousiasme ni les professionnels, ni les clients. 12. Il n’existe pas de profession identifiée et structurée porteuse de la mission de promouvoir l’innovation des technologies du stockage. De ce fait, il y a peu de logiciels de simulation développés pour faciliter la conception. 13. Le point précédent et la complexité de conception impliquent pour le maître d’ouvrage une prise de risque plus importante à propos des performances. 14. Intégrer du stockage saisonnier nécessite une réflexion très en amont d’un projet de construction alors que ce n’est pas forcément la préoccupation principale du maître d’ouvrage à ce stade. Cela nécessite d’ailleurs des études préalables lourdes. 15. Le marché potentiel est plutôt limité à celui de la construction. 16. Selon la taille du stockage, il faut tenir compte d’une période transitoire assez longue, le régime permanent pouvant n’être atteint qu’au bout de quelques années. 5.1.3

O : Opportunities - Opportunités

1. l’augmentation récente des prix des fossiles qui sont le concurrent direct, mais les à coups sur le prix du pétrole tendent à se banaliser dans l’esprit du public 2. la conscience environnementale de l’Europe qui grandit 3. les taxes CO2 sur les fossiles 4. les aides de certains pays pour le développement du solaire thermique ou des réseaux de chaleur bois 5. le développement des pompes à chaleur : dans les grands ensembles, la sonde unique ne fonctionne pas, il faut un groupe de sondes et il faut recharger ! 6. La profession est de plus en plus sensible à la vision systémique et aux notions de performance de système. Cette tendance peut notamment favoriser des réflexions sur le stockage, comme élément d’un système optimisé. 7. Le développement des réseaux de chaleur est une opportunité de développer le stockage. 5.1.4

T : Threats - Menaces

1. le bas prix relatif des fossiles pour le chauffage pour longtemps encore 2. le marché du solaire thermique avec stock court terme a encore tout le futur devant lui avant que le stockage saisonnier ne soit considéré comme vraiment important 3. la concurrence des pompes à chaleur air/eau pour la villa

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4. le durcissement de la législation sur la qualité sanitaire de l’eau pourrait- être un frein au développement, ou pourrait rendre nécessaire un post-chauffage de l’eau comme c’est le cas en Allemagne depuis plusieurs années, sans que ceci soit un véritable frein 6

STEP 6: CONDITIONS DE TRANSPOSITION EN FRANCE

6.1

Les chances de la transposition en France

Les conditions suivantes rendent difficiles une transposition en France: 1. le marché solaire thermique est encore faible (100'000 m2 par an contre 600'000 en Allemagne) 2. le marché des pompes à chaleur a du retard par rapport aux pays qui ont développé le stockage, mais il tend à se développer fortement un réseau de chauffage de quartier à basse température peu fréquent ! 3. le chauffage solaire est peu répandu hors le plancher solaire direct. 4. la pratique de l’économie d’énergie dans le bâtiment en est au début ou presque 5. la norme HQE se focalise sur trop d’axes et ne permet pas de se concentrer sur l’énergie 6.2

Compatibilité avec le cadre réglemantaire et normatif français

Il n’y pas d’incompatibilité notable avec le cadre légal français pour le stockage saisonnier, pas plus que dans d’autres pays. La législation sur les eaux souterraines peut imposer selon les zones des restrictions. La RT2005 est favorable au développement du solaire pour l’eau sanitaire, mais ne comporte rien de particulier en faveur du stockage long terme. Le stockage de froid en paroi inertielle est favorisé par l’obligation du calcul de confort d’été. 6.3

Quelle dynamique d’acteurs nécessaire

On peut schématiser les actions à entreprendre ainsi: 1. faire connaître les possibilités du stockage saisonnier (cours, séminaires, etc..) 2. organiser des visites techniques dans les autres pays 3. réaliser quelques installations pilotes instrumentées avec un soutien de financement public 4. promouvoir et diffuser les succès auprès des techniciens mais aussi des maîtres d’ouvrage 5. renforcer fortement la R&D en matière de stockage dense (PCM, sorption, chimie) 6. imaginer une assurance publique en cas d’insuccès (pour les kWh non fournis, etc..) durant une période de lancement de 3 à 5 ans. 7. mettre en place une organisation fédérant les ressources sur les technologies du stockage 6.4

Disponibilité en France des compétences de pose

Il y a en France la base de compétences dans les bureaux d’études. Il faut cependant que les pionniers acquièrent des connaissances en lisant les publications des pays environnants et en effectuant des visites techniques. 6.5 6.5.1

Quels types d’incitations à envisager Réglementation technique

1. Favoriser les immeubles à basse consommation d’énergie 2. Favoriser l’énergie produite localement 3. Analyser le besoin de renforcer les exigences sur les pertes de chaleur des ballons 4. Développer des méthodes ou logiciels de calcul simplifiant l’approche (tel Pilesim ou Simbridge en Suisse) pour le solaire, la pompe à chaleur et les réseaux de chaleur à bois

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5. Renforcer la GRS (Garantie de Résultats solaires) dans les grandes installations et pas seulement solaires ! 6.5.2

Soutien des collectivités etc.

1. Aider au financement d’installations pilotes avec stockage 2. Aider au calcul préalable par simulation puis à l’instrumentation de telles installations 3. Financer des actions de démonstration 6.5.3

Taxation, financement

1. favoriser plus fortement les installations solaires ou renouvelables à haut degré de couverture par une énergie renouvelable 2. donner une prime à un maître d’ouvrage atteignant une fraction solaire dépassant 90% à l’année, mesurée selon la méthode GRS 6.5.4

Initiatives privées

1. Les encourager à choisir des technologies avec stockage long terme pour leurs bâtiments ou sièges sociaux serait une bonne promotion du stockage. 2. Demander à mettre dans tout portefeuille de projets renouvelables des fondations ou des organismes de concours un au moins avec stockage de chaleur saisonnier de telle sorte que les BET s’initient

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ANNEXE : SOURCES D’INFORMATION

Hadorn, 1988: Guide du stockage saisonnier de chaleur (épuisé), traduit en anglais par Public works Canada Hadorn 2005 : Thermal energy storage for solar and low energy buildings – State of the art – June 2005, IEA SHC Task 32, JC Hadorn editor, 170 pages, disponible sur www.iea-shc.org sous Task 32 IEA www.iea-eces.org www.iea-shc.org Centres de recherches spécialisés dans le stockage www.solarenergy.ch www.solarch.ch http://www.enerma.cit.chalmers.se/cshp/ http://www.grea.udl.es/ http://www.aee-intec.at/ ECN http://www.itw.uni-stuttgart.de/ http://www.zae-bayern.de/ http://www.eses.org/ http://www.uni-kassel.de/fb15/ite/solar/solnet/ http://www.fv-sonnenenergie.de/publikationen/themen05_r01_b02_01.pdf Conférences internationales sur le stockage Ecostock 2006 http://intraweb.stockton.edu/eyos/page.cfm?siteID=82&pageID=29 Futurestock 2003 http://futurestock.itc.pw.edu.pl/general.htm Terrastock 2000 http://www.geothermie.de/gte/gte28-29/terrastock_2000.htm Fournisseurs de solutions Parois inertielles à PCM www.micronal.de www2.dupont.com/Energain/en_GB/products/index.html www.climator.com Cuves En CH www.cipag.ch www.feuron.com www.hoval.ch www.jenni.ch En Allemagne www.speichertechnik.com www.consolar.com August Brötje GmbH Buderus Heiztechnik GmbH Carl Capito Heiztechnik GmbH Conergy AG Consolar Energiespeicher- und Reglungssysteme GmbH Dr. Sol Solarsysteme

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26180 Rastede 35457 Lollar 57290 Neunkirchen 84034 Landshut 60489 Frankfurt / Main 4316 Leipzig

D D D D D D

Detlev.Rohm@Buderus.de heiztechnik@capito-gmbh.de info@conergy.de info@consolar.de drsol@t-online.de

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Elco Klöckner ESTEC EnergieSpartechnik GmbH&Co.KG Fohs GmbH Fröling Heiz- und Trinkwassersysteme Nau GmbH, Umwelt- und Energietechnik Nordwest Handel AG Novum Behältertechnik OERTLI-Rohleder Wärmetechnik GmbH OPTIMA-Haustechnik GmbH

72379 Hechingen 97483 Eltmann (Bayern) 67146 Deidesheim 51491 Overath 85368 Moosburg 58135 Hagen 59229 Ahlen 71696 Möglingen 98617 Untermassfeld

D D D D D D D D D

PH…NIX Sonnenwärme AG pro solar Energietechnik GmbH ratiotherm Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG Ritter Energie und Umwelttechnik GmbH & Co. KG Robert Bosch GmbH ROTEX Heating Systems GmbH Sailer Solarsysteme SCHüCO International KG Sieger Heizsysteme GmbH Soleado SOLVIS GmbH & Co. KG Sonnenkraft GmbH Stiebel Eltron GmbH & Co. KG SUNSET Energietechnik GmbH SunTechnics Solartechnik GmbH Taubert Solarheitsysteme / Holzheizsysteme Vaillant GmbH & Co.KG Viessmann Werke GmbH&CoKG Wagner & Co Solartechnik WESTFA Vertriebs- und Verwaltungs-GmbH Wikora GmbH

12435 Berlin 88214 Ravensburg 91795 Dollnstein 59227 Ahlen 76137 Karlsbad 73243 Wernau 74363 Güglingen 89601 Schelklingen 33609 Bielefeld 57072 Siegen 21379 Rullsorf 38112 Braunschweig 93059 Regensburg 37603 Holzminden 91325 Adelsdorf 20537 Hamburg 7985 Elsterberg/Vogtland 42859 Remscheid 35107 Allendorf (Eder) 35091 Cölbe 58099 Hagen 89568 Hermaringen

D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

En Autriche SOLARFOCUS Kalkgruber Solar- und Umwelttechnik GmbH SOLARTEAM GmbH SOLution Solartechnik GmbH Teufel & Schwarz GmbH

4451 St. Ulrich / Steyr 4111 Walding 4560 Kirchdorf 6353 Going

AUT office@solarfocus.at AUT AUT AUT office@teufel-schwarz.com

info@estec-solar.de info@fohs.de info@froeling.de office@nau-gmbh.de delphis@delphis.de info@novumbt.de info@oertli.de info@waermespeicherCALO-bloc.de info@sonnenwaerme-ag.de ratiotherm-do@t-online.de info@reflex.de info@paradigma.de info@rotex.de info@sailer-solarsysteme.de info@schueco.com info@sieger.net info@soleado.de info@solvis-solar.de Deutschland@sonnenkraft.de info-center@stiebel-eltron.com info@sunset-solar.com

info@vaillant.de info@viessmann.de info@wagner-solartechnik.de info@westfa.de contact@wikora.de

Sondes et groupe de sondes www.geothermie.de www.erdsondenbohrung.ch/ www.engeo.ch www.geothermal-energy.ch/ www.pac.ch http://crege.ch/index.html Aquifères www.ifinternational.com http://www.geothermie.de/gte/gte38-39/erstmalig_in_deutschland.htm

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C8 - VENTILATION DOUBLE FLUX EN ALLEMAGNE, SUISSE, PAYS-BAS ET BELGIQUE

Auteurs : Bernard Collignan (bernard.collignan@cstb.fr) avec la participation d’Orlando Catarina (orlando.catarina@cstb.fr) Expert : Anne Tissot (CETIAT)

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INTRODUCTION L'objet de cette étude est l'évaluation, la capitalisation et l'analyse des conditions de transposition en France des systèmes de ventilation double flux. Les quatre premières étapes correspondent à une synthèse d’une étude du CETIAT. Les systèmes considérés sont : •

Les centrales double flux haute efficacité (supérieure à 75%), destinées à la ventilation de l'ensemble d'une maison individuelle (débit inférieur à 500 m3/h),

•

Les systèmes double flux locaux ou décentralisés, destinés à la ventilation d'une seule pièce ou d'un petit groupe de pièces, avec récupération de chaleur.

Le champ de l'étude a été limité aux pays dans lesquels des produits répondant à cette définition existent, à savoir principalement l'Allemagne et la Suisse. Les Pays-Bas sont très fortement concernés par les systèmes de ventilation double flux, mais la barrière de la langue n'a pas permis des recherches poussées. Quelques informations concernant la Belgique sont également fournies.

C.8.1 CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUE D'ACTEURS CONTEXTE NATIONAL ET LOCAL Allemagne Le Gouvernement de M. Schröder a pris début 2002 la décision d'abandonner l'énergie nucléaire à l'horizon 2020. Même si ce processus de sortie du nucléaire pourrait être ralenti par le gouvernement en place depuis fin 2005 (Mme Merkel), l'Allemagne va donc devoir faire face au cours des deux prochaines décennies à d'importants besoins de nouvelles installations de production d'électricité destinées à compenser l'abandon du nucléaire et l'arrivée en fin de vie de nombreuses centrales autres que nucléaires. Les estimations portent sur un besoin de 43 000 MWe d'ici 2020, qui pourraient être répartis entre 45 nouvelles centrales thermiques (environ 24 000 MWe) et l'amélioration de 200 centrales thermiques classiques existantes. La question de la future composition du mix énergétique va alors se poser. La population allemande est quant à elle globalement opposée au nucléaire, mais face au problème de l'approvisionnement énergétique à moyen/long terme (dépendance aux importations et coûts des énergies renouvelables), un changement d'opinion n'est pas tout à fait exclu. L'Allemagne a pris en outre deux engagements forts dans le cadre du protocole de Kyoto, à savoir une diminution d'ici 2005 de 25% ses émissions de CO2 par rapport à 1990 et une réduction de 21% ses émissions de gaz à effet de serre au cours de la période 2008-2012. Suisse L'énergie hydraulique constitue la seule source d'énergie nationale en Suisse. Avec la loi sur le CO2 du 1er mai 2000, la Suisse s'impose des objectifs contraignants pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cette réduction doit avant tout résulter de mesures librement consenties par les entreprises et les particuliers et de mesures de politique énergétique, mais aussi de l'action politique dans le domaine de l'environnement, des transports et des finances. En 2001, le Conseil fédéral se fondait sur les lois sur l'énergie et sur le CO2 pour lancer le programme SuisseEnergie. Au moyen de mesures librement consenties par l'économie (conventions) et de campagnes d'information, SuisseEnergie doit contribuer à atteindre les objectifs énergétiques et climatiques de la Suisse : réduire, d'ici 2010, la consommation d'énergies fossiles et les émissions de CO2 de 10% par rapport à leur niveau de 1990 ; limiter la progression de la demande d'électricité à 5% au maximum d'ici 2010 ; maintenir au niveau actuel l'apport de la force hydraulique à la production de courant même lors de l'ouverture du marché de

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l'électricité ; accroître la quote-part des autres énergies renouvelables de 1% dans la production de courant et de 3% dans la production de chaleur. En mai 2003, les citoyens ont rejeté deux initiatives antinucléaires, "moratoire plus" et "électricité sans nucléaire". La production nucléaire d'électricité représentait à ce moment 40 % de la consommation du pays, les autres 60 % étant fournis par la production hydraulique. Autriche Le gouvernement autrichien est un système fédéral avec neuf régions, et les responsabilités en politique énergétique sont partagées entre l'état fédéral et les régions. Le pays a des ressources hydroélectriques conséquentes qui couvrent 70% de ses besoins d'électricité. L'Autriche dispose également de ressources en pétrole et gaz naturel, qui couvrent respectivement 9 et 23% de ses besoins. Elle a importé environ 65% de ses besoins en énergie primaire en 2000. Les marchés de l'électricité et du gaz ont été libéralisés en octobre 2001 et octobre 2002, en avance sur les dates d'application des directives européennes. Prise de conscience collective et action On reconnaît généralement aux populations "germaniques", qui composent l'Allemagne, l'Autriche et une bonne partie de la Suisse, une sensibilité forte aux problématiques écologique et environnementale. En Allemagne, le sursaut écologique a été imposé par la pollution atmosphérique résultant de son industrialisation intensive, à partir des années 70. Dès le début des années 80, plusieurs lois sont adoptées en matière de dépollution et de préservation de l'environnement. Le changement comportemental des Allemands et le long processus de sensibilisation à l'adresse des populations sont pour beaucoup dans la réussite de sa politique environnementale. La première conséquence de cet état d'esprit est que les habitants de ces pays sont prêts à dépenser plus d'argent pour un mode de vie plus propre, moins consommateur d'énergie. La naissance des concepts de Maisons Passives et de MINERGIE découle donc de cette sensibilité aux problèmes d'économie d'énergie. ANTERIORITES ET ORIGINE DE L'INNOVATION Le concept de maisons passives et le label MINERGIE, qui connaissent de plus en plus de succès en Allemagne, en Autriche et en Suisse, imposent un système de ventilation mécanique à récupération de chaleur, la forte étanchéité des bâtiments ne permettant pas un renouvellement d'air par infiltrations. Cette exigence a énormément influencé le marché des centrales double flux et des double flux locaux dans ces pays. Certaines centrales sont donc signalées dans les documents commerciaux comme étant destinées aux maisons passives ou aux maisons à faible consommation d'énergie, et l'Institut des Maisons Passives (PassivHaus Institut) délivre un certificat aux produits qui respectent un ensemble de critères (consommation électrique, efficacité de récupération de chaleur…). DYNAMIQUE DES ACTEURS Les acteurs qui accompagnent le développement des maisons passives et à faible consommation d'énergie, qui ont beaucoup influencé le développement des systèmes de ventilation double flux sont : •

Le Passivhaus Institut [7] : référentiel technique, outil logiciel de conception destiné aux bureaux d'études, guides de mise en œuvre sur des points spécifiques (isolation, fenêtres, ventilation, …), certification volontaire des bâtiments passifs et des composants, appareils ou systèmes qui leur sont destinés, diffusion d'informations par plusieurs sites Internet, des brochures, guides techniques, outils

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•

L'association d'information sur les maisons passives IG Passivhaus [8] entretient un réseau d'informations sur les maisons passives, les acteurs techniques et économiques,

•

Des laboratoires de recherche sont connus pour travailler sur le sujet : - le Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (Fribourg) [9] ; - l'Institut für Energie du Fachhochschule beider Basel (Département de l'Energie de l'Université de Bâle) [10] ; - Hochschule für Technik+Architecture Luzern (Laboratoire de Génie Climatique, Université de Lucerne) [11] ; - L'EMPA (Institut de recherche sur les Matériaux et la Technologie, Suisse) [12].

•

Des bureaux d'architectes spécialisés,

•

Des bureaux d'études spécialisés,

•

Le Ministère de l'Economie de l'état fédéral finance des prêts et attribue des subventions pour la construction de maisons passives (voir partie 1),

•

Les pouvoirs publics de plusieurs Länder (Baden-Würtemberg, Bavière, Brandenburg, Hessen, BasseSaxe, Nordrhein-Westfalen, Reinland-Pfalz, Schleswig-Holstein) soutiennent le développement des maisons passives par différents mécanismes d'aides financières (voir partie 1)

•

Un certain nombre d'organismes bancaires gèrent des propositions de crédit subventionné par l'état fédéral : KfW-Förderbank, UmweltBank AG, GLS Gemeinschaftsbank… La banque KfW a un rôle proche de celui de l'ANAH (Agence Nationale pour l'Amélioration de l'Habitat) en France.

•

L'IWU, l'Institut pour le Logement et l'Environnement est un institut de recherche de la région de Hesse et de la ville de Darmstadt. Ses objectifs sont de rechercher, dans le cadre de coopérations interdisciplinaires, des formes actuelles de conditions de logement et de vie. Un des but est d'améliorer les conditions de logement des plus démunis. De plus, l'IWU étudie les possibilités d'utilisation de l'énergie rationnelle. Il participe à la rédaction de petits guides d'information (financés par le Ministère de l'Economie de la région de Hesse) à destination du grand public sur divers sujets liés au logement : fenêtres, maisons passives, systèmes de ventilation… [13]

De façon plus spécifique aux systèmes de ventilation, les acteurs sont : •

les industriels (regroupés en associations et syndicat, voir ci-dessous). Contrairement à ce qui existe en France, les industriels de la ventilation des logements en Allemagne sont différents de ceux de la ventilation des bâtiments tertiaires et de l'industrie ; lors de son enquête en 2004-2005, le TZWL (voir plus bas) a recensé 61 fabricants de systèmes de ventilation centralisés et 56 fabricants de systèmes de ventilation décentralisés, soit 94 constructeurs au total pour le marché de la ventilation des bâtiments [14].

•

le DIBt en Allemagne pour la gestion de la certification et l'attribution de l'agrément ;

•

les laboratoires pour les essais et l'aide au développement qu'ils ont pu apporter aux industriels : - le Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (Fribourg) [9], - le TZWL (Europäisches Testzentrum für Wohnungslüftungsgeräte) [15] : laboratoire d'essais spécialisé dans les systèmes de ventilation pour l'habitat. Le TZWL édite tous les ans une liste des constructeurs de matériels de ventilation pour l'habitat, avec leurs caractéristiques, s'ils sont certifiés…

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- le laboratoire IKE ("Institut für Kernenergetik und Energiesysteme") de l'Université de Stuttgart [16], -… •

diverses associations de constructeurs allemands qui ont une action très forte pour promouvoir les systèmes de ventilation pour l'habitat, et notamment les systèmes de ventilation double flux, avec l'édition régulière de lettres d'information, la parution de plaquettes techniques… - Le site internet "Frischluftechnik im Wohnungsbau" (Techniques de renouvellemement d'air dans l'habitat) est un portail d'informations sur les systèmes de ventilation dans l'habitat, qui concerne l'ensemble des acteurs, des fabricants aux utilisateurs finaux et qui fonctionne en collaboration avec l’association VfW (voir ci-dessous). Les thèmes abordés sont vastes : technique, économique, santé, économie d'énergie [17]. - L'association pour la ventilation des logements "Verband für Wohnungslüftung e.V." (VfW) [18], qui a pour objectif de disséminer les informations sur la ventilation mécanique pour l'habitat avec et sans récupération de chaleur, corriger les idées reçues, et soutenir les travaux réglementaires sur le sujet. - Le Kompetenzzentrum für Wohnungslüftung [19], lié aux deux structures précédentes, a pour objectif de communiquer sur les systèmes de ventilation. Il publie régulièrement une lettre d'information avec des informations techniques et générales. - Le Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. [20] est le syndicat des fabricants de matériels climatiques et aérauliques. Il gère des actions de communication sur notamment la ventilation. Le groupe de travail "ventilation contrôlée" du Fachinstitut Gebäude-Klima [21] gère un site internet d'information sur les systèmes de ventilation mécanique dans l'habitat.

Le Fachinstitut Gebäude-Klima a initié en 1994 avec le Ministère fédéral de l'Enseignement, de l'Economie, de la Recherche et des Technologies le projet FIA " Forschungs-Informations-Austausch" (Recherche, Information, Echanges). L'objectif principal de ce projet est la création et le renseignement de la base de données LUFTIKUS, dans le domaine de la ventilation et du climat intérieur. Cette base de données contient des publications, les différents projets en cours en Allemagne, et les services qu'assurent les industriels et distributeurs. On trouve également énormément d'associations ou d'instituts, souvent liés aux Ministères de l'Environnement des différentes régions d'Allemagne, qui travaillent et communiquent sur les systèmes de chauffage, ventilation et production d'eau chaude sanitaire, sur les économies d'énergie dans les logements, sur la qualité d'air intérieur… Aucun acteur résistant à l'innovation n'a été identifié.

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C.8.2 CONTENU DE L'INNOVATION Dans cette partie sont présentées les caractéristiques techniques des différents systèmes faisant l'objet de cette étude : les centrales doubles flux haute efficacité et les systèmes doubles flux locaux. Ces produits sont présents sur le marché allemand, mais certaines sociétés exportent en Suisse, en Autriche et aux Pays-Bas notamment. Les sites internet des sociétés citées sont donnés dans la liste des références, à la fin de ce rapport. LES CENTRALES DOUBLE FLUX HAUTE EFFICACITE Les centrales présentées dans cette partie sont celles pouvant équiper des maisons individuelles, ou de grosses maisons pouvant contenir plusieurs familles. Les débits les plus élevés sont donc de l'ordre de 500 m3/h. Seules celles présentant une efficacité de récupération de chaleur supérieure à 75% ont été retenues, mais il existe de très nombreux produits d'efficacité inférieure.

Séjour

Air vicié Cuisine

Chambre

Bain

Repas

Air rejeté

Air neuf

Air pulsé RC Système de Ventilation Double Flux avec récupération d'énergie (Source - DIAE-Service cantonal de l’énergie- Christian Freudiger -Minergie-Genève) Les centrales comportent globalement les mêmes éléments. L'échangeur Il existe deux grandes familles d'échangeurs pour ce type de centrale : échangeur statique et échangeur rotatif. - Les échangeurs statiques peuvent être à contre-courants, à courants croisés ou à contre-courants croisés. L'efficacité de ces échangeurs varie avec le type : • • •

courants croisés : 50 - 70% contre-courants croisés : 70 – 80% contre-courants : 85 – 99%

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Ttrois types d'échangeurs statiques, de gauche à droite : courants croisés, contre-courants croisés, contrecourants - Les échangeurs rotatifs, constitués de plaques d'aluminium ondulées enroulées autour de l'axe de rotation on une efficacité de récupération de chaleur de l'ordre de 70-80%. Les moteurs des ventilateurs Les moteurs des ventilateurs sont à courant alternatif ou courant continu. Les moteurs à courant continu permettent une réduction des consommations électriques, ont une durée de vie plus élevée que les moteurs à courant alternatif classiques et peuvent être installés et entretenus plus facilement. Ils permettent de plus facilement faire varier le débit des centrales suivant les besoins. Ils sont de plus en plus utilisés dans les centrales de ventilation double flux. Les classes de filtre Les centrales comportent presque systématiquement un ou plusieurs rangs de filtration sur l'air neuf et l'air repris. Le filtre sur l'air repris sert à protéger l'échangeur d'un encrassement trop rapide, et est généralement de classe G3 ou G4. Certains produits ne comportent toutefois que du G1, ou signalent simplement une "grille". Le filtre sur l'air neuf protège également des grosses poussières, avec du G3 ou G4, mais la plupart des produits comportent deux rangs de filtration, avec un deuxième filtre de classe F5 à F7. Un filtre plus efficace, comme F8 (pour la protection des pollens) est souvent proposé en option. Quelques centrales comportent une mesure de pertes de charge des filtres, qui permet de signaler automatiquement le moment de changer les filtres lorsqu'ils sont trop encrassés. Les conduits Les conduits de ventilation sont la plupart du temps des conduits rigides en plastique et/ou en métal et non des conduits souples. La régulation La plupart des centrales ont 3 ou 4 allures de fonctionnement : réduit pour les périodes d’inoccupation des locaux, normal, élevé pour les périodes de suroccupation ou de besoin d’évacuation d’une pollution spécifique (cuisine par exemple), et parfois une allure pour l'été avec by-pass de l’échangeur (voir ci-après). Les moteurs à courant continu permettent une variation électronique de vitesse, pour s'adapter aux plages de fonctionnement, et au réseau installé. La commande peut se faire par l'intermédiaire d'un interrupteur manœuvré par l’utilisateur, ou d'un tableau de commande à placer généralement dans le séjour. Un certain nombre de produits permettent également de programmer différents types de fonctionnement avec une horloge. Le dégivrage

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La plupart des centrales comportent un dégivrage électrique pour éviter l’apparition de givre sur l’échangeur lorsque les conditions le rendent possible (air extrait humide échangeant avec de l’air neuf très froid). Il est la plupart du temps possible de coupler l'arrivée d'air neuf à des conduits enterrés (puits canadien), ce qui permet d'assurer une température minimum d'air en entrée de l'échangeur en hiver (et de se passer de ce fait d’un système de dégivrage) et de rafraîchir l’air neuf en été. Beaucoup de produits peuvent également intégrer en option le passage de l'air soufflé sur des batteries électriques ou à eau chaude, après l'échangeur, pour assurer des températures plus élevées et contribuer au chauffage. Le by-pass en été En été, et parfois en demi-saison, il n'est pas toujours nécessaire de récupérer l'énergie de l'air extrait pour l'air soufflé, par exemple lorsqu’on souhaite profiter d’une faible température extérieure pour rafraîchir le local sans chauffer l’air neuf par l’air extrait. Certaines centrales sont donc équipées d'un by-pass pour éviter l'échangeur de chaleur (ce qui permet également de diminuer les pertes de charge et éventuellement d'augmenter les débits). Suivant les modèles, le by – pass peut être une cassette à installer dans la centrale par l'utilisateur à l'arrivée des beaux jours, ou être déjà intégré dans la centrale. Dans ce cas, il peut être actionné par un interrupteur, ou pour les modèles les plus perfectionnés, être actionné de façon automatique en fonction de la température extérieure. Le prix Il est globalement difficile de trouver les prix des produits. Quelques constructeurs donnent des prix sur leur site internet : ainsi PAUL vend ses centrales de 1770 à 4450 euros suivant les modèles ; MAICO les propose de 2480 à 6130 euros. Les gammes de prix sont larges. Les centrales doubles flux haute efficacité avec un échangeur statique identifiés semblent plus nombreuses que les centrales double flux haute efficacité avec un échangeur rotatif. Certains produits sont vendus par des sociétés différentes, sous des noms différents.Le marché est en pleine évolution, avec des produits qui apparaissent et qui disparaissent, du fait du contexte réglementaire et énergétique. Ces produits figurent aussi de plus en plus au catalogue de fabricants de chaudière.

LES SYSTEMES DOUBLE FLUX LOCAUX OU DECENTRALISES Les systèmes de ventilation mécanique locaux sont destinés à ventiler une seule pièce, par opposition aux systèmes de ventilation centralisée destinés à ventiler un ensemble de pièces. Ces systèmes paraissent être destinés à des pièces de vie (chambres, salon, salle à manger), mais la façon dont les pièces techniques sont ventilées n'est alors pas très claire. On peut aussi assurer un certain balayage du logement avec plusieurs appareils dont les débits sont individuellement déséquilibrés, mais pour lesquels la somme des débits extraits est égale à la somme des débits soufflés. Ces systèmes de ventilation mécanique locaux sont à double flux avec récupération de chaleur, c'est-à-dire assurent à la fois le soufflage et l'extraction d'air, avec un échange de chaleur entre air extrait et air neuf permettant une récupération d'énergie. On distingue les systèmes selon deux types : • •

systèmes destinés à assurer la ventilation seule, systèmes de ventilation couplés à un appareil de chauffage (résistances électriques ou radiateur à eau chaude).

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Système de ventilation seule On peut noter le caractère très compact de ces appareils, bien illustré par les photographies montrant l'intérieur de l'appareil Meltem. A noter aussi le prix catalogue annoncé pour certains produits, de l'ordre de 700 à 900 euros. Les efficacités de récupération annoncées sont comprises entre 50 et 75%. On peut se demander si tous les appareils présentés sont réellement industrialisés et fabriqués. Dans certains cas, les éléments disponibles conduisent à penser qu'il peut s'agir d'appareils encore virtuels ou de démonstration. Enfin, on remarquera que le soufflage et l'extraction d'air sont toujours extrêmement proches l'un de l'autre ; on peut vraiment s'interroger sur la capacité de ces appareils à ventiler correctement l'ensemble de la pièce qu'ils équipent : des courts-circuits sont à craindre, que ce soit du côté intérieur, avec une partie de l'air extérieur qui est susceptible d'être extrait directement sans rentrer vraiment dans la pièce, ou du côté extérieur, avec l'air extrait qui peut être repris comme air extérieur. Système de ventilation et de chauffage Le chauffage est assuré par la présence de résistances électriques ou le couplage avec un radiateur à eau chaude. Ce dernier peut être intégré complètement à l'appareil ou être rapporté devant le système de ventilation.Tous les appareils sont munis de deux ventilateurs, l'un pour l'air neuf et l'autre pour l'air extrait.On notera le prix catalogue annoncé par exemple pour les appareils Olsberg, de l'ordre de 800 à 1100 euros. Comme au paragraphe précédent, on peut se demander si tous les appareils présentés sont réellement industrialisés et fabriqués. Dans certains cas (Paul), les éléments disponibles conduisent à penser qu'il peut s'agir d'appareils encore virtuels ou de démonstration.

CERTIFICATION DIBt En Allemagne, la certification des produits de construction est régie par des lois promulguées par chacune des régions ("Länder") et qui reprennent le contenu d'un texte de référence établi au niveau fédéral ("Musterbauordnung" = modèle de règlement sur la construction). L'article 17 de ce modèle de règlement (et les articles correspondants dans les lois de chacun des Länder) exige que les produits de construction portent la marque Ü, prouvant qu'ils sont agréés. Cet agrément repose sur leur examen technique et sur un référentiel établi par le DIBt ("Deutsches Institut für Bautechnik"), assisté par un comité d'experts. Cette procédure s'apparente ainsi à la procédure des avis techniques français. Les référentiels techniques utilisés pour l'agrément des appareils de ventilation mécanique avec ou sans récupération de chaleur et centralisés [22] ou décentralisés [23] évaluent leurs performances énergétiques en fonction de la réglementation thermique allemande (EnEV). Ces référentiels sont basés sur les résultats d'un projet de recherche mené en 1996 par l'Université de Dortmund, modifié en 2003 par le DIBt et le comité d'experts pour tenir compte de la nouvelle réglementation thermique allemande EnEV. En plus de ces essais destinés à l'agrément technique des appareils de ventilation, un laboratoire comme le laboratoire IKE de l'Université de Stuttgart propose d'autres essais au choix de ses clients : •

- Essais acoustiques selon EN ISO 3744,

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• • • • • •

- Essais de performances selon EN 13141-7 et 13141-8, - Essais d'efficacité de récupération de chaleur selon EN 308, - Essais de l'éventuelle PAC selon l'EN 255, - Visualisations par thermographie infrarouge pour l'examen de l'isolation thermique de l'enveloppe de l'appareil, - Essais de diffusion d'air dans un local, - Essais en vue de la certification par le Passivhaus Institut.

Passivhaus geignete Komponente Le Passivhaus Institut a créé son propre système de certification "Passivhaus geeignete Komponente". Cette certification s'applique aux produits tels que les fenêtres, les isolants, les portes, les vitrages et les centrales de ventilation double flux. Pour les centrales double flux, les exigences portent entre autre sur : • • •

- La récupération de chaleur pour des débits équilibrés, pour une température extérieure comprise entre –15 et +10°C et un air extrait de 21°C, doit être supérieure à 75% ; - La puissance spécifique des ventilateurs doit être inférieure à 0,45 W/(m3/h) pour le débit d'air nominal, - Les débits de fuites internes et externes ne doivent pas dépasser 3% du débit de la centrale.

D'autres paramètres considérés sont niveau de bruit, l'aspect hygiénique de l'appareil et le fonctionnement du dégivrage. Le Passivhaus Institut a défini dans un document les conditions des points d'essais (qui semblent proches, voire les mêmes que ceux de l'agrément). Plusieurs produits sont actuellement certifiés.

HORIZON TEMPOREL Les produits de ventilation double flux présents notamment sur le marché allemand paraissent aboutis et fiables, et une grande partie d'entre eux sont certifiés par le DIBt. Néanmoins, même si le marché a connu un essor considérable, l'utilisation des systèmes de ventilation double flux dans les logements allemands notamment est encore très récente, et on connaît actuellement peu de retour de leur fonctionnement sur site. De plus, le nombre d'industriels fabricants présents sur le marché est encore très variable d'une année à l'autre, nombre d'entre eux disparaissant rapidement alors que d'autres apparaissent, ce qui montre que ces systèmes ne sont pas encore matures. En outre, les niveaux de prix atteints sont pour certain complètement rédhibitoires. Les centrales double flux haute efficacité et les systèmes double flux locaux peuvent donc être considérés comme des innovations émergentes. CHAMP D'APPLICATION Centrales double flux haute efficacité Les centrales double flux haute efficacité sont destinées aux bâtiments dont l'étanchéité à l'air est particulièrement bonne, afin que leur intérêt énergétique ne soit pas dégradé par un renouvellement d'air parasite. Les maisons passives et à faible consommation d'énergie, qui respectent des exigences sur l'étanchéité du bâtiment sont donc directement concernées.

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Pour les bâtiments classiques, cet aspect limite l'utilisation des centrales double flux aux bâtiments neufs, sauf si une rénovation lourde sur un bâtiment existant permet d'atteindre un très bon niveau d'étanchéité à l'air. De plus, la place nécessaire au passage des conduits et à l'installation de la centrale est une contrainte forte. A noter également que la consommation énergétique des bâtiments neufs est soumise à des contraintes réglementaires, mais ce n'est pas encore le cas des bâtiments existants: le marché est donc moins important, et par conséquent l'offre moins grande. Plusieurs type de bâtiments peuvent être concernés : la maison individuelle bien sûr, mais également les logements collectifs (système par appartement), les commerces, les petits bâtiments de bureaux (au-delà de certains niveaux de débit, les systèmes ne sont pas les mêmes). Double flux locaux Les double flux locaux sont destinés en priorité aux bâtiments en rénovation, du fait de leur souplesse d'installation, et de leurs plus faibles performances. Certains appareils très complexes sont destinés à la construction neuve. Ils peuvent être installés dans tout type de bâtiment, même si leur marché concerne plutôt le logement, maisons individuelles et logements collectifs. IMPACTS Consommation d'énergie Les centrales double flux ont une puissance très variable suivant les débits qu'elles peuvent assurer, la technologie de moteur et le type d'échangeur. Les puissances sont globalement comprises dans une fourchette allant de 40 à 200W, soit 400 à 1700 kWh de consommation d'électricité par an en fonctionnement permanent. Pour les systèmes double flux décentralisés avec récupération de chaleur, leur consommation est comprise entre 4 et 40W. Il est difficile de calculer une consommation à l'année parce que ces produits ne sont généralement pas destinés à fonctionner en permanence. Il ne faut pas oublier que plusieurs systèmes sont nécessaires pour assurer correctement la ventilation d'un logement. Contenu environnemental Il n'existe à notre connaissance pas d'éléments publiés sur le contenu environnemental des systèmes double flux. Le CETIAT a mis au point en 2005 un outil simplifié d'analyse du cycle de vie des équipements de chauffage, ventilation et conditionnement d'air [25]. Cet outil a été appliqué sur un caisson de VMC simple flux, et les résultats ont montré que la partie utilisation du système (consommation électrique du moteur) représentait environ 80% des impacts environnementaux. Les caissons de ventilation double flux comportent beaucoup plus de matière que les caissons simple flux du marché français, mais ont une consommation électrique (deux moteurs, plus de pertes de charge dues à l'échangeur, aux filtres…) nettement supérieure. On peut estimer que les impacts environnementaux d'un système double flux sont donc également dus à plus de 80% à cette consommation électrique. Cette estimation concerne le caisson double flux seul et ne prend pas en compte les économies réalisées sur les besoins de chauffage du fait de la récupération de chaleur. Conception du bâtiment (neuf) et son usage Pour les centrales double flux, le bâtiment doit permettre le passage des conduits de soufflage et d'extraction. Il doit de plus être suffisamment étanche pour que le renouvellement d'air parasite ne perturbe pas le fonctionnement de la centrale et ne pénalise pas son intérêt énergétique (les bâtiments ventilés par un système double flux ont une pression à l'intérieur du bâtiment proche de celle de l'extérieur, et sont donc plus sensibles aux effets de vent : le débit d'air traversant peut donc être élevé).

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La perméabilité à l'air des maisons passives doit être inférieure à 0,6 vol/h sous 50 Pa (cela correspond environ à 0,2 m3/h/m² sous 4 Pa, pour un rapport volume/surface = 2). De façon moins extrême, il est recommandé d'avoir une perméabilité inférieure à 1,5 vol/h sous 50 Pa (environ 0,5 m3/h/m² sous 4 Pa) pour installer une centrale double flux. Le dimensionnement du réseau doit être correctement fait pour que la centrale assure les débits visés, sans trop de pertes de charge. L'avantage des systèmes double flux locaux est la souplesse d'utilisation, puisque seul un emplacement sur un mur extérieur est à prévoir. Certains appareils sont néanmoins très volumineux.

C.8.3 MISE EN ŒUVRE FIABILITE DE LA MISE EN ŒUVRE SUR CHANTIER Les centrales double flux sont des composants génériques, adaptés au chantier. Seules les différentes parties du réseau doivent être installées de façon spécifique à chaque bâtiment. Pour tous les systèmes concernés par cette étude, il n'existe a priori pas de difficultés particulières d'implémentation et d'intégration dans les bâtiments. Aucune compétence particulière, autre que celles que doit normalement avoir un installateur en ventilation, n'est a priori nécessaire pour l'installation des centrales double flux et de systèmes décentralisés. L'installateur doit néanmoins bien connaître le produit qu'il installe, et la mise en oeuvre, comme pour tout système de haute technologie, doit être naturellement soignée pour permettre le maximum d'économie d'énergie et le bon fonctionnement du système : les réseaux doivent être étanches, les bouches de soufflage et d'extraction correctement raccordées… L'enquête réalisée en 2003 par le TZWL auprès des fabricants et distributeurs de systèmes de ventilation [14] montre qu'au moins 18 sociétés proposent des formations pour les installateurs. Dans le cadre de l'association MINERGIE, des formations axées sur la ventilation (conception, installation, exploitation) ont lieu régulièrement en Suisse. A noter que les installateurs en Allemagne notamment sont réputés pour être mieux formés et plus qualifiés que leurs homologues français. SPECIFICITE DE MISE EN ŒUVRE Compte tenu des remarques faites dans le paragraphe précédent, l'installation d'une centrale double flux ou d'un système local dans un bâtiment neuf ou en rénovation lourde peut être considérée comme de difficulté normale. Une publication lors du congrès des maisons passives de 2005 [26] attire néanmoins l'attention sur des difficultés d'installation de systèmes de ventilation dans des bâtiments passifs rencontrés dans la région Nordrhein-Westfalen, par manque de connaissance des produits de la part des installateurs : ces difficultés ont été aisément levées avec l'aide des fabricants, montrant ainsi la nécessité de formation. MODALITES DE GESTION, D'EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE Pour les centrales double flux, l'entretien et la maintenance se traduisent principalement par : • •

Maintenir libres de neige et de feuilles mortes la prise d'air neuf et le rejet d'air à l'extérieur ; Contrôler et nettoyer l'échangeur de chaleur double flux au moins une fois par an, à l'eau chaude et avec un détergent courant ;

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•

Changer les filtres lorsque l'indicateur de colmatage (quand il y en a un) le signale, ou à intervalles réguliers variables suivant la classification du filtre (une fois par an pour un filtre G4, quelques mois pour un filtre très performant).

Ces différentes actions peuvent être réalisées par l'utilisateur. Il n'a pas été trouvé d'informations sur l'existence de contrats de maintenance, et leur coût éventuel, ni sur le service après-vente et son fonctionnement. Sur le site de l'association pour la ventilation des logements [18], on peut voir pour chaque industriel l'étendue de l'offre qu'il propose : • • • •

32 sociétés sur 36 aident au dimensionnement (choix du produit suivant les caractéristiques du logement) ; 6 sociétés assurent le montage de leur produit ; 30 sociétés aident à la mise en service de leur produit ; 28 assurent un service après-vente.

Ces informations ne précisent pas les modalités (conditions, coûts…) de ces services. A titre d'exemple, la société PAUL-LÜFTUNG facture 290 euros l'aide au choix du système adapté au logement. INCITATIONS REGLEMENTAIRE, FISCALE, MODALITES DE FINANCEMENT Les éléments donnés dans cette partie sur les réglementations thermiques des différents pays proviennent en grande partie des rapports publiés dans le cadre du projet ENPER-TEBUC [28, 29,30,31], ainsi que d’informations complémentaires obtenues par le CETIAT. Allemagne Réglementation La première incitation réglementaire en Allemagne est la réglementation thermique EnEV [32]. La réglementation thermique allemande EnEV "Energieeinsparverordnung" remplace depuis le 1er février 2002 deux réglementations : Wärmeschutz-Verordnung (WSchV 95) et Heizungsanlagen-Verordnung. Elle a été complétée en 2004, et sera modifiée fin 2006 pour s'adapter aux directives européennes (en prenant notamment en compte l'éclairage dans les calculs). EnEV fixe une exigence sur la consommation d'énergie primaire du bâtiment et sur l'étanchéité à l'air de l'enveloppe. Cette consommation en kWh/m²/an doit être inférieure à une valeur limite, qui dépend du rapport entre la somme des surfaces des parois déperditives et le volume du bâtiment. La réglementation allemande exige également un renouvellement d'air minimum, sans donner de valeurs. Ces exigences font qu'il est quasiment nécessaire de mettre en place un système de ventilation mécanique (la majorité des logements en Allemagne en est aujourd'hui dépourvue) conduisant à des consommations d'énergie directe (consommations électriques des ventilateurs) et liée au renouvellement d'air les plus faibles possibles. C'est ce contexte qui favorise le développement du marché pour les systèmes de ventilation double flux à récupération de chaleur. La valeur de l'efficacité de récupération de chaleur prise en compte dans le calcul provient du constructeur. Financement De nombreuses modalités de financement existent en Allemagne pour la construction de maisons passives : •

La banque KfW [33] gère un programme d'aide au financement appelé "Construire écologique" (Ökologisch Bauen) depuis début 2005. La construction d'une maison passive ou à faible consommation d'énergie, ou l'installation d'équipements énergétiques performants (dont les pompes à chaleur et

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systèmes de ventilation avec récupération de chaleur) donnent droit à des emprunts avec des conditions favorables de remboursement. La somme prêtée est de maximum 50 000 euros, à rembourser sur 10 ans maximum ; le remboursement peut commencer à la troisième année seulement. Les taux d'intérêts sont fixés en dessous du marché, et il est possible de faire des remboursements non prévus à n'importe quel moment sans frais. Cette offre peut être combinée à d'autres aides publiques ou d'autres programmes de la banque KfW. Après construction de la maison, la banque vérifie que les fonds ont bien été employés comme prévu. D'autres programmes existent, sur la rénovation des logements, les systèmes de génération d'énergie dans les logements… •

De plus, depuis février 2006, les taux d'intérêts pour un emprunt d'au maximum 50000 euros par logement et par 10 ans sont de : o Sur 10 ans : 0,90 % effectifs o Sur 20 ans : 1,00 % effectifs o Sur 30 ans : 1,31 % effectifs

Ces très faibles taux sont financés par l'état fédéral. •

Les pouvoirs publics de plusieurs Länder (Baden-Würtemberg, Bavière, Brandenburg, Hessen, BasseSaxe, Nordrhein-Westfalen, Reinland-Pfalz, Schleswig-Holstein…) ou villes allemandes soutiennent le développement des maisons passives par différents mécanismes d'aides financières.

Suisse Réglementation Les textes de la réglementation thermique suisse varient selon les cantons. La consommation d'énergie finale du bâtiment ne doit pas dépasser une valeur limite calculée à partir de la surface du bâtiment, sa forme, de la zone climatique, de la température intérieure, de l'occupation et des gains internes. Les débits de renouvellement d'air à respecter sont décrits dans cette réglementation thermique. Les déperditions liées à ce renouvellement d'air sont calculées suivant l'EN 832 [34]. L'efficacité de récupération de chaleur pour les systèmes de ventilation double flux est prise en compte dans les calculs. Financement Les cantons attribuent des subventions aux bâtiments respectant le standard MINERGIE. Quelques entreprises d'approvisionnement en électricité promeuvent également l'installation et l'exploitation de pompes à chaleur. Pour les bâtiments MINERGIE et les rénovations MINERGIE, certaines banques accordent des emprunts à des conditions préférentielles. Les offres classiques ont pour noms "Eco-Crédit" ou "Hypothèques MINERGIE". Pays-Bas Réglementation La réglementation thermique néerlandaise date de 1996 et impose le calcul de l'EPC, Energy Performance Coefficient, qui corrige la consommation d'énergie du bâtiment par le volume et la somme des surfaces déperditives de ce bâtiment. Cet EPC doit être inférieur à une valeur de référence valable pour tous les bâtiments. Elle prend en compte de façon relativement détaillée le poste ventilation dans les calculs de performance énergétique des bâtiments. Ces calculs sont dans une large mesure basés sur des facteurs de corrélation qui ont

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été déduits de mesures et de calculs avec un modèle détaillé. L'étanchéité des conduits n'est pas prise en compte dans les calculs. Pour l'efficacité de récupération de chaleur, la valeur à utiliser dans les calculs est une valeur par défaut ou une valeur résultant d'un essai selon une norme nationale. La puissance des ventilateurs est une valeur par défaut, discriminant les moteurs à courant alternatif et à courant continu en favorisant ces derniers. La valeur de l'EPC max est régulièrement renforcée, elle est ainsi passée de 1,6 en 1996 à 0,8 tout récemment en 2006. Les systèmes de ventilation double flux haute efficacité connaissent un fort développement depuis la mise en place de cette réglementation thermique (voir §5.4.2). Financement Aucun organisme aux Pays-Bas ne propose d'aides financières pour l'installation d'un système de ventilation double flux. Belgique Réglementation Il existe deux réglementations thermiques différentes pour la Flandre et la Wallonie en Belgique. En ce qui concerne la réglementation thermique de la région Flandre, la récupération de chaleur est prise en compte ; l'efficacité de récupération doit être caractérisée suivant la norme EN 308, mais est pénalisée de 15% si les débits soufflés et extraits mis en œuvre ne sont pas équilibrés. La puissance totale réelle des ventilateurs est prise en compte dans le calcul de performance énergétique. Pour la perméabilité du bâtiment, des valeurs pas défaut sont utilisées. Un des rapports du projet européen ENPER-TEBUC montre que l'essor des systèmes double flux en Belgique suite à la réglementation thermique n'a pas été aussi fort qu'aux Pays-Bas. Le prix est encore trop dissuasif Les trois régions (région flamande, région wallone, et région de Bruxelles-Capitale) de la Belgique disposaient lors de la publication de la directive performance énergétique des bâtiments en 2003 chacune de leur réglementation thermique, couvrant des domaines différents. La ventilation n'était pas prise en compte dans tous ces textes. Une certaine mise à niveau a donc dû être prévue, déjà en place en région flamande mais en cours dans les autres régions ; les trois régions disposeront toujours d'une réglementation différente. Des outils communs vont tout de même être mis en place. Financement De la même façon que pour les textes réglementaires, les aides de financement sont différentes suivant les régions belges. La région wallone propose actuellement et jusqu'à fin 2007 une prime de 75% du montant de l'investissement (TVA comprise) avec un maximum de 1500 euros pour l'installation d'un système de ventilation avec récupérateur de chaleur haute efficacité [35]. Les critères sont : • • • • •

le niveau d'isolation thermique globale de l'habitation, qui doit être inférieur à une valeur limite (il s'agit de maisons mieux isolées que ce qui est strictement requis par la réglementation) ; le chauffage du logement ne doit pas être électrique ; le logement ne doit pas être équipée d'un système d'air conditionné électrique ; le système de ventilation doit être un système de ventilation mécanique contrôlée double flux avec récupération de chaleur au moyen d'un échangeur de chaleur à contre-courant ; l'échangeur thermique doit avoir un rendement minimum de 85% suivant la norme EN 308 ;

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• •

l'installateur doit mesurer, in situ, les débits en sortie et en entrée des différentes bouches de soufflage et d'extraction afin d'assurer le réglage adéquat de l'installation ; l'installation doit être réalisée par un entrepreneur enregistré auprès du Service public fédéral des Finances belge.

La Région flamande et la Région de Bruxelles-Capitale ne proposent pas de prime pour la ventilation. L'état fédéral n'a pas non plus pris en compte la ventilation dans les réductions d'impôts accordées dans le cadre des économies d'énergie.

C.8.4 EVALUATION DES RESULTATS DANS LE PAYS CONCERNE On a pu voir dans ce rapport que les systèmes de ventilation double flux, qu'ils soient centralisés ou décentralisés, ne sont pas réservés aux maisons passives. On trouvera néanmoins dans cette partie presque exclusivement des résultats obtenus sur cette catégorie de bâtiment, du fait du grand nombre de publications existantes (en particulier provenant du congrès annuel des maisons passives). Dans le cadre d'un projet du programme "Haus der Zukunft" (la Maison du Futur), financé par le Ministère fédéral autrichien de la Recherche, de l'Innovation et des Technologies, une évaluation technique des systèmes de ventilation a été réalisée sur site, dans 92 maison autrichiennes. Le projet a été terminé en 2004 [36]. Les systèmes de ventilation étaient tous des systèmes double flux, installés dans des maisons passives ou à faible consommation d'énergie. L'objectif de l'étude était d'identifier les bonnes et mauvaises pratiques, et d'établir une liste de critères à respecter pour avoir un fonctionnement correct du système. L'évaluation a été menée sous la forme de questionnaires, d'examen et de mesures sur site. Les problèmes les plus fréquents, liés à la conception globale du système ont été : •

L'étanchéité à l'air du bâtiment n'a pas été vérifiée ou son importance a été sous-évaluée ; •

• • • • • •

Les problèmes de bruit du système dus à un mauvais dimensionnement du réseau, des pertes de charge de filtres trop élevées, des conduits de trop petits diamètres ou à l'absence de silencieux. En réponse à ces problèmes de bruit, les utilisateurs ont tendance à diminuer les débits, au détriment de la qualité du renouvellement d'air ; La mauvaise circulation de l'air dans le logement ; Problèmes de régulation des débits d'air ; Débits d'air insuffisants dans les chambres, la cuisine et la salle de bain ; L'influence de la ventilation sur la combustion ; Les rejets de fumée ou de hotte de ventilation influencent le système de ventilation ; Les bouches de soufflage et d'extraction sont mal dimensionnées ou mal placées.

Les erreurs liées à un élément du système les plus fréquentes sont : • • • • • •

Bouches d'extraction avec trop de pertes de charge, Pas de rejet des condensats, Pas d'isolation des conduits "chauds" (air repris et air soufflé) dans les zones non chauffées (caves, combles), Qualité de filtration insuffisante et mauvaise maintenance des filtres, Les centrales non autoréglables ne sont pas équilibrées (c'est parfois aussi le cas des centrales autoréglable), Absence de témoin pour indiquer le changement des filtres,

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• • •

Absence ou insuffisance de silencieux acoustiques, Diamètres des conduits insuffisants (ce qui engendre des vitesses d'air élevées), Conduits non appropriés (conduits souples au lieu de conduits rigides).

Les résultats de l'enquête auprès des utilisateurs sont dans le §5.3.

LES PERFORMANCES Energie L'évaluation sur site des systèmes double flux n'est pas facile puisque les déperditions par renouvellement d'air ne sont pas différentiables des déperditions par les parois. De plus, une comparaison stricte nécessiterait deux bâtiments identiques (mêmes caractéristiques de parois, même climat extérieur) avec pour seule différence le système de ventilation. Aucune publication traitant directement du système de ventilation n'a pu donc être trouvée. Au niveau des performances des produits, les fabricants annoncent traditionnellement l'efficacité de récupération de chaleur de l'échangeur seul, parce que c'est la valeur la plus élevée et donc la plus intéressante commercialement. La méthode de test utilisée pour la certification allemande détermine l'efficacité de la centrale, c'est-à-dire en prenant en compte les fuites internes et externes, les déperditions de l'enveloppe, et la récupération ou non des pertes liées aux ventilateurs suivant leur position. Cela permet de définir une efficacité globale du produit. Mais en fonctionnement sur site, l'efficacité du système dans son ensemble va dépendre de plusieurs autres aspects : • •

•

Des pertes par les réseaux : elles vont être fonction du type de conduits, de leur nombre et de leur longueur, ainsi que de leur étanchéité. Du temps de fonctionnement en mode dégivrage nécessaire, et du système de dégivrage : un dégivrage électrique fréquent va entraîner une augmentation de la consommation électrique du système ; un dégivrage assuré par un puits canadien n'entraînera pas de consommation électrique supplémentaire, mais le système devra fournir une pression supérieure. De l'étanchéité à l'air du bâtiment (voir à ce sujet le §3.5.3) : si le bâtiment est perméable et que le débit de traversant est important par rapport au débit de ventilation assuré par le système, les économies d'énergie en valeur absolue seront bien celles prévues, mais elles ne représenteront qu'une faible partie des déperditions par renouvellement d'air totales. De la qualité de l'installation et de la programmation du système.

Stabilité, Sismique, Feu Il n'a pas été trouvé d'éléments sur la caractérisation des systèmes double flux dans ces domaines. Confort thermique et acoustique Quelques publications font état de ressenti d'un air trop sec dans une maison ventilée avec un système double flux. L'enquête dans le cadre du programme "Haus der Zukunft" [36] montre que les utilisateurs ne sont pas gênés par les problèmes acoustiques. Néanmoins, les mesures sur site ont montré que les débits étaient souvent insuffisants, parce que les utilisateurs faisaient fonctionner leur système en dessous du régime nécessaire, diminuant par là le niveau de bruit engendré.

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Sanitaire Quelques règles de bonne pratique Du point de vue sanitaire, l'installation d'un système de ventilation double flux doit respecter certaines exigences : • • • •

• • •

prise d'air extérieur protégée des éléments extérieurs, et éloignée de tout rejet d'air vicié, air neuf filtré (au minimum filtre G4 pour protéger l'échangeur), le filtre doit être installé de façon étanche mais être facilement démontable pour entretien, si le système est précédé d'un puits canadien, les règles de base sont : - conduits en PE (polyéthylène) ou PP (polypropylène), - pente du conduit de l'ordre de 2% pour évacuer les condensats, - présence d’un système spécifique d’évacuation des condensats, les conduits aérauliques dans le logement doivent être accessibles pour le nettoyage, l'évacuation des condensats doit être prévue sur l'échangeur, …

La qualité d'air intérieur (QAI) dans les maisons passives Plusieurs publications du congrès des maisons passives de 2003 donnent les résultats d'enquêtes effectuées auprès d'occupants de maisons passives, notamment sur leur perception de la QAI. On ne connaît malheureusement pas en détail le type de systèmes de ventilation installés : il est seulement établi que ce sont des systèmes avec récupération de chaleur. Dans le cadre de la publication [37], qui porte sur les motivations des personnes à habiter dans une maison passive, 26 occupants de maisons passives ont répondu à un certain nombre de questions, dont l'une sur leur perception de la QAI. La QAI est perçue comme bonne par 50% d'entre eux et très bonne par 46% ; 5% la trouvent moyenne. La publication [38] porte sur les réponses de 73 occupants : la QAI est notée à la valeur 5 dans les chambres et à 5,5 dans le salon sur une échelle allant de 1 (très mauvais) à 6 (très bon). La référence [39] a demandé aux occupants de 31 maisons passives HLM de juger leur système de ventilation mécanique, sur une échelle allant de 0 (très mauvais) à 6 (très bon). Les systèmes sont globalement bien jugés ; on a malgré tout 8 notes (sur 31) inférieures ou égales à 3.

Comment jugez-vous votre système de ventilation ? très mauvais : 0 – très bien : 6 [39] Il ne faut pas perdre de vue que le ressenti des occupants est subjectif, et peut parfois être loin de la réalité. Les campagnes de mesure de qualité d'air dans les maisons passives équipées de systèmes de ventilation double flux que l'on peut trouver dans la littérature ont souvent le défaut d'avoir été menées immédiatement après la

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construction des bâtiments, alors que les matériaux de construction relarguent encore des polluants. Les niveaux de polluants alors trouvés dans les maisons n'étaient pas inférieurs à ceux de maisons classiques. Risques de dégradation des performances après mise en œuvre Le risque de dégradation des performances thermiques des systèmes double flux est essentiellement lié aux phénomènes d'encrassement des composants : •

échangeur de chaleur : l'efficacité de l'échangeur va être dégradée si les échanges de chaleur se font moins bien ;

•

bouches d'extraction et de soufflage, filtres, réseau : l'encrassement de ces composants va entraîner une augmentation des pertes de charge que les ventilateurs ont à combattre, modifiant ainsi leurs points de fonctionnement et pouvant diminuer les débits traités.

De plus, un mauvais entretien des filtres et du puits canadien quand il y en a un peut entraîner de graves problèmes de qualité d'air. LES COUTS REELS Coût Initial – Investissement Les prix des centrales double flux sont compris dans une large fourchette, allant globalement de 1500 à 7000 euros pour les systèmes les plus perfectionnés. Certaines publications des congrès des maisons passives [26] donnent des ordres de grandeur pour des logements : une moyenne de 6700 euros par logement a été obtenue sur 20 logements en Nordrhein-Westfalen pour un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur supérieure à 80% (installation comprise a priori). Les prix des double flux locaux, avec ou sans système de chauffage, sont naturellement plus bas, compris dans une fourchette allant de 700 à 1100 euros. A noter que plusieurs systèmes sont théoriquement nécessaires pour assurer le renouvellement d'air d'un logement. Ces prix ont été obtenus sur internet ; on peut supposer que des remises commerciales peuvent permettre de les diminuer. A titre de comparaison, la société AEREX vend un système de ventilation par extraction (équivalent à un kit VMC simple flux français, avec conduits, bouches et entrées d'air) 2300 euros pour le produit seul, et 3600 euros étude et installation comprises. Ces chiffres sont beaucoup plus élevés que ceux que l'on peut trouver sur le marché français. En effet, les ordres de grandeurs de prix des kits VMC pour maison individuelle en France sont de quelques centaines d’euros. Coût Opérationnel - Exploitation – Maintenance Les coûts opérationnels sont : •

Les coûts liés à la consommation de l'électricité.

•

Les coûts liés au changement de filtres.

Le vécu des utilisateurs Une partie de l'enquête en Autriche auprès des occupants [36] avait pour objectif de connaître leur ressenti par rapport à leur système de ventilation. Les réponses aux questions techniques sont donc subjectives (110 personnes ont été interrogées) : •

86% des personnes interrogées ont affirmé qu'il n'a pas été difficile d'intégrer le système de ventilation à la conception de la maison, même pour des maisons pour plusieurs familles.

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•

• • • • •

Les occupants ont l'impression à 96% que les débits de ventilation sont suffisants (rappelons que les mesures sur site associées à ce questionnaire ont montré que les débits étaient la plupart du temps insuffisants). 68% des occupants affirment avoir suivi une formation pour l'utilisation de leur système, cette formation se résumant la plupart du temps à une démonstration du changement de filtre par l'entreprise qui a réalisé l'installation. 21% des occupants ont déjà fait venir un expert technique (changement de ventilateur, problème de régulation…) 39% des occupants considèrent que l'humidité de l'air est trop faible. Seulement 7% des utilisateurs considèrent que leur système est trop bruyant. Ce résultat est un peu contradictoire avec les mesures effectuées sur site. 82% affirment que l'installation a été correctement faite dès le début. 4% seulement des occupants ont remarqué des moisissures dans leur logement depuis l'installation du système de ventilation.

Les occupants se déclarent à 87% satisfaits de leur installation de ventilation.

VITESSE DE DIFFUSION DANS LE PAYS MARCHE – ALLEMAGNE La veille menée par le CETIAT ces dernières années montre que les fabricants et les produits du marché évoluent beaucoup d'une année à l'autre : des industriels disparaissent, et sont remplacés par d'autres régulièrement. Le laboratoire TZWL réalise chaque année une étude du marché des systèmes de ventilation [14,40] ; il envoie pour cela un questionnaire auprès des fabricants et des distributeurs des systèmes de ventilation allemands, les réponses sont collectées par un notaire et confidentielles. Le laboratoire TZWL évalue à 90% la part du marché qu'il couvre avec cette étude. Le Tableau ci-dessous donne les chiffres des produits vendus pour chaque catégorie sur trois années différentes, 1999, 2002 et 2003. Des chiffres plus récents ne sont malheureusement pas disponibles. ANNÉES Sans récupération Ventilation Avec récupération décentralisée Avec récupération et couplage avec émetteur de chaleur Total des systèmes décentralisés Sans récupération Avec récupération par échangeur Ventilation Avec récupération par échangeur centralisée et/ou pompe à chaleur air/air Avec récupération par échangeur et/ou pompe à chaleur air/eau Total des systèmes centralisés Total des systèmes de ventilation Total des systèmes de ventilation avec récupération de chaleur

1999 77655

2002 104922 9701

2003 149431 10232

1546

312

82544 50397 10119

116169 22649 13900

159975 6535 17153

158

1018

2501

1536

3286

3592

62210 144754

40853 157022

29781 189756

16702

29451

33790

4889

Marché allemand des systèmes de ventilation en 2003 (source [14]) Systèmes décentralisés, ou locaux : • Les ventes de systèmes avec chauffage sont en net recul ;

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•

Les systèmes sans récupération de chaleur (qui incluent les extracteurs simple flux et les double flux) sont en forte hausse.

Systèmes centralisés : • La vente des systèmes centralisés est globalement en hausse de 50%. • Il y a eu une forte baisse des ventes des systèmes de ventilation sans récupération de chaleur (systèmes simple flux). D’après le TZWL, 42842 systèmes ont été exportés en 2003 dont : • 37043 sans récupération de chaleur, • 4009 avec récupération de chaleur, • 2000 pompes à chaleur. La Figure ci-dessous montre des projections de vente de systèmes de ventilation double flux avec récupération de chaleur d'ici à 2010 dans les bâtiments à faible consommation d'énergie uniquement, en Allemagne [41,42]. Ces projections sont directement liées aux projections d'évolution du nombre de maisons passives ou à faible consommation d'énergie, puisque ce type de bâtiment comporte par définition de la ventilation avec récupération de chaleur.

Scénarios de nombre de système de ventilation double flux avec récupération de chaleur Marché – Pays-Bas La réglementation thermique (1996) est un très fort moteur pour l'installation des systèmes double flux haute efficacité dans les bâtiments neufs. La Figure ci-dessous [31] montre l'évolution du taux de pénétration des systèmes de ventilation aux Pays-Bas. Les systèmes traditionnels aux Pays-Bas sont relativement proches des systèmes français, on peut voir que le poids des systèmes double flux est de plus en plus important : il a augmenté de 0,5% en 1995 à 30% en 2002 et 50% en 2003 [43] dans les bâtiments neufs.

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Taux de pénétration des systèmes de ventilation aux Pays-Bas

A noter qu'aucune aide financière n'existerait actuellement aux Pays-Bas pour l'installation d'un système de ventilation double flux avec récupération de chaleur. Actions de diffusion Les syndicats et associations liés aux constructeurs du domaine de la ventilation ont beaucoup d'actions d'information et de communication, souvent en partenariat avec des structures publiques (Ministères fédéraux ou des régions), à destination du grand public et des professionnels du bâtiment : • • • • •

Newsletters, Guides pratiques [44,45], Plaquettes techniques, Sites internet documentés, Base de données de publications, de projets et de services dans le domaine de la ventilation et du climat intérieur,

C.8.5 REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRE DIMENSIONS ETUDIEES POINTS FORTS, POINTS FAIBLES DE L'INNOVATION (METHODE SWOT ) S : Strength - Forces Grâce à la maîtrise des débits de renouvellement d’air et la présence d’échangeur de chaleur entre le flux entrant et le flux sortant, ces systèmes permettent de réaliser des économies d’énergie. Il résulte également une bonne qualité d’air grâce aux débits maîtrisés. Il existe des systèmes de certification de ces produits permettant d’en assurer la qualité. Les produits de ventilation double flux centralisés présents notamment sur le marché allemand paraissent aboutis et fiables, et une grande partie d'entre eux sont certifiés par le DIBt. Le ressenti des occupants vis-à-vis de la qualité d’air est généralement favorable même si certains se plaignent d’un air trop sec ou de températures trop élevées dans les chambres. Les systèmes de ventilation double flux locaux semblent bien adaptés à la réhabilitation des bâtiments. Ils ont une grande souplesse d’utilisation. Au delà du secteur résidentiel individuel, ces systèmes sont adaptés à d’autres type de bâtiments et d’usage : résidentiel collectif, commerces, petits bâtiments de bureaux.

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W : Weakness : Faiblesses Pour en assurer la pérennité dans le temps, ces systèmes nécessitent une maintenance. Le risque de dégradation des performances est fort en cas de manque de maintenance. En présence de filtre ou de puits canadien, il peut en découler de graves problèmes de qualité d’air. Les installateurs ne connaissent pas encore bien les systèmes. Ces systèmes doivent être associés à une perméabilité faible du bâtiment pour être efficace, notamment pour la ventilation double flux centralisée. Ceci impose donc une attention à la perméabilité pour les bâtiments neufs ou un traitement spécifique pour les bâtiments existants. Pour ces systèmes centraux, le marché pour les bâtiments existants est moins important et donc l’offre est moins grande. Les systèmes par pièces ne sont pas disponibles sur le marché français, les systèmes centralisés y sont confidentiels. Même si le marché a connu un essor considérable, l'utilisation des systèmes de ventilation double flux dans les logements allemands notamment est encore très récente, et on connaît actuellement peu de retour de leur fonctionnement sur site. De plus, le nombre d'industriels fabricants présents sur le marché est encore très variable d'une année à l'autre, nombre d'entre eux disparaissant rapidement alors que d'autres apparaissent, ce qui montre que ces systèmes ne sont pas encore matures. Dans l’offre des industriels, on peut se demander si tous les appareils présentés sont réellement industrialisés ou fabriqués ou simplement virtuels ou de démonstration. Ces systèmes restent chers en particulier si on les compare aux couts traditionnels de la ventilation en France. Pour les systèmes centraux, ils sont volumineux (groupes, conduits). Pour les systèmes locaux, leur efficacité et leur performance sont mal connues.

O : Opportunities – Opportunités Le développement de ces systèmes est lié au développement des maisons à faible consommation d’énergie, pour lesquelles l’accent est mis dans le cadre des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre pour 2050. La récupération de chaleur est vécue par certains acteurs comme faisant partie du package obligatoire pour aller vers des bâtiments faiblement consommateurs. Les Réglementations thermiques en Allemagne et aux Pays-Bas favorisent le développement de ces systèmes. Il existe des procédures d'aides financières en Allemagne pour la mise en oeuvre de ces systèmes. Ces systèmes permettent des fonctions complémentaires : filtration de l’air, su ventilation pour le confort d’été. (Voir aussi le rapport unités compactes pour l’association avec le chauffage et le refroidissement). T : Threats – Menaces Le faible cout des systèmes de VMC hygro réglables qui peuvent concurrencer les systèmes double flux. La recherche par certains maitres d’ouvrages de solution de ventilation naturelle et leur volonté d’éviter de s’enfermer dans une monoculture de ventilation mécanique.

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Des contre exemples éventuels sur site (liés à des problèmes de dimensionnement, de mise en œuvre ou de manque de maintenance) pourraient constituer une menace pour la valorisation de ces systèmes. Il n’y a pas de difficulté spécifique à la mise en œuvre de ces systèmes. Néanmoins, Il y a un besoin de familiarisation auprès des installateurs qui, s’il n’est pas résolu (information, formation) pourrait géner le développement de ces systèmes. Ces systèmes peuvent être bruyant, ce qui peut induire leur arrêt ou une diminution des débits (lorqu’il existe plusieurs vitesse de fonctionnement) par l’occupant, entrainant une diminution de la qualité d’air. POINTS SINGULIERS AU CONTEXTE DU PAYS Il est à noter que dans les pays mentionnés, les concepts de maison passive et à faible consommation d'énergie sont plus développé qu’en France. La connotation « écologique » liée à la récupération de chaleur peut recevoir un meilleur accueil dans ces pays où la mentalité écologique est plus développée (ex. : Allemagne) A noter que les installateurs en Allemagne notamment sont réputés pour être mieux formés et plus qualifiés que leurs homologues français Contrairement à la France où notamment la VMC est déjà bien développée dans le résidentiel, il n’y a pas de tradition "système de ventilation" dans l'habitat dans les pays considérés. Dans ces pays le développement du double flux se fait conjointement au développement de la ventilation mécanique. C’est en particulier le cas en Suisse ou Minergie a introduit le concept de ventilation douce impliquant la mise en œuvre de facto d’un double flux. On a donc l’association « double flux = qualité de l’air ».

C.8.6 CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE LES CHANCES DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE Le développement de ces systèmes est intimement lié à celui des maisons à très faible consommation d’énergie et des maisons à énergie positive. De plus, ces systèmes sont bien adaptés pour répondre aux exigences de la réglementation thermique française. Actuellement, la ventilation double flux dans le résidentiel est très peu développée en France. Elle existe surtout dans les petits bâtiments du secteur tertiaire. Il sera important d’inciter les industriels actuels de ce marché à adapter et développer leurs produits pour le secteur résidentiel. Il existe en France dans le secteur résidentiel une forte tradition de pratique associée à la VMC autoréglable avec un développement important de la VMC hygroréglable, contrairement aux autres pays. On peut ainsi imaginer que les systèmes de ventilation double flux rencontreront une concurrence plus forte. De plus, le coût d’investissement pour ces derniers est beaucoup plus important que pour la VMC. A un moment où il apparaît à certains que la ventilation double flux est la solution universelle pour les bâtiments basse consommation il sera important de comparer l’efficacité de la ventilation et la consommation énergétique de ces différents systèmes. Dans ce cadre on pourra noter par exemple que dans les projets concerto de la ville de Lyon des bureaux d’études proposent d’utiliser des systèmes hygroréglables alors que d’autres sont plutôt porteurs de la solution ventilation double flux universelle.

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Plus généralement on peut dire que les deux voies pour maitriser la consommation d’énergie liées à la ventilation sont d’une part la gestion des débits (hygroréglable, détection de présence, CO2) et d’autre part la récupération de chaleur via des systèmes double flux. La première voie est mieux adaptée aux cas où l’occupation est brève, fortement variable et ou le climat est doux. La seconde voie s’applique mieux aux cas ou l’occupation est longue, constante et où le climat est rude. Il s’agit de définir les meilleurs compromis en fonction des domaines d’application. On notera bien évidemment que ces voies ne sont pas forcément exclusives, les systèmes double flux avec 4 débits de fonctionnement étant déjà une tendance à associer les deux approches. COMPATIBILITE AVEC LE CADRE REGLEMENTAIRE ET NORMATIF FRANÇAIS La mise en œuvre de la ventilation double flux doit être passée au filtre réglementaire mais est a priori tout à fait compatible. Cependant on peut noter que les systèmes à 4 débits pourraient ne pas être strictement conformes au règlement d’hygiène actuel. Des questions plus aigues peuvent se poser pour le double flux décentralisé.

QUELLE DYNAMIQUE D'ACTEURS NÉCESSAIRE Une grande partie des éléments décrits dans le document sur les unités compactes sont également applicables ici. On se référera à ce document. En ce qui concerne spécifiquement les systèmes double flux, il est important de différencier les systèmes centralisés plus adaptés à la construction neuve et les systèmes par pièce plus adaptés à la réhabilitation. Systèmes centralisés. Plusieurs industriels de la ventilation disposent du savoir faire pour mettre au point des systèmes de ventilation double flux centralisés principalement pour les bâtiments tertiaires. Il existe déjà sur le marché français quelques produits de ventilation double flux adaptés au résidentiel. Leur marché est cependant marginal. Le développement du marché de ces produits et leurs évolutions passe par une mobilisation des acteurs qui les prescrivent et de la maîtrise d’ouvrage. On peut penser que le discours actuel très fort sur la ventilation double flux peut aider à cette mobilisation. On manque aujourd’hui de documents destinés aux équipes souhaitant mettre en place de tels systèmes notamment dans l’habitat. Par exemple, il n’y a pas d’équivalent aux DTU de dimensionnement et de mise en œuvre des systèmes VMC (DTU 68.1 et DTU 68.2) pour la ventilation double flux. Systèmes par pièce. Certains industriels commencent à développer des produits décentralisés notamment pour les écoles. Il sera important pour ces derniers d’adapter et de développer leur savoir faire notamment au contexte des bâtiments résidentiels. On est cependant sur ces systèmes nettement moins avancé que sur les systèmes centralisés. Il apparait en particulier indispensable de faire des analyses sur l’efficacité en terme à la fois de récupération de chaleur et de qualité de l’air sur ces systèmes.

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Sur le plan du domaine d’application le principe de ces systèmes apparaît comme très séduisant en particulier pour la réhabilitation. Pour ces systèmes il semble donc qu’une phase préalable de caractérisation soit indispensable avant d’aller vers un déploiement large. DISPONIBILITE EN FRANCE DES COMPETENCES DE POSE. Il n’y a pas de difficulté spécifique à la mise en œuvre de ces systèmes. Néanmoins, il n’existe pas en France d’installateur spécialisé dans la ventilation. L’installation de la ventilation est donc en général réalisée par différents corps de métiers à différents stade de la construction. Le problème se posera de façon au moins aussi fort pour l’installation des systèmes double flux. Il y aura donc un besoin de familiarisation auprès des installateurs de ces systèmes. QUELS TYPES D'INCITATIONS ENVISAGER Réglementation Technique Le durcissement de la réglementation thermique conduira au développement des maisons à très faible consommation d’énergie. Les systèmes de ventilation hygroréglables sont aujourd’hui la référence pour la RT2005. On peut se demander si à l’échéance 2010 on pourrait intégrer du double flux en référence. Cela imposerait que soit d’abord comme indiqué ci-dessus, comparés précisément les performances respectives de ces deux types de systèmes. Fiscalité, Financement, Soutien des Collectivités locales Le coût d’investissement sur ces produit sera un point de blocage important, d’autant qu’ils seront en concurrence avec la VMC qui est beaucoup moins chère. Leur prise en compte dans les systèmes de déductions fiscales pourrait limiter ce problème. L’apparition du double flux dans les solutions type qui seraient développées pour des labels comme celui en préparation par Effinergie pourrait favoriser ce développement du marché.

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REFERENCES [1] Durier F., Bernard AM. – Centrales de ventilation double flux à haute efficacité : les produits disponibles sur le marché allemand – CETIAT NTV 2003/017, avril 2003 [2] Tissot A., Durier F. - Centrales de ventilation double flux haute efficacite : les produits disponibles sur le marché allemand, mise à jour de la NTV 2003/017 – CETIAT NTV 2004/053, novembre 2004 [3] Durier F. – Ventilation mécanique répartie double flux : les produits disponibles sur le marché allemand – CETIAT NTV 2003/059, Octobre 2003 [4]

Systèmes de chauffage et de ventilation innovants, journée technique CETIAT, 6 septembre 2005

[5] Guédel A., Morin JM, Froidevaux Y., Salazar JH – Détermination des performances des centrales double flux à haute efficacité, rapport intermédiaire – CETIAT NTV 2002/008, Janvier 2002 [6] Site internet de la DGEMP (Direction Générale de l'Energie et des Matières Premières) : http://www.industrie.gouv.fr/energie/sommaire.htm [7]

Site internet de l'Institut des maisons passives "Passivhaus Institut" : http://www.passiv.de/

[8] Site internet de l'association d'information sur les maisons passives "IG Passivhaus" : http://www.igpassivhaus.de/ [9]

Site internet du Fraunhofer Institut Solare Energiesystem : www.ise.fhg.de

[10]

Site internet de l'Ecole supérieure des deux Bâle : http://www.fhbb.ch/index.php

[11]

Site internet de l'Ecole supérieure Technique et d'Architecture de Lucerne www.hta.fhz.ch

[12]

Site internet de l'institut de recherche EMPA (Sciences et Technologie des Matériaux) : www.empa.ch

[13] Site internet de l'Institut du Logement et de l'Environnement de la région de Hesse et de la ville de Darmstadt : www.iwu.de [14]

TZWL – Notarumfrage Wohnungslüftung 2005 - Prof. Dipl.-Ing P.Müller - 16.03.2005, 6 pages

[15] Site internet du TZWL (Europäisches Testzentrum für Wohnungslüftungsgeräte, centre d'essais européen pour les systèmes de ventilation des logements) : www.tzwl.de [16] Site internet de l'IKE (Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, Institut pour l'Energie nucléaire et les systèmes d'énergie), Université de Stuttgart : http://www.ike.uni-stuttgart.de/ [17] Site internet "Frischluftechnik im Wohnungsbau" (Techniques de renouvellemement d'air dans l'habitat) : www.frischlufttechnik.de [18] Site internet "Verband für Wohnungslüftung e.V." (Association pour la Ventilation des Logements) : www.wohnungslueftung-ev.de [19] Site internet "Kompetenzzentrum für Wohnungslüftung" (Centre de compétences pour la ventilation des logements) : www.kompetenzznetrum-wohnungslueftung.de [20]

Site internet Fachinstitut Gebäude-Klima (Institut pour le climat intérieur) : www.fgk.de

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[21] info.de

Site internet du groupe de travail "ventilation contrôlée" du Fachinstitut Gebäude-Klima : www.kwl-

[22] Prüfreglement für die Prüfung von zentralen Wohnungslüftungsgeräten – Europäisches Testzentrum für Wohnungslüftunggeräte, 28/12/2000, document n°P PR09/1-0 [23] Prüfreglement für die Prüfung von dezentralen Wohnungslüftungsgeräten – Europäisches Testzentrum für Wohnungslüftunggeräte, 28/12/2000, document n°P PR09/1-0 [24] Schild P.G., Brunsell J.T – Accurate performance testing of residential heat recovery units – 24th AIVC conference and BETEC conference, Washington, 12 – 14 octobre 2003 [25] Bensafi A., Richard L., Durier F. - PRESSAT : un outil simplifié pour l'évaluation du profil environnemental de chauffage, ventilation et climatisation – CETIAT NTV 2005/080, Décembre 2005 [26] Berndgen-Kaiser A. – Gefördete Passivhaus-Projekte in NRW - 9. Internationale Passivhaustagung – 29-30/04/2005 – Ludwigshafen – pp 411 – 416. [27]

Site internet du projet européen ENPER – TEBUC : http://www.enper.org/

[28] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B.1, Energy Performance of Buildings : Calculation Procedures Used in European Countries – 01/09/2004 [29] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B2 : Energy Performance of Buildings : Assessment of Innovative Technologies – 01/09/2004 [30] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B3: Energy Performance of Buildings : Legal Context and Practical Implementation of an Energy Performance Legislation – 01/09/2004 [31] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B5: Energy Performance of Buildings : Impact of an EP Regulation on the Building and Technology Market – 01/09/2004 [32]

Site internet sur la réglementation thermique allemande : http://www.enev-online.de/

[33]

Site internet de la Banque KfW : www.kfw-foerderbank.de

[34] EN 832 Août 1999 - Performance thermique des bâtiments - Calcul des besoins d'énergie pour le chauffage - Bâtiments résidentiels [35]

Portail de l'énergie en région wallonne : http://energie.wallonie.be

[36] A. Greml (FHS-KufsteinTirol), E. Blümel (AEE INTEC), R. Kapferer (ENERGIE TIROL), W. Leitzinger (arsenal research) – Endbericht : Technischer Status von Wohnraumlüftungen, Evaluierung bestehender Wohnraumlüftungsanlagen bezüglich ihrer technischen Qualität und Praxistauglichkeit – Février 2004, 296 pages [37] Danner M.– Nutzererfahrungen in der Passivhaussiedlung « Lummerlund » in Hannover-Kronsberg 7. Internationale Passivhaustagung – 21-22/02/2003 – Hambourg – pp 321-328 [38] Gräppi M., Künzli S., Meyer R. – Wohnerfahrungen im Passivhaus - 7. Internationale Passivhaustagung – 21-22/02/2003 – Hambourg – pp 329-335 [39] Hübner H., Hermelink A. – Sozialer Mietwohnungsbau gemäss Passivhausstandard. Praktische Erfahrungen und Gestaltungshinweise - 7. Internationale Passivhaustagung – 21-22/02/2003 – Hambourg – pp 345-352

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[40] Dittmar C., Müller P., Europäisches Testzentrum für Wohnungslüftung e.V. - Umfrage Wohnungslüftung - 9. Internationale Passivhaustagung – 29-30/04/2005 – Ludwigshafen – pp 227 – 232 [41] Bühring A. - Aktueller Stand der Weiterentwicklung von Lüftungs-Kompaktgeräten - 9. Internationale Passivhaustagung – 29-30/04/2005 – Ludwigshafen – p.139 – 144 [42] Bühring A., BIichler C., Jäschke M., Wapler J., Miara M., Schossow M., Guter W. - LüftungsKompaktgeräte : Marktüberblick und Stand der Weiterentwicklung - 9. Internationale Passivhaustagung – 2930/04/2005 – Ludwigshafen [43]

Op't Veld P., Roijen E. - Solutions for MVHR in existing dwellings – AIVC Conference 2004, Prague

[44] Energiesparinformationen 9 - Kontrollierte Wohnungslüftung – Wissenswertes über Abluftanlagen und Anlagen mit Wärmerückgewinnung – Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung, Institut Wohnen und Umwelt, novembre 2004 [45] Energiesparinformationen 8 – Lüftung im Wohngebäude – Wissenssertes über den Luftwechsel und moderne Lüftungsmethoden – Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung, Institut Wohnen und Umwelt, novembre 2004 [46] Energie – Statistiques mensuelles – Commission Européenne – Environnement et Energie, mars 2006 – 177 pages [47] Energie et Matières premières, Prix du gaz et de l'électricité en Europe au 1er juillet 2005 – DGEMP, Observatoire de l'Economie de l'Energie et des Matières Premières, Observatoire de l'Energie, Février 2006 [48] Site internet du Surveillant des prix de l'électricité suisse : http://prix-electricite.monsieurprix.ch/web/f/ [49]

Site internet de EUROSTAT : http://epp.eurostat.cec.eu.int

[50]

Site internet de l'association MINERGIE : www.minergie.ch

SITES INTERNET DES CONSTRUCTEURS ET DISTRIBUTEURS IDENTIFIES AEREX HaustechnikSysteme GmbH : www.aerex.de ALDES Lufttechnik GmbH : www.aldes.de Alpha-InnoTec GmbH : www.alpha-innotec.de Aereco GmbH : www.aereco.de Bau Info Center, Unternehmensbereich Schwörer Haus : www.bauinfocenter.de Balzer Lüfter GmbH : www.balzer-luefter.de Binkert GmbH Heizungs-, Lüftungs- und Sanitärtechnik : www.binkert.de eht Siegmund Gesellschaft für Heiz- und Klimatechnik GmbH : www.eht-siegmund.com EnEV-Air GmbH VS : www.enev-air.de Exhausto GmbH : www.exhausto.de Gebhardt Ventilatoren : www.belair.gebhardt.de Glen Dimplex Deutschland GmbH www.dimplex.de Heinemann Gmbh : www.heinemann-gmbh.de – www.vallox.de Heiztechnik Thesz : www.heiwalux.de HERMES electronic GmbH : www.hermes-electronic.de Hovalwerk AGFL : www.hoval.com LEDA Werk GmbH & Co. KG : www.leda.de LTM GmbH : www.ltm.biz LWH GmbH : www.lwhtech.de

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Meltem Wärmerückgewinnung GmbH & Co.KG : www.dezentral.info NIBE Systemtechnik GmbH : www.nibe.de ÖKO-Haustechnik inVENTer GmbH : www.inventer.de Olsberg Haustechnik GmbH & Co.KG : www.heizenundlueften.de ORANIER Heiz- und Kochtechnik GmbH : www.oranier.com PAUL Wärmerückgewinnung-Wärmetauscher : www.paul-lueftung.de Pluggit GmbH : www.pluggit.com Regenerative Energien Helmut : www.flath-waerme.de SCHAKO Klima-Luft Ferdinand Schad KG & Co. : www.schako.de Schiedel GmbH & Co. : www.schiedel.de Schütz eht GmbH & Co. KG :. www.schuetz.de SIEGENIA-AUBI KG : www.siegenia-aubi.com Smeets Luftbehandlungssysteme GmbH : www.smeets.de Solar Energie Technik Schmidt (Stork Air) : www.solarschmidt.de Stiebel Eltron : www.stiebel-eltron.com Systemair GmbH : www.systemair.de Viessmann Werke GmbH & Co : www.viessmann.com VINES Vertriebsgesellschaft Innovativer Energiesysteme Luth.: www.vines-web.de VisionAir Lüftungs- und Luftheiztechnik GmbH : www.visionair-gmbh.de Westaflexwerk GmbH www.ventilation.de www.westaflex.de Zehnder GmbH : www.comfosystems.de Zimmermann Lüftungs- und Wärmesysteme GmbH & Co. KG : www.zimmermann-lueftung.de VENT-AXIA : www.vent-axia.com HELIOS : www.heliosventilatoren.de SCHRAG : www.schrag.de MAICO : www.maico.de ENRVENT : www.enervent.fi LÜFTA : www.luefta.at DREXEL UND WEISS : www.drexel-weiss.at BENZING : www.benzing-ls.de GLT : www.glt.de

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C9 – SYSTEMES COMPACTS VENTILATION, CHAUFFAGE, EAU CHAUDE EN ALLEMAGNE, AUTRICHE ET SUISSE

Auteurs : Emmanuel Fleury (emmanuel.fleury@cstb.fr) avec la participation d’Orlando Catarina (orlando.catarina@cstb.fr)

Expert : Anne Tissot (CETIAT)

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INTRODUCTION L'objet de cette étude est l'évaluation, la capitalisation et l'analyse des conditions de transposition en France des systèmes compacts. Les systèmes compacts sont des produits assurant de façon conjointe les fonctions ventilation, chauffage et production d'eau chaude sanitaire d'un bâtiment. Le champ de l'étude a été limité aux pays dans lesquels des produits répondant à cette définition existent, à savoir principalement l'Allemagne, l'Autriche et la Suisse. Des recherches menées dans d'autres pays comme le Canada, les Etats-Unis, n'ont pas permis de trouver des produits analogues. Des fabricants existent dans les pays scandinaves, mais peu de renseignements étant disponibles, ces pays n'ont pas été traités.

C.9.1 CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUE D'ACTEURS CONTEXTE NATIONAL ET LOCAL Allemagne Le Gouvernement de M. Schröder a pris début 2002 la décision d'abandonner l'énergie nucléaire à l'horizon 2020. Même si ce processus de sortie du nucléaire pourrait être ralenti par le gouvernement en place depuis fin 2005 (Mme Merkel), l'Allemagne va donc devoir faire face au cours des deux prochaines décennies à d'importants besoins de nouvelles installations de production d'électricité destinées à compenser l'abandon du nucléaire et l'arrivée en fin de vie de nombreuses centrales autres que nucléaires. Les estimations portent sur un besoin de 43 000 MWe d'ici 2020, qui pourraient être répartis entre 45 nouvelles centrales thermiques (environ 24 000 MWe) et l'amélioration de 200 centrales thermiques classiques existantes. La question de la future composition du mix énergétique va alors se poser. La population allemande est quant à elle globalement opposée au nucléaire, mais face au problème de l'approvisionnement énergétique à moyen/long terme (dépendance aux importations et coûts des énergies renouvelables), un changement d'opinion n'est pas tout à fait exclu. L'Allemagne a pris en outre deux engagements forts dans le cadre du protocole de Kyoto, à savoir une diminution d'ici 2005 de 25% ses émissions de CO2 par rapport à 1990 et une réduction de 21% ses émissions de gaz à effet de serre au cours de la période 2008-2012. Suisse L'énergie hydraulique constitue la seule source d'énergie nationale en Suisse. Avec la loi sur le CO2 du 1er mai 2000, la Suisse s'impose des objectifs contraignants pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cette réduction doit avant tout résulter de mesures librement consenties par les entreprises et les particuliers et de mesures de politique énergétique, mais aussi de l'action politique dans le domaine de l'environnement, des transports et des finances. En 2001, le Conseil fédéral se fondait sur les lois sur l'énergie et sur le CO2 pour lancer le programme SuisseEnergie. Au moyen de mesures librement consenties par l'économie (conventions) et de campagnes d'information, SuisseEnergie doit contribuer à atteindre les objectifs énergétiques et climatiques de la Suisse : réduire, d'ici 2010, la consommation d'énergies fossiles et les émissions de CO2 de 10% par rapport à leur niveau de 1990 ; limiter la progression de la demande d'électricité à 5% au maximum d'ici 2010 ; maintenir au niveau actuel l'apport de la force hydraulique à la production de courant même lors de l'ouverture du marché de l'électricité ; accroître la quote-part des autres énergies renouvelables de 1% dans la production de courant et de 3% dans la production de chaleur. En mai 2003, les citoyens ont rejeté deux initiatives antinucléaires, "moratoire plus" et "électricité sans nucléaire". La production nucléaire d'électricité représentait à ce moment 40 % de la consommation du pays, les autres 60 % étant fournis par la production hydraulique.

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Autriche Le gouvernement autrichien est un système fédéral avec neuf régions, et les responsabilités en politique énergétique sont partagées entre l'état fédéral et les régions. Le pays a des ressources hydroélectriques conséquentes qui couvrent 70% de ses besoins d'électricité. L'Autriche dispose également de ressources en pétrole et gaz naturel, qui couvrent respectivement 9 et 23% de ses besoins. Elle a importé environ 65% de ses besoins en énergie primaire en 2000. Les marchés de l'électricité et du gaz ont été libéralisés en octobre 2001 et octobre 2002, en avance sur les dates d'application des directives européennes. Prise de conscience collective et action On reconnaît généralement aux populations "germaniques", qui composent l'Allemagne, l'Autriche et une bonne partie de la Suisse, une sensibilité forte aux problématiques écologique et environnementale. En Allemagne, le sursaut écologique a été imposé par la pollution atmosphérique résultant de son industrialisation intensive, à partir des années 70. Dès le début des années 80, plusieurs lois sont adoptées en matière de dépollution et de préservation de l'environnement. Le changement comportemental des Allemands et le long processus de sensibilisation à l'adresse des populations sont pour beaucoup dans la réussite de sa politique environnementale. La première conséquence de cet état d'esprit est que les habitants de ces pays sont prêts à dépenser plus d'argent pour un mode de vie plus propre, moins consommateur d'énergie. La naissance des concepts de Maisons Passives et de MINERGIE découle donc de cette sensibilité aux problèmes d'économie d'énergie. ANTERIORITES ET ORIGINE DE L'INNOVATION Les systèmes compacts ont été développés pour assurer la ventilation, le chauffage et l'eau chaude sanitaire des maisons passives dans un seul appareil. Leur évolution a toujours été associée à l'évolution des maisons passives. L'origine des systèmes compacts remonte au milieu des années 90 [2] : le bureau d'études ebök et le Passivhaus Institut ont fait un cahier des charges pour la mise au point d'un système de ventilation avec récupération de chaleur et pompe à chaleur intégrée, destiné aux maisons passives. Les études théoriques, économiques et pratiques ont été menées par le Fraunhofer ISE (Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme), pour soutenir les industriels dans la mise au point de produits. Au départ, les industriels étaient des PME allemandes spécialisées dans les produits de ventilation double flux (Drexel und Weiss, EMB PassivHaus, Paul, …). Ensuite, ce sont des industriels allemands ou suisses de plus grande taille, travaillant plutôt dans le domaine du chauffage, qui se sont mis à fabriquer et/ou distribuer des systèmes compacts (Viessmann, Stiebel-Eltron, Zehnder, …). L'offre du marché a fortement varié au cours du temps : de petits fabricants ont disparu, ou alors ont ôté ces produits de leur catalogue. Malgré l'implication du Passivhaus Institut à l'origine, les acteurs clés du développement des systèmes compacts semblent avoir été essentiellement des industriels ; ces appareils n'ont en effet fait l'objet de travaux dans des laboratoires de recherche (EMPA, Universités de Bâle et de Lucerne en Suisse, TZWL en Allemagne) que plus récemment. Néanmoins, l'évolution et le développement des systèmes compacts sont indubitablement liés aux maisons passives et autres concepts de maisons à faible consommation d'énergie. Sans l'essor des maisons passives en Allemagne notamment, les produits n'auraient jamais sans doute atteint leur définition actuelle. DYNAMIQUE DES ACTEURS

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Les acteurs qui accompagnent ce développement sont :

Le Passivhaus Institut : référentiel technique, outil logiciel de conception destiné aux bureaux d'études, guides de mise en œuvre sur des points spécifiques (isolation, fenêtres, ventilation, …), certification volontaire des bâtiments passifs et des composants, appareils ou systèmes qui leur sont destinés, diffusion d'informations par plusieurs sites Internet, des brochures, guides techniques, outils logiciels, conférence [5].

L'association d'information sur les maisons passives IG Passivhaus entretient un réseau d'informations sur les maisons passives, les acteurs techniques et économiques [6],

Des laboratoires de recherche sont connus pour travailler sur le sujet : -

le Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (Fribourg) [7] ;

l'Institut für Energie du Fachhochschule beider Basel (Département de l'Energie de l'Université de Bâle) [8] ;

Hochschule für Technik+Architecture Luzern (Laboratoire de Génie Climatique, Université de Lucerne) [9] ;

L'EMPA (Institut de recherche sur les Matériaux et la Technologie, Suisse) [10].

Le Groupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur GSP [11] rassemble tous les groupements et les organisations importants qui s'engagent en faveur de la promotion et de la diffusion des pompes à chaleur.

Des bureaux d'architectes spécialisés, des bureaux d'études spécialisés,

Des fabricants de matériel spécifique ou destiné aux maisons passives (matériaux, composants, systèmes) - (93 référencés sur le site de l'association des maisons passives) ;

Le Ministère allemand de l'Economie de l'état fédéral finance des prêts et attribue des subventions pour la construction de maisons passives ;

Les pouvoirs publics de plusieurs Länder allemands (Baden-Würtemberg, Bavière, Brandenburg, Hessen, Basse-Saxe, Nordrhein-Westfalen, Reinland-Pfalz, Schleswig-Holstein) soutiennent le développement des maisons passives par différents mécanismes d'aides financières ;

En Allemagne, un certain nombre d'organismes bancaires gèrent des propositions de crédit subventionné par l'état fédéral : KfW-Förderbank, UmweltBank AG, GLS Gemeinschaftsbank…

Les cantons suisses attribuent des aides financières aux bâtiments MINERGIE ;

La région de Haute-Autriche aide également financièrement les particuliers qui veulent faire construire

une maison à faible consommation d'énergie. Il n'y a pas à proprement parler d'acteurs résistant à l'innovation : les systèmes compacts correspondent aujourd'hui à un marché de niche qui compte tenu du prix des appareils est plutôt un marché haut de gamme. Les clients types sont des enseignants, professions du droit, médecins, et de façon générale des diplômés de l'enseignement supérieur. Ils sont généralement bien informés et savent ce qu'ils veulent, et sont prêts à payer pour une maison de bonne qualité.

C.9.2 CONTENU DE L'INNOVATION DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE Les systèmes compacts rassemblent en un seul produit les fonctions ventilation, chauffage et production d'eau chaude sanitaire et constituent ainsi une famille de produits comportant généralement : - une pompe à chaleur sur air extrait pour le chauffage d'un ballon d'ECS,

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- un récupérateur de chaleur statique air extrait/air neuf. Le vecteur du chauffage est généralement l'air. En plus du ballon d'ECS, il peut y avoir un ballon d'eau de chauffage qui peut compléter le chauffage de l'air soufflé. Le ballon d'ECS comporte un appoint généralement électrique, de puissance variable suivant les produits. Certains industriels proposent de coupler ce système compact à d'autres éléments : - puits canadien pour le préchauffage de l'air neuf, - capteurs solaires contribuant au chauffage du stockage. Chaque système compact est suivant sa technologie destiné à un type de maison : maison passive ou maison à faible consommation d'énergie, suivant sa technologie. Il n'a pas été trouvé d'informations sur une éventuelle installation de ces systèmes individuels dans le secteur tertiaire. Un seul industriel propose un produit pour appartements.

Appareil Vitotres de VIESSMAN La société AEREX (ou MAICO) est largement le leader du marché des systèmes compacts dans les maisons passives en Allemagne, Autriche et Suisse, et revendique plus de 1000 systèmes installés. La société AEREX travaille avec le Fraunhofer ISE pour l'amélioration de ses produits. Le système compact Passiv VP18-10P de Nilan est un appareil très compact avec un ballon intégré destiné aux petits ensembles de logements. L'appareil est sorti sur le marché mi-2004, 300 unités ont été installées en Allemagne, et 95 en Suisse. Il a été testé par le HTA de Lucerne. Aucune certification basée sur leurs caractéristiques techniques n'existe actuellement pour ces produits dans leur intégralité. HORIZON TEMPOREL Les systèmes compacts sont des produits actuellement émergents en Allemagne, Suisse et Autriche. Comme précisé plus haut, leur développement est intimement lié au développement des maisons passives. Il y a un grand nombre de fabricants, en Allemagne notamment. Les systèmes compacts ayant comme source de chaleur l'air extrait uniquement ne sont destinés qu'aux maisons passives. Ces systèmes ont donc des perspectives à plus long terme, directement liées à l'émergence des maisons passives en France.

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Les autres types de systèmes compacts, qui utilisent comme source de chaleur l'air extrait ainsi que de l'air extérieur, sont destinées aux maisons à faible consommation d'énergie ; leurs perspectives de transposition sont donc liées à l'implémentation de ce type de bâtiment en France. CHAMP D'APPLICATION Les systèmes compacts sont destinés aux maisons individuelles à faible consommation d'énergie et aux maisons passives. Ils sont essentiellement installés en bâtiment neuf, parce que les maisons passives sont très majoritairement des maisons neuves. Leur utilisation peut se faire dans le cas de rénovation lourde, avec réservation pour les passages des conduits nécessaires. Dans le cas de la conception d'une maison neuve comme de sa réhabilitation, le choix du système compact doit être lié aux besoins de chauffage et d'ECS du bâtiment. Les systèmes compacts ne sont pour l'instant pas utilisés en tertiaire. Il n'a pas été trouvé d'éléments sur le fonctionnement des appareils de la société Drexel und Weiss dans des appartements.

IMPACTS Consommation d'énergie et émission de gaz à effet de serre La consommation d'énergie d'un système compact destiné à une maison passive répondra aux exigences liées à ce type de bâtiment, à savoir une consommation d'énergie finale inférieure à 15 kWh/m2/an pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire. Au niveau de la performance des composants des systèmes compacts, les documentations des fabricants communiquent généralement :

le coefficient de performance de la pompe à chaleur,

la puissance absorbée de la pompe à chaleur,

la consommation des ventilateurs destinés à la ventilation,

l'efficacité de récupération de l'échangeur de chaleur air/air,

l'efficacité de filtration des filtres placés sur l'air neuf et l'air extrait,

Contenu environnemental Il n'existe pas actuellement à notre connaissance de résultat d'analyse de cycle de vie d'un système compact. Des analyses de cycle de vie ont été réalisées pour des pompes à chaleur, des chauffe-eau solaires individuels ou des caissons de ventilation. Cependant, bien qu'un système compact soit une association de ces composants, on ne peut rien en déduire concernant ses impacts environnementaux. Conception du bâtiment (neuf) et son usage Un système compact ne peut fonctionner correctement que si les besoins énergétiques (besoins en chauffage, consommation d'ECS…) de la maison dans laquelle il est installé ont été correctement prévus. Si ces besoins ont été sous-estimés, le système compact ne fonctionnera pas dans son rythme normal, ce qui pourrait entraîner notamment un recours à l'appoint électrique trop fréquent. L'installation du système compact doit être prévue suffisamment en amont pour que les charges de chauffage de la maison soient cohérentes avec la puissance que peut fournir le système compact.

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L'installation d'un puits canadien doit également être anticipée et être cohérente avec la surface de terrain disponible, la présence d'arbres et de végétation… Au niveau de l'usage, compte tenu du système de chauffage, certains comportements doivent être évités : ainsi l'ouverture trop fréquente des fenêtres (inutile puisque le système de ventilation assure le renouvellement d'air) dans une maison passive en période de chauffage peut engendrer une baisse de la température intérieure, qui mettra alors du temps à revenir à un niveau de confort. Un certain nombre de publications traitent de ce point [12] [13][14][15]…

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C.9.3 MISE EN ŒUVRE MISE EN ŒUVRE SUR CHANTIER Les techniques de pose et l'outillage nécessaire ne diffèrent pas de ceux liés aux composants élémentaires d'un système compact (conduits de ventilation, ballon d'eau chaude, pompe à chaleur, puits canadien, panneaux solaires…). Mais certains éléments sont tout particulièrement techniques comme la pompe à chaleur et la régulation ou d'enjeu sanitaire particulièrement important (puits canadien). Des installateurs formés sont donc nécessaires. Cependant, la société STIEBEL-ELTRON, qui vend son produit LWZ 303 en France pour des maisons neuves à faibles besoins énergétiques, réalise elle-même pour l'instant l'installation de ses produits car pour elle le recours à des installateurs est prématuré... Productivité et rentabilité sur chantier : un système compact assurant les fonctions de ventilation, chauffage et production d'eau chaude sanitaire, son temps de pose ne sera pas supérieur à la somme des temps de pose des systèmes assurant ces fonctions séparément. De plus, dans une maison passive, aucun émetteur de chaleur n'aura à être installé. La programmation et la mise en service sur site peuvent en revanche être plus longues. Il n’a pas été possible d’obtenir des informations sur les délais de livraison. Au plan du stockage et de la manutention, tous les éléments d'un chantier étant soumis à des risques de dégradation les systèmes compacts comme les autres, une attention particulière sera peut-être portée au produit du fait de son prix élevé. Les compétences particulières nécessaires peuvent être : - manipulation de fluide frigorigène pour l'installation de la pompe à chaleur, - connaissance du puits canadien et de ses enjeux sanitaires, - connaissance de la régulation du système complet et de son mode de programmation. En France, les personnes assurant l'installation d'un système de ventilation, d'une chaudière ou d'une pompe à chaleur n'ont pas la même qualification. Le système de chauffage est installé par un chauffagiste, un frigoriste s'occupe de l'installation de la pompe à chaleur et le lot ventilation est parfois couplé à la peinture ou la plomberie. Ces différentes qualifications, auxquelles on peut ajouter un installateur spécialisé dans le solaire pour d'éventuels panneaux solaires, sont nécessaires pour installer un système compact. De plus, la connaissance du produit pour une mise en service et une programmation correcte est indispensable. Des améliorations de compétences sont donc nécessaires par exemple sous la forme de : - formation initiale dans les différents domaines concernés (idéalement, une même personne devra savoir installer le réseau de ventilation, la pompe à chaleur et les autres éléments), - formation par les industriels pour la connaissance du produit et de sa manipulation. L'association MINERGIE organise régulièrement en Suisse des réunions d'information ou des sessions de formation destinées à des installateurs sur les produits du bâtiment, dont les systèmes de ventilation et les pompes à chaleur. Certains industriels renvoient à des listes d'installateurs qui connaissent leurs produits sur leurs sites internet. A noter que les installateurs en Allemagne notamment sont réputés pour être mieux formés et plus qualifiés que leurs homologues français. En France, on a par exemple des problèmes récurrents de qualité d'installation de système de ventilation, dus au fait qu'il n'existe pas de lot ventilation et que l'installation peut être réalisée

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par des électriciens ou des peintres, et que les sources d'erreur sont nombreuses (mélange entre les composants…). Il n’a pas été possible de savoir si une profession spécifique se développait. Finalement, l'installation d'un système compact dans une maison individuelle neuve peut être considérée comme difficile. Les documents à disposition des installateurs sont les documents fournis par les industriels, ainsi que les diverses normes et réglementations portant sur les différentes fonctions du système compact. Ainsi par exemple, la documentation fournie par la société STIEBEL-ELTRON avec son produit LWZ 303 liste les documents applicables en Allemagne.

MODALITES DE GESTION, D'EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE Les modalités de maintenance du système LWZ 303 préconisées par STIEBEL-ELTRON sont les suivantes : - maintenir libres de neige et de feuilles mortes la prise d'air neuf et le rejet d'air à l'extérieur ; - contrôler et nettoyer l'échangeur de chaleur double flux au moins une fois par an, à l'eau chaude et avec un détergent courant ; - débarrasser régulièrement les impuretés présentes entre les lamelles de l'évaporateur, avec un puissant jet d'eau après l'avoir démonté - contrôler régulièrement l'écoulement des condensats. Le sujet des filtres n'est pas abordé dans la partie maintenance de la documentation de STIEBEL-ELTRON, mais ceux-ci doivent être régulièrement changés : on préconise généralement une fois par an, après le printemps. La recharge du fluide frigorigène doit éventuellement être réalisée à intervalles réguliers, par un spécialiste. Un spécialiste doit être appelé en cas de tout défaut de fonctionnement. Il n'a pas été trouvé d'informations sur l'existence de contrats de maintenance, et leur coût éventuel, sur un service après-vente et son fonctionnement. La durée de vie des différents composants d'un système compact est a priori du même ordre de grandeur que celle d'éléments individuels de même nature.

INCITATIONS REGLEMENTAIRE, FISCALE, MODALITES DE FINANCEMENT Les éléments donnés dans cette partie sur les réglementations thermiques des différents pays proviennent en grande partie des rapports publiés dans le cadre du projet ENPER-TEBUC. Allemagne Réglementation La première incitation réglementaire en Allemagne est la réglementation thermique EnEv [22]. Elle a été complétée en 2004, et sera modifiée fin 2006 pour s'adapter aux directives européennes. EnEv fixe une exigence sur la consommation d'énergie primaire du bâtiment et sur l'étanchéité à l'air de l'enveloppe. Cette consommation en kWh/m²/an doit être inférieure à une valeur limite, qui dépend du rapport entre la somme des surfaces des parois déperditives et le volume du bâtiment. La réglementation allemande

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exige également un renouvellement d'air minimum, sans donner de valeurs. Ces exigences font qu'il est quasiment nécessaire de mettre en place un système de ventilation mécanique (la majorité des logements en Allemagne en est aujourd'hui dépourvue) conduisant à des consommations d'énergie directe (ventilateurs) et liée au renouvellement d'air les plus faibles possibles. C'est ce contexte qui favorise le développement du marché pour les systèmes de ventilation double flux à récupération de chaleur. Financement De nombreuses modalités de financement existent en Allemagne pour la construction de maisons passives :

La banque KfW (23] gère un programme d'aide au financement appelé "Construire écologique" depuis début 2005. La construction d'une maison passive ou à faible consommation d'énergie, ou l'installation d'équipements énergétiques performants (dont les pompes à chaleur et systèmes de ventilation avec récupération de chaleur) donnent droit à des emprunts avec des conditions favorables de remboursement. La somme prêtée est de maximum 50000 euros, à rembourser sur 10 ans maximum ; le remboursement peut commencer à la troisième année seulement. Les taux d'intérêts sont fixés en dessous du marché, et il est possible de faire des remboursements non prévus à n'importe quel moment sans frais. Cette offre peut être combinée à d'autres aides publiques ou d'autres programmes de la banque KfW. Après construction de la maison, la banque vérifie que les fonds ont bien été employés comme prévu. D'autres programmes existent, sur la rénovation des logements, les systèmes de génération d'énergie dans les logements…

De plus, depuis février 2006, les taux d'intérêts pour un emprunt d'au maximum 50000 euros par logement et par 10 ans sont de : - sur 10 ans : 0,90 % effectifs - sur 20 ans : 1,00 % effectifs - sur 30 ans : 1,31 % effectifs

Ces très faibles taux sont rendus possibles par une bonification de l'état fédéral.

Autriche Réglementation La réglementation thermique autrichienne a une approche régionale puisque les textes varient suivant les régions. La consommation du bâtiment en énergie finale doit être inférieure à une valeur limite qui dépend uniquement de la surface du bâtiment. La réglementation précise les débits de renouvellement d'air minimums des bâtiments, en fonction du type de bâtiment et de sa surface. Les déperditions par renouvellement d'air sont calculées avec l'EN 382. L'efficacité de récupération de chaleur est prise en compte dans les calculs de la consommation d'énergie. Financements L'Autriche a mis en place en 1993 des aides publiques sous la forme de prêts avantageux pour la construction de maisons à faible consommation d'énergie. Le montant de ces aides varie avec les régions et les critères, qui sont : - Indice énergétique maximum pour le bâtiment (énergie dépensée pour le chauffage), il est actuellement de 65 kWh/m², et a été baissé régulièrement depuis 1993, passant de 75 kWh/m²/an à 60 kWh/m²/an pour la fin 2006, et 50 kWh/m²/an pour 2007 ; - participation obligatoire des demandeurs à des sessions de conseil sur l'énergie, pour un audit personnalisé.

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Devant le succès de cette initiative, d'autres programmes ont vu le jour : - en 1999, un programme d'aide pour les maisons à faible consommation d'énergie (< 50 kWh/m²/an, < 30 kWh/m²/an) a été initié. La somme sur laquelle porte le prêt varie de 10000 à 17000 euros suivant l'efficacité énergétique de la maison. - en 2001, elle est portée à 20000 euros pour la construction d'une maison passive. Pour ces deux programmes, la session d'information sur l'énergie est également nécessaire. D'autres programmes pour des aides à la réhabilitation de logements ont également été créés. L'ensemble de ces programmes a conduit entre 1993 et 2004 à 40000 maisons concernées, des économies d'énergie de 285 millions de kWh/an, la réduction d'émission de CO2 de 57 millions de kg par an. Suisse Réglementation Les textes de la réglementation thermique suisse varient selon les cantons. La consommation d'énergie finale du bâtiment ne doit pas dépasser une valeur limite calculée à partir de la surface du bâtiment, sa forme, de la zone climatique, de la température intérieure, de l'occupation et des gains internes. Les débits de renouvellement d'air à respecter sont décrits dans cette réglementation thermique. Les déperditions liées à ce renouvellement d'air sont calculées suivant l'EN 832 [24]. L'efficacité de récupération de chaleur pour les systèmes de ventilation double flux est prise en compte dans les calculs. Financement Les cantons attribuent des subventions aux bâtiments respectant le standard MINERGIE. Quelques entreprises d'approvisionnement en électricité promeuvent également l'installation et l'exploitation de pompes à chaleur. Pour les bâtiments MINERGIE et les rénovations MINERGIE, certaines banques accordent des emprunts à des conditions préférentielles. Les offres classiques ont pour noms "Eco-Crédit" ou "Hypothèques MINERGIE".

C.9.4 EVALUATION DES RESULTATS DANS LE PAYS CONCERNE De nombreux produits font ou ont fait l'objet d'instrumentation suivie dans des maisons passives par les industriels et le Fraunhofer ISE. Cet institut possède des installations d'essais qui permettent de comparer les différents systèmes compacts du marché. LES PERFORMANCES Energie et confort Campagne 2002-2004 par le Fraunhofer ISE Dans le cadre d'un projet financé par le fournisseur d'énergie Energie-Baden Württemberg EnBW, le Fraunhofer ISE a mené des campagnes de mesure sur site sur 27 maisons passives équipées de systèmes compacts avec panneaux solaires sur 3 ans (2002 à 2004). Les propriétaires des maisons recevaient 5000 euros pour équiper leur maison et envoyer les résultats de mesure au Fraunhofer Institut tous les mois.

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La figure 1 montre les résultats obtenus sur 21 maisons sur les trois ans : la consommation d'énergie électrique varie entre 5 et 42 kWh/m2/an suivant les maisons pour assurer le chauffage (y compris la ventilation) et l'eau chaude sanitaire, avec une moyenne de 16,9 kWh/m². Les différences entre les maisons peuvent avoir plusieurs explications : - mauvaise adéquation entre système et maison (mauvais calculs des besoins) ; - comportement des utilisateurs (consommation d'eau élevée, ouverture des fenêtres en hiver trop importante…) ; - éventuels dysfonctionnements du système…

Figure 1 : Consommation électrique par maison en kWh/m2/an – les résultats des maisons équipées de systèmes compacts sont dans la partie droite du graphe Projet Suisse – Annexe 28 Dans le cadre de la contribution suisse à l'annexe 28 du programme Pompes à chaleur de l'AIE, l'université de Bâle et l'université de Lucerne ont réalisé des campagnes de mesure sur 3 maisons Minergie, afin de mettre au point et valider une méthode de calcul de performance des systèmes compacts. Les résultats montrent des fonctionnements inattendus comme le fonctionnement de la pompe à chaleur pour le chauffage en été et une faible consommation d'ECS en été et en hiver. En revanche, il est intéressant de noter que l'appoint électrique pour le chauffage et l'ECS n'a pas du tout été utilisé. Sur un des sites, les besoins de chauffage mesurés sont largement au-dessus des prévisions puisqu'ils s'élèvent à près de 73 kWh/m²/an. Inversement les besoins en eau chaude sanitaire sont bien plus faibles que ceux prévus et l’indice de chaleur pondéré est le double de la limite supérieure définie par le label MINERGIE-P. Caractérisations en laboratoire Il n'existe actuellement pas de norme d'essais de système compact. Le Fraunhofer ISE a caractérisé dans son laboratoire trois systèmes compacts du marché, en s'appuyant sur la norme EN 255-3 [27]. Les COP évoluent de 2,4 à 3,45 en mode de production de chauffage et d’ECS selon les machines. Il n'a pas été trouvé d'éléments sur la caractérisation des systèmes compacts au plan de la stabilité au feu.

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Confort thermique L'ouverture des fenêtres dans les maisons passives est théoriquement inutile puisque l'ensemble des débits hygiéniques est assuré par le système de ventilation. On peut toutefois difficilement éviter une ouverture comportementale des fenêtres, purement psychologique. On revient alors dans ce cas à une non maîtrise des débits de renouvellement d'air et aux consommations énergétiques associées. Plusieurs publications du congrès allemand sur les maisons passives de 2003 ou de 2004 concernent l'ouverture des fenêtres. Ainsi, la référence [12] concerne 9 maisons passives à Stuttgart. Pendant la saison de chauffe, d’octobre à avril, au moins une fenêtre est ouverte jusqu’à environ une heures par jour (3h/jour pour une des maisons). Certains occupants n’ouvrent jamais en hiver ; la plupart ouvrent peu ; la QAI semble donc satisfaisante. En mi-saison, les ouvertures sont plus longues (1 à 6 h/jour en septembre et octobre – 1 à 9 h/jour en mai). En été, la conception des maisons passives, avec une forte isolation thermique, une forte inertie et une forme adaptée, permet d’éviter les surchauffes. Confort acoustique Des informations sur les caractéristiques acoustiques des systèmes compacts figurent dans la plupart des documentations techniques, mais les valeurs indiquées ne sont la plupart du temps pas directement comparable. Il est recommandé également dans la plupart des documentations de ne pas placer le système directement sous ou à côté de chambres à coucher. Aspects sanitaire et environnemental Au plan sanitaire, l'installation d'un système compact doit respecter certaines exigences : - prise d'air extérieur protégée des éléments extérieurs, et éloignée de tout rejet d'air vicié, - air neuf filtré (au minimum filtre G4 pour protéger l'échangeur), - le filtre doit être installé de façon étanche mais être facilement démontable pour entretien, - si le système est précédé d'un puits canadien, les règles de base sont : - conduits en PE (polyéthylène) ou PP (polypropylène), - pente du conduit de l'ordre de 2% pour évacuer les condensats, - les conduits aérauliques dans le logement doivent être accessibles pour le nettoyage, - l'évacuation des condensats doit être prévue sur les échangeurs. Risques de dégradation des performances après mise en œuvre Des dégradations de performance peuvent se produire après mise en œuvre dans le cas notamment d'une maintenance insuffisante : - encrassement des filtres, des échangeurs, d'une façon générale des éléments de passage de l'air, ce qui provoque une augmentation des pertes de charge et une modification des points de fonctionnement, - dysfonctionnement des capteurs utilisés pour la régulation (capteurs de température d'eau, capteurs de température d'air, capteurs de pression, horloge…) - mauvaise utilisation par les occupants de la maison : si les occupants imposent une température d'eau chaude sanitaire trop élevée, l'appoint électrique fonctionnera en permanence, ce qui entraînera une consommation d'énergie élevée. Compatibilité entre performances des différents composants Aucun antagonisme entre performances n'a été mis à jour.

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LES COUTS REELS Coût Initial – Investissement Une enquête du Fraunhofer ISE auprès des fabricants [28] fournit des éléments de coût : le prix comprend a priori système + ballon d'ECS, pour un débit de renouvellement d'air de l'ordre de 160 m3/h. Il est toutefois difficile de savoir si ces prix de vente destinés aux marchés actuellement couverts (Allemagne, Suisse, Autriche) sont des prix réels ou si l'acheteur a une marge de négociation et si des remises commerciales sont systématiquement attribuée. Ces prix varient de 5000 à 15000 euros. Constructeur AEREX Bau Info center

Désignation AEREX BW 125 / 175 / 225 WRG 134 / WRG 334

Prix indicatifs 12800 – 15500 € (site internet) 5200 €

Ces prix de prennent pas en compte les frais d'installation. Presque tous les fabricants proposent une vérification des calculs thermiques suivant les méthodes de calculs des maisons passives qui est incluse dans le prix de vente du produit. Coût Opérationnel - Exploitation – Maintenance Les coûts opérationnels sont : - la consommation électrique du système en fonctionnement ; - la maintenance annuelle si elle est réalisée par un spécialiste ; - le coût de changement des éléments comme les filtres. En prenant la consommation électrique annuelle moyenne obtenue lors de l'étude sur site réalisée par le Fraunhofer ISE, qui est de 16,9 kWh/m² (moyenne obtenue sur 42 maisons passives équipées de système compact), pour une surface habitable de 100 m², on obtient une consommation annuelle de 1690 kWh, ce qui représente une facture de 304 euros en Allemagne et représenterait une facture de 205 euros en France.

LE VECU DES UTILISATEURS – AVIS DES ACTEURS ET DU PUBLIC Gestionnaire Aucune information n'a été trouvée sur ce point. Mainteneur – Commissionnement Aucune information n'a été trouvée sur ce point. Utilisateur final – Occupants L'Allemand moyen ne sait a priori pas plus que le Français moyen ce qu'est la ventilation et à quoi elle sert, mais les clients, donc les utilisateurs, des systèmes compacts sont un peu plus sensibilisés. Les systèmes compacts ne sont aujourd'hui installés que dans des maisons individuelles, et correspondent aujourd'hui à un marché de niche qui compte tenu du prix des appareils est plutôt un marché haut de gamme. Les clients types sont donc des personnes actives dans la projection et la conception de leur future maison (voir §Erreur ! Source du renvoi introuvable.) De nombreuses études traitent du vécu des occupants de maisons passives, mais aucune n'aborde en particulier les systèmes compacts. VITESSE DE DIFFUSION DANS LE PAYS

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Le Marché – Commercialisation Les systèmes compacts occupent 30 à 50% du marché des maisons passives en Allemagne. On y compte une quinzaine de fabricants. Plusieurs industriels ont commencé à mettre sur le marché leurs appareils courant 2004. Un certain nombre d'autres produits sont vendus dans des maisons qui ne sont pas des maisons passives, mais à faible consommation d'énergie : STIEBEL-ELTRON a vendu par exemple près de 2000 unités LWZ 303. Le Fraunhofer ISE a également lors d'une autre étude de marché interrogé 200 experts du domaine de la construction sur leurs prévisions du marché du bâtiment dans le futur : approximativement 50% des bâtiments neufs en 2010 seraient des maisons à faible consommation d'énergie ou des maisons passives. Le marché des systèmes compacts pourrait alors devenir un marché de masse. Volonté d'exportation Les sociétés les plus petites, ayant un marché localisé sur leur pays ou à la limite sur les autres pays germaniques, n’ont pas encore de volonté d'exportation des produits. Les sites internet et la documentation sont en allemand uniquement. Viessman et Stiebel-Eltron présentent leur système compact sur leur site internet français. En revanche, on ne trouve pas d'information ni de lien sur les sites français de Siemens et de Zehnder. Une demi dizaine d'appareils LWZ 303 de la société Stiebel-Eltron sont installés ou en cours d'installation en France.

C.9.5 REFLEXION CRITIQUE DU CSTB ET DE SES PARTENAIRES SUR LES QUATRE DIMENSIONS ETUDIEES POINTS FORTS, POINTS FAIBLES DE L'INNOVATION (METHODE SWOT) S : Strength - Forces Ces systèmes •

sont adaptés à la production, distribution et émission de faibles puissances et de faibles consommations de chauffage (le besoin principal devenant l’eau chaude sanitaire),

•

utilisent de l’énergie électrique au moyen de machines thermodynamiques aux performances pouvant être élevées. De plus on peut imaginer des pompes à chaleur réversibles assurant le rafraîchissement l’été notamment lors de la production d’ECS. Leur raccordement à une production photovoltaïque est possible pour aller vers des bâtiments à énergie positive

•

sont compactes, o

ne demandant que peu d’espace supplémentaire par rapport à une chaudière avec un ballon,

libérant de la place et multipliant les possibilités de rangement dans le logement par la suppression des radiateurs.

•

peuvent assurer la ventilation dans des bâtiments traditionnellement non ventilés.

•

fonctionnent sans recyclage de l’air, le chauffage de l’air neuf suffisant à réchauffer le logement.

•

sont plus rapides à mettre en œuvre sur un chantier que des systèmes qui ne sont pas intégrés.

•

répondent à une demande (plutôt faible pour l'instant) et sont a priori fiables techniquement. Leur développement est encadré par le PHI.

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W : Weakness : Faiblesses •

Le vecteur du chauffage est l’air neuf. L’air neuf assure deux fonctions simultanément : le chauffage et le renouvellement d’air ce qui conduit à un manque de souplesse. Est-il facile de réguler le confort thermique tout en contrôlant la qualité de l’air intérieur ? Si le débit d’air dans chaque pièce est fixe, la température de l’air soufflé étant unique pour toutes les pièces, on ne peut donc pas adapter finement la puissance émise au besoin de chaque pièce. De plus l’air chaud est soufflé dans les pièces de séjour et extrait dans les pièces de service il faut prévoir au moins un appoint dans la salle de bain. Comment sont gérées les pointes en hiver ? Il convient donc de vérifier que ce système respecte la réglementation d’hygiène.

•

Le système implique certaines contraintes ou difficultés. Il est complexe et bien que fiable sans doute assez difficile à gérer. Son installation fait appel à des compétences multiples. Il exige des calculs thermiques assez fins. Par ailleurs, il n’existe pas de méthodes de caractérisation communes. Sa puissance étant faible, il peut y avoir des difficultés de mise en régime après un arrêt ou un réduit. Ainsi, l’ouverture des fenêtres peut dégrader momentanément le confort thermique. Il semble alors nécessaire que les occupants de maisons à très basse consommation soient informés des spécificités de ces maisons et de leurs équipements. Des exemples montrent que les niveaux de consommation attendue sont parfois dépassés. Compte tenu de son coût actuel assez élevé, sa diffusion ne se conçoit actuellement qu’avec des aides financières. Dans certains pays le chauffage aéraulique des logements est confidentiel et ne correspond pas à une habitude des occupants.

O : Opportunities – Opportunités •

Le développement de ces produits bénéficie d’un contexte favorable, les objectifs de réduction des émissions de GES pour 2050 devant certainement conduire au développement de maisons à très basse consommation, voire à énergie positive auquelles sont liés les unités compactes.

•

L’expérience à l’étranger est valorisable.

•

Les unités compactes peuvent offrir des possibilités de développement industriel. C’est un nouveau marché pour des industriels déjà installés et pour de nouveaux acteurs.

•

Les réglementations thermiques se durcissant, elles pourront intégrer les unités compactes.

•

L’alimentation par l’électricité est un avantage si les politiques publiques ont comme priorité la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre et si le parc des centrales électriques privilégie les technologies nucléaires et énergie renouvelable.

•

Les systèmes compacts peuvent être considérés comme de la haute technologie pour le bâtiment. C’est une opportunité pour enrichir les compétences et pour attirer des capitaux.

•

L’intégration dans un même système des fonctions chauffage, ventilation et ECS intéresse des constructeurs qui cherchent à limiter le nombre d’interlocuteurs, qui souhaitent un correspondant et un responsable unique pour l’installation et le réglage de toutes ces prestations.

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T : Threats – Menaces •

Au plan de la filière : Les industriels peuvent-ils créer un marché viable ? Actuellement, il faut des aides financières maintenir des niveaux de prix abordables. De nouveaux acteurs innovants (spin-off, start-up) concurrencent en permanence les fabricants établis en proposant de nouveaux produits. La distribution et l’installation des systèmes compacts sont impossibles sans le soutien des industriels qui sont contraints d’investir dans les métiers aval, ce qui peut fragiliser leur santé financière. Il n’y a pas de métier support au niveau du négoce, du chantier et de la maintenance. Que deviennent les chauffagistes devant le besoin d’un métier nouveau pour installer et maintenir ces systèmes ? L’installation exige en effet des compétences qui n’existent pas en France.

•

Il y a des systèmes concurrents, qui pourraient également se révéler efficaces (les systèmes compacts n’équipent que 40% des maisons passives) Compte tenu du faible niveau de besoin, le chauffage électrique par convecteur avec un système de ventilation double flux (par pièce ?) et l’ECS solaire (voire le chauffage par cheminée en zone rurale ou périurbaine) peut être une solution dans les maisons passives, car c’est une solution que l’on rencontre dans l’habitat traditionnel, que l’on connaît et qui pourrait se révéler moins onéreuse. Les composants utilisés dans les systèmes compacts (pompe géothermale, double flux, …) et assemblés à la demande sur le chantier sont aussi des concurrents, le coût du montage pouvant être compensé par des équipements moins chers qui s’adressent à un marché plus important. De plus ces systèmes moins intégrés atteignent des performances énergétiques équivalentes et ont déjà un réseau support pour la distribution et l’installation.

•

Il y a des cas ou les prévisions de consommation sont largement dépassées. Il est nécessaire d’améliorer notre connaissance de tels systèmes. Les retours d’expériences très fouillés manquent, tant pour ce qui est de l’aspect technique que de l’aspect sociologique.

•

L’acceptabilité par l’usager à grande échelle reste à démontrer. Jusqu’à présent le marché est un marché de niche touchant surtout une clientèle aisée, informée et motivée.

•

Son développement est lié à celui de la maison passive. Cela implique que le système compact ne peut concerner que le neuf ou la réhabilitation lourde, ce qui en limite le marcher.

•

Ces systèmes doivent prendre en compte les exigences réglementaires concernant les fluides frigorigènes.

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C.9.6 CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE LES CHANCES DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE Les unités compactes ayant été conçues pour les maisons passives, leur développement est intimement lié à celui des maisons à très faible consommation d’énergie et des maisons à énergie positive dans le contexte du protocole de Kyoto. Les pays industrialisés dont la France doivent réduire leurs émissions de gaz à effet de serre d’un facteur 4 d’ici à 2050. Cette réduction concerne tous les secteurs d’activité, notamment le secteur du bâtiment qui doit mettre en œuvre des solutions innovantes tant dans l’existant que dans le neuf pour atteindre cet objectif. Les pays germanophones ont mis au point une solution originale avec les systèmes compacts pour le chauffage, la ventilation et la production d’ECS des maisons passives. Toutefois les systèmes compacts pouvant être utilisés directement en France dans des opérations de démonstrations doivent être adaptés au contexte Français (métropolitain, DOM…) pour une diffusion plus large : •

Compte tenu du climat des pays germanophones en général, les unités compactes sont surtout destinées au chauffage et à la production d’ECS. Les trois types de climat, continental, méditerranéen et océanique, représentés en France vont conduire à des besoins de chauffage variés voire à des besoins de refroidissement. Ainsi par exemple, des systèmes avec des pompes à chaleur réversibles permettraient de produire du froid l’été associé ou non à la production d’ECS.

•

D’autres systèmes pourraient concurrencer les unités compactes. On peut citer le chauffage électrique direct allié à un système de ventilation double flux avec un récupérateur performant et une production d’ECS solaire.

•

Les unités compactes sont principalement destinées à la maison individuelle neuve et aux cas de rénovation très lourde. On doit s’interroger sur leur adaptation au traitement individuel des logements collectifs. Dans le tertiaire les systèmes à air constituent une bonne base de réflexion de par leur analogie avec les systèmes compacts.

•

Les freins au développement des unités compactes en France telles qu’elles sont proposées actuellement sont réels : Les unités compactes sont fondées sur la ventilation double flux avec échangeur. En France, dans le logement la ventilation par extraction mécanique est fortement représentée et des systèmes comme la ventilation hygroréglable sont développés. Il convient donc de comparer ces systèmes tant au plan de l’efficacité de la ventilation qu’au plan des consommations d’énergie. L’air neuf est le vecteur de chauffage. Le chauffage aéraulique dans les logements reste confidentiel en France. Une des raisons pourrait être son inadéquation avec les normes sociales que l’on associe au confort thermique chez soi : chaleur, réconfort, plaisir, etc. En établissant des relations de dépendance étroite entre chauffage, ventilation et production d’eau chaude sanitaire, les systèmes compacts rendent difficile la compréhension par l’utilisateur des principes de fonctionnement. Par ailleurs, il semble difficile d’assurer correctement le chauffage et la ventilation simultanément. De plus, la qualité du chauffage aéraulique dépend sensiblement de la qualité de la diffusion de l’air dans les pièces.

•

Le long processus de sensibilisation de certaines populations du nord de l’Europe sur la préservation de l’environnement commence à porter ses fruits. Ainsi, les particuliers ont changé de comportement et sont prêts à investir plus pour des systèmes plus écologiques qu’ils sont d’ailleurs fiers de montrer. Cet état d’esprit ne se retrouve en France que dans les CSP+. Cela implique que les systèmes compacts seront dans un premier temps limités à un marché de niche positionné haut de gamme. Les premiers clients types seront plutôt des diplômés sensibles à l’écologie.

•

Dans les pays du nord de l’Europe, le coût d’un système de chauffage est différent du nôtre. Les solutions moins coûteuses à l’investissement comme la chaudière murale ou le chauffage électrique y sont

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l’exception. Le consommateur français risque donc de solliciter des soutiens financiers pour choisir cet équipement. •

•

Le système compact fait appel à un ensemble de technologies plus ou moins complexes. Des contrats de maintenance sont indispensables pour garantir les performances dans le temps. Or les habitants de maison individuelle sont peu habitués à cette démarche et ils ne sont pas compétents pour vérifier si le travail prévu a été bien réalisé. Il faut donc mettre en place une structure d’accompagnement des utilisateurs et encadrer la filière maintenance. Il convient également d’analyser la place du chauffage électrique.

•

Le modèle économique français de la production d’électricité est spécifique avec une part prépondérante du nucléaire. Sera-t-il adapté aux maisons à très faible consommations d’énergie, dans lesquelles on rencontre les systèmes compacts, ayant un profil de consommation différent, c’est-à-dire une consommation moyenne plus faible mais des pointes maintenues à des niveaux élevées ?

•

L’ouverture des fenêtres est très pénalisante en terme de confort thermique. Qu’elle va être l’attitude de l’utilisateur par rapport à cette contrainte, notamment dans des pièces comme la cuisine ? La fenêtre répond également à des besoins plus ou moins conscients tels que la relation à l’extérieur et l’accès à l’air libre. Mais ce point concerne plus la maison passive que le système compact.

COMPATIBILITE AVEC LE CADRE REGLEMENTAIRE ET NORMATIF FRANÇAIS Le chauffage aéraulique par l’air neuf, tel que réalisé par les unités compactes, doit faire l’objet d’évolution pour respecter la réglementation, en effet : - la réglementation relative à l’aération des logements impose d’une part des entrées d’air dans les pièces principales et des sorties dans les pièces de service et d’autre part des débits d’air à extraire, - la réglementation thermique impose notamment qu’une installation de chauffage, hors base pour les systèmes mixtes, doit comporter par local desservi un ou plusieurs dispositifs d’arrêt manuel et de réglage automatique en fonction de la température intérieure du local.

QUELLE DYNAMIQUE D'ACTEURS NÉCESSAIRE L’expérience étrangère montre que le développement des unités compactes est lié principalement à celui des maisons individuelles neuves à très faible consommation d’énergie. En fait les engagement pris en matière de réduction des émissions de GES impliquent de généraliser les bâtiments à très faible consommation dans le neuf et la réhabilitation tant pour le résidentiel que le tertiaire. Il est alors nécessaire d’établir une typologie du parc immobilier français montrant l’importance et les spécificités de chacun des secteurs afin de définir des solutions adaptées. On conçoit trois étapes de développement en France : - des groupes d’acteurs complémentaires constitués au moins d’un centre de recherche, d’un maître d’ouvrage et d’un industriel mettent au point des produits à partir de ce qui existe et les installent dans des opérations de démonstration. - l’expérience acquise permet d’une part la sélection des meilleures solutions et la définition de labels pour l’enveloppe et le système et d’autre part la diffusion plus large des unités compactes en même temps que les bâtiments. - passage à la pratique courante. L’expérience à l’étranger concernant surtout la maison neuve il semble judicieux de d’aborder ce secteur en premier. L’expérience propre acquise permettra alors de traiter les autres secteurs et notamment l’existant qui demande des solutions spécifiques développées selon le niveau de performance visé.

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Ce développement doit être soutenu par un programme de recherche ambitieux : - développement des composants des enveloppes et des systèmes, - développement de solutions globales cohérentes par secteur, - développement d’outils de calcul, - développement d’outils de formation, d’information des futurs occupants, - étude de terrain pour connaître le comportement réel des équipements et la réaction des occupants et ainsi faire un retour vers les étapes de développement. Il s’agit notamment d’expliquer les dépassements de consommation qui pourraient apparaître. Il convient également de mettre en œuvre des aides financières pour passer à un marché autonome. La réflexion pourrait aussi porter sur l’intérêt d’un système de garanties de résultat. Il faut également favoriser le développement des métiers support à cette technologie. Les installateurs français restent attachés à leur activité d’assembleur sur chantier. Ils risquent donc d’être réticents à installer des systèmes intégrés qui sont de nature à favoriser le transfert d’une partie de leur marge vers les industriels. Les industriels constituent le relais essentiel au développement des systèmes compacts. Un des moteurs essentiels de leur motivation est l’intégration à un réseau disposant d’une image forte type Passiv Haus ou Minergie. Les constructeurs de maisons individuelles apparaissent aussi comme un relais puissant car les systèmes intégrés peuvent être une piste pour réduire le délai des chantiers.

DISPONIBILITE EN FRANCE DES TECHNIQUES CONCERNEES ET DES COMPETENCES DE POSE. Plusieurs industriels de la ventilation disposent du savoir faire pour mettre au point des unités compacts et y apporter les adaptations au contexte français. Une société développe un système double flux avec récupération par pompe à chaleur réversible (refroidissement possible de l’air neuf soufflé). Il convient de noter qu’en France les industriels de la ventilation sont souvent à l’origine d’innovations technologiques. Bien que le savoir faire, les techniques de pose et l'outillage nécessaire ne diffèrent pas de ceux liés aux composants élémentaires d'un système compact et même si certains éléments sont particulièrement techniques ou d'enjeu sanitaire important, la difficulté de mise en œuvre vient surtout de la multiplicité des compétences à rassembler. A tel point que pour l'instant certains fabricants allemands réalisent eux-mêmes l'installation de leurs produits. En France, les PAC et l’ECS sont installées par les plombiers ou les électriciens et il n’y a pas de professionnels de la pose de la ventilation : l’électricien par exemple pose le groupe d’extraction et le menuisier les entrées d’air. Des améliorations de compétences sont donc nécessaires, à la fois pour l’ingénierie, pour l’installation et pour la maintenance. Cependant considérer une seule personne rassemblant toute les compétences requises semble illusoire. La pose pourrait être assurée sous la responsabilité d’une personne maîtrisant au moins un des champs de compétence et connaissant bien les produits, aidée pour les autres champs. La formation des installateurs par les industriels est donc très importante. QUELS TYPES D'INCITATIONS ENVISAGER

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Réglementation Technique Le durcissement de la réglementation thermique prévu à intervalles de cinq ans ainsi que la mise en place de labels (HPE, THPE, basse consommation et leurs versions solaires) conduiront immanquablement au développement des maisons à très faible consommation d’énergie. Fiscalité, Financement, Soutien des Collectivités locales Un point de blocage est le coût des solutions. En Allemagne, en Suisse et en Autriche au niveau fédéral comme au niveau régional des programmes d’aide à la construction de maisons passives sont mis en œuvre. Ces aides sont des aides directes ou des prêts à taux avantageux par rapport au marché et avec des facilités de remboursement. L’attribution des aides dépend de différents critères qui peuvent être un indice de consommation comme en Autriche ou le respect des exigences du standard Minergie en Suisse. Les aides peuvent être gérées par des banques. Il convient de noter que les aides sont destinées à la construction de maisons passives ou à très faible consommation d’énergie, il ne semble pas y avoir d’aides ciblées sur les unités compactes. On constate qu’il faut non seulement mettre en œuvre des montages financiers, avec l’implication du secteur bancaire, destinés à financer tout ou partie du surcoût de construction et des mécanismes de crédit d’impôt, mais aussi définir la performance à atteindre pour justifier le financement et un contrôle a posteriori. Initiatives Privées Plusieurs initiatives se développent en France : •

des maisons neuves à faible consommation d’énergie et de réhabilitation performantes.

•

de la part de l’Ademe, des régions, de certaines banques notamment pour l’aide au financement d’équipements et de travaux en faveur des énergies renouvelables. Citons l’association Effinergie, rassemblant des collectivités locales et des professionnels du bâtiment, ayant pour but de promouvoir les constructions à basse consommation d’énergie et de développer en France un référentiel de performance énergétique des bâtiments neufs et existants.

Bien que ne concernant pas les systèmes compacts, elles constituent une opportunité pour la première des trois étapes proposées pour le développement des systèmes compact. En effet ces initiatives, vont dans le sens de l’amélioration énergétique des bâtiments vers le développement des bâtiments à très faible consommation d’énergie dont dépend le sort des unités compactes. Ces initiatives, qui montrent qu’il n’y a aucune fatalité et que les participants à l’acte de construire se sensibilisent, doivent être étudiées en détail pour capitaliser leur expérience et fédérées pour se développer.

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REFERENCES [1] Site internet de la DGEMP (Direction Générale de l'Energie et des Matières Premières) : http://www.industrie.gouv.fr/energie/sommaire.htm [2] BÜHRING Andreas - Wärmepumpen-Kompaktgeräte zur Lüftung, Warmwasserbereitung und Heizung im Passivhaus - 2. Passivhaustagung, 1998 [3] DURIER F., LE VAGUERESE P. - Appareils multifonctions pour ventilation, chauffage et eau chaude sanitaire : les produits disponibles sur le marché allemand – NTV CETIAT 2003/042, mai 2003 [4]

Systèmes de chauffage et de ventilation innovants, journée technique CETIAT, 6 septembre 2005

[5]

Site internet de l'Institut des maisons passives "Passivhaus Institut" : http://www.passiv.de/

[6] Site internet de l'association d'information sur les maisons passives "IG Passivhaus" : http://www.igpassivhaus.de/ [7]

Site internet du Fraunhofer Institut Solare Energiesystem : www.ise.fhg.de

[8]

Site internet de l'Ecole supérieure des deux Bâle : http://www.fhbb.ch/index.php

[9]

Site internet de l'Ecole supérieure Technique et d'Architecture de Lucerne www.hta.fhz.ch

[10] Site internet de l'institut de recherche EMPA (Sciences et Technologie des Matériaux) : www.empa.ch [11]

Site internet du Groupement Promotionnel Suisse pour les pompes à chaleur GSP : www.pac.ch

[12] Johann Reiss – Ergebnisse des Forschungsvorhabens « Messtechnische Validierung des Energiekonzeptes einer grosstechnisch umgesetzten Passivhausentwicklung in Stuttgart-Feuerbach » 7. Internationale Passivhaustagung – 21-22/02/2003 – Hambourg – pp 53-63 [13] Marc Grossklos, Tobias Loga – Fensteröffnung in Passivhäusern – 7. Internationale Passivhaustagung – 21-22/02/2003 – Hambourg – pp 201-208 [14] Oliver Kah – Kontinuierliche Luftwechseluntersuchungen in bewohnten passivhäusern – abschliessende Ergebnisse – 8. Internationale Passivhaustagung – 16-17/04/2004 – Krems – pp 293 – 305 [15] Hartmut Hübner, Andreas Hermelink – Sozialer Mietwohnungsbau gemäss Passivhausstandard. Praktische Erfahrungen und Gestaltungshinweise - 7. Internationale Passivhaustagung – 21-22/02/2003 – Hambourg – pp 345-352 [16]

Site internet du projet européen ENPER – TEBUC : http://www.enper.org/

[17] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B.1, Energy Performance of Buildings : Calculation Procedures Used in European Countries – 01/09/2004 [18] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B2 : Energy Performance of Buildings : Assessment of Innovative Technologies – 01/09/2004 [19] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B3: Energy Performance of Buildings : Legal Context and Practical Implementation of an Energy Performance Legislation – 01/09/2004

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[20] Projet européen ENPER-TEBUC – Task B5: Energy Performance of Buildings : Impact of an EP Regulation on the Building and Technology Market – 01/09/2004 [21]

Projet européen ENPER-TEBUC –– 01/09/2004

[22]

Site internet sur la réglementation thermique allemande : http://www.enev-online.de/

[23]

Site internet de la Banque KfW : www.kfw-foerderbank.de

[24] EN 832 Août 1999 - Performance thermique des bâtiments - Calcul des besoins d'énergie pour le chauffage - Bâtiments résidentiels [25] BÜHRING Andreas – Development and measurements of compact heating and ventilation devices with integrated exhaust air heat pump for high performance houses – 8th International Energy Agency Heat Pump Conference, Las Vegas, Juin 2005 [26] AFJEI T., WEMHÖNER C., DOTT R., HUBER H., KELLER P. – A generic calculation scheme to estimate seasonal performance of combined systems and experimental results – IEA HPP Annex 28 Workshop Las Vegas, 30/05/2005 [27] EN 255-3 Octobre 1997 "Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique. Mode chauffage - Partie 3 : essais et exigences de marquage pour les appareils pour eau chaude sanitaire." [28] BÜHRING Andreas - Aktueller Stand der Weiterentwicklung von Lüftungs-Kompaktgeräten - 9. Internationale Passivhaustagung – 29-30/04/2005 – Ludwigshafen – p.139 - 144 [29] BÜHRING A., BICHLER C., JÄSCHKE M., WAPLER J., MIARA M., SCHOSSOW M. GUTER W. - Lüftungs-Kompaktgeräte: Marktüberblick und Stand der Weiterentwicklung - 9. Internationale Passivhaustagung – 29-30/04/2005 – Ludwigshafen [30] Energie – Statistiques mensuelles – Commission Européenne – Environnement et Energie, mars 2006 – 177 pages [31] Energie et Matières premières, Prix du gaz et de l'électricité en Europe au 1er juillet 2005 – DGEMP, Observatoire de l'Economie de l'Energie et des Matières Premières, Observatoire de l'Energie, Février 2006 [32]

Site du Surveillant des prix de l'électricité suisse : http://prix-electricite.monsieur-prix.ch/web/f/

[33]

Site de EUROSTAT : http://epp.eurostat.cec.eu.int

[34]

Site internet de l'association MINERGIE : www.minergie.ch

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C10 – MICRO CO-GÉNÉRATION

Auteurs : Ahmad Husaunndee et Orlando Catarina (orlando.catarina@cstb.fr) Experts : François Bourmaud, Rémi Daccord

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INTRODUCTION

La synthèse ci-dessous est issue d’un rapport de Cédric Beaumont du COSTIC. Quelques élémens sont également tirés d’une étude de la société Amoès.

•

ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUES D’ACTEURS

1.1

DEGRES DE DEVELOPPEMENT ACTUEL

Aujourd’hui, seuls 5 micro-cogénérateurs peuvent être considérés comme étant entrés en phase de commercialisation et ont obtenu un volume de ventes significatif : Senertec, Ecopower, Honda, Yanmar et Whispergen. En 2005, environ 16 000 modules de micro-cogénération de puissance inférieure à 5kWe auraient été vendus à travers le monde, représentant une puissance installée de 31MWe. Sur ce total, 75% est constitué par le marché Japonais (principalement les modules de Honda et Yanmar) et 20% par le marché Allemand (principalement les modules de Senertec et Ecopower). Cela veut dire que le marché de la micro-cogénération est aujourd’hui occupé à près de 95% par des moteurs à combustion interne. Néanmoins de nombreux produits pourraient apparaître sur le marché d’ici 1 à 3 ans. C’est notamment le cas de presque tous les modules à combustion externe. Beaucoup d’entre eux sont aujourd’hui testés dans des campagnes de mesure à grande échelle sur sites réels. Les piles à combustibles, quant à elles, ne devraient pas être disponibles avant 2010, sauf peutêtre au Japon où déjà 500 unités ont été installées en maison individuelle. Cependant, ces prévisions doivent être considérées avec prudence car les mises sur le marché sont régulièrement repoussées par les différents constructeurs.

Micro-cogénérateurs à moteur à combustion interne des constructeurs Senertec, Ecopower et Honda

1.2 1.2.1

CONTEXTE NATIONAL ET LOCAL : L’Europe

L’Union Européenne, dans une résolution datant de 1997, a affiché son ambition de voir en 2010 la cogénération représenter 18% de l’électricité produite. La Commission européenne a de plus adopté, en Février 2004, une directive visant la promotion de la cogénération (Directive 2004/8/CEE). Cette volonté de promotion de la cogénération se traduit notamment par des fonds attribués à des programmes de recherche. L’association Cogen Europe est impliquée dans un certain nombre de ces projets dont certains traitant spécifiquement de la micro-cogénération (les projets FutureCogen, MicroMap, Cogen Challenge,…).

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Mais, le degré de développement de la micro-cogénération est aujourd’hui globalement faible et contrasté selon les pays. 1.2.2

L’Allemagne

Plus gros consommateur d’énergie en Europe en général et d’électricité en particulier, la production électrique de l’Allemagne repose principalement sur des centrales thermiques. Cette structure du parc aboutit à une électricité dont le contenu CO2 est très élevé (641 gCO2/kWhé) et presque deux fois plus important que la moyenne européenne. De plus, le gouvernement Allemand a décidé de ne pas renouveler son parc de centrales nucléaires. L’autre particularité de l’Allemagne est son fédéralisme. Les acteurs régionaux voire locaux jouent donc un rôle très important, notamment dans le domaine de l’énergie. Ainsi, dans le land de Hessen (Frankfort), les projets de cogénération de faible puissance (<30 kWe) peuvent bénéficier d’aides à hauteur de 30% (pour la phase d’étude, les équipements et la réalisation). A Frankfort, le fournisseur d’énergie communal (Mainova) rachète de plus l’électricité produite au dessus du tarif légal. L’Allemagne est aujourd’hui le pays européen où le nombre de micro-cogénérateurs en fonctionnement est le plus important (modules Senertec et Ecopower principalement). Du fait de la proportion importante de logements collectifs (plus de 50% des logements), les produits de 5 kWe (ou plus) dominent. Les entreprises Allemandes sont également bien représentées parmi les industriels ayant mis récemment sur le marché ou étant sur le point d’y parvenir des micro-cogénérateurs à moteur à combustion externe (Solo, Sunmachine, Otag). Notons enfin que les chaudiéristes allemands sont les leaders européens avec des entreprises comme Vaillant, Baxi, Viessmann, Buderus,… La plupart de ces industriels ont des projets en cours sur la micro-cogénération, notamment sur la pile à combustible (Vaillant, Viessmann,…) mais aussi par des logiques d’acquisition y compris à l’international. Les financements publics ou privés sont captés dans une proportion importante par les projets autour de la pile à combustible. Ainsi, plusieurs fournisseurs d’énergie (au moins 6 recensés) sont impliqués dans des suivis sur site principalement avec Vaillant (20 unités en tout) et/ou Hexis (environ 100 unités). 1.2.3

Le Royaume-Uni

Le niveau d’émission de GES du Royaume-Uni est le deuxième plus important (derrière l’Allemagne) au plan européen. La production électrique du Royaume-Uni repose principalement sur des centrales thermiques. Cette structure du parc aboutit à une électricité dont le contenu CO2 est assez élevé (430 gCO2/kWhé). Les pouvoirs publics anglais sont donc engagés dans une politique importante de réduction des émissions de GES qui a déjà permis de diminuer ces émissions de plus de 13% par rapport à leur niveau de 1990. L’intérêt potentiel de la cogénération en général est, dans ce contexte, important. Le gouvernement anglais s’est donc fixé comme objectif de posséder une capacité installée de 10 000 MWe en cogénération à l’horizon 2010 (contre moins de 5000 MWe fin 2002). Autre donnée structurelle, le parc des logements est important (24 millions d’unités) et est, en moyenne, relativement mal isolé. Cette donnée supplémentaire va, quant à elle, dans le sens spécifiquement de la micro-cogénération dont le potentiel estimé est important notamment pour les modules de 1 kWe. Le « MicroPower Council » est une association qui regroupe les principaux acteurs de la microcogénération et qui en assure la promotion.

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Dans un marché de l’énergie complètement ouvert à la concurrence, les distributeurs d’énergie jouent également un rôle important. Ainsi, le module aujourd’hui le plus installé en Grande-Bretagne est le micro-cogénérateur à moteur Stirling Whispergen. Cet équipement est commercialisé par Powergen (branche résidentiel de E-on UK, elle-même filiale du distributeur d’énergie allemand E-on). British gas est l’autre opérateur énergétique d’importance à travailler sur la micro-cogénération puisque Microgen qui développe un module de 1 kWe à moteur Stirling en est une filiale. Les modules à moteur à combustion interne de Senertec (via Baxi technologies UK) et Ecopower sont également distribués. Enfin, Disenco et Baxi micropower sont deux autres acteurs anglais dont les produits (moteur à combustion externe) sont proches d’être commercialisés. 1.2.4

La Hollande

Le gaz est très utilisé en Hollande que ce soit pour la production électrique (62% de l’électricité produite) ou pour le chauffage des bâtiments. Par ailleurs, la Hollande est en retard par rapport à ses engagements de réduction d’émission de GES. Si la micro-cogénération n’est pas encore très développée dans ce pays, le contexte et le potentiel semblent favorables. Mais aucune mesure d’incitation n’a à ce jour été prise. Pour n’avoir pas pris en compte l’existence et la spécificité de la micro-cogénération, des mesures réglementaires récentes, conçues pour la cogénération, doivent s’appliquer à la micro-cogénération alors qu’elles sont parfois inadaptées à cette gamme de produit. L’ouverture prochaine des marchés de l’énergie et les travaux de concertation entre associations de promotion et pouvoirs publics pourraient permettre de lever ces barrières. Les distributeurs d’énergie sont très présents sur ces activités que ce soit GasUnie (par des participations aux suivis sur sites sur des modules Whispergen et des PàC Vaillant et également par des collaborations avec Microgen) ou Eneco (qui participe également aux suivis sur les piles Vaillant et qui est actionnaire de ENATEC, entreprise qui développe un module à moteur Stirling). 1.2.5

Hors Europe

Le Japon est le plus grand marché au monde en matière de micro-cogénération. Les produits à moteur à combustion interne y sont déjà largement diffusés et de nombreux acteurs travaillent sur la pile à combustible. Le contexte japonais est particulièrement favorable : •

Electricité d’origine fossile (60% de l’électricité produite),

•

Sous-capacité de production électrique par rapport aux pics de consommation,

•

Forte dépendance énergétique,

•

Coût de l’électricité élevé (le Japon est le pays de l’OCDE où l’électricité est la plus chère),

•

Le marché du gaz est organisé autour de distributeurs régionaux (Osaka gas, Tokyo gas,…) mais est ouvert depuis 1995 (concurrence possible entre ces acteurs régionaux).

Ces différents éléments expliquent que les pouvoirs publics d’une part et les fournisseurs d’énergie d’autre part encouragent les technologies qui limitent le recours à l’électricité. C’est le cas de la microcogénération mais aussi de la climatisation au gaz (climatiseur à moteur thermique et machine à absorption). Par exemple, le module de Honda, Ecowill, coûte 730 000 JPY (environ 5000 €) et une subvention de 213 000 JPY (environ 1500 €, soit près de 30%) est attribuée. Plusieurs constructeurs sont actifs en Amérique du Nord. Marathon prévoit de commercialiser le module Ecopower (MCI), Climate energy distribue le produit de Honda et la recherche est active

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concernant les piles à combustibles (les américains PlugPower et Nuvera, le canadien Ballard,…). Mais plusieurs facteurs sont défavorables à la cogénération : l’électricité est peu chère, le chauffage à air chaud est très développé et les distributeurs d’énergie semblent marquer une résistance au développement de cette technique. Vectorcogen qui commercialisait un module avec un moteur Yamaha de 5 kWe a ainsi dû récemment déposer le bilan.

Micro-cogénérateurs moteur stirling des constructeurs Solo, Whispergen et Microgen

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ETAPE 2 : CONTENU DE L'INNOVATION

2.1

DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE :

2.1.1

Les concepts du système

La cogénération (CHP, « Combined Heat and Power ») est la production simultanée d’une énergie mécanique (le plus souvent transformée ensuite en électricité) et d’une énergie thermique à partir d’une source unique d’énergie primaire. La cogénération permet une économie sur la consommation d’énergie primaire par rapport à une fourniture énergétique équivalente à partir de procédés dissociés. La Directive européenne 2004/8/CE concernant la promotion de la cogénération a fixé à 50 kWe le seuil en dessous duquel on parle de micro-cogénération. En France, étant données les plages d’abonnement EDF et les contrats de raccordement, le seuil de la micro-cogénération est fixé à 36 kWe. Enfin, le projet de norme Pr NF EN 50438 sur les «Prescriptions pour le raccordement de microgénérateurs en parallèle avec les réseaux publics de distribution basse-tension» concerne les équipements dont la production électrique est inférieure à 16 A par phase (soit environ 10 kWe pour une production en tri-phasé). C’est ce dernier seuil de 10 kWe qui est retenu pour cette étude. Les gros cogénérateurs sont avant tout conçus pour produire de l’électricité. Ils seront dimensionnés pour fonctionner à pleine charge durant une certaine période de l’année. La chaleur alors produite doit correspondre à un niveau de base du besoin thermique d’un ou plusieurs bâtiments ou être valorisée sur un réseau de chaleur. Le contrat de cogénération comprendra le plus souvent des exigences concernant la fourniture d’électricité (disponibilité, puissance,…). Ces installations sont gérées dans un contexte industriel. A l’inverse, les micro-cogénarateurs de plus faible puissance (1 à 10 kWe) sont utilisés pour couvrir (en partie ou en totalité) les besoins thermiques d’un unique bâtiment. Ils peuvent donc être vus comme « des chaudières qui produisent de l’électricité ». La quantité d’électricité produite n’est alors qu’une conséquence du fonctionnement de l’équipement pour couvrir ces besoins (chauffage + eau chaude sanitaire). L’électricité produite est d’abord auto-consommée au niveau du bâtiment desservi et seul le surplus est exporté sur le réseau de distribution électrique. Selon leur puissance, ces équipements peuvent être utilisés pour couvrir les besoins d’une maison individuelle, de logements collectifs ou de bâtiments tertiaires de faible taille (hôtels, bâtiments de santé, bâtiments scolaires,…). L’exploitation de ces installations devra pouvoir être confiée à des entreprises assurant aujourd’hui l’exploitation des installations de chauffage traditionnelles (artisans chauffagistes ou entreprises de génie climatique,…). De plus, la problématique de développement, les marchés potentiels, le jeu des acteurs et les règles de raccordement au réseau sont très différents entre ces deux familles de produits. 2.1.2

Technologies employées et principes de fonctionnement

Les technologies pouvant être mises en œuvre afin de produire l’énergie mécanique (ou directement l’électricité) dans un micro-cogénérateur peuvent être diverses. On distinguera principalement : •

Les moteurs à combustion interne

•

Les moteurs à combustion externe

•

Les piles à combustibles

Quelle que soit la technologie, la fourniture thermique sera liée aux besoins de refroidissement du cycle thermodynamique. Les moteurs à combustion interne

C251

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Le principe de fonctionnement des moteurs à combustion interne (MCI) utilisés dans certains microcogénérateurs est le même que les moteurs à explosion de nos voitures à essence. La technologie de ces moteurs est donc connue et maîtrisée de longue date. La production à grande échelle, notamment pour l’industrie automobile, permet à ce type de moteurs de pouvoir être fabriqué pour un coût faible. Les moteurs à combustion externe Contrairement aux moteurs précédents, dans les moteurs à combustion externe, le combustible ne sert qu’à fournir de l’énergie thermique à un fluide de travail, utilisé en cycle fermé. Pour des applications en micro-cogénération, on trouve essentiellement deux grandes familles de moteurs à combustion externe : les moteurs à cycle de Stirling (appelés plus simplement « moteurs Stirling ») et les moteurs à cycle de Rankine (le cycle de Rankine est le cycle thermodynamique des turbines à vapeur, donc celui des centrales électriques thermiques ou nucléaires). Dans les moteurs Stirling, le fluide de travail peut être de l’hélium ou de l’azote sous forte pression. Dans les moteurs à cycle Rankine, c’est l’eau qui est usuellement le fluide de travail (dans les grosses installations et dans les micro-cogénérateurs), bien que des micro-cogénérateurs ont également été développés pour utiliser des fluides organiques de masse moléculaire élevée («Organic Rankine Cycle »). La pile à combustible Contrairement aux technologies précédentes, la production d’électricité dans une pile à combustible ne repose pas sur une production d’énergie mécanique pour entraîner un alternateur mais sur une réaction électro-chimique qui peut être présentée de manière simple comme étant la réaction inverse de l’électrolyse de l’eau : H2 + ½ O2 → H2O Il existe différents types de piles à combustible. Cependant, les piles de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) et SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) semblent les plus adaptées pour des applications en micro-cogénération. Autres technologies D’autres technologies sont envisageables pour produire de l’électricité mais n’ont pas été retenues dans le champ de cette étude soit parce que le procédé fait encore l’objet de recherches fondamentales (structures thermo-électriques) soit parce qu’il n’existe pas de produit dans la gamme de puissance retenue (cas des turbines à gaz dont le plus petit modèle actuellement sur le marché à une puissance de 30 kWe). 2.1.3

Comparaison entre les différentes technologies

Les familles de produits présentées précédemment se différencient sur des critères tels que : •

le ratio puissance électrique / puissance thermique,

•

la gamme de puissance électrique,

•

le niveau sonore,

•

les contraintes de maintenance,

•

la flexibilité de la nature du combustible,

•

le coût,

C252

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•

le degré de maturité.

Du fait que la combustion soit externe, les moteurs Stirling et à cycle de Rankine présentent les avantages suivants par rapport aux moteurs à combustion interne : •

grande souplesse et nombreuses possibilités dans le choix du combustible,

•

faible niveau sonore,

•

besoins de maintenance réduits,

•

niveaux d’émissions de polluants plus bas (meilleure maîtrise de la combustion).

Ces moteurs ont, par contre, des rendements électriques plus faibles que les moteurs à combustion interne et que les piles à combustible (respectivement de l’ordre de 10%, 25% et 30/40%). Précisons de plus que les moteurs à cycle de Rankine travaillent à des pressions plus faibles et présentent une inertie plus faible que les moteurs Stirling. Les piles à combustible, quant à elles, constituent la technologie de micro-cogénérateurs qui présente le potentiel le plus important en terme de rendement électrique. La conséquence est que la puissance thermique est faible. Un brûleur d’appoint se trouvera toujours associé à la pile. Elles sont silencieuses mais nécessitent aujourd’hui des opérations de maintenance fréquentes. Elles restent assez largement la technologie la plus chère des micro-cogénérateurs, notamment du fait des métaux nobles employés pour la catalyse (platine). Des piles à combustible sont développées pour des applications très diverses et dans une très grande plage de puissance. Hormis le cas du Japon où déjà 500 unités ont été installées en maison individuelle, les produits les plus avancés semblent être ceux de Vaillant, Hexis qui ensemble cumulent plusieurs dizaines d’unités en essai sur sites réels. Mais, pour la plupart des produits, des efforts de R&D doivent être encore menés pour améliorer la fiabilité et la durée de vie (problème du réformage), diminuer le coût et diminuer l’encombrement. 2.2

HORIZON TEMPOREL : ETAT DE L’OFFRE

La très grande majorité des micro-cogénérateurs ont été développés pour utiliser le gaz naturel comme combustible. Si le ratio [Puissance électrique/Puissance thermique] varie fortement d’une famille (voire d’un produit) à l’autre, le rendement global sur PCS ([Pth+Pélec]/Pgaz) est, quant à lui, le plus souvent compris entre 80 et 90%. Cela revient à dire que les produits qui auront les meilleurs rendements électriques produiront moins de chaleur.

C253

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Technologie

Combustion interne

Moteur Stirling au gaz

Moteur à cycle de Rankine

Moteur Stirling à Biomasse

Pile à combustible

Constructeur

Origine

Pélec (kWe)

Pth (kW)

ηélec (PCS)

ηth (PCS)

Senertec

Allemagne

5,5

12,5

24%

55%

Ecopower

Suisse

4,7

Honda

Japon

1,0

Yanmar

Japon

Solo

Allemagne

7,5

Disenco

Angleterre

3,0

Whispergen

Nlle-Zélande

1,2

Enatec

Pays Bas

1,0

Microgen

Angleterre

1,1

Baxi Micropower

Angleterre

1,0

Cogen Micro

Australie

2,5

Climate Energy

USA

3,0

Enginion

Allemagne

6,0

OTAG

Allemagne

2,1

Sunmachine

Allemagne

Stirling Power Module

Autriche

Hoval

Lichtenstein

Hexis

Suisse

1,0

Vaillant

Allemagne

4,6

Buderus

Allemagne

4,6

European Fuel Cell

Allemagne

1,5

CFCL

Australie

1,0

Viessmann

Allemagne

2,0-

Ebara / Ballard

Japon/Canada

1,0

d’évoluer avant la version finale. De plus concernant sont exprimés par rapport au PCI ou au PCS.

C254

Rema rques :

Le tablea u a 3,0 18% 59% été établi à 22,0 22% 64% partir des 23% 60% 9,0 (→18) docu menta 8,0 11% 73% tions techni 6,0 (→24) ques dispo - (→15 ou 36) nibles. Mais la 10,0 plupar t des 11,0 matéri els 30,0 n’étan t pas 25,0encor e 16 10% 76% comm erciali 10 25% 70% sés, ces 15 docu menta 50 tions n’exist 2,0 ent pas 7,0 toujou rs et 7,0 certai nes 2,9 caract éristiq 1,0 (→12 à ues 40% 40% 52) techni ques sont encor 1,6 32% 50%e susce ptibles les rendements, il n’est pas toujours précisé s’ils 12,5

22%

59%

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Certains micro-cogénérateurs possèdent deux générateurs : le moteur et un brûleur d’appoint. Quand l’information nous était connue, nous avons différencié ces deux puissances (en adoptant l’écriture « (→ kW) » pour la puissance de l’appoint).

Micro-cogénérateurs à moteur à cycle rankine des constructeurs Cogen Micro, Enginion et Otag

C255

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ETAPE 3 : MISE EN ŒUVRE

3.1

MISE EN ŒUVRE SUR CHANTIER

Aujourd’hui, il parait aujourd'hui difficilement envisageable de faire une mise en service sans appui d'un représentant du constructeur ou du distributeur. La commercialisation des modules Senertec repose sur un réseau de 25 « centres techniques » régionaux (franchises) et plus de 350 installateurs locaux agréés. Pourtant les raccordements hydrauliques demandent peu de compétence, les parties gaz, fumisterie et évacuation des condensats sont tout à fait identiques à celles de chaudières et le raccordement électrique doit être protégé par un fusible. La partie comptage est plus complexe. Néanmoins, de nombreux installateurs de panneaux photovoltaïques sont formés à la mise en place de compteurs et ces installations sont de plus vérifiées par EDF. Enfin, la phase de mise au point de l'installation comprend plus de vérifications que sur une chaudière (vérification de la pression d’azote pour les moteurs Stirling par exemple) mais aussi certaines opérations communes (comme l'analyse de la combustion). Les chaudiéristes sont donc a priori les installateurs à même de prendre en main la MCHP. Mais une formation est nécessaire. 3.2

SPECIFICITE DE MISE EN ŒUVRE

Si les micro-cogénérateurs sont assimilables à une famille particulière de chaudière, leur intégration à une installation de chauffage à eau chaude doit tout de même prendre en compte certaines spécificités. 3.2.1

Conception spécifique : Hydroaccumulation, Régulation

Les micro-cogénérateurs seront le plus souvent régulés par rapport aux besoins thermiques, mais l’installation n’est pas nécessairement conçue pour suivre ce besoin en instantané. Le rendement électrique moyen se dégrade avec la répétition trop fréquente des cycles de démarrage et d’arrêt (de manière plus ou moins prononcée selon les produits). Il faudra chercher à privilégier des séquences de fonctionnement longues. Beaucoup de produits ont la capacité de moduler leur puissance sur une partie de leur plage de fonctionnement (moteurs à combustion interne et brûleurs modulants). Mais il sera préférable en plus de mettre en oeuvre des réseaux de distribution hydraulique présentant une forte inertie (ballon de stockage ou plancher chauffant). Cette caractéristique remet en cause les méthodes habituelles de dimensionnement basées sur la notion de puissance (déperditions) et non d’énergie. De même, la production d’eau chaude sanitaire ne pourra se faire de manière instantanée mais nécessitera également un stockage (qui pourra être le même que celui du chauffage). On distingue deux modes de fonctionnement : •

Dimensionnement en base : dans ce mode, le micro-cogénérateur est « sous dimensionné », c'est-à-dire qu’il répond au besoin minimum en chaleur et il fonctionne donc sans arrêt toute l’année. La rentabilité d’un tel système est maximale. Néanmoins, ce mode n’est applicable que dans les bâtiments où les besoins minimaux sont suffisamment élevés. Une seconde chaudière fonctionne de manière variable pour correspondre à la courbe de charge.

•

Compromis entre temps de fonctionnement et rentabilité : ce mode est choisi lorsque le précédent n’est pas réalisable. Le micro-cogénérateur est le seul générateur utilisé. Il doit luimême suivre la courbe de charge. Certains micro-cogénérateurs ne fonctionnent pas à charge partielle, il est donc nécessaire qu’ils disposent d’un brûleur d’appoint. Il s’agit alors d’optimiser la longueur des séquences de fonctionnement afin d’avoir le meilleur rendement. L’inertie du réseau et du bâtiment permet de créer un déphasage entre les besoins et la production thermique (et donc électrique). La régulation de l’installation doit donc permettre de faire

C256

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fonctionner le module prioritairement sur les heures pleines (ce qui augmente l’intérêt économique et l’intérêt pour le gestionnaire de réseau). 3.2.2

Raccordement électrique

Un micro-cogénérateur ne peut fonctionner indépendamment du réseau. Un micro-cogénérateur n’est pas, comme un groupe électrogène, un équipement permettant de produire de l’électricité en cas de défaillance ou de coupure volontaire sur le réseau. Les micro-cogénérateurs doivent être raccordés au réseau basse-tension. Selon le mode de raccordement, •

soit toute l’électricité produite est exportée sur le réseau et tous les besoins électriques du bâtiment sont couverts par le réseau,

•

soit le réseau couvre ou absorbe la différence entre la production et les besoins.

Les protocoles de raccordement simplifié ou les préconisations des constructeurs semblent aujourd’hui privilégier la seconde solution. Mais, dans le cas où le tarif de rachat de l’électricité exportée est supérieur à celui importée, la première solution permettrait une meilleure rentabilité économique si le surcoût de raccordement n’est pas élevé. En Allemagne, le raccordement au réseau nécessite toujours une demande d’autorisation au près de l’opérateur de réseau. Mais des discussions sont en cours pour mettre au point des procédures simplifiées. Notons également que l’électricité exportée ne peut être rachetée que par l’opérateur local. Au Royaume Uni, le raccordement au réseau est simplifié : le référentiel technique G83/1 permet de raccorder un micro-cogénérateur (et plus largement tout microgénérateur, c’est à dire également photovoltaïque, éolien,…) sans accord préalable de l’opérateur de réseau. 3.2.3

Stockage du bois

Pour les cogénérateurs fonctionnant à partir de biomasse, on retrouve les contraintes des chaudières à bois. La place dédiée au stockage du bois est un facteur qui limite le marché aux zones rurales ou périurbaines, de même que l’approvisionnement en bois. La filière bois se structure aujourd’hui en France afin de répondre au besoin généré par les chaudières bois. 3.3

MODALITES DE MAINTENANCE

L’objectif est une maintenance annuelle, ce qui n’est pas encore le cas pour tous les produits, notamment pour les piles à combustibles. La maintenance de premier niveau parait assez simple : vérifier la combustion, vérifier la pression d'azote,... Pour les moteurs à combustion interne, la partie moteur et son exploitation (vidange, filtres,...) nécessitent des compétences différentes de celles d'un chauffagiste et correspondent plutôt à celles d’un garagiste. En revanche, en cas de panne, l'expertise de l'électronique et de la partie moteur ne semblent pas pouvoir échapper au constructeur. Pour la MCHP à bois, il y a également un ramonage annuel à effectuer. 3.4 3.4.1

INCITATIONS REGLEMENTAIRE, FISCALE…, MODALITES DE FINANCEMENT Allemagne

C257

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L’Allemagne est donc fortement engagé dans le développement des moyens de production énergétique plus efficaces et plus propres. Le développement de la cogénération en général est donc encouragé et plusieurs mesures incitatives ont été prises : •

exonération de la taxe sur les produits pétroliers (qui s’élève à 0,55 c€/kWhPCS pour le gaz naturel),

•

prise en compte dans la réglementation thermique sur le neuf (utiliser un micro-cogénérateur permet d’abaisser le niveau d’isolation exigé),

•

en rénovation, il est possible de bénéficier de prêts à bas taux et de subventions d’une banque spécialisée (la Kreditanstalt für Wiederaufbau Bank),

•

Enfin, les tarifs de rachat de l’électricité produite sont de plus assez avantageux. Le « German co-generation act » définit les tarifs de rachat de l’électricité. Ce tarif est constitué de trois composantes : •

un prix de base variant en fonction des prix de l’énergie (environ 4 c€/kWh),

•

une prime pour l’électricité évitée (0,4 à 0,8 c€/kWh),

•

une composante garantie pour une durée de 10 ans (5,11 c€/kWh pour une installation mise en service avant 2008). Ce dernier facteur est plus élevé si le combustible utilisé est du biogaz (7c€ environ) ou de la biomasse (11 c€ environ).

Ces mesures sont accompagnées de nombreuses initiatives locales qui complètent et augmentent les incitations nationales. 3.4.2

Royaume Uni

Depuis 2002, plusieurs aménagements réglementaires et autres incitations ont été adoptés en faveur de la micro-cogénération : •

Le gouvernement a annoncé en 2005 que la TVA sur les micro-cogénérateurs passerai de 17,5% à 5,5% ;

•

Pour les usages non résidentiels, les installations de cogénérations sont exonérées de la taxe sur le changement climatique (« Climate change Levy ») ;

•

Prise en compte de la micro-cogénération dans la réglementation Thermique (Building Regulation, part P).

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Micro-cogénérateurs à moteur Stirling à biomasse des constructeurs Hoval et Sunmachine

C259

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4. 4.1

ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS DANS LES PAYS CONCERNES LES PERFORMANCES

Le « Carbon Trust » est une entreprise indépendante mais financée par le gouvernement anglais. Entre autres actions, cet organisme finance des essais sur sites pour évaluer plus précisément l’intérêt réel de la petite et de la micro-cogénération. La campagne en cours porte sur 40 appareils (31 microcogénérateurs et 9 petits cogénérateurs) dont Microgen, Whispergen, Baxi, Disenco and Frichs. Cette campagne d’essais doit se prolonger jusqu’en 2007. 4.1.1

Energie

Toute production d’énergie mécanique d’origine thermodynamique produit de la chaleur qui peut être considérée comme un déchet de cette production. Dans les centrales de production d’électricité (nucléaires ou thermiques), cette chaleur est évacuée dans l’environnement, via des tours aéroréfrigérantes et représente environ deux fois la quantité d’énergie électrique produite. La cogénération valorise au contraire cette chaleur et permet une économie sur la consommation d’énergie primaire par rapport à une fourniture énergétique équivalente à partir de procédés dissociés. La performance total du système atteint en moyenne 90%. Ce rendement total n’est pas aussi élevé que pour une chaudière à condensation par manque de maturité de la technologie. Néanmoins, la plus grande marge de progression reste sur les rendements mécaniques afin de produire plus d’électricité. La valeur moyenne des besoins électriques d’une maison individuelle est de l’ordre de 1 kW. Cette valeur moyenne est le résultat d’une consommation de base (autour de 100 à 500 W) et de pics de consommation. Selon plusieurs auteurs et les essais du COSTIC, le taux de couverture des besoins électriques par un micro-cogénérateur de 1 kW serait d’environ 50%. 4.1.2

Environnementale

Au Royaume-Uni, plusieurs études estiment à 1,5 t/an la diminution des émissions de CO2 engendrée par l’utilisation d’un micro-cogénérateur de 1 kWe. Par ailleurs dans le contexte allemand, Senertec et Ecopower annoncent des réductions de CO2 de 50%. 4.2 4.2.1

LES COUTS REELS Coût Initial - Investissement

Dans le tableau ci-dessous, se trouvent les prix des MCHP. Pour une installation complète, il faut rajouter le système à hydro-accumulation, les coûts de raccordement au réseau et la main d’œuvre.

Senertec Ecopower Honda Whispergen Solo Sunmachine 4.2.2

Prix de l’unité (€) 15000 – 20000 17000 5300 4500 25000 23500

Prix en €/kWélectrique 2700 - 3600 3600 5300 3750 3300 7800 (Biomasse)

Coût Opérationnel - Exploitation – Maintenance

La maintenance des unités doit être réalisée une fois par an, à l’identique d’une chaudière.

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Le fonctionnement de la MCHP va faire en sorte que l’on consomme plus de combustible : bois ou gaz, mais une partie sert à produire de l’électricité qui permet soit de diminuer la facture électrique d’autant soit de générer un revenu supplémentaire selon le mode de raccordement au réseau choisi. Dans le contexte allemand, Senertec et Ecopower annoncent des temps de retour de 4 à 7 ans. 4.3

LE VECU DES UTILISATEURS – AVIS DES ACTEURS ET DU PUBLIC

4.3.1

Intérêts pour les clients finaux

Du point de vue des clients finaux, la micro-cogénération peut permettre : •

de réduire la facture énergétique ;

•

de satisfaire la volonté de participer à l’effort commun de réduction des consommations d’énergie et d’émission de GES (réponse à la prise de conscience des enjeux environnementaux).

4.3.2

Intérêts pour les pouvoirs publics

Du point de vue des pouvoirs publics, la micro-cogénération peut permettre : •

d’augmenter l’efficacité énergétique moyenne du parc de production électrique (par la valorisation thermique mais aussi par les pertes en ligne évitées) et donc, à besoins constants, de diminuer la consommation d’énergie primaire ;

•

de contribuer au respect des engagements nationaux et internationaux sur l’efficacité énergétique et la diminution des émissions de gaz à effet de serre (GES) ;

•

d’éviter des investissements qui seraient engendrés par la mise en œuvre de nouveaux moyens de production centralisés (centrale et renforcement des lignes) ;

•

de reporter sur l’utilisateur final l’investissement de nouvelles capacités de production.

4.3.3

Intérêts pour les syndicats d’électrification

La micro-cogénération peut permettre de faire baisser les coûts de renforcement des réseaux de distribution d’électricité, notamment en zone rurale, par la production décentralisée d’électricité. 4.3.4

Intérêts pour les fournisseurs d’énergie

Du point de vue des fournisseurs d’énergie, la micro-cogénération peut permettre : •

de contribuer au respect des obligations d’économies d’énergie imposées à ces acteurs dans certains pays (par exemple, le mécanisme des certificats d’économie d’énergie, en France) ;

•

de créer de nouvelles formes de commercialisation de l’énergie et de fidélisation des clients (dans un marché ouvert où un même fournisseur pourrait vendre le combustible et racheter l’électricité produite) ;

•

d’afficher une implication et une activité dans le domaine de l’innovation et de l’efficacité énergétique.

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4.3.5

Intérêts pour les industriels

Du point de vue des industriels des équipements de chauffage, la micro-cogénération peut permettre : •

d’augmenter les ventes ;

•

d’élargir la gamme des produits et des services ;

•

de se différencier de la concurrence ;

•

d’afficher les qualités énergétiques et environnementales d’un produit innovant.

4.3.6

Limites

Si un micro-cogénérateur est un équipement dont la performance énergétique est élevée, les appareils déjà commercialisés ou en voie de l’être utilisent principalement le gaz naturel et restent donc des équipements qui utilisent des énergies fossiles et qui ne valorisent pas d’énergies renouvelables (la principale exception est constituée des micro-cogénérateurs à moteurs à combustion externe alimentés en biomasse). De ce fait, l’intérêt environnemental des installations de micro-cogénération n’est pas acquis de manière certaine et peut varier de manière importante selon les produits, les utilisations, les installations, les performances du produit remplacé ou concurrent et le contexte énergétique. Il en va de même pour l’intérêt économique avec des facteurs supplémentaires à prendre en compte (coûts des énergies ou plus précisément le rapport entre le prix de l’électricité et celui de gaz, fiscalité, mesures incitatives,…). Toujours sur le plan économique, les micro-cogénérateurs sont aujourd’hui pénalisés par un coût d’investissement encore trop élevé pour certains produits. Mais les valeurs actuelles n’ont pas tellement de sens dans un marché naissant dont les volumes sont encore très faibles. Une autre limite de la micro-cogénération est la faible puissance électrique de chaque équipement. Pour impacter de manière significative sur un bilan énergétique national, la micro-cogénération devra connaître des niveaux de développement et des taux de pénétration importants (plusieurs dizaines de milliers d’unités). Ce développement à grande échelle peut être antagoniste avec, ou limité par le fonctionnement des réseaux électriques qui ont été conçus pour fonctionner de la production centralisée vers l’utilisation et non de manière réversible. Tant que l’injection locale sur le réseau basse tension peut être absorbée par une charge voisine, le fonctionnement d’un micro-cogénérateur ne se traduit que par une diminution de l’appel de puissance au niveau amont. Mais si la production dépasse les besoins et que le niveau basse-tension devient exportateur, des difficultés de gestion importante apparaissent. Beaucoup de travaux de recherche sont encours sur ces problématiques de gestion de réseaux à forte proportion de production décentralisée. Une étude commanditée par le Carbon Trust a montré que, jusqu’à un taux d’équipement de 50% des logements, le développement de la micro-cogénération n’aurait pas d’impact notable sur le fonctionnement du réseau anglais. 4.4 4.4.1

LE MARCHE – COMMERCIALISATION Evaluation du potentiel par l’analyse du marché du chauffage à eau chaude

S’il est entendu que les micro-cogénérateurs visent le marché de la chaudière, le potentiel de développement de la micro-cogénération peut être approché par l’analyse du marché actuel des chaudières (neuf et rénovation). Il a été vendu, en Europe en 2003, environ 6 millions de chaudières. Ce marché se répartit principalement entre la Grande-Bretagne (25%), l’Italie (17%), l’Allemagne (13%), et la France (12%).

C262

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Le parc installé en Europe serait de l’ordre de 60 à 80 millions de chaudières. Par ailleurs, le marché est largement dominé par les chaudières murales (dans un rapport de 1 pour 5 environ). En ce qui concerne les chaudières à condensation, elles connaissent des degrés de développement variés selon les pays. Elles représentent 15% du marché en Grande-Bretagne et sont très présentes en Hollande et en Allemagne, tandis qu’elles représentent moins de 2% du marché français. Ainsi, en théorie, la micro-cogénération pourrait à terme remplacer toutes les chaudières existantes car les modèles peuvent être déclinés sous différentes énergies, en chaudière murale ou non, etc. Cependant, un parallèle avec les chaudières à condensation est moins optimiste et reflète le faible taux de pénétration des innovations technologiques sur le marché des chaudières, en France notamment. 4.4.2

Scénarii de développement

Plusieurs scenarii de développement de la micro-cogénération ont été exposés dans le cadre de différentes études. Les projections en Grande Bretagne varient entre 140 000 et 1,6 million d’unités pour 2010 et sont pour l’Europe de quelques millions pour 2020. Les prévisions sont donc assez optimistes, mais elles peuvent varier dans des proportions importantes. Il faut dire que les incertitudes sont encore nombreuses au moment où le marché de la microcogénération commence à peine à émerger. 4.4.3

Quelles formes de commercialisation ?

Les produits déjà commercialisés et les démarches actuelles des différents acteurs permettent de voir émerger différentes voies de commercialisation possible. La première d’entre elles consisterait, encore une fois, à assimiler les micro-cogénérateurs à des chaudières et donc à commercialiser les micro-cogénérateurs par la chaîne commerciale traditionnelle : constructeurs → distributeurs / grossistes → installateurs / artisans → clients. Les chaudiéristes qui pratiquent aujourd’hui l’intégration horizontale (Baxi, Vaillant,…) ou les développeurs de moteurs qui cherchent des partenariats avec des industriels pourraient emprunter cette voie. Cette formule présenterait l’avantage de s’appuyer sur des structures déjà en place et permettre une diffusion à grande échelle. L’installateur qui est le premier prescripteur en individuel joue un rôle clé aussi bien technique que commercial. C’est justement la limite de cette chaîne, car les installateurs pourraient montrer une certaine résistance à ces nouveaux produits et à la formation complémentaire qu’ils nécessitent. L’autre inconvénient est que la multiplication des intermédiaires engendre généralement un prix final pour le client plus élevé. Une seconde voie envisageable reposerait sur une commercialisation directe. Cette commercialisation directe peut être assurée par le constructeur (Ex : Senertec) ou par un fournisseur d’énergie : •

Powergen en Grande-Bretagne avec le module Whispergen (soit le client achète la machine et il paie mensuellement l’énergie consommée (l’électricité produite apparaît sur la facture), soit le client paie tous les mois pendant 3 à 5 ans un montant qui englobe le coût du système, l’installation, la maintenance et l’énergie consommée).

•

Les compagnies du gaz japonais (Tokyo gas, Osaka gas,…) avec le module Ecowill de Honda (appareil en leasing + paiement mensuel en fonction de l’énergie produite).

Cette forme de distribution présente pour le client l’avantage de n’avoir qu’un seul interlocuteur. Etant donné le nombre importants de fournisseurs d’énergie ayant une activité directe ou indirecte (intégration verticale, partenariats, sponsoring,…) en matière de micro-cogénération, plusieurs offrent reposant sur ce schéma pourraient prochainement apparaître.

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Micro-cogénérateurs à pile à combustible des constructeurs Hexis et Vaillant

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ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE

5.1

SWOT

Strenghs – Forces : •

Diminue la consommation en énergie primaire de l’utilisateur

•

Réduit la facture énergétique de l’utilisateur

•

Est facile à mettre en œuvre et à utiliser, vient en remplacement des chaudières existantes

•

Réduit les coûts d’électrification en zone rurale par production décentralisée d’électricité

Weaknesses – Faiblesses : •

Réduit faiblement l’impact environnemental et a une faible rentabilité à cause des faibles durées de fonctionnement par rapport à une chaudière fonctionnant avec le même combustible

•

Réduit faiblement l’impact environnemental et a une faible rentabilité à cause de la faible capacité électrique des produits

•

Représente un investissement très élevé. Ces coûts peuvent être liés à la technologie du produit (des efforts de R&D doivent alors être menés pour les réduire) ou au faible volume actuel de vente. Pour sortir de ce cercle (peu de ventes ↔ produits chers), les gouvernements et/ou les distributeurs d’énergie devront proposer des aides à l’investissement pour lancer ce marché

•

Les produits ne sont pas encore arrivés à maturité. Les performances doivent augmenter et le coût diminuer.

Particularités pour la MCHP au gaz naturel : •

Fonctionne aujourd’hui avec des énergies fossiles dont le prix est soumis à de nombreuses tensions

•

Fonctionne aujourd’hui avec des énergies fossiles qui émettent des gaz à effet de serre

Particularités pour la MCHP au bois : •

Est en pré-série actuellement. Les premiers produits finis sont prévus pour 2007-2008.

Opportunities – Opportunités : •

L’ouverture du marché de l’énergie est une opportunité pour la MCHP car les fournisseurs d’énergie ont un rôle important à jouer. En effet, la MCHP : •

Peut faire émerger une nouvelle forme de commercialisation de l’énergie

•

Peut répondre à la problématique de croissance de la demande électrique en France en reportant une partie de l’investissement sur les utilisateurs, notamment elle peut éviter aux fournisseurs d’énergie d’investir dans de nouveaux moyens de production centralisée d’électricité en transférant une partie de cet investissement sur les utilisateurs

•

Peut permettre aux fournisseurs d’énergie de respecter les obligations d’économie d’énergie en pouvant devenir une action standard pour les certificats

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•

Peut permettre aux fournisseurs d’énergie de fidéliser leurs clients

•

Peut être une solution différenciante entre fournisseurs d’énergie dans un contexte de marché de l’énergie libéralisé.

•

Peut permettre aux industriels d’élargir leur gamme en proposant un produit aux qualités énergétiques intéressantes

•

Peut permettre de diminuer les coûts d’électrification en zone rurale pour les syndicats d’électrification et peut pallier au manque d’infrastructure tels en Bretagne et en PACA

•

Est l’objet de pressions européennes qui poussent à son développement. Elle peut devenir éligible au crédit d’impôt, être soumis à un tarif de rachat de l’électricité avantageux et être intégrée dans les prochaines versions de la réglementation thermique ainsi qu’au mécanisme des certificats d’économie d’énergie. Cependant, aujourd’hui, les pouvoirs publics manquent de visibilité sur les réels avantages de la micro-cogénération (en général mais aussi selon les produits et les situations) et manque de connaissance de ces spécificités. De ce fait, les microcogénérateurs ne sont pas inclus dans les mécanismes d’aides et ne sont pas pris en compte dans l’établissement des nouveaux textes réglementaires

Threats – Menaces : •

Requiert d’être raccordé au réseau de distribution d’électricité dont les formalités sont aujourd’hui longues, complexes et chères. Une simplification et une harmonisation au niveau européen sont nécessaires. C’est l’objectif du projet de norme PR NF EN 50 438. L’exigence serait alors reportée sur les produits qui doivent faire l’objet de certifications sur la base d’essais normalisés (comme pour les chaudières)

•

Requiert d’être raccordé au réseau de distribution d’électricité qui n’est pas adapté à la production décentralisée d’électricité à grande échelle. Les gestionnaires de réseau peuvent donc rester frileux vis à vis d’une trop grande pénétration des systèmes de production décentralisée (difficulté de gestion technique et administrative)

•

N’est aujourd’hui pas subventionnée par l’état et rentre en concurrence avec des technologies qui le sont et qui ont déjà pénétré les marchés : pompes à chaleur, solaire thermique et photovoltaïque

•

Risque d’être bloquée dans son développement par les installateurs et les mainteneurs car ceux-ci ont besoin de formations particulières. De plus, en cas de panne, ils ne sont pas en mesure de réparer eux-mêmes mais il faut a priori l’intervention du constructeur ou distributeur. De plus, la MCHP manque de notoriété auprès des professionnels et des utilisateurs finaux. En conséquence, ce n’est pas la demande qui stimule l’offre ni les installateurs qui aiguillent la demande.

Particularité pour la MCHP au gaz : •

N’est intéressante pour l’environnement, dans les versions fonctionnant à partir d’énergies fossiles, que si le contenu carbone de l’électricité substituée est élevé ou si elle évite la construction de centrales électriques à énergie fossile.

Particularité pour la MCHP à granulés bois : •

Dépend de la structuration de la filière bois et, pour le marché des particuliers, de la filière « granulés bois » plus précisément. Elle ne pourra être implémentée que si la disponibilité, le prix et la qualité des granulés est assurée.

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5.2

POINTS SINGULIERS DU CONTEXTE FRANÇAIS

Le Royaume-Uni et l’Allemagne sont bien plus avancés que la France dans leur engagement dans les économies d’énergie car ce sont de gros émetteurs de GES. L’implication du secteur bancaire est notamment plus grande, ce qui permet de financer nombre d’initiatives innovantes telles la MCHP. La France, quant à elle, présente un contexte énergétique tout à fait atypique par rapport à ses voisins européens. En effet, sa production électrique repose principalement sur le fonctionnement de centrales nucléaires (pour 78%) et hydrauliques (pour 11%). En conséquence, le contenu CO2 de l’électricité produite par la France est très faible (de 60 à 120 gCO2/kWhé voire 180 en pointe). Le contexte énergétique français est également marqué par le quasi monopole des opérateurs historiques (EDF et GDF). Le raccordement d’un micro-cogénérateur au réseau public est normalement possible. Un modèle de contrat pour les petites installations (<36kVA), dont les micro-cogénérateurs, existe même. Ce contrat prévoit notamment que l’électricité produite est rachetée au même tarif qu’elle est vendue à l’utilisateur final. Mais le raccordement nécessite un accord préalable du gestionnaire de réseau. L’autre difficulté concerne les protections de découplage. Pour les équipements d’une puissance inférieure à 4,5 kVA, la garantie (par le constructeur) de la conformité du matériel à la norme allemande DIN VDE 0126 est admise comme condition suffisante. En revanche, en dehors de cette plage de puissance, EDF exige que soit mise en œuvre une protection de découplage externe agréée, même si le module possède lui-même un équipement similaire. Les fournisseurs d’énergie français s’intéressent à la micro-cogénération mais n’en sont pour le moment qu’à des phases d’évaluation de produits. Ni EDF, ni GDF n’a à ce jour annoncé qu’il proposerait prochainement une offre commerciale ou des tarifs spéciaux pour la micro-cogénération.

C267

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6. 6.1

ETAPE 6 : CONDITIONS DE LA TRANSPOSITION LES CHANCES DE LA TRANSPOSITION EN FRANCE

Contenu carbone de l’électricité La différence la plus flagrante entre le contexte énergétique français et ceux du Royaume-Uni et de l’Allemagne est le contenu carbone de l’électricité. L’électricité nucléaire décarbonnée ne laisse pas beaucoup de place à la production d’électricité à partir d’énergie fossile. La micro-cogénération à partir d’énergie fossile, en référence à une chaudière fonctionnant avec la même énergie fossile, ne fait qu’augmenter les émissions de gaz à effet de serre en France alors qu’elle les réduit dans les autres pays. Elle bénéficie donc du soutien financier des états pour respecter les engagements de Kyoto, ce qui ne peut être le cas en France. Par contre, en France, elle peut être une alternative à la construction de nouveaux moyens de production centralisée d’électricité à partir d’énergie fossile, ce qui devrait arriver avec l’ouverture du marché de l’énergie. Par ailleurs, l’utilisation de la biomasse est une option intéressante pour la micro-cogénération car elle permettrait de développer cette filière mal valorisée en France et produirait de l’électricité encore moins carbonnée que l’électricité française actuellement. L’installation d’une unité de MCHP bois dans un immeuble est suffisante à elle seule pour que l’immeuble puisse être, au regard de l’étiquette CO2, de Classe A (émissions inférieures à 5 kgCO2éq/m².an). En cela, elle peut constituer l’une des solutions pour le respect du protocole de Kyoto. Enfin, l’impact de la MCHP à gaz sur les émissions de GES est plus dommageable que celui de la chaudière gaz condensation dans le contexte français [33].

Emissions GES (kgCO2eq/m².an)

MCHP bois

Chaudière bois

55 50

MCHP gaz Chaudière gaz

30 20 10

6.5

9.9

8.0 2.4

0 Maison individuelle

Immeuble résidentiel

AA Cl Cl as

Bilan carbone du bâtiment tous usages inclus (chauffage, ECS, usages électriques spécifiques, cuisson) par type de chaudière en France

Si on considère, par contre, qu’un parc d’unités de MCHP permet d’éviter la construction d’une « portion » de centrale thermique (électricité plus carbonée) prévue, le bilan carbone du bâtiment est modifié [33].

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Emissions GES (kgCO2eq/m².an)

MCHP bois Chaudière bois

60 46

MCHP gaz Chaudière gaz

40 26

30 20 9.9

8.0

10 -2.5

-9.9

0 -10

Maison individuelle

Immeuble résidentiel

-20

Bilan carbone du bâtiment tous usages inclus par type de chaudière, scénario « évitement de la construction d’une centrale thermique », en France

Prix de l’électricité Le prix français de l’électricité est bas, ce qui rend peu viables les initiatives visant à en produire. Cependant, l’ouverture du marché devrait faire tendre les prix vers les prix allemands de l’électricité et donc sur les prix de l’électricité produite à partir de charbon, énergie très demandée notamment par la Chine. Le prix de l’électricité français devrait donc augmenter dans les années à venir, de même que les subventions pour la production propre d’électricité, rendant plus rentable les initiatives telles la micro-cogénération. Aujourd’hui, le prix de revente de l’électricité issue de micro-cogénération est égal au prix d’achat de l’électricité pour le client final. Une manière de rentabiliser la MCHP serait de fixer un prix de revente égal au prix de production pour un temps de retour sur 5 à 8 ans, à l’égal de ce qui s’est fait pour le solaire photovoltaïque. Sous certaines hypothèses de prix des énergies, la MCHP bois est peu intéressante économiquement pour la maison individuelle : le prix du kWh électrique est élevé, de l’ordre du solaire photovoltaïque. En revanche, pour l’immeuble résidentiel, la MCHP est compétitive économiquement [33].

Solaire photovoltaïque MCHP bois (maison individuelle) Méthanisation MCHP bois (immeuble résidentiel) Géothermie Eolien Hydroélectricité 0

Coût de production de l'électricité (c€/kWh) (c€)

Situation de la MCHP bois dans l’échelle des technologies de production d’électricité décentralisées et renouvelables en France

Décentralisation et libéralisme : un marché local de l’énergie

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Par ailleurs, dans les pays considérés, l’état remplit un rôle moindre qu’en France. Le fédéralisme ou le libéralisme donne un pouvoir fort aux pouvoirs publics locaux ainsi qu’aux fournisseurs d’énergie privés. Ces pays disposent donc de dispositifs réglementaires et fiscaux développés à l’initiative d’acteur locaux appuyés par une implication des fournisseurs d’énergie locaux afin de proposer des produits viables économiquement. De nombreuses synergies sont apparues entre lesdits fournisseurs d’énergies, les grands fabricants de chaudières et des motoristes traditionnels ou nouveaux. En France, l’opérateur historique, qui est pris dans une logique de production centralisée, ne favorise pas le développement du marché : temps de raccordement au réseau, prix du raccordement, prix d’achat de l’électricité… L’ouverture du marché de l’électricité va notamment permettre à de nouveaux acteurs d’émerger et de proposer des initiatives. Modes de chauffage français La place du chauffage électrique est très importante en France. Or le développement de la microcogénération se fera principalement en remplacement de chaudières existantes. Le marché potentiel français est donc plus petit que celui des pays considérés. La micro-cogénération à gaz est, dans le discours des industriels allemand et anglais, le produit de remplacement des chaudières à condensation. Or la part de marché de marché des chaudières à condensation, en France, est, aujourd’hui encore, très faible. Par comparaison, on peut présager d’un développement très lent de la MCHP si la pénétration du marché est réalisée au même rythme. Néanmoins, l’ouverture du marché de l’énergie peut modifier la donne avec l’intérêt des fournisseurs d’électricité qui tendent à vendre en direct et ainsi à passer outre les blocages qu’a rencontré la chaudière condensation en commercialisant par le circuit traditionnel. La micro-cogénération à biomasse, quant à elle, vient plus facilement en remplacement d’un chauffage au fioul en zone rurale dû au volume de stockage du combustible et représente donc au final un marché de niche, soumis aujourd’hui à la disponibilité en bois, spécialement en granulés bois. Climat La MCHP est certes indépendante des caprices du soleil et du vent à la différence des systèmes solaires et éoliens. Néanmoins, elle dépend du climat : la production d’électricité est corrélé aux besoins de chauffage. A cause du chauffage électrique, les périodes de chauffage correspondent à des pics de demande électrique : un parc de MCHP permettrait de diminuer ces pics. Toutefois, un climat plus rude conduit un temps de fonctionnement du MCHP plus long et donc un temps de retour plus faible. En comparant les degrés-jours de chauffage, on se rend compte que l’Allemagne possède un climat 30% plus rigoureux que la France et l’Autriche 45% (source CETIAT). Les temps de retours sont alors globalement diminués d’autant. En France, la MCHP est donc moins rentable, le photovoltaïque ou l’éolien peuvent être plus adaptés dans certains cas. Fabricants de chaudière français Les chaudiéristes allemands sont les leaders européens avec des entreprises comme Vaillant, Baxi, Viessmann, Buderus,… La plupart de ces industriels ont des projets en cours sur la microcogénération. Les chaudiéristes français plus petits, semblent être suiveurs sur ce marché. Néanmoins, une MCHP à bois est en cours de développement en France. Formation des chauffagistes et des mainteneurs Pour l’installation et la maintenance légère des MCHP une formation des chauffagistes peut suffire. Dans ce cadre, les moteurs Stirling sont avantagés car il n’y a pas de maintenance du moteur. Par contre, les réparations sont moins évidentes et les constructeurs doivent alors intervenir. Ce facteur risque de limiter le rythme de diffusion de la MCHP en France ou du moins favorise l’option de commercialisation directe par les constructeurs.

C270

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6.2

COMPATIBILITE AVEC LE CADRE REGLEMENTAIRE FRANCAIS

La MCHP ne s’intègre pas encore complètement dans le cadre réglementaire français. Les normes de raccordement au réseau sont en cours d’évolution pour prendre en compte ses particularités. Un contrat EDF d’achat de l’électricité pourrait être spécifique. Enfin, un tarif de rachat spécifique devrait être mis au point. Aujourd’hui, il n’existe pas de tarif pour la MCHP bois, par exemple. Par ailleurs, les normes CE gaz, CE compatibilité électromagnétique et CE produit électrique doivent être proclamées par les fabricants, ce qui est également valable pour les autres pays. Néanmoins, les normes françaises en matière de normes gaz sont plus exigeantes que les normes européennes. La MCHP gaz doit donc être légèrement adaptée au marché français. Enfin, en ce qui concerne le bois, les MCHP devraient respecter la norme EN 303-5, afin de pouvoir bénéficier du crédit d’impôt potentiel. Cette norme donne des exigences de performances et d’émissions qui sont a priori déjà respectées par les fabricants. 6.3

QUELLE DYNAMIQUE D’ACTEURS NECESSAIRE ?

Les acteurs clés de la MCHP sont les fournisseurs d’énergie, les chaudiéristes et les pouvoirs publics. Le développement de la MCHP requiert un marché de l’énergie libéralisé, des pouvoirs publics locaux et nationaux moteurs ainsi qu’une offre de produits de qualité adaptés aux spécificités françaises. Si l’ouverture du marché est programmée et si l’offre industrielle devrait arriver, il revient aux pouvoirs publics d’amorcer le marché. Ils doivent promouvoir tout type de MCHP sachant qu’elles n’ont pas toutes les mêmes arguments. Les raisons de la promotion de la MCHP au gaz ne sont pas immédiates en France car elle émet plus de GES que dans un schéma traditionnel. Néanmoins la MCHP gaz peut pallier à la construction de centrales électriques au gaz ou bien peut partiellement répondre à la sousproduction électrique en période de pointe et avec de meilleurs rendements. Quant à la MCHP à biomasse, l’argument est évident : un tel système permet à n’importe quelle maison de passer en classe A en terme d’émissions de GES. 6.3.1

Disponibilité en France des techniques concernées et des compétences de pose.

Il n’y a aucun fabricant français de MCHP pour le moment car les fabricants de chaudières français ne sont pas parmi les leaders du marché et que les fournisseurs d’énergie historiques prédominent. Les chauffagistes ayant reçu une légère formation sur la MCHP sont à même d’installer une MCHP. Les agents d’EDF doivent ensuite intervenir pour brancher le nouveau compteur. A ce niveau, un parallèle peut être fait avec le photovoltaïque pour lequel EDF a déjà formé ses agents. De même pour la maintenance, les mêmes chauffagistes et agents seront à même de l’effectuer. Par contre, les réparations sont difficiles : a priori seuls les constructeurs disposent des compétences nécessaires. 6.3.2

Quels types d’incitations envisager

Réglementation Technique •

Inclure la MCHP dans la RT 2010 ainsi qu’au mécanisme des certificats d’économie d’énergie

•

Simplifier les procédures de raccordement au réseau des MCHP

•

Alléger les exigences en terme de protection de découplage vis-à-vis des MCHP

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Soutien des Collectivités locales •

Promouvoir la MCHP qui peut éventuellement être couplée à de petits réseaux de chaleur (lotissements, …)

•

Promouvoir la MCHP à biomasse pour développer une économie locale du bois

Fiscalité, Financement •

Intégrer la MCHP au mécanisme du crédit d’impôt avec une incitation plus élevée pour le bois que pour le gaz

•

Réviser le prix d’achat de l’électricité issu de MCHP gaz et bois pour le positionner au niveau de son prix de production

Initiatives Privées •

Créer en France une structure spécialisée dans la promotion de la micro-cogénération dont les besoins sont sensiblement différents de ceux de la cogénération en général, à l’instar du « micro-power council » anglais.

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ANNEXE : SOURCES D'INFORMATION

[1] « A Community strategy to promote combined heat and power (CHP) and to dismantle barriers to its development » Communication from the commission to the council and the european parliament – 15 Octobre 1997 [2] « Directive 2004/8/CE du parlement européen et du conseil du 11 Février 2004 concernant la promotion de la cogénération sur la base de la demande de chaleur utile dans le marché intérieur de l’énergie. » [3] « Recommendations for the connection of small scale embedded generators (up to 16A per phase) in parallel with public low voltage distribution networks” Engineering recommendation G83 – Electricity Association- Août 2002 [4] « Prescriptions pour le raccordement de microgénérateurs en parallèle avec les réseaux publics de distribution basse-tension» Pr NF EN 50 438 [5] « Les contrats d’achat cogénération, biomasse et petites installations (moins de 36 kVA)» Présentation de Philippe Balaguier (EDF Pôle industrie) - Journées techniques ATEE du 24-25 Mai 2005 [6] « Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau – Guide de rédaction du cahier des charges techniques de consultation à destination du maître d’ouvrage » Guide ADEME – Juin 2004 [7] « L’expérience européenne dans le domaine des petites, mini et micro-cogénérations» Présentation de Claude Cahen (EDF Réseau innovation) - Journées techniques ATEE du 24-25 Mai 2005 [8] « Micro-CHP Fact sheets » Cogen Europe – Mars 2005 [9] « Cogen Challenge facsheets » (www.cogen-challenge.org ) [10] www.cogen.org , le site de l’association Cogen Europe [11] « Micro-CHP : The technology Takes off » Présenation de Chris Wilcox (EA Technology), Novembre 2004 [12] « MicroCHP Technical Challenges and Solutions » Présentation de John Parsons (EAMA) – Micropower 2004 Conference [13] « Micropower, Utilities and the next 12 months» Présentation de Jon Slowe (Platts Research & Consulting) – Micropower 2004 Conference [14] « Micro-CHP to increase energy efficiency : emerging technologies, products and markets» Présentation de Jon Slowe (Delta Energy & Environment) – International conference on energy efficiency in domestic appliances and lighting – Londres, Juin 2004 [15] « Micro-CHP – The magic boiler » Présentation de Michael Colijn (Michael Colijn Project development & strategic advice) – ASUE Conference – Novembre 2005 [16] « MicroCHP » Présentation de Ian Stares (Baxi group) – Micropower 2005 conference – Juillet 2005 [17] « German Co-generation act » [18] « The potential market for micro CHP in the UK» Etude pour le compte du Energy Saving trust – Juin 2002

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[19] « MicroCHP, delivering a low carbon future» Etude du SBGI (Society of British Gas Industries) Septembre 2003 [20] « The government’s strategy for combined heat and power to 2010» Department for environment Food and Rural Affairs - 2004 [21] « The Carbon trust’s small scale CHP field trial update» The Carbon Trust – Novembre 2005 [22] « The Gasunie smart distributed power systems program» J.W. Turkstra (Gasunie Engineering & technology) – 23rd world gas conference – Amsterdam 2006 [23] « Development of ECOWILL cogeneration system for residential applications » Masoto Ochi (Osaka Gas) – JGA Grand Awards for best research and development – 2004. [24] « Le marché de la micro-cogénération en France» Présentation de Sylvie Taprest (Gaz de France) - Journées techniques ATEE du 24-25 Mai 2005 [25] « Petite cogénération de moins de 1 MW, développement actuel et perspectives » Patrick CANAL, Journées techniques ATEE du 24-25 Mai 2005 [26] « La micro-cogénération, solution énergétique pour le résidentiel et le tertiaire » Présentation de Jean-Paul ONANA, chargé du projet PRODELEC chez Gaz de France, Mai 2006 [27] « Les moteurs Stirling » cours de DEA, Pascal STOUFFS, Université de Nantes [28] « Essais de performances et de fiabilité sur un micro-cogénérateur à moteur Stirling » C. Beaumont – étude COSTIC pour l’ADEME – Mars 2006 [29] « Energy & transport in figures » European Commission – 2005 [30] « Note de cadrage sur le contenu CO2 du kWh par usage en France » ADEME, Janvier 2005 [31] « Le marché des matériels de chauffage central » GFCC – 2003 [32] www.recensement.insee.fr [33] Impact de la MCHP à bois sur l’effet de serre, Amoès, Novembre 2006, www.amoes.com + sites internet et documentations techniques des constructeurs cités

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie C11 – CLIMATISATION BASSE CONSOMMATION

Auteurs : Emmanuel Fleury (emmanuel.fleury@cstb.fr), Orlando Catarina (orlando.catarina@cstb.fr)

Experts : F. Bourmaud, R. Daccord, D. Marchio (Ecole des Mines de Paris)

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SOMMAIRE INTRODUCTION.......................................................................................................................................277 1. CONTEXTE GENERAL, ANTERIORITE .............................................................................................277 2. TECHNOLOGIES .................................................................................................................................280 2.1 Typologie des solutions basse consommation ..............................................................................280 2.2 Les technologies existantes...........................................................................................................282 2.2.1 Description des technologies de production de froid ..........................................................282 2.2.2 Description des technologies de distribution de froid ..........................................................286 2.3 Filtrage ...........................................................................................................................................287 3. CONTEXTE, DESCRIPTION, MISE EN ŒUVRE, EVALUATION ......................................................288 3.1 3.2 3.3 3.4

Système de compression mécanique de vapeur avec EER de 5 .................................................288 Le puits provençal ou canadien .....................................................................................................289 La sur-ventilation............................................................................................................................293 La climatisation par évaporation ....................................................................................................295 3.4.1 Evaporation directe gainée ..................................................................................................295 3.4.2 Evaporation directe en ambiance- installations fixes ..........................................................298 3.5 La climatisation solaire par absorption ..........................................................................................299 3.6 La circulation d’eau fraiche ............................................................................................................302 3.6.1 Circulation d’eau de nappes phréatiques ............................................................................302 3.6.2 Circulation d’eau de mer, de lac ou de rivières ...................................................................303 4. REFLEXION CRITIQUE .......................................................................................................................305 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Système à compression mécanique avec EER moyen annuel de 5.............................................305 Surventilation .................................................................................................................................305 Climatisation par évaporation directe ............................................................................................306 Puits provençal...............................................................................................................................307 Circulation d’eau fraîche naturelle .................................................................................................307 Climatisation solaire par absorption...............................................................................................307 SWOT général sur la climatisation basse consommation .............................................................308 4.7.1 Strengths – Forces ..............................................................................................................308 4.7.2 Weaknesses – Faiblesses...................................................................................................308 4.7.3 Opportunities – Opportunités...............................................................................................309 4.7.4 Threats – Menaces ..............................................................................................................310

5. CONDITIONS DE DEVELOPPEMENT EN FRANCE..........................................................................311 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

perspectives de développement de la climatisation basse consommation ...................................311 prise en compte dans le reglementation thermique.......................................................................313 Quelle dynamique d’acteurs nécessaire au développement .........................................................314 Disponibilités des techniques et des compétences .......................................................................314 Quels types d’incitation envisager .................................................................................................315

6. ANNEXE : BIBLIOGRAPHIE...............................................................................................................316

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INTRODUCTION L’objet de cette étude est l’analyse des conditions de développement à l’étranger et en France, l’évaluation et la capitalisation des systèmes de rafraîchissement et de climatisation dits « basse consommation ». Cette étude propose de dresser la typologie des solutions de climatisation « alternatives » existantes à la climatisation traditionnelle, de donner une vision la plus exhaustive possible des techniques utilisées et d’étudier les conditions de développement pour la France. 14 solutions ont été identifiées ; la grande hétérogénéité en termes de fonctionnement technique, de maturité, de conditions d’utilisation et de service rendu a conduit à étudier plus spécifiquement 5 solutions, jugées les plus pertinentes d’être étendues en France. Elles sont destinées exclusivement au secteur résidentiel et au petit tertiaire. L’étude consiste donc à spécifier : - quelles sont les technologies alternatives matures et plus précisément celles pour lesquelles existe une véritable offre commerciale ? - compte tenu des performances très élevées de certains climatiseurs de classe A, quels sont les gains énergétiques que l’on peut attendre ? - quels sont les freins socio-économiques à la diffusion de ces produits et que nous apprennent les expériences existantes en France ou dans le monde ?

1. CONTEXTE GENERAL, ANTERIORITE Les systèmes à basse consommation, pour certains d’entre eux tout du moins, font appel à des principes anciens. Plusieurs raisons contribuent à l’intérêt dont ils sont l’objet : - l’exigence de réduction des consommations dans les bâtiments et de refroidissement en particulier, - le protocole de Montréal sur l’usage des fluides frigorigènes, - la demande de froid pouvant conduire à des appels de puissance électrique problématiques dans certaines situations. •

L’Agence Internationale de l’Energie

L’Agence Internationale de l’Energie (AIE) a été crée en 1974 dans le cadre de l’OCDE pour mettre en œuvre un programme international d’action sur l’énergie en réaction aux tensions sur le marché de l’énergie. Elle rassemble 26 pays industrialisés. Un des objectifs initial de l’AIE était de renforcer la coopération entre les pays participants pour améliorer leur sécurité énergétique par des mesures d’économies d’énergie, le développement de sources d’énergie alternative, la recherche et développement et l’application par des opérations de démonstration. Le contexte énergétique mondial ayant changé depuis, l’AIE a intégré des préoccupations environnementales et de développement durable. L'AIE aide plus de 40 accords internationaux de coopération et de collaboration en recherche et développement et diffusion de connaissances dans le champ de l’énergie. Les pays membres de l'OCDE et les autres pays et les organismes internationaux peuvent participer.

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Le secteur du bâtiment représentant une part importante des consommations d’énergie, l'AIE a établi un accord de coopération sur les économies d’énergie dans les bâtiments : energy conservation in buildings and community systems programme (ECBCS). Ce programme est structuré en annexes traitant chacune d’un aspect de l’efficacité énergétique des bâtiments. L’annexe 28, Low energy cooling a pour mission de produire un recensement des technologies, des outils de conception, des guides d’application et des exemples de réalisation dans le domaine des systèmes de rafraîchissement à faible consommation d’énergie. Les pays participants sont le Canada, la Finlande, la France, l'Allemagne, Pays Bas, le Portugal, la Suède, la Suisse, le Royaume-Uni et les Etats-Unis d'Amérique. L’Agence Internationale de l’Energie a lancé voici trois ans un programme de travail sur le rafraîchissement solaire (Tâche 25). Les objectifs de la Tâche 25 [2] sont d’identifier les technologies prometteuses en matière de rafraîchissement solaire et de créer les méthodes et les outils de conception et de dimensionnement s’y rattachant. •

Les actions européennes

Un des objectifs des différents programmes cadres de recherche européens concerne l’efficacité énergétique dans les bâtiments. Plus particulièrement, dans le cadre du programme Intelligent Energy Europe le projet Save KeepCool ‘’promotion of sustainable cooling in the service building sector’ a pour objet de diffuser les technologies et les outils du confort d’été durable. KeepCool n'invente pas de nouvelles technologies, mais valorise les acquis des recherches antérieures travaillant à leur diffusion. Le site propose des exemples de réalisations. •

Le protocole de Montréal

Le protocole de Montréal, ratifié en 1988, a pour objectif des mesures de précaution pour réglementer équitablement et éventuellement éliminer toutes les émissions mondiales de substances appauvrissant la couche d'ozone. À cette fin, les Parties doivent éliminer graduellement la production et la consommation ainsi que réduire et cesser le commerce des produits désignés par le protocole. Les fluides frigorigènes font partie des produits visés. Il a été décidé d’interdire l’utilisation des fluides les plus dangereux et de ne permettre celle des autres que dans des conditions qui minimisent leur impact sur l’environnement. Dans ce contexte, les systèmes de rafraîchissement, qui n’utilisent pas de fluides frigorigènes, constituent une réponse aux exigences du protocole. •

L’évolution de la demande

La croissance importante de la climatisation conduit à considérer de plus en plus des solutions n’utilisant pas la compression mécanique ou limitant son utilisation. Des techniques de climatisation alternative, qui consommeraient moins d’énergie et n’utilisant pas de réfrigérant, peuvent fournir des conditions intérieures très proches de celles fournies par des solutions conventionnelles.

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En effet, le marché de la climatisation est en pleine expansion en Europe surtout depuis l’épisode climatique de la canicule 2003. La surface climatisée en France a doublé entre 1990 et 2000. La progression la plus spectaculaire est celle des climatiseurs individuels et notamment des mobiles et des splits de puissance inférieure à 17,5 kW. Malgré leur performance faible, la vente de mobiles a augmenté suite à la canicule de 2003 du fait de leur facilité d’installation.

En France, le secteur tertiaire représente 17% de la consommation d’énergie nationale en 2004 (218,5 TWh). Le rafraîchissement représente environ 5 % de la consommation totale du secteur. Le taux de pénétration de la climatisation dans le secteur tertiaire est évalué à 22 % en 2000 (35 % pour les bureaux) soit une surface climatisée de 142 millions de m2 (57 millions de m2 de bureaux). Malgré les progrès réalisés au niveau de la construction des bâtiments, plusieurs éléments contribuent à l’augmentation des besoins de rafraîchissement : -

l’isolation très efficace de l’enveloppe qui conduit à un emprisonnement de chaleur dans les cas où il y a impossibilité d’ouvrir les baies (hauteur ou à cause des bruits à l’extérieur);

l’augmentation forte de taux des surfaces vitrées dans les bâtiments modernes pour des raisons architecturales et sans protections solaires extérieures;

l’augmentation des jours où la température extérieure et le rayonnement solaire sont au dessus de la moyenne;

l’emploi d’un très grand nombre d’équipements électriques (ordinateurs, imprimantes, scanner, éclairage, etc…) ce qui augmente les apports internes qui deviennent l’élément majeur des charges de rafraîchissement (dans les nouveaux bâtiments de bonne isolation)

Depuis 2002, la directive européenne 31/CE sur l’efficacité de la climatisation impose de faire figurer une étiquette énergétique sur les climatiseurs individuels de faible puissance (<12 kW). Les classes énergétiques de A à G sont établies en fonction du coefficient d’efficacité frigorifique EER des appareils.

On retiendra que : - chaque technologie n’est pas issue d’un pays en particulier, bien que dans certains pays des développements spécifiques voient le jour. On peut citer les exemples du développement des systèmes évaporatifs directs compacts en Australie et d’un système à absorption solaire en Espagne. - qu’elles sont d’ailleurs toutes présentes en France (la France étant membre de l’AIE et participant aux principaux programmes européens), et que les deux produits précédemment cités sont disponibles en France. - l’analyse entreprise porte davantage sur le développement de ces technologies en France que sur les conditions d’une éventuelle transposition en France.

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TECHNOLOGIES

2.1 TYPOLOGIE DES SOLUTIONS BASSE CONSOMMATION Il faut noter que l’efficacité des systèmes de climatisation basse consommation dépend intimement du climat et du bâtiment. Leur choix suppose qu’une attention particulière ait été portée aux protections solaires afin de limiter les apports du soleil et au choix d’équipements électriques à haute efficacité énergétique afin de limiter les apports internes. Nous n’envisageons les solutions de climatisation basse consommation que dans le cas de bâtiments à inertie élevée et bien protégés avec des apports internes faibles. Pour qu’un système soit à basse consommation, il faut veiller conjointement à la production de froid par des moyens naturels (évaporation d’eau, recours à une nappe phréatique, …) et à la distribution car le niveau de température doit être compatible avec la source retenue. Même avec des systèmes mécaniques, une température de distribution plus élevée réduit les charges (déshumidification limitée) et les écarts entre source chaude et source froide contribuant à une meilleure efficacité. Il faut toutefois prendre garde au fait que ces technologies innovantes de production de froid entraînent souvent une hausse de la consommation des auxiliaires de distribution. C’est pourquoi d’un point de vue technique on fait la différence entre la production du froid et la distribution, tel que le suggère les travaux de l’Agence Internationale de l’Energie (dans son rapport « Tâche 25 » sur la climatisation solaire). Cette segmentation permet de souligner l’importance de la contribution des deux soussystèmes à la consommation énergétique totale de l’installation. Il faut rester vigilant devant la tendance à concevoir des systèmes de climatisation qui utilisent une source gratuite de froid (eau de nappe, puits canadien) mais qui peuvent conduire à une hausse sensible de la consommation des auxiliaires de distribution (ventilateurs, pompes). En termes de « qualité du service rendu », on fait la différence entre « rafraîchissement » et climatisation. Un système de rafraîchissement sera défini par : - l’absence de système à puissance garantie pour la production de froid. Il en résulte : - une impossibilité de respecter une température de consigne dans certains cas, - une température intérieure dépendante des conditions extérieures. La Figure 1 ci-dessous présente l’ensemble des systèmes de rafraîchissement possibles.

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Figure 1 : systèmes de rafraîchissement

A l’inverse, un système de climatisation : - garantit la production de froid s’il est correctement dimensionné, - peut donc respecter une température de consigne. On vise ici les systèmes qui utilisent de l’énergie thermique renouvelable. La Figure 2 en présente les cas possibles.

1 Un brasseur d’air n’est pas un système de rafraîchissement mais il améliore le confort en favorisant le

rafraîchissement cutané.

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Figure 2 : systèmes de climatisation à partir d’énergie renouvelable

L’utilisation d’un système de rafraîchissement seul dépend de la destination du bâtiment ainsi que de ses occupants. Il peut être acceptable selon l’activité des occupants d’avoir des températures moins confortables sur de courtes périodes. Il convient de noter que la comparaison de différents systèmes entrant dans les deux catégories pose une difficulté puisque l’on compare des solutions n’offrant pas un service identique. C’est un point qu’il ne faut pas oublier lorsqu’on cherche à comparer les systèmes étudiés dans le présent rapport. 2.2 LES TECHNOLOGIES EXISTANTES La précédente typologie est exhaustive et rend bien compte de la diversité des modes de refroidissement possibles. Les paragraphes suivants décrivent les technologies existantes de production et de distribution du froid et précisent si elles ont été retenues pour la présente étude. 2.2.1 DESCRIPTION DES TECHNOLOGIES DE PRODUCTION DE FROID Le cycle à compression mécanique de vapeur performant (petit climatiseur) Le système le plus connu et le plus répandu de production de froid appliqué à la climatisation de bâtiments est le cycle à compression de vapeur. L’énergie utilisée pour alimenter le moteur du compresseur est presque toujours électrique. Les très bonnes performances des meilleurs appareils proposés résultent des progrès réalisés par des fabricants de compresseur ayant fortement investi en R & D, de l’optimisation des échangeurs et de moteurs tournant à vitesse variable. Ce système a été retenu car il va servir de référence pour situer les autres technologies par rapport à un système traditionnel performant.

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Le puits provençal ou canadien Un puits provençal consiste en un ensemble de tubes (éventuellement un tube unique), enterrés à l’horizontale sous le bâtiment (ou à côté de celui-ci), et intégrés au système de ventilation. Le but du système est d’amortir les variations de température de l’air extérieur en tirant parti de l’inertie thermique du sous-sol : en récupérant la fraîcheur du sol en été et la chaleur du sol en hiver. Cette solution se propose en secteur résidentiel comme en petit tertiaire. Ce système a été retenu compte tenu du développement actuel d’une offre sur ce produit en France. La sur-ventilation La surventilation consiste à refroidir un bâtiment quand la température extérieure est inférieure à sa température intérieure par la circulation naturelle ou mécanique d'un grand débit d’air extérieur, très supérieur au débit d’air hygiénique. On distingue le « free cooling » et la surventilation nocturne (night-cooling). Le free-cooling consiste en une utilisation de l’air extérieur comme source de rafraîchissement naturel et est prévu dans les centrales de traitement d’air efficaces. La sur-ventilation nocturne consiste à refroidir le local la nuit en ouvrant les fenêtres dans le cas de bâtiment d’habitation en zone sécurisée ou via une centrale de traitement d’air et des conduits en tertiaire. Le free cooling a été retenu car il est relativement facile à mettre en œuvre et il a été éprouvé. La sur-ventilation nocturne peut se révéler intéressante dans une approche de climatisation hybride.

La climatisation par évaporation : « evaporative-cooling » Ce type de système fait évaporer de l’eau pour refroidir l’air. Le système requiert l’utilisation d’un humidificateur qui permet d’humidifier l’air. On distingue plusieurs types de climatisation par évaporation : -

L’évaporation directe en ambiance. De l’eau est pulvérisée directement dans les locaux à rafraîchir. De ce fait, on augmente l’humidité de l’air mais l’évaporation de l’eau refroidit l’air. Ce système est intéressant dans des régions de basse hygrométrie moyenne et dans des locaux très ventilés.

L’évaporation directe gainée consiste à insérer un humidificateur dans une centrale de traitement d’air. La solution conduit à humidifier le local, ce qui peut être incompatible avec son utilisation ou au contraire favorable dans d’autres cas où cet effet est recherché.

L’évaporation indirecte gainée consiste à refroidir l’air extrait du local par évaporation d’eau dans celui-ci puis à l’utiliser pour refroidir l’air de soufflage dans un échangeur. L’équipement requis est un humidificateur, de type pulvérisateur d’eau ou par ruissellement sur un substrat humide, et un échangeur de chaleur. Ce système peut être couplé avec un refroidissement nocturne de la masse du local qui permet de compenser le manque de puissance de refroidissement le jour.

Seul le système par évaporation directe (gainée ou non) a été retenu. L’évaporation indirecte n’a pas été retenue car il n’existe pas de produits « clés en main ».

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Les tours de refroidissement humides couplées à un plafond froid Une tour de refroidissement est un échangeur de chaleur spécifique dans lequel l’eau de refroidissement est amenée au contact de l’air ambiant pour transférer la chaleur de l’eau vers l’air ambiant. Le refroidissement se produit par évaporation directe d’une partie de l’eau de refroidissement. Des plafonds froids couplés à une tour de refroidissement humide permettent d’évacuer la chaleur des locaux en grande partie par rayonnement (>50%). On trouve 2 types de système : -

Les tours de refroidissement ouvertes où le contact est direct entre le fluide caloporteur et l’air ambiant.

Les tours de refroidissement fermées, sèches ou humides, où il y a contact indirect entre les deux fluides à travers les parois d’un échangeur.

Un tel système consomme une quantité importante d’eau, quelles que soient les conditions d’exploitation. Tous les circuits fermés sont généralement moins efficaces, consomment davantage d’électricité en raison de ventilateurs plus puissants et augmentent l’investissement initial par rapport à une tour de refroidissement ouverte. Ce système n’a pas été retenu compte tenu des risques de prolifération de légionelles et les expérimentations sont peu nombreuses. La circulation d’eau fraiche Le système consiste à réaliser une boucle de canalisation d’eau prélevée dans une source d’eau fraîche naturelle locale. On distingue les systèmes où l’eau provient de nappes phréatiques qui nécessitent le forage de 2 puits pour prélever et évacuer l’eau, des systèmes où l’eau provient de la mer, de rivières ou d’un lac. En été, l’eau pompée circule dans un échangeur thermique et peut refroidir directement les locaux ou être utilisée pour refroidir le condenseur d’un groupe frigorifique. Le cycle est inversé en hiver, la chaleur prélevée sur l’eau servant à préchauffer l’air pour le bâtiment. Ce produit a été retenu et mériterait d’être appréhendé en tant que tel dans le cadre des réseaux urbains La climatisation solaire La climatisation solaire regroupe plusieurs types de systèmes dans lesquels la production du froid se fait à partir de chaleur. La production de chaleur solaire s’effectue via des capteurs solaires. Le rafraîchissement solaire se différencie de la production d’eau chaude par le niveau élevé de température à laquelle la chaleur utile doit être fournie. Il existe deux grands types de systèmes de production de froid à partir de chaleur : la dessiccation et la sorption (absorption et adsorption).

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- Le système à dessiccation consiste à déshumidifier l’air extérieur pour pouvoir le refroidir ensuite par évaporation d’eau. L’air extérieur passe dans une roue à dessiccation qui adsorbe la vapeur d’eau. L’adsorption d’eau s’accompagne d’un réchauffement de l’air. Celui-ci est refroidi dans un échangeur de chaleur par l’air intérieur préalablement refroidi par humidification. Ensuite, il est refroidi dans un humidificateur à eau liquide. La roue à dessiccation doit être régénérée par chauffage pour pouvoir désorber l’eau adsorbée. Dans le cas de la climatisation solaire, la source d’énergie pour la régénération est solaire. La déshumidification peut être aussi bien liquide que solide. La technologie la plus courante aujourd’hui utilise des roues à dessiccation rotatives, avec du silica-gel ou du chlorure de lithium comme matériau de sorption. -

Les machines frigorifiques à sorption avec ressource solaire :

Les machines à absorption solaire utilisent un cycle d’absorption. Ce dernier fonctionne de la même manière que le cycle à compression : seul le compresseur mécanique est remplacé par un compresseur thermochimique, contenant un mélange de deux constituants : le réfrigérant et un solvant qui interagit très fortement avec le réfrigérant (en général, on utilise une solution de Bromure de Lithium). La compression mécanique est alors remplacée par la chaleur produite par les capteurs solaires qui, via un « générateur », permet au réfrigérant de se libérer sous forme de vapeur. Le refroidissement du condenseur nécessite en général une tour de refroidissement humide. -

Dans les machines à adsorption solaire, un matériau solide adsorbant est utilisé. La machine comprend deux compartiments remplis d’adsorbant, un évaporateur et un condenseur. L’adsorbant permet à l’eau de s’évaporer à basse pression. La chaleur solaire permet de régénérer l’adsorbant solaire. Les systèmes disponibles sur le marché utilisent l’eau comme réfrigérant et le silica-gel comme adsorbant. Un produit de « climatisation solaire par absorption » existe et c’est pourquoi cette technique a été retenue. Par contre, les systèmes d’adsorption et de dessiccation n’ont pas été retenus car ils sont très peu répandus, encore volumineux et difficiles à mettre en œuvre. Les matériaux à changement de phase Un Matériau à Changement de Phase (MCP) est une matrice solide dans laquelle sont incorporés des granulés d’un matériau qui passe de la phase solide à la phase liquide à une température de fusion proche de la température ambiante. Un MCP permet donc de stocker la chaleur du milieu lorsque la température ambiante dépasse la température de fusion et de libérer cette chaleur quand la température devient inférieure. Pour le domaine de la construction, les microbilles de MCP sont incorporées dans des matériaux, tels que plaque de plâtre, enduit, béton cellulaire, panneau sandwich, etc. Les MCP apportent donc une inertie thermique au bâtiment mais ne peuvent pas être considérés comme des systèmes de rafraîchissement à part entière. C’est pourquoi nous ne conservons pas cette solution dans la deuxième partie.

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2.2.2 DESCRIPTION DES TECHNOLOGIES DE DISTRIBUTION DE FROID Systèmes de distribution de froid aérauliques Il s’agit d’une distribution du froid par ventilation de l’air. Ils sont utilisés pour tous les systèmes de “free cooling” où il s’agit d’utiliser l’air extérieur et pour les systèmes évaporatifs. Les désavantages de ce système sont surtout liés à l’encombrement des conduits d’air. Ils ont également des coûts d’installation assez élevés. La conception de ce système requiert une collaboration rapprochée entre architectes et ingénieurs de structure. Systèmes de distribution à eau froide Les systèmes à eau assurent le chauffage ou le refroidissement par transfert de chaleur direct entre l’eau et l’air intérieur. Ils ne peuvent pas assurer les besoins de ventilation. Les systèmes les plus communs sont le ventilo-convecteur, les plafonds froids et les planchers froids. -

Le ventilo-convecteur sert souvent de référence en matière d’émetteurs car il est sans conteste l’unité terminale la plus répandue en France : il s’agit d’un ventilateur qui fait circuler l’air intérieur sur une batterie froide ou chaude. Généralement, la température de distribution est assez basse (régime 7°C – 12 °C) et de telles températures sont mal adaptées à une ressource gratuite comme l’eau d’une nappe phréatique.

Avec un plafond froid, le refroidissement est transféré à la pièce par transfert radiatif ou convectif. L’avantage principal du plafond froid est qu’il fonctionne avec des températures d’eau relativement élevées, entre 16°C et 18°C. Des capteurs de point de rosée doivent être installés pour éviter la condensation. Néanmoins, l’utilisation de plafonds froids à un impact important sur le bâti car les émetteurs de plafonds peuvent occuper de 30% à 80% de la surface du plafond.

Le plancher chauffant ou refroidissant, placé sur une couche isolante pour limiter les déperditions par le sol, permet de produire chaleur ou fraîcheur selon les besoins. Sous sa version chauffante, il s’agit d’une technologie bien établie bénéficiant de standards européens ; le refroidissement par le plancher est une idée plutôt nouvelle. Comme pour le plafond froid, l’avantage de cette technologie est qu’il n’y a pas de place prise au sol. Les désavantages sont la limitation de capacité frigorifique, les contraintes de gestion de la condensation et l’utilisation d’un système de ventilation pour assurer les besoins de ventilation et d’homogénéisation des températures.

NDR : Pour une description complète et détaillée du fonctionnement technique de chacun de ces systèmes de production et de distribution du froid, le lecteur est invité à consulter le rapport d’expertise associé au présent rapport.

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2.3 FILTRAGE Les six solutions retenues sont : -

Un système de compression mécanique de vapeur performant avec un coefficient d’efficacité, EER, de 5, pris comme système de référence,

Le puits provençal ou canadien,

La sur-ventilation,

La climatisation par évaporation (gainée et brumisation),

La climatisation solaire par absorption,

La circulation d’eau fraiche,

Pour pouvoir les comparer entre elles, les solutions sont reprises ci-dessous dans des fiches de synthèse puis commentées selon les cas concrets étudiés.

Pour chaque technique, seront précisés le contexte, les antériorités, la mise en œuvre, les coûts et les performances de l’innovation. NB concernant les données chiffrées : •

Faute de systèmes répandus et de l’existence de données, tous les chiffres concernant la mise en œuvre et l’évaluation des systèmes reposent pour beaucoup sur des estimations. Ces chiffres permettent de donner des références mais il n’est pas conseillé de généraliser les critères d’efficacité, de coûts de performances cités dans ce rapport.

•

En secteur tertiaire, le bâtiment qui sert de trame de fond à une comparaison en énergie consommée et en investissement des solutions retenues compte 30 W/m2 d’apports internes. Le calcul mène à une puissance à installer de l’ordre de 40 W/m2 en région parisienne et 45 W/m2 en région PACA.

•

En secteur résidentiel, le bâtiment qui sert à la comparaison des solutions retenues compte 10 W/m2 d’apports internes. Le calcul mène à une puissance à installer de l’ordre de 20 W/m2 en région parisienne et 25 W/m2 en région PACA.

•

Aujourd’hui, le coût d’investissement d’un système de climatisation se situe en moyenne entre 100 et 200 €/m².

•

Les coûts doivent être compris dans une évolution du contexte vers une raréfaction de l’énergie et de son renchérissement.

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3. CONTEXTE, DESCRIPTION, MISE EN ŒUVRE, EVALUATION 3.1 SYSTEME DE COMPRESSION MECANIQUE DE VAPEUR AVEC EER DE 5 CONTEXTE, CONTENU Antériorités, origine Horizon temporel Géographie Champ d’application Impacts Conditions d’implémentation

C’est le système le plus répandu Les efforts de R&D ont poussé à de très bonnes performances Applicable partout Bâtiments résidentiels et tertiaires de taille moyenne Bonne efficacité des systèmes récents mais utilisation de fluides frigorigènes Nombreuses déclinaison répondant à la variété des situations.

MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants Installateur Contraintes Opération Maintenance Fréquence Profession Incitations fiscales Entreprises existantes en France

BET, installateurs, fabricants, maître d’ouvrage dans la mesure où celuici ne veut pas prendre de risques avec un système exotique Climaticiens Dimensionnement adéquat (tendance à surdimensionner) Changement ou nettoyage des filtres, dépoussiérage des batteries, vérification de l’écoulement des condensats, contrôles visuels et auditif, vérification des performances. Mensuelle pour les filtres, bi annuelle pour les autres points frigoriste non Une multitude

EVALUATION Consommations annuelles estimées Région IDF France Région PACA

Résidentiel 0,6 kWh/m2 2,7 kWh/m2

Tertiaire 3 kWh/m2 5,4 kWh/m2

Coûts estimés

Région Ile de France

Région PACA

Investissement Energie Coût global sur 10 ans Investissement Energie Coût global sur 10 ans

Résidentiel € TTC/m2 40 0,06 40,6 40 0,29 42,9

Tertiaire € TTC/m2 90 0,1 91 90 0,18 91,8

RETOURS D’EXPERIENCE Exemples d’installations

Vécu utilisateur

Appareils très diffusés Le principal reproche fait à ce genre d’appareil par les utilisateurs est une température de soufflage basse pouvant générer une sensation inconfortable de courants d’air froid. En effet, le confort ressenti dépend directement de la diffusion de l’air soufflé. De ce point de vue les unités intérieures de type plafonnier sont les plus adaptées.

Le meilleur produit à compression (split hautes performances) affiche un EER de 5,4, il a une puissance frigorifique nominale de 2 kW. Il semble que cette valeur nominale reflète la meilleure performance possible de l’appareil. La valeur saisonnière SEER est donc estimée à 5, valeur prise comme meilleure EER possible par un système à compression.

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3.2 LE PUITS PROVENÇAL OU CANADIEN CONTEXTE, CONTENU Antériorités, origines

Horizon temporel

Géographie

Champs d’application

Impacts Conditions d’implémentation

Solution historiquement très ancienne (architecture de palais arabes faisant appel à des souterrains de ventilation souvent humidifiés). Aujourd’hui, cette technologie est mature, elle présente un certain intérêt du fait de sa simplicité. Toutefois, son prix constitue un frein certain à son développement, notamment le terrassement pour l’enfouissement des canalisations. Il devrait donc être installé de préférence dans le neuf car l’enfouissement des canalisations pourrait être réalisé en même temps que les fondations. La solution maison clé en main avec puits inclus irait sans doute dans le sens de la réduction des coûts. Applicable partout mais avec des précautions particulières dans les sols contenant du radon. Avantagé dans les climats à forte amplitude thermique (réversible : préchauffage de l’air en hiver) Initialement implémentée dans des petits bâtiments tertiaires, l’offre pénètre depuis peu le marché des particuliers. C’est une technique surtout adaptée aux bâtiments neufs ou existants de petite taille, le facteur limitant étant la surface de terrain nécessaire à l’implantation des conduits. Le coût du terrassement peut être réduit dans le cas des constructions neuves Cette solution ne fait pas appel à des fluides frigorigènes. La consommation des ventilateurs dépend fortement de leur mode de gestion : ils ne doivent pas fonctionner en permanence. Surface de terrain suffisante et être propriétaire du terrain.

MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants

Installateur

Contraintes Opération Fréquence Profession Incitations fiscales, règlements, prêts préférentiels Entreprises existantes en France Maintenance

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Quelques constructeurs proposent des ensembles complets et cohérents de puits canadiens prêts à être installés. Des bureaux d’étude spécialisés promeuvent cette technique. Le risque sanitaire dû au possible développement microbien dans les canalisations constitue un frein au développement des puits. Comme pour la ventilation il n’y a pas de profession spécifique pour la mise en œuvre des puits. En général, l’électricien, dans le résidentiel au moins et les climaticiens installent les puits provençaux. Le terrassement est sous-traité. Une pré-étude est faite au cas par cas. Il faut des conduits résistants et étanches durablement et une conception soignée pour assurer le bon fonctionnement et éliminer les risques sanitaires. Changement des filtres de la bouche d’entrée, « ramonage » des gaines tous les 3-4 ans

Canada Clim, Fiabitat

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PERFORMANCES Consommations annuelles estimées Région IDF France

Résidentiel 2 kWh/m2

Tertiaire 4,3 kWh/m2

Coûts estimés (avec terrassement)

Région Ile de France

Investissement Exploitation Coût global sur 10 ans

Résidentiel € TTC/m2 22 0,21 24,1

Tertiaire € TTC/m2 30 0,14 31,4

RETOURS D’EXPERIENCE Exemples d’installations

Vécu utilisateur

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En France : Réalisations de Canada-Clim (maisons de retraite et des maisons individuelles à Alès (30), dans le Val d’Oise, les Yvelines…) Ministère des finances à Noisy Le Grand A l’étranger : le puits canadien est une solution liée aux constructions passives « passivhaus » en Allemagne. On dispose actuellement de peu d’information concrète sur des retours d’expériences. Il serait souhaitable que des enquêtes et des mesures soient conduites sur des réalisations. Cela permettrait notamment de vérifier que les préconisations de maintenance sont bien prises, une négligence dans ce domaine pouvant avoir des conséquences sanitaires graves.

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Figure 3 : Représentation schématique d’un puits canadien, exemple de tranchée (photo Canada-Clim)

Mise en œuvre : fiabilité, spécificité, exploitation maintenance, Il n’existe pas de corps de métier ventilation en France dans le secteur résidentiel, c’est pourquoi c’est généralement un électricien qui se charge d’installer les puits provençaux. Il sous-traite la partie terrassement. Le puits n’est pas un objet très technique, il faut néanmoins être précautionneux pour l’installation : par exemple, le bureau d’études Fiabitat forme et suit l’électricien lors de l’installation de son premier puits. Les études de faisabilité montrent que si le puits provençal est une solution attractive pour le client, elle n’est généralement pas suffisamment performante pour assurer seule le confort d’été. Le client exige un confort assuré l’été. Ajouté au surcoût qu’engendre le puits provençal, la solution est donc souvent rejetée. Par ailleurs, l’implémentation en milieu urbain doit faire face à des problèmes fonciers : -

le client n’est pas souvent propriétaire du terrain,

la surface n’est pas toujours bien adaptée (goudron),

la surface nécessaire est importante.

L’efficacité du système repose pour beaucoup sur un bon fonctionnement des canalisations : -

Un bon dimensionnement : pour obtenir un rafraîchissement correct, l'air doit passer plus de 20 secondes sous terre. Pour assurer un réchauffement homogène de l’air dans la conduite, la section du tuyau ne doit pas être trop importante et les différents tuyaux doivent être suffisamment éloignés les uns des autres. Enfin, on trouve différents matériaux pour les conduites (polyéthylène type TPC, béton, terre cuite et grès, PVC rigide d'assainissement, PEHD ou Polypropylène, PE ou Polypropylène) qui ne permettent pas toujours d’assurer les conditions sanitaires et d’étanchéité. Le PE ou Polypropylène en rouleau est la solution la plus utilisée outre Rhin. Ces tuyaux ont reçu un traitement antistatique qui en fait la solution la plus sécurisée pour ce type d'utilisation.

Le terrassement : dans les constructions neuves, on utilise le plus possible les tranchées d'adduction pour réduire les coûts de terrassement. D’un point de vue technique, il faut descendre au-delà de 1,2 m puis plus on descend en profondeur, plus le gain en température est faible par rapport à l'investissement en terrassement : 1,8 m pour la profondeur d'une conduite est jugé un bon compromis.

La gestion des condensats : l'air qui circule dans la conduite enterrée va parfois condenser en été, jusqu'à un litre d'eau par jour. Il est impératif d'évacuer cette eau, sinon le puits se remplira, stoppant le flux d'air. Une pente de 2% dans le sens d'écoulement de l'air va permettre à l'eau de circuler dans le puits jusqu'au point bas, duquel on pourra facilement traiter tous ces condensats. Il convient donc lors du terrassement de faire attention à la constance de cette pente et de prévoir une conduite lisse pour éviter la stagnation d'eau.

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La régulation du système : le ventilateur fonctionne avec un thermostat placé à l'extérieur de l'habitation et il faut by-passer le puits lorsque l’air extérieur est plus frais (entre 13 et 25°C typiquement). Les conduits de ventilation doivent être surdimensionnés pour donner la possibilité au puits de fonctionner l'été à débit important et être isolés acoustiquement ou thermiquement, selon la zone de desserte. Concernant la maintenance, les systèmes allemands sont équipés de pré-filtres sur la bouche d’entrée pour limiter l’encrassement des tuyaux. Une maintenance tous les 3-4 ans semble nécessaire.

Performances L’intérêt principal de cette solution est effectivement dans son application en rafraîchissement estival, en effet en chauffage, l’intérêt est jugé faible par comparaison à un échangeur air extrait / air neuf (échangeur du reste prévu dans le système de puits). Les coûts Les coûts sont dus majoritairement au terrassement et au système de ventilation-régulation. Certains bureaux d’étude annoncent des retours sur investissement de 15 ans pour un puits dans de gros bâtiments tertiaires (3000 m3/h).

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3.3 LA SUR-VENTILATION Le terme surventilation désigne quantité de systèmes différents qui vont d’une ventilation par ouverture de fenêtres concevable en habitat dans des zones non bruyantes jusqu’au soufflage d’une grande quantité d’air au travers d’un réseau de conduits d’air par une centrale de traitement assurant au minimum filtration et mise en mouvement. Le free cooling est une fonction mise en œuvre dans les systèmes de climatisation à air qui conduit à utiliser l’air extérieur en priorité pour refroidir les locaux. Le tableau ci-dessous correspond à la surventilation nocturne par centrale de traitement d’air véhiculant l’air extérieur dans les locaux. CONTEXTE, CONTENU Antériorités, origines

Horizon temporel

Géographie Champ d’application Impacts Conditions d’implémentation

Principe mis en œuvre depuis longtemps par ouverture des fenêtres quand il fait moins chaud au dehors. Cette technologie est mature car elle fait appel à des composants bien maîtrisés comme les centrales de traitement d’air. Toutefois, la consommation des ventilateurs étant pénalisante, ce système ne se diffuserait sensiblement que sous la forme d’un système monobloc avec un réseau de conduits court pour diminuer la puissance de ventilation, il n’est donc pas destiné à tous les types de bâtiments. Une conception en simple flux par extraction avec des entrées d’air dans les locaux à rafraîchir permettrait de réduire encore le poste ventilation. Le développement de la climatisation hybride peut constituer une opportunité pour ce système. Applicable dans les climats à forte variation thermique jour/nuit Bâtiments tertiaires présentant une forte inertie et peu de charges internes. Système qui n’utilise pas de fluides frigorigènes. Bâtiments permettant l’installation d’une centrale de traitement d’air et des conduits de distribution : à cause de cela le système trouverait plus facilement sa place dans les bâtiments neufs.

MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants

Installateur Contraintes Opération Maintenance

Fréquence Profession Incitations fiscales Entreprises existantes en France

C293

Le système de surventilation nocturne n’est quasiment pas diffusé en France, une des principales résistances vient sans doute du fait de sa faible efficacité à combattre les surchauffes même si son efficacité énergétique est satisfaisante. Electriciens (dans le résidentiel) ou les climaticiens Régulation bien adaptée Ventilateurs à haut rendement Pas de maintenance spécifique, uniquement celle liée aux centrales de traitement d’air : le point important est l’entretien des filtres.

Installateurs de climatisation à air.

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PERFORMANCES Consommations annuelles estimées Région IDF

Tertiaire 7,2 kWh/m2

Coûts estimés

Région IDF

Investissement Exploitation Coût global sur 10 ans

Tertiaire € TTC/m2 100 0,24 102,4

RETOURS D’EXPERIENCE

Exemples d’installations

En France : A l’étranger : - Bâtiment résidentiel, à Vila Nova de Gaia au Portugal (annexe 28) - Université Design Studio, Bâtiment tertiaire à Milton Keynes en Grande Bretagne (annexe 28) - CSR Office Building, bureaux, à Cambridge en Grande Bretagne (ancien Ionica Office Buliding de l’annexe 28)

L’efficacité du système est d’autant plus grande que la capacité thermique des parois est grande et que l’amplitude de température nuit/jour est grande. Quant à la consommation énergétique du système, elle est déterminée par la consommation des ventilateurs. Par ailleurs, il n’existe pas aujourd’hui de système de régulation « clé en main » adapté, ce qui rend difficile l’ajustement de la mise en marche des ventilateurs. Le free cooling Le système de surventilation le plus utilisé est la fonction free ccooling des CTA à débit d’air constant et débit d’air variable. On cherche à exploiter la ressource de froid la plus facilement disponible : l’air extérieur. En effet, on remarque du fait de l’augmentation des apports internes et d’une isolation accrue qu’il faut rafraîchir certains bâtiments tertiaires à des températures extérieures assez basses. Le recours à une simple sur-ventilation apparaît donc comme une solution naturelle et intuitive : - en mode chauffage et en mode refroidissement lorsque la température extérieure est supérieure à la température intérieure, la centrale de traitement d’air véhicule un mélange d’air neuf et d’air recyclé. La quantité d’air neuf correspond au renouvellement d’air hygiénique dépendant du nombre d’occupants dans les locaux traités, - lorsque le bâtiment est en demande de froid et que la température extérieure est inférieure à la température intérieure, le taux d’air neuf dans l’air soufflé augmente (pouvant atteindre 100%) pour refroidir les locaux. Ce n’est que si cette fonction est insuffisante que la production frigorifique est activée. La mise en œuvre du système n’est pas difficile en soi. Elle vient s’intégrer à la mise en œuvre d’un système de ventilation avec centrale de traitement d’air, ce qui explique qu'il n’existe pas d’évaluation des coûts et de retour sur investissement dans la réalité. Du fait de sa simplicité de mise en œuvre, cette solution est généralisable à tous les bâtiments équipés d’une centrale de traitement d’air à débit d’air constant – débit d’air variable (chauffage et climatisation à air). La plupart des BET l’ont bien intégrée.

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3.4 LA CLIMATISATION PAR EVAPORATION Dans sa fonction confort, l’évaporation directe en ambiance est destinée aux locaux de grand volume ouverts sur l’extérieur comme les halls de gare par exemple et à certaines parties extérieures des bâtiments comme les terrasses de café. On conçoit ainsi que ces systèmes ne soient pas nettement en concurrence avec les systèmes de climatisation, dans le résidentiel et le tertiaire tout du moins. En revanche l’évaporation directe gainée peut être implantée dans un éventail plus large de bâtiments et se trouve ainsi en concurrence directe. 3.4.1 EVAPORATION DIRECTE GAINEE CONTEXTE, CONTENU

Antériorités, origines

Horizon temporel

Géographie Champs d’application Impacts

Conditions d’implémentation

C295

Le principe est traditionnellement utilisé en suspendant des linges humides dans un courant d’air. Un intérêt pour le rafraîchissement évaporatif réapparaît dans les années 70 et particulièrement dans les laboratoires américains : une partie du territoire américain présente des climats chauds et secs a priori appropriés à ce principe. Des appareils sont conçus, développés et fabriqués en Australie par Seeley International depuis 1972. A cette époque, le rafraîchissement évaporatif (non portable) a été principalement destiné au gros tertiaire et à l’industrie. Depuis les années 80, les ménages ont été demandeurs de rafraîchissement évaporatif pour leur résidence : maison à un niveau, climat sec. En Europe occidentale les appareils diffusés actuellement sont monobloc de type unité de toiture et destinés aux bâtiments tertiaires mono volumes et aux locaux industriels. Il existe des produits de type unité de toiture, matures, destinés aux locaux tertiaires mono volumes ne demandant pas un contrôle précis de leur température en été. On peut ainsi rafraîchir la totalité de l’ambiance ou faire du rafraîchissement de poste de travail. Ces produits sont mis en avant par quelques sociétés en France. Applicable dans les ambiances ne nécessitant pas moins de 40% d’humidité et dans les climats peu humides. Bâtiments ouverts à fort renouvellement d’air, neufs ou existants. Cette solution consomme peu d’électricité et ne fait pas appel à des fluides frigorigènes. Par ailleurs, ce système qui conduit à une humidité intérieure élevée peut être intéressant dans certaines industries. En revanche la consommation d’eau peut être importante. Toiture accessible permettant l’installation de l’appareil, à défaut il peut être installé en façade.

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MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants

Installateur Contraintes Opération Maintenance

Fréquence Profession Incitations fiscales Entreprises existantes en France

Les BET ne semblent pas moteurs, ils sont habitués aux solutions traditionnelles. Les constructeurs agissent auprès des maîtres d’ouvrage pour le choix de la solution et passent par des installateurs partenaires pour la vente et l’installation. Les résistances viennent de la crainte de développements microbiens dans l’humidificateur et de la méconnaissance de ces systèmes. Installateurs de climatisation. Régulation bien adaptée Prévention des risques de légionellose. Mise hors gel, vidange et nettoyage et maintenance liée au risque sanitaire Bi annuelle Climaticien Seeley, Bécot climatique, Ecocooling

PERFORMANCES Consommations annuelles estimées Région PACA électricité eau

Tertiaire (*) 3,7 kWh/m2 37 l/m²

Coûts estimés

Région PACA

Investissement Exploitation Coût global sur 10 ans

Tertiaire (*) € TTC/m2 32 2,2 34,2

RETOURS D’EXPERIENCE Exemples d’installations

De nombreuses références industrielles et tertiaires en France métropolitaine. Exemple : une imprimerie à Sorgues

(*) : ces valeurs correspondent à un bâtiment tertiaire de 300 m², mono volume équipé d’un système évaporatif direct de type unité de toiture. Les frais d’exploitation sont toutefois plus élevés que pour les autres exemples car les besoins de froid sont plus importants Mise en œuvre : fiabilité, spécificité, exploitation maintenance, Des systèmes compacts ont été développés pour être installés en toiture avec un réseau de conduit très court. Le marché des appareils de rafraîchissement évaporatif de ce type est particulièrement développé en Australie pour des raisons climatiques et énergétiques Les appareils australiens sont disponibles en Europe de l’ouest depuis plusieurs années. Par ailleurs, en France une société dont l’activité était le rafraîchissement des bâtiments d’élevage par évaporation d’eau a développé une gamme de produits de rafraîchissement évaporatif de type unité de toiture pour les bâtiments tertiaires et industriels.

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Figure 4 : exemple de produit Seeley international (photo Seeley international)

L’air extérieur est humidifié par des humidificateurs à ruissellement situés sur les parois verticales puis soufflé dans le local par un ventilateur. Un dispositif de régulation permet le contrôle de l’humidification et des caractéristiques de l’eau du bac. L’installation de ces systèmes ne demande pas de connaissances particulières et peuvent donc être installés pas des sociétés qui installent les systèmes de climatisation traditionnelle : connection électrique, hydraulique et mise en place du conduit de soufflage en traversée de toiture le plus souvent. Selon [26], une sonde de salinité mesure la conductivité électrique de l’eau et commande un système de vidange automatique pour renouveler intégralement ou partiellement l’eau du bac. Par ailleurs, pour renouveler l’eau intégralement régulièrement l’installateur règle une vidange automatique à intervalle régulier défini en fonction de la qualité de l’eau et de son environnement avec au maximum une vidange toutes les 72 heures. De plus, dès que le système s’arrête plus d’un temps paramétrable, l’eau du bac est vidangée pour éviter toute stagnation et montée en température. Selon les constructeurs, il ne devrait pas y avoir d’entraînement de gouttelettes d’eau du fait de la faible vitesse de l’air dans les médias. Il est possible de réaliser en série un cycle de postventilation d’une heure qui sèche l’ensemble du système et stoppe ainsi tout développement de bactérie. Certains systèmes ont passé avec succès les tests de la norme VDI6022 pour les appareils de ventilation et de refroidissement. Performances Dans ces systèmes de climatisation par évaporation, la consommation en eau s’ajoute à la consommation électrique des auxiliaires. Un prix de l’eau élevé peut réduire les efforts réalisés sur la consommation énergétique, ce qui maintiendrait le coût d’exploitation à un niveau traditionnel. Le rendement du ventilateur et de l’humidificateur joue un rôle primordial dans les consommations de l’installation. Vécu des utilisateurs Un système a été installé dans une imprimerie dans la région d’Avignon. Au cours de l’été la baisse de température ambiante a été appréciée, toutefois l’humidité ambiante a été jugée élevée ce qui constitue une dégradation du confort. Il convient de nuancer cette appréciation dans la mesure où l’appareil a fonctionné en permanence en mode manuel sans limitation de l’humidité ambiante.

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3.4.2 EVAPORATION DIRECTE EN AMBIANCE- INSTALLATIONS FIXES CONTEXTE, CONTENU Antériorités, origines

Horizon temporel

Géographie Champs d’application

Impacts

Conditions d’implémentation

Le système a été développé pour les besoins de l’industrie, il a ensuite été adapté au secteur du bâtiment. La technologie est mature, elle est destinée aux locaux tertiaires mono volumes ne demandant pas un contrôle précis de leur température en été. On peut ainsi rafraîchir la totalité de l’ambiance ou faire du rafraîchissement de poste de travail. Applicable dans les ambiances ne nécessitant pas moins de 40% d’humidité et dans les climats peu humides. Bâtiments ouverts à fort renouvellement d’air, neuf ou existant et parties extérieures comme les terrasses de cafés ou de restaurants. Cette solution consomme peu d’électricité et ne fait pas appel à des fluides frigorigènes. Par ailleurs, ce système qui conduit à une humidité intérieure élevée peut être intéressant dans certaines industries. En revanche la consommation d’eau peut être importante. A l’intérieur il faut pouvoir installer les buses à certaine hauteur du sol pour que l’homogénéisation air-gouttelettes puisse se faire en dehors de la zone d’évolution.

MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants

Installateur Contraintes Opération Maintenance

Fréquence Profession

Entreprises existantes en France

Les BET ne semblent pas moteurs, ils sont habitués aux solutions traditionnelles. Les constructeurs agissent auprès des maîtres d’ouvrage pour le choix de la solution et passent par des installateurs partenaires pour la vente et l’installation. Pour les terrasses, l’extérieur en général, les constructeurs vendent directement au propriétaire. Installateurs de climatisation pour les gros systèmes. Pour les terrasses, l’installateur est souvent le constructeur. Régulation bien adaptée Prévention des risques de légionellose. Mise hors gel, vidange et nettoyage et maintenance liée au risque sanitaire Bi annuelle Climaticien ou constructeur En France, une vingtaine de sociétés proposent des systèmes de brumisation d’ambiance pour l’intérieur ou l’extérieur.

RETOURS D’EXPERIENCE Exemples d’installations

La gare Saint-Charles de Marseille. Des terrasses de cafés. Il existe par ailleurs de nombreux locaux industriels et d’élevage traités en brumisation d’ambiance.

Le coût dépend de la taille de l’équipement et de son niveau de sophistication, régulation, prévention des risques bactériens, qualité des matériaux et de la mise en œuvre. La consommation d’eau dépend principalement du nombre de buses.

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3.5 LA CLIMATISATION SOLAIRE PAR ABSORPTION CONTEXTE, CONTENU

Antériorités, origines

Horizon temporel

Géographie Champ d’application Impacts Conditions d’implémentation

La climatisation par absorption est assez répandue dans les pays développés en manque de moyens de production électrique. Néanmoins, ces machines, qui ont besoin d’une source de chaleur, fonctionnent traditionnellement au gaz. Le principe est ici de couvrir ces besoins de chaleur par de l’énergie solaire. Cette idée est séduisante car les besoins de rafraîchissement sont synchrones avec les forts ensoleillements. Les systèmes existants aujourd’hui sont de moyenne et grosse puissance (35 et 250 kW de froid). L’investissement d’un tel système est très élevé et le temps de retour est long. Ces points freinent considérablement le développement de ces systèmes. La technologie n’est pas à maturité dans la mesure où il n’existe pas non plus de produits clé en main rassemblant la machine et les capteurs dans une seule offre, sauf un produit très récent existant en Espagne de petite puissance. L’innovation doit porter sur l’assemblage. Applicable dans des régions de fort ensoleillement, ce qui correspond généralement à des régions ayant de fort besoins en climatisation. Tout type de bâtiment en neuf et existant pourvu que l’enveloppe soit soignée afin de réduire les besoins de froid. Systèmes fonctionnant sans fluide frigorigène et consommant peu d’électricité. Consommation d’eau pour la tour de refroidissement. Surface disponible pour les collecteurs solaires (de 50 à 1000 m²)

MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants Installateur

Contraintes

Opération Fréquence Profession Incitations fiscales

Les produits assemblés n’existant pas, sauf l’exemple espagnol, ce sont des BET qui sont moteurs car il faut gérer l’assemblage. La complexité du système et son coût sont des freins à sa diffusion. Climaticiens Le gisement solaire en France métropolitaine ne permet pas de se passer d’un appoint de froid. Le système doit être couplé à une tour de refroidissement pour évacuer la chaleur au condenseur : la quantité de chaleur à évacuer est plus importante que pour un système à compression qui présente une efficacité supérieure. Nettoyage du circuit de la tour de refroidissement

Maintenance

En France : Tecsol Entreprises existantes

A l’étranger : Rotartica

PERFORMANCES Consommations annuelles estimées Tertiaire Région IDF France 1 à 3 kWh/m2 Région PACA 1 à 4,5 kWh/m2 Coûts estimés

Région IDF

Région PACA

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Investissement Exploitation Coût global sur 10 ans Investissement Exploitation Coût global sur 10 ans

Tertiaire € TTC/m2 208 0,033 à 0,1 208,3 236 0,033 à 0,1 236,3

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RETOURS D’EXPERIENCE

Exemples d’installations

Vécu utilisateur

Diffusion

En France : - Climatisation solaire des bureaux du siège de la DIREN, en Guadeloupe - Climatisation des bureaux du siège de la DDE, en Guadeloupe. - Climatisation des bureaux du siège d'EDF, en Guadeloupe - Climatisation de bureaux, de la salle d’embouteillage, du circuit de visite du GICB de Banyuls. Cette installation rafraîchit une cave de vieillissement en bouteille. 9 nouvelles installations de rafraîchissement solaire doivent être réalisées dans le cadre du projet européen SOLARCLIM, coordonné par le BE TECSOL. A l’étranger : - Plus de 30 opérations référencées dans le guide Rhonalpenergie [12] Les clients sont à première vue séduits par cette solution (car originale et peu répandue) mais ils sont rapidement freinés par le prix élevé. D’un point de vue économique, la climatisation solaire est finalement peu avantageuse par rapport à une solution traditionnelle à compression car le prix de l’électricité est peu élevé en été en France. L’aspect « renouvelable » est aussi discutable quand on constate la consommation d’eau du système. Il faudrait d’une part des produits compacts ou des solutions clé en main et d’autre part des aides massives pour augmenter la diffusion et ainsi faire baisser les coûts. Par ailleurs, la formation des installateurs et des personnels de maintenance est une condition au développement de ces systèmes.

Description Les systèmes de climatisation solaire sont constitués de capteurs solaires thermiques (capteur à air, capteur plan, capteur plan à concentrateur parabolique, capteur sous vide) associés à des machines à absorption. Sur ces machines, la source de chaleur au gaz est remplacée par l’énergie solaire. L’intérêt principal est de synchroniser les besoins de rafraîchissement avec les forts ensoleillements. Les systèmes sont généralement de grosses puissances (en moyenne 100 kW de froid) et nécessitent des surfaces de capteurs importantes, des unités à absorption imposantes et une tour à refroidissement. Une seule technologie de petite puissance a été identifiée. Il s’agit de l’unité de 4,5 kW de la “Technologie ROTARTICA”. Deux modèles sont proposés : un dit « intérieur » a un refroidissement par eau et nécessite une tour de refroidissement, l’autre dit « extérieur » est équipé d’un ventilateur. Le version « solaire » n’est pas livrée avec les capteurs mais est prééquipée d’un circulateur solaire.

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Figure 5 : appareil d’absorption solaire extérieur Rotartica

L’avantage de ce système est que l'installation d’une tour de refroidissement n'est plus nécessaire dans le module extérieur. Mise en œuvre : fiabilité, spécificité, exploitation maintenance, Pour accompagner le produit ROTARTICA, en tenant compte de ses caractéristiques, des particularités du secteur auquel il s’adresse et du fait qu’il s’agit d’un nouveau marché, ROTARTICA offre un service associé au produit pour les bureaux d’ingénierie, entreprises installatrices et de maintenance, architectes, entreprises de construction, promoteurs, fabricants de collecteurs, utilisateurs finaux, etc. Les installateurs agréés de ROTARTICA ont accès à une formation qui leur permet d’être performants en détection et réparation d’éventuelles défaillances de l’installation. Un service d’assistance téléphonique qualifiée a été mis en place de manière à offrir sur le champ une première réponse professionnelle à toutes les questions en rapport avec des installations réalisées. L’objectif est de créer un produit facile à installer, sans pratiquement besoin de maintenance en ce qui concerne l’unité génératrice et qui n’oblige à aucune manipulation pendant sa vie estimée à 15 ans. Performances Les problèmes rencontrés aujourd’hui concernent en majeure partie la tour de refroidissement. Un point commun à toutes les réalisations est leur relative complexité et donc leur coût élevé. En termes de performance, le système ne permet pas seul de répondre aux besoins en climatisation et donc un appoint est nécessaire.

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3.6 LA CIRCULATION D’EAU FRAICHE CONTEXTE, CONTENU Antériorités, origines Horizon temporel

Géographie

Champ d’application Impacts Conditions d’implémentation

Ces solutions concernent en général des centrales de production de froid alimentant des quartiers entiers (district cooling) La technologie est mature, la savoir faire est disponible. La limite au développement de ces solutions tient notamment à la disponibilité d’eau de nappe ou de lac ou de mer. Pour l’utilisation d’eau de nappes, la présence de nappes à faible profondeur, détermine la possibilité d’implémenter un tel système, mais pas seulement : un hydrogéologue doit réaliser une étude au cas par cas et des puits exploratoires afin de confirmer la faisabilité. Pour la circulation d’eau de mer ou de lac, l’eau doit rester à une température inférieure à 10°C. L’eau de nappes est destinée aux bâtiments de grande taille. L’eau de lac ou de mer correspond à des quartiers entiers pour tout type de bâtiments de façon à rentabiliser les équipements de captage et d’échange. Emetteur basse température type plafond froid.

MISE EN OEUVRE Acteurs : décideurs, acteurs moteurs, résistants Installateur Contraintes Opération Fréquence Profession Incitations fiscales

Les collectivités locales sont en général à l’initiative des projets compte tenu de leur taille et des investissements à réaliser. Climaticiens Forage de puits (si nécessaire) Matériel non standard pour éviter la prolifération d’organismes Réglementation contraignante. Risque lié au forage : bouchage des crépines, corrosion…

Maintenance

PERFORMANCES Consommations annuelles et coûts estimées Le coût est essentiellement fonction de la distance pour accéder à la ressource et d’un effet de taille. Il est plus facile de rentabiliser une exploration hydrogéologique puis un forage pour une installation de grande taille. Il est difficile de donner des coûts d’une manière générale. Exemple

On relève des exemples à Stockholm, Toronto, Monaco, Bora Bora.

3.6.1 CIRCULATION D’EAU DE NAPPES PHREATIQUES Le système consiste en 2 puits creusés dans un sol sableux. L’eau pompée dans un des puits en été, après avoir circulé dans un échangeur thermique, peut refroidir directement les locaux ou être utilisée pour refroidir le condenseur d’un groupe frigorifique. Le cycle est inversé en hiver, la chaleur prélevée sur l’eau servant à chauffer le bâtiment. Au total le prélèvement thermique sur la nappe s’équilibre sur une année. La circulation d’eau de nappe est a priori peu développée car il faut investir dans des études préalables faisant appel à un géologue sans être sûr de pouvoir réaliser l’installation. On signale que certaines eaux sont extrêmement corrosives, certaines sont chargées en éléments radioactifs, les problèmes de bouchage de crépine et d’arrêt de production sont nombreux. Les conditions de pompage de l’eau doivent être soignées pour ne pas effondrer la zone de prise d’eau ce qui rend le puits inutilisable. En France, la réglementation concernant la réalisation d’un forage est compliquée : elle est encadrée par différents codes, en particulier par le code minier et le code de l'environnement (loi sur l’eau).

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Aux Pays-Bas, les installations sont assez nombreuses car la présence de la nappe est assurée à faible profondeur. Le développement est donc limité par les conditions hydrogéologiques car les aspects techniques sont complètement maîtrisés. 3.6.2 CIRCULATION D’EAU DE MER, DE LAC OU DE RIVIERES Les recherches montrent que ces solutions concernent en général des centrales de production de froid alimentant des quartiers entiers ou des villes, en bordure de mer ou de lac. Cela rentabilise mieux les coûts d’exploration et de forage. Le principe de refroidissement avec circulation d’eau, schématisé sur la figure ci-après, consiste en une boucle de canalisation connectée à 2 échangeurs en série. Deux pompes centrifuges (3) puisent l’eau (2) à l’entrée de la canalisation (1), qu’elles acheminent vers les échangeurs (4) et rejettent l’eau plus chaude (5). Les échangeurs assurent le transfert de chaleur du circuit d’eau secondaire vers l’eau de mer ou de rivière. L’eau de refroidissement du 1er échangeur va directement vers les convecteurs de refroidissement (8) situés dans le bâtiment à chaque étage. Un ventilateur (11) souffle l’air chaud (10) vers les convecteurs de refroidissement qui fournissent l’air froid. L’eau de retour (9) retourne vers les échangeurs pour un nouveau cycle de refroidissement. L’eau de refroidissement du second échangeur est utilisée pour refroidir les condenseurs de systèmes de climatisation par compression mécanique installés spécifiquement pour les salles informatiques par exemple et/ou pour refroidir les condenseurs de systèmes de refroidissement à compression mécanique servant à refroidir le bâtiment quand la température de l’eau ressource est trop élevée pour un refroidissement direct.

Figure 6 : schéma de fonctionnement de refroidissement par eau de mer [14]

Mise en œuvre : fiabilité, spécificité, exploitation maintenance Pour fonctionner, la température de l’eau doit rester inférieure à 10°C. Selon les régions, le système peut alors atteindre un COP annuel de 40. La technique est parfaitement maîtrisée et la meilleure solution est des tuyauteries en cupro-nickel. En termes de coûts, ils deviennent vite

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prohibitifs, car il faut prendre l'eau à une certaine distance (pour avoir de l'eau à marée basse) et les condenseurs au cupro-nickel sont environ 10 fois plus chers et ne sont pas standard. Afin d’assurer les mois où la température de l’eau dépasse 10°C (septembre, octobre), des systèmes d’appoint sont mis en place. Les concepteurs et entreprises sont un peu frileux car il existe : •

Des incertitudes sur la température de la mer ou des rivières (en particulier quand les besoins de rafraîchissement sont les plus grands)

•

Des gros problèmes de maintenance en raison des algues, des micro-organismes, coquillages qui se développent d'autant plus vite qu'ils sont fortement irrigués.

Retours d’expérience A Stockholm [C9], 7 millions de m2 sont reliés à un réseau de froid dont la production peut être simplement un échangeur sur eau de la mer Baltique. Quand il faut plus de puissance, cette eau sert à refroidir efficacement les condenseurs de groupes frigorifiques. En fonctionnement direct à l’eau de mer, la société d’exploitation annonce des COP de 25 à 40. De même à Toronto [C6], c’est l’eau du lac Ontario puisée à 80 m à une température de 4 °C qui sert à alimenter un réseau d’eau froide. On peut citer des réalisations existantes depuis de nombreuses années, par exemple dans le Var et à Monaco, ainsi qu'au Havre. A Monaco [C5], d'anciens bâtiments industriels accueillent des bureaux de prestige pour notamment Télé Monte-Carlo, l'Agence internationale de l'énergie atomique, ou encore le Bureau hydrographique international. Des contraintes fortes ont dû être respectées par le bureau d'études Ingetec chargé, entre autres, de l'installation de la climatisation : ne pas toucher aux façades, ni aux structures du bâtiment, et faire en sorte qu'aucun équipement technique ne soit visible de l'extérieur, pour des raisons d'esthétique mais aussi de pollution sonore. Il n'était donc pas question ici de placer de classiques tours de refroidissement sur les toits. Le système utilise trois échangeurs en titane ainsi qu'un automatisme qui signale le colmatage et inverse les flux pour nettoyer les filtres. La centrale Suclim de la Défense est refroidie par l’eau de la Seine. De même pour la centrale Canada de Climespace. Il existe des problèmes de nettoyage. L'hôtel L'Intercontinental Resort and Thalasso de Bora Bora [C8] est un hôtel 5 étoiles de 80 bungalows. Il utilise l'eau de mer des profondeurs pour climatiser l'ensemble des villas, des restaurants et des services. Cette eau est pompée à 5°C, à 800 m de profondeur dans l'océan et échange avec un circuit secondaire d'eau douce. Ce système permet de produire de l’eau à 12 ou 13 °C. C'est la première fois que ce système est mis en place sous les tropiques, et surtout dans un hôtel.

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4. REFLEXION CRITIQUE Les analyses SWOT qui suivent reprennent les points clés des différentes technologies étudiées précédemment. Une analyse SWOT plus générale sur la dénomination de climatisation « basse consommation » est ensuite détaillée et permet d’évaluer la pertinence de ce type de climatisation. 4.1 SYSTEME A COMPRESSION MECANIQUE AVEC EER MOYEN ANNUEL DE 5 Ce système n’est pas un de ceux retenu dans cette étude mais sert de référence constituant la meilleure performance énergétique envisageable aujourd’hui en climatisation traditionnelle. STRENGTHS – FORCES : - Système répandu, connu des installateurs et des distributeurs - Système fiable - Installation rapide et peu coûteuse - Equipement modulaire, facilité de déploiement par tranche et de remplacement - Offre établie sur le marché - Système qui peut respecter une température de consigne - Accessibilité des organes de contrôle de température et de soufflage

WEAKNESSES – FAIBLESSES : Les faiblesses identifiées sont celles qu’on connaît aujourd’hui dans la climatisation de split traditionnel : - Utilisent des HFC, toutefois si la mise en œuvre est correcte et si le traitement en fin de vie est assuré, le risque de fuite peut être très faible - L’utilisateur peut induire des surconsommations (avec une consigne trop faible), des appels de puissance (avec une marche forcée pour un refroidissement rapide) - Risque d’installation par du personnel non qualifié - Domaine d’emploi limité aux bâtiments de taille petite et moyenne - Inconfort provoqué par la circulation d’un air trop froid - Dégradation esthétique avec la localisation en extérieur des condenseurs

OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : - Possibilité de raccorder le système à des panneaux photovoltaïques qui permettraient de produire l’électricité nécessaire. - Prix du kWh électrique bon marché - Montée en gamme de l’offre grâce à la R&D et aux labels énergétiques - Standardisation de la production susceptible de faire baisser les coûts de production - Aversion au risque des utilisateurs qui vont préférer les solutions les plus traditionnelles - Prescripteurs bien identifiés et bien structurés : négoce, électricien THREATS – MENACES - Risque de sur-climatisation et de sur-consommations énergétique (électricité) inhérente à la simplicité d’usage laissée à la discrétion des utilisateurs - Crainte du « sick building syndrome » - Renforcement de la législation sur les fluides frigorigènes

4.2 SURVENTILATION On ne prend pas en compte dans cette étude les simples « ouvertures de fenêtres et autres ouvrants » ni les éléments d’enveloppe à perméabilité variable. Pour le free-cooling : STRENGTHS – FORCES : - Simple à mettre en œuvre dans tous les bâtiments équipés d’une centrale de traitement d’air débit d’air constant – débit d’air variable (chauffage et climatisation à air) - Technologie bien maîtrisée par les entreprises de génie climatique

WEAKNESSES – FAIBLESSES : - Grande dépendance de la performance des auxiliaires en ce qui concerne la consommation énergétique - Risque de blocage en position « tout air neuf » - Seulement adapté aux bâtiments avec apports internes limités - Effets limités sur le confort d’été - Maintenance de la filtration

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OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : - Recours systématique généralisable à tous les bâtiments équipés d’une centrale de traitement d’air débit d’air constant ou à débit d’air variable (chauffage et climatisation à air) - Volonté de traiter la qualité de l’air extérieur diffusé dans les bâtiments, surtout en zone urbaine - Développement des plateaux paysagers, notamment pour le tertiaire bureaux, qui facilitent la circulation de l’air THREATS – MENACES - Les techniques d’aération naturelle concurrencent directement le free cooling

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Pour la surventilation nocturne : STRENGTHS – FORCES : - Sur-investissement nul lorsqu’on utilise les conduites déjà en place sur une centrale de traitement d’air débit d’air constant ou à débit d’air variable

WEAKNESSES – FAIBLESSES : - Requiert un bâtiment ayant une forte inertie - Requiert une approche globale de la combinaison cadre bâti et système de ventilation qui est encore mal maîtrisée - Requiert un climat présentant une différence de température importante entre le jour et la nuit - Nécessite des conduits importants pour assurer le débit d’air et donc occupe de l’espace dans le bâtiment - Grande dépendance de la performance des auxiliaires en ce qui concerne la consommation énergétique - Sûreté des entrées d’air à traiter pendant la surventilation - Acoustique de l’air extrait à traiter

OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : - Recours systématique généralisable à tous les bâtiments équipés d’une centrale de traitement d’air débit d’air constant ou à débit d’air variable (chauffage et climatisation à air) - Développement de produits spécifiques chez les industriels de la ventilation THREATS – MENACES - Risque de consommation électrique élevée à cause d’un fonctionnement permanent et inapproprié (car les systèmes de régulation clé en main n’existent pas) - La nécessité d’écart de température entre jour et nuit limite géographiquement les possibilités d’implémentation - Durcissement de la réglementation incendie sur la propagation des incendies

4.3 CLIMATISATION PAR EVAPORATION DIRECTE STRENGTHS – FORCES : - Consommation électrique faible - Augmente l’hygrométrie : cela peut être un avantage pour certaines industries - Requiert un investissement faible - Existence d’une offre commerciale. Celle-ci se développe, notamment à travers des systèmes compacts industrialisés et faciles à installer - Opérations de démonstration convaincantes - Quelques produits certifiés VDI - Investissement au m² moins coûteux que la climatisation traditionnelle WEAKNESSES – FAIBLESSES : - La consommation d’eau peut être importante - Augmente l’hygrométrie, ce qui peut être inconfortable pour des applications en tertiaire, l’équilibre entre la température et l’humidité de confort étant délicat à obtenir - Ne peut pas atteindre des températures de consigne très basses - Système non adapté aux grands réseaux aérauliques car la consommation des auxiliaires deviendrait trop importante - L’efficacité globale dépend de celle du ventilateur et de celle de l’humidificateur

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OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : Les systèmes évaporatifs sont particulièrement adaptés : - aux locaux dont les activités n’exigent pas des conditions d’ambiance stables mais supportent des variations - aux locaux ouverts sur l’extérieur car les appareils fonctionnent en air neuf - aux locaux exigeant de forts renouvellements d’air - à certains locaux industriels où les process demandent un taux d’humidité élevé - L’utilisation dans des locaux n’ayant pas d’exigences de confort fortes peut être un argument commercial et en tout cas éviter l’installation de climatisation à compression - Développement d’une offre industrielle couvrant une gamme plus large permettant une baisse des coûts d’achat et d’installation THREATS – MENACES - Crainte de risque de prolifération de légionnelles suite aux arrêts du système - Le système type roof-top est souvent comparé à une tour de refroidissement et subit la mauvaise presse de ce système - L’existence d’appareils de moindre qualité constitue autant de contreréférences. - Inflation sur le prix de l’eau - Durcissement de la législation contre la prolifération de légionelles

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4.4 PUITS PROVENÇAL STRENGTHS – FORCES : - Technologie simple qui a un bon potentiel de rafraîchissement - Système performant aussi pour le préchauffage de l’air en hiver dans les pays à climat très froid (climats nordiques) - Maintenance très faible en cas de bonne conception - Existence d’une offre commerciale. WEAKNESSES – FAIBLESSES : - Requiert une conception soignée - Requiert une installation de ventilation mécanique - Requiert des matériaux résistants et étanches - Requiert un terrassement onéreux en rénovation - Mauvaises performances pour le préchauffage l’hiver sous nos latitudes. - Dépend beaucoup de la performance des ventilateurs en ce qui concerne la consommation énergétique - Retour sur investissement long - L’usage est, sauf exception, limité aux bâtiments de taille petite ou moyenne - Exige du foncier autour du bâtiment

OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : - Solution facile à mettre en œuvre pour les maisons individuelles neuves et fonctionnement facile à expliquer, ce qui le rend attrayant pour les clients potentiels - Solution traditionnelle dans certaines régions et pouvant bénéficier de la montée en puissance de l’intérêt pour les techniques dites « naturelles » THREATS – MENACES - Système en concurrence directe avec un système double flux avec échangeur - Ce n’est pas une solution intégrée. Elle requiert à la fois des compétences en électricité - ventilation et en maçonnerie. Les électriciens installateurs doivent être formés. - De mauvaises réalisations dues à un manque de formation et à l’utilisation de matériaux mal adaptés peuvent constituer des contreréférences - Risques sanitaires en cas d’une mauvaise mise en œuvre ou maintenance : cela peut produire des contre-références - Si le puits provençal est connu pour être un système réversible performant dans les pays à forte amplitude thermique, il ne le sera pas sous nos latitudes à cause de sa faible performance pour le préchauffage de l’air en hiver. - Coût du foncier

4.5 CIRCULATION D’EAU FRAICHE NATURELLE STRENGTHS – FORCES : - Bonne capacité de refroidissement - Plancher ou plafond froid et poutre froide maîtrisés par les professionnels - Forte efficacité énergétique par rapport aux technologies traditionnelles

WEAKNESSES – FAIBLESSES : - Requiert une étude hydrogéologique préalable - Condition nécessaire d’un climat continental (eau très froide, été chaud) et accès à une réserve d’eau - Investissement important, entre autres car le cadre réglementaire est contraignant - Gros problèmes de maintenance (corrosion, peuplement de micro-organismes) - Soumis à des autorisations administratives dès que certains seuils de profondeur ou de débit sont dépassés

OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : - Bien adaptée dans les zones en bord de mer, en bord de lac ou lorsque l’accès à la nappe phréatique est facile - En zones en bord de mer, en bord de lac, possibilité de création d’un réseau urbain de distribution de froid - Développement de réseaux de froid - Le soutien à la géothermie se structure (bureaux d’études, BRGM, Ademe, etc) THREATS – MENACES - Le niveau et la température des réserves d’eau (rivières,…) peuvent exiger l’arrêt du système - Un recours massif à ce système pourrait durcir les réglementaires environnementales ou géotechniques

4.6 CLIMATISATION SOLAIRE PAR ABSORPTION STRENGTHS – FORCES : - Concordance entre la demande en froid et la disponibilité en énergie solaire

WEAKNESSES – FAIBLESSES : - Requiert une tour de refroidissement humide (sauf un produit) - Représente un investissement important - Pas d’offre pour de petites puissances de froid (excepté un produit) - Pas de système Plug & Cool: l’assemblage groupe froid + panneaux solaires est à faire par un installateur

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OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES : - Système qui peut s’adapter à des panneaux solaires thermiques déjà installés - Les panneaux solaires thermiques bénéficient de subventions de l’état - Développement d’une filière solaire THREATS – MENACES - Risque d’intervention de professionnel manquant de compétence pour la conception, l’installation et la maintenance du système - La majorité des références restent expérimentales

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4.7 SWOT GENERAL SUR LA CLIMATISATION BASSE CONSOMMATION 4.7.1 STRENGTHS – FORCES Les solutions étudiées consomment peu d’énergie « payante » (électrique essentiellement) et elles n’utilisent pas de fluide frigorigènes (sauf la solution de référence) : leur intérêt commun est le non recours à la compression mécanique. Il existe une offre commerciale pour certains produits tels que évaporatif cooling, puits canadiens et absorption solaire. L’offre évaporatif cooling est financièrement abordable, simple et fiable. 4.7.2 WEAKNESSES – FAIBLESSES •

il existe un large éventail de solutions de « climatisation basse consommation », solutions qui sont très différentes dans leur approche et dans leur implémentation. Cela peut conduire à une vraie difficulté pour le maître d’ouvrage à faire un choix dans la solution qu’il peut implémenter.

•

il apparaît clairement qu’il n’existe pas de solution universelle : aucun des systèmes étudié ne peut être appliqué de façon systématique. Bien plus, il n’existe pas de produit parfaitement « clé en main » et peu d’offre pour le particulier (sauf de rares exceptions).

•

Compte tenu des conditions d’implémentation « au cas par cas » pour les différents systèmes, les segments de marché potentiels sont des marchés de niche, donc les systèmes ont peu de chances d’atteindre de fortes parts de marché pour l’instant.

•

Les systèmes restent « complexes » et souvent couteux : - ils peuvent impliquer des travaux de gros œuvre ou d’adaptation du bâti - ils sont volumineux et donc destinés d’abord au tertiaire. - ce sont souvent des assemblages de composants au cas par cas qui exigent savoir-faire et mise en œuvre de la part des concepteurs.

•

Sur l’ensemble des systèmes envisageables, plusieurs technologies ne sont pas mûres, malgré des phases de R&D de plusieurs années sur certains produits, il reste encore certains points techniques à perfectionner. Cela engendre de faibles volumes de vente et donc des prix de vente encore élevés.

•

En termes de performance, aucune de ces solutions ne suffit à elle seule pour respecter une température de consigne. Leur emploi se limite donc à des bâtiments à faibles exigences de confort ou à des bâtiments optimisés du point de vue de l’enveloppe et de l’architecture. D’autre part, leur consommation reste souvent assujettie à une excellente conception, conduite, maintenance.

•

Compte tenu de la diversité des solutions, de l’hétérogénéité des conditions d’applications et de la différence de services rendus, il existe finalement peu de données et de retours d’expérience sur les opérations conduites. Cela induit des difficultés à trouver des informations pertinentes, évaluer les performances des systèmes et les comparer entre eux.

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Ces systèmes « basse consommation » sont, sauf exception, peu compétitifs par rapport à des systèmes de climatisation traditionnels : - d’une part parce que les économies d’énergie sont très faibles par rapport à une solution traditionnelle. - d’autre part parce que dans le cas d’un prix faible de l’électricité (comme c’est le cas en France), les économies financières sont très faibles voire nulles comparées à une solution traditionnelle.

•

La conception et la mise en œuvre des systèmes basse consommation font appel à des techniques maîtrisées, comme l’électricité et la plomberie, par les professionnels. Toutefois le fait que pour certains systèmes il n’existe pas de solutions clé en main représente une difficulté certaine. A l’inverse, les appareils de type unités de toiture en évaporatif cooling constituent sans doute l’exemple d’un produit complet, prêt à l’emploi et de mise en œuvre optimisée.

4.7.3 OPPORTUNITIES – OPPORTUNITES D’un point de vue global, il est certain que l’installation en masse de systèmes de climatisation dits « basse consommation » contribuerait à réduire la consommation énergétique de la France, compte tenu du niveau de performance moyen observé sur le parc. L’augmentation du prix de l’énergie de façon générale favorise le développement de ces technologies en diminuant les temps de retour sur investissement. Pour les industriels, la climatisation basse consommation et un champ de développement de nouveaux produits.

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4.7.4 THREATS – MENACES •

D’une façon générale, la réglementation et les préoccupations liées à l’hygiène de l’air sont de nature à alourdir la maintenance des systèmes évaporatifs.

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La quantité des dispositifs potentiels et le fait qu’aucun ne se détache vraiment provoque un éparpillement des acteurs susceptibles de porter le développement et favorise des stratégies individuelles. Il n’y a donc pas véritablement de profession porteuse de la climatisation basse consommation.

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Pour les bâtiments existants, la rénovation progressive a tendance à prendre le pas sur les réhabilitations lourdes, si bien que les solutions impliquant des travaux sur le bâti sont plus difficiles à faire accepter.

•

La principale menace qui pèse est le manque clair de compétitivité en termes d’efficacité et de rentabilité économique de ces systèmes (encore plus dans le cas de la France), si bien que leur développement ne peut s’envisager sans subvention.

•

Les systèmes traditionnels de production frigorifique à compression mécanique évoluent en permanence. Les très bonnes performances des meilleurs appareils proposés aujourd’hui résultent des progrès réalisés par des fabricants de compresseur ayant fortement investi en R&D, de l’optimisation des échangeurs et de moteurs tournant à vitesse variable. De plus, de nouveaux fluides frigorigènes plus respectueux de l’environnement sont à l’étude. Par ailleurs, l’utilisation de pompes de circulation à vitesse variable se développe.

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5. CONDITIONS DE DEVELOPPEMENT EN FRANCE L’ensemble des solutions étudiées dans ce rapport ont déjà été implémentées et fonctionnent en France. La question est ici de connaître les conditions d’un développement important de la climatisation basse consommation pour la France. 5.1 PERSPECTIVES DE CONSOMMATION •

DEVELOPPEMENT

CLIMATISATION

BASSE

Le contexte français

Aujourd’hui, le contexte énergétique français est particulier. Il n’y a pas de problème récurrent de pénurie de courant en été et le prix de l’électricité est relativement peu élevé. L’utilisation de systèmes de climatisation traditionnels à compression, qui plus est utilisés pendant une partie de l’année seulement, n’implique pas une facture énergétique élevée. De plus, dans les bâtiments tertiaire climatisés, les consommations électriques sont majoritairement dues à l’éclairage et la bureautique. Par ailleurs, des systèmes à compression très performants existent et pourraient être considérés eux-aussi comme des systèmes de climatisation à basse consommation d’énergie grâce à leur performance. De plus, ces systèmes, lorsqu’ils sont réversibles, permettent d’assurer le chauffage dans de bonnes conditions. Si le prix de l’électricité devait augmenter fortement et constituer une part significative du budget de fonctionnement (pour le particulier comme pour une entreprise), l’intérêt pour des systèmes à haut rendement énergétique ou pour des systèmes à faible consommation pourrait augmenter. •

Des systèmes basse consommation matures

Ces produits de climatisation « basse consommation » constituent aujourd’hui un marché de niche. Le puits provençal ou canadien Aujourd’hui, cette technologie est mature, elle présente un certain intérêt du fait de sa simplicité. Toutefois, son prix constitue un frein certain à son développement, notamment le terrassement pour l’enfouissement des canalisations. Il devrait donc être installé de préférence dans le neuf car l’enfouissement des canalisations pourrait être réalisé en même temps que les fondations. La solution maison clé en main avec puits inclus irait sans doute dans le sens de la réduction des coûts. Initialement implémentée dans des petits bâtiments tertiaires, l’offre pénètre depuis peu le marché des particuliers. C’est une technique surtout adaptée aux bâtiments neufs ou existants de petite taille, le facteur limitant étant la surface de terrain nécessaire à l’implantation des conduits.

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Cette solution ne fait pas appel à des fluides frigorigènes. La consommation des ventilateurs dépend fortement de leur mode de gestion : ils ne doivent pas fonctionner en permanence. Quelques constructeurs proposent des ensembles complets et cohérents de puits canadiens prêts à être installés. Des bureaux d’étude spécialisés promeuvent cette technique. Les références sont nombreuses. Le développement de cette technique pourrait profiter de l’apparition des maisons passives en France, maisons souvent équipées de puits.

Les systèmes évaporatifs Il existe des produits de type unité de toiture, matures, destinés aux locaux tertiaires mono volumes ne demandant pas un contrôle précis de leur température en été. On peut ainsi rafraîchir la totalité de l’ambiance ou faire du rafraîchissement de poste de travail. Ces produits sont mis en avant par quelques sociétés en France. Cette solution consomme peu d’électricité et ne fait pas appel à des fluides frigorigènes. Par ailleurs, ce système qui conduit à une humidité intérieure élevée peut être intéressant dans certaines industries. En revanche la consommation d’eau peut être importante. Trois sociétés proposent de tels produits en France et les références sont nombreuses. La circulation d’eau fraîche Ces solutions concernent en général des centrales de production de froid alimentant des quartiers entiers (district cooling). La technologie est mature, la savoir faire est disponible. La limite au développement de ces solutions tient notamment à la disponibilité d’eau de nappe ou de lac ou de mer. Les collectivités locales sont en général à l’initiative des projets compte tenu de leur taille et des investissements à réaliser. •

Des produits « de rupture » non matures

La climatisation solaire par absorption Ce sont des systèmes innovants qui ont requis des efforts de R&D importants. Cela explique leur coût élevé. Ce sont également des systèmes mettant en jeu des procédés assez complexes, donc des systèmes de grande taille qui s’appliquent d’abord au tertiaire et des systèmes conçus au cas par cas. Les systèmes existants aujourd’hui sont de moyenne et grosse puissance (35 et 250 kW de froid). L’investissement d’un tel système est très élevé et le temps de retour est long. La technologie n’est pas à maturité dans la mesure où il n’existe pas non plus de produits clé en main rassemblant la machine et les capteurs dans une seule offre, sauf un produit très récent existant en Espagne de petite puissance. L’innovation doit porter sur l’assemblage. Ces points freinent considérablement le développement de ces systèmes, qui peinent aujourd’hui à rencontrer un marché. Il existe quelques références en France et en Europe.

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•

Perspectives : la climatisation hybride

La réduction des consommations d'énergie doit viser tous les postes de consommations chauffage, refroidissement, ventilation et éclairage. Toutefois, la diminution des besoins de chauffage, l’augmentation des surfaces vitrées et l’utilisation d’équipements électriques se traduisent en général par une augmentation des besoins de refroidissement et / ou une dégradation du confort en été, voire en mi saison et en hiver. Il convient donc d'accorder une attention particulière à ce second point, notamment par une conception correcte du bâti (utilisation de l'inertie par exemple) et par une utilisation optimale de la source froide que représente l'air extérieur en mi-saison et à certaines heures en été. On peut ainsi limiter les moyens de chauffage et de refroidissement aux conditions extrêmes de température. Cette approche globale associe une conception bioclimatique de l’enveloppe, l’utilisation maximale des ressources renouvelables extérieures en particulier le soleil et l’air et le recours maitrisé et bien géré à des installations techniques. La réduction des besoins et des puissances est une opportunité pour certains systèmes à basse consommation comme les puits provençaux, l’utilisation d’eau froide et le refroidissement évaporatif. La surventilation peut trouver également sa place dans la mesure ou des conceptions nouvelles permettraient de réduire la consommation des auxiliaires de ventilation comme la gestion de l’ouverture des fenêtres et l’utilisation de produits de type unité de toiture. Par ailleurs, la réduction des puissances de refroidissement, peut être une occasion de développement des systèmes à basse consommation dont le coût et le manque de puissance constituent une barrière à leur développement comme la climatisation par aborption et, dans une moindre mesure, les puits. La réduction de la taille des équipements des systèmes à absorption qui peut conduire à : - leur simplification et à la mise au point de produits clé en main de type Rotartica, - une baisse des coûts progressive. 5.2 PRISE EN COMPTE DANS LA REGLEMENTATION THERMIQUE Le système à circulation d’eau fraîche dans lequel l’eau est utilisée pour refroidir le condenseur d’une machine frigorifique est pris en compte comme une machine eau / eau avec pompe de captage. La puissance de la pompe de captage dépend de la puissance frigorifique. La surventilation est prise en compte sous forme de débit d’air hors période de chauffage pendant laquelle le débit doit être ramené au débit hygiénique. Le puits provençal, le système évaporatif et la climatisation par absorption solaire ne sont pas pris en compte.

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5.3 QUELLE DYNAMIQUE D’ACTEURS NECESSAIRE AU DEVELOPPEMENT Les premiers acteurs moteurs sont les bureaux d’étude technique car ils sont prescripteurs des solutions. Lorsque des bureaux d’étude proposent des systèmes alternatifs, ils se basent sur leur expérience et sur les références existantes. C’est pourquoi il est important d’informer la profession de l’existence de nouveaux produits, de l’amélioration de produits existants ainsi que des offres de mise œuvre de systèmes. Dans le cas où les bureaux d’étude technique ne sont pas sollicités (ie pour le particulier ou le tertiaire parfois), ce sont les installateurs de génie climatique qui sont les interlocuteurs. Ils proposent les produits de leurs fournisseurs et ils sont généralement réfractaires à l’introduction de nouveaux produits car ils ne souhaitent pas prendre les risques que comporte l’installation d’un produit nouveau. C’est d’ailleurs pourquoi dans le cas de produits packagés, c’est l’industriel qui est moteur dans la promotion de son produit. Il fait la promotion de son produit en direct auprès des industries et des bâtiments tertiaire (ex : Seeley). 5.4 DISPONIBILITES DES TECHNIQUES ET DES COMPETENCES L’ensemble des solutions étudiées dans ce rapport ont déjà été implémentées et fonctionnent en France. Les compétences d’installation sont spécifiques à chaque technique ou produit. Aujourd’hui, peu d’installateurs du génie climatique traditionnel possèdent les compétences pour installer les systèmes décrits dans cette étude. De gros efforts doivent être faits dans la formation des acteurs pour garantir le bon dimensionnement des installations ainsi que leur maîtrise notamment au plan de la régulation dont la nature peut impacter fortement la consommation en énergie finale.

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5.5 QUELS TYPES D’INCITATION ENVISAGER La pertinence et l’efficacité d’une climatisation « basse consommation » passant préalablement par la réduction des besoins et des puissances appelées en climatisation, les renforcements prévus des exigences réglementaires sont favorables au développement des systèmes basse consommation. Que ce soit en termes d’efficacité énergétique ou tous critères confondus, aucune technologie de « climatisation basse consommation » ne se détache réellement. D’autant plus que la performance n’est pas garantie : elle est très volatile car elle reste assujettie à une excellente conception, conduite, et maintenance des systèmes. Le problème d’un choix pour l’Etat de subventionner une technologie plutôt qu’une autre se pose.

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6. ANNEXE : BIBLIOGRAPHIE [1] EERAC (1999) Energy Efficiency of Room Air Conditioners (EERAC), Ecoles des Mines de Paris for DG-TREN, the European Commission [2] Tâche 25, Solar-Assisted Air Conditionning of Buildings, Solar Heating and Cooling Programme of the IEA, Hans-Martin Henning. [3] Annex 28 - Case Study Building : The Gaz de France Office Building Cambridge, FR. [4] D.Marchio, S.Filfli, JR.Millet, E.Fleury, JM.Alessandrini, A.Fery, P.Tournier, P.Damolis, D.Gourmez. Quelles solutions pour les bâtiments de bureaux climatisés à moins de 100 kWh/m2. Guide des solutions pratiques. Rapport final ADEME 2005 [5] Evaluation numérique des systèmes de chauffage et de rafraîchissement à l’aide de l’outil de simulation dynamique Simbad, Younes Kartachi, Fadi Chlela, Sept. 2006 [6] Annex 28 Case study: Ground Cooling (Air), The Schwerzenbacherhof Office and Industrial Building Schwerzenbach, Switzerland. [7] A.Bolher, E.Fleury, JR.Millet, D.Marchio, P.Stabat. Guide de faisabilité et de prédimensionnement de systèmes de climatisation a faible consommation d’énergie. Cahiers du CSTB, n°3454, avril 2003 [8] Annex 28 - Case Study Building : The IONICA Office Building Cambridge, UK. [9] D.Marchio, S.Filfli, E.Fleury, P.Damolis, D.Gourmez. Quelles solutions pour des établissements de santé à consommation d’énergie inférieures à 100 kWh/m2. Rapport fianl ADEME 2006 [10] R. MORLOT, Le rafraîchissement solaire bâtit son avenir. Article in Journal du chauffage et du sanitaire (le), 2001, n° 89, pp.28-29 [11] V. BLANC, R. MORLOT, D. CACCAVELLI, M.A. MEUNIER, L. ELEGANT, Laboratoire semi virtuel : outil pour la caractérisation de la performance de systèmes énergétiques d’applications solaires thermiques. Conférence Internationale CISBAT’2001, Lausanne (CH), 3 - 4 Octobre 2001, pp. 325-330 [12] La climatisation solaire. Rhônalpénergie-Environnement. Guide pour la Commission européenne et la Région Rhône-Alpes. Téléchargeable sur http://www.rhonalpenergieenvironnement.asso.fr/administration/publis/upload_doc/20050603082726.pdf [13] Conception, dimensionnement, installation et expérimentation d’une installation de rafraîchissement solaire par roue à dessiccation sur la maison des Energies à Chambéry. Rapport d’avancement. Octobre 2004 [14] Annex 28 Case study: Sea Cooling. Opération de Purdy’s Wharf Halifax – Canada [15] TECHNIQUE N° 5001 du 01/10/1999 - page 72 [16] News on the application of PCM for heating and cooling of buildings, H. Mehling, S. Hiebler, L. F. Cabeza, [17] Nouveaux composants actifs pour la gestion énergétique de l’enveloppe légère des bâtiments. Couplage matériaux a changement de phase, superisolation, apports solaires, Thèse de Maha AHMAD, 23/10/04. [18] Daniel Mugnier. TECSOL SA Suivi des installations solaires de démonstration de production de froid. Liste d'incidents catégorisés [19] Annex 28 Case study: The SAS frösundavik Office Building in Stockholm (Sweaden). The Groene Hart Hospital in Gouda (The Netherlands). [20] Rafraîchissement de l’espace Baudelaire ; Etude de faisabilité. Ville de Rillieux la Pape

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[21] Guide « Climatisation et santé » publié par Uniclima. [22] Document ADEME-BRGM-ARENE, site de l’ADEME [23] Canada-Clim [24] Stéphane Thiers, simulation d’un puits canadien [25] Solar air conditionning in Europe – an overview. C Balaras, G Grossman, HM Henning, C Infante Fereira, E Podesser, L Wang, E Wiemken. R et S energy reviews 11(2007) pp299 – 314 [26] Refroidissement évaporatif dans les locaux de moyen volume. Etude expérimentale sur site. Rapport n° 1 du CSTB pour l’ADEME. Octobre 2006. [27] Check list pour la sélection et le succès dans l’intégration de systèmes de climatisation solaire dans les bâtiments. D Mugnier, TECSOL. Communication à IBPSA, St Pierre de La Réunion 2006. [28] Energy Labelling Directive, 2002/31/EC and EN 14511 standard for Room Air Conditioners. Y Saheb, A Pierrot, S Becirspahic. Eurovent. IIDAL. Londres 2006 [29] Chiffres clés du bâtiment. ADEME 2005. [30] Optimisation bâtiment/système pour minimiser les consommations dues à la climatisation. S Filfli. Thèse de doctorat EMP. Décembre 2006. [31] EECCAC, "Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners", study for the D.G. Transportation-Energy (DGTREN) of the Commission of the E.U., Co-ordinator: J. ADNOT, septembre 2002.

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Sites professionnels et de constructeurs [P1] http://www.fiabitat.com/ [P2] http://www.canada-clim.com/plan.php3 [P3] http://www.eurovent-certification.com/ [P4] http://www.areco.fr/accueil_societe_vosinterlocuteurs.htm [P5] http://www.rexair.fr/ [P6] http://www.munters.com/ [P7] http://www.breezair.org/ [P8] http://www.rotartica.com/pub/marcos_1024.htm [P9] http://www.klingenburg.de/ [P10] http://www.climext.com [P11] http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm [P12] http://ec.europa.eu/energy/demand/legislation/domestic_en.htm Contacts [C1] Florian.massard@gazdefrance.com [C2] Matthieu.Pihouee@arep.fr [C3] letz@ines-solaire.fr [C4] lamouche.thierry@cedre-sophia.com Monaco [C5] http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=1938037 Toronto [C6] http://enwave.com Cornell University [C7] http://www.utilities.cornell.edu Tahiti [C8] http://www.tahiti-tourisme.pf/tahiti_tourisme_magazine/Focus%20projets.htm Tahiti Stockholm [C9] http://www.fortum.se/binary.asp?page=23820&file=pdf%5C2004%5C4%5C53131322585040% 5C402155%5Fsthlm%5FNY%2Epdf [C10] s.roujol@girus.fr [C11] thierry.dupuis@cofacthec.fr [C12] CHREA Sarl - M.Cayuela [C13] Lionel Noble opool@wanadoo.fr [C14] emmanuel.ledoux@ensmp.fr

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie

C12 – MICRO RESEAUX DE CHALEUR

Auteurs : Peter Riederer (peter.riederer@cstb.fr), Chantal Laumonier (chantal.laumonier@cstb.fr)

Expert : Robin Wiltshire (Building Research Establishment - UK)

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Sommaire 1

Etape 1 : Contexte, antériorités, dynamique des acteurs........................................................ 322 1.1 Contexte national et local ............................................................................................... 322 1.2 Antériorités et origine de l’innovation ........................................................................... 323 1.3 Dynamique des acteurs................................................................................................... 324 Etape 2 : Contenu de l’innovation.......................................................................................... 326 2.1 Description de la technologie......................................................................................... 326 2.2 Horizon temporel............................................................................................................ 330 2.3 Champs d’application..................................................................................................... 331 2.4 Impacts ........................................................................................................................... 331 Etape 3: Mise en oeuvre ......................................................................................................... 332 3.1 Fiabilité de mise en œuvre sur chantier.......................................................................... 332 3.1.1 Conception adaptée au bâtiment ............................................................................ 332 3.1.2 Acceptation par les acteurs..................................................................................... 333 3.1.3 Compétence des acteurs ......................................................................................... 333 3.1.4 Adaptation des professions existantes.................................................................... 333 3.2 Modalités de gestion, d’exploitation et de maintenance ................................................ 333 3.3 Incitations réglementaire, fiscales, modalités de financement ....................................... 334 Etape 4 : Evaluation des résultats dans les pays concernés.................................................... 335 4.1 Les performances ........................................................................................................... 335 4.1.1 Energie ................................................................................................................... 335 4.1.2 Stabilité, feu, tremblement de terre ........................................................................ 335 4.1.3 Impacts environnemental et sanitaire..................................................................... 336 4.1.4 Risques de dégradation des performances après mise en œuvre............................ 336 4.1.5 Compatibilité des performances............................................................................. 336 4.2 Coûts réels ...................................................................................................................... 337 4.3 Le vécu des utilisateurs .................................................................................................. 338 4.4 Vitesse de diffusion dans le pays ................................................................................... 338 ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB.................................................................. 340 5.1.1 Les forces ............................................................................................................... 340 5.1.2 Les faiblesses.......................................................................................................... 340 5.1.3 Les opportunités ..................................................................................................... 340 5.1.4 Les menaces ........................................................................................................... 341 ETAPE 6 : CONDITIONS DE TRANSPOSITION EN FRANCE ....................................... 341 6.1 Les chances de transposition en France ......................................................................... 341 6.2 Compatibilité avec le cadre réglementaire ..................................................................... 341 6.3 Quelle dynamique d’acteurs nécessaire ?....................................................................... 341 6.4 Disponibilité des compétences de pose .......................................................................... 342 6.5 Quels types d’incitations à envisager ? .......................................................................... 342 6.5.1 La réglementation technique .................................................................................. 342 6.5.2 Le soutien des collectivités .................................................................................... 342 6.5.3 Initiatives privées ................................................................................................... 342 Annexe : Sources d’information ............................................................................................ 343

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Avant propos Des réseaux de chaleur (RC) existent dans de nombreuses configurations et dimensions, du petit réseau au niveau de quelques bâtiments au réseau de chaleur d’une centaine de mégawatt pour une ville entière. Cette analyse porte sur des réseaux de petite dimension, appelés ici des « microréseaux de chaleur (MRC) » d’une limite approximative de l’ordre de 3MW qui a été choisie arbitrairement. L’étude est focalisée sur des réseaux basés sur des systèmes de cogénération mais inclue également des informations sur des réseaux intégrant les énergies renouvelables telles que l’énergie solaire ou la biomasse.

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1 1.1

ETAPE 1 : CONTEXTE, ANTERIORITES, DYNAMIQUE DES ACTEURS Contexte national et local

En règle générale, les motivations pour l’installation de micro-réseaux de chaleur (MRC) sont d’abord de nature environnementale : il s’agit en fait d’une technologie qui permet la promotion de technologies à émission de CO2 faible voir nulle telles que la cogénération, la biomasse, la géothermie etc. D’autres motivations, à peu près les mêmes dans les différents pays sont les volontés nationales de sécurité de production d’énergie. Actuellement, la motivation environnementale prédomine sur la pénurie des ressources. Mais les fluctuations du prix de l’énergie vont redevenir un moteur. Royaume Uni On observe un développement significatif mais lent des MRC au Royaume Uni. La plupart de ces MRC est alimentée par des systèmes de cogénération. La motivation principale est la réduction des gaz carboniques. Ceci se reflète dans des programmes nationaux et locaux favorisant un développement plus intense des systèmes de cogénération avec un objectif de 10 GW installés par la cogénération jusqu’en 2010. Les programmes ne se focalisent pas seulement sur les MRC, mais le marché principal de réseaux de chaleur (RC) au RU se situe principalement, à l’exception de quelques réseaux de ville ou de centre-ville, en dessous de 3MW installés. Suède Les RC sont assez courants sur le marché en Suède avec des réseaux dans quasiment toutes les villes et un certain nombre de villages ; dans quelques villes on peut voir des RC très sophistiqués avec une large variété de rejets de chaleur et de sources renouvelables. On observe également des MRC avec des productions de chaleur de l’ordre de 10GWh/an. Ces réseaux se trouvent en grande partie dans des villes de plus petite taille. Ils sont généralement basés sur des chaudières à biomasse avec appoint fuel. Canada Très peu de RC existent au Canada. Néanmoins, ces RC sont actuellement sous un regard favorable et ceci, comme au RU, avec une tendance vers les MRC. Les MRC existant au Canada sont principalement basés sur la cogénération à gaz et les chaudières à biomasse. Pays Bas Il y a un marché assez développé aux Pays Bas avec une augmentation significative des MRC. Allemagne Il y a un grand nombre de MRC en Allemagne, en grande partie avec des cogénérations à gaz. C’est la préoccupation environnementale qui domine la volonté des pouvoirs publics allemands tant nationaux que locaux depuis 1998. Il existe une dizaine de réalisations de MRC basé sur l’énergie solaire, par exemple ceux de Neckarsulm ou maintenant de Crailsheim. France Environ 170 000 logements équivalents sont connectés aux réseaux de chaleur géothermiques en France (cependant, ces réseaux sont d’une taille bien plus importante que la limite définie ici pour les MRC). En ce qui concerne la biomasse, la France compte environ 60 RC dont 40% en dessous

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de 3.5MW. Une bonne centaine de RC avec cogénération existe, mais la plupart d’entre ces réseaux ne se situe pas au niveau de la MRC. 1.2

Antériorités et origine de l’innovation

Les étapes principales pour le développement des MRC au RU ont été : De 1950 à 1970 Il y a un développement significatif des MRC associés au logement social. Après 1970 L’investissement dans le logement social baisse de plus en plus. Par conséquence, les budgets de maintenance de ces réseaux sont réduits et il n’y a donc que très peu d’investissement pour moderniser les réseaux existants avec des nouvelles technologies (par exemple avec des systèmes de cogénération etc.). Après 1990 Le marché des MRC reprend progressivement pour des raisons environnementales et économiques (les MRC avec cogénération ont de faibles coûts d’opération). Depuis 2001 Le marché rend la situation des MRC très difficile au point de causer l’arrêt de quelques MRC avec cogénération. Ceci est dû aux prix du gaz et de l’électricité et à des changements de rachat d’électricité par le gouvernement. La situation s’est nettement améliorée vers 2006. Egalement en 2001 le département Defra du gouvernement lance son programme « Community Energy » proposant des subventions de développement et d’investissement pour des RC. Pour des raisons de temps et d’organisation, la plupart de ces réseaux ont été des MRC. Depuis 2006 Des activités au niveau national et local (gouvernement, collectivités) ont stimulé le développement des technologies à faibles émissions de gaz carboniques et les énergies renouvelables. Les MRC, basés sur la cogénération, la biomasse mais aussi sur l’énergie solaire et les pompes à chaleur, ont profité de cette situation. Ci-dessous le cas des autres pays : Suède La Suède a une longue tradition en technologies à faible impact environnemental. Des augmentations progressives des taxes sur le pétrole et l’électricité ont eu un impact fort sur le développement des MRC. Ces taxes ont fait progressivement augmenter le prix de l’énergie même si le prix du pétrole n’a guère changé entre 1985 et 2005. Comparé à cette augmentation de l’énergie fossile, le coût d’opération des RC n’a quasiment pas évolué, ce qui a favorisé le développement des RC et des MRC. Canada Au Canada, la nécessité des systèmes de cogénération isolés (off-grid) et la disponibilité de biomasse grâce à l’industrie forestière ont permis un développement du marché des MRC. Pays Bas Aux Pays Bas il y a eu une demande de plus en plus forte de systèmes énergétiques « durables ». Ceci est particulièrement vrai pour le logement collectif. Allemagne L’élément clé pour le développement des MRC en Allemagne a été l’augmentation du marché des systèmes de cogénération. France

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Les premiers RC ont été installés dans les années 30 dans les grandes villes. Entre 1955 et 1975 de nouveaux RC ont été installés, dans la majorité des cas avec le fioul comme source d’énergie. De 1974 à 1979 le gouvernement a soutenu la construction de nouveaux RC, la plupart avec du charbon français, des déchets et du fioul. Depuis 1985 les RC augmentent d’environ 1% par an. Les acteurs clés sont : - Collectivités favorisant de plus en plus des solutions à faible émission de gaz carbonique ; - Initiateurs de réseaux de chaleur qui développent ce concept : au Canada ou au RU des spécialistes « locaux » réussissent à convaincre les décideurs ; aux Pays Bas il y a également des initiatives des collectivités locales, en collaboration avec des bureaux d’étude ; en Suède et en Allemagne les concepts sont plutôt développés par des consultants ou des fournisseurs d’énergie. - Ingénieurs consultants spécialisés qui réussissent à promouvoir le concept ; - Sociétés spécialisées dans les RC ou les MRC (en Suède ce sont les sociétés de RC, en Allemagne et aux Pays Bas ce sont les fournisseurs d’énergie régionaux ; au Canada et au RU il s’agit souvent d’un partenariat entre le secteur public et privé construisant une organisation crédible et compétente (« energy service company ») ; - Financeurs qui doivent être convaincus par le projet ; - Dans le cas de bâtiments existants, les occupants ou opérateurs de RC doivent être impliqués dans le projet dès le début des réflexions ; - Pour de nouvelles constructions, les promoteurs doivent être convaincus que l'adoption de cette technologie leur apportera l'avantage du marché ou au moins qu’elle ne les gênera pas. Certains promoteurs ont pris une avance dans la conception et la réalisation de ces technologies à faible émission de gaz carbonique, y compris la cogénération et les technologies d'énergie renouvelable, afin de se distinguer du reste du marché. - Des démarches marketing sont généralement effectuées par les sociétés de chauffage urbain ou les fournisseurs d’énergie. L'administration locale peut aussi être impliquée dans l'assistance, par exemple aux Pays-Bas. En Suède aucun marketing n'est nécessaire à cause des hauts impôts sur le pétrole. Le marché des RC, bien que petit, est composé d’éléments technologiques ayant déjà une certaine maturité commerciale. Il y a, cependant, dans quelques pays, un manque de savoir faire pour ces installations. 1.3

Dynamique des acteurs

Les acteurs et les actions principales sont : - Par rapport au développement des MRC : Des réglementations et directives de collectivités locales et nationales et de l’UE poussent de plus en plus tant le secteur public que les promoteurs privés à considérer les MRC. Des exemples sont la directive Performance énergétiques des bâtiments (UE), le « Code for sustainable homes » (RU) et le « London Plan » (Collectivité locale – Londres). La collectivité locale de Londres demande aux promoteurs d’adopter la solution des MRC là où c’est possible et a mis en place un seuil impératif de 10% d’énergies renouvelables pour les nouvelles constructions. - Par rapport à l’intégration des MRC dans le secteur du bâtiment au niveau technique et économique : Techniquement, n'importe quel bâtiment peut être connecté à un RC. Lors de la connexion de bâtiments particuliers, il devra y avoir une discussion entre les propriétaires du bâtiment

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et les opérateurs du RC. Au niveau du bâtiment on fera appel au gestionnaire du bâtiment et au personnel juridique et financier, qui reportera à la direction. Par rapport à l’intégration des MRC dans le secteur de la construction : L'activité sur le site inclut les installateurs de cogénération et d'autres systèmes énergétiques, de réseaux de chaleur, d’équipements de sous-station incluant des échangeurs de chaleur, de comptage d’énergie et des systèmes de contrôle-commande. Il s’agit de technologies bien maîtrisées en Suède, en Allemagne et aux Pays-Bas. Au RU et au Canada le marché est beaucoup plus petit et les installateurs sont peu nombreux. Par rapport au marketing des MRC : En Suède il y a peu de besoin de marketing; au Royaume-Uni et au Canada il y a eu beaucoup de diffusion du savoir de la part du gouvernement, sous forme de guides d’information et d’études de cas ainsi que des programmes de subvention. Des associations jouent aussi un rôle clef - en Suède l'Association de réseaux de chaleur tient ses réunions techniques, en Allemagne l'Association de réseaux de chaleur AGFW ainsi qu’au Canada l'Association de réseaux de chaleur, avec Natural Resources Canada, sont également très actifs. Au Royaume-Uni l’association de la cogénération (CHPA) a une section spécifique sur les réseaux de chaleur, tandis que le Partenariat d'Énergie de Londres (London Energy Partnership) a établi un groupe de travail sur les réseaux de chaleur et la cogénération. Aux Pays-Bas, l'agence gouvernementale SenterNovem, en coopération avec les sociétés d'énergie, soutient les réseaux de chaleur.

En général, il y a une attitude positive à l’égard des MRC mais les aspects d’organisation et le besoin de capital suffisant empêchent le progrès. Les éléments qui ont tendance à ralentir le développement de MRC sont : o Les réglementations en vigueur défavorables. Ces réglementations sont généralement plus défavorables dans les pays qui ont actuellement peu de MRC et où leurs avantages ne sont pas bien reconnus. Une difficulté supplémentaire est la garantie du rachat d’électricité à un bon prix - une bonne solution pour cela est d’utiliser l'électricité aussi bien que la chaleur, localement. o Le personnel dans les collectivités et dans d'autres organismes ayant l’influence pour initier une nouvelle technologie qui n’est pas assez familier avec la technologie ou qui a eu, dans le passé, des expériences négatives avec des RC âgés et mal entretenus. o Dans les sociétés de RC qui sont relativement petites, les ingénieurs qui sont réticents à utiliser une technologie peu connue craignent de se mettre dans une situation désavantageuse sur le marché. La reconnaissance récente des technologies 'vertes' a permis de changer partiellement ce frein, ce qui a permis d’adopter cette technologie dans de plus en plus de cas. Les acteurs importants du développement des MRC sont : o les chercheurs o les fabricants de systèmes à énergie renouvelable au départ les PME o et depuis 2000 environ, les grands groupes du secteur du chauffage qui se lancent dans la pompe à chaleur, le solaire et le bois o les prescripteurs de chaufferies o les architectes.

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2 2.1

ETAPE 2 : CONTENU DE L’INNOVATION Description de la technologie

Le principe de base de MRC : il s’agit d’un système de production d’énergie central qui dessert, par l’intermédiaire d’un réseau (distribution), un grand nombre de bâtiments individuels (connexions d’utilisateurs) de telle manière que ces bâtiments n'exigent pas leur propre installation de chauffage. N'importe quelle source d'énergie peut être utilisée au système central et la puissance globale est souvent suffisante pour utiliser les technologies qui ne pouvaient pas efficacement fonctionner au niveau d’un seul bâtiment. En particulier ceci permet d’utiliser un système à haute performance énergétique. Un exemple innovant d’un MRC est en cours de réalisation à Crailsheim en Allemagne. Le projet combine l’énergie solaire avec un stockage saisonnier pour le chauffage d’un quartier résidentiel et quelques bâtiments tertiaires. La Figure 1 montre le concept global et les trois parties d’un MRC : production, distribution et bâtiments connectés.

Figure 1 : Le projet de CSHPSS de Crailsheim en Allemagne pour un quartier neuf où un réseau de distribution de chaleur à basse température est envisagé [Ecostock 2006]

Production centrale Au niveau de la production d’énergie centrale, diverses technologies et combustibles peuvent être utilisés. Dans les pays concernés il existe un bon nombre de RC qui sont desservis par des chaudières classiques. Dans ces cas, il peut y avoir une performance légèrement plus évoluée que dans le cas du chauffage individuelle d’un bâtiment. La motivation principale aujourd’hui est l’efficacité énergétique, les nouveaux RC ou MRC font donc recours à des technologies telles que la cogénération, énergie des déchets ou des sources renouvelables, en particulier en utilisant la biomasse. Les technologies/combustibles les plus courants sont, par pays : - Suède : biomasse - Canada : biomasse et cogénération (gaz ou fuel)

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Pays Bas : cogénération à gaz, biomasse et géothermie Allemagne : cogénération à gaz, biomasse et biogaz Royaume Uni : cogénération à gaz

La technologie la plus utilisée dans la gamme de puissance des MRC avec une cogénération à gaz est la cogénération à moteur avec pour la plupart d’entre eux, le moteur Diesel, transformé pour fonctionner avec du gaz. Leur efficacité est de l’ordre de 32-35 %. Cependant, ces dernières années, des moteurs à gaz ont été développés avec une efficacité électrique de l’ordre de 37 à 42 %. Typiquement ces unités sont de plusieurs centaines de kW jusqu'à quelques MW électrique. Un logement nécessite environ 0.5 à 1kW de capacité électrique, typiquement cela mène donc à des MRC d'une centaine de logements, probablement avec des bâtiments de service locaux connectés. Cependant, il est à noter que la cogénération est aussi disponible dans des gammes de puissances beaucoup plus petites (quelques kW). La Figure 2 montre l’exemple d’un système de cogénération de 1 MWe.

Figure 2 : Système de cogénération pour un MRC de 1 MWe (source : Courtesy of Energ)

Le système est intégré dans un bâtiment de « service ». En fonction de la taille du MRC ce bâtiment peut être d’une dimension variable. L’exemple de la ville de Schwand / Autriche montre que ce bâtiment peut s’intégrer aisément dans le quartier (Figure 3).

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Figure 3 : Centre de production de chaleur de 1MW à Schwand / Autriche (source : http://www.biomasseverband-ooe.at)

Récemment il y a eu beaucoup d'activité sur le marché de la cogénération à petite puissance avec des technologies telles que le moteur Stirling, les piles à combustible ainsi que la cogénération à moteur. Le moteur Stirling s’applique plutôt aux logements individuels tandis que les piles à combustible sont toujours en développement, malgré quelques exemples comme celle connectée au MRC à Woking. Des cogénérations à moteur sont maintenant disponibles à partir de 5kW électrique (Baxi) capable d’alimenter quelques logements connectés ou d'autres petits bâtiments. Il est à noter que l'efficacité électrique de ces unités est relativement petite. D'autres technologies possibles de cogénération existent, basées sur des turbines à gaz (probablement à la limite supérieure de la gamme de puissance des MRC, mais il y avait des produits sur le marché en dessous de 100kW ; quelques problèmes ont été reportés). Les systèmes de cogénération exigent une maintenance régulière (bien plus que les chaudières individuelles) et permettent de faire d’autant plus d’économies qu’ils fonctionnent, principalement en raison de la vente d’électricité. De plus, le prix par kW de capacité diminue avec la taille du système de cogénération et l’efficacité électrique augmente. D’où l’intérêt des RC avec une capacité assez élevée pour des profils de charges relativement constants. Le MRC peut aussi se servir de sources de chaleur disponibles localement (par exemple de la chaleur industrielle) ou de sources d'énergie renouvelable. Bien que ceux-ci ne soient pas des systèmes de cogénération, ils satisfont les critères d’émission de gaz carboniques. Des exemples montrent des MRC solaires ou à biomasse. Pour des raisons de stockage de carburant et de d’efficacité de fonctionnement, la biomasse est plus intéressant pour les MRC, où ces questions peuvent être réglées au niveau de la partie centrale. Les pellets de bois peuvent être brûlés pour créer de la vapeur ; aussi l'apparition des systèmes de gazéification liés avec CHP est observée. Il y a quelques réalisations de MRC basées sur l’énergie géothermique. Par contre ces exemples sont plutôt dans le cas de RC de taille plus importante. On trouve également des exemples de MRC avec du stockage thermique saisonnier.

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Finalement, quelques MRC proposent d’autres services tels que le rafraîchissement, le téléphone et des services de IT. Distribution Dans les RC la chaleur est distribuée à plusieurs bâtiments par un centre de production de chaleur (cf. ci-dessus). Les RC modernes sont basés sur une distribution par de l’eau chaude. Pour la distribution de chaleur vers les bâtiments « utilisateurs », un réseau hydraulique dessert l’ensemble des bâtiments.

Figure 4 : Distribution hydraulique du MRC à Birmingham (source : Courtesy of Energ)

En ce qui concerne les matériaux, les parties principales des réseaux hydrauliques sont réalisés en acier tandis que les réseaux secondaires ou sous-parties peuvent être réalisés en plastique, ce qui permet de réduire les coûts). Le système de distribution intègre également un équipement pour le traitement de l’eau et la surveillance des fuites, ce qui se fait conjointement avec les pompes de circulation et les vannes de régulation.

Utilisateurs (Bâtiments)

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Les réseaux de distribution sont soit connectés directement aux bâtiments soit indirectement par l’intermédiaire d’échangeurs de chaleur. Dans le cas d’une connexion directe, l’eau du réseau de chaleur passe directement dans les émetteurs de chaleur du bâtiment connecté. Dans le cas d’une connexion indirecte, le réseau hydraulique du bâtiment est découplé du RC par l’échangeur de chaleur. La solution directe est moins chère, par contre elle implique que la pression dans le réseau du bâtiment soit la même que dans le réseau de chaleur, il existe donc un risque de fuites.

2.2

Horizon temporel

La technologie est déjà disponible sur le marché. Le marché est relativement stable et a priori en croissance dans chacun des pays observés. Il est à noter que, étant donné la flexibilité d’utilisation des carburants de systèmes de MRC, l'énergie renouvelable jouera certainement un rôle de plus en plus important. Cette tendance peut être de court à moyen terme, en fonction de la disponibilité des technologies (par exemple les biocarburants - déjà largement utilisés en Suède et cultivés au Royaume-Uni, aux Pays-Bas, au Canada et en Allemagne), mais dans ces pays où des développements de gazéification de biomasse et des systèmes de cogénération basés sur la biomasse sont en cours. La diffusion de cette technologie sur le marché est, si possible, accompagnée par un approvisionnement dans le pays même, bien qu'il soit aussi possible de recourir à des produits importés. Il faut également remarquer les MRC basés sur la géothermie et l’énergie solaire. Par exemple aux Pays-Bas, une croissance des MRC combiné avec la géothermie est observée. A long terme, Pour le long terme, la perspective d'utilisation répandue des piles à combustible est une perspective intéressante mais ambitieuse, en particulier la cogénération avec pile à combustible. La mise en œuvre actuelle de ces systèmes est basée sur l’utilisation de gaz naturel pour la fabrication de l’hydrogène, mais dans le futur des systèmes basés sur l’hydrogène directement seront possibles.

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2.3

Champs d’application

Il n'y a aucune limitation concernant les types de bâtiment connectés aux MRC. Au contraire, une variété de types de bâtiments connectés au MRC permet d’obtenir un profil de demande d’énergie plus lisse car les profils d'occupation sont différents. - Aux Pays-Bas il y a environ 100-200 RC et MRC. Ces RC intègrent majoritairement des résidences collectives (environ 800 par RC), mais il existe également d’autres bâtiments, de surface d’environ 40000m² qui sont connectés aux RC, par exemples des hôpitaux. - Au Canada il y a environ 12-18 MRC, principalement dans des quartiers résidentiels, allant de quelques bâtiments connectés jusqu’à environ une centaine de bâtiments. - La Suède compte environ 250-300 MRC (avec 540 RC en général). Dans la plupart des cas ces MRC desservent un mélange de bâtiments résidentiels et de service. - Au Royaume-Uni, une étude en 1998 a mis en évidence environ 250,000 logements connectés au total à des RC et des MRC avec 175,000 logements de plus dans des bâtiments collectifs (par exemple des résidences universitaires). La majorité des RC du Royaume-Uni sont de petite ou très petite échelle. Le terme 'le chauffage de communauté' était généralement utilisé. Cela inclut n'importe quel RC avec au moins deux logements ou bâtiments connectés, mais dans la plupart des cas de RC au Royaume-Uni il s’agit de bâtiments résidentiels. - En France, des MRC à biomasse ont été installés récemment et peuvent être considérés plus ou moins comme une technologie « standard ». 2.4

Impacts

Les MRC comme ceux présentés ci-dessus sont très efficaces en énergie, ce qui est le critère principal pour le choix de cette technologie. La réduction des émissions des gaz à effet de serre est très significative. Ceci est dû à la possibilité d’utilisation des technologies à faible émission de gaz carboniques, par exemple des systèmes de cogénération à gaz ou des chaudières de biomasse. Ces derniers sont en fin de compte quasi neutres en CO2 et permettent un approvisionnement des combustibles au niveau local ou régional. Dans le cas des systèmes de cogénération, la production décentralisée d’électricité permet de remplacer des ressources produites de façon centrale. Dans les centrales électriques plus grandes, la chaleur est généralement rejetée dans l’atmosphère ; de plus, la transmission et distribution de l’électricité provoquent des pertes supplémentaires. Les MRC basés sur la cogénération ne nécessitent pas de réseau de transmission, en plus l’efficacité est supérieure comparée aux centrales électriques car la chaleur n’est pas rejetée. Même dans le cas des MRC qui ne sont pas connectés aux réseaux de gaz, une réduction des gaz carboniques est significative car dans la plupart des cas, le MRC remplace un système à charbon ou électrique. Dans ces cas, le MRC peut fonctionner en produisant de la chaleur seule (biomasse etc.) ou comme un système de cogénération à fuel ou à biomasse. Des promoteurs de maisons reconnaissent que le recours aux MRC augmente la valeur environnementale des maisons. Cependant ceci n’a pas été, pour l’instant, largement utilisé comme argument marketing. Dans les cas où cet argument a été utilisé, la demande a été plus forte et les biens ont été vendus plus rapidement. Il y a actuellement une discussion autour de cette question : s’agit-il seulement d’un argument pour des acheteurs avec une sensibilisation plus forte sur les technologies vertes ou d’un argument pour un public plus large ? Il y a un certain temps, le système énergétique pour alimenter un bâtiment était conçu à la fin du processus de conception. Aujourd’hui, dans de plus en plus de cas, une stratégie énergétique est

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demandée pour le bâtiment à construire lors de la phase d’autorisation. Ceci a obligé les concepteurs à prendre en compte une stratégie énergétique dés le début de la phase de conception. Cette nouvelle approche a permis aux concepteurs de trouver une solution « optimale » en adaptant le bâtiment et le système énergétique. Elle a également un impact sur les aspects suivants : - Il n’y a pas de nécessité d’une chaudière individuelle (et machine frigorifique dans les cas intégrant des MRC en refroidissement) dans des maisons individuelles ; - Une production de chaleur centrale est généralement plus fréquemment et mieux entretenue ; - En général les coûts d’opération plus faibles ; - Il n’y a pas de risque de CO ou d’explosion, comme dans le cas des chaudières individuelles ; - Disponibilité d’eau chaude instantanément et en grande quantité ; - Dans le cas des systèmes de cogénération, ceci peut servir de système de « stand-by » ; - Moins de besoins d’espace pour le système de production ; - Conception des bâtiments : il n’y a pas de nécessité d’une connexion de chaque bâtiment ou maison au réseau de gaz et donc plus d’espace à l’intérieur ; Les inconvénients sont : - même si des pannes sont rares grâce à des maintenances régulières, tous les bâtiments connectés sont concernés en cas de panne. - Il s’agit souvent de contrats à long terme pour la souscription au réseau. Questions de conception L’implémentation de nouveaux MRC nécessite entre autres de clarifier les points suivants : - L’impact du MRC sur l’environnement – les systèmes de cogénération et de biomasse produisent des émissions de polluants au niveau local qui pourraient provoquer des réactions négatives ; - Un système centralisé nécessite un bâtiment de service à l’exception d’un petit MRC ou le système peut être intégré dans un des bâtiments connectés ; - Il y a des réglementations concernant les émissions ; au Royaume Uni la planification d’une cheminée pour un MRC à biomasse a conduit à une opposition contre cette solution ; - L’installation du réseau même est une question clé de la conception. En Ecosse, le réseau nécessite une autorisation supplémentaire.

ETAPE 3: MISE EN OEUVRE

3.1 3.1.1

Fiabilité de mise en œuvre sur chantier Conception adaptée au bâtiment

Il n’y a pas de difficultés particulières avec les aspects techniques des MRC. Tous les éléments techniques sont des produits fabriqués de façon industrielle. Les MRC sont par nature très flexibles et peuvent intégrer de nouvelles technologies –demandant encore le savoir faire des installateurs. Les éléments techniques du MRC sont : - Le système de chauffage (par exemple cogénération) ; - Le système de chauffage d’appoint ; - Le système de gestion technique ; - L’équipement assurant la qualité de l’eau ; - La tuyauterie pour la distribution ; - La connexion des unités : tuyauterie secondaire et interfaces hydrauliques (échangeurs de chaleur etc.).

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3.1.2

Acceptation par les acteurs

Comme pour toute autre technologie qui peut être inconnue par les installateurs, opérateurs et utilisateurs, il faut s’assurer que le MRC est proprement conçu, installé et géré. La formation des installateurs est très importante. Il y avait quelques problèmes au Royaume Uni à cause des coûts de connexion au réseau (électrique ou gaz) excessifs. En dehors de cela il n’y a pas d’autres problèmes. 3.1.3

Compétence des acteurs

Comme pour toute technologie qui peut être inconnue par les installateurs il est indispensable de surveiller de près l’installation et il sera judicieux d’avoir une personne responsable de cette surveillance. Quelques aspects nécessitent un savoir-faire au niveau ingénierie civile ou de plomberie. Il faut surtout insister sur une supervision par des experts, par exemple pendant les travaux de tuyauterie (et leur connexion) ainsi que pendant l’installation et le commissionnement des éléments de la centrale de production (cogénération ou biomasse). Les améliorations nécessaires en termes de compétence sont : - Les ingénieurs mécaniques et électriques ont besoin de formations supplémentaires et détaillées en ce qui concerne la conception de MRC ; - Les ingénieurs électriques ont besoin de formations supplémentaires et détaillées en ce qui concerne l’installation et le commissionnement des systèmes de cogénération ; - Les ingénieurs civils nécessitent des formations sur les réseaux et la distribution des MRC. 3.1.4

Adaptation des professions existantes

Les professions concernées par les MRC sont: - les architectes - les promoteurs - les bureaux d’études en chauffage - les ingénieurs civils - les installateurs en chauffage - les chaudronniers et soudeurs - les isolateurs - les électroniciens et fabricants de régulation - les électriciens et fabricants de sondes de température - les entreprises de chauffage - les entreprises de tubes - les entreprises de cuves Les professions qui nécessitent le plus d’amélioration de compétence sont les BET et les installateurs. La formation est difficile à organiser : - d’une part il y a peu de spécialistes pouvant enseigner, sauf peut-être en Allemagne, - d’autre part il y a un marché non récurrent pour le moment, de sorte que les BET hésitent à demander à se former. 3.2

Modalités de gestion, d’exploitation et de maintenance

Le fonctionnement d’un MRC est généralement géré par un local technique de gestion central et la gestion est également possible à distance.

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Une maintenance régulière de l’installation est obligée. Un réseau hydraulique moderne d’un MRC est très fiable ; les systèmes de surveillance permettent de localiser l’endroit d’une fuite dans une section du réseau. Les projets de MRC sont conçus sur la base d’un fonctionnement de 25 ans, ce qui est en cohérence avec les recommandations des fabricants des éléments du MRC. Cependant, un MRC peut fonctionner bien au-delà, même 50 ans. 3.3

Incitations réglementaire, fiscales, modalités de financement

Le marché des RC et des MRC en général est en croissance. La stabilisation de ce marché dépend de : - La disponibilité de cette technologie : systèmes de cogénération et biomasse, réseaux hydrauliques, modules de connexion des utilisateurs. Dans le cas d’éléments plus récents tels que la cogénération à biomasse, des piles à combustible etc. ceci est plus problématique. - Un nombre adapté d’entreprises (et donc force de travail) ayant le savoir faire. Vu le développement du marché la capacité est en croissance. - La possibilité de développer des solutions énergétiques à coût plus élevé. De nouveaux MRC pourraient apparaître dans le cadre de partenariats public/privé. - La volonté de considérer des solutions énergétiques avec des temps de retour plus longs (inévitable dans le cas de MRC à coût élevé). Au Royaume Uni des analyses de cycle de vie sont aujourd’hui encouragées. La faisabilité de MRC avec cogénération dépend également des prix de rachat d’électricité à un niveau raisonnable. Le marché libéralisé de l’énergie rend la situation plus difficile pour des générateurs décentralisés, mais récemment cette situation s’est améliorée. - Un politique nationale et des stratégies locales qui assistent au développement de cette technologie. Assistance des gouvernements et collectivités par des subventions, régulations, fiscalité etc. : - Canada : il existe des subventions pour des technologies très innovantes, mais il n’y a pas de subvention particulière pour des MRC. - Allemagne : la loi sur l’efficacité énergétique régule les subventions pour l’énergie produite par des ENR. Il existe également des initiatives locales pour réduire les émissions de gaz carboniques. - Suède : le facteur principal est la forte taxation des combustibles fossiles. Il y avait également un « programme vert » pour des investissements pour l’environnement. Une bonne partie de ces subventions gouvernementales a été utilisée pour des MRC. - Pays-Bas : bien qu’il y ait très peu de subventions, les politiques locales supportent les MRC. - Royaume Uni : de 2001-2007 le « Community Energy Programme » mettait à disposition de subventions pour le développement des MRC. Les MRC les plus connues ont été catalogués (Energy Saving Trust - EST).

Réglementations, normes, certification etc. : - Il n’y a pas de réglementation ou de norme particulière en ce qui concerne les MRC, en général les réglementations ou normes en vigueur concernent les RC. On peut citer une certification Européenne sur les tuyaux pré-isolés utilisés pour les RC (EN253) ou des raccords (EN448).

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Dans quelques pays le marché énergétique est régulé (par exemple aux Pays Bas) tandis que dans d’autres (par exemple RU) ce n’est pas le cas. Au Danemark il existe une loi sur la chaleur. En Suède il n’y a pas une telle loi, mais une taxation forte encourage les RC. A Londres les RC avec cogénération sont favorisés comparés à d’autres systèmes de chauffage ou à l’électricité du réseau. Un projet de plus grande ampleur qui n’intègrerait pas des MRC / RC et la cogénération ne sera très probablement pas autorisé. Ceci est en phase avec le plan de développement régional de la ville de Londres. Au RU il existe un programme d’assurance qualité pour la cogénération (Combined Heat and Power Quality Assurance programme - CHPQA) mettant en avant la performance énergétique et environnementale. Le programme n’est pas obligatoire, mais il permet de bénéficier d’avantages fiscaux.

ETAPE 4 : EVALUATION DES RESULTATS DANS LES PAYS CONCERNES

4.1

Les performances

Les sociétés de services énergétiques et de RC ont dans la plupart des cas un retour sur les performances des RC qu’ils gèrent. Par contre des informations internes et l’information générale sur les performances des MRC n’existe que très peu. Le retour des utilisateurs ou clients est également une partie importante pour l’évaluation de la qualité d’un MRC. Le cas du Royaume Uni est différent : grâce au programme gouvernemental « Community Energy Programme », les performances des MRC ont du être fournies pour la subvention. Un niveau acceptable a du être prouvé en termes de : - Réduction des émissions de gaz carboniques ; - Coût par tonne de gaz carbonique économisée ; - Une subvention de 1 £ pour 1£ d’économie d’énergie. 4.1.1

Energie

Quelques remarques générales en termes de consommations d’énergie : - Les systèmes montrent de bonnes performances énergétiques. En général, comme les MRC utilisent des ENR ou des déchets de chaleur, ils sont caractérisés par des économies d’énergie significatives ; - Le Canada et la Suède annoncent des économies d’énergies assez importantes par le remplacement de combustibles fossiles avec de la biomasse. La performance énergétique est très liée au cas particulier. A part une bonne conception et un bon dimensionnement du MRC, cette performance dépend : - des sources d’énergie et technologies utilisées ; - de la demande de chaleur des utilisateurs (la valeur et le profil de demande) ; - de la performance énergétique de la solution alternative (s’il s’agit de la cogénération, ceci dépend des indices de performance d’une production électrique par les centrales); Pour un MRC basé sur la cogénération à moteur par exemple, on peut estimer une réduction des émissions de CO2 de l’ordre de 30% comparé aux chaudières individuelles. Pour des MRC basés sur des déchets ou des énergies renouvelables cette réduction sera probablement bien au dessus de ces 30%. Cependant il ne faut pas oublier que ces systèmes nécessitent une chaudière conventionnelle comme appoint. L’exemple d’un MRC à Aberdeen (Ecosse), où le MRC a remplacé du chauffage électrique, montre une réduction des émissions de CO2 de 42%. 4.1.2

Stabilité, feu, tremblement de terre

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Les MRC ont un local central pour la production d’énergie. Ceci signifie que le risque sur plusieurs chaudières individuelles est réduit seulement à la centrale, cette dernière étant généralement mieux entretenue. De ce fait, dans des logements connectés à un MRC, il n’y a pas de risque d’explosion dû au gaz à cause de chaudières défectueuses. 4.1.3

Impacts environnemental et sanitaire

Comme mentionné précédemment, les MRC sont caractérisés par des performances plus élevées et des émissions de gaz carboniques réduites. En revanche les émissions issues de la centrale d’énergie du MRC doivent être vérifiées pour respecter les réglementations. 4.1.4

Risques de dégradation des performances après mise en œuvre

La Suède fait la remarque qu’il est difficile de connaître les dégradations des MRC car les MRC les plus anciens datent d’il y a moins de 15 ans. Au Pays-Bas, dont l’expérience est également d’une quinzaine d’années, on annonce une dégradation des performances non significative. En général, le MRC est maintenu régulièrement, une dégradation est donc minimisée. Les réseaux hydrauliques modernes ont une durée de vie assez élevée. 4.1.5

Compatibilité des performances

Pour des nouveaux projets, des économies peuvent être réalisées pour l’installation d’un MRC car la conception du MRC se fait en même temps que le reste du projet. Cependant, les bâtiments modernes ont des demandes de chaleur moins importantes ce qui rend les MRC relativement plus chers. Par contre, il peut y avoir une demande plus forte d’énergie frigorifique qui peut être intégrée dans le système.

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4.2

Coûts réels

Les coûts dépendent des particularités de chaque MRC : taille du réseau, combustible ou source(s) d’énergie, type des bâtiments liés au réseau etc. Généralement on peut dire que : - Les MRC demandent un fort investissement. Comparés avec des chaudières individuelles à gaz, les MRC sont plus chers. - Les coûts d’opération sont soit similaires à des solutions classiques, soit moins importants. - Il est important de comparer les coûts sur la durée de vie de la technologie. Bien que les MRC demandent un fort investissement, ils ont une durée de vie très longue avec environ 30-50 ans. Comme le prix des énergies augmente, les MRC sont capables d’intégrer d’autres sources d’énergie plus tard ce qui peut être un grand avantage. - Dans le cas des MRC avec cogénération permettant le rachat de l’électricité, les coûts à long terme (analyse de cycle de vie) sont bien plus bas que des solutions classiques. - Comme la motivation principale pour choisir un MRC est souvent une réduction des gaz carboniques, il serait plus judicieux de comparer cette solution avec d’autres solutions de réduction de gaz carboniques (et non avec des solutions classiques qui sont moins chères) : dans ce cas les MRC sont économiquement bien plus intéressants que des technologies renouvelables, intégrées au bâtiment. - Les coûts des technologies à faible émission de gaz carboniques vont sûrement baisser avec un marché croissant et donc une industrialisation plus importante. Les barrières à la réalisation des MRC dans les pays concernés sont (à part la Suède où la technologie est mature et acceptée) : - Le coût d’investissement. - Dans les pays ou régions où les politiques sont soumises à des changements (élections etc.) le développement de solutions à long terme comme les MRC sont moins soutenues. - Le risque d’envisager une solution de MRC trop tard. - La nécessité d’une société responsable pour la gestion du MRC (contrairement aux solutions individuelles ou l’occupant est le seul responsable). - Le refus de propriétaires de bâtiments de la responsabilité de facturation. - La mauvaise connaissance de la technologie et de ses avantages. - Les mauvais exemples d’anciens RC dont quelques-uns étaient mal conçus, installés ou maintenus. - L’engagement des utilisateurs ou clients une fois qu’ils ont souscrit à un contrat de MRC. - Des barrières institutionnelles, par exemple une mauvaise valorisation de l’électricité produite par la cogénération ; des coûts de gaz élevés avec des prix d’électricité bas. - Le manque de savoir faire professionnel. En termes de qualité, tous les aspects de MRC sont résolus et les produits sont industrialisés. Les éléments techniques sont améliorés en permanence, en particulier par les groupes de travail de l’agence Internationale de l’Energie sur les RC de chauffage et de refroidissement. Des technologies innovantes peuvent être facilement intégrées dans un réseau de chaleur existant, ce qui rend cette solution très élégante et permet de prévenir l’avenir. Une fois installé, le MRC peut profiter de plusieurs sources d’énergie, telles que : - Piles à combustible – avec la possibilité de fonctionner avec de l’hydrogène cette technologie promet des efficacités très élevées ; - Solaire thermique – dans quelques pays comme l’Allemagne il existe déjà des MRC intégrant l’énergie solaire ; avec le développement du stockage saisonnier cette solution est très prometteuse ;

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Il y a, en particulier en France, une série de RC géothermiques en fonctionnement ; le développement de cette technologie avec par exemple des forages plus profonds etc. renforcera encore cette technologie.

Remarque : cette flexibilité de sources d’énergie est plutôt valable pour des MRC de petite taille et non pour les RC. Des programmes de recherche pour le futur sont définis de façon méthodologique dans le cadre du programme « District Heating and Cooling » de l’AIE. Des projets récents incluent des projets sur les bénéfices de RC et MRC, l’intégration du froid, l’utilisation de systèmes innovants de métrologie, intégration de nouvelles technologies de stockage dans les réseaux, etc. La France n’est actuellement pas active dans le cadre de ces programmes. Pour une analyse économique, qui dépend fortement des spécificités de chaque projet, les coûts d’investissement et d’opération doivent être pris en compte. Un MRC innovant basé sur la biomasse demandera plus d’investissement qu’un MRC basé sur une cogénération à gaz. En règle générale, un MRC demandera plus d’investissement qu’un système « classique », mais aura l’avantage d’un coût d’opération plus faible. Une prise en compte de ce coût d’opération dans l’analyse économique est donc indispensable, mais difficile car l’évolution des prix d’énergie doit être estimée. Une analyse doit être faite sur la base d’un coût sur la durée de vie de l’installation. A titre d’exemple le RC de Pimlico à Londres est mentionné car les coûts d’opération pour les MRC connectés ont baissé de l’ordre de 10%. 4.3

Le vécu des utilisateurs

Les utilisateurs principaux des MRC sont les utilisateurs tels que les quartiers résidentiels, les hôpitaux, les écoles ainsi que les producteurs d’énergie fournissant les RC. Les MRC modernes sont très performants et fiables et les expériences et avis des utilisateurs sont en grande majorité positifs. Pour les MRC avec des systèmes de cogénération : - les bénéfices par le rachat d’électricité peuvent être offerts ; - les difficultés du marché (prix de gaz élevé, prix d’électricité bas avec en même temps une situation difficile pour des petits générateurs d’électricité) ont conduit dans quelques cas à la mise en arrêt des systèmes de cogénération. La mise en œuvre des technologies nouvelles soulève des questions en ce qui concerne le voisinage. Dans les pays scandinaves où les RC et les MRC sont une solution bien acceptée, ceci ne pose aucun problème. Au RU où la part du marché des RC et MRC reste faible, l’acceptation est moins favorable. Un rejet de cette solution est souvent dû au centre de production : l’intégration de ce centre de production qui demande un bâtiment dédié à cette production, est délicat. Se pose également la question des émissions de polluants, surtout pour les cas de cogénération (même si les émissions au niveau national sont réduites). Il est donc indispensable d’intégrer l’ensemble des partenaires (maîtres d’ouvrage, occupants, voisins etc.) dans les discussions dès la phase de réflexion.

4.4

Vitesse de diffusion dans le pays

En général, le marché des MRC est en faible croissance. La diffusion peut atteindre 54% dans le cas de la Suède (environ la moitié des réseaux sont des MRC) ou seulement 1-1.5% des logements comme dans le cas du Royaume Uni.

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Il existe des expositions, évènements organisés par l’industrie etc. mais le marketing est plutôt orienté vers les collectivités et moins vers les utilisateurs finaux. Ces activités de marketing sont faites par les industriels du domaine, les associations et des organisations non gouvernementales. Il y a une activité non négligeable pour l’export de technologies innovantes, mais plutôt ciblées sur la production de chaleur que sur les MRC en tant que système global.

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ETAPE 5 : REFLEXION CRITIQUE DU CSTB

5.1.1

Les forces

- Avantage pour la conception et l’usage des bâtiments. La production de chaleur étant extérieure, il n’y a pas de perte d’espace réservé à la chaudière. C’est donc plus d’espace disponible à l’intérieur du logement ; - La connexion à un réseau de gaz etc. n’est pas nécessaire ; - Les utilisateurs finaux n’ont pas le souci de l’entretien des équipements de chauffage ; - Il n’y a pas de risque de dégagement de polluants tel que le CO ou d’explosion de la chaudière individuelle ; - L’eau chaude est disponible instantanément et en grande quantité ; - Un recours aux énergies renouvelables est favorisé et ceci à un coût plus faible comme par exemple des MRC ayant recours à l’énergie solaire ; - Les MRC sont caractérisés par un coût d’opération plus faible que les systèmes classiques. 5.1.2

Les faiblesses

- Les opérations de MRC sont difficiles à monter car elles impliquent de nombreux acteurs. - Un système centralisé nécessite un bâtiment de service ; - Il faut réserver de l’espace au sol pour la centrale de MRC ; - Il faut prévoir l’installation de réseaux entre la production centrale et les périphériques. Ces réseaux constituent le troisième élément du système (central, périphériques, réseaux). Ces réseaux peuvent constituer des contraintes en termes de prise d’espace, de maintenance etc. ; - Même si les pannes sont rares grâce à des maintenances régulières, tous les bâtiments connectés sont concernés en cas de panne ; - Il s’agit souvent de contrats à long terme pour la souscription au réseau ; - L’impact visuel du bâtiment central du MRC peut être mal accepté par les riverains ; - Un frein au développement : l’inquiétude des habitants que l’investissement réalisé dans les MRC ne permette pas de revenir en arrière, c'est-à-dire de changer de mode de production d’énergie. Ils risquent de se sentir liés par un système ; - Il n’existe pas de profession identifiée et structurée en charge de promouvoir l’innovation ; - Les émissions de polluants sont plus « centralisées » qu’en cas de chauffage individuel ; - Les MRC nécessitent un investissement plus important qu’un système classique. 5.1.3

Les opportunités

- Les MRC s’inscrivent dans un courant porteur, un effet de mode : les particuliers sont plus sensibles aux économies d’énergie, à la protection de l’environnement, au développement durable ; - La conscience environnementale de l’Europe grandit ;

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- Les MRC vont dans le sens des politiques d’aménagement local qui privilégient la concentration de l’habitat ; - La nécessité d’une réhabilitation thermique peut conduire à une réflexion plus globale sur le mode de production du chauffage et de l’eau chaude sanitaire ; - Les aides des Pouvoirs Publics ; - L’ouverture du marché de l’électricité peut-elle profiter au développement des MRC ? 5.1.4

6 6.1

Les menaces

ETAPE 6 : CONDITIONS DE TRANSPOSITION EN FRANCE Les chances de transposition en France

- Il faut prévoir de réaliser les évaluations des opérations pour pouvoir en tirer des enseignements profitables aux opérations suivantes : analyse des coûts, évaluations des consommations, des systèmes techniques, des usages ; - Il risque d’y avoir une demande moins forte en France d’énergie de refroidissement, le besoin de confort d’été étant moins prononcé en France que dans les autres pays ; - Existe-t-il en France des sociétés en mesure d’exploiter et de faire la maintenance des MRC ? Est-ce des nouveaux métiers à créer ? - A-t-on une idée de l’état de la demande de MRC, de la part des collectivités ? des propriétaires ? Etc. ? - Quelles sont les chances de pouvoir susciter un intérêt, une demande chez les différents acteurs ? Sur quels intérêts, quelles valeurs ? - Le développement des MRC peut s’inscrire dans le courant porteur des économies d’énergie, la protection de l’environnement et développement durable ; - Pour une réponse plus détaillée sur ce point, il faudrait faire une analyse du processus de la prise de décision dans les différents pays et en France. 6.2

Compatibilité avec le cadre réglementaire

Il n’y pas d’incompatibilité notable avec le cadre légal français pour les MRC, pas plus que dans d’autres pays. 6.3

Quelle dynamique d’acteurs nécessaire ?

- La gestion du projet, la gestion organisationnelle est aussi importante que l’aspect technique. De son bon déroulement découlera le succès du projet. Il faut faire travailler ensemble les acteurs, les mobiliser, gérer les tensions, impliquer également les usagers finaux, etc. ; - Peut-on faire des propositions pour baisser les coûts grâce à une généralisation des systèmes, une industrialisation des techniques ? - Il est nécessaire de lever les obstacles venant des collectives locales par une communication appropriée, visite, etc. ;

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- Il est nécessaire de sensibiliser les usagers finaux par une communication appropriée : mettre l’accent sur les économies d’énergie, les énergies renouvelables, etc. ; - Il serait avantageux d’organiser des visites à l’étranger des installations de référence pour les acteurs et décideurs ; - Une réalisation de projets de démonstration de MRC avec différentes sources d’énergie permettrait à la fois une démonstration de la technologie ainsi que de ses particularités et performances. 6.4

Disponibilité des compétences de pose

- Dans le cas des MRC il s’agit d’une combinaison de technologies bien connues qui sont maitrisées en soi. Par contre il y a une compétence d’intégrateur des ces technologies à développer ; - Les compétences pour la maintenance des MRC sont à vérifier mais elles semblent être disponibles en France pour des RC de plus grande capacité. Il y a un transfert du savoir faire des grands réseaux vers les MRC à prévoir ; - Il n’y a pas que des compétences techniques. Il faut ajouter des compétences organisationnelles pour le gestionnaire du projet. 6.5 6.5.1

Quels types d’incitations à envisager ? La réglementation technique

- La prise en compte de la réglementation thermique est à vérifier ; comment prendre en compte le générateur central ? - Le réseau nécessite-t-il une autorisation spécifique ? 6.5.2

Le soutien des collectivités

- Aider au financement des installations pilote des MRC ; - Peut-on compter sur des subventions nationales et locales ? Crédit d’impôt ? Sous quelle forme ? De quel montant ? - Financer des actions de démonstration.

6.5.3

Initiatives privées

- Les encourager à choisir des technologies de MRC pour leurs bâtiments ou sièges sociaux serait une bonne promotion.

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ANNEXE : SOURCES D’INFORMATION

Les informations concernant les différents pays ont été en majorité obtenues par enquêtes auprès des contacts personnels. Les informations concernant le RU sont issues des connaissances de l’expert. Une liste de sources Internet fournit des informations détaillées sur les RC : - IEA District Heating & Cooling programme www.iea-dhc.org - Euroheat & Power www.euroheat.org Les sources suivantes sont également recommandées: - Energy Saving Trust www.est.org.uk/bestpractice - CE65 Community Heating – Aberdeen City Council Case Study - CE125 Pimlico District Heating Undertaking - Carbon Trust publication www.thecarbontrust.co.uk/energy - GPG388 Combined heat and power for buildings

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Comparaison internationale Bâtiment et énergie

C13 - ECLAIRAGE

Auteurs : Michel Perraudeau (michel.perraudeau@cstb.fr), Christophe Martinsons (christophe.martinsons@cstb.fr), Chantal Laumonier (chantal.laumonier@cstb.fr)

Expert : A. Deneyer (CSTC - Belgique)

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1. Contexte, antériorité, dynamique d’acteurs 1.1 Contexte Au niveau mondial, l’éclairage artificiel consomme 19 % de la production d’électricité, soit environ 2651 TWh. Cette consommation s’accompagne d’une émission de gaz à effet de serre évaluée à 1700 millions de tonnes de CO2. La mise en application des accords internationaux concernant la réduction de ces émissions a donc un impact direct sur le secteur de l’éclairage [1]. En France, la part de l'éclairage dans la consommation électrique est de l'ordre de 10 % (41 TWh en 1999). Cette consommation se répartit à peu près de la manière suivante : 30 % pour l'habitat, 10 % pour l’éclairage public et routier, 60 % pour les bâtiments tertiaires, industriels et commerciaux. Dans l’habitat, on constate depuis presque 30 ans une progression soutenue de la consommation d’électricité due à l’éclairage artificiel. On est ainsi passé de 5 TWh en 1979 à 14 TWh en 1999 [2]. L'objectif de réduction des consommations dues à l'éclairage s'est traduit par la prise en compte du poste éclairage dans la réglementation thermique (RT 2000) avec la définition de valeurs limites pour la puissance installée. Ces valeurs, exprimées en W/m² dans le cas général sont, dans certains cas exprimées en W/m² pour 100 lux afin de ne pas conduire à des situations pour lesquelles l'installation d'éclairage artificiel mis en place fournirait des niveaux d'éclairement bien inférieurs à ceux préconisés pour l'activité pratiquée. Malgré l’apparition de lampes basse consommation sur le marché grand public, on constate que les lampes à incandescence sont toujours, et de loin, les plus répandues dans l’habitat (environ 90 % de ce secteur). Cette domination du marché s’explique par le coût élevé des lampes basse consommation. Il est clair que l’impact négatif du fort prix de vente l’emporte sur les considérations de durée de vie et de consommation électrique. Outre la promotion des lampes basse consommation, la réglementation incite à utiliser des appareillages électriques performants pour les tubes fluorescents et des systèmes de contrôle et régulation. C'est tout particulièrement le cas en ce qui concerne les ballasts pour tubes fluorescents dans le cadre de la directive européenne 2000/55/CE. Avec la suppression progressive des ballasts ferromagnétiques et, dans un deuxième temps celle des ballasts électroniques les moins performants, on vise une diminution notable de la consommation d'un système complet (lampe + ballast). Le secteur tertiaire est plus particulièrement concerné par ce type de dispositifs. La réglementation vise également à une amélioration des conditions d'éclairage naturel. Dans ce domaine, les performances des bâtiments sont directement liées aux choix qui ont été faits pour les matériaux verriers. L'amélioration des performances thermiques de ces matériaux entraîne une diminution de la transmission lumineuse. Plus la surface vitrée augmente, plus l'on a recours à des matériaux à faible facteur solaire et plus la transmission lumineuse baisse. Dans de très nombreux cas, la situation en éclairage naturel est paradoxalement bien moins bonne que celle que l'on avait pour des bâtiments "normalement" vitrés. La vue sur l'extérieur est certes améliorée mais l'utilisation de l'éclairage artificiel se trouve renforcée. Pour compenser ce phénomène, les fabricants de matériaux verriers et de dispositifs d'éclairage naturel et de protection solaire proposent différents types de solutions : matériaux verriers pour lesquels le rapport entre transmission lumineuse et facteur solaire est amélioré, dispositifs de protection solaire permettant une redirection de la lumière du jour "loin" des ouvertures, apports de lumière du jour dans des zones pas ou peu éclairées au moyen de conduits de lumières.

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1.2 Antériorités dans le domaine de l'amélioration de l'efficacité des lampes Le critère associé à la notion de basse consommation des lampes est l'efficacité lumineuse en lumens par watt (lm/W) qui exprime le rapport entre la quantité de lumière visible émise et la puissance électrique consommée. Les lampes à incandescence actuelles ont une efficacité médiocre : environ 12 à 15 lm/W pour les lampes à incandescence traditionnelles et de 20 à 25 lm/W pour les lampes halogènes. Les autres technologies de lampes disponibles sur le marché ont une meilleure efficacité et font l'objet de développements innovants présentés dans la section suivante de ce document [2].

1.2.1 Lampes fluorescentes linéaires (tubes fluorescents) Cette technologie domine le marché en raison de son utilisation extensive dans les secteurs tertiaire et industriel. Les tubes T12 de diamètre 38 mm, associés à des ballasts magnétiques, sont parmi les plus anciens modèles toujours en utilisation. Ils présentent des problèmes bien connus de papillotement et le flux lumineux n'est pas ajustable. Les tubes T8, plus récents, ont un diamètre 25 mm et sont maintenant les plus vendus. Ils utilisent des ballasts électroniques plus performants. Les progrès dans les poudres fluorescentes ont permis de réduire encore le diamètre des tubes. Par exemple, les tubes T5 ont un diamètre de 13 mm. Ces tubes de faible diamètre sont néanmoins mal acceptés du fait de leur luminance élevée et des nuisances visuelles associées. Ces lampes fluorescentes ont une très bonne efficacité lumineuse, comprise entre 50 et 100 lm/W, et possèdent un indice rendu des couleurs élevé.

Les différents formats de tubes fluorescents

1.2.2 Lampes basse consommation « fluocompactes » Les lampes « fluocompactes » appartiennent à la famille des lampes à décharge « basse pression », dont font partie les tubes fluorescents. Apparues dans les années 80, elles ont été les premières alternatives performantes au remplacement de l'incandescence. Ces lampes utilisent un tube de faible diamètre, replié sur lui-même, et un ballast électronique intégré. Elles sont équipées de culots semblables à ceux des lampes à incandescence, ce qui les rend interchangeables avec ces dernières.

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Les avantages de ces lampes sont bien connus. L’efficacité lumineuse est comprise entre 40 et 80 lm/W et leur durée de vie est comprise entre 6000 et 12 000 heures, contre 3000 heures pour les lampes à incandescence. Même si cette efficacité lumineuse est légèrement inférieure à celle des tubes fluorescents classiques, le gain se traduit par une consommation 4 à 5 fois plus faible que celle de l'incandescence. Malgré ces avantages, il subsiste un certain nombre d’inconvénients comme par exemple le temps de mise en régime, qui peut parfois atteindre plusieurs minutes, l'encombrement et le poids. De plus, les lampes fluocompactes encastrées ont tendance à éblouir les usagers, à l’instar des tubes fluorescents T5. Pour ces raisons, ces lampes n'ont pas eu le succès espéré. Si sur tous ces aspects, de nombreux progrès ont été effectués, le nombre de lampes fluorescentes compactes commercialisées annuellement est encore environ 15 fois plus faible que celui des lampes à incandescence.

Lampe fluocompacte Philips démontée : tube, ballast électronique et culot

1.2.3 Lampes fluorescentes compactes à cathode froide Il s’agit de lampes fluorescentes dont les électrodes ne possèdent pas de filament. Les tubes de ces lampes peuvent être miniaturisés (diamètre 3mm) et repliés. Le rendement lumineux est inférieur à celui d’une lampe fluocompacte traditionnelle mais la durée de vie annoncée est de 10 000 heures. Ces sources ont un temps de mise en régime plus court et sont plus adaptées à des extinctions et des allumages fréquents. On trouve dans le commerce des « spots » de ce type d’une puissance de 5 W destinés à remplacer les spots halogènes (lampes à incandescence) de type GU10 d’une puissance de 25 W ou 50 W.

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Lampe fluorescente compacte à cathode froide et culot GU10 (AW lighting)

1.2.4 Lampes fluorescentes à induction Ces lampes, développées initialement par Philips (lampes QL) et Matsushita (Everlight) au début des années 1990, n’utilisent pas d’électrodes pour générer la décharge dans le tube fluorescent. C’est une bobine située à l'extérieur du tube qui apporte l’énergie par induction magnétique. La durée de vie de ces lampes est notablement améliorée puisqu’elle atteint les 100 000 heures, avec un rendement de 65 lm/W. Ces lampes ont une puissance élevée et un encombrement important en raison des dimensions de l'appareillage électrique. Elles sont traditionnellement réservées à l’éclairage public car le prix des produits est élevé et, malgré leur durée de vie, l’amortissement est très long. Une nouvelle génération de lampes à induction de puissances plus faibles (de 10 à 40 W) est également apparue. Avec un appareillage électrique intégré à la lampe, elles présentent un encombrement limité (mais supérieur à celui des lampes fluorescentes compactes) permettant une utilisation en remplacement des lampes à culot E27 ou B22. Ces lampes ont une efficacité lumineuse pouvant atteindre 75 lm/W pour une durée de vie de plus de 60 000 heures.

Lampe à induction GENURA (GE Lighting)

1.2.5 Lampes à décharge « haute pression » ou HID (high intensity discharge) Ces lampes fonctionnent avec des décharges très courtes et très intenses (arcs) entretenues dans des milieux gazeux sous des fortes pressions. Elles sont utilisées pour les applications professionnelles, pour lesquelles des moyennes et fortes puissances sont requises. Leur efficacité lumineuse est comprise entre 50 et 120 lm/W. La durée de vie de ces lampes dépasse les 12 000 heures. Les plus utilisées sont : z

lampes sodium haute pression : elles se distinguent par leur coloration ambre et donnent, par conséquent, un mauvais rendu des couleurs. Elles sont surtout utilisées en éclairage urbain et routier ;

lampes à halogénures métalliques et enveloppe céramique (C-MHL : ceramic metal halide lamp). La lumière produite est blanche avec un rendu des couleurs pouvant atteindre 95%. Elles sont utilisées pour l'éclairage des stades et de lieux publics.

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Lampe C-MHL Osram

1.2.5 Diodes électroluminescentes (light emitting diodes ou LED) Les LED sont à la base des sources de lumières colorées, utilisant des structures solides semiconductrices de petite dimension (inférieure au mm). A l’origine, leur faible puissance ne leur permettait d’être utilisées que pour des applications d’indication lumineuse. Or, depuis l’invention des LED bleues à la fin des années 1980, les LED sont maintenant capables de produire indirectement de la lumière blanche, soit par l’utilisation de particules luminescentes émettant une longueur d’onde complémentaire, soit par l’association de trois LED différentes [2, 3]. L’évolution des LED blanches pour l’éclairage est très soutenue depuis 10 ans. On trouve maintenant des composants de fortes puissances (140 lm pour la Philips Lumiled Luxeon K2). Ces progrès rapides ont abouti à des sources de lumière blanche compactes et robustes dont la durée de vie est très grande (de l'ordre de 50 000 heures) et dont l’efficacité lumineuse tend vers celle des lampes fluorescentes (50-60 lm/W actuellement). D’autres aspects techniques freinent actuellement l’utilisation des LED en éclairage général : reproductibilité et dérive de la couleur, caractère ponctuel et directivité de la lumière, évacuation de la chaleur produite, maintien des performances nominales en fonction de la température, indice de rendu des couleurs médiocre. Pour toutes ces raisons, les luminaires à base de LED disponibles à ce jour sont principalement destinés à l'éclairage décoratif ou à la mise en lumière mais pas à ce qui relève de l'éclairage fonctionnel demandant un minimum de performances.

Luminaire à LED (société LEC)

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1.3. Antériorité dans le domaine des dispositifs d’éclairage naturel De manière très générale, il est difficile d’obtenir un éclairage naturel satisfaisant au-delà de 4 à 6 mètres des fenêtres [4]. Pour fournir un éclairage naturel dans ces zones pas ou peu éclairées, il faut avoir recours à des dispositifs optiques spécifiques permettant d’acheminer de la lumière du jour au travers des structures opaques du bâtiment. Parmi les nombreux dispositifs issus de la recherche dans ce domaine depuis les années 1980 (étagères à lumière, conduits anédoliques, héliostats, etc.), les conduits de lumière naturelle sont sans doute ceux qui connaissent aujourd'hui la meilleure diffusion sur le marché de la construction. Ces dispositifs, appelés aussi tubes de lumière naturelle, sont constitués des éléments suivants : z

un collecteur destiné à capter la lumière du ciel ;

une structure tubulaire dont les parois internes sont réfléchissantes, dont la fonction est de guider la lumière collectée par réflexions internes ;

un élément terminal éclairant (diffuseur).

Pour donner un ordre d’idée sur l’efficacité de ces dispositifs, on peut comparer très approximativement l’apport d’un tube de lumière (comportant un élément en angle) par ciel couvert en France à l’apport lumineux d’une lampe à incandescence de 60 W. En France, ces dispositifs ont fait l’objet d’avis techniques par le CSTB et sont disponibles à la vente.

Schéma de principe des conduits de lumière naturelle de la société Solatube

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1.4 Antériorité dans le domaine des dispositifs de contrôle et régulation Les principaux fabricants de luminaires proposent depuis de nombreuses années des systèmes de contrôle et de régulation de l'éclairage intérieur prenant en compte les apports en lumière du jour et la présence effective. Ces systèmes utilisent des capteurs de lumière et des détecteurs de mouvements. Dans les bâtiments industriels et tertiaires, les dispositifs centralisés de gestion du bâtiment associent la régulation de l’éclairage à celle du chauffage. Depuis peu, dans le cadre du concept d'éclairage et santé, sont apparus des dispositifs permettant à l'occupant de paramétrer son ambiance lumineuse en jouant à la fois sur le niveau d'éclairement et sur la couleur de la lumière [5].

1.5 Dynamique d’acteurs 1.5.1 Fabricants de lampes L’industrie des lampes est un des secteurs industriels qui connaît une des plus fortes progressions depuis vingt ans. Le chiffre d’affaire total pour ce secteur est d’environ 14 milliards d’euros par an. Cette industrie se partage entre trois acteurs internationaux de très grande taille [2] : -

Philips Lighting : CA de 5 milliards d’euros

Osram, filiale de Siemens : CA de 4 milliards d’euros

General Electric Lighting : CA de 3 milliards d’euros

Ces trois sociétés représentent plus de 85 % du chiffre d’affaire global de l’éclairage. D’autres entreprises de taille plus modeste sont actives mais ne représentent qu’au total 2 milliards d’euros de chiffre d’affaire. On peut notamment citer le japonais Matsushita et Sylvania International Lighting, qui vient d’être rachetée par le groupe indien Havell’s. Notons par ailleurs qu’il existe de nombreux fabricants chinois sur le marché des lampes basse consommation. Bien qu’actuellement pénalisés par la politique européenne de taxation antidumping qui les frappe, on peut néanmoins s’attendre à une arrivée en force de ces nouveaux acteurs dans les prochaines années. Dans le domaine spécifique des LED, beaucoup de développements sont effectués par des entreprises des semiconducteurs (Cree, Nichia, Toyoda Gosei,...). Cependant, les trois grands industriels des lampes ont chacun investi dans le rachat d'entreprises spécialisées pour créer des divisions technologiques spécifiques : Philips Lumiled, GE Lumination, Osram Opto Semiconductors.

1.5.2 Fabricants de luminaires Les grands fabricants de lampes (Philips Lighting, Osram et GE Lighting) ont chacun développé une activité importante dans la production de luminaires d’éclairage extérieur, notamment pour l’éclairage urbain et l’éclairage routier. Ainsi, Philips Lighting possède à Miribel, en banlieue lyonnaise, son centre de recherche européen OLAC dédié aux applications d’éclairage intérieur et extérieur, fonctionnel et architectural. A côté de ces grands acteurs, on trouve également un certain nombre de fabricants de luminaires, de plus petite taille. En Europe, on peut citer le groupe Zumtobel (8 000 personnes) et sa marque Thorn, leader européen des luminaires et des équipements électriques associés. En France, des sociétés plus petites, comme Sarlam, ont une activité importante sur le marché des luminaires.

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1.5.3 Eclairagistes La conception, l’installation et la maintenance de l’éclairage reposent sur de nombreuses sociétés et bureaux d’études. Ces structures sont sollicitées par des donneurs d’ordre privés ou des collectivités territoriales via les mécanismes d’appels d’offres. Dans le domaine de l’éclairage public, on peut citer la société Forclum du groupe Eiffage, leader français sur ce secteur. Les projets d’éclairages architecturaux sont quant à eux traités par des « concepteurs lumière » proches des architectes.

1.5.4 Groupements professionnels En France, le syndicat de l’éclairage fédère des fabricants français et des filiales françaises de fabricants étrangers de lampes, de luminaires et d’appareillage de gestion et contrôle d’éclairage. Le GIL (groupement des industriels du luminaire) rassemble des fabricants de luminaires de petite et moyenne tailles. Au niveau européen, le CELMA fédère les associations nationales de fabricants de luminaires et de composants électrotechniques et la ELCF rassemble les fabricants de lampes. Les éclairagistes et concepteur lumière sont regroupés en France au sein de l’ACE (association des concepteurs lumière et éclairagistes).

1.5.5. Fabricants de conduits de lumière naturelle Les tubes de lumière naturelle ont été brevetés et industrialisés à la fin des années 1980 par la société australienne Solatube. Depuis, le concept a été repris par d’autres sociétés : Solarspot en Italie ou Glidevale au Royaume-Uni. La société Velux, spécialiste des fenêtres de toit, les propose également dans son catalogue.

1.5.6 Comités technico-normatifs Au niveau international, la CIE (commission internationale de l’éclairage) est chargée de l’élaboration des normes d’éclairage. Certaines d’entre elles sont transposées en normes internationales (ISO), européennes (CEN) ou françaises (AFNOR). La section française de la CIE est le CNFR (comité national français de l’éclairage). Au niveau français, l’AFE (association française de l’éclairage) est une autorité reconnue pour la formation, la rédaction de guides techniques et l’élaboration de préconisations spécifiques à certaines activités.

1.5.7 Initiatives et référentiels de qualité environnementale Différentes initiatives visant à réduire l’impact écologique du cadre urbain ont été mises en place par les pays industrialisés. A titre d’exemple, on peut citer le système d’évaluation LEED américain. En France, le référentiel HQE comprend une cible éclairage visant à définir un apport minimal de

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lumière naturelle dans les locaux. Ces initiatives sont des moteurs de l’innovation dans le domaine de l’éclairage naturel et artificiel. Des labels grand public comme « Energy star » en Europe orientent facilement le consommateur vers des produits de meilleure efficacité énergétique.

1.5.8 Acteurs politiques et institutionnels L’engagement de certains pays sur des objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de maîtrise des dépenses énergétiques a un impact important sur les choix de l’éclairage de demain. Il s’agit ici d’orientations à l’échelle nationale et internationale, au niveau par exemple de l’Union Européenne. Les agences de l’énergie sont particulièrement actives dans ce domaine. Ainsi, l’agence internationale de l’énergie (AIE) a défini un scénario d’amélioration de l’efficacité des lampes basé sur la minimisation du coût de l’éclairage, évalué sur toute la durée de vie (LLCC ou Least Life Cycle Cost) [1].

2. Contenu de l’innovation D'un point de vue technologique, la diminution de la consommation électrique de l'éclairage artificiel repose principalement sur trois axes : z

Evolution de la technologie des lampes ;

Meilleure utilisation des apports en lumière naturelle ;

Réduction de la durée d'utilisation de l'éclairage artificiel par l'amélioration des techniques de régulation.

De plus, la mise en œuvre de nouveaux principes d'éclairage offre des possibilités intéressantes pour la réduction du coût de l'éclairage artificiel : z

Combinaison d'un éclairage de fond diffus, associé à des éclairages « personnalisés » plus directifs et localisés ;

Eclairage distribué par fibres optiques.

2.1 Evolution de la technologie des lampes 2.1.1 Evolution des lampes à incandescence Il est intéressant de noter que les fabricants annoncent le développement de nouvelles générations de lampes à incandescence avec des rendements lumineux améliorés, proches de ceux des sources fluorescentes. Deux pistes sont poursuivies [6] : -

utilisation d’un revêtement mince déposé sur les parois de la lampe et destiné à réfléchir une partie du rayonnement infrarouge émis par le filament ;

utilisation d’un filament possédant une microstructure de cristal photonique dont la bande d’émission est calée sur le spectre visible. Une telle structure est capable de piéger le rayonnement thermique infrarouge, dont les longueurs d’onde sont plus grandes.

A titre d’exemple, GE Lighting a annoncé la disponibilité en 2010 des lampes HEI (high efficiency incandescence) dont les prototypes ont un rendement deux fois plus élevé (30 lm/W) que celui des lampes incandescence classiques. GE Lighting prévoit encore de doubler ce rendement.

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2.1.2 Evolution des lampes fluocompactes Ces lampes, utilisables en remplacement des lampes à incandescence classiques, font l’objet de constantes améliorations. Les rendements lumineux pourraient dépasser les 60 lm/W en 2010 grâce à l’utilisation de nouveaux mélanges gazeux et de nouveaux revêtements fluorescents. Les fabricants visent aussi à obtenir une mise en régime presque instantanée par le biais de ballasts électroniques plus performants. Une initiative intéressante du fabricant chinois Shanghai Hongyuan est la mise au point d’une lampe compacte à induction, dont le coût est beaucoup plus bas que celui des lampes à induction actuelles. Le ballast électronique intégré permet une gradation de la lumière émise. Le rendement annoncé d’une lampe de ce type ayant une puissance électrique de 200 W est de 100 lm/W. La durée de vie annoncée est de 60 000 h [7].

2.1.3 Evolution des lampes à décharge haute pression Les progrès récents dans la conception d'enceintes céramiques transparentes et réfractaires permettent aux lampes à halogénures métalliques (C-MHL) d'évoluer vers des formats plus compacts. C’est ainsi que ces lampes « professionnelles » pourraient bientôt s'attaquer au marché de l'éclairage d'intérieur et de décoration, en remplacement des lampes à incandescence. La physique impose néanmoins des limites sérieuses à la réduction du format des enceintes (augmentation des gradients thermiques) et de la taille des électrodes (problèmes de résistance électrique et de chute de tension). Dans l’état actuel de la technologie, la puissance de 70 W apparait comme un seuil en deçà duquel l’efficacité lumineuse ne peut plus atteindre 60 lm/W et se dégrade considérablement [8].

2.1.4 Evolution des LED L'efficacité lumineuse des LED évolue très vite. Philips Lighting prévoit que les innovations dans les techniques d'élaboration des structures de nitrure de gallium (GaN) et dans les méthodes d'encapsulation, permettront rapidement de dépasser le seuil de 100 lm/W [9]. La constante amélioration des caractéristiques des LED proposées par les fabricants devrait, dans quelques années, permettre une large diffusion de ces sources lumineuses aussi bien dans l'habitat que dans les bâtiments du tertiaire ou dans les locaux commerciaux. Pour que cette percée se réalise, il est nécessaire de concevoir des luminaires spécifiques qui prennent en compte les aspects ponctuels et directifs de la lumière émise par les LED. Par ailleurs, l'association d'un nombre important de LED dans un même luminaire impose l'utilisation d'une alimentation électrique spéciale permettant de contrôler individuellement les variations lumineuses de chaque élément.

2.1.5 Vers des lampes minces et étendues : potentiel des lampes à OLED Le concept de lampe mince et de grande surface est séduisant. En effet, l'utilisation d'une lampe « étendue » réduit les niveaux de luminance nécessaire à l'obtention d'un éclairement donné. On évite ainsi les phénomènes d'éblouissement tandis que la lumière produite peut être distribuée de

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manière plus uniforme. Au-delà de la notion de confort visuel, ce concept permet une intégration architecturale novatrice, aussi bien en intérieur qu'en extérieur. On pense par exemple à des plafonds ou des murs éclairants. Les premières tentatives de conception de ce type de lampe étaient basées sur l'utilisation de films électroluminescents. Cependant, les inconvénients liés à l'alimentation à haute tension et la diminution de l'efficacité lumineuse au cours de la vie du produit n'ont pas permis d'aboutir à des lampes utilisables en éclairage général, à l'exception de veilleuses nocturnes ou de rétroéclairages d'afficheurs. Les OLED (diode électroluminescentes organiques) représentent la technologie la plus prometteuse pour la réalisation de lampes minces et étendues. Il s'agit de LED réalisées à partir de polymères organiques semiconducteurs, sous la forme de films de faible épaisseur. Au total, celle-ci ne dépasse pas 1 mm. On obtient des éléments éclairants souples, légers, partiellement conformables, et qui émettent une lumière diffuse. Cette technologie a été brevetée initialement par Kodak en 1998 [10, 2]. A l'heure actuelle, les OLED sont utilisées à grande échelle pour des afficheurs de produits électroniques et des écrans de téléviseurs. Les grands industriels de l'éclairage réalisent actuellement de gros investissements pour développer les filières OLED auxquelles ils croient beaucoup pour la réalisation de lampes minces. Ainsi, Philips a formé un partenariat stratégique avec Novaled, une société spécialisée dans les OLED. Osram a quant à lui racheté plusieurs sociétés asiatiques en pointe dans cette technologie. Des avancées technologiques importantes sont actuellement réalisées dans le but d'augmenter l'efficacité lumineuse et la durée de vie des prototypes actuels. Novaled a annoncé en 2006 une OLED dont la durée de vie est de 20 000 heures et dont l'efficacité atteint les 32 lm/W, valeur modeste mais record pour cette technologie. Signe de la vitalité du développement des OLED, le japonais Konica Minolta a conçu en 2007 un prototype d'OLED blanche dont l'efficacité dépasse les 60 lm/W. Plusieurs projets européens ont été montés pour développer les OLED sur le marché de l'éclairage. On peut citer le projet OLLA (projet intégré du 6ème PCRD, thème IST) qui rassemble un consortium de 24 partenaires industriels et universitaires. Ce projet est financé à hauteur de 12 millions d’euros par l’Union Européenne.

Protototype de lampe OLED (Osram)

2.2 Meilleure utilisation des apports en lumière naturelle La réduction de la durée d'utilisation de l'éclairage artificiel passe par l'optimisation des apports en lumière du jour [11]. Un éclairage naturel adapté doit permettre de limiter le recours à l'éclairage

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artificiel quand le potentiel lumineux est faible (ciel couvert ou soleil ne tombant pas sur les ouvertures) mais également quand celui-ci est important (la mise en place d'une protection solaire ne devrait pas conduire à l'allumage des lampes). L'utilisation de stores toile pour contrôler les apports en lumière du jour constitue une solution très largement répandue mais qui n'est pas sans poser des problèmes du point de vue du confort visuel. Il faut en effet chercher à optimiser l'occultation de la lumière solaire directe et la luminance de toile afin qu'elle ne génère pas de situation d'éblouissement. Les possibilités de contrôle des apports en lumière du jour sont nombreuses : soit directement par le vitrage, soit en faisant appel à un dispositif complémentaire fixe ou mobile. Les différents types de vitrage "actifs" (électrochrome, thermochrome ou photochrome) ont souvent des performances "moyennes" en termes de transmission lumineuse : soit celle-ci est faible, soit elle s'accompagne d'une coloration de la lumière transmise. Pour cette raison, mais aussi pour leur coût élevé, ces dispositifs sont peu utilisés et le contrôle des apports lumineux se fait essentiellement par l'intermédiaire de dispositifs de protection solaire fixes ou mobiles, intérieures ou extérieures ou bien encore, directement intégrées dans le vitrage. Dans une grande partie des situations, un éclairage naturel plus "performant" consiste à optimiser les performances des dispositifs de protection solaire. Cette optimisation concerne aussi bien les caractéristiques géométriques que les caractéristiques photométriques (réflexion et/ou transmission et couleur) des matériaux utilisés ainsi que, pour les protections mobiles, des choix qui sont faits quant à la mise en place (partie de l'ouverture protégée, inclinaison des lames, etc.). Pour les dispositifs à base de lames fixes, la recherche de l'inclinaison optimale des lames pour l'ensemble des conditions lumineuses susceptibles d'être rencontrées doit permettre d'éviter que ces dispositifs ne soient trop pénalisants par condition de ciel couvert ou de soleil n'atteignant pas la façade.

2.3 Amélioration des dispositifs de régulation L'optimisation de l'éclairage intérieur passe en partie par la mise en place de systèmes de gestion de l'éclairage artificiel et/ou de l'éclairage naturel. Pour les systèmes de protections solaires à lames mobiles, un système de gestion performant doit permettre de limiter les apports solaires directs, tout en laissant entrer suffisamment de lumière pour ne pas à avoir recours (ou le moins souvent possible) à l'éclairage artificiel de complément. En complément de cette gestion des apports en lumière du jour, un système de gestion de l'installation d'éclairage artificiel permet d'optimiser le fonctionnement de celle-ci en apportant de la lumière artificielle là et seulement là où cela est nécessaire (fractionnement de l'installation en différentes zones, ou mieux encore luminaire par luminaire). Si, de plus, l'installation permet d'apporter uniquement ce qui est nécessaire (gradation des lampes), la consommation de l'éclairage artificiel de complément se trouve vraiment optimisée : la comparaison d'un fonctionnement théorique parfait entre une installation ne supportant que le fonctionnement « on/off » et une installation supportant la gradation montre que, dans ce dernier cas, la consommation peut être divisée par un facteur pouvant atteindre deux.

2.4 Développement de nouveaux principes d'éclairage 2.4.1 Combinaison d'un éclairage de fond diffus, associé à des éclairages « personnalisés » plus directifs et localisés

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Pour les lieux de travail, ceux du tertiaire tout particulièrement, on peut envisager dans certains cas d'avoir une autre conception de l'éclairage artificiel : au lieu de mettre en place une installation fournissant le niveau d'éclairement recommandé sur l'ensemble du local avec une très bonne uniformité, on peut opter pour une installation d'éclairage général, fournissant un niveau d'éclairement moyen moindre, couplée avec des éclairages localisés des postes de travail. Ce principe ne peut pas être généralisé et quand il peut être appliqué, il doit continuer à respecter les différents aspects du confort visuel (niveaux d'éclairements, équilibre des luminances...) Bien qu'il ne soit pas lié aux aspects technologiques de l'installation d'éclairage, mais à la conception de l'éclairage intérieur, ce dernier point méritait d'être cité car là où il est possible de le mettre en œuvre, il peut conduire à des économies substantielles. Bien évidemment, ces économies seront encore supérieures si on l'associe à l'utilisation de lampes basse consommation.

2.4.2 Eclairage par fibres optiques L'éclairage par fibre optique [8] consiste à utiliser une source de lumière déportée couplée à un réseau de fibres optiques qui vont distribuer la lumière à plusieurs endroits d'un bâtiment. L'avantage de ce principe est de pouvoir utiliser une source de lumière de forte puissance et d’efficacité lumineuse élevée (lampe C-MHL par exemple), située dans un lieu où l'alimentation électrique et le dégagement de chaleur ne posent pas de problème de sécurité. Des applications intéressantes sont surtout envisagées dans les espaces commerciaux et, plus généralement, les espaces accueillant du public. La lumière produite n’est pas associée à un quelconque dégagement de chaleur et elle peut être distribuée dans des espaces très froids comme des compartiments réfrigérés ou des chambres froides (à ces températures, les lampes à décharge fonctionnent mal). De plus, les fibres optiques permettent de créer des effets de lumière qui allient l'éclairage fonctionnel, la mise en valeur et la décoration, domaines dans lesquels les « spots » halogènes (incandescence) sont très utilisés. Aux Etats-Unis, un projet de 17 millions de dollars, financé à hauteur de 10 millions de dollars par le gouvernement américain (DARPA), est porté par la société Energy Focus, liée à GE Lighting, dans le but de développer cette technologie.

Système d’éclairage par fibres optiques (société Energy Focus)

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3. Mise en œuvre 3.1 Lampes basse consommation Si le critère d'efficacité lumineuse est suffisant pour parler d'économie d'énergie, il ne faut pas faire l'impasse sur les autres critères de performances d'une lampe : température de couleur, indice de rendu des couleurs (IRC), durée de vie, etc. En fonction du lieu concerné et de l'activité qui y est pratiquée, ces autres critères vont avoir une plus ou moins grande importance. C'est notamment le cas de l'indice de rendu des couleurs qui, pour certaines tâches, constitue le premier critère de qualité de la source de lumière à utiliser. La recherche de lampes à haute efficacité doit toujours s'accompagner du souci de préserver le confort visuel des personnes. L'utilisation de lampes basse consommation constitue la solution permettant d'avoir l'impact le plus important sur la consommation totale liée à l'éclairage [12]. Cet impact doit être nuancé en fonction du type de bâtiments concernés. Le remplacement des lampes à incandescence dans l'habitat constitue le gisement d'économies le plus important. Dans le tertiaire, les tubes fluorescents, qui constituent la quasi-totalité des installations, ont un niveau de performance relativement élevé et les économies réalisables en remplaçant ces lampes et/ou leurs appareillages électriques sont plus limitées. Les locaux commerciaux, qui font très largement appel à l'éclairage artificiel pour mettre en valeur les produits, sont très concernés par l'utilisation de lampes performantes.

3.2 Mise en œuvre de dispositifs d'éclairage à LED La mise en œuvre pratique de lampes basées sur les LED nécessite l'intégration de dispositifs électroniques dans les luminaires [2]. Les fonctions de ces appareillages sont les suivantes : z

conversion du courant alternatif du réseau électrique en courant continu stabilisé et de faible tension ;

alimentation individuelle de chaque LED du luminaire ;

régulation du courant d'alimentation de manière à faire varier le flux lumineux sans varier sensiblement le spectre d'émission. Des méthodes de modulation de type PWM (pulse width modulation) doivent être utilisées.

Notons l'initiative pour l'instant très marginale de la société Seoul Semiconductors qui a mis sur le marché une LED d'éclairage directement alimentée sur secteur (Acriche AC LED). Dans cet esprit, la mise en œuvre de luminaires à LED pourrait certainement être facilitée par la co-intégration de fonctions électroniques de conversion/régulation dans le composant lui-même. Par ailleurs, les luminaires à LED doivent avoir une conception thermique plus complexe que les autres luminaires de manière à évacuer efficacement la chaleur produite localement par chaque LED [13]. 3.3 Mise en œuvre de dispositifs à OLED Les lampes à OLED représentent une rupture dans les principes fondamentaux de l'éclairage [10]. A l'inverse des LED, qui sont pénalisées par le caractère ponctuel de l'émission lumineuse, les OLED sont des émetteurs de grande surface, plans et minces, et qui pourraient certainement être mis en forme avec une courbure cylindrique. Les premières applications des OLED seront probablement des lampes planes de dimensions moyennes, et qui seront encapsulées dans des matériaux verriers. On constate d'ailleurs un intérêt

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grandissant pour les OLED de la part des industriels des verres comme Saint-Gobain qui entrevoient un marché important dans ce secteur. La mise en œuvre de dispositifs à OLED nécessitera également des systèmes électroniques sophistiqués pour l'alimentation et le contrôle.

3.4 L'exemple de la Belgique En quelques années, la part des lampes à incandescence dans l'éclairage de l'habitat s'est réduite au profit de différents types de lampes basse consommation. A titre d'exemple, une enquête menée en région flamande a montré une diminution des lampes à incandescence de l'ordre de 10 à 15 % entre 2002 et 2005. Dans cet exemple, comme d'un point de vue plus général, les lampes utilisées en substitution ne sont pas exemptes de critiques auxquelles les fabricants répondent en proposant des améliorations : z

lampes fluorescentes compactes : apparition de lampes de couleur « chaude » ;

tube fluorescent TL circulaire : nouvelles lampes à haut rendement lumineux et à bon indice de rendu des couleurs ;

LED : très peu répandues pour l'éclairage de bureau et l'habitat en raison d'un faible flux lumineux et de problèmes de chaleur pour les plus fortes puissances. Amélioration continue de l'efficacité lumineuse.

3.5 Gestion de l'éclairage intérieur en Belgique Pour les immeubles de bureaux, les systèmes de gestion des luminaires permettent au maître d'ouvrage d'assurer une flexibilité de l'installation (adaptation au cloisonnement) et une optimisation de la maintenance (contrôle de l'état des luminaires). Ces systèmes, qui reposent sur l'utilisation de protocoles d'échange d'informations (protocole DALI le plus souvent) impliquent un surcoût de l'ordre de 15 à 25 euros par luminaire, ce qui constitue un frein à leur percée. Le contrôle des apports en lumière du jour par des stores toiles fait l'objet de nombreuses recherches, principalement au niveau du matériau textile lui-même. Le Centre Scientifique et Technique de l'Industrie Belge effectue un important travail d'innovation technologique dans les domaines suivants : fibres fonctionnelles, bicomposantes, nano-composantes, matériaux hybrides, polymères à mémoire de forme, bio-polymères, matériaux écologiques… Parmi les différentes solutions disponibles pour contrôler les apports en lumière du jour, deux dispositifs à base de lamelles horizontales extérieures sont présentées.

3.5.1 Lamelles vitrées avec film imprimé Ce dispositif est prévu pour être intégré dans une façade de type double façade ventilée. La peau intérieure se compose alors d’éléments en double vitrage classique assurant la liaison entre les différents plateaux horizontaux (structure du bâtiment). La peau extérieure est, quant à elle, composée d’un ensemble de cadres suspendus sur lesquels sont fixées les lamelles vitrées. Ces lamelles en verre feuilleté sont pourvues d’un film imprimé (Butacite + CESAR Color). Ce film présente du côté extérieur une face blanche de manière à mieux réfléchir la lumière. Du côté intérieur, les lamelles présentent une face noire de manière à permettre la vue vers l’extérieur. En

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effet, le contraste des luminances étant positif (la luminance de l’arrière-fond – le ciel– est supérieure à la luminance de l’avant-plan –les points noirs du film–), la vue est possible de l’intérieur vers l’extérieur mais elle est impossible dans l’autre sens, de l’extérieur vers l’intérieur (la luminance de l’avant plan –points blancs du film– est supérieure à la luminance de l’arrière-fond –l’intérieur du bâtiment–). L’inclinaison des lamelles est assurée par un système de gestion centralisé qui contrôle la position des lamelles en fonction de l’ensoleillement et des conditions atmosphériques via une station météorologique située sur le toit de l’immeuble. Les lamelles sont organisées en cadre de 6 lamelles au minimum et sont commandées par blocs de 3 cadres. Pour tirer profit de façon optimale de l'inclinaison des lamelles il est nécessaire de disposer d'un système de gestion qui intègre au mieux l'absence ou la présence du soleil et, dans ce dernier cas, sa position par rapport aux lamelles. Que le ciel soit couvert ou non, les apports de lumière du jour en fond de salle, ou à quelques mètres des ouvertures, peuvent varier du simple au double en fonction de l'inclinaison. Si du point de vue du niveau d'éclairement (et de son incidence sur l'utilisation de l'éclairage électrique), le dispositif donne satisfaction, il ne permet pas d'éliminer les situations à fortes luminances d'ouverture, ce qui impose d'avoir recours à une protection solaire intérieure plus traditionnelle. D'autre part, comme pour tout type de système de gestion, se pose le problème de son acceptation par les utilisateurs.

3.5.2 Lamelles métalliques orientables Le système ICARUS®, fabriqué par la société Renson, est constitué de lames métalliques pouvant être posées horizontalement ou verticalement. Les objectifs sont les suivants : z

éviter la surchauffe en été via la fonction de protection solaire extérieure ;

filtrer la lumière directe de manière à éviter l’exposition aux rayons directs et l’éblouissement tout en autorisant une vue vers l’extérieur ;

assurer une barrière visuelle vis-à-vis de l’extérieur (vue impossible de l’extérieur vers l’intérieur) ;

ajouter une plus value esthétique et un aspect moderne au bâtiment.

C'est la version à lames orientables de ce dispositif qui permet de satisfaire au mieux tous ces objectifs. Des recherches en cours chez le fabricant visent à améliorer les performances en jouant sur la forme des lamelles et sur leur gestion. Comme pour les lamelles vitrées, c'est surtout le système de gestion qui permet d'avoir de bonnes performances dans les différentes situations lumineuses. Dans beaucoup de ces situations on peut parler d'éclairage naturel plus "homogène", mais qui s'accompagne forcément d'une forte diminution des niveaux d'éclairement près des ouvertures. Si on n'observe aucune pénétration du soleil direct, la distribution des luminances intérieures est elle aussi perçue comme satisfaisante.

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Protections solaires à lamelles mobiles (bâtiments de la société Renson)

4. Évaluation des résultats dans les pays concernés L’exemple du Japon est remarquable en matière d’éclairage. En effet, tandis que la proportion de lampes à incandescence dans le résidentiel est de 45 % en Europe et de 65% aux Etats-Unis, les japonais n’utilisent pratiquement plus ce type de lampes (proportion de moins de 5 %). Dans ce pays, où l’acceptation des nouvelles technologies est plus rapide, l’efficacité moyenne des systèmes d’éclairage est de 64 lm/W, la valeur la plus élevée au monde. Les choix politiques japonais, initiés dans les années 1970, ont réussi à assurer la croissance économique du pays tout en maîtrisant sa demande énergétique. Les clés de ce succès sont : •

un fort investissement dans l’innovation technologique soutenu par un effort public important sur la R&D dans le domaine de l’énergie ;

•

la promotion des nouvelles technologies comme les LED dans le cadre de programme nationaux « Top Runner Program » destinés à établir des standards d’économie d’énergie dans le secteur résidentiel et le transport.

Le tableau suivant, issu de [1], permet de comparer les performances énergétiques de l’éclairage pour différents pays. En Europe, le Danemark utilise l’éclairage dont les performances énergétiques sont les meilleures, et ce malgré une surface moyenne d’habitation maximale.

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Performances nationales des systèmes d’éclairage, d’après [1]

Certains pays ont récemment instauré des mesures « actives » pour la promotion de l’utilisation de lampes basse consommation. L’Australie, suivant l’exemple de plusieurs états américains comme la Californie, a ainsi voté une loi interdisant progressivement la vente des lampes à incandescence à partir de 2009, visant par conséquent leur disparition complète à l’horizon 2012. En Europe, des propositions similaires sont à l’étude. En mars 2007, les 27 pays membres de l’Union Européenne ont annoncé leur intention d’améliorer l’efficacité énergétique globale de 20 % et envisagent d’interdire eux aussi les lampes à incandescence en 2010. Aux Etats-Unis, le ministère de l’énergie (DoE) propose d’imposer une amélioration programmée [6] de l’efficacité lumineuse des lampes (60 lm/W en 2012, 90 lm/W en 2016, 120 lm/W en 2020), plutôt que d’interdire certaines technologies comme l’incandescence, qui pourrait évoluer vers de meilleures efficacités.

5. Réflexions critiques 5.1 LED Forces : •

Eléments non polluants, sans mercure ni plomb (conformité à la directive RoHS)

•

Durée de vie importante

•

Solidité

•

Composants adaptés au montage automatique robotisé

•

Contrôle possible de la couleur de la lumière émise

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Faiblesses : •

Coût global élevé car les luminaires doivent utiliser beaucoup de LED

•

Rendu médiocre des couleurs

•

Dispersion des caractéristiques électriques et optiques

•

Vieillissement erratique

•

Nécessité d'avoir des optiques très précises

•

Gestion complexe de l'évacuation de la chaleur

Opportunités : •

Efficacité lumineuse en progrès constant

•

Amélioration programmée des procédés de fabrication (méthode MOCVD pour les structures GaN)

•

Développement de la production locale d'électricité photovoltaïque qui fournirait du courant continu, mieux adapté aux LED.

•

Progrès dans la co-intégration de fonctions électroniques de contrôle dans les composants

Menaces : •

Progrès des OLED pour l'éclairage général qui confineraient les LED blanches aux applications ponctuelles (signalisation, indication, balisage, accentuation architecturale)

•

Pollution générée par les industries des semiconducteurs

5.2 OLED Forces : •

Eclairage étendu sans éblouissement

•

Luminaires minces, légers et souples

•

Gradation possible

•

Faible coût des matériaux de base (polymères)

•

Composants non polluants

Faiblesses : •

Matériaux polymères liés à l’industrie pétrochimique (utilisation d’énergie fossile et dégagement de CO2)

•

Les OLED ne sont pas adaptées aux fortes puissances

•

Durée de vie et efficacité lumineuse à améliorer

•

Plusieurs technologies actuellement en compétition (small molecules OLED, structures p-i-n, etc.)

•

Les polymères sont sensibles à l’humidité. Les OLED doivent être encapsulées, ce qui représente un coût élevé lié aux grandes surfaces émissives.

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Opportunités : •

Développement de nouveaux matériaux organiques dopés pour un meilleur rendement de conversion lumineuse

•

Maîtrise de la pureté des polymères

Menaces : •

Acceptation par les utilisateurs de nouveaux principes d’éclairage (éclairage réparti)

•

Incompatibilité avec les systèmes d’éclairage actuels

5.3 Fibres optiques Forces : •

Utilisation d’une source lumineuse puissante et efficace, déportée

•

Aspect sécurité (pas d’échauffement, pas d’infrarouge ni d’ultraviolet)

•

Contrôle de la distribution de la lumière

•

Fonctionnement des fibres optiques à basse température

Faiblesses : •

Le couplage entre la source et les fibres nécessite des composants optiques spécifiques, précis et chers.

•

Flexibilité des fibres optiques

•

Procédé d’extrusion de fibres plastiques de section importante (~10 mm) et de faibles pertes à mettre au point

•

Coût total de la solution d’éclairage

Opportunités : •

Demande croissante pour de nouveaux concepts d’éclairage des espaces commerciaux et de restauration

Menaces : •

Concurrence des LEDs qui peuvent être assemblées linéairement de manière dense.

5.4 Dispositifs de régulation de la lumière naturelle à lamelles mobiles Forces : •

Concept architectural innovant

•

Amélioration considérable du confort visuel et du confort thermique

Faiblesses :

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•

Conception complexe

•

Mise en œuvre coûteuse

•

Acceptation par l’utilisateur de la gestion automatique de ces systèmes

Opportunités : •

Montée en puissance de la notion de confort et de bien-être dans les bâtiments tertiaires

Menaces : •

Evolution de la « mode » architecturale : désintérêt des architectes

•

Impact négatif de ces systèmes sur l’aspect extérieur des bâtiments

5.5 Conduits de lumière naturelle Forces : •

Solution d’éclairage sans frais de fonctionnement

•

Possibilité d’intégrer une lampe pour le fonctionnement de nuit

•

Design attractif

Faiblesses : •

Coûts de l’installation par un professionnel (installation délicate dans l’existant)

•

Apports lumineux modestes

•

Guidage acoustique et impact sonore

•

Solution techniquement peu adaptée aux grandes longueurs de tube et aux courbures (pertes optiques importantes)

Opportunités : •

Augmentation du prix de l’électricité

•

Développement de ces dispositifs sur le marché du neuf (domestique, tertiaire, industriel, bâtiment publics, etc.)

Menaces : •

Mauvaise rentabilité sur un marché de la construction qui favorise les solutions à coûts modérés

•

Pérennité des industriels de ce secteur

6. Conditions de la transposition en France A l’image des industriels des lampes, le marché de l’éclairage est international. Les initiatives individuelles de chaque pays en matière d’éclairage doivent être concertées puisque les grands développements se font à l’échelle mondiale.

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En France, l’ADEME doit continuer à promouvoir, dans la lignée de l’action de l’AIE, un éclairage efficace et économe en stimulant l’innovation, la diffusion de nouvelles technologies et la compétitivité des entreprises. Nous pouvons faire maintenant une synthèse de différentes initiatives qui peuvent favoriser le développement en France d’un éclairage efficace et économe dans le bâtiment.

6.1 Développer de nouveaux standards pour la qualité de l’éclairage L’accompagnement de l’innovation dans le domaine des nouvelles solutions d’éclairage doit passer par la certification de la qualité de l’éclairage. En effet, les recommandations et les indicateurs utilisés en éclairage ont été définis il y a plusieurs dizaines d’années, avant l’apparition des lampes à semi-conducteurs (LED et OLED). Un certain nombre de travaux sont nécessaires pour redéfinir des « métriques » d’éclairage plus adaptées. Par exemple, l’indice de rendu des couleurs (IRC) et l’indice d’éblouissement (UGR) ne sont pas très bien corrélés à la perception visuelle de scènes éclairées par des LED blanches [14]. Dans le domaine du bâtiment, les organismes de certification doivent jouer un rôle moteur dans l’évaluation technologique des solutions d’éclairage. A l’heure actuelle, les luminaires sont certifiés en conformité électrique, mais ne sont pas évalués sur les aspects de confort visuel, et d’adaptation à la tâche. Le manque de certification sur cet aspect pénalise de manière très forte les nouvelles technologies d’éclairage. En effet, de nombreux produits « innovants » de mauvaise qualité sont disponibles à la vente et ont un impact négatif sur toute la filière. On peut citer par exemple de nombreuses lampes asiatiques « low-cost » (fluocompactes et LED) dont les performances sont médiocres et très erratiques. Au-delà des économies d’énergie, de nombreux travaux ont démontré l’influence de l’éclairage sur la santé, le confort et le bien-être. Il est nécessaire de promouvoir la demande de solutions d’éclairage « saines ».

6.2 Sensibiliser les acteurs professionnels impliqués dans le choix des solutions d’éclairage Le développement de solutions d’éclairage efficaces et économes passe par la formation de des professionnels aux problématiques de l’éclairage, et notamment aux notions de : •

coût global sur la durée de vie du bâtiment

•

effets sur la santé

Les corps de métiers visés n’ont pas tous les mêmes intérêts selon qu’ils sont impliqués dans la construction ou l’exploitation des bâtiments, ou selon qu’ils sont utilisateurs ou investisseurs. On peut citer les architectes, les maîtres d’ouvrage, les électriciens et les éclairagistes. De plus, les comités hygiènes et sécurité (CHSCT) vont jouer un rôle de plus en plus important pour évaluer la qualité de l’éclairage des lieux de travail.

6.3 Promouvoir l’innovation industrielle dans le domaine des nouvelles technologies de l’éclairage

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Les programmes de R&D collaboratifs (recherche universitaire & industrie) doivent pouvoir être financés au niveau français ou européen pour aboutir à des démonstrateurs fonctionnels de solutions d’éclairage. De même, des partenariats public-privé doivent être encouragés pour résoudre les problèmes fondamentaux, franchir les barrières technologiques actuelles et aboutir à des solutions viables. Les domaines techniques à privilégier sont les suivants : •

développement des lampes ¾ augmentation de la durée de vie ¾ augmentation de l’efficacité lumineuse ¾ développement de sources à intensité variable ¾ amélioration des semiconducteurs pour les LED et OLED (conception des structures et process de fabrication) ¾ amélioration de l’encapsulation et du packaging des LED et OLED ¾ réduction du contenu en mercure des lampes fluorescentes ¾ amélioration des poudres luminescentes (phosphores) ¾ exploration des nouveaux concepts d’éclairage (éclairage à source étendue ou distribuée)

•

développement des ballasts et des systèmes de contrôles ¾ développement de ballasts électroniques à basse consommation ¾ développement de méthodes de régulation intelligente (capteurs, algorithmes d’apprentissage) ¾ développement de protocoles de communication pour la communication entre les interfaces de commande, les capteurs et les luminaires ¾ développement de solutions compatibles avec le chauffage, la ventilation et l’air conditionné (HVAC)

•

développement de luminaires adaptés aux lampes à semi-conducteurs (LED et OLED) ¾ amélioration des composants optiques (lentilles et réflecteurs) ¾ gestion efficace de la dissipation thermique ¾ développement de systèmes électroniques de pilotage ¾ développement de luminaires à distribution lumineuse variable

•

développement de dispositifs d’éclairage naturel innovants

6.4. Informer le public sur les nouvelles technologies de l’éclairage

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Le grand public est souvent réticent à adopter les nouvelles technologies de l’éclairage. Le prix d’achat élevé des lampes basse consommation est un frein important à la diffusion de cette technologie. Une fois encore, il faut informer le public sur le coût global de l’éclairage, en incluant la durée de vie et la consommation électrique.

6.5 Favoriser les usages des nouvelles technologies de l’éclairage par le grand public Les développements industriels se centrent sur les performances techniques des produits. Mais la notion de performance doit être considérée au regard des différents paramètres d’usage. Les avancées technologiques qui ne rencontrent pas l’accord du public, qui ne permettent pas une appropriation par les usagers risquent de ne pas se développer. Un certain nombre de couples peuvent être identifiés autour des notions de critères techniques de performance / usages. Ils ne doivent pas entrer en contradiction. - Eclairage naturel / artificiel. La recherche de la performance technique ne doit pas se faire au détriment de l’éclairage naturel. Les besoins et désirs des usagers ne sont pas les mêmes lorsqu’ils sont chez eux et lorsqu’ils sont au travail. Dans les bâtiments tertiaires, l’éclairage artificiel est privilégié alors que les habitants dans leur logement recherchent davantage la lumière du jour. - Eclairage naturel / éclairage artificiel / protections solaires. Peut-on raisonner de manière globale en prenant en compte non pas un poste lumineux ni même une pièce d’habitation mais un logement dans son ensemble ? - Performances techniques / santé. La protection visuelle est un préalable incontournable. - Performances techniques / confort visuel. Il va sans dire qu’un bon éclairage ne doit pas éblouir ni créer de contrastes trop importants. - Performances techniques / confort d’ambiance. Dans certaines conditions et pour certaines situations, le confort d’ambiance procuré par l’éclairage est la qualité première que les usagers recherchent. - Performances techniques / économies d’énergie. Les économies d’énergie ne sont pas synonymes d’économies financières. Le cas des lampes basse consommation en est l’exemple : elles permettent de réaliser des économies d’énergie mais elles coûtent plus cher que des lampes classiques. - Performances techniques / coût, économies financières. Comme pour d’autres produits innovants, la diffusion des lampes basse consommation risque de se heurter à l’investissement financier que doivent faire les usagers. Le coût peut constituer un frein. Outre une information sur le coût global de l’éclairage (achat plus cher mais durée de vie des lampes plus longue et consommation électrique moindre), une information mettant l’accent sur les principes de développement durable peut aider à la diffusion des produits économes en énergie. - Performances techniques, surchauffe / sécurité, protection. La sécurité des personnes est une condition sur laquelle on ne peut pas faire l’impasse. Les améliorations sur les luminaires équipés d’allogènes, qui dégageaient une chaleur excessive, doivent être poursuivies. - Performances techniques / esthétique, aspect décoratif. Le développement d’équipements d’éclairage économe réalisés par des ingénieurs doit être accompagné par des professionnels

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du design. Des produits jugés peu esthétiques par les usagers ne se vendront pas même s’ils ont de très bonnes qualités techniques. - La gestion centralisée. L’éclairage n’est plus considéré comme le résultat de produits et d’équipements mais en termes de systèmes. D’une part, la gestion centralisée doit être d’une utilisation simple et laisser le libre choix des fonctions. D’autre part, elle doit permettre la combinaison de zones d’ambiances qui vont s’activer les unes les autres. - La recherche sur l’ergonomie et l’usage des équipements est à poursuivre. Pour certains OLED (dans le cas de source lumineuse très étendue au dessus de la tête), on ne dispose pas d’éléments suffisants pour apprécier la perception qu’en auraient les usagers et l’inconfort potentiel. - La recherche sur les lampes basse consommation avance. Pour faciliter la diffusion de ces équipements, en réduire le coût, la durée de vie des lampes a été limitée, ce qui en restreint beaucoup l’intérêt sur le plan des économies d’énergie. Le bilan serait à faire. Les travaux sur la forme, le poids et l’encombrement doivent être continués car ce sont des éléments qui ont constitué des freins à l’achat des ménages. - Les adaptations des luminaires aux lampes basse consommation sont également à approfondir pour qu’ils constituent des équipements bien acceptés par les usagers.

6.6 Incitations financières pour la promotion de l’éclairage efficace et économe lors de la construction et de la rénovation A l’image des dispositions prises par l’Etat pour encourager l’investissement dans les sources d’énergies propres (crédits d’impôts), un dispositif pourrait être mis en place pour inciter financièrement à la réalisation de bâtiments éclairés de manière optimale.

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Références bibliographiques : [1] Light’s Labour’s Lost – Policies for Energy-efficient Lighting, Rapport de l’Agence Internationale de l’Energie, 2007 [2] Sources de lumière et éclairage : de la technologie aux économies d’énergie, Georges Zissis, in Nouvelles Technologies de l’énergie 4 : gestion de l’énergie et efficacité énergétique, JeanClaude Sabonnadière, éd. Hermès Lavoisier, 2007 [3] LEDs shine brighter but cost concerns remain, Susan Curtis, Optics and Laser Europe, July/August 2007-09-25 [4] Conduit de lumière naturelle SOLARSPOT, Avis Technique 6/06-1672, 2006 [5] New Lighting Technologies BNDL 101, UK Market Transformation Programme, 14 August 2007 [6] Vision 2020 : The Lighting Technology Roadmap, US Department of Energy, Office of Building Technology, 2003 [7] Energy Saving & Environment Protecting Effect of LVD Induction Electrodeless Fluorescent Lamps , Yuming Chen, Qi Long, Dahua Chen, Chunlan Zuo, 6th international conference on energy efficient lighting, Shangai, 2005 [8] Fiber illumination : technology leapforgs efficiency barriers, Hassaun A. Jones-Bey, Laser Focus World, July 2007-09-25 [9] Solid-State Lighting : A Systems Engineering Approach, Ian Ashdown, Optics & Photonics News, January 2007 [10] Organic Technology for Solid State Lighting, Paul E. Burrows, American Physical Society Conference, 2007 [11] Lighting systems in Smart Energy Efficient Buildings. A state-of-the-art. Sintef Report STF22 A 04 504, Barbara Matusiak, 2004 [12] Advanced Lighting Guidelines, David E. Weigand, New Building Institute Inc. report, 2003 [13] Beyond the Vacuum Tube, Lighting Solutions for the 21st Century, Jerry Simmons, Michael Coltrin, Jeffrey Tsao, optics & Photonics News, June 2007 [14] Déclaration de la CIE sur les économies d’énergie, www.cie.co.at, 20 août 2007

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