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Thermique Comment accroître la performance énergétique

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Thermique Comment accroître la performance énergétique

Consommer moins d’énergie passe par la réduction des besoins, la valorisation des solutions basse température et des énergies renouvelables et par la production d’énergie sur site.

La conception de bâtiments consommant très peu d’énergie passe par une logique de réflexion en trois étapes : chercher à réduire les besoins, utiliser des équipements peu énergivores et envisager une production sur site. Ces trois préceptes s’appliquent partout, même si leur réalisation pratique variera en fonction des objectifs du bâtiment et du site. Réduire les besoins commence par la suppression des déperditions en hiver et se traduit par une isolation importante et une très bonne étanchéité du bâtiment. En été, la diminution des apports de chaleur solaire ne peut s’obtenir naturellement que par la présence d’occultations efficaces, couplées à des vitrages performants, et par une valorisation des ressources gratuites : l’éclairage naturel, les transferts d’énergie avec la ventilation double flux à récupération de chaleur et puits canadien. Le second précepte consiste à valoriser les solutions basse température, moins gourmandes en énergie, pour le chauffage et pour le rafraîchissement. Ce qui permet d’utiliser au maximum les énergies renouvelables, le solaire thermique, suivi par les captages souterrains en boucle, les chaudières à condensation, les pompes à chaleur sur boucle d’eau et même le DRV trois tubes (débit de réfrigérant variable). Si les besoins ont, au préalable, été fortement réduits, on obtient des bâtiments qui deviennent facilement à énergie positive (produisant plus qu’ils ne consomment) par l’emploi de solutions générant une électricité photovoltaïque, éolienne ou issue d’une cogénération. L’une des voies pour résoudre cette difficulté se trouve dans la préfabrication en usine d’une grande partie des éléments constructifs des immeubles. Une autre consiste à associer l’octroi de subvention à la vérification de la performance réelle du bâtiment en fin de travaux. Il est aujourd’hui inadmissible que la qualité des produits fournis par les fabricants soit réduite à néant par une mise en œuvre déplorable.

Fortement isoler pour limiter les déperditions

En Allemagne, le Docteur Rainer Pfluger, du Passivhaus Institut, souligne que les bâtiments passifs doivent limiter leurs déperditions à 10 W/m², ne pas consommer plus de 15 kWhep/m².an pour le chauffage et 120 kWhep/m².an, tous usages confondus, y compris éclairage, électroménager, ventilation, etc. Selon lui, il n’est pas nécessaire d’attendre l’apparition de progrès décisifs dans les isolants ou les solutions de chauffage pour construire des bâtiments passifs. Le tout est d’obtenir une excellente étanchéité à l’air et de mettre les moyens nécessaires en termes d’isolation. C’est-à-dire supprimer les ponts thermiques et ne pas lésiner sur l’épaisseur d’isolant : 30 ou 40 cm de polyuréthanne (PU) ou de PSE (polystyrène expansé) lui semblent normaux. Le standard Passivhaus n’exclut d’ailleurs aucune technique de construction. Parmi les milliers de logements et les centaines de bâtiments tertiaires déjà construits, il se trouve aussi bien de la structure légère en bois ou en acier, que du béton banché, de l’ossature poteau-poutre en béton, des associations de plusieurs techniques, de l’isolation répartie, de l’isolation par l’extérieur ou de l’isolation par l’intérieur. Traduites en résistance thermique, les spécifications du Passivhaus Institut conduisent le plus souvent à des valeurs égales ou supérieures à R = 11 pour toutes les parois.

La capacité d’une isolation par l’extérieur à gommer les ponts thermiques dépend de sa mise en œuvre. La plus efficace est une isolation collée (dalles de PSE, de PU ou de laine de roche très denses), puis revêtues d’une couche d’accrochage et d’un enduit de façade. Lorsque l’isolation est montée sur ossature ou fixée au support par des vis, les principaux ponts thermiques – comme l’accrochage des dalles aux façades – sont traités, mais des milliers d’autres sont créés. Chaque vis et chaque cheville enfoncées dans la façade constituent un mini-pont thermique, dont l’accumulation en grand nombre finit par influer sur les calculs de performance réglementaire. Des solutions d’isolation thermique réparties existent. La façade Habilis de Arcelor-Mittal, incorporant de l’isolation thermique, offre une résistance coupe-feu 2 heures. Elle se pose rapidement sur une ossature métallique ou béton. La nouvelle brique Porotherm PR42 en 42 cm (Up = 0,18 W/m².K) de Wienerberger a des alvéoles remplis de perlite, un matériau minéral qui améliore la performance thermique de ce monomur.

Minimiser les apports de chaleur en été

En isolation par l’intérieur, certains procédés de chauffage – comme le plafond rayonnant plâtre (PRP) en logement – aboutissent à un complet traitement des ponts thermiques. Les films rayonnants du PRP sont en effet disposés en sous-face d’un isolant sous plafond, posé après la mise en œuvre de l’isolation murale par l’intérieur. Le pont thermique de la liaison entre dalle et mur porteur est traité sur sa face inférieure. En face supérieure, il suffit de mettre en œuvre une dalle flottante.

En matière de protection solaire, il n’existe pas encore de vitrage capable de protéger contre les déperditions de chaleur en hiver et contre les apports de chaleur extérieurs en été. Cela nécessite de privilégier l’une des deux fonctions, sans compromis sur la transmission de lumière naturelle et tout en respectant la température intérieure maximale prévue par la RT 2005. En logement, le poste de consommation le plus important étant le chauffage, l’isolation au froid doit être privilégiée. En tertiaire, le besoin de fraîcheur est le plus important du fait de la qualité croissante des bâtiments neufs. Ce qui fait qu’une protection contre le rayonnement solaire d’été sera plus efficace dans le bilan énergétique. Vitrages à isolation renforcée (VIR) et VIR solaires concilient ces deux impératifs. La couche transparente d’argent ou d’oxydes métalliques déposée sur l’une des faces intérieures du double vitrage permet de bénéficier d’une partie de l’énergie solaire gratuite l’hiver. Alors que la variante VIR solaire protège en été de la chaleur, tout en préservant un niveau d’éclairement naturel élevé. Les VIR solaires, associant une fonction de contrôle solaire à l’effet d’isolation thermique, sont pourvus d’une couche peu émissive qui bloque entre 65 % et 20 % de l’énergie solaire thermique à l’extérieur du logement. Les conclusions d’une étude comparative entre les effets d’un VIR et d’un VIR solaire dans un immeuble de bureaux neuf à La Rochelle (1) montrent que si un bâtiment n’a pas ou peu de façades exposées aux rayonnements solaires, le vitrage le plus favorable pour réduire les consommations est le VIR (VIR supérieur à  60 %). Il permet de récupérer beaucoup d’apports solaires en hiver et de réduire les consommations de chauffage. Si le bâtiment est exposé au rayonnement solaire, les VIR solaires sont les plus intéressants, car ils permettent de respecter la température intérieure conventionnelle (TIC) de référence et de préserver le confort en été.

Puits canadien : une technique très intéressante

L’étude montre également que le VIR 40 ou inférieur à 30 est le meilleur compromis du point de vue de la transmission lumineuse et du facteur solaire d’été (TL et Sété) dans un immeuble de bureaux climatisé. Il assure 13 % d’économie sur les consommations d’énergie par rapport à un VIR 60. Les protections solaires doivent se trouver à l’extérieur des vitrages ou bien être incorporées entre les deux premières vitres, en partant de l’extérieur, d’un double ou d’un triple vitrage. L’une des plus intéressantes ­techniques de récupération d’énergie est le puits canadien. En hiver, l’air neuf est naturellement préchauffé, en été, il est prérafraîchi. Les concepteurs allemands ont pris l’habitude de faire passer cet air neuf à travers un échangeur eau/air ou eau glycolée/air, en sortie du puits canadien. Un puits canadien seul abaisse la température d’air neuf de 4 à 7 °C en été, son dopage par un échangeur eau/air pouvant encore réduire de 3 à 5 °C la température insufflée, sans intervention d’un système thermodynamique. Dans le bâtiment Energon de Ulm (Allemagne), le puits canadien, dopé par une douzaine de capteurs verticaux alimentant un échangeur, diminue de 10 °C la température de l’air neuf lorsqu’elle dépasse 35 °C à l’extérieur.

Autre technique, le double flux avec récupération de chaleur. Dans une construction étanche à l’air au standard Passivhaus, cette récupération de chaleur couvre toujours plus de 80 % des besoins annuels de chauffage. Un autre moyen de chauffage est mis en route en secours, lors des jours les plus froids. Récupération et transfert de chaleur s’effectuent aussi grâce à des pac sur boucle d’eau ou grâce à des DRV 3 tubes. Ces deux technologies différentes assurent le transfert de chaleur d’un point à un autre d’un bâtiment. Elles sont réservées aux immeubles à expositions contractées (nord/sud) et aux bâtiments qui abritent des activités productrices de chaleur et d’autres qui en demandent en même temps (centre informatique et restaurant d’entreprise, par exemple). Enfin, la récupération nécessite d’être opportuniste. Ainsi le musée du Bonbon à Uzès (2) est partiellement chauffé par de l’eau à 40 °C, disponible en fin de process dans l’usine Haribo située à 40 m du musée.

Favoriser la basse température et les énergies renouvelables

Une fois les besoins réduits, l’avantage des solutions basse température type « béton tempéré » (voir encadré) s’expriment pleinement. Le Betonkerntempierung consiste à utiliser l’inertie du béton pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments tertiaires. Les surfaces « activées » par circulation d’eau sont énormes. Il suffit donc d’eau, avec un faible différentiel de l’ordre de 1 à 4 °K entre la température ambiante à obtenir et la température de l’eau qui circule dans les tubes. L’inertie de cette solution est considérable : il faut 10,4 heures pour varier la température de 1°K. Autant dire que la programmation du chauffage et de rafraîchissement n’ont pas de sens dans le cas d’une installation de béton activé. En revanche, avec des températures d’eau aussi basses, les solutions solaires jouent parfaitement leur rôle. Plus l’efficacité énergétique des bâtiments augmente, plus il est facile aux énergies renouvelables de couvrir la quasi-totalité des besoins de chaleur. Selon une étude comparative menée dans plusieurs pays européens par le Fraunhofer Institut ISE, il faut en moyenne 10 à 15 m² de capteurs thermiques et 800 à 1 200 l de stockage pour couvrir 20 à 35 % en moyenne des besoins annuels de chaleur totaux d’une maison européenne existante et 40 à 50 % pour une maison neuve simplement conforme aux règles. En maison passive, la même installation assure la quasi-totalité des besoins de chaleur : il n’est pas toujours nécessaire de recourir à une solution de rafraîchissement active.

Les vertus de la préfabrication

Quant à la qualité de montage, la préfabrication telle que la pratiquent notamment les constructeurs allemands ou autrichiens, résout en partie la question. Il s’agit de reporter en atelier la préfabrication – ­toujours avec les mêmes procédés techniques – des composants de grande qualité dont la forme, les emplois, le degré de finition et l’aspect sont infiniment variables. L’architecte conçoit son bâtiment en toute liberté, employant la technique constructive qu’il souhaite. Ensuite, une bonne partie du travail s’effectue en usine. Les éléments arrivent sur chantier dans divers degrés de finition. L’avantage de ce procédé est l’assurance d’une qualité élevée thermique, acoustique, mécanique, etc. des composants fabriqués en usine, loin des contraintes parfois chaotiques du chantier. L’incorporation de l’isolation thermique en atelier, notamment, autorise de nouvelles typologies de mise en œuvre. Elle peut être par exemple noyée dans un sandwich de ­béton, préfixée à des bardages acier ou incorporée à des panneaux de bois. Le tout avec une parfaite étanchéité, avec des résistances thermiques importantes, mais garanties par la mise en œuvre homogène en atelier. Comme la préfabrication est une technologie différente, elle contraint également les constructeurs à se poser la question de l’assemblage sur chantier, donc de mettre au point des réponses techniques pour assurer l’étanchéité du bâti. En Allemagne, toutes sortes d’entreprises de préfabrication existent, chacune avec ses spécialisations – béton, acier, etc. – et son marché de prédilection (maison individuelle, logements collectifs tertiaires). Ainsi, Dennert s’est spécialisé dans la préfabrication de maisons individuelles en béton. Con4 se consacre pour sa part à la préfabrication d’éléments de sol en béton précontraint pour le tertiaire ou le collectif. Ses solutions de « sols climatiques » sont des éléments de béton précontraint dans lesquels sont incorporés des tubes de circulation d’eau pour « l’activation du cœur du béton » (voir encadré), les gaines pour la ventilation, les canalisations électriques courants forts et courants faibles. Le rendement estimé d’émission du sol préfabriqué atteint 86 % et permet une économie du coût de construction de 20 %. En France, Schüco propose des solutions de façades préfabriquées économes en énergie en raison de leurs performances thermiques, de l’incorporation de surfaces solaire thermiques et/ou photovoltaïques.

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