Bâtiment à énergie positive - bâtiment à énergie passive

Par Alain GARNIER - ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER à Reims

Seule compte la satisfaction des occupants ! Pour trouver un concept adéquat répondant aux objectifs énergétiques de 2020, nous sommes partis d'une enquête menée auprès d'occupants en recherche de logements. Il en ressort, principalement, que ceux-ci ne veulent plus de technique chez eux. Ils veulent, par contre, respirer, avoir un confort d'hiver et d'été satisfaisant, ne plus payer le chauffage du voisin lorsque celui-ci part en vacances et avoir une bonne qualité d'air intérieure.

Nous avons donc imaginé un bâtiment à architecture bioclimatique, avec une inertie relativement faible et des pièces orientées à l'Est et au Sud.
Les pièces les plus exposées pourront voir leur température évoluer de plus de 10°C en quelques minutes entre deux nuages : des précautions indispensables seront donc nécessaires :

- Il faudra éviter l'utilisation de planchers chauffants, même en très basse température, à cause de leur inertie.
- Il faudra prévoir un système de pare soleil efficace et si possible automatique.
- Il faudra prévoir un système de désurchauffe et si possible automatique du volume situé entre les deux parois vitrées constituant le double peau.
- Il faudra prévoir un système de surventilation permettant une désurchauffe efficace, de jour comme de nuit, des pièces les plus exposées au soleil.
- Il faudra prévoir un système de rafraîchissement permettant une désurchauffe efficace, de jour comme de nuit, des pièces les plus exposées au soleil pour les zones H1 et H2 qui n'ont pas le droit d'être climatisées.
- Il faudra prévoir la climatisation des bâtiments avec une utilisation réservée lors des pics de température et seulement en zone H3. On aura eu recours préalablement au free cooling ainsi qu'au rafraîchissement.

Rappelons que le BEPOS correspond au Bâtiment à Energie POsitive. C'est une construction à très basse consommation d'énergie et qui produit plus d'énergie qu'elle n'en consomme.

Pour fixer les idées un BEPOS:
- consomme trois fois moins, par rapport à une construction actuelle conforme à la RT 2005,
- a une consommation de chauffage inférieure à 12 kWhep/m²/an
- a une consommation totale d'énergie primaire chauffage, eau chaude sanitaire, éclairage, tous appareils électriques confondus, de 100 kWh/m²/an !

Un bâtiment à énergie positive sera obligatoire pour tous les logements neufs à partir de 2020 (RT 2020).

Pour arriver à une telle performance en premier lieu en construction neuve ou en lourde réhabilitation, besoin énergétique doit être ramené à un niveau dit passif. Ainsi le BEPOS est avant tout un BEPAS (Bâtiment à Energie Passive) qui va encore plus loin dans la performance énergétique en utilisant de surcroit les énergies gratuites et renouvelables.

Rappelons que le concept de BEPAS ou de maison passive provient de références déjà existantes chez nos voisins Allemands (Passiv Haus)

Ce bâtiment à architecture bioclimatique devra avoir 40% de ses vitrages orientés Est et Sud avec une paroi double peau amenant à plus de consommation qu'une paroi opaque. La paroi extérieure de ce double peau devra comporter des registres motorisés permettant leur fermeture en hiver et leur ouverture de jour et de nuit en été pour la désurchauffe, avec des postions intermédiaires pour obtenir un éclairage naturel satisfaisant.

Après ce choix primordial, il nous a fallu résoudre le problème de la durée de vie des capteurs solaires car la dilatation, due à la pression/température, pouvant aller jusqu'à 70°C, risquait de les déformer. Nous avons donc choisi d'utiliser un circuit solaire atmosphérique à partir d'un fluide thermique non toxique. Un simple évent, en partie haute du circuit solaire, nous permet de maintenir une faible pression : cette absence de pression qui nous a permis, en plus, de n'utiliser que des réservoirs de stockage en plastique isolé.

Toutes les parois en contact avec l'extérieur seront isolées par l'intérieur sauf celle correspondant à la paroi intérieure du double peau. Celle-ci devra comporter une isolation intérieure avec, du coté double peau, un écran de végétation la protégeant du soleil en été.

L'éclairage sera en majorité naturel et réalisé principalement au moyen des vitrages orientés au Sud. Au cas où la luminosité serait insuffisante, on aura recours à l'inclinaison des registres vitrés de la paroi extérieure, lesquels permettront la réflexion de lumière jusqu'au fond des pièces.

Les pièces généralement aveugles telles que l'entrée, le couloir, le WC et la salle de bains seront éclairées par un puits de lumière disposé dans le centre de l'appartement. C'est une petite révolution, mais il ne pourra en être autrement, car nous devons économiser près de 65% de consommation sur l'éclairage artificiel.

Des impostes vitrées et intégrées aux parois de la circulation permettront le transfert de cette lumière naturelle aux pièces sous exposées à l'éclairage naturel. Lorsque l'éclairage naturel sera insuffisant, nous mettrons en service l'éclairage artificiel au moyen de détecteurs de présence situés dans toutes les pièces.

Le mur végétalisé, disposé devant la paroi intérieure du double peau, permettra de stopper le rayonnement solaire en été et, compte tenu de la perte de ses feuilles en hiver, de laisser passer ce rayonnement UV afin qu'il se transforme en transmission et accumulation de chaleur dans le mur.

Le plancher sera, si possible, du type collaborant et à nervures trapézoïdales ouvertes. Outre ses qualités phoniques et thermiques, il permettra de faire passer les fluides et de désurchauffer les planchers, la nuit en été, en prélevant l'air froid à l'extérieur, au Nord, et de l'aspirer, côté Sud, au moyen de la paroi double peau servant alors de cheminée.

Notre but était de trouver un concept global tenant compte, à la fois, d'une architecture bioclimatique, des besoins d'éclairage naturel, de chauffage pour le confort d'hiver, de production d'au chaude sanitaire, de ventilation hygiénique et de rafraîchissement pour le confort d'été, voire de climatisation pour les logements situés en zone H3.

Enfin, nous devions, également, tenir compte de ce concept global afin qu'il puisse s'installer partout dans nos latitudes et même en BBC réhabilitation.

L'énergie renouvelable que nous trouvons partout, même en montagne, est le solaire : c'est donc autour de lui que repose tous nos fondements. Après maintes recherches, nous avons opté pour un couplage « solaire et pompe à chaleur gaz ».

Pourquoi une pompe à chaleur gaz ? : parce que c'est un système thermodynamique d'un bon rendement, qu'elle est classée dans les Enr et qu'elle est capable de produire de l'eau jusque 70°C.

Nous avons décidé également qu'il valait mieux utiliser des capteurs plans non vitrés.

Pourquoi des capteurs plans non vitrés ? : parce qu'ils ont une meilleure durée de vie , qu'ils sont meilleur marché et moins lourds que des capteurs plans vitrés et surtout qu'ils sont plus appropriés pour un chauffage solaire couplé à un système thermodynamique.

Leur indice de réfraction le matin (soleil levant à l'Est) et le soir (soleil couchant à l'Ouest) est plus faible, ce qui se traduit par un meilleur captage solaire. Certes, avec un plus faible gradient de température, mais la pompe à chaleur est justement là pour permettre, à partir d'une grande quantité de chaleur à faible température, de produire une plus petite quantité à haute température.

Nous avons porté une attention particulière à ce que les capteurs ne montent pas trop en température lorsque nous n'avions qu'un besoin calorifique partiel, comme la production d'eau chaude en été. Nous y sommes parvenus en inclinant une partie des capteurs solaires de façon à ce qu'ils offrent le moins de surface rayonnée.

Cette inclinaison des capteurs nous permettra, par ailleurs, d'optimiser la capture de l'énergie solaire en hiver, quand le soleil sera très bas : le gain escompté est de l'ordre de 25 à 35%. De plus, la première rangée de capteurs solaires à s'incliner sera celle recouvrant le volume d'air chaud prisonnier en été entre les deux vitrages constituant le double peau.

Si le soleil est absent, comme c'est le cas la nuit, les capteurs, non vitrés, deviendront alors de simples absorbeurs, afin d'échanger entre la température extérieure et celle du fluide thermique qui les traversent. Ils pourront, même, monter en température au-delà de la température de l'air extérieur, si la nébulosité est inférieure à 8 octas.

Une pompe à chaleur gaz vient doper l'énergie solaire

Revenons à notre pompe à chaleur. Celle-ci correspond à une machine à absorption de type eau – eau. Elle offre un rendement thermique de 170%, un taux d'Enr de 36% (l'objectif ,pour la France, est que 23% de son énergie finale soit d'origine renouvelable) et elle sera capable de produire de l'eau chaude sanitaire à 60°C.

Que faisiez-vous au temps chaud ?

Les capteurs seront capables, à eux seuls, en été, de chauffer l'eau chaude sanitaire à 60°C au moyen des échangeurs placés successivement dans deux réservoirs tampons : solaire et de réjection de chaleur.

Si le rayonnement solaire est suffisant et que les besoins de chauffage sont nuls, la machine à absorption sera mise à l'arrêt et la pompe de transfert sera mise en service afin de réaliser un stockage solaire supplémentaire dans celui servant normalement à la réjection de chaleur (hydroaccumulation).

Si la prévision météo nous informe d'une baisse de température les nuits ou les jours suivants et que l'hydroaccumulation n'est pas à son maximum de température, le bilan thermique du bâtiment sera mis en corrélation avec la charge solaire et la GTB décidera alors s'il faut ou non remonter le gradient de température de ce stockage en forçant le fonctionnement de la pompe à chaleur.

La capacité totale du stockage solaire devra nous permettre une autonomie de 48 h sans avoir recours à la pompe à chaleur. Un tel stockage de Enr et indispensable pour réaliser un BEPAS.

Le traitement d'air double flux remplacera les émetteurs classiques et la VMC

Il faut dire qu'avec environ 300 W, en moyenne, pour les futures pièces à chauffer, la cause des émetteurs classiques n'était plus défendable.

De plus, nous devrons traiter la désurchauffe d'été ; l'air est plus approprié pour y parvenir. Les voies de progrès sont plus considérables sur l'air que sur l'eau et grâce au faible débit d'air servant de vecteur au chauffage, on pourra, enfin, y arriver.

Ce n'était pas encore le cas il y a encore quelques années ou les pièces étaient à 800 W de déperditions et auraient exigé un plus fort débit d'air et donc un recyclage nécessitant d'avoir une VMC à part.

La centrale de traitement d'air sera installée en toiture. Elle sera de type double flux et aura un débit variable allant d'environ 1 à 3,5 volumes/heure. Elle fonctionnera « tout air neuf et tout air extrait ». Le débit d'air sera à la fois fonction des besoins de chauffage, de rafraîchissement, de climatisation et de renouvellement d'air dans l'appartement.

En hiver, l'air neuf sera aspiré par la centrale de traitement d'air dans le volume d'air préchauffé du double peau. En été, il sera pris en toiture.

La centrale comportera un système de récupération de chaleur constitué des deux échangeurs à plaques installés en série et procurant un rendement thermique de 90% aux conditions nominales d'hiver. Ces deux échangeurs à plaques permettront un rafraichissement adiabatique sec en été lorsque le free cooling ce révélera insuffisant ; il sera capable de baisser la température de l'air soufflé d'environ 9°C. Pour réaliser ce rafraîchissement adiabatique sec, on aura recours à un humidificateur évaporatif lequel sera installé en entrée de l'air extrait des échangeurs à plaques. Ce recours à l'humidification évaporative nous mettra à l'abri des problèmes de légionellose. La récupération de chaleur sera juste bipassée lorsque l'on aura recours au free cooling et au rafraîchissement nocturne.

En sortie du système de récupération de chaleur, on trouvera successivement une batterie pouvant recevoir de la chaleur solaire ou du froid venant de l'évaporateur de la pompe à chaleur. En demi saison et avec un faible ensoleillement, le bâtiment bioclimatique et la batterie chaude solaire devront permettre de ne pas avoir recours au fonctionnement de la pompe à chaleur.

En hiver, le débit d'air soufflé par pièce correspondra juste au débit d'air neuf hygiénique. Le WC ne comportera qu'une extraction d'air alors que la salle de bains comporte un soufflage mais d'un débit inférieur à celui extrait de façon à mettre cette pièce en légère dépression

Des capteurs solaires qui se convertissent en dissipateurs de chaleur et été

En cas de climatisation, il nous fallait trouver un système permettant la réjection de chaleur provenant du condenseur à eau, si elle n'était pas utilisée pour le réchauffage de l'eau chaude sanitaire. Nous avons pensé alors à utiliser une partie des capteurs inutilisés en dissipateurs de chaleur. Nous les avons équipé de tuyères arrières afin d'améliorer la dissipation de chaleur par convection naturelle en les inclinant en position verticale.

En hiver, ces tuyères forme un vide d'air et créées ainsi une isolation arrière des capteurs en position horizontale.

La priorité : le confort et les économies d'énergie

La distribution d'air dans chaque pièce sera réalisée au moyen de diffuseurs à fentes situés au dessus des portes des pièces. L'extraction d'air sera réalisée sur le côté du montant de porte non loin de la sonde de température.
Le débit d'air soufflé et extrait dans les logements sera variable en fonction de la température de base à maintenir (environ 14°C) et de la pollution. Un capteur de CO2, par logement, permettra de maintenir un minimum d'air neuf hygiénique.

Les utilisateurs seront capables de régler la température de chacune des pièces en intervenant sur la sonde de température indexable commandant le chauffage d'appoint. La sonde de présence, gérant l'éclairage artificiel, servira également à commander le chauffage d'appoint si l'usager a laissé la télécommande sur « automatique ».

L'appoint en chaleur de chaque pièce sera obtenu par un film chauffant électrique situé sur le côté de chaque pièce.

La production d'ECS avec une bonne couverture solaire

Les capteurs solaires, destinés au chauffage et à la production d'eau chaude seront capables, à eux seuls, en été, de chauffer l'eau chaude sanitaire à 60°C. La production sera de type semi accumulation. Elle sera réalisée au moyen de ballons immergés et placés successivement dans les réservoirs tampons solaire et de réjection de chaleur.

En plus de la production d'eau chaude sanitaire, les deux réservoirs tampons solaire et de réjection de chaleur permettront de préchauffer de l'eau pluviale destinée au lave-linge. Cette eau pluviale, avant d'être préchauffée, aura préalablement subi une ultrafiltration par un module à fibres creuses qui permettra la séparation des matières en suspension, colloïdes, bactéries et virus.

Priorité aux énergies renouvelables et à l'eau pluviale

Il faudra stocker l'énergie solaire dès que l'on en aura l'occasion. Pour cela, il faudra constituer un bilan énergétique du bâtiment chauffage et ECS, puis le comparer aux prévisions météo en terme de température, d'ensoleillement et de nébulosité
Seul les bâtiments situés en zone H3, correspondant au littoral méditerranéen, auront le droit d'être climatisés.

Pour les autres zones, une chose est sure c'est que nous aurons de gros problèmes de surchauffe en été si l'on n 'y prend garde. On surventilera les logements, cela ne suffira pas, il nous a fallu imaginer un système de rafraichissement

L'intermittence facteur de gain important d'énergie

Des détecteurs de présence géreront l'éclairage artificiel ainsi que le chauffage complémentaire de chaque pièce. On pourra s'attendre à de grosses économies. Toutefois on laissera aux occupants la possibilité de pouvoir repasser du mode automatique au mode manuel. L'incitation passera par le compteur individuel d'électricité …

La gestion automatique privilégie les énergies renouvelables ainsi que la performance

La gestion de l'ensemble des équipements techniques sera confiée à un automate local couplé à un poste de supervision se trouvant chez l'exploitant.

L'automate local servira aux tâches habituelles de télémesure, de télécommande et de téléalarme.

Le poste de supervision servira au dialogue avec l'automate local, à rapatrier les historiques et à effectuer les corrections permettant d'optimiser l'efficacité énergétique grâce à un logiciel spécifique couplé à un service de prévisions météorologiques.

L'exploitation sera assurée au travers d'un contrat avec intéressement de façon à inciter l'exploitant à la recherche d'économies.

Les tâches de maintenance préventive et curative seront déclenchées par le poste de supervision.

La sécurité incendie

Les parois vitrées formant le puits de lumière seront pare flamme ½ h.
Un détecteur d'incendie, par appartement, sera relié à l'automate local et de là au poste de supervision. Les gaines de soufflage et d'extraction d'air seront coupe feu 1 h et des volets coupe feu seront commandés par la détection de fumée.

En cas de feu, le détecteur de fumée placée sur la gaine d'extraction d'air arrête la centrale de traitement d'air et ferme, ferme son volet coupe-feu et ouvre celui d'un ventilateur de désenfumage qui est mis en service peu de temps après.

Autres économies

Les eaux pluviales seront collectées et stockées dans un réservoir souterrain. Elles permettront, outre l'arrosage des jardins, celui du mur végétalisé. L'eau pluviale alimentera également les WC ainsi que le lave-linge, après avoir subi une ultra-filtration.

Des capteurs solaires photovoltaïques seront disposés sur des parties de toiture libres. Toute l'électricité sera revendue.

Alain Garnier
Alain Garnier est ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER 120 rue Gambetta à Reims – Lauréat du premier prix de l'Eco-Efficacité catégorie « concepteurs » en 2009 récompense remise lors de l'UCE (Université du confort et de l'eau) de ICO à Lille.
www.be-garnier.fr