Le guide de la maison BEPOS

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

Le BEPOS ou BPOS, Bâtiment à Energie Positive qui produit plus d'énergie qu'il n'en consomme part nécessairement d'un concept global. Depuis le type de construction qui influence les consommations et apports d'énergie, le confort qui en résulte, les énergies dont je dispose selon que je sois en ville ou à la campagne, … Faut-il opter pour un concept bioclimatique, construire une maison en bois, réaliser une isolation extérieure ? Combien le système devra t-il fournir de kWh solaire et avec quel gradient de température ? Bonne lecture et bonne conception BEPOS !!

Schéma de principe d'une maison BEPOS

Le chauffage solaire passif sera prioritaire
et le chauffage solaire actif servira d'appoint de secours

Cette chronique diffusée en avant première préfigure l'ouvrage « le Guide BEPOS 2011 », ouvrage de référence qui sortira en librairie au cours de ce semestre et qui couvrira l'ensemble des applications BEPOS. Rappelons le, la feuille de route des réglementations thermiques prévoit assez rapidement, en 2020, dans 10 ans seulement, l'obligation de construire des bâtiment à énergie positive !!.

La présente chronique est un extrait ciblé de l'ouvrage à venir et elle met l'accent sur les systèmes à énergie globale nécessaire pour obtenir une maison à énergie positive. Le choix d'énergies et d'équipements pèsera lourd sur les consommations et le confort.
Comme j'aime à le dire « dis-moi de quelles énergies tu disposes et de quelle type de construction tu choisiras et je te dirai quels équipements il conviendra de mettre en œuvre », cela nous conduira à proposer obligatoirement un concept global en maison neuve pour obtenir un niveau de performance BEPOS.

Comme il s'agit d'un extrait du guide, quoi de plus normal que de vous présenter un exemple de maison qui vous permettra d'obtenir des consommations BEPAS et BEPOS.

Pour construire une maison, la première chose à faire sera de lui trouver un terrain à la fois exposé au soleil et protégé du vent. Quelques aménagements de celui-ci seront à prévoir de façon à permettre d'améliorer le bilan thermique de la maison. La première intervention pour le confort de ses habitants sera de filtrer le rayonnement solaire en fonction des saisons, la seconde sera de protéger la maison du vent dominant en faisant attention toutefois que les arbres ne puissent la dégrader en cas de tempête.

Le chauffage solaire passif (démarche bioclimatique) consiste à adapter un bâtiment, dans le but d'utiliser au mieux les apports calorifiques liés au soleil (architecture, ouvertures, matériaux, orientation...). La démarche bioclimatique et ne l'oublions pas la démarche environnementale (moins de CO2 d'énergie grise, possible) sera traitée en détail dans le Guide BEPOS 2011. Ciblons notre présent développement au choix énergétiques et aux équipements actifs de la maison à énergie positive.

Le chauffage de la maison sera réalisé successivement en 2 ou 3 étapes :

• Au moyen d'un système de chauffage principal réalisé en solaire passif.
• Au moyen d'un système de chauffage d'appoint réalisé en solaire actif.
• Au moyen d'un troisième mode de chauffage servant à l'appoint et au secours dans les régions très froides.

Ce schéma de principe permettra de réaliser à la fois :

• Un chauffage solaire passif prioritaire, avec son stockage sec
• Un chauffage solaire actif d'appoint et de secours, avec son stockage liquidew

3.1 Chauffage solaire passif

La véranda orientée au Sud ou Sud-Est emmagasinera la chaleur provenant du rayonnement solaire. Cette chaleur ira stratifier en partie haute de la sous toiture où elle sera extraite au moyen d'un circuit d'air chaud fonctionnant par convection naturelle. Ces gaines métalliques verticales de distribution d'air serviront de panneaux rayonnants pour chauffer les pièces. Cette convection naturelle appelée aussi « effet de cheminée » sera obtenue par la montée en température côté Sud et son refroidissement côté Nord.

Le stockage solaire sera réalisé au moyen du mur situé au fond de la véranda (pierre, brique, béton) lequel constituera un accumulateur de chaleur qui donnera l'effet de cheminée.

On aura recours à un second accumulateur sec de chaleur solaire, mais cette fois-ci de plus grande capacité et donc offrant plus d'autonomie de chauffage à la maison. Il sera constitué de briques disposées dans une chambre parfaitement isolée et située en vide sanitaire de la maison. Ces briques seront disposées en peigne de façon à augmenter le temps de passage dans cet accumulateur et à stocker un maximum de chaleur sans pour autant créer trop de perte de charge.

Un ventilateur électrique basse pression et à débit variable, situé sur le circuit d'air chaud en sous toiture, pourra venir en complément de la convection naturelle.

Une gaine bien isolée permettra le bipassage au travers de l'accumulateur de chaleur au cas où le chauffage passif apporterait trop de chaleur. Un registre motorisé et régulé en fonction de la température extérieure et d'un bilan thermique permettra son emploi suivant les phases « stockage » ou « chauffage ».

La gaine collectrice qui viendra prélever la chaleur stratifiant en haut de la véranda montera jusqu'au faitage. Elle desservira plusieurs gaines métalliques descendant dans les pièces lesquelles serviront de panneaux rayonnants, pour réaliser un chauffage de base, à basse température. Le ventilateur électrique basse pression, situé sur la gaine collectrice en sous toiture, verra son débit d'air moduler en fonction des besoins de chauffage ; il y a des moments où il sera complètement arrêté si l'effet moteur obtenu par la différence de température et de hauteur permet une circulation naturelle.

3.2 Chauffage solaire actif

Au moyen d'un système de chauffage d'appoint réalisé en solaire actif ayant recours au vecteur air.

Une centrale de traitement d'air de type double flux assurera le renouvellement hygiénique ainsi que le chauffage d'appoint en hiver. En hiver, l'air neuf sera prélevé en haut de la véranda de façon à récupérer de la chaleur solaire gratuite ; en Eté, l'air neuf et frais sera pris directement à l'extérieur.

En hiver, le débit d'air soufflé dans chaque pièce permettra le complément en chauffage ainsi qu'un minimum d'air hygiénique.

Le WC ne comportera qu'une extraction d'air alors que la salle de bains comportera une introduction d'air neuf, mais d'un débit inférieur à celui extrait de façon à maintenir cette pièce en légère dépression et éviter ainsi à la vapeur d'eau de sortir dans la circulation contiguë.

Schéma de principe chauffage solaire (sans PAC) pour le chauffage et la production d'ECS

La centrale de traitement d'air comportera un récupérateur de chaleur ayant un rendement thermique de 90% (2 échangeurs à plaques montés en série ou une roue).

Elle comportera une batterie eau chaude à basse température alimentée par un ballon de stockage solaire. Ce ballon sera vertical de façon à stratifier au maximum, et sera parfaitement isolé. Il sera raccordé à des capteurs solaires à tubes sous vide disposés sur la toiture inclinée et orientée au Sud au moyen d'une boucle régulée. Le gisement solaire devenant trop important en Eté, on réduira la captation solaire en mettant une partie des capteurs verticalement sous la casquette de la toiture (rayonnement solaire à environ 68°) ; ce qui augmentera de plus le rendement solaire en Hiver le soleil arrivant à environ 21° avec l'horizontale.

La capacité de stockage de chaleur solaire, nécessaire au chauffage et à la production d'eau chaude sans soleil, devra permettre un minimum d'autonomie de 72 h.

La distribution d'air sera réalisée en système « parapluie, c'est à dire au moyen de gaines individuelles passant en sous toiture et descendant sur les diffuseurs d'air et les grilles d'extraction d'air.

La diffusion d'air sera réalisée au moyen de diffuseurs muraux placés dans les pièces à chauffer, à rafraîchir (parfois à climatiser) ou/et à ventiler.

Ces diffuseurs d'air seront incorporés de préférence dans les cadres de porte car cet endroit est toujours libre et il est de plus généralement situé en face du vitrage qui représente la paroi la plus froide ou la plus chaude de la pièce.

Schéma de principe chauffage solaire (sans PAC) pour le chauffage et la production d'ECS

3.4 chauffage d'appoint

Dans les régions très froides, il sera prudent d'ajouter un troisième mode de chauffage servant d'appoint et de secours. Suivant les possibilités locales en énergie, ce pourrait être un poêle ou une chaudière bois ou encore une chaudière électrogène (écogénérateur) alimenté en gaz naturel ou propane.

Si le gisement solaire est insuffisant en Hiver et que l'on veut être très performant, on pourra avoir recours à la machine à absorption à réchauffage indirect utilisée en pompe à chaleur et à un écogénérateur qui fournira à son bouilleur la chaleur manquante.

Schéma de principe chauffage sans solaire, avec machine à absorption
alimentée par un écogénérateur pour le chauffage et la production d'ECS

La citerne de stockage d'eaux pluviales servira de « source chaude » pour absorber la chaleur du sol. Elle a une surface d'échange avec la terre correspondant à ce qu'aurait pu donner des sondes géothermiques ; on sait par ailleurs que leur nombre est moitié moins important pour les pompes à chaleur à compression électrique ....

La citerne de stockage d'eaux pluviales sera en deux parties de façon à constituer deux volumes communiquant mais évitant l'homogénéisation. Elle permettra, en outre, une réserve d'eau intéressante pour l'arrosage en cas d'incendie.

Comme il nous faut 90°C pour produire l'eau chaude sanitaire et alimenter le bouilleur de la machine à absorption, nous aurons recours à une chaudière électrogène (écogénérateur) alimentée en gaz naturel ou en propane.

Elle utilise la technique de la condensation en l'associant à un moteur Stirling. Dans le moteur Stirling, une partie de la chaleur du brûleur entraîne la dilatation du gaz Hélium qui, grâce à un système de refroidissement, active le mouvement d'un piston. Ce mouvement permet de faire fonctionner un alternateur qui produit une puissance électrique d'1 kW. L'électricité ainsi produite sera réinjectée dans l'installation électrique de la maison.

Caractéristiques de l'écogénérateur gaz De Dietrich type Hybris PowEr : Puissance calorifique de 4 à 28 kW condensation (utilisation en dernier recours) production d'électricité de 1 kW. La production d'eau chaude sanitaire sera réalisée de façon indépendante.

La production d'eau chaude sanitaire de la maison sera réalisée en 2 stades ou 3 stades :

Au moyen du même système de solaire actif que le chauffage. Le ballon sera vertical de façon à stratifier au maximum, il sera parfaitement isolé.

Il sera raccordé au moyen d'une boucle de régulée à des capteurs solaires vitrés disposés sur la toiture inclinée et orienté au Sud. La capacité de ce ballon devra permettre le stockage de chaleur nécessaire au chauffage et à la production d'eau chaude, sans soleil, avec un minimum d'autonomie de 72 h.

Le complément pourra se faire :

• Soit au moyen d'un système de production d'eau chaude sanitaire d'appoint réalisé au moyen de capteurs solaires à tubes sous vide. Ce type de capteurs bien que ne couvrant pas plus les besoins que des capteurs vitrés, permet de monter beaucoup plus en température et donc de lutter beaucoup plus contre les risques de légionellose (température ECS ≥ 60°C).

• Soit au moyen d'un système de production d'eau chaude sanitaire d'appoint et de secours réalisé au moyen d'un chauffe-eau thermodynamique.

• Soit au moyen de capteurs solaires à tubes sous vide plus d'un chauffe eau thermodynamique.

Architecture bioclimatique :

Protections solaires

• La toiture de la véranda sera opaque de façon à repousser le risque de surchauffe d'été et de demi saison tout en laissant le rayonnement solaire entrer en Hiver.

• Le végétal extérieur stoppera la majeure partie du rayonnement solaire avant qu'il n'atteigne les baies vitrées de la véranda.

• Si ce n'est pas suffisant, on baissera les stores à lames disposés au plus près des vitrages afin d'empêcher le soleil de pénétrer jusqu'au fond des pièces ce qui aurait pour effet de provoquer une surchauffe généralisée.

• En plus, le végétal disposé devant le mur en fond de véranda empêchera le rayonnement solaire d'atteindre et de réchauffer ce mur accumulateur.

• On aura également la possibilité de filtrer le rayonnement solaire et la lumière naturelle au moyen des volets coulissants en bois à persiennes des pièces donnant sur la véranda.

Désurchauffe des pièces de la maison :

La désurchauffe sera obtenue par une ventilation nuit / jour, de la façon suivante :

Les fenêtres donnant sur l'extérieur seront ouvertes au Sud et au Nord, créant ainsi une ventilation naturelle et transversale par effet thermique (différence de température entre les façades ensoleillées et à l'ombre) et également verticale grâce à l'escalier central et au châssis ouvrant en toiture.

Des châssis vitrés disposés en toiture permettront une désurchauffe naturelle de la maison. Ils seront orientés au Sud et inclinés verticalement sous le faitage de façon à être protégés du vent dominant et de la pluie. Leur inclinaison et le débord de toiture les mettront également à l'abri de l'ensoleillement tout en laissant entrer la lumière naturelle de façon à ce qu'elle soit diffusée dans les pièces grâce à l'escalier qui servira de puits de lumière.

Les planchers pourront être réalisés au moyen de dalles pleines en béton pour ajouter de l'inertie à la maison, surtout si elle est à ossature bois avec murs et toiture bois. Mieux, on pourra avoir recours à du plancher collaborant de façon à se servir des nervures des bacs en acier pour faire passer de l'air frais la nuit et désurchauffer le plancher.


Rafraîchissement naturel de jour de la maison :

On pourra dans certaines régions fortement exposées au soleil, compléter ce dispositif par un puits provençal qui amènera de l'air rafraîchi naturellement à la prise d'aspiration Eté de la centrale de traitement d'air double flux. La désurchauffe de la maison sera réalisée de deux façons :

Au moyen d'un registre situé sur le circuit de convection, il sera mis automatiquement en position de fermeture en été de façon à empêcher à la chaleur du stockage solaire passif de sortir à l'extérieur par tirage naturel.

Au moyen d'un registre situé en point haut du circuit de convection, donnant à l'extérieur qui sera mis automatiquement en position d'ouverture de façon à permettre de désurchauffer la serre en Eté.

Au moyen, en cour de journée, de la fermeture des baies vitrées des pièces donnant sur la véranda de façon à empêcher la chaleur de pénétrer. On pourra également fermer les volets pour stopper que le rayonnement solaire ne parvienne jusqu'à elles.

Au moyen, la nuit, de l'ouverture de l'ouverture des baies vitrées des pièces donnant sur la véranda largement ouverte sur l'extérieur, de façon à favoriser un ventilation transversale avec les baies vitrées des pièces donnant au Nord ainsi qu'ascendant avec les châssis vitrés situés en toiture.

Si nous sommes dans une région très chaude et que la température intérieure dépasse 26 à 27°C, après que nous ayons déjà ventilé la maison de façon naturelle et que nous l'ayons même désurchauffé la nuit en vue d'amortir le pic de température du lendemain, il nous faudra la climatiser.

C'est avec le chauffage solaire que la climatisation solaire prend tout son sens. Dans la plupart des zones climatiques, nous avons l'interdiction de recourir à l'utilisation d'énergies fossiles pour la climatisation. Mais comme nous sommes en maison, nous avons la possibilité d'avoir recours à des systèmes de climatisation solaire, malgré que la surface de captation soit plus élevée qu'en immeuble.

Notre climatisation solaire devra pouvoir être combinée avec le chauffage et la production d'eau chaude. Les machines de production de froid ont récemment évolué et la climatisation au moyen de petites machines à absorption à réchauffage indirect est devenue possible. C'est cette solution que nous retiendrons.

L'absence de compresseur électromécanique (et par la même occasion de tout gaz à effet de serre) nous permettra un fonctionnement silencieux appréciable ainsi qu'une longévité accrue. Et comme l'énergie solaire est gratuite et qu'il nous faut pouvoir dissiper la chaleur de réjection de notre système, nous pourrons même réchauffer l'eau de la piscine.

On commence à trouver des petites machines à absorption à simple effet utilisant comme fluide frigorigène un couple : eau + bromure de lithium qui représente une bonne alternative pour l'environnement (absence de CFC, HCFC, etc.).

La technologie développée applique les principes d'absorption dans une unité génératrice rotative. La rotation a pour effet d'améliorer les processus de transfert de masse et de chaleur des fluides et permet de réduire la dimension et le poids des appareils. L'installation de tour de refroidissement n'est plus nécessaire.! Deux lignes de produits ont été développées :

• Le premier système, caractérisé par un cycle d'absorption à simple effet, possède un brûleur interne alimenté en gaz. Suivant l'intensité du rayonnement solaire la puissance obtenue ira de 2 à 8 kWf. Pour 4,5 kWf, le COP obtenu de 0,62 sera faible mais l'énergie solaire est gratuite.

• Le second système, à absorption double effet, est actionné par de l'eau chaude à 90°C. Le bouilleur est alimenté par des capteurs solaires à haute température, du type à tubes sous vide (énergie renouvelable).

Doc. machine à absorption ROTARTICA (Espagne) Solar 045 et Solar 045V) - De type simple effet à gauche et double effet à droite

Le COP d'une machine à absorption simple effet est faible. Avec les machines à double effet on parvient à des COP de 1,2 alors qu'avec les machines à compression on parvient à des COP de 2,5. Mais si on raisonne en énergie primaire (thermique) les COP des cycles à compression et des cycles à absorption (double effet) sont alors comparables. Plus il y a de soleil, plus il fera chaud, plus nous aurons besoin de climatisation et plus notre système produira de froid.

Rayonnement solaire et demande simultanée de froid sur l'année

Pour produire 4,5 kWf de froid, il nous faudra environ 13 m² de capteurs

Doc. ROTARTICA

Le schéma le plus simple sera celui correspondant à l'utilisation d'une machine à absorption à simple effet rejetant tout la chaleur de réjection à l'extérieur. On notera la présence d'une chaudière d'appoint capable de monter la température d'eau à 90°C, au cas où l'intensité solaire serait insuffisante et on aurait malgré tout besoin de climatisation.

Nous pourrons également valoriser le système en utilisant la chaleur de réjection provenant du condenseur à eau. Le cas idéal serait par exemple d'utiliser toute sa chaleur de réjection comme nous le faisons déjà dans les piscines publiques avec des machines à simple effet : préchauffage de l'air du hall, puis préchauffage de l'eau d'appoint des bacs tampons et de l'eau chaude sanitaire), et enfin en préchauffage de l'eau des bassins. Dans ce cas, on ne parle plus de COP de 0,67 mais d'efficacité énergétique globale du système qui est de 2,06 et nous réalisons de 35 à 40% d'économie d'énergie par rapport à un système classique.

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

→ AUTRES CHRONIQUES d'Alain Garnier

• Concept global BEPAS & BEPOS pour immeubles de grande hauteur

• Bâtiment à énergie positive - bâtiment à énergie passive

• Bâtiment à énergie positive - Concept global 2^ème partie

• Piscines basse consommation – Le guide

• Les piscines : hygiène et gestion de l'eau

• Guide des piscines à basse consommation - Acte 1

→ ALLER PLUS LOIN

Alain GARNIER participe à la 12° Université ICO du 11 au 13 mai 2011. « Energie : objectif ZERO ! »

Programme – Inscrivez-vous