Simulation Thermique Dynamique de la Mairie de Bastia

Par Philippe FOBIS – Directeur du BET FOBIS

La rénovation thermique de l’Hôtel de Ville de Bastia a été réalisée dans le cadre de « l'Appel à Projets Bâtiments Démonstrateurs en Corse ». L’objectif réglementaire était de rénover avec un Cep après travaux au plus égal au Cep avant travaux diminué de 40%, soit Cep_{après travaux}≤60% Cep_{avant travaux}.

La Simulation Thermique Dynamique (STD) demandée par le maître d’ouvrage au BET avait comme objectif d’optimiser et de prioriser les solutions techniques et les investissements.

Le bâtiment existant étudié est un bâtiment administratif de bureaux essentiellement. C’est un ERP de 5^ème catégorie qui date des années 1960 et accueille principalement la mairie de Bastia (2B).

L’étude de simulation thermique dynamique était demandée dans le cahier des charges concepteurs de la mairie de Bastia. L’objet était est de confirmer les économies de chauffage et climatisation et les retours sur investissements liées aux différents choix de techniques mises en œuvre pour le bâtiment, ainsi que d’optimiser les puissances qui seront installées.

Les principaux travaux de performance énergétique d’un montant de 2,3 M€ HT ont concerné :

• le remplacement et le renforcement de l’isolation en toiture terrasse.
• la mise en œuvre d’une ITE (isolation thermique par l’extérieur) et d’un système de peau rapportée en dalle à 90% minérale solidarisé à la paroi par une ossature primaire ménageant une lame d’air ventilée,
• le remplacement des menuiseries extérieures et des volets,
• le remplacement du système de chauffage et la mise en place d’un système de rafraîchissement pour gérer la surchauffe de l’été,
• la mise en place d’une ventilation mécanique contrôlée,
• le remplacement des luminaires des parties communes,
• la mise en place d’une GTB

Les détails de l’étude « simulation thermique dynamique » figurent ci-après. Cette étude STD réalisée sur le bâtiment a permis :

• Au cours de l’APS, de trouver les bons compromis entre les épaisseurs d’isolant thermique de la façade, l’isolant en toiture, les natures des vitrages et le choix des équipements techniques.
• D’optimiser la puissance installée de chauffage et climatisation par rapport aux calculs classiques apports/déperditions compte tenu de la géométrie du bâtiment et des expositions très différentes des ouvertures des bureaux.
• Et de justifier auprès du client la mise en place d’un VRV 3 tubes (à récupération d’énergie) par rapport à un VRV deux tubes compte tenu des transferts d’énergie en demi-saison en fonction de l’orientation des façades.

Sur le plan de la réglementation, le calcul réglementaire fait par Clima-Win nous amène à un projet conforme avec un Gain Cep projet / Cep réf de 44.74% et un gain de Cep projet / Cep initial de 64.27%.

1.1 Masques proches

Les masques proches sont provoqués par les bâtiments environnants qui occultent la course du soleil.

Masques proches : cette figure montre l’implantation des bâtiments environnants



Solstice d’été à 6H (figure de gauche) et à 18H (figure de droite)



Solstice d’hiver à 8H (figure de gauche) et à 15H (figure de droite)

Les figures montrent les ombres engendrées par les bâtiments aux alentours en fonction des deux solstices. On voit que selon la période, ceci n’est pas négligeable.



1.2 Masque lointain

Le diagramme solaire pour une latitude donnée (42°40’03’’N dans notre cas), permet de visualiser l'azimut et la hauteur du soleil pendant les heures de la journée et suivant les saisons. La courbe du bas représente la course du soleil en Décembre et celle du haut en Juin.

Masque lointain

Le masque lointain schématisé sur la figure ci-dessus ne montrant qu’un léger masque à l’Ouest correspondant au relief de la « montagne » n’aura que très peu d’influence sur le bâtiment.

Nous allons utiliser deux logiciels pour réaliser cette étude :

- Alcyone pour la saisie du bâtiment
- Pleiades+Comfie pour la simulation thermodynamique

2.1 Saisie du bâtiment sous logiciel Alcyone

Après avoir créé nos parois ainsi que nos menuiseries sous Pleiade, nous obtenons le bâtiment suivant réparti en plusieurs zones :

2.2 Simulation sous logiciel Pléiade

2.2.1 Parois et Ouvrants

Dans le cas de base, le bâtiment n’est pas isolé. Il comporte aussi des fenêtres bois simple vitrage pour la plupart des locaux.

Caractéristiques des parois et ouvrants

2.2.2 Scénarii utilisés

On va devoir créer plusieurs scénarii pour représenter l’occupation du bâtiment, les consignes de chauffage et de rafraîchissement, les puissances dissipées par les différents appareils et l’éclairage ainsi que la ventilation.


2.2.2.1 Chauffage

La température de chauffage à maintenir est de 20°C la journée et de 18°C la nuit et le week-end.

Scénario de chauffage

2.2.2.2 Occupation

Pour simplifier, on considère que les bureaux sont occupés toute la durée d’ouverture excepté entre 12H et 13H alors que les salles de réunion seront occupées à temps partiels. On néglige la présence dans les WC ainsi que dans les couloirs et hall. Cela ne va pas influer sur le calcul.

Pour les bureaux, on considère environ 15 personnes en occupation normale. Selon les salles de réunion le nombre de personnes varie entre 15 et 25.

Scénario d’occupation des bureaux et des salles de réunion

2.2.2.3 Ventilation

On considère une ventilation aux entrées d’air naturelles (étanchéité et ouvertures des ouvrants). On prend 0.3 Vol/H.


2.2.2.4 Puissance dissipée et Eclairage

La puissance d’un appareil n’est pas toute transformée en chaleur. C’est la puissance dissipée qui représente environ 20-25% de la puissance totale.

Scénario de puissance dissipée

Nous allons simuler tout d’abord le cas de base avant de voir le gain avec les différentes modifications apportées au bâtiment.


3.1 Cas de base

Besoins en chauffage sans isolation

Les besoins les plus élevés par mètre carré sont ceux du R+5. Cela est dû au fait que les déperditions sont aussi très importantes par la toiture.



Isolation par l’extérieur

On fait le choix d’isoler par l’extérieur. Pour les murs, on utilise le STO THERM CLASSIC : 120 mm (R=3,15 m².K/W).
Pour la toiture, on utilise de l’EFIGREEN ALU 150 mm (R= 6,2 m².K/W) en plus de la dalle existante.

Composition des nouvelles parois

Ce processus va permettre de réduire considérablement nos besoins en chauffage.

Besoins en chauffage avec isolation des parois

• Grâce à cette technique, on réalise une économie de 62%.

Remplacement des vitrages

On va remplacer les fenêtres (simple vitrage avec cadre bois pour la quasi-totalité du bâtiment) par des fenêtres PVC double vitrage.

Nouvelles menuiseries

Besoins en chauffage avec isolation des parois

• Les économies réalisées sont faibles. Cela est cohérent car la surface des ouvrants ne représente pas beaucoup par rapport à la surface totale du bâtiment.

Isolation + Vitrage

Besoins en chauffage avec isolation des parois et ouvrants

En combinant l’isolation extérieure et le remplacement des vitrages, les économies réalisées sont considérables.

• On réalise une économie de 64%

Puissance de chauffage

Evolution de la température annuelle pour la zone RDC

La période de chauffage diminue. Il faut donc chauffer de mi-Novembre jusqu’à fin Avril.

Nous allons comparer la puissance de chauffage nécessaire entre notre cas de base et le cas avec isolation extérieure et remplacement des ouvrants. Pour cela, on va considérer se mettre dans le cas le plus défavorable, c’est-à-dire :

- Prendre la température extérieure de base qui est -2°C pour Bastia
- Ne pas tenir compte des apports internes et solaires
- Majorer de 20% la puissance

Puissance de chauffage

L’économie pour la puissance de chauffage nécessaire est de 60%. On passe de 90 W/m² à environ 40 W/m².

Période de rafraichissement annuelle pour la zone RDC



Scénario de rafraichissement

• La puissance de rafraîchissement nécessaire n’est que de 45 kW avec isolation des parois et remplacement des ouvrants.

A titre indicatif, sans isolation, la température peut atteindre jusqu’à 29-30°C et la puissance de climatisation nécessaire pour respecter les consignes de température serait de 110 kW.

Température dans la zone RDC avec chauffage et climatisation

Grâce à l’isolation par l’extérieur et le remplacement des ouvrants, nous voyons bien qu’il n’y a que très peu de fluctuation de température (18°C et 20°C pour le chauffage et 25°C pour le rafraîchissement).

Par Philippe FOBIS – Directeur du BET FOBIS – Avignon (84)

SOURCE

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10 avenue de la croix rouge
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