CSTB bâtiment de bureaux Manuel utilisateur
Vous trouverez ci-dessous de brèves informations sur Guide des solutions pratiques. Ce document met en évidence la nécessité d'optimiser l'ensemble des composantes du bâtiment, dont le système de traitement climatique, pour atteindre une consommation énergétique annuelle inférieure à 100 kWh/m². Il se rapporte au chauffage, à la climatisation, à la ventilation, à l'éclairage et à la bureautique.
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Quelles solutions pour des bâtiments de bureaux climatisés à moins de 100 kWh/m² ? • Guide des solutions pratiques Dominique Marchio, Sila Filfli, ARMINES - CEP Emmanuel Fleury, Jean-Marie Alessandrini, Jean Robert Millet, CSTB Pierre Damolis, Daniel Gourmez, ALTO ingénierie Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur ou du Centre Français d’Exploitation du droit de copie (3, rue Hautefeuille, 75006 Paris), est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d’autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (Loi du 1er juillet 1992 - art. L 122-4 et L 122-5 et Code Pénal art. 425). © CSTB 2008 Quelles solutions pour des bâtiments de bureaux climatisés à moins de 100 kWh/m² ? Guide des solutions pratiques SOMMAIRE Choisir des cibles de performance pour atteindre un objectif de consommation annuelle inférieure à 100 kWh/m2. .................................................................. 3 Cible n° 5 : renouvellement d’air neuf et équipement de ventilation............................................................... 27 Cible n° 6 : équipements de bureautique.................. 29 Mode d’emploi............................................................... 4 Cible n° 7 : éclairage.................................................... 31 1a - Bâtiment de grande taille avec mur rideau, plateau large, bureaux paysagés, salles de réunion aveugles............................................ 6 Cible n° 8 : réseau de distribution.............................. 33 Cible n° 9 : production thermofrigorifique................. 35 1b - Bâtiment de grande taille avec mur rideau, plateau large, bureaux cloisonnés, salles de réunion aveugles............................................ 9 Cible n° 10 : auxiliaires................................................ 41 Annexe 1 - Exigences minimales considérées dans l’étude.................................................................. 43 1c - Bâtiment de grande taille avec mur rideau, plateau mince, bureaux cloisonnés, salles de réunion vitrées..............................................11 Annexe 2 - Conditions de simulation........................ 44 2 - Bâtiment de taille moyenne Immeuble rénové, structure plutôt lourde et bureaux cloisonnés................................................. 13 Annexe 3 - Systèmes de traitement.......................... 45 Annexe 4 - Influence de la régulation et de la gestion technique sur les consommations........... 48 3 - Bâtiment de petite taille en zone péri urbaine.................................................... 15 Annexe 5 - Développement durable et Haute qualité environnementale........................... 50 Cible n° 1 : isolation des parois opaques.................. 19 Annexe 6 - Critères de conception pour les atriums........................................................... 51 Cible n° 2 : caractéristiques des surfaces vitrées...... 21 Cible n° 3 : orientation du bâti.................................... 23 Annexe 7 - Caractéristiques géométriques des bâtiments types.................................................... 57 Cible n° 4 : protections solaires.................................. 25 Remarque : ce document s’appuie sur le rapport final qui fournit les résultats de l’ensemble des simulations. Le lecteur intéressé pourra se procurer ce document auprès de Dominique Marchio : [email protected] e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Choisir des cibles de performance pour atteindre un objectif de consommation annuelle inférieure à 100 kWh/m2 L’étude sur les immeubles de bureaux « Objectif 100 » met en évidence la nécessité d’optimiser l’ensemble des composantes du bâtiment dont notamment le système de traitement climatique afin d’avoir une consommation énergétique annuelle inférieure à 100 kWh/m2. Cette consommation se rapporte à l’ensemble des usages énergétiques du bâtiment : chauffage, climatisation, ventilation, éclairage, bureautique, ... La surface prise en compte est la surface « utile » totale (circulations comprises). La RT 2005 exprime des exigences en kWh/m2 de surface hors œuvre nette (SHON), le lecteur apportera le correctif correspondant. Selon les chiffres clés du bâtiment publié annuellement par l’Ademe (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie), la consommation annuelle moyenne d’un immeuble de bureaux est de 280 kWh/m2. Une simulation sur un bâtiment ancien (312 kWh/m2) permet d’en donner une décomposition approximative et de la comparer à celle d’un bâtiment « optimisé » consommant 80 kWh/m2. Charges internes Solutions techniques Cible n° 1 Caractéristiques des surfaces vitrées Cible n° 2 Orientation Cible n° 3 Protections solaires Cible n° 4 Ventilation Cible n° 5 Équipements de bureautique Cible n° 6 Éclairage Cible n° 7 Réseau de distribution Cible n° 8 Production thermo-frigorifique Cible n° 9 Auxiliaires Cible n° 10 TYPE 1-a Grande surface. Mur rideau, plateau large et salle de réunion aveugle, bureaux paysagés TYPE 1-b Idem TYPE 1 avec bureaux cloisonnés TYPE 1-c Idem TYPE 1-b sauf plateau mince (bureaux cloisonnés) et salle de réunion sur extérieur TYPE 2 Taille moyenne. Immeuble rénové, structure plutôt lourde et bureaux cloisonnés TYPE 3 Immeuble de petite taille en zone péri urbaine Figure 1 - Comparaison des consommations totales entre un « bâtiment ancien » et un « bâtiment objectif 100 » Pour atteindre l’objectif de moins de 100 kWh/m2, il faut agir sur tous les postes. Des cibles chiffrées de haute performance ont été définies au cours de l’étude : – pour les différentes composantes du bâtiment : isolation, caractéristiques du vitrage, … Un nombre limité de systèmes a été considéré au cours de l’étude : ventilo-convecteurs, débit d’air variable (DAV), débit d’air constant (DAC), débit de réfrigérant variable (DRV), pompe à chaleur (PAC) réversible, rafraichisseur à dessicateur (DEC). – pour les différents équipements techniques : groupes frigorifiques, chaudières, … L’objectif de ce guide (1) est de préciser les solutions techniques disponibles permettant d’atteindre un objectif de consommation. On chiffrera leur impact en matière de consommation énergétique globale du bâtiment et ce, indépendamment de leur coût de mise en œuvre et d’exploitation. Trois niveaux de performance sont proposés au lecteur : Objectif 90-100, Objectif 80-90, Objectif < 80. En fonction de ce choix et pour différents types de bâtiment, un certain nombre de cibles devront être atteintes. Le tableau suivant liste les différentes cibles traitées dans ce document. Systèmes / Type de bâtiment Ventiloconvecteurs DAV DAC Type 1a x x x Type 1b x x Type 1c x x Type 2 x x Type 3 x x DRV SPLIT PAC réversible DEC x x x x Le guide étant établi à partir de travaux de modélisation moyennant la définition d’hypothèses, les niveaux de performance sont des ordres de grandeurs, pour un projet précis les consommations pourront s’écarter des performances affichées. De plus, le respect de toutes les cibles pourra ne pas être possible dans certains projets. 1 Ce guide donne des moyens de limiter les consommations d’énergie des bâtiments de bureaux à différents niveaux de performance, son usage étant fondé sur le respect d’un ensemble de cibles selon la performance recherchée. e-Cahiers du CSTB Isolation des parois opaques L’utilisateur du guide en fonction de son projet doit d’abord choisir entre trois types de bâtiments (représentatifs du parc français). Le premier type décliné en trois variantes correspond à des bâtiments de grande surface, assez vitrés. Le deuxième type regroupe des bâtiments de taille plus modeste, neufs ou résultant d’une rénovation (immeuble néo – haussmannien). Le troisième type représente les petits bâtiments de zones industrielles, pépinières d’entreprises, … Trois types représentatifs du parc français Conception de l’enveloppe Liste des cibles traitées -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Mode d’emploi Les tableaux suivants présentent les recommandations minimales nécessaires pour atteindre les objectifs : objectif 90-100, objectif 80-90, objectif < 80. Ces recommandations sont classées tout d’abord par bâtiment, ensuite par système dans deux régions climatiques représentatives. Plus précisément, on lit le type de bâtiment en tête de page ; ensuite, deux tableaux (un par météo) pour les systèmes envisagés. Chaque colonne correspond à un niveau d’objectif de consommation. Les cases grises indiquent qu’il faut nécessairement atteindre la cible correspondante pour respecter l’objectif. Une case blanche implique un respect des exigences minimales présentées page 43 (moins exigeantes que les cibles). En majorité, on a donné priorité aux cibles constructives (1 à 4). Pour les paramètres du système, un jeu de couleur représente l’ordre prioritaire dans le choix des cibles. Numéro de cible. Renvoi aux fiches de chacune Cibles La consommation minimale, toujours exprimée en kWh d’énergie payante annuelle et par mètre carré de surface utile, est obtenue avec l’exigence maximale sur toutes les cibles. Celle-ci est donnée à gauche du tableau. On indique le nombre de cibles supplémentaires à respecter. Ces dernières sont classées par ordre de priorité. Consommation minimale possible dans les limites de l’étude 69 kWh/m2 Case grise : cible à atteindre nécessairement pour respecter l’objectif < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 Case blanche : exigences minimales à respecter (page 43) 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +2 8 - Distribution +1 +1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires - Il faut choisir 2 cibles parmi les 4 ci-dessous Couleurs indiquant l’ordre de priorité décroissante, le brun est le plus important - Il faut choisir 1 cible parmi les 3 ci-dessous Pour l’objectif 90-100, deux solutions sont proposées Sens de priorité décroissant e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Exemple d’utilisation Une fois choisi le type de bâtiment et le type de système installé, on se reporte au tableau correspondant (1a, 1b, 1c, 2 ou 3) et au système choisi. Pour chaque paramètre, une « Cible » est détaillée ultérieurement. Chaque tableau se traduit comme suit : – la consommation annuelle minimale (solution la plus exigeante dans les limites de l’étude est donnée à la première colonne. Pour l’exemple considéré cette consommation est de 69 kWh/m2 ; – pour atteindre l’objectif < 80 kWh/m2, le tableau propose deux solutions indépendantes : 1 - première solution, il faut être exigeant sur 9 paramètres : les 8 premiers (parois opaques, surfaces vitrées, orientation, protections solaires, ventilation, bureautique, éclairage, distribution) et un paramètre parmi les trois derniers (production froid, production chaud, auxiliaires). Ces trois paramètres sont classés par jeu de couleurs. Ceci se lit comme suit : l’exigence sur le paramètre « production chaud » (en brun) est plus efficace que l’exigence sur les « auxiliaires » (en rouge) qui, à son tour est plus efficace que l’exigence sur le paramètre « production froid » (en orange), 2 - deuxième solution, il faut être exigeant sur 10 paramètres : les 7 premiers (parois opaques, surfaces vitrées, orientation, protections solaires, ventilation, bureautique, éclairage) et les trois derniers (production froid, production chaud, auxiliaires) ; – pour atteindre l’objectif 80-90 kWh/m2, le tableau propose une seule solution : il faut être exigeant sur 9 paramètres : les 7 premiers (parois opaques, surfaces vitrées, orientation, protections solaires, ventilation, bureautique, éclairage) et deux paramètres parmi les quatre derniers (distribution, production froid, production chaud, auxiliaires) - même jeu de couleurs ; – pour atteindre l’objectif 90-100 kWh/m2, le tableau propose deux solutions indépendantes : 1 - première solution, il faut être exigeant sur 7 paramètres : les 7 premiers (parois opaques, surfaces vitrées, orientation, protections solaires, ventilation, bureautique, éclairage, distribution) ; 2 - deuxième solution, il faut être exigeant sur 6 paramètres : les 5 suivants (surfaces vitrées, orientation, protections solaires, bureautique, distribution) et un paramètre parmi les trois derniers (production froid, production chaud, auxiliaires) - même jeu de couleurs. e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 1a - Bâtiment de grande taille avec mur rideau, plateau large, bureaux paysagés, salles de réunion aveugles Trois systèmes sont envisagés : ventilo-convecteurs, débit d’air variable (DAV), débit d’air constant (DAC) Ventilo-convecteurs et centrale double flux dans les salles de réunion Trappes Cibles 69 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +1 8 - Distribution +1 +1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 63 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +2 +1 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système à débit d’air variable (DAV) Trappes Cibles 64 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique + 1 7 -Éclairage + 1 8 - Distribution + 1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 61 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 1 +1 8 - Distribution 9 - Production froid + 1 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve pages 4. e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système à débit d’air constant (DAC) Trappes Cibles 71 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 65 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 1b- Bâtiment de grande taille avec mur rideau, plateau large, bureaux cloisonnés, salles de réunion aveugles Deux systèmes sont envisagés : ventilo-convecteurs, débit d’air variable (DAV) Ventilo-convecteurs et centrale double flux dans les salles de réunion Trappes Cibles 76 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 2 + 1 8 - Distribution + 2 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 66 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 3 + 1 + 2 8 - Distribution 9 - Production froid +2 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB -- Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système à débit d’air variable (DAV) Trappes Cibles 75 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique +1 7 - Éclairage +1 8 - Distribution +1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 62 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées +2 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique 7 - Éclairage +1 +1 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 10 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 1c - Bâtiment de grande taille avec mur rideau, plateau mince, bureaux cloisonnés, salles de réunion vitrées Deux systèmes sont envisagés : ventilo-convecteurs, débit d’air variable (DAV) Ventilo-convecteurs et centrale double flux dans les salles de réunion Trappes Cibles 80 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +3 8 - Distribution +1 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 64 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique +1 7 -Éclairage 8 - Distribution 9 - Production froid +1 +2 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 11 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système à débit d’air variable (DAV) Trappes Cibles 80 kWh/m2 « minimum atteint » < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique +1 7 - Éclairage 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud +1 +1 10 - Auxiliaires Nice Cibles 63 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 6 - Bureautique 7 - Éclairage +1 8 - Distribution 9 - Production froid +1 +1 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 12 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 2Bâtiment de taille moyenne Immeuble rénové, structure plutôt lourde et bureaux cloisonnés Deux systèmes sont envisagés : ventilo-convecteurs, débit de réfrigérant variable (DRV). Ventilo-convecteurs et centrale double flux dans les salles de réunion Trappes Cibles 73 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 1 8 - Distribution + 2 + 2 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 64 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage + 3 + 1 +1 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 13 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système à débit de réfrigérant variable (DRV) Trappes Cibles 58 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 55 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage 9 - Production 10 - Auxiliaires Nice Cibles 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation + 1 6 - Bureautique 7 - Éclairage 9 - Production 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 14 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 3 Bâtiment de petite taille en zone péri urbaine Quatre systèmes sont envisagés : ventilo-convecteurs, débit de réfrigérant variable (DRV), split systems, rafraichisseur dessicateur (DEC). Ventilo-convecteurs et centrale double flux dans les salles de réunion Trappes Cibles 79 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +1 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud +1 +1 10 - Auxiliaires Nice Cibles 64 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +3 +1 +1 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 15 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système à débit de réfrigérant variable (DRV) Trappes Cibles 63 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 61 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 -Éclairage 9 - Production 10 - Auxiliaires Nice Cibles 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage 9 - Production 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 16 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Système Split Trappes Cibles 43 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 42 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage 9 - Production 10 - Auxiliaires Nice Cibles 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage 9 - Production 10 - Auxiliaires Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 17 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Ventilo-convecteurs et système à dessiccation dans les salles de réunion Trappes Cibles 71 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +1 8 - Distribution +2 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires Nice Cibles 64 kWh/m2 «minimum atteint» < 80 kWh/m2 80 – 90 kWh/m2 90 – 100 kWh/m2 1 - Parois opaques 2 - Surfaces vitrées 3 - Orientation 4 - Protections solaires 5 - Ventilation 6 - Bureautique 7 - Éclairage +1 8 - Distribution 9 - Production froid 9 - Production chaud 10 - Auxiliaires +1 Le mode d’emploi de ces tableaux se trouve page 4. e-Cahiers du CSTB - 18 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 1 : isolation des parois opaques L’Euroclasse E qualifie des produits ayant une réaction au feu « acceptable » (capable de résister pendant une courte période à l’attaque d’une petite flamme). L’Euroclasse F correspond à des matériaux n’ayant démontré aucune performance au feu. Pour mémoire les anciennes dénominations des classes de réaction étaient : M0 : incombustible* ; M1 : combustible non inflammable* ; M2 : combustible difficilement inflammable* ; M3 : combustible moyennement inflammable* ; M4 : combustible facilement inflammable*. * Ces définitions sont données à titre indicatif sans référence à quelques textes législatifs que ce soit. Les matériaux à base de mousse de polyuréthane sont (sauf exception) classés F (ex M4) et ne peuvent donc être mis en œuvre sans protection dans les bâtiments recevant du public. Le règlement de sécurité incendie relatif aux établissements recevant du public précise que les matériaux isolants mis en œuvre en contact direct avec l’air doivent être de catégorie M1. En revanche, si le matériau isolant (bien que non classé M1) est protégé par « un écran thermique » sa mise en œuvre en ERP est possible. Le recours à des complexes à base de polyuréthane est donc possible pour les immeubles de bureaux qu’ils comportent ou pas des zones accessibles au public. Contexte technique L’isolation d’un bâtiment implique le traitement des parois déperditives et celui des linéiques (ponts thermiques) qui correspondent à des ruptures de l’isolation surfacique : ·ȱȱ¥ȱȱȱȱ ȂȱǻƽȱȱǼ ¡ȱ Ȃȱȱ Ȃ·ȱ Exigences Objectif 100 – U de 0,4 W/(m2.K) ponts thermiques inclus pour les parois opaques verticales – U de 0,2 W/(m2.K) ponts thermiques inclus pour les toitures Traitement des ponts thermiques – La mise en place d’une isolation par l’intérieur crée une interruption de l’isolation au niveau des liaisons avec les parois intérieures (planchers et refends), interruption qui génère des ponts thermiques. Solutions techniques disponibles Traitement surfacique des parois opaques verticales L’objectif conduit à une résistance thermique R (2) égale à 2,6 (m².K)/W, si les ponts thermiques représentent environ 10 % des déperditions de la façade. Cette performance peut être atteinte par la mise en œuvre de 100 mm d’un isolant de conductivité thermique (λ) égale à 0,04 W/(m.K). Si les ponts thermiques sont plus importants, il convient d’augmenter l’épaisseur à mettre en œuvre et/ou d’utiliser un produit présentant une meilleure conductivité. Différents types d’isolant peuvent être mis en oeuvre : – polystyrène expansé, polystyrène extrudé ; – laine de roche ; – polyuréthane. Le traitement des ponts thermiques est nécessaire afin d’éviter une détérioration trop importante du niveau d’isolation mis en œuvre. Des procédés de traitement des ponts thermiques sont en cours de développement, toutefois toute solution doit bénéficier d’une évaluation par un groupe d’experts compétents avant sa mise sur le marché. Notes sur le classement au feu des matériaux d’isolation La détermination du classement de réaction au feu de matériau se fait à partir d’essais normalisés, les matériaux sont classés suivant les Euroclasses de A à F (A1, A2, B, C, D, E et F). L’Euroclasse A qualifie un produit ne contribuant pas ou très peu au développement du feu (en première approche équivalent au classement M0). e-Cahiers du CSTB – La mise en place d’une isolation extérieure constitue une solution visant à diminuer l’impact des liaisons avec les parois intérieures. Il convient cependant de corriger thermiquement les encadrements de baies. Cette solution ne constitue toutefois pas le mode d’isolation thermique prédominant. Le recours à des produits certifié doit être privilégié. 2 Le coefficient de déperditions surfaciques (U) correspond à l’inverse de la somme des résistances thermiques (Rk) des différents matériaux constituant la paroi augmentée des résistances superficielles entre l’air extérieur et la paroi (Rse) et l’air intérieur et la paroi (Rsi) : U = Rsi + Rk + Rse k −1 - 19 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Traitement de la toiture L’objectif conduit à une résistance thermique égale à 5,3 (m².K)/W, si les ponts thermiques représentent environ 10 % des déperditions de la toiture. Cette performance peut être atteinte par la mise en œuvre de 200 mm d’un isolant de conductivité thermique (λ) égale à 0,04 W/(m.K). Différents types d’isolant peuvent être mis en œuvre : – polystyrène expansé ; – polyuréthane. Traitement des planchers bas La mise en place d’un complexe isolant composé de 110 mm de laine de roche et de 15 mm de fibres en sousface d’un plancher béton de 200 mm donne un coef­ficient U de 0,30 W/(m2.K). Cette isolation assure souvent trois fonctions : – l’isolation thermique ; – l’isolation acoustique ; – la protection au feu. e-Cahiers du CSTB - 20 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 2 : caractéristiques des surfaces vitrées Contexte technique Les bâtiments actuels comportent de plus en plus de surface vitrée. Les caractéristiques des baies utilisées sont : – la valeur de son coefficient Uw (3) caractérisant son niveau d’isolation ; – le facteur solaire du vitrage qui influe directement sur les besoins de climatisation du bâtiment ; – ses caractéristiques lumineuses qui influencent les consommations d’éclairage artificiel dans les différents locaux. La transmission lumineuse du vitrage doit être élevée afin de profiter pleinement de l’éclairage naturel. Lorsque le facteur solaire du vitrage devient très faible, le coefficient de transmission lumineuse de celui-ci diminue. Il s’agit donc de trouver le bon compromis entre les caractéristiques énergétiques du vitrage et ses caractéristiques lumineuses. Φ)OX[VRODLUHWRWDO 3DUWLHUpIOpFKLHUΦ 3DUWLHWUDQVPLVHWΦ (QHUJLHVRODLUHHQWUpH GDQVOHORFDO)6Φ 3DUWLHDEVRUEpHSXLVUppPLVHDΦ Solutions techniques disponibles Isolation thermique Des solutions existent pour atteindre l’objectif d’un coefficient Uw de 2 W/(m2.K) pour l’ensemble menuiserie et vitrage : – menuiserie aluminium à rupture de pont thermique un seul vantail ouvrant à la française avec : - double vitrage peu émissif, ε = 0,03, 4/16/4 remplissage argon, avec un coefficient Ug de 1,1 W/(m2.K) ; - cadre présentant un Uf de 3,2 W/(m2.K) ; – menuiserie en PVC un seul vantail ouvrant à la française avec : - double vitrage peu émissif, ε = 0,16, 4/16/4 remplissage argon, avec un coefficient Ug de 1,5 W/(m2.K) ; - cadre présentant un Uf de 1,6 W/(m2.K). Il convient cependant de noter que l’usage de menuiseries PVC est peu répandu dans les grands bâtiments de bureaux. Facteur solaire abaissé en cas d’impossibilité d’installer des protections solaires En cas d’impossibilité d’installer des protections solaires extérieures à cause de contraintes architecturales particulières comme pour les tours de grande hauteur, il faut retenir des vitrages avec des facteurs solaires plus faibles. Considérons l’effet d’un vitrage sélectif très haute performance (FS = 0,42 et TL = 0,71) dans le cas du bâtiment 1a à Trappes. Globalement, l’effet du passage du vitrage conforme à la cible avec protections solaires à ce vitrage sélectif très haute performance sans protections solaires sur la consommation annuelle totale est de 2,3 % (de 68,9 à 67,3 kWh/m2) : – la consommation annuelle de refroidissement diminue de 1,1 % (5,2 à 5,1 kWh/m2) ; Exigences Objectif 100 – Uw de 2 W/(m2.K) pour les surfaces vitrées – la consommation annuelle d’éclairage diminue de 9,3 % (18,2 à 16,5 kWh/m2) ; – Facteur solaire du vitrage de 0,6 – la consommation annuelle de chauffage augmente de 0,5 % (18,9 à 19 kWh/m2). – Transmission lumineuse de 0,6 – Protections solaires extérieures mobiles – Vitrage sélectif si absence de protections solaires (FS = 0,42 et TL = 0,71) Un fonctionnement optimal consisterait à lever complètement les stores en hiver pour profiter au mieux de l’ensoleillement et à les abaisser complètement en été (à certaines heures). Le choix d’un vitrage sélectif diminue la consommation totale principalement du fait de l’éclairage (ce vitrage a une très bonne transmission lumineuse). Les résultats pour Nice sont similaires. 3 Uw Coefficient de transmission surfacique de l’ensemble Vitrage + Menuiserie. Ug : Coefficient de transmission surfacique du vitrage. Uf : Coefficient de transmission surfacique de la menuiserie seule. e-Cahiers du CSTB - 21 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 V V 1a-Trappes 67,3 kWh 1a-Trappes 68,9 kWh Figure 2 - Répartition des consommations pour deux choix de vitrage pour le type 1a avec un système ventilo-convecteurs La figure 2 présente la répartition des consommations pour Trappes. Commentaires : les résultats montrant des performances globales avec un vitrage peu émissif sans occultation un peu meilleures que celles obtenues avec un vitrage « de base objectif 100 » avec occultation sont liés aux performances du vitrage sélectif et au mode de gestion des protections solaires adopté : ce mode de gestion, issu d’une campagne de mesure sur site, considère que sur une façade le taux d’occultation ne dépasse pas 50 % de l’ensemble des baies. Références Liste de fabricants sur le site Batiproduits : http://fabricants-btp.batiproduits.com/menuiseriesexterieures/produits-verriers?id=1023787655 Les principaux fabricants de vitrage sont les suivants : Glaverbel : http://www.myglaverbel.com Pilkington : http://www.pilkington.com Saint‑Gobain : http://www.saint-gobain-vitrage.com/ fr/index.htm Schott : http://www.schott.com/architecture/ french/products/fire.html e-Cahiers du CSTB - 22 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 3 : orientation du bâti Contexte technique Selon la vocation d’un ouvrage, les facteurs déterminant son orientation optimale sont l’ensoleillement et les vents dominants. Les informations nécessaires sont respectivement fournies par l’héliodon et la rose des vents. Héliodon Il informe sur la trajectoire du soleil, il est fonction du site de conception et permet un choix raisonné d’implantation ainsi que l’optimisation des protections solaires. Dans un site donné, il est utile d’y intégrer les masques formés par le relief ou d’autres bâtiments. Le soleil procure de la lumière et de la chaleur. Ces deux apports peuvent être des avantages ou des inconvénients selon les cas (destination de l’espace intérieur, orientation des parois extérieures, …). Rose des vents Elle donne, pour un site dégagé, la vitesse et la fréquence des vents pour toutes les directions. Le bâtiment constitue un obstacle au passage du vent, il modifie l’écoulement de l’air. Ces modifications entraînent la création de zones de dépression et de surpression valorisables pour la ventilation naturelle des locaux, à condition d’optimiser l’orientation du bâtiment et l’agencement des espaces intérieurs pour permettre : – le positionnement d’entrée d’air dans le bâtiment dans les espaces opportuns (zone de surpression) ; – l’écoulement naturel et maîtrisé de l’air à travers le bâtiment (architecture traversante, atrium permettant l’évacuation de l’air vers des sorties placées dans des zones en dépression)… Une attention particulière doit être portée à l’implantation des entrées et hall d’accueil (voir également annexe sur la conception des atriums) pour limiter les effets du vent notamment en période hivernale. e-Cahiers du CSTB - 23 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 La mise en œuvre de sas, portes « tambour » ou de rideaux d’air chaud permet de s’affranchir des phénomènes de courants d’air. Pour affiner le comportement du vent autour d’un bâtiment, il peut être utile de recourir à une simulation aéraulique (CFD). Pour une orientation sud-nord des façades, les résultats suivants sont obtenus : Exigences Objectif 100 La comparaison entre les orientations majoritaires Nord-Sud et Est-Ouest montre que ce paramètre a peu d’influence sur les consommations. L’orientation des « façades principales » Nord-Sud est toutefois préférable si le site le permet. Conso. tot d’éclairage kWh/m² Conso. de chauffage kWh/m² Conso. de refroidissement kWh/m² avec PS 16,8 17 8,8 sans PS 16,3 12 14,7 Conso. totale kWh/m² dont bureautique de 14 kWh/m² Conso. totale kWhep/m² avec PS 63,8 (dont auxiliaires de 7.3 kWh/m²) 137,8 sans PS 69,1 (dont auxiliaires de 12 kWh/m²) 159,2 Influence de l’orientation sur les consommations Une étude de sensibilité a été menée pour le bâtiment type 3 avec les choix optimaux et le système ventilo-convecteurs. On a comparé l’orientation est-ouest avec nord-sud dans les deux sites de Trappes et de Nice en distinguant la présence ou l’absence des protections solaires. Pour une orientation est-ouest des façades, les résultats suivants sont obtenus : Effet des protections solaires selon l’orientation Conso. tot d’éclairage kWh/m² Conso. de chauffage kWh/m² Conso. de refroidissement kWh/m² avec PS 16,6 18 9,3 Selon l’orientation du bâtiment, on étudie l’effet de présence des protections solaires (PS). Le taux de vitrage des parois verticales est de 50 %. Le facteur solaire et la transmission lumineuse des baies est de 0,6 sans les protections solaire et de 0,15 avec les protections solaires. sans PS 16,1 13,4 15,1 Il est essentiel d’indiquer que le dimensionnement des systèmes n’est pas le même pour les deux cas (avec ou sans PS) afin de respecter la consigne et notamment la puissance du groupe frigorifique et les auxiliaires. Conso. totale kWh/m² dont bureautique de 14 kWh/m² Conso. totale kWhep/m² avec PS 65,1 (dont auxiliaires de 7,3 kWh/m²) 139,5 sans PS 70,7 (dont auxiliaires de 12,1 kWh/m²) 161,3 L’emploi des PS est bien sûr toujours favorable. Pour l’orientation sud-nord des façades (tendances identiques avec les façades est-ouest), la présence des PS donne : – un gain de 7.6 % de la consommation annuelle totale en énergie payante et de 13.4 % en énergie primaire ; – une augmentation de 41.6 % de la consommation annuelle de chauffage ; – une réduction de 40.1 % de la consommation annuelle de froid ; – une augmentation de 3 % de la consommation annuelle d’éclairage. L’effet de l’orientation n’est pas très significatif, l’orientation sud-nord des façades est plus favorable mais avec un gain en consommation annuelle totale de l’ordre de 2 % par rapport à une orientation est-ouest et cela indépendamment de l’emploi des PS. e-Cahiers du CSTB - 24 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 4 : protections solaires Contexte technique Comme indiqué dans la fiche cible n° 2 – « caractéristiques des surfaces vitrées », les caractéristiques des vitrages doivent répondre à des préoccupations parfois contradictoires : – profiter des apports solaires en hiver et les limiter en été ; – limiter le facteur solaire tout en profitant de l’éclairage naturel. Ces deux objectifs peuvent difficilement être atteints uniquement grâce aux caractéristiques du vitrage standard. Il faut aussi mettre en œuvre des protections solaires manœuvrables. Les protections extérieures doivent être privilégiées car leur efficacité énergétique est nettement plus importante que celle des protections intérieures qui servent essentiellement à gérer l’éblouissement lumineux. Exigences Objectif 100 La mise en place des protections doit conduire à un facteur solaire global (vitrage + protection solaire) de 0,20. Il est recommandé en été de fermer les protections solaires durant les week end. Solutions techniques disponibles Dispositifs intégrés au bâti On appelle dispositif intégré tout élément résultant d’un travail sur la conception architecturale de l’enveloppe du bâtiment permettant une régulation des apports solaires. Les dispositifs cités ci-après sont très courants en architecture : Ce type de solution permet de limiter les apports solaires en période estivale lorsque la hauteur solaire est importante et de profiter de ces mêmes apports en période hivernale lorsque la hauteur solaire est faible. L’optimisation de ce type de solution qui repose sur un calcul dynamique (nécessitant le recours à des logiciels spécifiques tels que Virtual Environnement (VE) ou VITRAGE Décision du CEBTP) consiste à trouver le meilleur compromis entre les critères de confort d’été (limitation des besoins de froid), de besoins de chaud et d’éclairage naturel. Dispositifs rapportés Ce type de dispositif permet d’intégrer des corrections et des réductions des apports solaires indépendamment de l’architecture du bâtiment. Ces occultations peuvent être fixes ou mobiles. Protections fixe Sur le plan architectural, ce type de protection impose une contrainte moindre à la conception que les protections solaires intégrées. Ce type de dispositif peut être mis en œuvre après la conception de l’enveloppe du bâtiment pour limiter l’apport solaire trop important. Il ne permet pas de réglage « hiver-été ». Ce n’est pas la solution qui est préconisée. Occultations mobiles Ces protections mobiles permettent d’occulter tout ou partie des surfaces vitrées. Plusieurs positionnements sont possibles : position intérieure, extérieure ou même encastrée entre deux vitrages. Il existe plusieurs types d’occultations mobiles : screen, stores, volets roulants, persiennes. Ces protections, en position extérieure uniquement, permettent d’atteindre la cible. En effet, en première approximation, le facteur solaire global vitrage (0,6) + protection solaire en place s’obtient par le produit : Brise-soleil Stores extérieurs en toile écru 0,28 x 0,6 = 0,17 Stores ou persiennes extérieurs aluminium 0,22 x 0,6 = 0,13 Protections solaires orientables Ces protections de plus en plus courantes permettent de gérer le rayonnement solaire incident suivant l’inclinaison du soleil dans la journée. En même temps, ces protections sont efficaces pour différentes orientations (sud, est et ouest) : brise soleil à lames orientables, stores intérieurs à lames verticales ou horizontales orientables, bannes solaires, jalousies. Double mur Débord de toit Loggia e-Cahiers du CSTB Manœuvre pour les protections solaires mobiles La gestion des protections solaires mobiles peut se faire selon deux modes : manuel ou automatique. La gestion automatique des protections ne constitue pas une solution fréquemment préconisée. En effet, cette gestion automatique peut se traduire par une sensation de gêne de l’utilisateur qui ne contrôle pas le fonctionnement de ces protections. Néanmoins, une solution technique performante du point de vue technique et acceptable par les utilisateurs consiste à automatiser le fonctionnement des protections en période d’inoccupation du bâtiment et en fonction de conditions extérieures de manière à ne pas détériorer les mécanismes (en cas de fort vent, par exemple). Durant la période d’occupation, l’utilisateur reste maître de ces installations. La commande de ces automatismes peut se faire par la même télécommande que celle qui permet de gérer le système de chauffage et de climatisation et les commandes d’éclairage. - 25 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Le passage d’une gestion de maintien en position des PS à une gestion de fermeture des PS après l’occupation est étudié. On note : – une augmentation de 2 % de la consommation annuelle totale en énergie payante contre une légère baisse en énergie primaire ; Une campagne de mesure réalisée par le CSTB a permis de connaître l’interaction entre les protections solaires et l’utilisateur. Elles sont traduites par des courbes qui ont été utilisées dans le cadre de cette étude. Maintenance des protections solaires mobiles Une attention particulière doit être portée à la conception des protections solaires extérieures mobiles. En effet, en fonction du type de protection retenu, la maintenance de ces équipements doit être prise en considération afin d’assurer la pérennité de l’installation. Pour les bâtiments de petite taille (pas de nécessité d’appareillage complexe pour la maintenance) et pour les bâtiments de grande taille (appareillage de maintenance prévue pour le nettoyage des façades), les interventions sur les installations ne sont pas problématiques (mais elles peuvent être couteuses si l’impact du vent n’a pas été considéré). Pour les bâtiments de taille moyenne, la maintenance des protections solaires doit être étudiée afin d’en assurer la viabilité. – une augmentation de 20,6 % de la consommation annuelle de chauffage (consigne réduite en inoccupation) ; – une réduction de 16 % de la consommation annuelle de refroidissement ; – une diminution considérable de la surchauffe avec des températures atteignant les 37 °C pour la zone bureaux, façade sud de l’immeuble. La meilleure solution, en l’absence d’automatismes, est de laisser les protections ouvertes les week end en période de chauffage et baissées en période de rafraîchissement. Références Profils d’utilisation de protections solaires représentatifs d’un comportement moyen de l’occupant. Mathias Coulon. CSTB. Février 2003. Somfy : http://www.somfy.com/fr/index.cfm Harol : http://www.harol.be/frans/homefr.asp Helioscreen : http://www.helioscreen.be Protections solaires hors occupation Les protections solaires peuvent être : – maintenues dans leur position de fin de journée en inoccupation ; – ou systématiquement fermées (ce qui évite des surchauffes de week end en été) ; – ou systématiquement ouvertes (ce qui favorise les apports solaires en période de chauffage). Une simulation permet de comparer les consommations selon les deux premières options. On donne les consommations puis le profil de température intérieure en inoccupation pour la zone bureaux façade sud (surchauffe de week-end). (voir tableau ci-dessous) Conso. de chauffage kWh/m² Conso. de refroid. kWh/m² Conso. totale kWh/m² dont bureautique de 14 kWh/m² Conso. totale kWhep/m² PS en position après occupation 14,1 10,6 62,5 (dont auxiliaires de 7,2 kWh/m²) 139 PS fermées après occupation 17 8,8 63,8 (dont auxiliaires de 7,1 kWh/m²) 137,8 Protection solaire (PS) en position après occupation e-Cahiers du CSTB Protection solaire (PS) fermées après occupation - 26 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 5 : renouvellement d’air neuf et équipements de ventilation Air extrait chaud Air neuf froid 1 Renouvellement d’air neuf hygiénique Contexte technique Le code du travail définit les valeurs minimales à respecter pour des raisons hygiéniques. Ceci étant, dans les immeubles de bureaux l’occupation est très variable et encore davantage dans les salles de réunion. C’est pourquoi, il est proposé dans cette fiche de prévoir un système d’asservissement des débits à la présence. Air extrait refroidi Exigences Objectif 100 Réduction au strict nécessaire des débits d’air neuf hygiénique. Arrêt total de la ventilation en inoccupation. Mise en œuvre d’une récupération d’énergie sur l’air extrait. L’adaptation des débits aux besoins par sonde de présence ou sonde de qualité de l’air permet de limiter les consommations d’énergie liées à la ventilation. Une campagne de mesure dans des salles de réunion montre que les débits sont en moyenne réduits de 30 %. Solutions techniques disponibles Adaptation des débits Marche/Arrêt des systèmes en fonction des horaires et des jours d’occupation du bâtiment (exemple horloges) ce qui ne garantit pas une adaptation à l’occupation réelle. Marche/Arrêt des systèmes en fonction de l’occupation réelle du local : un système de ventilation spécifique est prévu pour assurer le débit d’air hygiénique pour ce local. Une sonde de présence peut être installée afin de ne faire fonctionner le système qu’en période d’occupation réelle du local. Une attention particulière doit être apportée à la mise en place de cette sonde (éviter les zones mortes : risque de non-ventilation) ainsi qu’à la sélection de sa sensibilité et de sa temporisation ; Modulation des débits en fonction de l’occupation du local et de son taux d’occupation. Une sonde de qualité d’air (6) est mise en place en complément de la sonde de présence afin de moduler le débit d’air neuf hygiénique en fonction du taux d’occupation réel du local. La régulation de l’air neuf à un impact sur les appels de puissance thermique et sur les consommations d’énergie primaire. Récupération de chaleur Lorsque le local ventilé est doté d’un système de ventilation double flux, l’air vicié doit être évacué à l’extérieur du local. Les récupérateurs d’énergie (échangeurs) permettent de récupérer une partie de cette énergie comme le montre le schéma de principe suivant. L’encrassement, inévitable pour les parties en contact avec l’air pollué, peut réduire considérablement l’efficacité de l’appareil et augmenter la perte de charge. Plus celle-ci est élevée, plus la consommation électrique du ventilateur sera grande. 6. La régulation par sonde de qualité d’air consiste à mesurer le taux de CO2 dans l’ambiance (éventuellement par une mesure à la reprise) pour ajuster la quantité d’air neuf aux stricts besoins e-Cahiers du CSTB Efficacité Observations Échangeurs à plaques 60 % Sensible à l’encrassement Échangeurs rotatifs ou alternatifs 70 à 80 % Très sensible à l’encrassement Échangeurs à eau glycolée < 50 % Étanchéité entre les 2 circuits d’air Encombrement réduit Échangeurs à caloducs 70 % Étanchéité entre les 2 circuits d’air Échange thermique entre les 2 circuits distants Combien d’énergie peut-on économiser en intégrant un échangeur de récupération de chaleur entre air extrait et air neuf dans les salles de réunion d’un immeuble de bureaux ? Sans récupération Avec récupération Figure 7 - Comparaison des consommations avec et sans récupération sur l’air neuf Les salles de réunion représentent dans cet exemple 16 % de la surface, l’échangeur de récupération de chaleur permet : – une diminution de 2,2 % de la consommation annuelle totale en énergie primaire ; – une diminution de 4,8 % de la consommation annuelle totale en énergie payante ; – une diminution de 17,5 % de la consommation annuelle de chauffage. Puits canadien Le sous-sol est une source importante d’énergie. À grande profondeur, c’est une source de chaleur directe. À faible profondeur, son utilisation directe n’est plus possible mais il constitue néanmoins une source d’énergie (chaude ou froide) du fait de la stabilité de sa température. - 27 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Le principe du puits canadien est de faire transiter l’air extérieur dans des canalisations enterrées afin de le préchauffer en hiver et de le rafraîchir en été pour réduire la consommation énergétique du bâtiment et apporter un confort supplémentaire en période estivale. Il présente des risques de condensation et doit être by passé en inter saison. L’efficacité de ce système dépend très fortement de la surface des locaux à traiter ainsi que de la superficie du terrain utilisable pour la mise en place des canalisations. Aux cta Conso 2 Équipements de ventilation Gestion du fonctionnement des ventilateurs des CTA Toutes les solutions supposent une optimisation de la gestion de fonctionnement des ventilateurs qui consiste à arrêter les ventilateurs des unités locales ou centrales pendant la nuit (en inoccupation) et en l’absence de besoin thermique. Dans le cas d’un système à débit d’air constant (DAC), la figure 8 montre le gain de consommation due à l’arrêt des ventilateurs en l’absence de besoin thermique. La comparaison de cette gestion avec un fonctionnement permanent donne : – une diminution de 19 % en énergie primaire (de 193,2 à 156,6 kWh.ep/m2) ; – une diminution de 14,2 % de la consommation annuelle totale (de 82,8 à 71,2 kWh/m2) ; – une augmentation de 38,7 % pour le chauffage (de 12,9 à 17,3 kWh/m2) ; – une diminution de 22,7 % pour le refroidissement (de 2,2 à 1,7 kWh/m2) ; – une diminution de 55,6 % pour les auxiliaires de CTA (de 27,7 à 12,3 kWh/m2). Ventilation permanente Gestion optimisée Figure 8 - Comparaison de consommations pour une gestion optimisée des ventilateurs d’un système DAC (bâtiment 1a à trappes-S1 système optimisé) Références Y. Mansouri. Conception des enveloppes de bâtiments pour le renouvellement d’air par ventilation naturelle en climats tempérés – Proposition d’une méthodologie de conception. Doctorat de l’école polytechnique de l’université de Nantes. P. Hollmuller. Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments – Doctorat de l’université de Genève. Quelques fournisseurs d’échangeurs Air / Air Échangeur Rotatif : M unsters, Thereco, Gea Happel, Wolf. Échangeur alternatif : Gea Happel. Échangeur à caloduc : Ciat, Thereco, Delta - Air. Système DAV Dans le cas de la solution DAV, la solution retenue est une centrale fonctionnant en tout air neuf avec un récupérateur performant (efficacité > 80 %). Cette solution est moins intéressante sur le plan énergétique (voir rapport final). e-Cahiers du CSTB - 28 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 6 : équipements de bureautique Contexte technique Le paramétrage des options concernant la gestion de l’alimentation sur un ordinateur de bureau permet de désactiver le moniteur voire les disques durs après une certaine durée d’inactivité. Le site Internet www.energystar.com indique que la gestion de l’alimentation permet : – de réduire de 70 % les consommations électriques d’un ordinateur ; – de réduire de 90 % les consommations électriques d’un moniteur ; Autres locaux Pour un local serveur, la puissance installée peut atteindre 1500 W/m2. Cette puissance est très variable en fonction de la centralisation des services informatiques de l’entreprise. Des solutions techniques apparaissent permettant une gestion de l’alimentation des serveurs (Cf. site Internet : www.electricity-research.ch). Références www.topten.ch Rapports Sidler : technologie de l’information et éclairage : campagne de mesures dans 49 ensembles de bureaux de la région Paca. – de réduire de 60 % les consommations d’une imprimante. Exigences Objectif 100 Le ratio de puissance appelée des équipements de bureautique visé par l’étude « Objectif 100 » est de 7,5 W/m2. (7) Ce ratio de puissance tient compte du foisonnement. Solutions techniques disponibles Matériel Les écrans LCD sont à privilégier par rapport aux écrans cathodiques. En effet, leur mise en place permet de réduire la puissance nécessaire d’environ 50 % : – pour un écran 17’’, la puissance moyenne est de 64 W pour un écran classique et de 33 W pour un écran LCD ; – pour un écran 19’’, la puissance moyenne est de 70 W pour un écran classique et de 42 W pour un écran LCD ; – pour une unité centrale, la puissance moyenne est de 47 W. Les équipements supplémentaires (imprimantes, scanners, …) doivent être centralisés afin d’une part de limiter le matériel installé et d’autre part, de foisonner l’utilisation de ces appareils. On considère qu’ils sont actifs 25 % du temps et en veille 75 % du temps. Réduction des consommations : – utilisation d’une barrette multiprise (couper l’alimentation électrique grâce à l’interrupteur de la barrette, sachant que la puissance moyenne appelée à l’arrêt par un ordinateur s’élève à 5,2 W) ; – utilisation d’une horloge pour les équipements de bureautique (arrêter le fonctionnement entre 20 h et 8 h sauf pour le fax) ; – activation des gestionnaires de veilles. 7 Exemple : sur la base d’un ordinateur personnel conforme au label Energy Star et d’une « demi-imprimante » par bureau de 12 m2 : PC : Unité centrale (Active = 60 W / En veille : 20 W) Ecran (Actif = 77,5 W / En veille = 17,5 W) soit par PC Actif : 137,5 W / En veille : 37,5 W. Imprimante : Active = 140 W / En veille = 27,5 W. (25 % * 137,5 W + 75 % * 37,5 W) + ½ * (25 % * 140 W + 75 % * 27,5 W) = 90 W pour 12 m2 soit 7,5 W / m2. e-Cahiers du CSTB - 29 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 e-Cahiers du CSTB - 30 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 7 : éclairage Contexte technique L’éclairage des bureaux peut être assuré de deux façons complémentaires, naturellement et artificiellement. • L’éclairage naturel Il permet un éclairage gratuit des locaux et doit donc être recherché. Cependant, il est essentiellement variable et dépend : – de la localisation ; – de la date et de l’heure ; – de l’environnement (masques) ; – de l’architecture ; – de l’orientation, de la position, de la surface et de l’inclinaison des prises de jour ; – du choix des matériaux constitutifs des prises de jour ; – des protections solaires. L’étude de l’éclairage naturel d’un bâtiment doit prendre en compte les éléments suivants : – la limitation des apports solaires qui constituent une charge de climatisation ; Solutions techniques disponibles Éclairage naturel Chaque cas doit faire l’objet d’une étude particulière. On peut cependant dire que les parties éclairantes des façades éclairent d’autant plus en profondeur qu’elles sont situées en hauteur. Les éléments transparents en partie basse offrent une vue sur l’extérieur, mais contribuent très peu à l’éclairage naturel de la salle. Solutions pour améliorer les apports en lumière du jour en fond de salle : étagères à lumière ou matériau verrier prismatique en partie haute d’ouverture. Éclairage artificiel L’éclairage artificiel est étudié comme complément de l’éclairage naturel. L’installation peut être qualifiée par trois caractéristiques principales : – le niveau d’éclairement qui exprime la quantité de lumière reçue sur une surface en lux. L’éclairement est déterminé pour chaque type d’activité : bureau, sanitaires, salle de conférence, Locaux affectés au travail et leurs dépendances – les risques d’éblouissement direct ou indirect ; – les contrastes de luminances entre prises de jour et parois intérieures ; – l’homogénéité de l’éclairement. L’éclairage naturel n’a d’intérêt au plan énergétique que s’il est pris en compte dans la gestion de l’éclairage artificiel. • L’éclairage artificiel La puissance installée dépend notamment du niveau d’éclairement recherché et de l’efficacité des sources lumineuses et des luminaires ; La consommation d’électricité dépend de la puissance installée et de la gestion : prise en compte de la présence, de l’éclairement naturel. Exigences Objectif 100 • ratio de puissance installée d’éclairage de 10 W/m2. Valeurs minimales d’éclairement (8) Voies de circulation intérieure 40 lux Escaliers et entrepôts 60 lux Locaux de travail, vestiaire, sanitaires 120 lux Locaux aveugles affectés à un travail permanent 200 lux Les bureaux et les locaux administratifs comportent des ordinateurs. Suivant la norme NF X 35-121, spécifique au travail sur écran de visualisation et clavier, l’éclairage général du local doit amener un éclairement moyen en service sur le plan de travail de 200 à 300 lux. L’Association française de l’éclairage (Afe) préconise, dans sa publication « Recommandations relatives à l’éclairage intérieur des lieux de travail », les éclairements moyens à maintenir. • gestion par interrupteur et gradateur. Types de locaux Cela conduit à : – ne pas dépasser les éclairements moyens à maintenir recommandés ; – utiliser des sources d’efficacité supérieure à 80 lm/W ; Éclairement moyen à maintenir (lux) Bureaux de travaux généraux 425 Dactylographie 425 Salles de dessin, tables 850 – utiliser des ballasts électroniques ; – éteindre l’éclairage en période d’inoccupation, une dérogation étant possible. Les expériences montrent que l’utilisateur est un bon gestionnaire et qu’il doit donc disposer d’un interrupteur. En période d’inoccupation, l’éclairage doit être absolument éteint (avec dérogation possible par minuterie). • L’efficacité des sources lumineuses (en lumens/Watt) qui permet de comparer facilement les sources entre elles. Le luminaire permet la répartition de la lumière dans l’espace : son rendement s’ajoute à celui de la lampes, il ne dépasse pas 0,7. L’efficacité lumineuse d’une ampoule à incandescence est comprise entre 12 et 20 lm/W alors que celle des lampes fluorescentes est comprise entre 40 et 100 lm/W ; 8 Source : Code du travail e-Cahiers du CSTB - 31 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 • Le rendu des couleurs dont l’indice varie entre 60 et 100 indique l’aptitude d’une lampe à ne pas déformer l’aspect des objets éclairés. Pour avoir un bon rendu, l’indice de rendu des couleurs doit être supérieur à 75 ou 80. À titre d’exemple, les luminaires fluo-compacts à haut rendement de type T5, T8 ou T10 avec enduit triphosphoré apparaissent des plus intéressants car ils diffusent une lumière « blanche » obtenue à partir de trois phosphores de terres rares émettant un maximum d’énergie dans le bleu, le vert et le rouge. L’optimisation des sources lumineuses permet donc de limiter les puissances électriques installées. Pour l’éclairage fluorescent : – les ballasts électroniques permettent de réduire de plus de 30 % les consommations électriques dues à l’éclairage des immeubles tertiaires par rapport aux ballasts anciens. C’est dans ce sens que la Commission Européenne a adopté au mois de septembre 2000 la directive européenne 2000/55/CE visant le rendement énergétique des ballasts. Ils contribuent également au confort visuel, car ils permettent de supprimer l’effet de papillotement et à l’augmentation de la durée de vie des tubes. – pour avoir la puissance électrique totale de l’installation d’éclairage, on multiplie la puissance des tubes par un coefficient pour tenir compte des ballasts électroniques. Ce coefficient, de l’ordre de 1,25 pour les tubes fluorescents 26 mm avec anciens ballasts, est de l’ordre de 1,10 pour le matériel de dernière génération. Respect de l’exigence de puissance installée Pour traiter un bureau de 20 m2, la mise en place de 4 luminaires comprenant chacun 3 tubes fluorescents de type T5 (puissance électrique unitaire de 14 W) permet d’obtenir un niveau d’éclairement satisfaisant comme le montre la cartographie suivante de l’éclairement obtenu en lux. Gestion de l’éclairage artificiel en fonction de l’éclairage naturel Gestion de l’éclairage artificiel en fonction de l’occupation – un allumage manuel des luminaires des bureaux ; – la mise en place de détecteurs de présence (une attention particulière doit être apportée au positionnement de ces détecteurs afin d’éviter les zones mortes) pour les locaux à occupation passagère : sanitaires, circulations, … ; – une programmation horaire (par exemple, avec une GTB) permet une extinction centralisée de l’ensemble des luminaires du bâtiment ou d’une zone pour éviter ainsi des consommations inutiles de ces appareils. Durée de vie des lampes La durée de vie des lampes n’est pas une donnée immuable et n’est qu’un des critères de sélection des appareils d’éclairage. Cette durée de vie dépend de nombreux facteurs dont les principaux sont les suivants : – le type de lampes ; – le type d’alimentation (ballast électronique) ; – les conditions externes d’installation (température, ventilation, chocs) ; – l’utilisation (nombre d’allumages, variation de flux lumineux). On parle souvent de durée de vie moyenne des lampes qui est une approche prenant en compte des critères « standard ». On peut également prendre comme référence la durée de vie économique pour tenir compte de l’affaiblissement du flux lumineux dans le temps et pour envisager le remplacement des lampes avant qu’elles ne soient complètement hors d’usage. À titre d’exemple, le tableau suivant donne quelques valeurs de durée de vie en fonction du type de lampe. Type Lampe On obtient donc une puissance de 4 x 3 x 14 x 1,25 W = 210 W pour 20 m2 soit 10,5 W/m2. Optimisation du fonctionnement Cette optimisation passe par : – la mise en place de ballasts électroniques gradables. Cette gradation peut se faire local par local en fonction de l’éclairage naturel voire de la détection de mouvement : l’éclairage artificiel vient compléter l’éclairage naturel et lorsque le poste de travail est inoccupé depuis un certain temps, le flux lumineux est réduit de façon automatique. e-Cahiers du CSTB Durée de vie Moyenne « Economique » Fluorescentes avec ballasts électroniques 20 000 h 16 000 h Fluo compactes avec ballasts électroniques 13 000 h 9 500 h Iodures métalliques (CDM-T) 12 000 h 6 000 h Références Afe : « Les sources de lumière » Société d’édition Lux. Afe : « Vocabulaire de l’éclairage » 4e édition mars 1991. Ademe « Bâtiments à hautes performances énergétiques : Bureaux », Edition Pyc 1993. - 32 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 8 : réseau de distribution Contexte technique Le système de distribution (air ou eau) permet d’alimenter depuis la production centralisée l’ensemble des appareils terminaux du bâtiment. Pour des bâtiments de taille moyenne voire importante (supérieure à 2 000 m2), le linéaire des réseaux de distribution peut être important. Par conséquent, deux paramètres apparaissent importants : – la maîtrise des consommations des auxiliaires (voir cible 10) ; – la réduction des pertes énergétiques liées au transport d’eau chaude ou glacée, d’air chaud ou froid dans un milieu à température ambiante voire extérieure. Exigences Objectif 100 • La limitation des déperditions des réseaux hydrauliques à la classe 4 de la RT2005 ; • Réseaux aérauliques de perméabilité classe A (9). Solutions techniques disponibles Tracé des réseaux et pertes de charge La maîtrise des consommations des auxiliaires passe d’abord par une optimisation des réseaux hydrauliques (distribution verticale placée en position centrale, appareils installés en faux-plafond dans les circulations, …) visant à obtenir les pertes de charge les plus faibles possibles (exemple bâtiment type 3) : Réduction des pertes énergétiques Pour réduire les pertes des réseaux hydrauliques, deux éléments sont à considérer : – la différence de température entre le fluide transporté (eau chaude ou eau glacée) et la température ambiante : pour réduire cet écart de température, il est nécessaire de privilégier des régimes d’eau chaude à basse température (40/35 °C) et des régimes d’eau glacée pas trop bas (8/13 °C voire 10/15 °C) et de limiter au minimum les réseaux extérieurs ; il est favorable de recourir à une loi d’eau (température de distribution fonction de la température extérieure) ; – la mise en place d’un calorifuge performant sur les réseaux hydrauliques ; cette isolation est systématiquement mise en place sur le réseau d’eau glacée afin d’éviter tout risque de condensation ; pour le réseau d’eau chaude, ce calorifuge permet d’éviter de chauffer des zones où le confort n’est pas requis (faux-plafond, trémies techniques, …) et également d’éviter des surchauffes éventuelles. Selon la RT 2005, avec la classe 4, pour un diamètre de tuyauterie moyen de 40 mm, on peut atteindre une valeur de coefficient de perte linéique de 0,22 W/m.K par l’emploi d’un isolant d’une épaisseur/conductivité de : – 24 mm / λ =0,03 W/m .K ; – 38 mm / λ =0,04 W/m.K ; – 58 mm / λ =0,05 W/m.K ; – 84 mm / λ =0,06 W/m.K. De même, avec la classe 4, pour un diamètre de tuyauterie moyen de 30 mm, on peut atteindre une valeur de coefficient de perte linéique de 0,21 W/m.K par l’emploi d’un isolant d’ une épaisseur/conductivité de : – 19 mm / λ =0,03 W/m.K ; – 31 mm / λ =0,04 W/m.K ; – 49 mm / λ =0,05 W/m.K ; – 72 mm / λ =0,06 W/m.K. Pour réduire les pertes des réseaux aérauliques, la mise en place de 25 mm ou de 50 mm de laine de verre suffit en raison de la faible différence de température entre l’air ambiant et l’air soufflé et du fait que cela constitue une réponse au problème de condensation. 9 Classe d’étanchéité : Voir également Recommandations MOCTA (Mise en œuvre des centrales de traitement d’air). e-Cahiers du CSTB - 33 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 e-Cahiers du CSTB - 34 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 9 : production thermofrigorifique Contexte technique Dans cette étude nous avons considéré une production de froid par groupe à compression électrique et une production de chaud par chaudière gaz. Ces choix correspondent aux solutions les plus classiques. Des solutions réversibles (machines frigorifiques à eau de type pompe à chaleur et solution à détente directe réversible) sont également prises en compte. Pour le rafraîchissement, une solution particulière a aussi été envisagée dans les salles de réunion : il s’agit du système à dessiccation (DEC) utilisant une ressource gratuite de chaleur (récupération sur les condenseurs des groupes frigorifiques). Cette solution « tout air » assez consommatrice en auxiliaires se justifie bien dans une salle de réunion ou des débits importants sont requis pour des raisons hygiéniques. Remarque : les solutions réseaux de chaleur ou de froid n’ont pas été étudiées dans le cadre de cette étude. Exigences Objectif 100 L’objectif de rendement de la production calorifique 10 est fixé à : – rendement de 98 % sur PCI à pleine charge à une température moyenne de 70 °C ; – rendement de 108 % sur PCI à charge partielle à une température moyenne de 30 °C. L’objectif d’efficacité nominale de la production frigorifique 11 est fixé à 3,3 (condensation à air). Pour les climatiseurs réversibles de type Split system et DRV 12 les valeurs exigées sont (auxiliaires inclus) : – en mode chauffage COP = 4,5 ; – en mode rafraîchissement EER = 4,2 Solutions de production de chaud – il est nécessaire de prévoir des machines multi-compresseurs afin d’adapter au mieux l’énergie produite aux besoins ; – le dégivrage des batteries extérieures doit être fait par inversion de cycle plutôt que par l’utilisation de résistances électriques afin de bénéficier du COP de la machine ; – ces machines sont dimensionnées sur leur puissance froide afin de ne pas pénaliser l’investissement ce qui nécessite de prévoir une puissance chaude d’appoint pour les jours les plus froids ; – COP de 1,8 pour une température extérieure de – 5 °C et un régime d’eau de 45/40 °C ; – COP de 2,9 pour une température extérieure de 7 °C et un régime d’eau de 45/40 °C. • Eau / eau : – le COP obtenu sur ces machines est très bon : 4,8 pour un régime d’eau chaude 40/45 °C et un régime d’eau à l’évaporateur 10/7 °C (conditions de la norme EN14511). Cependant, la consommation des auxiliaires extérieurs (pompes de captage, …) doit être intégrée au calcul de la performance ; – comme précédemment, il est nécessaire de prévoir des machines multi-compresseurs afin d’adapter au mieux l’énergie produite aux besoins ; – l’intérêt de ces machines est de permettre les transferts d’énergie d’un réseau hydraulique vers l’autre (dans le cas de la distribution 4 tubes) : dans ce cas de figure, la performance de la machine peut atteindre 6 (chaud + froid) ; Cependant l’équilibre énergétique n’étant que rarement atteint, il faut prévoir une source énergétique d’appoint. L’utilisation des ressources du sous-sol (nappe phréatique, pieux énergétiques, sondes géothermiques) permet de bénéficier de l’énergie stockée dans le sol ainsi que de la stabilité de sa température. Conditions de la norme EN 14511-2 : - mode chaud : primaire 10/7 °C secondaire : 40/45 °C ; Chaudières à condensation Ces chaudières permettent d’obtenir les rendements demandés. Le recours à des brûleurs modulants permet de faire fonctionner ce brûleur en fonction de la demande et d’éviter des cycles de fonctionnement à plein régime (absorbé par le ballon tampon) suivi de périodes à l’arrêt (pertes à l’arrêt). Pompes à chaleur - mode froid : primaire 30/35 °C secondaire : 7/12 °C. • À double condenseur Cette machine permet comme la pompe à chaleur à eau d’alimenter un réseau d’eau glacée et un réseau d’eau chaude et ainsi d’effectuer des transferts énergétiques ; la source énergétique d’appoint est l’air extérieur. • Air /eau : – la puissance chaude disponible sur une machine étant limitée, ces machines sont adaptées à des opérations de petite taille ; 10 Au minimum, il faudra respecter la valeur de référence de la réglementation RT2005 à 70 °C, 100 % charge :88,5 + 1,5 logPn si Pn ≤ 400 kW 92,4 si Pn > 400 kW à 40 °C, 30 % charge : 88,5 + 1,5 logPn si Pn ≤ 400 kW 92,4 si Pn > 400 kW 11 Au minimum, nous avons considéré un EER de 1,9. 12 Au minimum, nous avons considéré un COP de 1,95 et un EER de 1,8. e-Cahiers du CSTB - 35 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 )DoDGH (FKDQJHXUGHFKDOHXU GHVWLQpjpYDFXHU O¶H[FpGHQWG¶pQHUJLH 7UDQVIHUWV pQHUJpWLTXHV 1DSSHVRXWHUUDLQH Figure 9 - Schéma de principe du fonctionnement en thermofrigopompe sur nappe Cas particulier des « thermofrigopompes » sur nappe L’utilisation d’une pompe à chaleur eau-eau permet une utilisation simultanée de chaud et de froid (on parle de fonctionnement en « thermofrigopompe »). Elle peut être valorisée par la mise en œuvre de réseaux de distribution d’eau chaude et d’eau glacée. L’énergie excédentaire (énergie chaude ou froide non utilisée pour les besoins du bâtiment) peut être alors évacuée sur la nappe aquifère. L’utilisation de la nappe permet d’obtenir une température de source relativement stable et donc des performances optimales. Le COP d’une PAC sur nappe varie peu puisque la température de nappe est quasiment constante. Dans le cas d’une pompe à chaleur sur l’air (l’air extérieur est la source froide), la température extérieure variant (en période de chauffe) dans la plage de – 10 °C à + 15 °C les performances de la machine sont largement influencées par les conditions extérieures. – possibilités de transferts énergétiques lorsque la demande de chaleur et la demande de froid sont simultanées. Efficacité énergétique L’efficacité énergétique des installations de pompes à chaleur sur nappe résulte principalement des caractéristiques suivantes : – performances stables de la machine : en effet, la température de la nappe aquifère fluctue très peu contrairement à la température extérieure (qui influe directement les performances des PAC sur l’air). Explication La nappe n’est utilisée que pour évacuer l’énergie excédentaire (énergie chaude ou froide non utilisée pour les besoins du bâtiment) : – si besoins calorifiques > besoins frigorifiques, il y a « prélèvement » de chaleur sur la nappe (= abaissement de la température d’eau de nappe) ; T1 : température de la source froide T2 : température de la source chaude. Température exprimée en Kelvin (13) – si besoins frigorifiques > besoins calorifiques, il y a rejet de chaleur sur la nappe (augmentation de la température d’eau de nappe). Dans le cas « idéal » où il y a équilibre thermique (si les besoins de chaud et froid correspondent aux quantités d’énergies disponibles à l’évaporateur et au condenseur), ce type de production permet de fournir 6 kWh (cumul des énergies chaudes et froides) pour une consommation énergétique de 1 kWh électrique et la nappe n’est pas sollicitée. 13 Température en Kelvin (K) = Température en °C + 273,15. e-Cahiers du CSTB - 36 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Nice - 53 kWh/m² Trappes - 53 kWh/m² La performance énergétique d’une telle installation est améliorée par le recours au rafraîchissement direct par l’eau de nappe. Une simulation avec un groupe de très haute performance à double condenseur (régime 40/45 °C, COP = 4,8, EER = 3,8) sur le bâtiment type 3 optimisé, montre qu’on peut atteindre une consommation de 53 kWh/m2.an à Trappes et à Nice. Les figures ci-dessus donnent la répartition des ces consommations. Systèmes à détente directe (DRV) Le système 3 tubes permet une récupération d’énergie des zones en demande de chaud vers les zones en demande de froid et vice-versa ; cet élément est très intéressant à l’échelle d’une zone comprenant, par exemple, une salle informatique ; en revanche, à l’échelle du bâtiment, ce système est moins intéressant du fait que le nombre d’appareils terminaux pouvant être connectés à une même unité centralisée (participant ainsi aux échanges énergétiques) reste limité. Compte tenu de l’importance des réseaux de distribution et des charges en fluides frigorigène, une attention particulière doit être portée à la mise en œuvre des canalisations de fluide frigorigène. En effet, les fuites éventuelles sur le réseau se traduisent par une dégradation des performances et un effet néfaste sur l’environnement. e-Cahiers du CSTB Références Site Internet www.atita.fr : références et caractéristiques de matériel. Directive 92/42/CEE du Conseil, du 21 mai 1992, concernant les exigences de rendement pour les nouvelles chaudières à eau chaude alimentées en combustibles liquides ou gazeux. Sites Internet Quelques fournisseurs de pompes à chaleur Carrier : http://www.carrier.fr Ciat : http://www.ciat.fr Trane : http://www.trane.com www.eurovent-certification.com caractéristiques des groupes frigorifiques et des pompes à chaleur. Eurovent fournit une « classification d’efficacité énergétique » permettant de « simplifier la sélection des meilleurs appareils pour chaque type de refroidisseur ». L’objectif fixé dans le cadre de cette étude correspond à un niveau Eurovent classe A. - 37 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Solutions production de froid Groupe frigorifique À condensation par air, l’efficacité de ce type de production varie entre 2 et 3,5 L’objectif fixé exige donc les meilleurs appareils. À condensation à eau : (Cf. § précédent) il est nécessaire d’optimiser le fonctionnement des auxiliaires (pompes, ventilateurs des dry-coolers) en privilégiant des systèmes à vitesse variable. Froid à absorption Le rendement de ce type d’installation est environ de 1 pour une machine à double effet (efficacité sur PCS) : ce rendement n’intègre toutefois pas la consommation des auxiliaires (pompes de circulation, ventilateurs). On présente un exemple de système fonctionnant avec une distribution deux tubes avec « change over » manuel de mode de fonctionnement (chaud ou froid), sans système complémentaire pour assurer les pics de puissance dans les périodes de mi-saison. La simulation avec le bâtiment mono-zone montre qu’on peut atteindre une consommation annuelle totale de 102 kWh/m2 à Trappes dont 17,34 kWh/m2 en froid et 35,7 kWh/m2 en chaud, et 102 kWh/m2 à Nice dont 39,78 kWh/m2 en froid et 17,34 kWh/m2 en chaud. En effectuant la conversion en énergie primaire, on obtient 175 kWh/m2. On remarque après ces dernières valeurs que la solution « système à absorption » est comparable aux autres systèmes en termes d’énergie primaire. Cela s’explique parce que le système utilise essentiellement le gaz comme énergie de source. Dans cet exemple, la somme des dépassements de consigne de froid en occupation est de 34,4 °C.h à Trappes avec une température maximale de 27,5 °C. La période de refroidissement est programmée pour commencer le 3 mai (l’heure 2928) et pour s’arrêter le 29 septembre (l’heure 6500), le reste de l’intervalle est réservé à la période de chauffage. Aucun dépassement de consigne de chaud n’est noté (voir figure 11). À Nice, la somme des dépassements de consigne de froid en occupation est de 29,5 °C.h avec une température maximale de 26,6 °C. La période de refroidissement est programmée pour commencer le 2 mars (l’heure 1440) et pour s’arrêter le 17 novembre (l’heure 7680), le reste de l’intervalle est réservé à la période de chauffage. La somme des dépassements de consigne de chaud en occupation est de 6,3 °C.h avec une température minimale de 18,7 °C (voir figure 11). Nice Trappes Figure 10 - Répartitions des consommations d’un système à absorption Solution S1_Bâtiment 1a (1 seul étage) Figure 11 - Températures intérieures obtenues avec un système à absorption Solution S1_Bâtiment 1a (1 seul étage) e-Cahiers du CSTB - 38 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Gestion du contrôle du groupe frigorifique Pour tous les résultats de ce guide, on suppose que le froid n’est pas disponible en inoccupation ou en l’absence de demande, ce qui entraîne l’arrêt du groupe frigorifique (en l’absence de demande, on pourrait aussi réduire la vitesse des pompes de distribution). Quel est le gain énergétique de cette gestion optimisée du fonctionnement du groupe frigorifique et des pompes de distribution de l’eau glacée ? IU FK FRQVR HS *)VDQVDUUrW JHVWLRQRSWLPLVpH Figure 12 - Comparaison des consommations avec et sans gestion optimisée du groupe frigorifique d’un système VC (bâtiment 1a optimisé à Trappes) On remarque : – une diminution de 11 % en énergie primaire (de 166,4 à 148 kWh.ep/m2) ; – une diminution de 10 % de la consommation annuelle totale (de 76,6 à 68,9 kWh/m2) ; – une diminution de 4 % pour le chauffage (de 19,7 à 18,9 kWh/m2) ; – une diminution de 56,6 % pour le refroidissement (de 12 à 5,2 kWh/m2). Références Site Internet www.eurovent-certification.com e-Cahiers du CSTB - 39 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 e-Cahiers du CSTB - 40 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Cible n° 10 : auxiliaires – une diminution de 50 % pour le chauffage (de 37,8 à 18,9 kWh/m2) ; Contexte technique Le fonctionnement des auxiliaires passe trop souvent inaperçu. Pourtant ceux ci fonctionnent parfois sans raison ce qui entraîne une consommation d’électricité (ventilateurs et pompes) qui peut atteindre 40 % de la consommation totale du bâtiment. – une augmentation de 33,3 % pour le refroidissement (de 3,9 à 5,2 kWh/m2) ; – une diminution de 60,2 % pour les auxiliaires locaux (de 9,3 à 3,7 kWh/m2) ; – une diminution de 58,6 % pour les auxiliaires de CTA (de 5,8 à 2,4 kWh/m2). Exigences Objectif 100 Rendement des ventilateurs de 0,87. Pompes de circulation présentant un rendement global de 0,75 au moins (rendement électrique de 0,9 et rendement hydraulique de 0,83). DX[FWD DX[ORF IU FK Solutions techniques disponibles FRQVR Rendement des ventilateurs Les ventilateurs sont une des principales sources de consommation d’électricité ; une attention particulière doit donc être apportée à leur sélection. De plus, il convient d’éviter le surdimensionnement des moteurs électriques. HS YHQWORFHWFHQWSHUPDQHQWH YHQWORFSHUPDQHQWH YHQWFHQWSHUPDQHQWH JHVWLRQRSWLPLVpH Rendement À aubes inclinées vers l’arrière (réaction) 75 à 85 % À aubes inclinées vers l’avant (action) 60 à 75 % Rendement des pompes Le rendement hydraulique est environ de 60 %. Néanmoins, quelques pompes présentent des rendements hydrauliques de l’ordre de 85 %. Le rendement électrique d’une pompe est environ de 90 %. L’association européenne Europump promeut un étiquetage de l’efficacité énergétique allant de G (pompe d’efficacité médiocre) à A (pompe d’excellente efficacité). Le gain en énergie est accru par le recours à la vitesse variable. Une pompe classée A consomme environ 60 % d’énergie de moins qu’une pompe moyenne installée actuellement en Europe ie. une pompe classée D ou E. Figure 13 - Comparaison des consommations pour une gestion optimisée des ventilateurs d’un système ventilo-convecteurs (bâtiment 1a optimisé à Trappes) Références Rapport du département of energy DOE, caractéristiques des systèmes de chauffage, ventilation, climatisation. http://www.eren.doe.gov/buildings/documents/. DOE/IEA Commercial buildings energy consumption survey, Octobre 1998, DOE/EIA-0625 (95). Article CVC, n° 11, novembre 2000, page 10, dossier consommation des pompes, ventilateurs par D.Westphalen, S.Koszalinski. Variation de signal électrique La variation de vitesse s’applique essentiellement aux installations de pompage et de ventilation. Elle s’est « démocratisée » ces dernières années ; accessible financièrement (les fabricants de pompes intègrent de plus en plus systématiquement des variateurs sur leur produits), elle est indéniablement rentable et confère aux installations un comportement dynamique optimisé, contribuant de plus à l’augmentation des durées de vie. Pour la solution ventilo-convecteurs, la figure 13 illustre l’intérêt d’arrêter les ventilateurs locaux et centraux en inoccupation (en l’absence de besoin). En comparant les deux cas les plus extrêmes, on peut constater les différences suivantes : – une diminution de 20,7 % en énergie primaire (de 186,7 à 148 kWh.ep/m2) ; – une diminution de 27,8 % de la consommation annuelle totale (de 95,5 à 68,9 kWh/m2) ; e-Cahiers du CSTB - 41 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 e-Cahiers du CSTB - 42 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 1 Exigences minimales considérées dans l’étude Le tableau ci-dessous présente les exigences minimales prises en compte lorsqu’il n’est pas nécessaire d’atteindre les cibles pour l’objectif de consommation fixé. Ces sont les valeurs les moins exigeantes utilisées dans notre étude. Parois opaques : plancher bas, toitures, murs 0,3 _ 0,6 W/m2.K Surfaces vitrées 3 W/m2.K Orientation Façades vitrées E/O Ventilation Débit normal (hygiène) Bureautique 15 W/m² en bureaux Eclairage Interrupteur et 18 W/m² Distribution (15) 0,28 W/(m.K) Production froid EER = 1,3 Production chaud Valeurs RT Auxiliaires Rendement = 0,525 Exigences à satisfaire en cas de non-obligation de respecter la valeur cible de ces paramètres 15 Avec la classe 2, de la RT2005 pour un diamètre de tuyauterie moyen de 30 mm, on peut atteindre la valeur de coefficient de perte linéique de 0.28 W/m/K par l’emploi d’un isolant d’une épaisseur/conductivité de : - 11 mm / λ = 0.03 W/m.K ; - 17 mm / λ = 0.04 W/m.K ; - 25 mm / λ = 0.05 W/m.K ; - 36 mm / λ = 0.06 W/m.K. e-Cahiers du CSTB - 43 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 2 Conditions de simulation - Exigences minimales considérées dans l’étude Les données ci-après sont les valeurs des paramètres non déterminées dans les cibles ou les valeurs minimales. Il convient en effet de s’en rapprocher pour respecter les exigences de consommation. Occupation : – 1 personne / 12 m² en bureaux avec un taux d’occupation de 80 % – 1 personne / 3,5 m² en réunion Consignes de température – Chauffage : - 20 °C en occupation, 15 °C en inoccupation (arrêt le WE) ; - plancher sous toiture (terrasse, combles perdus, rampant lourd) : béton plein de plus de 8 cm isolé par l’extérieur et sans faux-plafond (*) ; - sous face de plancher intermédiaire : béton plein de plus de 15 cm sans isolant et sans faux-plafond (*). (*) Ne sont considérés que les faux-plafonds possédant une lame d’air non ventilée ou faiblement ventilée (moins de 1 500 mm2 d’ouverture par m2 de surface), couvrant plus de la moitié de la surface du plafond du niveau considéré. – définition du « plancher bas lourd » : - face supérieure de plancher intermédiaire avec un « revêtement sans effet thermique » : - relance 6 h avant le lundi et 2 h avant les autres jours ; - béton plein de plus de 15 cm sans isolant, – froid : 25 °C en occupation, arrêt en inoccupation (arrêt le WE). - chape ou dalle de béton de 4 cm ou plus sur entrevous lourds (béton, terre cuite), sur béton cellulaire armé ou sur dalles alvéolées en béton, Air neuf hygiénique : – 25 m3/h/p en bureaux ; - plancher bas avec isolant thermique en sous-face avec un « revêtement sans effet thermique » : – 30 m3/h/p en réunion ; – de 8 h à 20 h en semaine, arrêt le WE. - béton plein de plus de 10 cm d’épaisseur, - chape ou dalle de béton de 4 cm ou plus sur entrevous lourds (béton, terre cuite), sur béton cellulaire armé ou sur dalles alvéolées en béton, - dalle de béton de 5 cm ou plus sur entrevous en matériau isolant : – définition d’une « paroi verticale lourde », Perméabilité : – 1,2 m3/(h.m²) sous 4 Pa (16) Inertie – lourde (17) Les inerties prises en compte sont des inerties légère et lourde au sens des règles Th-I. Les caractéristiques en sont les suivantes : Inertie légère Inertie lourde Cm / Aplancher (kJ/K/ m² de plancher) 110 260 Am / Aplancher (m² / m² de plancher) 2,5 3 Un niveau de bâtiment possède une paroi verticale lourde si elle remplit l’une ou l’autre des conditions suivantes : – lorsque la surface de mur est au moins égale à 0,9 fois la surface de plancher (maisons individuelles), mur de façade et pignon isolés par l’extérieur avec à l’intérieur : - béton plein (banché, bloc, préfabriqué) de 7 cm ou plus ; - blocs perforés en béton 10 cm ou plus ; - bloc creux béton 11 cm ou plus ; - brique pleine ou perforée 10,5 cm ou plus. Avec : Cm capacité calorifique du local en (kJ/K) ; Am la surface d’échange équivalente des parois lourdes avec l’ambiance en (m²). – murs extérieurs à isolation répartie de 30 cm minimum, avec un cloisonnement réalisé en blocs de béton, en brique plâtrière enduite ou en carreaux de plâtre de 5 cm minimum ou en béton cellulaire de 7 cm minimum ; Les règles Th I définissent différents modes de détermination de l’inertie. On s’y rapportera pour des projets particuliers. Ces règles définissent en particulier une approche forfaitaire dont nous reproduisons ci-après les éléments utiles. L’inertie est faible si deux parois verticales par niveau sont lourdes. L’inertie est très lourde si le plancher haut ou bien les parois verticales sont lourdes. Les appréciations des parois sont les suivantes : – définition du « plancher haut lourd » : – ensemble de doublage intérieur des murs extérieurs et de cloisonnements, de 5 cm minimum réalisé en blocs de béton, brique enduite ou carreaux de plâtre, – lorsque la taille moyenne de locaux est inférieure à 30 m2 (bâtiments d’habitation, bureaux), mur cloisonnement intérieur lourd, réalisé en : - béton plein de 7 cm minimum ; - blocs de béton creux ou perforés de 10 cm minimum ; - brique pleine ou perforée de 10,5 cm minimum ; - autre brique de 15 cm minimum avec un enduit plâtre sur chaque face. 16 Au maximum, nous avons considéré une valeur de 2,4 m3/(h.m²) sous 4 Pa. 17 Au maximum, nous avons considéré une inertie légère. e-Cahiers du CSTB - 44 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 3 Systèmes de traitement Les trois fiches Annexes qui suivent ne présentent pas d’objectifs à atteindre mais plutôt des « règles de bonne conduite » à suivre. Préambule Différents types d’appareils terminaux ont été envisagés dans le cadre de l’étude « Objectif 100 ». La description précise des systèmes modélisés est fournie dans le rapport final Objectif 100. Avant d’avoir recours au rafraîchissement mécanique, il est bon de s’interroger sur les températures atteintes sans rafraîchissement en été. Cette question est d’autant plus pertinente que les bâtiments retenus sont « optimisés » (protections solaires, faibles apports d’éclairage et de bureautique). Quel est le nombre d’heures d’inconfort en été sans rafraîchissement mécanique selon deux modes (ventilation le jour seulement et ventilation jour et nuit) ? Le tableau suivant donne les dépassements de température de consigne pour un bâtiment de bureaux non rafraîchi dans deux régions climatiques : Trappes et Nice. Les dépassements de consigne sont exprimés en nombre de “degrés - heures”. L’évolution de la température intérieure génère un inconfort pour les occupants. Il faut noter que la différenciation entre les deux options de ventilation se fait uniquement pour les zones de bureaux occupées dans la journée et 5 jours sur 7 dans la semaine. Il faut noter que bien évidemment, une surchauffe d’une telle ampleur n’est pas supportable et les occupants auront recours à l’ouverture de fenêtres si le niveau de bruit et la hauteur le permettent. L’ouverture de fenêtres permet un renouvellement d’air de la pièce plus intense que la ventilation mécanique. L’éclairage est probablement éteint en période de surchauffe. Les dérives présentées prouvent une tendance qui ne peut être négligée et qui justifie l’emploi du rafraîchissement afin de respecter le confort des occupants. La présente annexe explicite succinctement les différents systèmes de traitement abordés dans cette étude. Ventilo-convecteur : présentation générale Ventilo-convecteur « 2 tubes ». L’appareil comporte une seule batterie d’échange eau / air et est raccordé à un réseau de distribution (chaud ou froid) Dépassements de température dans la zone des bureaux (sud) par rapport à Ti = 25 °C Nombre d’heures Valeur moyenne (°C) Valeur maximale (°C) Somme totale (°C*h) Trappes ventilation permanente 1544 5,1 13,5 7838 Trappes ventilation en occupation 2183 7,2 17,2 15659 Nice ventilation permanente 2251 6,4 15,6 14506 Nice ventilation en occupation 2689 7,8 17,8 20944 Exemple de ventilo-convecteur carrossé (doc. GEA HAPPEL) Dérives de température dans des bureaux non rafraîchis Figure 15 - Schéma de principe d’un ventilo-convecteur e-Cahiers du CSTB - 45 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Ventilo-convecteur « 2 tubes 2 fils » : appareil équipé d’une batterie électrique. Ventilo-convecteur « 4 tubes ». L’appareil comporte 2 batteries d’échange eau / air (une batterie chaude et une batterie froide) raccordées à 2 réseaux de distribution. Cette solution plus coûteuse en terme d’investissement permet une régulation indépendante par locaux. Les consommations électriques liées à ce système sont induites par le ventilateur de soufflage. Usuellement, les ventilo-convecteurs sont dimensionnés en moyenne vitesse voire en petite vitesse pour des raisons acoustiques. Par conséquent, en période d’occupation, le fonctionnement en petite vitesse sera suffisant la plupart du temps. Le fonctionnement du ventilateur doit être asservi aux besoins afin d’éviter des consommations inutiles. De même, en période d’inoccupation, la mise en place d’une température de mode réduit se traduit par des besoins quasiment inexistants en dehors des phases de relance (passage du mode réduit au mode confort). Par conséquent, l’asservissement horaire du ventilateur et des pompes du circuit d’eau glacée permet d’éviter un fonctionnement inutile. En mode de chauffage et en inoccupation, s’il n’y a pas de besoin, les ventilateurs des unités intérieures sont arrêtés mais la chaudière reste en veille et les pompes du circuit d’eau chaude sont en marche. Centrale de traitement d’air à débit constant (DAC) Cette solution est seulement envisagée pour le traitement des locaux paysagés car elle est adaptée aux locaux monozones. Les consommations électriques liées à ce système sont induites par les ventilateurs de soufflage et d’extraction. Cette centrale assure également le renouvellement d’air des locaux. Par conséquent, le ventilateur fonctionne en permanence durant la période d’occupation. En hiver, il est nécessaire de récupérer de l’énergie sur l’air extrait afin de préchauffer l’air neuf. En été voire en misaison, la centrale d’air peut fonctionner en tout air neuf afin de rafraîchir les locaux (free cooling). Il est possible, en fonction de l’inertie du bâtiment de faire de la ventilation nocturne afin d’accumuler des frigories la nuit pour en bénéficier la journée durant la période d’occupation. La sonde de température située à la reprise doit être doublée d’une sonde de température située dans le local afin d’obtenir des températures fiables durant les arrêts des ventilateurs de la centrale. Centrale de traitement d’air à débit variable (DAV) La vitesse variable du ventilateur permet d’ajuster le débit de soufflage en fonction des besoins réels du local, la température de soufflage étant constante. Afin de contrôler les quantités d’air neuf hygiéniques alors que le débit général est réduit, la solution considérée (ce n’est pas la seule) consiste à ne souffler que de l’air neuf. Une telle solution ne peut s’envisager qu’associée à un récupérateur à haute efficacité (0,8). En inoccupation, on applique les mêmes règles que pour la centrale à débit constant. Figure 16 - Schéma de principe du DAC e-Cahiers du CSTB - 46 - Figure 17 - Schéma de principe du DAV Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Systèmes à débit de réfrigérant variable (DRV) Split Les consommations du système DRV sont induites par le compresseur, le ventilateur extérieur et les ventilateurs des unités intérieures. Le climatiseur fonctionne uniquement pendant les heures d’occupation en mode rafraîchissement. En mode de chauffage, il assure le réduit de chauffage à 15 °C. Lors de l’arrêt du système, on considère la puissance appelée nulle ce qui est légèrement optimiste. Le système split est associé à une centrale de traitement d’air pour la ventilation. Les solutions « split » équipées de compresseurs à « vitesse variable» permettre d’obtenir à la fois un bon confort mais aussi un niveau de consommation faible. Le DRV est composé de plusieurs unités intérieures et d’une ou plusieurs unités extérieures. Ces unités sont raccordées par des tubes calorifugés. Deux versions de ce système existent : – solution 2 tubes : les appareils raccordés à une même unité extérieure fonctionnent soit en froid soit en chaud ; – solution 3 tubes : les unités intérieures raccordées à une même unité extérieure fonctionnent en froid et en chaud et permettent ainsi de faire des transferts énergétiques. Le système DRV permet d’ajuster le débit de fluide frigorigène en fonction de la demande énergétique dans les différents locaux. La variation de vitesse du compresseur permet de limiter les consommations électriques. Le fonctionnement du ventilateur de l’unité extérieure permet de prélever ou d’évacuer des calories sur l’air extérieur. La gestion des ventilateurs des unités intérieures est analogue à celle des ventilo-convecteurs mentionnée dans le paragraphe précédent. Le système DRV est associé à une CTA pour la ventilation. DEC Les systèmes à faible consommation d’énergie comme les systèmes à dessiccation consomment une quantité d’eau fonction du type d’humidificateur utilisé et de la région climatique (humidité extérieure). Quelle est la consommation d’eau moyenne d’un système à dessiccation ? – à Trappes : la consommation annuelle d’eau est de 1,8 kg/m2 ; – à Nice : la consommation annuelle d’eau est de 4,8 kg/m2. Commentaires : ces ratios de consommation sont ramenés à la surface totale (1008 m2) alors que la surface traitée par ce système est de 180 m2. Figure 18 - Schéma de principe du DRV 3 tubes en mode récupération e-Cahiers du CSTB - 47 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 4 Influence de la régulation et de la gestion technique sur les consommations Lors des opérations préalables à la réception, le maître d’ouvrage demande au maître d’œuvre de contrôler et valider auprès de l’installateur les choix de réglage afin de s’assurer de la parfaite adéquation de l’installation au programme et schémas de régulation. Il appartient donc au concepteur de sensibiliser l’installateur puis le metteur au point à l’intérêt que peuvent présenter ces schémas pour améliorer l’efficacité des installations. Organes de régulation Capteurs (organes de mesure : sonde de température, compteurs, …) et actionneurs (vannes, « vanne de courant », pompes, …) doivent être juste dimensionnés pour s’adapter au comportement dynamique des installations. Leurs courbes de réponse devront précisément être vérifiées afin de prévenir toute dérive. Modes de régulation Pour un chauffage (rafraîchissement) à eau chaude ou à air chaud (froid (18) la puissance est proportionnelle à l’écart de température et au débit. Ainsi, pour régler la puissance on agira soit sur le débit (débit variable, température constante) soit sur la température (débit constant, température variable). Pour cela, la régulation agira sur des vannes deux ou trois voies, au départ ou au retour, en mélange ou en répartition. Pour que l’installation fonctionne correctement et soit efficace, il y a lieu de veiller 18 au détail près que l’hygrométrie a une importance particulière pour le rafraîchissement à adopter des schémas cohérents, les plus simples possibles, qui seront ainsi le plus économiques tant sur le plan des investissements, qu’en termes de résultats d’exploitation. Loi d’eau La loi d’eau consiste – pour des productions centralisées utilisant l’eau comme fluide caloporteur, à ajuster la température de départ d’eau en fonction de la température extérieure afin de réduire les pertes de distributions et d’améliorer le fonctionnement et les performances des productions. Ceci lorsque les conditions d’exploitation le permettent (donc lorsqu’il n’y a pas d’obligation à maintenir une température de départ ou de soufflage constante). Influence des consignes La température de reprise peut servir d’indicateur pour les systèmes qui fonctionnent en mélange ; elle nécessite cependant des précautions au niveau de l’implantation de la sonde (influences du rayonnement des gaines : l’isolation est recommandée), des modes de fonctionnement (la régulation ne devient effective que lorsque l’équipement est en marche, et elle nécessite qu’il n’y ait pas de coupure de la ventilation), du type de local et de l’efficacité de la diffusion dans ce dernier (il faut s’assurer qu’il n’y a pas de phénomène de stratification). Le guide est élaboré avec les consignes suivantes : – 25 °C en refroidissement en occupation, pas de refroidissement en inoccupation ; – 20 °C en chauffage en occupation et 15 °C en inoccupation). On présente l’effet d’un décalage de ces consignes. Figure 19 - Impact de la température de consigne sur la consommation e-Cahiers du CSTB - 48 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 En passant : – d’une consigne de 25 °C à 24 °C en refroidissement ; – de 20 °C à 21 °C en chauffage ; – avec la même réduction de consigne pendant l’inoccupation (pas de climatisation et 15 °C en chauffage). Pour Trappes, on remarque une augmentation de 11,5 % de la consommation annuelle de refroidissement et une augmentation de 12 % de la consommation annuelle de chauffage, L’impact sur la consommation totale est de 0,8 à 3,4 %. Pour Nice, on remarque une augmentation de 12,8 % de la consommation annuelle de refroidissement et une augmentation de 19,6 % de la consommation annuelle de chauffage. L’impact sur la consommation totale est de 1,5 à 3,2 %. Mise en réduit La mise en réduit qui peut comprendre plusieurs niveaux inoccupation courte, inoccupation longue - diminue les consommations et les puissances appelées au niveau des équipements de production, de distribution et d’émission. Ces modes sont programmables au niveau des thermostats ou d’une unité de gestion centralisée. Les principales dispositions à prendre en compte pour une conduite simple des installations sont les suivantes : – priorité au confort en occupation avec une bonne efficacité énergétique : d’une part, en adaptant la production aux besoins (loi d’eau) et d’autre part, en évitant les gaspillages par le respect des consignes et la détection des dysfonctionnements ; – économie hors occupation. Les économies se font en grande partie en inoccupation, la durée de l‘inoccupation étant plus important que celle de l’occupation en moyenne sur une semaine : – arrêt de la ventilation (elle peut toutefois être maintenue en fonctionnement une heure après la fin de l’occupation), – baisse des consignes de chauffage, augmentation de celle de refroidissement, – arrêt de tout l’éclairage inutile. En l’absence de Gestion Technique, ces opérations peuvent être réalisées à l’aide d’horloge ou de thermostat programmable. – mise en œuvre d’une télégestion par service central de surveillance en cas de non disponibilité de personnel compétent sur site, pour : Humidification de l’air soufflé - dépannage rapide, Les bâtiments de bureaux ne disposent pas en général d’un système d’humidification de l’air soufflé (air neuf ou totalité de l’air soufflé) en période de chauffage. On peut cependant en étudier l’impact énergétique et sur la consommation d’eau. Si l’on retient une consigne d’humidité de 5 g/kgas soit une humidité relative de 34 % à 20 °C : – pour un système ventilo-convecteurs avec air neuf soufflé par une CTA, l’humidification entraîne une augmentation de 4,6 % de consommation annuelle d’énergie primaire. La consommation d’eau est de l’ordre de 2,5 l/ (m2.an) ; - envoi de données simples au central : indicateurs globaux essentiellement comme les températures ou les durées de fonctionnement, les consommations étant suivies sur des périodes plus longues, – pour un système DAC l’humidification entraîne une augmentation de 2,3 % de consommation annuelle d’énergie primaire. La consommation annuelle d’eau est de 1,6 l/(m2.an). - gestion des relances : prise en compte de la tarification en cas de chauffage électrique. Références Le recours aux protocoles normés (de ce fait dit « standard » ou « ouvert ») doit être privilégié : Bacnet ou OPC, éventuellement couplé au protocole Lontalk ou Novanet. Gestion Technique La gestion technique permet de suivre les consommations d’énergie et d’ajuster les consignes, de programmer les commandes (marche/arrêt), de contrôler le comportement des grandeurs réglées, de disposer d’un état d’alarmes,et par extension, d’une aide à la gouvernance, à la maintenance. Le choix du système doit être mené sur la base des critères d’interopérabilité des systèmes, d’ouvertures des protocoles et de pérennité pour permettre l’adaptation aux évolutions techniques. e-Cahiers du CSTB - 49 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 5 Développement durable et Haute qualité environnementale La Qualité environnementale des bâtiments est l’aptitude de ses caractéristiques intrinsèques (parcelle, bâtiment, équipement) à satisfaire les exigences suivantes : – maîtrise des impacts sur l’environnement extérieur ; – création d’un environnement intérieur confortable et sain. Ces exigences s’expriment au travers de 14 « cibles », groupées en 4 familles : éco‑construction, éco‑gestion, confort et santé. La cible n° 4 traitant de la gestion de l’énergie (famille éco‑gestion) a pour objectif la réduction des consommations d’énergie primaire, le recours aux énergies renouvelables et le choix d’énergies peu polluantes. Cela s’exprime notamment par un travail sur l’enveloppe pour réduire les besoins de chaleur et de froid et par l’amélioration de l’efficacité des équipements énergétiques dans le respect des conditions de confort. Le présent guide peut s’inscrire dans le cadre général du développement durable (19) pour lequel la démarche HQE® (Haute qualité environnementale) apporte une réponse pertinente pour le secteur du bâtiment, en considérant à la fois le management de projet et les performances environnementales. En effet, il explicite des moyens architecturaux et techniques permettant d’améliorer la performance énergétique des bâtiments à usage de bureaux par une action tant sur l’enveloppe que sur les systèmes et les équipements. Il constitue alors une aide précieuse, principalement au niveau de la cible n° 4, aux acteurs de la construction entreprenant une démarche HQE®. Dans ce cadre, les aspects énergétiques sont à inclure dans une démarche de conception intégrée et transversale, en incluant d’autres préoccupations propres à la qualité environnementale, par exemple l’entretien-maintenance pour la pérennité des performances, les différentes composantes du confort, la préservation de la santé, le choix intégré des produits et systèmes, la gestion de l’eau, la gestion du chantier. La cible n° 4 de la démarche HQE (Gestion de l’énergie) a pour objectif de garantir l’efficacité énergétique du bâtiment et de ses équipements, de recourir à des énergies renouvelables, tout en assurant des conditions de confort et de santé optimales à l’occupant. Cet objectif est atteint grâce à un travail sur l’ensemble des thèmes explicités dans les fiches précédentes. Les autres cibles de la démarche HQE permettent d’aller plus loin dans le respect de l’environnement en permettant par exemple : – de réduire le débit des fuites rejetées au réseau d’eaux pluviales grâce à l’emploi de matériaux perméables qui favorisent l’hydrologie naturelle du site : toitures végétalisées, surfaces de parking engazonnées, etc ; – de réduire la consommation d’eau potable grâce à la mise en œuvre de dispositifs hydro‑économes et de systèmes de réutilisation des eaux de pluie pour l’alimentation des sanitaires ; – de réduire les impacts des matériaux de construction sur l’environnement et la santé des occupants en favorisant l’emploi de peintures, d’isolants et de revêtements de sols performants sur ce plan ; – de réduire les nuisances et pollutions générées lors de la phase chantier grâce à la mise en œuvre d’une charte chantier propre ; – etc. Maîtrise des impacts sur l’environnement Famille n° 1 Eco-construction Famille n° 2 Eco-gestion Création d’un environnement intérieur satisfaisant Famille n° 3 Confort Famille n° 4 Santé 19 Le développement durable est un mode de développement permettant de répondre aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs. e-Cahiers du CSTB - 50 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 6 Critères de conception pour les atriums L’atrium est un élément fréquent des projets de bâtiments tertiaires et notamment des immeubles de bureaux. C’est un espace vitré de grande hauteur servant d’élément de liaison entre les différents niveaux et zones fonctionnelles d’un bâtiment. Le présent chapitre fournit une synthèse des critères de conception et des solutions de traitement thermiques les plus fréquentes. Notion d’Atrium Différents types d’atriums peuvent être définis selon les critères suivants. Position par rapport au bâtiment principal : – « encastré » l’atrium est entouré par les corps de bâtiment et possède une toiture vitrée ; – « accolé » : l’atrium comprend une ou plusieurs façades vitrées donnant sur l’extérieur. En conséquence, les parois sont principalement constituées de verre offrant une forte transmission lumineuse et énergétique. Les apports thermiques importants qui en résultent influencent la conception et le dimensionnement des équipements des zones périphériques. L’importance des surfaces de parois vitrées peut générer par temps froid des phénomènes de courants d’air froid le long des façades préjudiciables au confort des occupants éventuels. La hauteur élevée induit une stratification de température importante. Les contraintes d’intégration architecturales (objectif d’un espace « libre et grand ouvert ») limitent les solutions de traitement possibles. Au-delà des intentions architecturale, la problématique énergétique se doit d’être une préoccupation majeure. Un atrium bien conçu ne doit pas (sauf cas exceptionnel) requérir de climatisation. Un traitement localisé aux zones d’occupation doit permettre de satisfaire les objectifs de confort sans engendrer de surcoûts énergétiques. Bati Position encastrée Le verre Le choix du verre résulte d’un compromis entre la transmission lumineuse (souhaitée la plus élevée) et le facteur solaire (le plus faible). Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des produits verriers permettent d’obtenir : – transmission lumineuse = 70 % ; – facteur solaire = 40 %. Position acolée Les dimensions en plan (longueur et largeur) : – atrium « ponctuel » : ratio longueur / largeur proche de l’unité ; – atrium « linéaire » : longueur très supérieure à la largeur. La conception des atriums est dictée par le parti architectural avec pour principaux objectifs : – un éclairage naturel important ; – l’ouverture vers un espace de grand volume protégé des intempéries et constituant un espace tampon entre le bâtiment principal et l’extérieur. e-Cahiers du CSTB - 51 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Locaux « fermés » sur l’atrium Locaux « ouverts » sur l’atrium Légende Simple vitrage intérieur Double vitrage intérieur Protection solaire motorisée Simple vitrage extérieur Double vitrage extérieur Lames pivotantes extérieures motorisées Façade climatique Respiration extérieure à double sens Ventilation extérieure par tirage naturel Extraction mécanique Préssurisation mécanique Façade préssurisée Haut débit Faible débit Façade respirante (20) e-Cahiers du CSTB Façade ventilée - 52 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 La façade double peau Ce procédé constructif peut être adopté pour les atriums. Elle est constituée d’une paroi verticale assurant le clos du bâtiment devant laquelle est placée une paroi vitrée fortement ventilée. Des travaux menés par l’EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) ont permis d’établir une typologie des façades double-peau (20). Une façade double-peau se compose de l’extérieur vers l’intérieur : – d’un écran vitré : généralement constitué d’une lame de verre simple, montée sans cadre ; – d’un espace ou « canal » d’une largeur comprise entre 50 et 600 mm. La hauteur est au minimum d’un étage mais plus généralement de 3 étages et plus. Des ouvertures réglables sont disposées en haut et en bas du canal. Lorsque le canal est de profondeur suffisante, un caillebotis permet le nettoyage et l’entretien des éléments fixes et mobiles ; – d’une façade intérieure partiellement ou totalement vitrée. On distingue principalement la double – peau contre façade étanche et la double – peau participant à la ventilation des locaux. Typologie en coupe verticale La classification s’effectue suivant les critères de composition et du principe de ventilation de la double peau et des locaux attenants. Selon la composition : – absence de protection solaire (à proscrire en général sauf cas particulier d’une orientation « favorable et du choix d’un vitrage très performant : très faible facteur solaire) ; – protection solaire dans le canal (contrainte éventuelle d’accessibilité) ; – protection solaire à l’intérieur des locaux (solutions défavorables au confort thermique estival). Légende : 1 : Ecran vitré 3 : Protection solaire 5 : Façade intérieure 2 : Canal 4 : Caillebotis Selon le principe de ventilation : La ventilation de la double-peau se fait soit étage par étage soit sur plusieurs étages. 20Paroi vitrée dont la lame d’air est mise en contact avec l’extérieur par des orifices de géométrie et de perméabilité à la vapeur d’eau adaptées. Ces ouvertures permettent ainsi les échanges de vapeur par diffusion et sans ventilation de la lame d’air et suppriment (dans les conditions climatiques courantes) le risque de condensation. Légende : 1 : H < h Le canal est fractionné par les dalles d’étage 2 : H > h Le canal s’étend sur plusieurs étages 3 : H > n*h Le canal dépasse le dernier étage. e-Cahiers du CSTB - 53 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Les occultations Le recours à un système d’occultation « contrarie » l’objectif de transparence mais peut s’avérer nécessaire pour éviter l’éblouissement et limiter les apports par ensoleillement. Les solutions possibles sont : – les stores (intérieurs ou extérieurs) ; – les velums (toile tendue). Les stores extérieurs constituent la solution la plus efficace avec cependant des contraintes de maintenance, (accès au matériel et nettoyage). La gestion de ces systèmes de protection solaire doit permettre d’obtenir le meilleur compromis entre les différents objectifs. Il est possible de : – remplacer des brise-soleil par des éléments photovoltaïques ; – intégrer des capteurs dans les parties vitrées avec nécessité d’un compromis entre l’efficacité du système (surface de capteurs et /ou densité des cellules) et le maintien d’une bonne transmission lumineuse. Conditions thermiques La « réponse thermique » de l’atrium peut être caractérisée par la température centrale et le gradient vertical de température intérieure. Suivant la vocation de l’atrium (espace de vie ou simple espace de transition), un traitement climatique adapté doit être défini : – contrôle des températures. A minima limitation de l’élévation de température afin d’éviter les risques de casse thermique du vitrage ; – contrôle de l’humidité afin de s’affranchir de phénomènes de condensation sur les parois. Systemes de traitement Le choix du ou des systèmes de traitement dépendra de la configuration de l’atrium, des paramètres de conception, des objectifs de conforts, du bilan thermique été/hiver. En tout état de cause, les systèmes « passifs » seront à privilégier afin de limiter la dépense énergétique. Ventilation naturelle Ouvrants motorisés en partie haute (évacuation d’air chaud) et basse (entrée d’air) : grilles, ouvrants du type châssis vitrés ou skydome en toiture (ouverture asservie à une consigne de température). En fonction de la nature et de la position de ces ouvrants, une attention particulière devra être portée aux conditions orageuses ou de forts vents : nécessité de fermer tout ou partie des ouvrants en cas de vents ou pluie (asservissement à sonde d’hygrométrie et/ou sonde anémométrique). Privilégier les prises d’air sur les façades nord et est. Le dimensionnement de la ventilation naturelle (section d’ouvrants et position) n’est pas trivial et nécessite le recours à des outils de modélisation permettant, à partir d’une étude de sensibilité, de définir l’optimum économique, technique et architectural. Rafraîchissement gratuit (air ou système alimenté par eau de nappe ou cours d’eau) Recours à la ventilation naturelle en mi-saison (température extérieure inférieure à la température de « consigne »). Ventilation nocturne, avec une limitation du fait de la faible inertie de l’atrium (essentiellement vitré). e-Cahiers du CSTB Emploi de puits « canadien » : conduit enterré permettant un abaissement de quelques degrés de l’air extérieur. Systèmes « actifs » Privilégier les transferts d’énergie entre les zones en demande de froid et celles en demande de chaud. Tenir compte des cas particuliers de zones d’occupation, par exemple, banque d’accueil dans un hall) et privilégier un traitement localisé (n’intéressant pas la totalité du volume) afin de limiter les débits et/ou puissances mis en jeu. Façade irriguée L’atrium est constitué pour une grande partie par une façade vitrée. La mise en œuvre d’un vitrage performant permet de limiter les déperditions vers l’extérieur en hiver et de limiter les apports solaires en été. La mise en place de cet ensemble verrier implique la réalisation d’une structure métallique destinée à recevoir les différents éléments vitrés dont la taille est limitée notamment en raison de son poids. Outre sa fonction porteuse, cette structure métallique peut être conçue de telle façon à y faire passer de l’eau chaude ou froide selon les besoins. Il est alors nécessaire : – d’isoler la partie extérieure de la structure afin d’éviter des déperditions trop importantes vers l’extérieur ; – de limiter la température de l’eau froide afin d’éviter tout risque de condensation sur la structure. Cette solution a l’avantage, en hiver, de traiter directement les déperditions et ainsi de limiter le phénomène de paroi froide. En été, cela permet de limiter les apports solaires (partie du flux absorbé par le vitrage) en été. Température d’eau : Hiver T = 40 °C ; Eté T = 17 °C Ce système peut combattre 25 à 30 % des charges thermiques et nécessite donc (suivant les objectifs de température à atteindre) la mise en œuvre de systèmes de traitement complémentaires. Peu d’installations existent en France, citons l’immeuble de bureaux Delta à Boulogne-sur-Seine (92) pour lequel le CSTB a établi un Avis Technique. « Neutralisation des verrières Soufflage direct sur la façade vitrée Dans le cas de la mise en œuvre d’un système de traitement d’air, la diffusion sur les parois permet de limiter les phénomènes de « parois froides ». Eléments chauffants à eau chaude : Tubes à ailettes ou panneaux rayonnants le long des façades pour éviter le phénomène de « coulis d’air froid ». Techniques rayonnantes Plancher chauffant / rafraîchissant La mise en place d’un plancher mixte permet d’assurer un traitement d’ambiance local. De plus, ces systèmes reposent sur le principe du rayonnement ce qui permet de combattre les phénomènes de paroi froide ou chaude induits par la façade vitrée. La couverture du sol par des éléments décoratifs (bassins, végétations) ou des équipements techniques (ascenseurs, escaliers, points d’encrage). Cassettes rayonnantes Ces cassettes installées à au moins 3 mètres du sol permettent de créer dans un grand volume une zone de confort local en hiver. Cette solution apparaît adaptée aux traitements des zones d’accueil. - 54 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Les occultations Le recours à un système d’occultation « contrarie » l’objectif de transparence mais peut s’avérer nécessaire pour éviter l’éblouissement et limiter les apports par ensoleillement. Les solutions possibles sont : – les stores (intérieurs ou extérieurs) ; – les velums (toile tendue). Les stores extérieurs constituent la solution la plus efficace avec cependant des contraintes de maintenance, (accès au matériel et nettoyage). La gestion de ces systèmes de protection solaire doit permettre d’obtenir le meilleur compromis entre les différents objectifs. Il est possible de : – remplacer des brise-soleil par des éléments photovoltaïques ; – intégrer des capteurs dans les parties vitrées avec nécessité d’un compromis entre l’efficacité du système (surface de capteurs et /ou densité des cellules) et le maintien d’une bonne transmission lumineuse. Conditions thermiques La « réponse thermique » de l’atrium peut être caractérisée par la température centrale et le gradient vertical de température intérieure. Suivant la vocation de l’atrium (espace de vie ou simple espace de transition), un traitement climatique adapté doit être défini : – contrôle des températures. A minima limitation de l’élévation de température afin d’éviter les risques de casse thermique du vitrage ; – contrôle de l’humidité afin de s’affranchir de phénomènes de condensation sur les parois. Systemes de traitement Le choix du ou des systèmes de traitement dépendra de la configuration de l’atrium, des paramètres de conception, des objectifs de conforts, du bilan thermique été/hiver. En tout état de cause, les systèmes « passifs » seront à privilégier afin de limiter la dépense énergétique. Ventilation naturelle Ouvrants motorisés en partie haute (évacuation d’air chaud) et basse (entrée d’air) : grilles, ouvrants du type châssis vitrés ou skydome en toiture (ouverture asservie à une consigne de température). En fonction de la nature et de la position de ces ouvrants, une attention particulière devra être portée aux conditions orageuses ou de forts vents : nécessité de fermer tout ou partie des ouvrants en cas de vents ou pluie (asservissement à sonde d’hygrométrie et/ou sonde anémométrique). Privilégier les prises d’air sur les façades nord et est. Le dimensionnement de la ventilation naturelle (section d’ouvrants et position) n’est pas trivial et nécessite le recours à des outils de modélisation permettant, à partir d’une étude de sensibilité, de définir l’optimum économique, technique et architectural. Rafraîchissement gratuit (air ou système alimenté par eau de nappe ou cours d’eau) Recours à la ventilation naturelle en mi-saison (température extérieure inférieure à la température de « consigne »). Ventilation nocturne, avec une limitation du fait de la faible inertie de l’atrium (essentiellement vitré). e-Cahiers du CSTB Emploi de puits « canadien » : conduit enterré permettant un abaissement de quelques degrés de l’air extérieur. Systèmes « actifs » Privilégier les transferts d’énergie entre les zones en demande de froid et celles en demande de chaud. Tenir compte des cas particuliers de zones d’occupation, par exemple, banque d’accueil dans un hall) et privilégier un traitement localisé (n’intéressant pas la totalité du volume) afin de limiter les débits et/ou puissances mis en jeu. Façade irriguée L’atrium est constitué pour une grande partie par une façade vitrée. La mise en œuvre d’un vitrage performant permet de limiter les déperditions vers l’extérieur en hiver et de limiter les apports solaires en été. La mise en place de cet ensemble verrier implique la réalisation d’une structure métallique destinée à recevoir les différents éléments vitrés dont la taille est limitée notamment en raison de son poids. Outre sa fonction porteuse, cette structure métallique peut être conçue de telle façon à y faire passer de l’eau chaude ou froide selon les besoins. Il est alors nécessaire : – d’isoler la partie extérieure de la structure afin d’éviter des déperditions trop importantes vers l’extérieur ; – de limiter la température de l’eau froide afin d’éviter tout risque de condensation sur la structure. Cette solution a l’avantage, en hiver, de traiter directement les déperditions et ainsi de limiter le phénomène de paroi froide. En été, cela permet de limiter les apports solaires (partie du flux absorbé par le vitrage) en été. Température d’eau : Hiver T = 40 °C ; Eté T = 17 °C Ce système peut combattre 25 à 30 % des charges thermiques et nécessite donc (suivant les objectifs de température à atteindre) la mise en œuvre de systèmes de traitement complémentaires. Peu d’installations existent en France, citons l’immeuble de bureaux Delta à Boulognesur-Seine (92) pour lequel le CSTB a établi un Avis Technique. « Neutralisation des verrières Soufflage direct sur la façade vitrée Dans le cas de la mise en œuvre d’un système de traitement d’air, la diffusion sur les parois permet de limiter les phénomènes de « parois froides ». Eléments chauffants à eau chaude : Tubes à ailettes ou panneaux rayonnants le long des façades pour éviter le phénomène de « coulis d’air froid ». Techniques rayonnantes Plancher chauffant / rafraîchissant La mise en place d’un plancher mixte permet d’assurer un traitement d’ambiance local. De plus, ces systèmes reposent sur le principe du rayonnement ce qui permet de combattre les phénomènes de paroi froide ou chaude induits par la façade vitrée. La couverture du sol par des éléments décoratifs (bassins, végétations) ou des équipements techniques (ascenseurs, escaliers, points d’encrage). Cassettes rayonnantes Ces cassettes installées à au moins 3 mètres du sol permettent de créer dans un grand volume une zone de confort local en hiver. Cette solution apparaît adaptée aux traitements des zones d’accueil. - 55 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Traitement d’air Solution traditionnelle par soufflage et reprise muraux ou plafonniers avec réglage de la diffusion pour « intéresser » de manière privilégiée les zones d’occupation. Pour les locaux de grande hauteur, la diffusion par système à déplacement d’air constitue la solution de prédilection notamment en association au plancher chauffant réversible (plancher « mixte »). Recours aux outils de modélisation / simulation La spécificité des atriums (grand volume, parois vitrées (donc phénomène de rayonnement prépondérant notamment en été)) et de certaines des solutions de traitement (double peau, ventilation naturelle) nécessite le recours à des outils de simulations informatiques permettant d’appréhender de manière prédictive les phénomènes physiques et les conditions thermiques, aéraulique et le confort résultants. Un traitement global du volume se traduit par des consommations importantes qui ne sont pas nécessaires. L’utilisation des systèmes passifs permet d’obtenir un niveau de confort acceptable mais cela implique l’utilisation d’outils de modélisation. Suivant les objectifs, les systèmes mis en œuvre et la phase du projet en cours le ou les outil(s) utilisables différèrent. L’utilisation de la ventilation naturelle pour rafraîchir le volume nécessite de déterminer la taille des ouvrants mis en œuvre, d’estimer les champs de température, de vitesse et d’humidité afin de déterminer le niveau de confort obtenu en différents points de l’atrium Le recours à des outils de CFD (Computational fluid dynamics) peut permettre de répondre à ces différentes questions. Référence La façade double-peau, Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, Institut technique du bâtiment, Département Architecture 1998. e-Cahiers du CSTB - 56 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Annexe 7 Caractéristiques géométriques des bâtiments types Le bâtiment de type 1a - Grande surface avec les bureaux paysagés - Caractéristiques géométriques P P P P %XUHDX[87+ P :& &LUFXODWLRQV 87+ 87+ 6DOOHVGHUpXQLRQ 87+ P P %XUHDX[87+ P Figure 1 - Plan et découpage du bâtiment 1a Le bâtiment de type 1b - Grande surface bureaux cloisonnés - Caractéristiques géométriques P P P %XUHDX[87+ P :& &LUFXODWLRQV 87+ 87+ 6DOOHVGHUpXQLRQ 87+ %XUHDX[87+ P P P P Figure 2 - Plan et découpage du bâtiment 1b e-Cahiers du CSTB - 57 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Le bâtiment de type 1c - Grande surface, plateau mince, salle de réunion sur extérieur et bureaux cloisonnés - Caractéristiques géométriques P :& 87+ %XUHDX[87+ P P &LUFXODWLRQV87+ %XUHDX[87+ 6DOOHVGHUpXQLRQ87+ P P P P P P Figure 3 - Plan et découpage du bâtiment 1c Le bâtiment de type 2 - Taille moyenne en « maçonnerie traditionnelle » - Caractéristiques géométriques P P P %XUHDX[87+ P :& &LUFXODWLRQV 87+ 87+ 6DOOHVGHUpXQLRQ 87+ %XUHDX[87+ P P P P Figure 4 - Plan et découpage du bâtiment 2 e-Cahiers du CSTB - 58 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 Le bâtiment de type 3 - Taille modeste que l’on rencontre en zone péri urbaine - Caractéristiques géométriques P P :& 87+ %XUHDX[87+ P P &LUFXODWLRQV87+ 6DOOHVGHUpXQLRQ 87+ %XUHDX[87+ P P P P P Figure 5 - Plan et découpage du bâtiment 3 Récapitulatif des caractéristiques géométriques des bâtiments types – Bureaux 1a Type de bâtiment Surface totale utile 1b 1c 15000 m² Hauteur sous plafond 3m Orientation Nord/Sud ou Est/Ouest 2 3 5000 m² 1000 m² 2,7m Ratio de surface par usage (par rapport à la surface totale utile) Bureaux 0,78 0,55 0,6 0,55 0,54 Salle de réunion 0,16 0,22 0,21 0,22 0,18 Sanitaires, locaux techniques 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 Circulations 0,03 0,2 0,16 0,20 0,25 Ratio de surface de parois déperditives (par rapport à la surface totale utile) Totale 0,34 0,42 0,53 0,58 1,02 Parois verticales (opaques et vitrées) 0,26 0,34 0,44 0,33 0,52 Toiture 0,08 0,08 0,08 0,25 0,5 0,13 (50% de la surface verticale) 0,17 (50% de la surface verticale) 0,22 (50% de la surface verticale) 0,09 (27,5% de la surface verticale) 0,2 (40% de la surface verticale) Baies vitrées (verticales) Tableau 1 - Caractéristiques générales des bâtiments de bureaux e-Cahiers du CSTB - 59 - Cahier 3588_V2 - Mars 2008 ">
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Caractéristiques clés
- Optimisation de l'isolation des parois opaques
- Amélioration des caractéristiques des surfaces vitrées
- Orientation du bâti pour un meilleur ensoleillement et gestion du vent
- Mise en place de protections solaires efficaces
- Renouvellement d'air neuf et équipement de ventilation performant
- Utilisation d'équipements de bureautique à faible consommation
- Conception d'un éclairage optimisé
- Optimisation du réseau de distribution
- Production thermofrigorifique performante
- Auxiliaires à faible consommation
Questions fréquemment posées
Le but de ce guide est de préciser les solutions techniques disponibles permettant d’atteindre un objectif de consommation annuelle inférieure à 100 kWh/m2.
La consommation énergétique se rapporte à l’ensemble des usages énergétiques du bâtiment : chauffage, climatisation, ventilation, éclairage, bureautique.
Trois niveaux de performance sont proposés : Objectif 90-100, Objectif 80-90, Objectif < 80.
