Limiter les pertes de chaleur

Les conséquences de l’isolation des parois extérieures

Hier et aujourd’hui
(couleur beige = isolant).

Le fonctionnement thermique des bâtiments tertiaires subit une révolution depuis 20 ans suite à la conjugaison de 3 facteurs :

1. Un renforcement de l’isolation et surtout l’arrivée de vitrages très performants.
2. Une explosion des apports internes électriques.
3. Une tendance à augmenter les surfaces vitrées en façade.

L’isolation diminue la demande de chauffage (hiver) et augmente la demande de refroidissement (été). Mais le bilan global des consommations annuelles est toujours positif en faveur de l’isolation.

Par rapport à un bâtiment mal isolé, la consommation de chauffage tombe au tiers de sa valeur. Et parmi ce tiers restant, le chauffage de l’air neuf hygiénique représente la moitié des besoins.

Si autrefois il y avait 8 mois d’hiver et 4 mois d’été, aujourd’hui la période de chauffe est limitée à 6 mois (15 octobre – 15 avril).

Mais le besoin de rafraîchissement est accru, en été et en mi-saison.

La diminution de l’inertie et l’augmentation des gains internes

Autrefois, le bâtiment disposait d’une bonne inertie thermique qui lissait les pointes d’apports solaires en journée (les bâtiments ne se comportaient pas comme une voiture laissée en plein soleil …) grâce à l’immense réservoir que constituait la masse des parois.

Suite à sa faible isolation, le bâtiment se “déchargeait” la nuit de la chaleur accumulée en journée.

Aujourd’hui, la tendance va vers :

• La diminution de l’inertie pour des raisons fonctionnelles (tapis, faux plafond, cloisons mobiles, …).
• L’augmentation des équipements de bureautique (doublement des consommations électriques du secteur tertiaire durant ces 15 dernières années !).
• L’amplification des apports solaires suite au souhait du Maître d’Ouvrage de larges baies vitrées.
• La chaleur interne se retrouve “piégée” dans le bâtiment suite à l’isolation des parois.

Faut-il une forte isolation ? Ne perd-on pas en climatisation ce que l’on gagne en chauffage ?

Non, toutes les simulations informatiques montrent que le bilan reste bénéficiaire en faveur de l’isolation, notamment parce que la saison de chauffe est plus longue que l’été.

Voyons les choses positivement : autrefois, on n’avait pas conscience de l’existence d’une “chaleur interne” parce que celle-ci était négligeable face aux déperditions des parois. A présent, les fuites de chaleur étant maîtrisées et les apports internes amplifiés par l’évolution technologique, ces apports viennent à satisfaire en bonne partie nos besoins hivernaux. Nous arrivons à chauffer nos bureaux avec 7 litres de fuel au m², contre 20 à 25 dans les années 50. Et c’est tant mieux.

Puisqu’une consommation électrique minimale est nécessaire (bureautique, éclairage, …), tant mieux si nous pouvons “utiliser une deuxième fois” cette énergie pour nous chauffer.

Quant aux besoins de rafraîchissement, la courbe bleue du diagramme ci-dessus montre qu’ils apparaissent majoritairement lorsque la température extérieure est entre 14 et 22°C, c.-à-d. plus froide que l’ambiance intérieure. À ce moment, il devrait être possible “d’ouvrir le bâtiment” pour valoriser l’air frais et décharger le bâtiment,… mais le bruit, la pollution de l’air ou le risque d’intrusion rendent cette ouverture parfois complexe.

Ceci renforce l’importance d’une conception initiale du bâtiment adaptée à ce nouveau profil de consommation et la mise en place d’un système de refroidissement qui valorise l’air frais extérieur.

Et ceci ne nous épargne pas la nécessité de trouver une solution pour gérer la période de canicule !

En réalité la chose n’est pas simple : il s’agit de trouver, selon la programmation du bâtiment et le contexte d’implantation (forme et taille du terrain, environnement bâti ou paysager, …) le compromis optimal entre :

• une grande compacité pour limiter les pertes de chaleur,
• et une faible compacité pour profiter d’éclairage naturel et faciliter le rafraîchissement par ventilation naturelle.

L’intérêt de la forte compacité

Un bâtiment compact, s’approchant du cube, a peu de pertes de chaleur. La surface de déperdition de l’ensemble de ses façades est limitée par rapport au volume des locaux. Les zones centrales, en contact avec d’autres locaux à la même température, ont beaucoup moins de pertes de chaleur que les locaux périphériques.

Par contre, ces zones sont difficilement éclairées et ventilées naturellement.

L’intérêt de la faible compacité

Un bâtiment peu compact (barre, en “peigne”, carré avec cour intérieure, présentant de nombreux décrochements, …) a une surface de façade plus importante par rapport au volume des locaux et aura donc plus de déperditions, et une demande de chauffage accrue.

Par contre, le fait d’avoir plus de locaux en façade permet de les éclairer naturellement, et d’organiser relativement facilement une ventilation naturelle.

Exemple : Queen’s Building de l’Université de Montfort, en Angleterre. Les locaux, ventilés naturellement, sont agencés par rapport à leur fonction et la développée de l’enveloppe est importante.

Plan du premier niveau :

1. ateliers d’électricité
2. salles de cours
3. atrium
4. auditoires
5. laboratoire de mécanique

Concrètement

Selon les cas, le juste compromis sera en faveur de l’une ou de l’autre solution.

Dans les bâtiments récents, bien isolés, le problème de la surchauffe et de la consommation de froid prend de plus en plus d’importance par rapport à celui de la consommation de chauffage.

Il convient donc, a priori, de favoriser autant que possible l’éclairage naturel et les possibilités de refroidir naturellement le bâtiment par ventilation naturelle intensive en :

• Limitant la profondeur des locaux. On recommande de limiter la profondeur des bureaux au double de la hauteur du local, soit à environ 6 m. Ainsi, si deux rangées de bureaux sont séparées par un couloir central, cela donne une profondeur de bâtiment d’environ 15 m.
• Limitant le nombre d’étages à 2 ou 3 idéalement. Les contraintes techniques pour organiser une ventilation naturelle intensive dans des bâtiments plus hauts deviennent très lourdes (exemple : cheminées hautes).

Opter pour un bâtiment bien isolé

L’isolation de l’enveloppe est, et de loin, le moyen le plus efficace pour réduire la consommation d’un bâtiment. Et les vitrages très performants permettent aujourd’hui de diminuer drastiquement les consommations d’hiver.

Non, on n’isole JAMAIS trop. L’isolation diminue la demande de chauffage en hiver et augmente celle de refroidissement en été, mais le bilan global des consommations annuelles est toujours en sa faveur.

Il est toujours utile d’isoler, même si cela entraîne la nécessité de climatiser. Bien entendu, l’idéal est de trouver des solutions naturelles pour rafraîchir le bâtiment et éviter ainsi le refroidissement mécanique.

Dans les propos ci-dessous, on supposera toujours que le bâtiment est bien isolé.

On donnera également aux concepteurs le temps et les moyens nécessaires pour étudier les détails de construction à prévoir pour éviter les ponts thermiques (principe de continuité de l’isolation).

Favoriser l’étanchéité de l’enveloppe

Le problème est qu’il est impossible d’arrêter ce type de ventilation lorsqu’elle n’est pas nécessaire, en dehors des temps d’occupation notamment. Or elle est fortement consommatrice d’énergie.

Aujourd’hui, il convient de réaliser une enveloppe très étanche à l’air (parois, joints, portes, etc.) et d’organiser une ventilation hygiénique contrôlée (naturelle ou mécanique).

• Lors de la construction, on sera très attentif à l’étanchéité à l’air des parois. Le bâtiment ne doit pas se “décharger” de sa chaleur en hiver par des fuites multiples de son enveloppe. La norme européenne EN 13779 recommande un taux de renouvellement d’air maximum sous la pression d’essai de 50 Pa (n50) de 1/h, ce qui génère en moyenne un taux de renouvellement d’air par infiltration de 4 % (0,04/h).

• Il sera très utile de prévoir un sas à l’entrée du bâtiment, particulièrement en cas de climatisation de celui-ci.
• On sera très attentif également à la fermeture des grilles de châssis (ventilation hygiénique) pendant la nuit et le week-end, quitte à installer des grilles motorisées si la motivation future de l’occupant paraît faible…

Limiter les besoins de chauffage de l’air neuf hygiénique

Dans un immeuble bien isolé d’aujourd’hui, le chauffage de l’air neuf hygiénique génère plus de la moitié des consommations de chauffage. On veillera dès lors à :

• Limiter le débit d’air neuf à 30 m³/heure/personne en période de chauffe. Ce débit peut bien sûr être augmenté en mi-saison et/ou en été.
• Favoriser les installations de ventilation “double flux” : une école est occupée 25% du temps, un bureau 30% du temps ! Il est donc fondamental de pouvoir stopper le débit d’air en période d’inoccupation.
• Gérer ce débit en fonction de la présence effective des occupants : un capteur (détecteur de présence, sonde CO₂, …) peut permettre de moduler le débit, par palier (ventilateur à plusieurs vitesses) ou en continu (ventilateur à vitesse variable). Tout particulièrement, le débit d’air neuf sera stoppé lors de la relance du bâtiment (le lundi matin, par exemple), avant l’arrivée des occupants.
• Préchauffer l’air neuf hygiénique par récupération de chaleur

• • Sur l’air extrait (échangeur à plaques, par exemple). Idéalement, il faudra prévoir alors que les conduites d’extraction soient proches des conduites de pulsion d’air.
  • Sur une zone tampon du bâtiment. Par exemple, une prise d’air placée dans un atrium captera de l’air déjà préchauffé par le bâtiment et/ou le soleil.
  • Sur un puits canadien dans le sol pour capter l’énergie géothermique.
  • Sur un condenseur de machine frigorifique, si celui-ci présente un fonctionnement annuel. On imagine par exemple qu’un rideau d’air chaud à l’entrée du bâtiment puisse être alimenté par le refroidissement de la salle informatique ou de la chambre froide de la cuisine.

Si ces idées sont retenues dès le début du projet, elles entraînent peu de surcoûts.