Bien être et énergie by AuS Catalunya

Bien être et énergie dans le bâtiment: Une question d’architecture! Claude-Alain Roulet Prof. Hon. EPFL

Introduction

Contenu

Rôles du bâtiment Energie et bien être

Confort thermique Stratégies passives Conclusions

Un bâtiment sain • ne doit ni causer ou aggraver des maladies, ni créer des risques d'accidents ou causer la mort, • doit assurer le confort. Ces critères de santé doivent être pris en compte avec les critères de développement durable. Conférence EPIC 02, Lyon © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

La santé selon l'OMS est: Un état de bien être physique, mental et social complet et non simplement l'absence de maladie ou d'infirmité.

Energie et bien être Moins d'énergie = moins de confort?

Moins d'énergie avec PLUS de BIEN ETRE ……si on travaille bien!!

Enjeux L’acteur et son besoin  Le promoteur rentabilité  La compagnie propriétaire prestige  Le locataire performance/prix  L’occupant confort, bien être  La société développement durable Tous ces enjeux doivent être pris en compte Ils ne sont pas contradictoires

Développement durable

té

on om i

Equitable

Durable

Éc

Viv ab

ci é So © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

bl e Via

Environnement

Bâtiment durable • • • • •

Bâtiment qui pourra servir longtemps Bon environnement intérieur Economiquement rentable Agréable pour ses occupants Faible impact sur l’environnement

Construire pour l’avenir Un bâtiment dure plusieurs dizaines, voire centaines d’années  Le bâtiment construit ou rénové aujourd’hui doit rester confortable malgré une très probable réduction des ressources énergétiques fossiles et une augmentation de la température 

Vie du bâtiment 100 90 80 70 60 50 40

Valeur

30 20

Choix

10 0 0

Construction © Claude-A. Roulet, Apples, 2017

100

Rénovation 10

(

NZEB i BEPos

Production

BEPOS

Consommation 12

Contradictions On ne peut rien faire, même pas vivre, sans énergie, donc:

Le bâtiment « zéro énergie » n’existe pas L’énergie se transforme, mais ne se perd ni se gagne, donc

Tous les bâtiments sont à zéro énergie La définition du BEPos est donc

conventionnelle et politique. 13

Production et consommation Définitions conventionnelles Consommation d'énergie: quantités d'électricité et d'énergie provenant de combustibles entrant dans le périmètre de bilan et transformés en une autre forme. La consommation d'énergie provenant de sources renouvelables situées dans le périmètre du bilan et de chaleur provenant de l'environnement direct n'est pas comptée dans le bilan. Production d'énergie: quantité d'énergie qui ressort du périmètre et qui est utilisée en dehors du périmètre du bilan. Par exemple, la chaleur produite n'est comptée que si elle est livrée à - et utilisée par - un tiers. 14

BEPOS: Périmètre de bilan

Tenerdis

Quel niveau ĂŠnergĂŠtique? Utilisation

Utile

Pertes

Transport

Transformation

Secondaire

Finale

Pertes

Sources

Primaire

Pertes

16 16

Bâtiment à énergie résiduelle positive Bâtiment satisfaisant les critères suivants:  Bilan annuel positif (énergie primaire).  Besoins annuels de chauffage limités.  Besoins annuels totaux d’énergie primaire limités pour  chauffage et refroidissement,  ventilation,  eau chaude sanitaire et  éclairage installé. 17

Situation en Suisse La loi ne limite que les besoins en chauffage  Le refroidissement n’est pas nécessaire  Tous les bâtiments neufs ou rénovés ont besoin de 3 fois moins d’énergie de chauffage que les bâtiments du siècle passé  43’812 bâtiments 

Petit historique             

Avant le XIème siècle: Exclusivement «renouvelable» 1876: loi sur les forêts 1940: « la femme suisse cuit à l’électricité » 1950 -1970: passage du charbon au mazout pour le chauffage 1972: premier choc pétrolier 1973: fondation de la SSES, Société Suisse pour l’Energie Solaire 1975: création du GRES-EPFL, qui devient LESO en 1982 1978: 2ème choc pétrolier 1978-1990: Impulsprogram 1980: SIA 180/1 et 180/3 1988: SIA 380/1, révisées en 2001, 2009 et 2014 1998: fondation de Minergie® 2009: Certificat énergétique des bâtiments (SIA 2031 et CECB)

IDE Suisse - Chauffage 240

120%

220 100%

IDE fnale [kWh/m²]

180 160

80%

140 120

60%

100 80

40%

60 40

20%

Surface de plancher [Mm²]

200

2010

2000

1990

1980

1970

1960

1950

1940

1930

1920

1900

1910

20 0%

Consommation d’énergie fnale en Suisse 1,000,000 Consommation annuelle d'énergie finale [PJ] . 900,000

Carburants

700,000

Gaz

600,000

Comb. pétroliers

500,000

Chaleur à distance

200,000 100,000 0 © Claude-A. Roulet, Apples, 2017

Chauffage

400,000 300,000

) Electricité

800,000

Déchets

Charbon Bois

Autres renouv.

Page 5

Le critère de confort Le bien-être

La satisfaction

Conforts Qualité d’air Santé

Visuel

Acoustique

Thermique …et autres…

Le confort thermique

ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Le confort thermique D’après la norme EN ISO 7730, il y a situation de confort si deux conditions sont satisfaites : 1 2

Le bilan thermique de l’individu est équilibré sans que ne soit trop sollicités ses mécanismes autorégulateurs Il n’existe pas d’inconforts locaux dus : - à la sensation de courant d’air - à l’asymétrie du rayonnement - au gradient vertical de température - à la température du sol

n o i n t o a r a ti o p ns a Ev nde o C

Rayonnement

Â© Claude-A. Roulet, Apples, 2017

Air

Co co nve nd cti uc on tio n 26

Les échanges du corps humain 180 160 140 Flux de chaleur [W ] . Évaporati 120 on Conductio 100 n Rayonnem 80 Convection ent 60 40 20 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Température ambiante [°C]

Température opérative

ou température ressentie

3.2 160 3.0 Marche 2.8 10°C ±5°C 2.6 135 10°C 2.4 Ménagère 12°C 2.2 16°C °C 16°C 14 110 2.0 18°C 1.8 20 °C Bureau été 22°C 1.6 85 Bureau hiver 25°C ±4°C 24°C 1.4 21°C 26°C 1.2 ±3°C 60 28°C 1.0 0.8 ±2,5°C ±1°C ±1,5°C ±2°C 0.6 35 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Clo

Activité [W/m²] .

Activité [Met] .

Température opérative optimale

Domaine de validité du modèle de Fanger

Basé sur des expériences en chambre climatique  Donc valable en environnement conditionné (chauffé ou refroidi, ventilation mécanique) 

Acclimatation en absence de conditionnement

Air conditionné Observé[°C] . Température intérieure Ajusté Prédit

Température extérieure [°C]

Ventilation naturelle Observé Température intérieure [°C] . Ajusté Prédit

Température extérieure [°C]

Analyse de 160 bâtiments dans le monde entier. © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Modèles de confort thermique 30 29 Température intérieure ressentie idéale 28 27 26 25 24

nés n o iti d n o c s e c a p s EN-ISO 7730, e

22 21 20

, 5 1 152

n o ti la ti n ve

lle e r u t a n

Température extérieure moyenne © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Confort thermique acceptable

en locaux non conditionnés à ventilation naturelle EN 15251 33 32 Température opérative intérieure [°C] . 31 30 29 28 27 26 Bon, 90% satisfaits Excellent, 94 % satisfaits Acceptable, 85% satisfaits 25 24 23 22 21 20 19 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Température extérieure moyenne sur une semaine [°C]

Limites du confort acceptable activité sédentaire 30

Habillement adapté

29 Température opérative intérieure 28 27 26

o n x

o c n

o i t i nd

s é nn

u a c s é Lo n n o i t i d n o c Locaux

24 23 22 21 20

Température extérieure en moyenne courante © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Confort et Architecture Le confort d'un bâtiment est un des aspects de son architecture. L'architecte doit en garder la maîtrise  Une sculpture peut être inconfortable, pas un bâtiment. 

 Le

confort naturel du bâtiment est défini dès l’avant projet

Contrôle de l'environnement intérieur Mesures passives

Mesures actives

Mesures architecturales et constructives permettant d'atteindre naturellement le but poursuivi

Mesures technologiques permettant d'atteindre le but poursuivi par des actions mécaniques

Architecte

Ingénieur

Mesures passives          

Distribution des volumes Emplacement des ouvertures Inertie thermique Isolation thermique Ventilation naturelle Refroidissement passif Chauffage solaire passif Isolation et absorption acoustiques Eclairage naturel Etc.

Mesures actives Chauffage local ou central  Ventilation mécanique  Conditionnement d'air  Musique d’ambiance  Eclairage artificiel  Images sur écrans  Etc. 

Complément aux mesures passives. Ne doivent pas corriger des erreurs de conception © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Avantages et inconvénients Mesures passives Bon

marché “Pas d’énergie” Pas de panne Disponibilité Contrôle Architecte © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Mesures actives Cher  Energivore  Tombe en panne  Disponibilité  Contrôle Ingénieur 

Stratégie Pousser les mesures passives aussi loin que raisonnablement possible Pallier les insuffisances avec les mesures actives Réduit la dimension et le coût des mesures actives Donne souvent plus de liberté dans la conception © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Tenir compte de l’usager Donner les moyens de contrôle 5 Temperature in winter: incomfortable 4 3 2 1

Fair

Poor

Control on temperature

Adaptation du bâtiment au climat Orientation par rapport au soleil  Orientation par rapport aux vents  Enveloppe adaptée au climat  Masse thermique 

Le bâtiment

devrait être

Le bâtiment devrait être

Wikimedia Commons ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Pour améliorer le confort thermique En saison froide: • Isolation thermique • Inertie thermique • Protections solaires • Ventilation contrôlée • Chauffage solaire passif • Chauffage actif © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

En saison chaude: • Isolation thermique • Inertie thermique • Protections solaires • Ventilation contrôlée • Refroidissement passif • Refroidissement actif

Optimisation des gains solaires

Excellente isolation thermique Grandes surfaces de captage Protections solaires efficaces, extérieures (et intérieures) Bon contrôle du chauffage Inertie thermique suffisante

Refroidissement passif

Tem p eratu re Â°C

Refroidissement passif 35

TG 04

25 TG 03 20

15 2.08

Ext. Temp. 3.08

4.08

5.08

6.08

7.08

Date j.mm ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Refroidissement passif Climat adéquat Grandes ouvertures, une en haut Excellente isolation thermique Réduire les sources de chaleur Protections solaires efficaces Inertie thermique Stratégie de ventilation

Simulations de démonstration • • • •

Un bureau 5m de large, 4 m de profond, 3 m dehauteur Façade Sud Forte inertie: dalles de béton, murs de maçonnerie • Occupation standard

Cas simulés Aucune isolation thermique, simple vitrage. Isolation extérieure 5 cm, double vitrage (U = 3 W/m²K) Isolation extérieure 10 cm, vitrage moderne (U = 1.1 W/m²K) Store à lamelles si nécessaire Avec et sans refroidissement passif © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017 52

Air extérieur à Barcelone

Non conditionnĂŠ Sans isolation

ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Non conditionnĂŠ Isolation simple

ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Non conditionné Isolation renforcée

Non conditionnĂŠ Isolation simple, sans protection

ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Non conditionnĂŠ Sans refroidissement nocturne

ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Heures trop chaudes ou trop froides Heures trop froides -8000 -6000 -4000 -2000

Heures chaudes 2000

Air extérieur Sans isolation Isolation simple Isolation renforcée

Avec protections solaires et refroidissement nocturne

Sans protection solaire Isolation simple

Consommation d’énergie (avec protections solaires)

Refroidissement kWh/m²

-10 0

Chauffage 10 20 30 40 50 60 70

Sans isolation Isolation simple Isolation renforcée

Propositions

Conclusions

• Adapter les règles de confort – ISO 7730 pour locaux conditionnés seulement – EN 15251 annex A pour locaux à ventilation naturelle, ni chauffés ni refroidis

Propositions

Conclusions

• Conception architecturale: – Espaces de vie du côté “soleil” – Isolation thermique extérieure – Grandes fenêtres avec protections solaires – Masse thermique en contact avec l’air intérieur et isolée de l’extérieur. – Ouvertures pour le refroidissement passif • Protégées des effractions, intempéries et insectes • > 5 % de la surface de plancher • Une ouverture haute

Propositions • Livre de maison:

Conclusions

– Adapter l’habillement à la saison – Utilisation des protections solaires • En saison froide, laisser entrer le soleil • En saison chaude, protection extérieure

– Refroidissement passif: • ouvrir la nuit, fermer le jour!

Dâ&#x20AC;&#x2122;abord une protection

Ensuite une expression ! ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

Dâ&#x20AC;&#x2122;abord une protection

Ensuite une expression ! ÂŠ Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

DE ARCHITECTURA (VITRUVE)

« Haec avtem ita fieri debent, vt habeatvr ratio firmitatis, vtilitatis, venustatis.» Dans tous ces différents travaux, on doit avoir égard à la solidité, à l'utilité, à l'agrément. de Architectura, Liber I, caput 3. © Claude-A. Roulet, Barcelone, 2017

s e i c à r G

l r e p

s a

t a a v e

ó i c n e