Nicolas Morel (NM) Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment (LESO-PB), ENAC nicolas.morel@epfl.ch Edgard Gnansounou (EG) Laboratoire des systèmes énergétiques (LASEN), ENAC edgard.gnansounou@epfl.ch Calculer le bilan thermique d'un bâtiment, déterminer ses faiblesses Proposer des améliorations énergétiques Dimensionner les installations techniques

1. EPFL, LESO-PB
1
Energétique du Bâtiment
Nicolas Morel (NM)
Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment
(LESO-PB), ENAC
nicolas.morel@epfl.ch
Edgard Gnansounou (EG)
Laboratoire des systèmes énergétiques (LASEN), ENAC
edgard.gnansounou@epfl.ch

2. EPFL, LESO-PB
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Contenu du cours
1 Introduction (NM)
• A quoi sert l'énergétique du bâtiment ?
• Rappels de physique du bâtiment
2 Les besoins de l'occupant, confort (NM)
3 Bilan thermique d'éléments du bâtiment (NM)
4 Bilan thermique du bâtiment (NM)
• Déperditions par transmission et ventilation
• Gains internes et solaires
• Bilan
• Calcul dynamique
5 Installations techniques
• Installations et conversion énergétiques (EG)
• Systèmes de réglage automatique (NM)
6 Optimisation économique (EG)
7 Diagnostic (NM)
8 Synthèse, interactions

3. EPFL, LESO-PB
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Objectifs du cours
 Calculer le bilan thermique d'un bâtiment,
déterminer ses faiblesses
 Proposer des améliorations énergétiques
 Dimensionner les installations techniques
Vous pourrez:
Pour garantir le confort et le bien être des
occupants, tout en assurant une consommation
énergétique la plus faible possible

4. EPFL, LESO-PB
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Energie dans le bâtiment
 Chauffage
 Refroidissement
 Aération, ventilation
 Eau chaude (et froide)
 Transports (escalators, ascenseurs)
 Eclairage
 Communications
 Production de biens
 Autres appareils

5. EPFL, LESO-PB
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Applications de l'énergétique du bâtiment
• Assurer le confort, la qualité de
l'environnement intérieur
• Choisir les mesures constructives appropriées
• Prédire les puissances nécessaires,
dimensionner les installations
• Prédire les consommations

6. EPFL, LESO-PB
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Température
Été Hiver
Hiver Printemps Automne
Bon
bâtiment
Bâtiment
mal adapté
Température extérieure
e
Bâtiment adapté au climat

7. EPFL, LESO-PB
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Le bâtiment devrait être
au moins
aussi confortable
que l'extérieur

8. EPFL, LESO-PB
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Indice de Dépense d'Énergie
 
MJ/m²
chauffé
plancher
de
brute
Surface
énergie
d'
annuelle
on
Consommati

IDE
Norme SIA 180/4

9. EPFL, LESO-PB
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Le potentiel d'économies
0 500 1000 1500 2000
Solaire passifs, Minergie
Selon normes actuelles
Selon anciennes normes
Hors norme
Indice de dépense d'énergie [MJ/m²]
0 5 10 15 20 25 30
IDE [litres/m²]

10. EPFL, LESO-PB
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IDE en Suisse
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
IDE
Immeubles CH
Villas CH
Ecoles CH
HopitauxCH

11. EPFL, LESO-PB
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IDE en France
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
IDE
Villas F elec.
Villas F gaz
Villas F fioul
Villas CH

12. EPFL, LESO-PB
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Evolution de l'IDE en Suisse

13. EPFL, LESO-PB
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Isolation thermique
 Isolation continue, pas de ponts thermiques
Dérogations possibles si confort et salubrité assurés.
2
m
0,2 - 0,4 W/(m²K)
0,3 - 0,4 W/(m²K) 0,3 - 0,6 W/(m²K)
1,5 - 2,4 W/(m²K)

14. EPFL, LESO-PB
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Le beurre et l’argent du beurre!
Confort Énergie
Forte isolation thermique  
Aération adéquate  
Solaire passif  
Installations CVSE bien conçues  
Refroidissement passif  
Éclairage naturel  

15. EPFL, LESO-PB
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Budget énergétique global
 De l'énergie a été consommée pour construire
chaque composant et pour assembler ces
composants en un bâtiment:
 sous forme directe
 sous forme indirecte

16. EPFL, LESO-PB
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Calcul de l'énergie grise
 Méthode statistique: contenu énergétique
proportionnel au coût
 Méthode input-output:
 Méthode du processus
j
i
ij
i p
M
E 


17. EPFL, LESO-PB
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Méthode statistique
Consommation proportionnelle au coût
CH : 6,2 MJ/Fr. ou 1,7 kWh/Fr.
1 m³ de laine de verre à 200.- contiendrait
340 kWh
Pèse 20 kg, donc 17 kWh/kg

18. EPFL, LESO-PB
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Méthode input-output
Besoins en services, énergie, matériaux
A B C D E F G H I
A 4 26 32
B 23 32 44 50
C 1 10 5
D 99 2 24
E 45 33
Produit
j
i
ij
i p
M
E 


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Méthode du processus
On suit la chaîne de production
Exemple: laine de verre: 5 kWh/kg, comprenant
Extraction et transport des matières premières
Fusion du verre
Fibrage et collage
Conditionnement

20. EPFL, LESO-PB
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Budget énergétique du bâtiment
 E= ED+EI = ED+Em + Ec + Er + Ed - Erec
 Em = S Vi ei contenu énergétique des divers
matériaux bruts utilisés dans le bâtiment.
 Er énergie de réparation.
 Ec énergie de construction.
 Ed énergie de destruction du bâtiment.
 Erec énergie récupérable après démolition.

21. EPFL, LESO-PB
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Conception globale
 Consommation globale minimale
 Dimensionnement correct
 Homogénéisation et cohérence des efforts

22. EPFL, LESO-PB
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Conception globale
Satisfaire les besoins nécessaires
Minimiser les frais d'entretien et
la consommation
Assurer la fourniture d'énergie,
donc utiliser les sources
renouvelables
Eviter la saturation des réseaux

23. EPFL, LESO-PB
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24. EPFL, LESO-PB
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Capacité thermique
 Chaleur
 énergie liée à l'agitation aléatoire des molécules
 agitation thermique se mesure par la température [K] ou [°C]
 chaleur se mesure par l'augmentation de température
 Capacité thermique
 pour chauffer une masse m [kg] d'un matériau de chaleur spécifique
c [J/kg K], de la différence de température Dq [K], il faut une
quantité de chaleur Q [J] donnée par l'expression:
Q = m · c · Dq
 le produit C = m · c est la capacité thermique du corps considéré
[J/K]

25. EPFL, LESO-PB
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Modes de transfert de chaleur
 Conduction: transfert de
l'agitation par chocs
intermoléculaires
 Convection: transport de matière
entre zones chaude et froide
 Rayonnement:émission-
absorption de rayonnement
électromagnétique
 Evapo-condensation: évaporation
et condensation

26. EPFL, LESO-PB
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Conductivité thermique
 Conductivité thermique l:
Quantité de chaleur passant en 1
seconde au travers de 1 m² d'une
couche de matériau homogène de 1
mètre d'épaisseur, soumis à une
différence de température de 1 degré
[W/m K]
 Autre définition de l:
q = -l · grad q
(q = densité de flux [W/m2])
 Conductance thermique
unidimensionnelle g:
g = A · l / x [W/K]
P = g · Dq [W] (puissance thermique)
1K
1 m

27. EPFL, LESO-PB
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Rayonnement solaire (spectre)
Spectre du
rayonnement
solaire

28. EPFL, LESO-PB
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Rayonnement solaire (intensité)
 Rayonnement solaire 
 composante directe (les rayons provenant directement du
soleil)
 composante diffuse (les rayons diffusés par l'atmosphère)
 Rayonnement global
 Eg = Edir + Ediff
 maximum environ 1000 W/m2 sur une surface perpendiculaire
au rayonnement solaire, par ciel clair (Ediff représente alors
environ un tiers ou un quart de Eg)
 Edir,h=Edir,perp · cos (z) z = angle zénital
 ciel couvert: uniquement du diffus, distribution isotrope si ciel
très couvert

29. EPFL, LESO-PB
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Angles solaires et temps solaire (1)

30. EPFL, LESO-PB
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Angles solaires et temps solaire (2)
 Déclinaison géocentrique:
d = 23.45° · sin((n-81) ·360/365)
 Temps solaire:
Hs[h] = Hv [h] + DH + Long/15 - F

31. EPFL, LESO-PB
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Angles solaires et temps solaire (3)
 Angle horaire:
w = 15° · (Hs - 12)
 Angle zénithal:
cos qz = sin d · sin f + cos d · sin f · cos w
(f = latitude)
 Angle d'incidence sur un plan quelconque:
cos q = sin d · sin f · cos b - sin d · cos f · sin b · cos g
+ cos d · cos f · cos b · cos w + cos d · sin f · sin b · cos g · cos w
- cos d · sin b · sin g · sin w
(g = orientation du plan, b = pente du plan)

32. EPFL, LESO-PB
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Angles solaires et temps solaire
Relation entre la déclinaison, la latitude et la hauteur du
soleil à midi solaire

33. EPFL, LESO-PB
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Exercice supplémentaire 1.1
 Quelle est la hauteur du soleil à Lausanne le 1er
février à 12 heures (heure légale) ? et à 12 heures
(temps solaire) ?
 Données:
 hauteur du soleil: h = 90° - qz avec qz = angle zénital
 Lausanne est située à une latitude de 46.5 °N et une
longitude de 6.6 °E
 fuseau horaire: +1 par rapport au méridien de Greenwich

34. EPFL, LESO-PB
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Exercice supplémentaire 1.2
 On remplit une boîte cubique de polystyrène expansé (λ = 0.04 W/m
K) de 30 cm d'arête (dimension intérieure) avec de l'eau à une
température de 20 °C. L'épaisseur des parois de la boîte est de 4 cm.
Combien de temps faut-il approximativement pour que l'eau
commence à geler lorsqu'on met la caisse dehors à –10 °C ? Après
combien de temps est-elle complètement sous forme de glace ?
 Hypothèses et données:
 Supposer que l'eau reste à température uniforme lorsqu'elle se refroidit, et que le
mélange eau-glace reste à la température de 0°C jusqu'à la solidification
complète.
 Négliger la couche limite extérieure d'air (la couche de polystyrène est la seule
isolation vers l'air extérieur), et supposer une conduction unidimensionnelle.
 Chaleur spécifique de l'eau 4180 J/kg K, chaleur latente eau-glace 330'000 J/kg
 Indications:
 Ecrire l'équation différentielle de conservation de l'énergie et la résoudre !
 Introduire la constante de temps.