e-cahier 3588_V2 mars 2008 - Centre hospitalier Esquirol

e-cahier 3588_V2 mars 2008 - Centre hospitalier Esquirol
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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 :
·™Ž›’’˜—œȱžŽœȱ¥ȱ•Šȱ›ž™ž›ŽȱŽȱ
•Ȃ’œ˜•Š’˜—ȱǻƽȱ™˜—ȱ‘Ž›–’šžŽǼ
¡Ž–™•Žȱ
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•Ȃ’—·›’Žž›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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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).
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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.
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Cahier 3588_V2 - Mars 2008
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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
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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.
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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
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Cahier 3588_V2 - Mars 2008
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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
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Cahier 3588_V2 - Mars 2008
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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.
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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.
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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
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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
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Cahier 3588_V2 - Mars 2008
e-Cahiers du CSTB
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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
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Cahier 3588_V2 - Mars 2008
e-Cahiers du CSTB
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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
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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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