Mesures d'efficacité énergétique - Résidentiel - Chauffage solaire passif / Allemagne
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes un architecte qui participe à un concours international visant la conception et la réalisation d'une maison à très faible consommation d'énergie. Afin d'atteindre les objectifs énergétiques de conception du projet, on vous demande de déterminer la viabilité financière de l'utilisation de fenêtres à haut rendement plutôt que les fenêtres habituellement utilisées dans les nouvelles constructions.
Données techniques
Le projet se trouve à Rottweil, à 80 km au sud-est de Stuttgart, Allemagne. Stuttgart est la station météorologique la plus proche. La maison à concevoir est une maison jumelée et seule la partie ouest du bâtiment sera conçue comme une unité à très faible consommation d'énergie.
La surface de plancher chauffé de la moitié ouest de la maison jumelée est de 224 m². La maison sera située dans une banlieue où l'on dispose d'un réseau de chauffage urbain alimenté par les rejets thermiques d'une centrale électrique. Ainsi, pour décrire le système CVAC de référence, il faudra utiliser « Autre » comme source d'énergie avec un rendement saisonnier de 100 %. La conception de cette maison repose sur de faibles masses thermiques et sur un haut niveau d'isolation thermique. Les gains internes sont prévus être deux fois plus faibles que dans une maison conventionnelle.
L'arrière du bâtiment sera pratiquement exposé au plein sud (10° à l'ouest du sud) et comprendra une « serre » non chauffée. Cette serre est considérée comme un solarium s'étirant sur les deux étages de la maison, du sol jusqu'à la toiture. Alors que certaines pièces auront des fenêtres qui donnent directement à l'extérieur, d'autres auront des fenêtres qui donnent à l'intérieur de la serre. Les façades sud et ouest de la maison possèderont des auvents qui fourniront un ombrage de 30 % l'été et de 15 % l'hiver.
En Allemagne, des fenêtres à double vitrage avec un cadre en PVC sont généralement utilisé dans les nouvelles constructions. Dans le cadre de cette maison à très faible consommation d'énergie, vous décidez d'adopter des fenêtres à triple vitrage, remplies au xénon, avec un cadre en bois et un revêtement à faible émissivité.
Un tableau suivant vous aidera dans cette évaluation. Il résume les orientations, les dimensions et les caractéristiques de performance des différentes fenêtres de la maison conventionnelle et de celle à très faible consommation d'énergie. Uniquement les fenêtres donnant à l'extérieur sont incluses (les fenêtres qui donnent à l'intérieur de la serre ne sont pas comprises).
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes un architecte qui participe à un concours international visant la conception et la réalisation d'une maison à très faible consommation d'énergie. Afin d'atteindre les objectifs énergétiques de conception du projet, on vous demande de déterminer la viabilité financière de l'utilisation de fenêtres à haut rendement plutôt que les fenêtres habituellement utilisées dans les nouvelles constructions.
Données techniques
Le projet se trouve à Rottweil, à 80 km au sud-est de Stuttgart, Allemagne. Stuttgart est la station météorologique la plus proche. La maison à concevoir est une maison jumelée et seule la partie ouest du bâtiment sera conçue comme une unité à très faible consommation d'énergie.
La surface de plancher chauffé de la moitié ouest de la maison jumelée est de 224 m². La maison sera située dans une banlieue où l'on dispose d'un réseau de chauffage urbain alimenté par les rejets thermiques d'une centrale électrique. Ainsi, pour décrire le système CVAC de référence, il faudra utiliser « Autre » comme source d'énergie avec un rendement saisonnier de 100 %. La conception de cette maison repose sur de faibles masses thermiques et sur un haut niveau d'isolation thermique. Les gains internes sont prévus être deux fois plus faibles que dans une maison conventionnelle.
L'arrière du bâtiment sera pratiquement exposé au plein sud (10° à l'ouest du sud) et comprendra une « serre » non chauffée. Cette serre est considérée comme un solarium s'étirant sur les deux étages de la maison, du sol jusqu'à la toiture. Alors que certaines pièces auront des fenêtres qui donnent directement à l'extérieur, d'autres auront des fenêtres qui donnent à l'intérieur de la serre. Les façades sud et ouest de la maison possèderont des auvents qui fourniront un ombrage de 30 % l'été et de 15 % l'hiver.
En Allemagne, des fenêtres à double vitrage avec un cadre en PVC sont généralement utilisé dans les nouvelles constructions. Dans le cadre de cette maison à très faible consommation d'énergie, vous décidez d'adopter des fenêtres à triple vitrage, remplies au xénon, avec un cadre en bois et un revêtement à faible émissivité.
Un tableau suivant vous aidera dans cette évaluation. Il résume les orientations, les dimensions et les caractéristiques de performance des différentes fenêtres de la maison conventionnelle et de celle à très faible consommation d'énergie. Uniquement les fenêtres donnant à l'extérieur sont incluses (les fenêtres qui donnent à l'intérieur de la serre ne sont pas comprises).
Données financières
Vous pouvez considérer que 80 % du prix d'acquisition de la maison sera financé par une hypothèque à un taux d'intérêt de 8 % sur 20 ans. Les coûts de l'énergie augmenteront de 2,5 % par an, alors que le taux général d'inflation sera de 2,0 %. Le taux d'actualisation utilisé sera égal à 9,0 %. Les fenêtres ont une durée de vie d'au moins 30 ans.
Le système de chauffage urbain peut fournir de l'eau chaude à un coût de 50 €/MWh et l'électricité à un coût de 0,10 €/kWh. Le coût des fenêtres conventionnelles à double vitrage est d'environ 210 €/m². Vous estimez que le coût des fenêtres à haut rendement sera environ 35 % plus élevé.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Résultats
L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a initié un concours demandant aux participants de concevoir et de construire des maisons à très faible consommation d'énergie. Une telle maison a été construite à Rottweil, en Allemagne dans le cadre de ce concours. La conception de cette maison à très faible consommation d'énergie concerne la partie ouest d'une maison jumelée de deux étages. La partie est du bâtiment a été construite avec des matériaux conventionnels afin d'effectuer la comparaison du comportement des deux unités. Toutes les pièces principales sont situées de manière à bénéficier de l'exposition sud et plusieurs donnent sur la « serre » - un solarium qui s'étend sur toute la hauteur de la maison sur son côté sud. Une attention particulière a été portée à l'éclairage naturel de manière à ce que l'ensoleillement puisse pénétrer le plus possible dans la maison.
Description du système
Le plan de la maison montre que celle-ci a une forme trapézoïdale, la base la plus petite faisant face au nord afin de réduire le nombre de fenêtres et la surface d'enveloppe du bâtiment de la façade qui ne bénéficie pas d'ensoleillement. Les murs et la toiture du bâtiment ont été équipés de matériaux isolants ayant un très haut rendement d'isolation thermique.
Compte tenu des grandes surfaces vitrées côté sud, des fenêtres avec des performances exceptionnellement élevées ont été utilisées afin de diminuer les pertes de chaleur nocturnes. Les fenêtres de cette maison expérimentale sont à triple vitrage, remplies de xénon, offrant une valeur U au centre du vitrage de 0,5 W/(m²-K), avec un cadre en bois donnant une valeur U globale de 0,86 W/(m²-K). Le coefficient d'apport de rayonnement solaire est de 0,48 au centre du vitrage et de 0,36 pour l'ensemble de la fenêtre.
Il a été calculé que la consommation moyenne annuelle d'énergie de la maison devrait être de l'ordre de 50 kWh/m². En réalité, les mesures effectuées sur deux saisons de chauffage donnent une consommation de 18 kWh/m² pour la saison 1994/95 et de 31 kWh/m² pour la saison 1995/96.
Pendant les mois d'hiver, c'est une centrale thermique qui produit la chaleur nécessaire à la maison, par l'intermédiaire d'un réseau de chauffage urbain. Aucun système d'air conditionné, autre qu'un échangeur souterrain, n'est utilisé pour rafraîchir l'air neuf de ventilation. En hiver, ce même système souterrain préchauffe l'air neuf de ventilation.
Leçons à tirer
Les activités de recherche en bâtiment de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) ont permis, par l'intermédiaire de plusieurs projets de démonstration, de démontrer avec succès la faisabilité et l'efficacité des principes de conception du chauffage solaire passif pour réduire de manière significative la consommation d'énergie thermique dans des maisons individuelles. De telles maisons peuvent consommer moins de la moitié de l'énergie des maisons conventionnelles. De plus, il a été constaté que plusieurs principes de conception solaire passive peuvent être intégrés dans un projet sans que cela n'occasionne de coûts supplémentaires. Par exemple, en réduisant les charges de pointe en chauffage et en climatisation, des équipements mécaniques plus petits, donc moins chers peuvent être installés, et parfois de tels équipements peuvent être supprimés, comme dans le cas de l'air climatisé. Ce sont les vitrages à hautes performances qui tendent à être la technologie à haute efficacité la plus adoptée dans les constructions neuves. La demande pour des conceptions solaires passives est particulièrement forte en Allemagne et dans d'autres pays européens où les coûts d'énergie sont élevés et où la motivation des propriétaires face à l'environnement est grande.
Photo
Maison à très faible consommation d'énergie, Rottweil, Baden-Württemberg, Allemagne
Références
Vous pouvez considérer que 80 % du prix d'acquisition de la maison sera financé par une hypothèque à un taux d'intérêt de 8 % sur 20 ans. Les coûts de l'énergie augmenteront de 2,5 % par an, alors que le taux général d'inflation sera de 2,0 %. Le taux d'actualisation utilisé sera égal à 9,0 %. Les fenêtres ont une durée de vie d'au moins 30 ans.
Le système de chauffage urbain peut fournir de l'eau chaude à un coût de 50 €/MWh et l'électricité à un coût de 0,10 €/kWh. Le coût des fenêtres conventionnelles à double vitrage est d'environ 210 €/m². Vous estimez que le coût des fenêtres à haut rendement sera environ 35 % plus élevé.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- Le « solarium » non chauffé agit comme un espace tampon pour les pertes thermiques et les gains solaires vers l'intérieur de la maison. Les fenêtres donnant dans cette serre sont généralement exposées à une différence de température entre l'extérieur et l'intérieur moindre que celles qui donnent directement à l'extérieur. Les fenêtres auront en réalité une performance plus importante que ce que RETScreen évalue, car le programme considère que ces fenêtres sont à la même température que l'intérieur de la maison. La modélisation d'un tel solarium d'un point de vue solaire et thermique et la manière dont cet espace interagit avec le reste de la maison est assez complexe et des outils de simulation beaucoup plus détaillés sont alors nécessaires pour les prendre en compte.
- Comme cette maison utilise un réseau de chauffage urbain, aucun coût au niveau des équipements mécaniques de chauffage n'a pu être crédité.
Résultats
L'Agence internationale de l'énergie (AIE) a initié un concours demandant aux participants de concevoir et de construire des maisons à très faible consommation d'énergie. Une telle maison a été construite à Rottweil, en Allemagne dans le cadre de ce concours. La conception de cette maison à très faible consommation d'énergie concerne la partie ouest d'une maison jumelée de deux étages. La partie est du bâtiment a été construite avec des matériaux conventionnels afin d'effectuer la comparaison du comportement des deux unités. Toutes les pièces principales sont situées de manière à bénéficier de l'exposition sud et plusieurs donnent sur la « serre » - un solarium qui s'étend sur toute la hauteur de la maison sur son côté sud. Une attention particulière a été portée à l'éclairage naturel de manière à ce que l'ensoleillement puisse pénétrer le plus possible dans la maison.
Description du système
Le plan de la maison montre que celle-ci a une forme trapézoïdale, la base la plus petite faisant face au nord afin de réduire le nombre de fenêtres et la surface d'enveloppe du bâtiment de la façade qui ne bénéficie pas d'ensoleillement. Les murs et la toiture du bâtiment ont été équipés de matériaux isolants ayant un très haut rendement d'isolation thermique.
Compte tenu des grandes surfaces vitrées côté sud, des fenêtres avec des performances exceptionnellement élevées ont été utilisées afin de diminuer les pertes de chaleur nocturnes. Les fenêtres de cette maison expérimentale sont à triple vitrage, remplies de xénon, offrant une valeur U au centre du vitrage de 0,5 W/(m²-K), avec un cadre en bois donnant une valeur U globale de 0,86 W/(m²-K). Le coefficient d'apport de rayonnement solaire est de 0,48 au centre du vitrage et de 0,36 pour l'ensemble de la fenêtre.
Il a été calculé que la consommation moyenne annuelle d'énergie de la maison devrait être de l'ordre de 50 kWh/m². En réalité, les mesures effectuées sur deux saisons de chauffage donnent une consommation de 18 kWh/m² pour la saison 1994/95 et de 31 kWh/m² pour la saison 1995/96.
Pendant les mois d'hiver, c'est une centrale thermique qui produit la chaleur nécessaire à la maison, par l'intermédiaire d'un réseau de chauffage urbain. Aucun système d'air conditionné, autre qu'un échangeur souterrain, n'est utilisé pour rafraîchir l'air neuf de ventilation. En hiver, ce même système souterrain préchauffe l'air neuf de ventilation.
Leçons à tirer
- Une conception respectant les critères du chauffage solaire passif permet de réduire significativement les coûts de chauffage.
- Les fenêtres à haut rendement sont des éléments essentiels d'une conception solaire passive et même des fenêtres à très haut rendement peuvent être financièrement rentables lorsqu'on les compare à des fenêtres conventionnelles dans le cadre d'une construction neuve.
- L'ajout d'un « solarium » à une maison permet de raccourcir la saison de chauffage.
Les activités de recherche en bâtiment de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) ont permis, par l'intermédiaire de plusieurs projets de démonstration, de démontrer avec succès la faisabilité et l'efficacité des principes de conception du chauffage solaire passif pour réduire de manière significative la consommation d'énergie thermique dans des maisons individuelles. De telles maisons peuvent consommer moins de la moitié de l'énergie des maisons conventionnelles. De plus, il a été constaté que plusieurs principes de conception solaire passive peuvent être intégrés dans un projet sans que cela n'occasionne de coûts supplémentaires. Par exemple, en réduisant les charges de pointe en chauffage et en climatisation, des équipements mécaniques plus petits, donc moins chers peuvent être installés, et parfois de tels équipements peuvent être supprimés, comme dans le cas de l'air climatisé. Ce sont les vitrages à hautes performances qui tendent à être la technologie à haute efficacité la plus adoptée dans les constructions neuves. La demande pour des conceptions solaires passives est particulièrement forte en Allemagne et dans d'autres pays européens où les coûts d'énergie sont élevés et où la motivation des propriétaires face à l'environnement est grande.
Photo
Maison à très faible consommation d'énergie, Rottweil, Baden-Württemberg, Allemagne
Références
- Agence internationale de l'énergie, Solar Low Energy Houses of IEA Task 13, James & James (Science Publishers) Ltd., London, Canada, 1995.
- Beckert, Micheal, « Communications personnelles », Fraunhofer Institute for Building Physics, février 2002.
- Kemp, Steve, « Communications personnelles », Enermodal Engineering Ltd., 2002.
