Les économies d’énergie dans l’habitat dans une démarche de développement durable

Description de la séquence

Cette séquence s’inscrit dans le thème sociétal des économies d’énergie dans l’habitat dans une démarche de développement durable. Les futurs propriétaires de maisons individuelles veulent connaître avec le plus de précision possible les dépenses énergétiques de leurs logements. La problématique est : Comment prévoir le plus finement possible la consommation énergétique d’un pavillon ?

Cette séquence propose d’analyser l’influence de la modification :

• de la surface des baies vitrées,
• des caractéristiques thermiques des menuiseries,
• de l’orientation de la maison,
• de l’isolation des murs,

sur la consommation d’énergie d’une maison individuelle. Cette séquence montre l’influence des approximations faites lors des simulations thermiques sur le résultat affiché. Elle permet de justifier la labellisation BBC-Effinergie obtenue par la maison étudiée.

Elle se situe pendant la première année du cycle terminale de la série S. La durée indicative est de deux semaines :

Les activités expérimentales ont pour objectif de caractériser et de justifier les écarts de consommation d'énergie, entre le logement répondant à la norme BBC- Effinergie c’est à dire ayant une consommation énergétique de l’ordre de 50 kW/m²/an (système souhaité), le système réel est le logement dont on a relevé les consommations d’énergie sur les 2 dernières années et le système simulé qui est le logement modélisé avec un logiciel "réglementaire" et un logiciel "dynamique".

Les centres d’intérêt sont :

• CI1 : Analyser un système fonctionnellement et structurellement.
• CI2 : Expérimenter et mesurer sur un système réel pour évaluer ses performances.
• CI5 : Concevoir et utiliser un modèle relatif à un système en vue d’évaluer les performances de la chaîne d’énergie.

Une maison d’habitation individuelle labellisée BBC-Effinergie dont nous possédons :

• les plans,
• la composition et les caractéristiques des murs extérieurs et intérieurs,
• la composition et les caractéristiques du plancher bas, du plancher haut,
• les caractéristiques de la porte d’entrée, de la porte sur garage,
• la surface et le type de menuiseries utilisées.

Dans la phase de lancement, les élèves découvrent les enjeux énergétiques et environnementaux de l’amélioration énergétique d’un bâtiment. Le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie en France. La facture annuelle de chauffage représente environ 900 € en moyenne par ménage, avec de grandes disparités, qui tendent à augmenter avec la hausse du prix des énergies. Les dépenses annuelles peuvent ainsi varier de 250 € pour une maison ''basse consommation'' à plus de 1 800 € pour une maison équivalente mais mal isolée.

Par groupes de 4, les élèves visionnent ensuite l'une des 2 vidéos mises à leur disposition. Ils comprennent les objectifs, les exigences, les contrôles, les responsabilités induites par la RT2012. Ils se familiarisent avec les trois indicateurs de performances : les indices BBIO, CEP, TIC.

Une vidéo de 6 minutes explique aux élèves les déperditions thermiques, le fait que l’isolant oppose une résistance à ces déperditions, que l’épaisseur et le coefficient de conductivité thermique interviennent dans la performance de l’isolation.

En utilisant de façon pertinente les analogies électrique, hydraulique, mécanique et thermique, les élèves acquièrent les notions fondamentales de la thermique :

• Les modes de transfert de chaleur,
• la conductivité thermique,
• la résistance thermique R,
• le coefficient de transmission surfacique,
• le flux de chaleur,
• la chaleur massique et l’inertie thermique.

Séance 3 : 2 h de TP, en demi-division partagée en 3 groupes élèves en binômes dans chaque groupe (2 à 3 binômes par groupe)

Groupe 1

Le but de cette activité est de caractériser les écarts entre les performances mesurées et les performances attendues par la réglementation thermique.

La réglementation n’impose pas de mesure réelle de consommation d’énergie par usage, l’instrumentation d’une maison étant relativement lourde à réaliser pour un particulier. Un thermicien réalise une estimation des consommations avec un logiciel. La seule mesure obligatoire est un test d’étanchéité à l’air.

Le problème technique est de montrer que l’on peut mesurer à partir des relevés des indices des compteurs de gaz et d’électricité, la consommation énergétique de la maison individuelle sur une année. Pour pouvoir obtenir une valeur fiable, les élèves doivent tenir compte du rendement du chauffe eau solaire en hiver et en été. Ils doivent en plus retirer les consommations de l’électroménager (four, table de cuisson, télévision, ordinateur) car elles ne sont pas prises en compte dans les 50 KWhep/m²/an. A la fin de la séance, les élèves justifient la labellisation BBC-Effinergie.

Groupe 2

L’objectif de cette activité expérimentale est la mesure de l’écart entre les performances simulées et les performances attendues par la réglementation thermique.

Le logiciel de simulation affiche une consommation énergie primaire de 67 KWhep/m²/an, valeur supérieure aux exigences de la RT2012. Le travail de l’élève est d’analyser les influences de la modification de la surface des baies vitrées, de l’orientation de la maison et la modification de l’épaisseur de l’isolation dans le but d’améliorer le Cep.

La RT2012 fixe à 1/6 de la surface habitable la surface minimum de parois vitrées (16%). Dès que la surface vitrée augmente, le logiciel de simulation affiche des gains au niveau de la consommation énergétique significatifs. Lorsque le couple orientation/performances des baies est optimisé, les gains générés sont encore plus élevés. Les besoins en éclairage artificiel sont alors réduits, le bâtiment résidentiel est lumineux, donc confortable et agréable à vivre. . Il est à noter que le logiciel ne modifie pas les consommations d’éclairage en fonction des surfaces des baies vitrées, ce qui est un défaut du modèle de simulation.

Les élèves montrent ensuite qu’une sur isolation des murs n’apporte pas de gain significatif sur le Cep. Ils vérifient qu’il est très important de maitriser les déperditions par la toiture. En choisissant une épaisseur d’isolant de 30cm, le propriétaire de la maison assure une bonne isolation des combles et une sur isolation n’est pas utile.

Groupe 3

L’objectif est de caractériser l’écart entre la consommation énergétique mesurée et la consommation énergétique simulée. Nous utiliserons deux logiciels de simulations, Archimist qui est un logiciel d’optimisation énergétique, et une feuille de calcul réalisée par un thermicien.

Le problème technique est de montrer l’influence des multiples hypothèses faites lors des simulations thermiques. Ces approximations nous rapprochent-elles de la consommation réelle ?

Le scénario de vie du bâtiment est connu et nous possédons :

• les plans,
• la composition et les caractéristiques des murs extérieurs et intérieurs,
• la composition et les caractéristiques du plancher bas, du plancher haut,
• les caractéristiques de la porte d’entrée, de la porte sur garage,
• la surface et le type de menuiseries utilisées.

Les élèves mettent en œuvre les deux logiciels de simulation, ils affichent les résultats qui sont de 51 KWhep/m²/an pour l’un et de 67 KWhep/m²/an pour l’autre. Ils travaillent ensuite sur les mesures réelles, ils tiennent compte du rendement du chauffe eau solaire en hiver et en été et retirent les consommations de l’électroménager (four, table de cuisson, télévision, ordinateur). Ils obtiennent une Cep de 56KWhep/m²/an.

Ils préparent ensuite leur intervention pour la phase de restitution en trouvant les raisons de ces écarts. 

Séance 4 : 2 h de restitution / synthèse, classe entière.

Les élèves, à tour de rôle, présentent leurs résultats (souhaités, relevés, simulés), justifient les écarts et valident les modèles de simulation. Les logiciels de simulation ne peuvent pas prévoir la consommation de chauffage de façon exacte. Trop de paramètres non maitrisables entrent en jeu. Ils sont tributaire de :

• l’impact des données climatique : si le logiciel de simulation utilise un fichier météo établi à partir de valeurs mesurées, il existe souvent un écart avec les valeurs sur site. En ville la température est plus élevée qu’en campagne, les stations météo sont en campagne.
• l’impact du débit exact d’air. On peut faire varier ce débit de façon très importante en ouvrant ou en fermant la fenêtre. La maison peut présenter des défauts de ventilation. La perméabilité de l’enveloppe peut être surestimée.
• l’impact des apports de chaleur dus à l’électroménager, à l’éclairage, à la vapeur d’eau de la respiration et de la transpiration, aux cheminements des apports d’eau ou d’air. Une baignoire, un évier rempli d’eau chaude libère de la chaleur…
• l’impact du comportement des usagers : une augmentation de la température de consigne de chauffage par degré supplémentaire est de 12% à 15%. 
• l’impact des réglages et pilotage : La maintenance de la chaudière et de la ventilation double flux doit se faire périodiquement pour garder des systèmes performants.

Ainsi la consommation de chauffage est issue de calculs dont certains ne sont que des approximations. La simulation thermique ne présente pas les niveaux réels de consommation mais permet de dégager des tendances principales. Elle a ainsi montré l’importance d’une bonne orientation de la maison ; et qu’une surface minimum de 16% est une valeur correcte à retenir. Elle a aussi prouvé qu’une sur isolation n’est pas nécessaire.

Séance 5 : 2 h d'évaluation, classe entière

Les élèves restituent les compétences acquises dans le cas d'un bâtiment d’habitation de sept étages située à Grenoble. Les élèves ont à disposition les mesures de consommation énergétique. Ils possèdent les résultats de la simulation dynamique, et connaissent les exigences de la RT2012.

Ils devront expliquer les écarts observés, faire des calculs de déperdition énergétique et proposer des améliorations pour obtenir une meilleure performance énergétique de ce bâtiment.

Séance 6 : mini projet en demi-division 

Le mini-projet a pour objectif de développer les compétences mises en œuvre lors de la séquence et de mobiliser les connaissances et capacités associées. Dans cette étude de cas, l’élève joue le rôle d’un thermicien répondant à la demande de son chef de projet qui désire améliorer la consommation énergétique d’une maison construite en 1990.

A l’aide des plans de la maison, des caractéristiques des murs, de l’isolation des combles, des caractéristiques des fenêtres, les élèves :

• simulent la consommation énergétique de la maison,
• calculent la consommation énergétique sur une année à partir des factures fournies par le propriétaire,
• calculent les déperditions des parois,
• analyse les causes des écarts entre la simulation et les valeurs réelles
• quantifient les gains énergétiques réalisés en améliorant l’isolation, en remplaçant les menuiseries, la chaudière, en ajoutant un apport solaire.