Méthodologie de l'étude faire construire une maison passive ou basse consommation

Arnaud Sellé
Pour mener l'étude nécessaire au dossier "faire construire une maison passive ou basse consommation en France", plusieurs milliers de simulations thermiques ont été lancées avec un logiciel de récolte automatique des résultats. Voici un aperçu de la méthodologie qui a été mise en oeuvre.
Maison utilisée pour le test maisons passives et basse consommation

Maison utilisée pour le test maisons passives et basse consommation
©DR

Plan de la maison


Le principe de la construction passive : une orientation bien choisie et un bon dimensionnement des fenêtres et des auvents permet d'utiliser le rayonnement solaire comme apport de chaleur passive (à la différence des systèmes de chauffage à capteurs solaires dits actifs car nécessitant une circulation forcée).











 Pour présenter un caractère significatif, l'étude a porté sur une maison à étage de 130 m² (représentant la surface moyenne construite en France pour les maisons individuelles) avec un rez de chaussée et un étage, orientée sud. Illustration ci-contre :

Sa compacité est bonne : le volume habitable divisé par les surfaces des parois extérieures hors plancher bas est de 1,53 (valeur médiane = 1,4 pour les maisons individuelles).
Dans l'étude, nous avons pris l'hypothèse que cette maison est orientée parfaitement au sud et qu'il n'y avait pas de masques générant des ombres portées tels que des arbres ou des bâtiments avoisinants.



L'auvent est bien dimensionné pour laisser entrer les rayons solaires l'hiver et non l'été, avec une cuisine en retrait pour avoir malgré tout une terrasse couverte.

Le plan de cette maison figure dans notre catalogue.

Résultats


Besoins de chauffage :



  • ils sont exprimés en kWh par m² et par an

  • le kWh correspond à un besoin de chaleur nécessaire sur la saison de chauffe pour atteindre la température désirée. Il ne présume pas du rendement des éventuels appareils de chauffage ni du coefficient de transformation en énergie primaire.

  • les m² correspondent à la surface de référence énergétique au sens du label allemand, ce qui est assez voisin de la notion de surface habitable "loi Carrez".


Légende des icônes :



  • besoins de chauffage <= 9 kWh/m².an besoins  ≤ 9 kWh/m².an 

    Le critère passif est largement respecté, possibilité de sous-dimensionner la qualité du bâti et des équipements.

  • besoins de chauffage <= 15 kWh/m².an besoins  ≤ 15 kWh/m².an

    Le critère passif est respecté et permet de d'affranchir d'un système de chauffage classique.

  • besoins de chauffage <= 30 kWh/m².an besoins  ≤ 30 kWh/m².an

    Le critère passif n'est pas respecté, mais la maison reste assez peu énergivore. En cas d'absence de système de chauffage automatique, l'utilisation d'un chauffage au bois bûches comme unique système reste possible avec un nombre de chargements réduit. 

  • besoins de chauffage <= 30 kWh/m².an besoins > 30 kWh/m².an

    Le critère passif n'est pas respecté, maison se rapprochant des consommations conventionnelles.


Taux de surchauffe estivale



  • Il correspond à la part de temps en % pendant laquelle la température du logement est supérieure à la température maximale de confort. Pour nos calculs, nous avons considéré qu'il n'y a pas d'inconfort dès lors que la température extérieure instantanée est inférieure à la température maximale de confort (possibilité d'aération immédiate).

  • Le label PHPP définit une température maximale de confort de 25° ce qui est pertinent pour les régions septentrionales mais pas pour les régions méditéranéennes. 

  • Dans le cas de locaux non climatisés, l'article A.2 de la norme NF EN 15251, donne en fonction d'une température extérieure en moyenne glissante, des limites de température intérieure recommandées, sans préciser toutefois de recommandations associées en terme de protections solaires et d'aération.

    Cette norme présente l'avantage d'introduire la notion d'adaptation de l'être humain à la chaleur et donc de définir une température maximale de confort dépendant de la température extérieure moyenne en été.

  • Pour calculer le taux d'inconfort, nous avons utilisé la courbe verte ci-dessous. Les températures exactes pour chaque ville ont été ensuite ajustées pour limiter les écarts types en fonction de la précision des données météorologiques.


température maximale de confort

températures intérieures de confort

en fonction de la température extérieure moyenne


Légende des icônes



  • taux d'inconfort < 5 % taux d'inconfort ≤ 5 %

    Maison très confortable en été, dans la ville considérée

  • taux d'inconfort < 5 % taux d'inconfort < 10 %

    Maison qui reste fraîche l'été, dans la ville considérée

  • taux d'inconfort < 5 % taux d'inconfort < 13 %

    Confort d'été qui reste acceptable hors été caniculaires et à condition de prévoir des dispositions d'ombrages (p.ex. arbres caducs placés au sud-ouest de la maison). 

  • taux d'inconfort < 5 % taux d'inconfort ≥ 13 %

    Système constructif non adapté au climat estival du lieu de construction.


Scénarios d'utilisation


Principe de la construction passive : la chaleur dégagée en interne par les occupants et les équipements électriques (cuisson, télévision, éclairages) apporte un complément de chaleur significatif, eu égard au niveau d'isolation.


Les scénarios ont été guidés par ceux du label Maison Passive Allemand (PassivHaus) pour la consigne de température et les apports internes.



  • température de consigne de chauffage : 20° en permanence sans intermittence nocture

  • sources de chaleur des équipements internes : 2,1 W/m²

  • apports de calories par les occupants : un occupant (soit 80 W) pour 35 m² habitables


Nous avons cependant pris des scénarios basés sur 3 niveaux d'étanchéité à l'air dont seul le meilleur répond strictement au label Passif, car l'on s'aperçoit qu'il n'est pas forcément indispensable d'atteindre une étanchéité "à l'allemande" pour satisfaire au critère de besoins de chauffage dans les régions les plus douces du sud de la France (dans le cas d'une exposition au vent "normale").


Pour la ventilation et les occultations estivales, les scénarios suivants ont été retenus :



  • au rez de chaussée, les pièces sont supposées occupées en journée ce qui empêche la fermeture totale des volets alors que la nuit, le risque d'intrusion empêche leur ouverture totale, aussi les données suivantes ont été utilisées :

    • rafraîchissement par aération nocturne d'un volume par heure 

    • occultation à 50% des volets



  • à l'étage, les contraintes sont inversées et les hypothèses suivantes ont été prises pour les calculs :

    • rafraîchissement par aération nocturne : 1,5 volume par heure

    • occultation à 70% des volets




Le rafraîchissement par ouvertures des fenêtres est effectué dès que la température extérieure est inférieure à la température intérieure (et supérieure à 20°).


Données météorologiques


données météorologiquesCette étude ne se veut pas coller à la réglementation thermique français "2005", mais au contraire prédire autant que possible le comportement du logement via une simulation dynamique avec un pas de temps de 30 min. Aussi, nous avons préféré sélectionner 40 villes réparties sur toute la France (ainsi que Bruxelles et Genève) plutôt que de se limiter aux 8 zones réglementaires.



  • Les données de températures sont issues des normales climatiques de stations françaises sur la période 1961-1990, (source Météo-France), et disponibles sur infoclimat.fr ou sur wikipedia pour certaines stations. Pour simuler le changement climatiques, les températures moyennes et maximales de juillet et d'août ont été augmentées de 0,5° et les minimales de 1° (le changement climatique ayant surtout tendance à réchauffer les nuits.

  • Les valeurs d'insolation de la période 1961-1990 n'étant pas forcément très fiables (d'après les remarques d'Infoclimat), nous avons utilisés les statistiques Météo-France sur la période 1991-2005.


Le logiciel de calculs thermiques 


Trois logiciels de calculs étaient candidats pour mener cette étude :



  • PHPP , le logiciel de certification des maisons passives en Allemagne.  Une version française, traduite par la plateforme belge, est distribuée par  l'association la maison passive France.  

  • Lesosaï. Ce logiciel suisse francophone permettant de faire la certification pour le label Minergie est avant-tout un logiciel générique de calculs thermiques et qui va même prochainement intégrer le moteur RT 2005.  

  • Comfie , le moteur de calcul développé par le Centre énergétique et procédés de l'école des Mines de Paris , et  son interface utilisateur « Pléiades » réalisée par IZUBA-Énergies, qui constituent le logiciel de simulation dynamique probablement le plus utilisé en France.


moteur de calcul thermiques ComfieNous avons sélectionné Pléiades+Comfie pour cette étude car ce logiciel permet d'intégrer tous les scénarios d'utilisation avec la plus grande souplesse possible et que le moteur Comfie est robuste pour les calculs.


De plus, la suite logicielle intègre un simulateur de fichiers météo qui permet d'ajouter des stations météo avec uniquement des données de températures et d'ensoleillement mensuels (contrairement à PHPP).


Pour vérifier que les résultats donnés par Pléiades + Comfie étaient corrects, nous avons modélisé notre maison type également aveec le logiciel PHPP et comparé les résultats PHPP vs Pleiades-Comfie sur les villes françaises disponibles dans les fichiers météo de PHPP.


Caractéristiques des matériaux


Les valeurs de densité, conductivité thermique et de chaleur spécifiques sont majoritairement issues de notre base de données des matériaux.


Ponts thermiques


Toutes les dimensions prises pour les parois sont les dimensions intérieures. De la sorte, les comparatifs sont été faits à même surface habitable quelques soient les épaisseurs des murs.


Autre avantage de cette solution, les valeurs des ponts thermiques correspondent à celles de la réglementation thermique.


Les valeurs des ponts thermiques sont issues des sources d'information suivantes :



Méthode de calcul des ponts thermiques aux éléments finis


gradient thermique plancher intermédiairePour pouvoir calculer les ponts thermiques non disponibles dans la littérature, nous avons développé un mailleur semi-structuré, puis le logiciel de calcul proprement dit.

Le mailleur prend en entrée des plans de coupe sous forme de fichier image PNG, ce qui laisse toute latitude sur le nombre de matériaux mis en oeuvre et leur disposition, contrairement à des logiciels comme Kalibat, mais en contre-partie d'une complexité d'utilisation accrue.


Le logiciel calcule les températures des mailles en surface, les flux thermiques étant alors déterminés via les résistances de contact. Il a passé avec succès les deux cas tests de la norme ISO EN10211:2007. La modélisation de la géométrie de chaque cas étudié a été faite en respectant les recommandations de la procédure de calcul donnée dans le § 2.3 des THU 5/5 RT 2005.


Automatisation des calculs 


Le grand nombre de simulations thermiques nécessaires a rendu indispendable la création d'un logiciel d'enchaînement automatique avec les fonctions suivantes :



  • import d'un fichier de projet Pleiades+Comfie en vue de sa modification à la volée pour chaque scénatio à étudier

  • lecture d'un fichier de configuration prenant en compte les particularités du projet Pléiades et de la maison à étudier (numéros des compositions Pléiades de chaque système constructif et valeurs des ponts thermiques linéiques associées), zones à chauffer, longueur des ponts thermiques, surface de référence énergétique (zone à chauffer), etc

  • générateur d'un fichier descriptif de station météo

  • lanceur avec simulation d'actions souris pour automatiser les calculs Pleiades+Comfie (basé sur Autoit)

  • interpréteur des fichiers résultats Comfie ("hiver.txt" ...)


synoptique de l'automatisation des calculs