Axe A1 > Opération 2 : Utilisation rationnelle de l’énergie dans les bâtiments et les systèmes, intégration des énergies renouvelables

Contexte

En ce début de siècle, la maîtrise de l’énergie constitue un objectif primordial pour l’avenir. On peut constater que sous certains aspects, on se retrouve dans la configuration des années 1980 où l’on a vu les premiers chocs pétroliers. Les économies d’énergie deviennent plus que jamais d’actualité avec en plus le souci de respecter l’environnement. La satisfaction des besoins énergétiques nécessite des progrès dans les domaines de la production et de l’utilisation rationnelle de l’énergie.
Pour le secteur du bâtiment, cela passe par la construction de bâtiments de plus en plus performants et intégrés à leur environnement, la réhabilitation de l’ensemble du parc bâti et l’intégration massive des énergies renouvelables aussi bien pour la production d’électricité, de chaleur que pour le rafraîchissement et la climatisation.
Dans ce contexte, les politiques ont répondu par de nouvelles directives, lois et un investissement public accru. Cela s’est traduit par la directive 2010/31/UE du 19 mai 2010 de la refonte de la directive européenne de 2002 sur la « performance énergétique des bâtiments ». La nouvelle directive prévoit que d’ici au 31 décembre 2020, tous les nouveaux bâtiments soient à consommation d’énergie quasi nulle avec une anticipation pour les nouveaux bâtiments occupés et possédés par les autorités publiques au 31 décembre 2018. Par ailleurs, au niveau national, la loi n°2009-967 du 3 août 2009 de programmation relative à la mise en œuvre du Grenelle de l’environnement impose que « Toutes les constructions neuves faisant l’objet d’une demande de permis de construire déposée à compter de la fin 2020 présentent, sauf exception, une consommation d’énergie primaire inférieure à la quantité d’énergie renouvelable produite dans ces constructions ».
Les bâtiments durables devront avoir d’une part, une efficacité optimale bien au-delà des niveaux actuels, et d’autre part, ils devront tirer profit des énergies renouvelables pour approcher des consommations d’énergie très faibles.
Cette opération s’articule autour de 2 projets complémentaires :

  • Projet 1 : Utilisation rationnelle de l’énergie dans les bâtiments
  • Projet 2 : Systèmes de conditionnement à faibles impacts environnementaux

Utilisation rationnelle de l’énergie dans les bâtiments

Evaluation des solutions existantes pour les bâtiments passifs

Le projet « Towards Net Zero Energy Solar Buildings » (2009-2013) de l’annexe 52 de l’IEA, dont le LaSIE est partenaire, donnera les premiers éléments de réponse sur les nouvelles constructions ayant une consommation proche de zéro. L’objectif de ce projet est de recenser à travers une centaine de bâtiments de différents types, sous différents climats, les solutions techniques (enveloppes et équipements) mises en œuvre, d’en évaluer leur performance et d’en extraire les solutions les plus pertinentes.

Développement d’outils pour la réhabilitation des bâtiments

Un effort important est nécessaire en direction de la réhabilitation énergétique du patrimoine bâti. Dans ce cadre, plusieurs projets ont démarré. Le projet ANR HYGROBAT (2011-2015) cherche à établir une méthodologie d’évaluation et de conception hygrothermique des bâtiments soumis à des sollicitations dynamiques. Le projet MEMOIRE (ANR, 2010-2013), quant-à-lui, a pour ambition de poser les bases d’une méthode d’identification conjointe des caractéristiques de l’enveloppe et des conditions d’usage déterminantes vis-à-vis des performances énergétiques d’un bâtiment. En combinant mesure et modélisation, il représentera une évolution décisive dans la maîtrise des données d’entrée des outils d’aide à la conception en rénovation et participera ainsi largement à la fiabilisation de la modélisation des bâtiments existants.

Systèmes de conditionnement à faibles impacts environnementaux

La deuxième orientation prise concerne les systèmes d’énergie associés aux bâtiments. Les demandes en énergie, dans le secteur du bâtiment, constituent, à ce jour, la plus importante part de la consommation énergétique mondiale. En France, cette part représente 43% de l’énergie totale consommée et 25% des émissions nationales de CO2. Par conséquent, la nécessité de réduire la quantité de CO2 émise et l’épuisement progressif des ressources imposent l’utilisation de sources d’énergie renouvelables et une réduction des consommations d’énergie dans l’habitat.
Par ailleurs, dans les prochaines années, du fait de l’émergence de nouveaux labels et réglementations (BBC, RT 2012, Maison passive), les besoins énergétiques vont considérablement évoluer. En particulier, les besoins en énergie thermique vont diminuer en hiver, contrairement aux besoins électriques qui verront leur part augmenter en raison de l’utilisation de plus en plus courante de la domotique, d’équipements multimédias, … En parallèle, l’évolution de l’architecture a favorisé l’émergence de bâtiments orientés vers l’extérieur (grandes ouvertures) et faiblement inertes. La conjonction d’une forte isolation, d’une faible inertie et de larges ouvertures mènent à une surchauffe estivale. Le recours à la climatisation / rafraîchissement s’est donc intensifié. Cette problématique énergétique et environnementale a conduit à l’émergence de nouvelles technologies susceptibles d’apporter des réponses.

Systèmes combinés de ventilation et de chauffage au bois

Système combiné de ventilation et de chauffage au bois
Le projet SICHABO (projet Excellence Environnementale de la Région Poitou-Charentes) porte sur l’étude et le développement d’un système innovant de ventilation et de chauffage au bois dans les habitations à basse consommation d’énergie, qui sont appelées à devenir la référence constructive en France dès 2015. Dans ces habitations fortement isolées et particulièrement étanches à l’air, les besoins de chauffage sont très faibles et peuvent être couverts par une source de chaleur d’origine renouvelable, telle que le bois énergie. En outre, l’utilisation d’une ventilation performante s’impose comme étant un critère essentiel pour assurer la bonne qualité de l’air intérieur et peut même devenir l’unique vecteur de chauffage en apportant l’appoint de chaleur sur l’air insufflé dans les différentes pièces de l’habitation. Le système présenté dans cette étude propose ainsi de combiner les avantages d’un appareil de chauffage au bois de petite puissance, ici un poêle à granulés de bois, et ceux d’une ventilation à récupération de chaleur sur l’air extrait, grâce à un conduit échangeur intégré à la cheminée du poêle et relié au réseau de soufflage de la ventilation. Ce conduit échangeur permet de récupérer sur l’air neuf une partie de la chaleur initialement perdue par les fumées et de la distribuer dans toutes des zones de vie de l’habitation, même les plus éloignées de l’appareil au bois.

Systèmes de rafraîchissement solaires

Système de rafraichissement solaire
En été, les apports solaires constituent généralement une grande partie de la charge d’un bâtiment. La climatisation par énergie solaire apparait donc comme un objectif très rationnel, d’une part car ce procédé ne consomme que très peu d’énergie primaire, d’autre part car le potentiel est le plus élevé pendant les périodes de fort ensoleillement quand la demande est la plus forte.
L’étude expérimentale et la modélisation d’une installation de rafraîchissement d’air par dessiccation et régénération solaire réalisée au LaSIE a montré l’intérêt de cette technique pour les climats de types océaniques, avec de bonnes performances à la fois en terme d’efficacité énergétique et d’impacts environnementaux. L’installation du LaSIE constitue actuellement une manipulation de référence dans le domaine du rafraîchissement solaire par dessiccation et l’objectif pour les années à venir est d’optimiser le fonctionnement de cette centrale et de définir des régulations robustes pour permettre la diffusion de ce type d’installations, réservées pour l’instant à quelques sites démonstrateurs.
Capteurs solaires sous vide

Systèmes de production d’électricité et de chaleur

Principe de micro-cogénération
Un deuxième aspect que nous développons concerne la micro-cogénération (production simultanée de chaleur et d’électricité) pour l’habitat à partir d’énergie solaire.
La micro-cogénération permettrait en effet de couvrir en partie, voir en totalité, les besoins de ces petits bâtiments en chaleur (chauffage et production d’eau chaude sanitaire) et en électricité (consommée localement et/ou délivrée sur un réseau public d’électricité).
Développé en partenariat avec deux sociétés spécialisées, un prototype de micro-cogénérateur fonctionnant à l’énergie solaire renouvelable a été mis en place. Le développement du prototype s’appuie sur deux technologies innovantes :

  • un moteur à vapeur d’eau à haut rendement de détente (cycle de Rankine) ;
  • et un concentrateur cylindro-parabolique mobile sur 2 axes permettant de suivre la course du Soleil.
    A travers la mise en place d’une plate-forme expérimentale et le développement d’outils numériques, nous souhaitons, d’une part optimiser le fonctionnement de la source d’énergie et d’autre part étudier les performances de cette technologie et de son intégration dans une architecture de gestion énergétique des bâtiments.
    Micro-cogénérateur solaire
publie le mardi 11 décembre 2012