ftr - 2003 neuchatel

Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils SA - 2037 Montezillon

Immissioni - emissioni Association VAS - Verdi-Ambiente-Societa Milano 14 dicembre 2004

Une réponse efficace aux émissions polluantes : L'utilisation rationnelle de l'énergie

et des énergies renouvelables de proximité Bernard Matthey, Dr ès Sciences, SWISSOLAR CH - 2037 MONTEZILLON - NEUCHATEL - SUISSE Résumé Dans le domaine de la construction, la diminution des émissions polluantes et donc des immissions, passe par 3 types de mesures, à savoir :

- Diminution des besoins en chaleur, en froid et en électricité grâce à une conception architecturale adaptée au climat et surtout par une isolation renforcée dépassant largement les standards actuels.

- La production de chaleur et de froid par des "machines" thermiques ayant un très bon rendement (combustion avec condensation, pompes à chaleur à gaz, à diesel ou électrique).

- La mise en valeur de ressources disponibles localement : solaire pour l'eau chaude, sondes en terre ou nappe souterraine pour le froid d'été et l'alimentation de pompes à chaleur en hiver, énergie des déchets, biomasse, solaire photovoltaïque connecté ou non au réseau, etc.

Une gestion rationnelle de l'énergie combinant ces 3 approches en fonction de la nature de l'objet construit (ancien, neuf, industriel, habitat, etc.) est à même de ramener les consommations spécifiques à une fraction des consommations actuelles. Des exemples, malheureusement trop peu nombreux, sont là pour le montrer. Adresse de l'auteur : Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils S.A.

CH-2037 MONTEZILLON-NEUCHATEL e-mail : [email protected]

\\Ariane\secrétariat\3. Thermique\T-1317 Swissolar\Milano-décembre2004\Milano-décembre2004.doc 1 22 juin 2007


Trois piliers incontournables

La réduction des émissions polluantes dans les domaines de l'habitat et de l'industrie passe par une diminution drastique de la consommation d'énergie (combustible, électricité). Elle repose sur 3 piliers, à savoir :

- La qualité de l'architecture et de l'enveloppe du bâtiment;

- Le choix et l'efficacité (le rendement) des systèmes de production de chaleur et (ou) de froid;

- La mise en valeur de ressources énergétiques disponibles à proximité du site.

C'est bien la combinaison de ces 3 domaines, par le talent et les compétences d'un architecte, d'un ingénieur chauffage-climatisation et d'un géologue connaissant bien l'énergie, avec la volonté d'un maître d'ouvrage conscient des problèmes énergétiques, qui permettra d'amener à presque zéro les émissions générées par un objet construit neuf ou rénové. Les expériences accumulées par les constructeurs du nord de l'Europe, sur pression il est vrai des Etats prescripteurs, sont là pour le démontrer

On sait aujourd'hui construire un immeuble d'habitation dont la consommation est près de dix fois inférieure à celle qu'elle était vers 1970, c'est-à-dire juste avant la première crise pétrolière.

Paradoxe : les bâtiments construits aujourd'hui en Europe du Nord consomment souvent moins d'énergie de chauffage que ceux des pays du Sud. Une analyse a révélé par exemple qu'en Suisse, c'est-à-dire avec la même législation, la consommation spécifique d'énergie de chauffage des bâtiments construits de 1990 à 2000 était la plus élevée au Tessin, alors que c'est en Appenzell, région nettement plus froide, qu'elle était la plus faible.

En effet, dans les pays froids, l'insuffisance d'isolation se traduit rapidement par des dépenses importantes, au Sud en revanche, les effets financiers d'une mauvaise enveloppe seront beaucoup moins sensibles. A protection thermique égale, la consommation d'énergie de chauffage d'un immeuble au Sud des Alpes devrait donc être de 30 à 50 % inférieure à ce qu'elle serait au Nord des Alpes.

Architecture et enveloppe du bâtiment

Le voyageur contemporain s'émerveille de la beauté de l'architecture des régions qu'il traverse : Unité des couleurs, qui sont celles des matériaux disponibles dans le pays, équilibre des formes, résultant de la topographie et harmonie des façades bien orientées pour récupérer la chaleur du soleil ou s'en protéger. Les contraintes énergétiques y sont pour beaucoup, les bâtiments datant d'une époque où le transport des matériaux se faisait avec des chevaux ou des bœufs et le chauffage avec du bois rare et coûteux.

L'igloo de l'esquimau est maintenant une baraque en bois chauffée à l'électricité et la tente du bédouin un gratte-ciel climatisé gaspilleur d'eau et d'électricité.

Un retour, même modeste, aux grands principes de l'architecture vernaculaire, constitue certainement la première démarche de l'architecte qui souhaite freiner les besoins d'un bâtiment moderne en chauffage et en climatisation.



L'apparition d'isolants thermiques performants (mousses, fibres) à la fin des années cinquante a permis de corriger la forte conductivité thermique des matériaux contemporains (béton, brique, ciment). Plus récemment, l'apparition des verres soudés avec couche sélective a permis de diviser pratiquement par 3 la déperdition par les fenêtres. Conséquence aussi de l'utilisation de ces nouveaux matériaux : une amélioration considérable du confort.

Conséquence : On admet maintenant qu'il est raisonnable de placer 25 cm d'isolation dans une toiture (on se protège du froid, mais surtout du chaud) et 18 à 20 cm dans les murs.

La combinaison d'une architecture climatique s'inspirant de l'architecture vernaculaire avec l'utilisation judicieuse, mais généreuse, des isolants modernes, permet de réduire considérablement la consommation d'énergie. C'est le premier pilier dont la responsabilité incombe d'abord à l'architecte.

Les systèmes de production de chaleur et de froid

La combustion reste le système le plus courant pour transformer un combustible en chaleur. L'amélioration du rendement passe entre autres par une très bonne isolation de la chaudière, un abaissement de la température des fumées et surtout la récupération par condensation de la chaleur latente de la vapeur d'eau dégagée par les gaz de fumées.

Simultanément, l'abaissement de la température des circuits de distribution, principalement des retours, diminue les pertes accroissant la condensation.

Dans le cas où l'on utilise une pompe à chaleur, l'abaissement des températures nominales de distribution doit être inférieure à 40°C si l'on veut que son coefficient de performance soit intéressant. Il faut rappeler ici que si les marchands d'électricité et de pompes à chaleur annoncent que celles-ci ne créent pas d'émissions polluantes, cette affirmation n'a de sens que si l'électricité est d'origine hydraulique ou nucléaire. Dans le cas où l'électricité est produite par une centrale alimentée au charbon, au gaz ou au diesel, il est évident que les émissions sont déplacées sur le site de la centrale thermique et que le rendement réel de la pompe à chaleur pourra être inférieur à celui d'une bonne chaudière (figure 2).

On trouvera à la figure 3 un fac-simile d'une fiche d'information de l'Association ANIME (animenergie.ch), établie par l'auteur, qui comptabilise très précisément les émissions polluantes des différents systèmes de production de chaleur. Ce document devrait constituer la base de la prise de décision pour le choix d'un système de production de chaleur.

Dans les bâtiments industriels et administratifs, mais aussi dans l'habitat lorsque la maison est bien isolée, le renouvellement d'air consomme une part d'énergie très significative. En créant une ventilation contrôlée double flux avec récupération de la chaleur (échangeur à plaques ou rotatif) on améliore encore à la fois le bilan énergétique de bâtiment mais aussi l'hygiène de l'air. La figure 4 donne le bilan énergétique comparé d'un immeuble locatif de 7 logements ou sans ventilation double flux.

Dans le cas de bâtiments respectant le label Minergie (norme suisse) ou "Solaire passif" (norme allemande), le contrôle du renouvellement d'air est pratiquement incontournable. Précisons que l'énergie nécessaire aux ventilateurs de pulsion et d'extraction ne représente qu'une fraction de l'énergie ainsi récupérée.



Enfin, l'équilibrage hydraulique et aéraulique des installations constitue un élément déterminant dans la bonne gestion de l'énergie. Fournir la prestation demandée, mais pas davantage, là et quand elle est nécessaire, constitue la règle de base d'une bonne gestion énergétique : Ventilations restant en service durant les jours fériés et les week-ends, locaux chauffés à plus de 21°C en hiver ou refroidis à l'excès en été, locaux chauffés à 25°C pour que d'autres soient au moins à 20°C sont des sources trop souvent observées de gaspillage et de pollution.

Mise en valeur des ressources énergétiques locales

La démarche est nouvelle et sans doute la plus difficile à intégrer dans l'artisanat et l'industrie du bâtiment parce qu'elle fait appel à des compétences auxquelles on ne pense pas spontanément au moment où on planifie un immeuble. C'est en effet un forestier qui dira si l'on peut utiliser du bois,un hydrogéologue si la nappe souterraine pourra fournir du froid en été et un employé de la commune qui saura si des rejets thermiques sont disponibles à proximité. C'est donc au maître de l'ouvrage et à l'architecte de se poser dès le départ la question de savoir si la nature ou une industrie sont à même de participer au bilan énergétique de son bâtiment et de s'adresser aux bons spécialiste.

Le solaire thermique pour la production d'eau chaude sanitaire va maintenant de soi. En Israël et à Barcelone par exemple, c'est pratiquement obligatoire pour tous les immeubles neufs ou transformés. La Grèce est le pays d'Europe où la densité de capteurs solaires est la plus élevée, la France un des pays les moins bien classés. Economie : 50 à 70% de besoin en chaleur pour la production d'eau chaude sanitaire à un prix compétitif avec l'électricité. Et que l'on ne vienne pas dire que c'est faire preuve d'intelligence que de chauffer de l'eau avec du gaz ou du fuel en plein été. Seul souci, l'intégration architecturale des capteurs; on voit en effet le meilleur et le pire. Règle absolue : ne jamais implanter de capteurs solaires thermiques sans l'avis d'un architecte compétent.

Le bois comme combustible fait un retour en force au Nord des Alpes, soit sous forme de pellets pour les petites installations, soit sous forme de copeaux déchiquetés avec le plus souvent un réseau de distribution à distance pour les grosses installations. L'Italie par exemple est importatrice de pellets de bois.

Le développement des pompes à chaleur oblige à rechercher des sources de chaleur de qualité. Dans l'ordre décroissant, citons :

- Les nappes souterraines exploitées par doublets;

- Les eaux de rivière et de lac si elles ne descendent pas en dessous de 4°C en hiver;

- Les sondes terrestres verticales en double U;

- Les pieux et autres structures énergétiques;

- L'air ambiant adapté surtout aux climats côtiers maritimes.

L'utilisation de l'énergie géothermique en direct pour le chauffage ou la production d'électricité est un "must", malheureusement applicable pour l'instant dans des régions bien particulières (Islande, Hongrie, Larderello).

La technique du Hot-dry-rock est en développement, les chances de succès économique existent, mais sont modestes pour l'instant.



Par leur inertie thermique, les lacs, les nappes souterraines et plus généralement le sous-sol, sont à même de fournir du froid en été pour le rafraîchissement. On peut parler alors de free-cooling, c'est-à-dire de production de froid utile sans machine frigorifique.

Les bons fabricants de pompes à chaleur incluent déjà dans la régulation la production de froid en direct (la machine est arrêtée) et sa dissipation dans les circuits de chauffage par le sol à partir de sondes en terre ou d'un doublet dans une nappe souterraine. Dans ce cas, on utilise le milieu souterrain pratiquement comme site de stockage saisonnier de chaleur durant l'été et de froid durant l'hiver.

En bref, on voit que l'environnement est pratiquement toujours à même de fournir de l'énergie. Il suffit d'y penser assez tôt et d'un peu d'imagination.

Le solaire photovoltaïque

Le courant électrique photovoltaïque a globalement une excellente réputation. Ses concurrents disent qu'il est trop cher. Cette situation est entrain de changer parce que la production annuelle de capteurs augmente de 20 à 25% par an, ce qui a un effet sur les prix mais surtout parce que l'on réalise enfin que le photovoltaïque doit être intégré aux façades ou à la toiture et jouer à la fois le rôle de revêtement et de capteurs d'énergie. En Europe centrale et mieux encore au Sud des Alpes, les façades et la toiture d'un immeuble sont à même de produire pratiquement toute la demande annuelle en électricité et en chauffage d'un immeuble, maison familiale et petit locatif, pour autant que la demande en énergie de chauffage ou de froid corresponde aux standard, les plus récents.

Le solaire photovoltaïque n'est alors plus en îlot mais raccordé au réseau qui absorbe les pointes de production durant la journée et alimente l'immeuble durant la nuit. Pour une maison familiale une surface d'environ 50 m2 de cellules photovoltaïques est nécessaire pour couvrir ses besoins annuels en électricité, chauffage par pompe à chaleur et rafraîchissements d'été compris. Plus values à la construction 45'000 euros dont 30'000 sont pour l'instant non amortissable.

Quelques exemples

La maison Erni près de Baden (figure 5), au coeur de la Suisse est de conception classique et respecte le label Minergie. Elle est chauffée par une pompe à chaleur connectée à une sonde en terre en double U de 60 mètres de profondeurs. Le pan Sud de la toiture est recouvert de 70 m2 de cellules photovoltaïques connectées au réseau. Le taux de couverture de tous les besoins énergétiques annuels (chauffage, éclairage, électroménager) est de 130 %. Plus values pour obtenir cette performance, amélioration de l'enveloppe comprise : 85'000 euros dont 50'000 (le prix d'une BMW) doivent être considérés comme non amortissable.



La maison zéro énergie de Dintikon (figure 6) comprend 4,5 m2 de capteurs thermiques pour l'eau chaude sanitaire et 60 m2 de cellules photovoltaïques. De conception plus moderne, cette maison familiale produit pratiquement tous ses besoins en énergie.

La maison familiale de Rüdtligen (Bern) (figure 7) est de conception classique. La valeur U des murs est de 0,12 W/m2 K, les murs de 0,11 W/m2 K grâce à 30 cm d'isolation en laine de pierre intégrée dans la charpente à ossature bois. La puissance de chauffage nécessaire est de 2 kW ! Cette maison couvre pratiquement tous ses besoins par une installation photovoltaïque, une pompe à chaleur et des panneaux solaires thermiques.

Le musée d'archéologie à Hauterive-Neuchâtel (figure 8) est chauffé par une chaudière à bois déchiqueté de 100 kW et rafraîchit par la ventilation et les planchers "chauffants" par free-cooling à partir de la nappe souterraine : 1 puits de 500 l/minutes, puissance de froid 160 kW. Ce bâtiment respecte les critères Minergie (demande en énergie de chauffage <150 MJ/m2 an). En revanche, il consomme trop d'électricité, l'éclairage muséographique ayant été conçu et installé par une entreprise française très peu motivée pour choisir des luminaires performants.

Le dépôt ferroviaire de Fleurier-Neuchâtel (figure 9) est chauffé à basse température par un réseau dans les dalles. La production de chaleur est réalisée par une pompe à chaleur électrique de 52 kWth et de 10 kWe. Source de chaleur : puits dans la nappe phréatique. Le coefficient de performance de la pompe à chaleur électrique est supérieur à 5 et l'installation dans son ensemble permet de diviser par 2 la demande en gaz du bâtiment. Conséquence après 2 ans de fonctionnement, le distributeur de gaz demande à revoir ses tarifs parce que le bâtiment ne consomme pas assez !

Les services industriels de Genève, on placé une couverture photovoltaïque sur un bâtiment existant. Puissance 140 kWp. Cette énergie est vendue à leurs clients (figure 10).

Des objectifs atteignables

On sait aujourd'hui construire des bâtiments administratifs ou d'habitation, dont la consommation d'énergie (chauffage et électricité) est pratiquement 10 fois inférieure à ce qu'elle était entre 1950 et 1970 (figure 11). Les surcoûts sont compris entre 5 et 10 % du coût du bâtiment et pratiquement amortissables. Dans le cas des bâtiments dits "zéro énergie", une plus value non amortissable équivalent à moins de 10 % du prix du bâtiment (le prix d'un équipement de cuisine luxueux) est à prendre en considération.

Une isolation des murs de très haute qualité, une production de chaleur adaptée dont le rendement soit le meilleur possible et la mise en valeur de l'énergie renouvelable de proximité constituent les 3 axes d'intervention pour parvenir à ce résultat.

Au-delà de l'aspect financier, c'est certainement la culture et la formation des professionnels du bâtiment qui est le plus grand obstacle à la réalisation de bâtiments très performants.



Immissioni - emissioni Association VAS - Verdi-Ambiente-Societa Milano 14 dicembre 2004

Une réponse efficace aux émissions polluantes : L'utilisation rationnelle de l'énergie

et des énergies renouvelables de proximité Bernard Matthey, Dr ès Sciences, SWISSOLAR CH - 2037 MONTEZILLON - NEUCHATEL - SUISSE

FIGURES

Adresse de l'auteur : Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils S.A.

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Figure 1 LES TROIS PILIERS D'UNE GESTION ENERGETIQUE PERFORMANTE DES BATIMENTS.

Architecture Enveloppe

Systèmes de production de chaleur ou de froid

Architecture climatique

Solaire passif

Masse du bâtiment

Etanchéité à l'air

Murs U < 0,2 W/m2K

Toiture U < 0,15 W/m2K

Sol U < 0,25 W/m2K

Fenêtres U < 1,2 W/m2K

Basse température

Condensation des fumées

Equilibrage hydraulique

Régulation optimisée

Pompe à chaleur (électricité, gaz)

Ventilation double flux

Isolation des conduites

Free cooling

Pile à combustible

Couplage chaleur-force

Chaleur récupérée

Copeaux de bois pellets

Solaire thermique pour eau chaude (et chauffage)

Biogaz

Sondes en terre

Solaire photovoltaïque

Eau du lac

Nappes souterraines

Stockage saisonnier

Puits canadiens

Froid solaire

Géothermie

CONCEPTION / PLANIFICATION / REGLAGE

Exploitation des ressources locales



Figure 2 Production comparée de CO2 à effet de serre des différents combustibles et systèmes de production de chaleur

type de chauffage (et origine de l'énergie électrique) Rendement** Production comparée de CO2

non renouvelable

Chauffage bois PCS* 0.70 - 0.80 0%***

Chauffage gaz PCS* 0.85 - 0.95 70%

Chauffage biogaz PCS 0.85 - 0.95 0%

Chauffage mazout PCS* 0.80 - 0.90 100%

Chauffage électrique (hydraulique, éolienne ou photovoltaïque) 0.98 0%

Chauffage électrique (nucléaire) 0.33 0%

Chauffage électrique (thermique au gaz) 0.39 210%

PAC électrique (hydraulique, éolienne ou photovoltaïque) 3.0 - 4.5 0%

PAC électrique (nucléaire) 1.0 - 1.5 0%

PAC électrique (thermique au gaz) 1.2 - 1.8 65%

PAC à absorption à gaz PCS* 1.2 - 1.4 50%

PAC à absorption au biogaz PCS* 1.2 - 1.4 0%

Groupe chaleur force + PAC électrique 1.5 - 2 45%

Chauffage par capteurs solaires 0%

* PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur, pour les dispositifs de chauffage à brûleur (bois, mazout ou gaz). Tient compte de l'énergie récupérée par condensation des vapeurs issues de la combustion. ** Rendement : calculé à partir de la consommation d'énergie non renouvelable. Ex : Pour une PAC électrique de rendement 4.5 alimentée par une centrale nucléaire de rendement 0.33, le rendement final est égal à 4.5 x 0.33 = 1.5. *** Le CO2 produit par combustion ignée est renouvelable, le bois de chauffage étant issu de forêts replantées, captant le CO2 émis



Figure 11 Consommations d'énergie comparées, des bâtiments d'habitations et administratifs (chaleur et électricité) au Nord des Alpes, selon l'année de construction.

Période Consommation en mégajoules Equivalent fuel

Avant 1920 500 MJ/m2 an 14 l/m2 an

1950 - 1970 900 MJ/m2 an 25 l/m2 an

Standard actuel < 350 MJ/m2 an < 10 l /m2 an

Minergie < 250 MJ/m2 an < 6,5 l/m2 an

Zéro énergie < 100 MJ/m2 an < 2,5 l/m2 an

La surface de référence est : Surface des locaux chauffés considérés à l'extérieur du bâtiment.



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