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Concours E+

Anticiper la RT2020 : conception d’un bâtiment Bepos

et stockage d’énergie intersaisonnier .

Une proposition fondée sur la combinaison de deux principes clés :

- Une enveloppe très performante grâce à une structure mixte alliant les atouts du bois, de

la paille et du béton ;

- Un stockage intersaisonnier de la chaleur assuré par une cuve à eau et valorisé par une pac.

Antoine Boulla

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Concours E+ - A. Boulla - octobre 2012

Introduction

Responsable de 43% de la consommation d’énergie française et de 25% des émissions de gaz

à effet de serre, le secteur du bâtiment représente un important gisement d’économies d’énergie

qu’il s’agit d’exploiter au mieux dans les années à venir. L’enjeu est d’autant plus important que les

savoirs faire et les techniques permettant de réaliser des bâtiments performants existent déjà, ou en

sont à des stades de développement très avancés.

Toutefois la notion de bâtiment durable, écologique, dépasse le simple critère de la performance

énergétique et ne prend tout son sens qu’en adoptant une vision globale et transversale. Les choix

urbanistiques, les modes constructifs, l’énergie grise, la recyclabilité et la durabilité des matériaux,

les coûts, le confort hygrométrique, acoustique ou visuel, sont autant de paramètres à intégrer dans

cette grande équation qui lie le secteur du bâtiment aux enjeux du développement durable.

Au cours des dernières décennies, la paille, et particulièrement sous forme de botte, a très

lentement vu son statut passer de sous-produit agricole à celui de matériau de construction. Bien

qu’encore méconnue et assez mal acceptée par le public et les acteurs du bâtiment, la paille dispose

de qualités remarquables. Bon isolant thermique, économique, disponible et résistante au feu sous

forme de botte, à faible impact environnemental, la paille dispose d’atouts qui devraient suffire à

effacer les a priori dont elle souffre et qui en freinent l’utilisation dans la construction. Pourtant,

actuellement la paille n’est utilisée que pour la construction de maisons individuelles ou pour des

petits bâtiments.

Ces constats m’ont amené à développer un principe constructif innovant associant une

structure en béton de grande taille à une enveloppe isolante en bottes de paille. En fabriquant des

caissons en atelier en parallèle du gros-œuvre, les entreprises classiques du bâtiment pourraient

ainsi réaliser en des temps records des bâtiments performants, écologiques et économiques.

En parallèle des réflexions sur les ressources solaires et le stockage inter-saisonnier ont été

menées et ont abouties à la mise au point d’un stockage thermique d’énergie valorisée par une PAC.

Le stockage intersaisonnier permet au bâtiment d’utiliser l’hiver le généreux rayonnement estival,

par le biais d’une pac fonctionnant alors au meilleur de ses capacités.

Un bâtiment bioclimatique, fruit de ses techniques, a alors été conçu et simulé sous Trnsys

17. Celui-ci présente un excellent bilan énergétique, et la production photovoltaïque placée sur sa

toiture lui permet de produire plus d’énergie qu’il n‘en consomme et d’ainsi répondre aux exigences

de la future RT2020.

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Sommaire

Introduction ............................................................................................................................................. 2

Sommaire ................................................................................................................................................ 3

Synthèse .................................................................................................................................................. 4

I) Création d’un système constructif mixte bois/paille/béton. ............................................................... 5

1) Les qualités de la paille pour la construction. ............................................................................. 5

2) Etat des lieux de la filière paille. .................................................................................................. 6

3) Un concept innovant : allier la paille au béton. .......................................................................... 8

4) Création d’un système de caissons préfabriqués isolés en paille. .............................................. 9

II) Création d’un système de stockage solaire inter-saisonnier. ........................................................... 11

1) Constat. ..................................................................................................................................... 11

2) Utilisation d’une pac eau/eau. .................................................................................................. 11

3) Principe de fonctionnement du système. ................................................................................. 12

III) Application : Conception d’un bâtiment à énergie positive............................................................. 14

1) Description du bâtiment............................................................................................................ 14

2) Hypothèses de la simulation dynamique. ................................................................................. 18

3) Mise en place du système de stockage. .................................................................................... 20

4) Consommations du bâtiment. ................................................................................................... 22

Conclusion ............................................................................................................................................. 23

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Synthèse

Conception d’un système constructif mixte bois/paille/béton, utilisable pour le neuf et certaine

rénovation.

Etude d’un système de stockage intersaisonnier d’énergie par cuve à eau, valorisé par pac.

Simulation thermique dynamique sous Trnsys17 d’un bâtiment bepos.

Consommation en énergie finale

kwh kwh/m² SHAB kwh/m² SHON

Consommations

Consommations chauffage 1900 2.9 2.6

Consommations ECS 4400 6.8 6.0

Consommations ventilation 1600 2.5 2.2

Consommations éclairage 1450 2.2 2.0

Consommations auxiliaires 750 1.2 1.023

Total 10100 15.6 13.8

Production

photovoltaïque Production 12000 16.7 16.4

Bilan -1900 -2.9 -2.6

Excédent énergétique du bâtiment : 1900kwh, soit 2,6 kwh/m²Shon.

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I) Création d’un système constructif mixte bois/paille/béton.

1) Les qualités de la paille pour la construction.

La paille est avant tout utilisée dans la construction en tant qu’isolant. La caractéristique qui

définit le pouvoir isolant d’un matériau est sa conductivité λ, plus sa valeur est faible, plus le

matériau est isolant. Il n’existe pas de consensus sur la valeur exacte de la conductivité de la paille

sous forme de botte. Elle dépend notamment du sens des fibres, une botte posée sur le chant étant

plus isolante qu’une sur la tranche. En Europe sa valeur varie entre 0,045 (norme autrichienne) et

0,056 W/m.K (Danemark), la valeur réglementaire en France est désormais de 0,052 W/m.K

(RT2012). Cette conductivité est environ 25% moins bonne que celle des isolants minéraux

traditionnels (laine de verre ou roche). En revanche cet écart est largement compensé par le fait que

la paille peut être utilisée en épaisseur beaucoup plus importante qu’un isolant fixé sur un mur

maçonné, puisqu’on l’utilise en remplissage. A épaisseur égale, un mur isolé en botte de paille est au

minimum 25% plus isolant qu’un mur traditionnel.

Un autre atout de la paille est sa capacité à réguler son hygrométrie, à pouvoir contenir une

certaine quantité d’eau sans modifier sa conductivité. En réalisant une paroi perspirante (étanche à

l’eau et l’air mais pas complètement à la vapeur), le mur capte ou relâche de l’eau en fonction des

saisons et besoins et crée une atmosphère intérieure particulièrement confortable.

Alors que les propriétés des isolants minéraux se dégradent de manière très importante et

irréversible au cours du temps en cas de fuite dans les pare-vapeurs, un mur en paille bien conçu

conservera ses capacités isolantes durant toute la durée de vie du bâtiment. La plus vieille maison en

paille en France a fêté ses 90 ans cette année et demeure en parfait état.

Des mesures sur une salle de concert isolée en paille à Marseille ont aussi confirmé les bonnes

performances des parois en paille en termes d’affaiblissement acoustique.

Enfin, contre toute attente, la botte de paille présente une bonne tenue au feu. Compacte,

elle ne contient pas assez d’oxygène pour entretenir un feu, et va se consumer lentement en surface.

La sécurité incendie est d’autant plus facile à respecter que la paille est toujours enduite ou

recouvert d’un parement qui joue un grand rôle dans la tenue au feu de la paroi. En France de

récents essais ont autorisé la paille à être utilisée dans des établissements recevant du public en R+2.

De plus il est à noter qu’en cas de combustion la paille n’émet pas de vapeurs toxiques.

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En plus des ces qualités techniques, l’avantage indéniable de la paille face à des isolants

manufacturés est son très faible impact environnemental. Son énergie grise, c’est à dire l’énergie

nécessaire à sa production, son transport, sa mise en œuvre et à son recyclage est entre 300 et 1000

fois moins importante que celle des isolants industriels! Ceux-ci ont notamment besoin de cuisson

énergivore pour leur production alors que la paille utilise une énergie renouvelable et non

transformée : celle du soleil. Le fait qu’elle soit disponible localement limite aussi les transports ce

qui améliore son bilan carbone.

Avec l’amélioration de la performance énergétique des bâtiments, la part de l’énergie grise

contenue dans le bilan énergétique global d’un bâtiment (construction, exploitation, destruction)

devient de plus en plus importante. C’est pourquoi travailler à la baisse des consommations de

fonctionnement des bâtiments ne suffit plus et qu’il est important de ne pas oublier ce qui deviendra

bientôt la partie immergée de l’iceberg. L’utilisation de la paille est donc très intéressante afin de

réduire significativement les consommations globales et totales du bâtiment.

Enfin tout comme le bois, la paille permet d’ailleurs de stocker du CO2 dans le bâtiment, elle

est parfaitement biodégradable et enrichira les sols après la destruction du bâtiment sans traitement

particulier.

2) Etat des lieux de la filière paille.

Les premières constructions en paille apparurent au XIXe siècle dans le Nebraska, aux Etats-Unis.

Disposant de très peu de ressources (bois ou pierre), les colons profitèrent de l’invention des

botteleuses pour construire des maisons dont les murs, empilement de bottes de paille recouverts

de boue sur les deux faces, soutenaient le toit. Avec cette « technique Nebraska » les bottes sont

structurelles. Cette technique à été bien améliorée depuis et des recherches sont toujours en cours

sur le sujet, mais elle reste peu utilisée actuellement. Pourtant la plus vieille maison de ce type au

Nebraska a plus d’un siècle !

Partout dans le monde et notamment en Europe, la technique la plus utilisée est désormais

celle de la structure porteuse en bois, remplie de botte de paille en guise d’enveloppe extérieure

isolante. La paille n’a alors qu’un rôle d’isolation et c’est la structure en bois qui supportent

l’ensemble des charges.

Construction de type « Nebraska ». Construction avec ossature en bois.

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Bâtir en paille n’est pas synonyme de rusticité ! Une fois la construction achevée, aucun

indice visuel ne peut laisser penser que la construction utilise de la paille. Du côté intérieur elle peut

être enduite et peinte, ou recouverte de plaque de plâtre tout à fait ordinaire. Côté extérieur, elle

sera protégée par un enduit, un bardage en bois ou en tôle… L’utilisation de la paille n’est donc que

très rarement un obstacle aux souhaits esthétiques des architectes et maîtres d’ouvrage.

Différents traitements de façade de construction en paille.

En 2005, 15% de la production de paille française aurait suffit à construire l’intégralité du

parc de logements neufs. Ce pourcentage aurait alors approchée la limite de disponibilité de la

ressource, au delà duquel la construction interfère avec les autres utilisations qui en sont faites.

L’hypothèse d’un parc français entièrement construit en paille n’étant pas réaliste, ni souhaitable, la

paille semble donc une ressource suffisamment disponible et abondante pour être utilisée dans le

secteur du bâtiment à grande échelle.

Enfin la paille est un matériau économique. A résistance thermique équivalente, elle est 5

fois moins chère qu’un isolant minéral classique. Des baisses de coût au niveau de l’enveloppe,

néanmoins très performante, permettent ainsi par exemple d’investir dans une production d’énergie

renouvelable sans pour autant trop augmenter le coût final du bâtiment.

Le secteur de la construction paille s’organise et se professionnalise avec l’apparition en

juillet dernier des règles professionnelles de la construction paille, un ouvrage technique de mise en

œuvre des bottes de paille en tant qu'isolant et support d'enduit. Ce document officiel, équivalent à

un DTU, décrit les bonnes pratiques de mise en œuvre et permet de crédibiliser la filière et de

rassurer diffèrent acteurs du bâtiment (maîtres d’ouvrage, assureur, bureaux de contrôle…).

Les moissonneuses batteuses modernes, équipées de nombreuses technologies, permettent

désormais de numéroter les ballots, connaître l’hygrométrie exacte lors du ballotage, contrôler

précisément leurs dimensions… Leur utilisation permettrait de faciliter la mise en place d’une filière

d’approvisionnement fiable.

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3) Un concept innovant : allier la paille au béton.

Malgré ses qualités techniques, la paille n’est encore utilisée dans la construction que pour des

petits projets et son potentiel est donc largement sous exploité. Mes réflexions ont eu pour finalité

de concilier l’utilisation de la paille avec la construction de grands bâtiments, sans rupture majeur

avec les techniques maîtrisées, tout en respectant les cadences élevées des chantiers actuels.

J’ai donc imaginé un système se basant sur une technique de construction de structure couramment

utilisée, auquel viennent s’intégrer des caissons préfabriqués remplis de bottes de paille.

La structure de mon bâtiment est tout à fait basique, il s’agit d’un système poteaux/poutres en

béton, tel que les entreprises de construction réalisent couramment. Quelques murs de refends

intérieurs en béton séparant les logements font office de contreventement et résistent aux efforts

latéraux (vents…). Sur cette structure viennent s’accrocher des panneaux préfabriqués en

bois/remplissage paille, qui créent l’enveloppe isolante de notre bâtiment.

Structure du bâtiment, et mise en place des panneaux.

D’un point de vue thermique l’alliance béton/paille est très intéressante. La paille procure

une très bonne isolation du bâtiment, en revanche elle n’apporte pas d’inertie. L’inertie permet à un

bâtiment d’atténuer les variations de température extérieure et d’ainsi limiter les consommations de

chauffage ou climatisation. Dans notre bâtiment, c’est la structure en béton qui apporte de l’inertie,

et permet d’accumuler de la chaleur ou de la fraicheur selon les saisons. L’inertie d’un bâtiment a un

grand impact sur le confort d’été notamment car elle permet, couplée à une ventilation adaptée,

d’éviter les surchauffes.

Les simulations thermiques dynamiques réalisées sous TRNSYS (exposées en partie IV) ont permis

de vérifier que ce procédé constructif permettait la construction d’immeubles respectant le standard

Passiv’Haus, et dont le confort aussi bien hivernal qu’estival était parfaitement respecté.

Concours E+

4) Création d’un système

La préfabrication de caissons en bois a de nombreux

rapidité de mise hors d’eau/hors d’air du chantier, les panneaux pouvant être fabriqués en atelier en

parallèle du coulage de la structure béton.

rentabilité du projet. La préfabrication per

météorologiques, la paille, comme tout isolant, craignant la pluie et devant être mis en œuvre sec.

De plus le système de panneaux permet à la fois d’avoir un

les coûts de mise en place de chaine de production et d’améliorer son efficacité, tout en laissant une

grande liberté dans l’architecture

Le choix d’une ossature fournissant des plateaux quasiment libre

permets d’imaginer une reconversion

son utilisation. Bien que cette technique soit ici illustré

d’ailleurs s’adapter à celle de bureaux.

Les panneaux sont très simples,

fixés des montants en bois massif, entre ceux

montants massifs plutôt que des poutres en I permet d’assurer une

bottes de paille et les poutres, afin d’éviter les

Un pare-pluie en fibre de bois

ponts thermiques structurels du panneau.

un contre-lattage permettant la mise en place d’un bardage

Les panneaux peuvent avoir des largeurs différentes en fonction des besoins et intègrent l

menuiseries. Celles-ci sont directement fixé

dormant étant réalisée à l’aide de compri

dalle à dalle.


Création d’un système de caissons préfabriqués isolés en paille.

La préfabrication de caissons en bois a de nombreux avantages. Elle permet une très grande

de mise hors d’eau/hors d’air du chantier, les panneaux pouvant être fabriqués en atelier en

parallèle du coulage de la structure béton. Les délais de construction sont ainsi réduits

rentabilité du projet. La préfabrication permet aussi de s’affranchir des

, la paille, comme tout isolant, craignant la pluie et devant être mis en œuvre sec.

De plus le système de panneaux permet à la fois d’avoir un système reproductible

e de chaine de production et d’améliorer son efficacité, tout en laissant une

liberté dans l’architecture du bâtiment.

Le choix d’une ossature fournissant des plateaux quasiment libres, tout comme les bureaux,

reconversion du bâtiment et lui permettre de changer d’

Bien que cette technique soit ici illustrée par la création de logements, elle pourrait

d’ailleurs s’adapter à celle de bureaux.

très simples, constitués d’un panneau d’osb ou de fermacell

fixés des montants en bois massif, entre ceux-ci sont placés les ballots de pailles. Choisir des

montants massifs plutôt que des poutres en I permet d’assurer une meilleure jonction

afin d’éviter les vides, et facilite leur mise en place

pluie en fibre de bois de 5 cm d’épaisseur ferme le caisson, et permet de diminuer les

ponts thermiques structurels du panneau. Ce pare-pluie peut-être directement enduit,

lattage permettant la mise en place d’un bardage extérieur (bois ou autre).

Les panneaux peuvent avoir des largeurs différentes en fonction des besoins et intègrent l

ci sont directement fixées sur les montants en bois, l’étanchéité

étant réalisée à l’aide de compri-bande. La hauteur des panneaux leur permet d’aller de

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isolés en paille.

. Elle permet une très grande

de mise hors d’eau/hors d’air du chantier, les panneaux pouvant être fabriqués en atelier en

réduits, améliorant la

i de s’affranchir des contraintes

, la paille, comme tout isolant, craignant la pluie et devant être mis en œuvre sec.

système reproductible, afin d’amortir

e de chaine de production et d’améliorer son efficacité, tout en laissant une

, tout comme les bureaux,

permettre de changer d’usages au cours de

par la création de logements, elle pourrait

ou de fermacell sur lequel sont

ci sont placés les ballots de pailles. Choisir des

meilleure jonction entre les

facilite leur mise en place.

de 5 cm d’épaisseur ferme le caisson, et permet de diminuer les

être directement enduit, ou incorporer

(bois ou autre).

Les panneaux peuvent avoir des largeurs différentes en fonction des besoins et intègrent les

étanchéité à l’air avec le

bande. La hauteur des panneaux leur permet d’aller de

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La conductivité globale d’un mur constitué des ces panneaux est de 0,13w/m².K, y compris les

ponts thermiques structurels. Il n’est pas rare que les ponts thermiques d’attache des bardages

soient sous-estimés ou oubliés sur des projets, alors que ceux-ci peuvent grandement diminuer les

performances réelles d’une paroi. Ce système de panneau au contraire garantit une excellente

résistance thermique de l’ensemble de la paroi, finition comprise.

Calculs des ponts thermiques structurels d’un mur composé de 3 panneaux -Visualisation des flux.

Les panneaux sont accrochés sur la structure béton à l’aide de platine en acier. Une chape

acoustique mise en place après la pose des panneaux et le traitement de la face intérieure permettra

d’assurer le confort acoustique des logements.

Le pont thermique au niveau du plancher ou des murs de refend est inexistant avec une valeur

quasi nul de Ψ=0,033W/m.K. (une surface de mur équivalent à celle en contact avec la rive de dalle

aurait eu un U=0,026W/k).

Etude de l’impact du pont thermique du système d’accroche – répartition des températures.

L’étanchéité à l’air est assurée après la pose des panneaux, soit par un enduit intérieur étanche à

l’air, soit par la pose d’un frein-vapeur avant mise en place de panneaux de finition. Dans tous les cas

une attention particulière doit-être apportée au respect de la perspirance du mur (notamment dans

le choix des peintures) afin d’être sûr de bénéficier de la régulation hygrométrique qu’il peut offrir.

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II) Création d’un système de stockage solaire inter-saisonnier.

1) Constat.

L’idée du stockage inter-saisonnier n’est pas nouvelle. Alors que nous avons de forts besoins de

chaleur en hiver, c’est l’été que les apports solaires sont les plus importants. Récupérer la chaleur

abondante en été, pour l’utiliser contre le froid de l’hiver serait donc l’idéal pour diminuer les

consommations de nos constructions. Nous savons profiter de la chaleur solaire et l’utiliser grâce à

des panneaux thermiques, mais nous l’utilisons quasi instantanément alors qu’il faudrait la déphaser

de plusieurs mois.

L’eau est un bon moyen de stocker la chaleur, facilement utilisable et propre, avec une capacité

de stockage d’environ 1.16 kwh/m3.K. Mille litres d’eau à 75° contiennent donc potentiellement

80kwh si on les refroidit jusqu’à 5°C. 80kwh/m².an équivaut au besoin de chauffage d’une

construction peu performante, il faudrait donc pour une maison de 100m², disposer d’une cuve de

100m3 pour contenir l’énergie nécessaire à la chauffer un an ! Un tel ratio paraît aberrant, est rend

l’idée de stockage par eau ridicule.

En revanche en faisant cet exercice sur un bâtiment extrêmement performant, l’idée semble

moins saugrenue… Une construction passive, dont le besoin serait de 15kwh/m².an, n’aurait donc

plus besoin que d’environ 200 litres de stockage d’eau par m² d’habitation, soit 20m3 pour une

maison de 100m². Nous avons divisé par 5 le volume de stockage, mais celui-ci semble toujours bien

élevé, notre cuve occuperait environ la surface d’une place de parking, cela paraît bien irréaliste pour

une petite maison.

2) Utilisation d’une pac eau/eau.

Afin de valoriser au maximum des calories stockées dans cette cuve, la mise en place d’une

pompe à chaleur eau/eau semble pertinente. Nous connaissons les très bonnes performances de tels

systèmes utilisant la géothermie, avec des COP compris globalement entre 4 et 6 en fonction du

potentiel du site. L’utilisation d’une cuve de stockage permet donc de disposer d’eau chaude et

d’obtenir des COP équivalent à ceux d’un système géothermique, et même meilleur en fonction de la

régulation de la source froide de la PAC (qui se trouve être notre cuve d’eau chaude).

Nous pouvons ainsi diminuer d’environ 5 notre volume d’eau, puisqu’une calorie stockée en

donnera cinq par le biais de la pac. Nous obtenons alors un volume de 4m3, que l’on peut apparenter

à des volumes de ballon de stockage d’ECS de logements collectifs, cela semble toujours gros pour

fournir seulement le chauffage d’une habitation de 100m².

En revanche le raisonnement très simplifié que nous venons de suivre a ses limites : il ne prend

pas en compte la dynamique du système : les panneaux chauffent l’eau jour après jour, au fur et à

mesure que la pac elle puise de l’énergie et la refroidit. Le volume de la cuve peut donc

vraisemblablement être diminué. Il s’agit donc de travailler heure par heure sur l’année pour trouver

un dimensionnement des panneaux solaires et de la cuve atteignant un équilibre, permettant à la

fois de stocker assez de chaleur en été pour l’hiver, sans avoir un volume trop important.

Au final nous pouvons considérer qu’un tel système permettrait à un projet, quelque soit son

potentiel géothermique, de disposer des meilleurs performances de pac possibles.

12


3) Principe de fonctionnement du système.

Nota Bene : Le but de mon exposé est avant tout d’évaluer la pertinence et la faisabilité d’un

système de stockage valorisé par une Pac suite à l’amélioration des performances de nos

constructions, d’un point de vue du bilan énergétique. Mes connaissances en installations solaires,

pompes à chaleur, et le peu de temps que j’ai pu consacrer à ce projet ne me permettent que de

proposer une ébauche d’installation, et non un système fonctionnel en l’état. Je prie donc aux

techniciens et experts dans le domaine d’être cléments à ce sujet, étant conscient que cette

proposition a ses limites, mais espère que cela n’enlève rien à la pertinence de la démarche.

Principe de fonctionnement du système.

Nous dimensionnons généralement des panneaux solaires pour qu’ils compensent en moyenne

et sur l’année environ 50% des besoins en ECS des logements. Nous pouvons difficilement augmenter

la surface de captage, car les panneaux produisent alors en été un excédent de chaleur

dommageable aux panneaux.

Avec un système conventionnel, une calorie captée est stockée dans un ballon tampon, puis

transmise à l’eau chaude sanitaire par le biais d’un échangeur. Le rendement global de l’échange est

alors inférieur à 100%. Comment peut-on mieux valoriser cette précieuse calorie et en tirer le

maximum? En utilisant une pac eau/eau comme bras de levier qui fournira cinq calories aux réseaux

d’eau chaude pour une seule captée grâce au soleil ! On peut alors imaginer qu’une surface de

panneaux solaire « classique », ne permet plus seulement de couvrir 50% des besoins en ECS mais

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leur totalité, ainsi que ceux du chauffage! L’excédent d’énergie captée l’été peut-être déphasé et

utilisé en hiver, par le biais du stockage.

Le système est donc constitué de :

- Capteurs solaires thermiques.

- Une cuve de grande capacité (béton ou autre), fortement isolée.

- Un système de régulation et vanne trois voies permettant d’alimenter à débit et température

contrôlés la pac.

- Une pac eau/eau.

- Des boucles de chauffage/ecs calorifugées.

Seule une première approche a pu être effectuée, l’installation est ici très simplifiée et il

s’agirait d’étudier et de vérifier :

- L’influence de la stratification dans le stockage, la nécessité ou non de mettre en place un brassage

pour homogénéiser la température.

- La régulation de l’alimentation de la PAC (hauteur des prises d’eau dans la cuve, position du retour,

mise en place de vanne troies voies au autre…)

- La régulation des capteurs solaires, la mise en place de l’échangeur thermique…

Enfin une piste très intéressante serait l’utilisation dans la cuve de stockage de matériaux à

changement de phase (avec une température de fusion autour des 75°C ou moins), qui auraient

l’avantage de diminuer la température maximale dans la cuve, ainsi que son volume.

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III) Application : Conception d’un bâtiment à énergie positive.

1) Description du bâtiment.

L’immeuble proposé ici est un petit immeuble collectif de 4 étages et 12 logements (4 T1, 4 T2 et

4T3) d’environ 650 m² SHAB. En plus d’une excellente enveloppe utilisant le système constructif

proposé plus haut, une conception bioclimatique et l’utilisation d’une ventilation double-flux a

permis de limiter les besoins de chauffage à leur strict minimum, tout en garantissant un excellent

confort des logements et une haute qualité de vie.

Une performance d’enveloppe exceptionnelle.

Le bâtiment est de forme très simple pour limiter au maximum les surfaces déperditives.

Néanmoins les balcons, les végétaux ou les matériaux sont autant d’éléments permettant de jouer

sur sa volumétrie pour améliorer sa qualité architecturale.

Chaque étage comporte trois appartements, desservis par une coursive extérieure comprenant

un escalier et un ascenseur. Tout comme les balcons qui offrent de larges espaces de vie extérieur,

celle-ci est en structure bois, désolidarisée de l’enveloppe pour limiter les ponts thermiques.

Les menuiseries bois en triple vitrage – bien que parfois discutables d’un point de vue

apports/déperditions pour une orientation sud – assurent une température de paroi élevée

garantissant un confort exceptionnel. Leur intégration dans les panneaux en préfabrication et un

retour d’isolant permet de limiter au maximum les ponts thermiques de pose.

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Parois Constitution Performances

Murs verticaux

panneaux

préfabriqués

bois/paille + fibre

de bois

0.13 W/m².k

Plancher bas

panneaux

préfabriqués

bois/paille + fibre

de bois sur dalle

béton

0.124 W/m².k

Plancher haut

panneaux

préfabriqués

bois/paille + fibre

de bois sur dalle

béton

0.125 W/m².k

Menuiserie Triple vitrage bâti

bois Uw=0.8w/m².k, g=0.55

Pont thermique pose fenêtre

Ψ=0,027W/m.K

Pont thermique dalle ou refend

Ψ=0,033W/m.K

Pont thermique plancher haut

Ψ=0,056W/m.K

Pont thermique plancher bas

Ψ=0,042W/m.K

L’étanchéité à l’air est traitée comme indiquée au paragraphe I.4. avec pour objectif un N50<0,6

volume/heure.

Des apports solaires optimisés.

L’excellente isolation et le soin porté aux détails permet de conserver au maximum tous les

apports internes en hiver. La façade sud, largement vitrée, a été conçue de manière a capté au

maximum le soleil en période de chauffe.

Les balcons ont été placés en quinconce, afin que leur ombre ne porte pas sur les plus grandes

baies vitrées. Leur forme arrondie permet de bénéficier au maximum des rayons solaires. Afin de

protéger l’ensemble des vitres du soleil – mais uniquement en été – des fillins métalliques suspendus

à la structure des balcons permettent de faire pousser des végétaux caduques. Des protections

mobiles (toiles...) seront à prévoir les premières années de croissance des végétaux pour garantir le

confort estival.

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Un confort en toute saison.

La mise en place d’une ventilation double –flux permet de garantir une bonne qualité de l’air et

un confort hivernal sans courant d’air froid. L’excellente isolation et les triple vitrages annule l’effet

de paroi froide et évite une surconsommation due à une température de consigne élevée. Les jours

de grands froids, l’appoint de chaleur est fourni par un système à eau chaude, que ce soit par

exemple des radiateurs rayonnant basse température (afin de maximiser les performances de la PAC)

ou des batteries chaude placées dans les conduits de ventilation pour un chauffage par air.

L’été, les apports solaires sont limités par les balcons et casquettes végétalisées. Les logements

traversant utilisent à la fois des courants d’air et l’inertie du béton pour profiter de la fraicheur

nocturne et garantir une température confortable 24h/24.

Température dans un logement (en vert) et température extérieure (en rose) durant une semaine en été.

Une diminution des consommations des auxiliaires de chauffage et ventilation.

La mise en place d’une ventilation double-flux engendre d’importantes consommations de

ventilateurs, ce type d’installation mécanisant non seulement l’extraction mais aussi le soufflage.

Afin d’éviter de faire fonctionner deux ventilateurs quand ce n’est pas nécessaire - l’échangeur étant

by-passé une grande partie de l’année – des entrées d’air dans les fenêtres peuvent être ouvertes

hors saison de chauffe. Ainsi l’air entre de manière naturelle par celles-ci et est extrait par un seul

ventilateur, limitant ainsi la consommation électrique. Ces bouches peuvent être fermées en hiver et

se doivent d’être parfaitement étanche à l’air.

Les pompes de circulations du système de chauffage sont à débit variable afin d’adapter le débit

d’eau chaude aux besoins de l’immeuble.

17


Un bâtiment à faible impact environnemental.

L’augmentation de la performance énergétique des bâtiments augmente inéluctablement la

proportion d’énergie grise contenue dans le bilan global de ses consommations. La paille est produite

avec l’énergie la plus propre qu’il soit, ne nécessitant ni transformation, ni capteurs : le rayonnement

solaire. L’énergie nécessaire à la production d’un ballot de paille est donc limitée à son strict

minimum : l’ensemencement, la moisson et le ballotage, et le transport. Ainsi à titre de comparaison,

1m3 de laine de roche contient environ 700 kwh en énergie grise, contre une dizaine pour le même

volume de paille.

Ainsi en isolant notre immeuble en paille et fibre de bois, plutôt qu’en laine de roche par

exemple, l’énergie grise contenue dans le système isolant à été réduite de 90%. Environ 20000kwh

ont ainsi été économisés, soit une vingtaine d’année d’utilisation du bâtiment (sur les postes

réglementaires) !

De plus le bois et la paille permettent de capter du CO2, et soulage d’autant l’atmosphère. Plus

de 50 tonnes de CO2 seront ainsi contenu dans l’enveloppe isolante durant toute la durée de vie de

l’immeuble.

Aucun adjuvant ni traitement n’est nécessaire pour utiliser les ballots de paille dans la

construction. Sa mise en place n’émet aucune poussière toxique, son utilisation aucun COV, autant

d’atouts pour avoir une qualité de l’air optimale.

Enfin en cas de déconstruction du bâtiment, les panneaux pourront être réutilisés pour d’autres

projets. Si besoin il suffira de laisser la paille à l’air libre pour qu’elle se décompose et puisse boucler

son cycle de vie, en enrichissant les sols.

18


2) Hypothèses de la simulation dynamique.

L’ensemble du bâtiment et le système de chauffage/ecs (hors émission), ont été modélisés sous

TRNSYS 17.

La station météorologique est celle de Meteonorm – Paris Montsouris.

Les caractéristiques de l’enveloppe sont celles-indiquées plus haut (III.1).

48 personnes au total : 1 personne par T1, 2 par T2, 3 par T3.

Le rendement de la double-flux retenu est de 85%.

Débit de ventilation de 0,5 volume/heure par logement 24h/24.

Infiltrations parasites de 0,05 volume/heure (correspondant à un n50 < 0.6vol/h).

La consommation des ventilateurs est de 0.20 w/m3.h (en soufflage et en extraction). Il serait

intéressant d’étudier l’utilisation des ventilateurs à vitesse variable et d’asservir la ventilation à

l’occupation pour diminuer leur consommation, élevée dans le bilan global du bâtiment.

Température de consigne hivernale : 20°C, 24h/24.

Apports internes (occupation, activité, appareil, éclairage) : entre 2 et 6 w/m² en fonction de l’heure.

Besoins en ECS : Moyenne de 1 kwh/jour par personne, coefficient de variation en fonction de

l’heure et de la saison.

Surventilation nocturne estivale : 4 vol/heure.

Par de manque de temps n’ont pas pu être calculés de façon dynamique sur toute l’année :

- Les consommations d’éclairage. L’immeuble bénéficiant de larges ouvertures, nous retiendront une

consommation moyenne de 2 kwhef/m²ShonRT.an.

- Le cop de la pac. La cuve de stockage permettant de fournir toute l’année une eau entre 10 et 20°C

pour la source froide, les cop retenu ont été de 6 pour le chauffage, et de 4,5 pour l’ECS.

- Les consommations des ventilateurs.

- Les consommations des auxiliaires (hors ventilation). On retiendra un ratio classique RT2012 de

l’ordre de 1 kwhef/m²ShonRT.an.

- La production photovoltaïque.

19


Arborescence de la simulation sous Trnsys17.

Surface

SHAB Nombre Total

T1 38 4 152

T2 52.5 4 210

T3 71.25 4 285

Total 647 m² SHAB

Total 733 m² SHON

Récapitulatif des surfaces de l’immeuble.

20


3) Mise en place du système de stockage.

La simulation expliquée dans le paragraphe précédent permet d’obtenir le besoin en chaleur du

bâtiment (chauffage + ECS) heure par heure tout au long de l’année.

En parallèle l’ensemble du système de stockage a été simulé avec les éléments suivants :

- capteurs solaires

- cuve de stockage

- PAC

D’un côté les capteurs solaires - liés aux conditions de température et rayonnement du lieu -

chauffent l’eau de la cuve de stockage. De l’autre la pac prélève des calories de la cuve pour fournir

la chaleur nécessaire aux besoins de chauffage et d’eau chaude sanitaire avec un coefficient de

performance de 4.5 pour l’ECS et 6 pour le chauffage. Le rendement total de l’installation en aval de

la PAC (distribution…) a été pessimistement pris à 80%.

Un équilibre a été cherché entre le volume de la cuve et la superficie de capteurs afin de :

- Avoir une température d’eau de cuve ne descendant pas sous 10°C (pour garantir une excellente

performance de la pac) et n’excédant pas 75°C.

- Sur l’année, avoir autant de gains par les capteurs que de « déperditions » (utilisation par la pac et

déperdition conductives), afin de ne pas surdimensionner la dimension des capteurs et avoir une eau

en moyenne de plus en plus chaude année après année.

Au final pour obtenir ces résultats l’installation est constituée :

- d’une cuve de 45m3, de conductivité de paroi U=0,10W/m². Elle est placée en sous-sol, à côté du

local technique.

- de 24 m² de panneaux solaires thermiques, inclinés à 50°.

La quantité annuelle d’énergie captée par les capteurs est d’environ 9500kwh (soit

400kwh/m² de panneau). Environ 25% de celle-ci est perdue par transmission au niveau de la cuve (la

température de l’eau dans la cuve étant en moyenne élevée, de 43°C).

En parallèle du système de stockage de chaleur une production photovoltaïque est mise en place

sur le reste de la toiture. Une surface d’environ 85m² de capteur monocristallin, inclinés à 35°, est

installée pour une puissance crête d’environ 13 kwc.

L’électricité produite par cette installation peut-être revendue à un fournisseur d’énergie, mais

aussi alimenter un système de stockage sur batterie. Un fonctionnement en site isolé serait alors

envisageable.

Il serait aussi intéressant d’étudier la mise en place d’un système permettant d’utiliser la

production électrique instantanément pour alimenter la pac - associée à un petit ballon tampon - afin

de limiter au maximum l’utilisation de batterie.

Aussi l’utilisation de capteurs solaires hybrides (thermique et photovoltaïque) pourrait

éventuellement permettre d’optimiser la production d’énergie solaire.

21


Evolution de la température moyenne de la cuve durant une année.

Le graphique ci-dessus illustre bien le processus de stockage inter-saisonnier. L’été l’eau est

chauffée jusqu’à 75°, permettant à la cuve de fournir jusqu’à 4 mois de chaleur (via la PAC) à

l’immeuble avec une performance maximale. Au final c’est seulement 6 mois plus tard (grâce à la

production solaire mensuelle), à la fin de l’hiver, que la cuve est « vide ». Les besoins en chaud

diminuant à cette même période, l’eau se réchauffe alors progressivement jusqu’en septembre.

Concours E+

4) Consommations du bâtiment.

Besoins

Chauffage

Besoins ECS

Les besoins du bâtiment en chauffage sont extrêmement faibles et permettent de limiter au

maximum l’utilisation de la PAC et la consommation électrique.

Le tableau suivant résume les c

Consommations

Consommations c

Consommations ECS

Consommations ventilat

Consommations éclairage

Consommations auxiliaires

Production

photovoltaïque Production

Les excellentes performances de la PAC obtenues grâce au stockage à eau permettent

d’obtenir des consommations pour le chauffage et l’ECS

énergie finale. La consommation totale du bâtiment est de

La production photovoltaïque permet de couvrir l’ensemble des consommations des postes

réglementaires, avec un excédent d’environ

d’un système constructif propre et performant, et de technologies efficace mais

permis d’atteindre l’objectif du bâtiment à

Consommations par poste en

2.2

2.0


Consommations du bâtiment.

kwh kwh/m² SHAB kwh/m² SHON

9517 14.7 13

17634 27.3 24.1

Besoins annuels en chauffage et ECS.


maximum l’utilisation de la PAC et la consommation électrique.

Le tableau suivant résume les consommations du bâtiment selon les postes réglementaires.

Consommation en

kwh kwh/m² SHAB

Consommations chauffage 1900 2.9

Consommations ECS 4400 6.8

Consommations ventilation 1600 2.5

Consommations éclairage 1450 2.2

Consommations auxiliaires 750 1.2

Total 10100 15.6

Production 12000 16.7

Bilan -1900 -2.9


d’obtenir des consommations pour le chauffage et l’ECS extrêmement faible, de 8.6kwh/m².an en

La consommation totale du bâtiment est de seulement 13.8kwh/m².an


réglementaires, avec un excédent d’environ 2000kwh. L’association d’une conception bioclimatique,

d’un système constructif propre et performant, et de technologies efficace mais

d’atteindre l’objectif du bâtiment à énergie positive.

Consommations par poste en énergie finale en kwh/m²ShonRT.an.

2.6

6.0

2.01.0

Chauffage

ECS

Ventilation

Eclairage

Auxiliaires

22

kwh/m² SHON


du bâtiment selon les postes réglementaires.

on en énergie finale

kwh/m² SHON

2.6

6.0

2.2

2.0

1.023

13.8

16.4

-2.6


extrêmement faible, de 8.6kwh/m².an en

13.8kwh/m².an.


L’association d’une conception bioclimatique,

d’un système constructif propre et performant, et de technologies efficace mais éprouvées a ainsi

Chauffage

Ventilation

Eclairage

Auxiliaires

23


Conclusion

Ce projet est le fruit d’une réflexion globale visant à améliorer la qualité de nos constructions

sous tous leurs aspects. En associant les matériaux et techniques les plus simples qui soient - tels une

ossature béton ou des ballots de paille - à des technologies modernes mais éprouvées – pac et

photovoltaïque – j’ai cherché à concevoir un bâtiment le plus confortable et performant possible.

Ce projet à énergie positive respecte déjà les objectifs de la RT2020, sans pour autant présenter de

rupture technologique majeure. Sa conception – qui n’est pour l’instant qu’une ébauche -

nécessiterait une étroite collaboration entre les différents corps de métiers du bâtiment. C’est en

travaillant main dans la main que les architectes, thermiciens, installateurs et constructeurs…

réussiront à atteindre un optimum technico-économique pour changer en profondeur nos

habitations, tout en préservant voir améliorant notre qualité de vie.

Cet exposé ne tend pas à promouvoir un procédé ou des techniques uniques – c’est au

contraire la diversité et complémentarité des solutions qui permettront de progresser – mais il vise à

éveiller la curiosité sur les possibilités offertes au monde de la construction. Les qualités de la paille

en tant que matériau de construction sont aussi peu connues du grand public que des professionnels

du bâtiment. Bien qu’ancienne, la filière paille dans la construction demeure peu développée et

manque de crédibilité. De nombreux travaux restent encore à réaliser afin d’exploiter au mieux

toutes les qualités de ce riche matériau. Vraisemblablement, la filière aura plus de difficultés à

valoriser l’image de la paille et à faire évoluer les mentalités, qu’à surmonter d’éventuelles limites

techniques.

L’intérêt des techniques proposées ici est qu’elles sont aussi envisageables en rénovation,

domaine sur lequel d’énormes travaux sont à entreprendre. De nombreux bâtiments anciens, de

bureaux ou non, ont des structures poteaux/poutres et sont habillés de murs préfabriqués. En les

remplaçant pas les caissons proposées ici leur performance serait considérablement améliorée. Le

procédé de stockage thermique nécessite une faible surface de capteur, il pourrait donc même être

mise en place sur des rénovations en centre ville. Sans forage ou potentiel géothermique, mais

uniquement en condamnant une place de parking ou deux pour mettre une cuve et installant des

panneaux en toiture, il pourrait être envisageable d’obtenir sur des opérations de rénovation lourde

des performances du niveau de la RT2020 !

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