Eléments de choix durable

Synthèse des éléments du choix durable pour assurer le confort thermique

Aspects techniques

Pour assurer le confort thermique de façon durable, des choix techniques doivent être posés à 3 niveaux :

1. L'implantation du bâtiment en fonction de son environnement proche

2. La conception du bâtiment : son architecture

Ces deux premiers niveaux permettent de mettre en place des solutions passives. Elles sont complétées par d'indispensables mesures actives :

3. Le choix des techniques de ventilation, de chauffage et de refroidissement actif éventuel, y compris leur régulation.

L'implantation du bâtiment en fonction de son environnement proche

Selon son orientation, une façade reçoit plus ou moins d'apports solaires (nord / sud), et la protection est plus ou moins facile à réaliser (sud / est ou ouest).

D'autre part, selon l'occupation d'un bâtiment (logement, bureaux) et plus spécifiquement l'occupation de certains locaux (séjour/chambre, bureau individuel / salle de réunion), les apports solaires sont les bienvenus ou au contraire à éviter : ils peuvent contribuer au confort d'hiver ou mettre en péril le confort d'été.

L'orientation du bâtiment en général et des locaux en particulier peut donc être optimisée pour favoriser le confort, compte tenu de l'ombrage apporté par les bâtiments voisins mais également des autres contraintes du site : accès et fonctionnalité, vue, bruit, …

La conception technique et architecturale du bâtiment

En construction neuve, l'isolation thermique et l'étanchéité à l'air imposées par la réglementation permettront d'assurer le confort d'hiver. Toute amélioration de ces caractéristiques au-delà des minimums requis permettra d'améliorer le confort mais surtout de réduire les consommations d'énergie.

En rénovation, par contre, selon l'ampleur des travaux, l'enveloppe existante peut rester la source de parois froides ou de courants d'air malgré le respect de la réglementation sur la performance énergétique des bâtiments. Les choix de l'isolation thermique (les matériaux, leur épaisseur, le type de vitrage et de châssis,…) et de l'étanchéité à l'air du bâtiment auront donc une influence importante sur le confort d'hiver.

Mais d'autres mesures architecturales, reprises ci-dessous, auront une influence sur le confort d'été et d'hiver et sur les consommations énergétiques pour les assurer. Elles peuvent notamment permettre de limiter les besoins de froid voire de se passer de refroidissement actif (climatisation).

Ces mesures seront donc favorisées !

• La conception des surfaces vitrées : Cette problématique est développée dans le dossier | Assurer le confort visuel au moyen de la lumière naturelle.
• Les protections solaires. Voir dossier| Limiter les charges thermiques.
• L'inertie thermique. Voir dossier | Assurer une grande inertie thermique.

Faux-plafond acoustique partiel

Photo : MATRIciel

• Des ouvertures dans l'enveloppe du bâtiment, complétées éventuellement de cheminées permettant de mettre en place une ventilation naturelle pour rafraîchir le bâtiment de façon passive. Voir dossier | Appliquer une stratégie de refroidissement passif.
• Un atrium constituant un espace tampon pour réduire les déperditions du bâtiment et offrir une possibilité de ventilation intensive.
• Voir point 6 de la partie 3 « Optimiser l'architecture pour limiter les besoins».

Les installations techniques

En dehors des solutions architecturales qui permettent de limiter les besoins de froids, il existe des solutions techniques passives qui permettent d'assurer en partie, ou à consommation d'énergie très faible, le refroidissement des locaux :

• La géothermie : circulation d'eau ou d'air (puits provençal) dans le sol pour être rafraîchi avant circulation dans le bâtiment
• Le rafraîchissement adiabatique de l'air.

S'il n'est pas possible d'assurer le confort du bâtiment uniquement par free cooling, ces solutions seront étudiées pour compléter les mesures architecturales passives avant d'opter pour une climatisation.

Refroidissement passif ><Refroidissement actif

Les mesures passives que sont l'orientation, l'isolation thermique ou la bonne étanchéité à l'air ne peuvent, en Belgique, être suffisantes pour assurer le confort d'hiver.

Par contre, le confort d'été peut, dans de nombreuses situations, être assuré sans refroidissement actif, uniquement (ou en grande partie) par des mesures passives.

Un arbitrage doit alors se faire entre les économies d'énergie potentielles et le niveau de confort qui peut être attendu :

• Le refroidissement passif par free cooling évite toute consommation d'énergie et toute émission de CO2 pour le refroidissement (hormis la consommation électrique minime des ouvertures motorisées. Dans ce cas la puissance de froid fournie est variable. Elle dépend des conditions climatiques, et de ce fait la température ambiante fluctuera au cours de la journée.
• Le refroidissement actif permet d'assurer une température intérieure maximale indépendamment des conditions extérieures Le confort d'été est totalement contrôlé mais au prix d'une consommation plus importante.

Entre ces deux solutions existent également des solutions intermédiaires avec une assistance au free cooling grâce à des ventilateurs actionnés certaines heures de l'année, ou encore la géothermie qui nécessite la consommation d'une pompe.

Exemple du bâtiment exemplaire Caméléon :

Un éclairage artificiel efficace et des protections solaires limitent les charges thermiques du bâtiment.

La ventilation et le refroidissement du bâtiment se font principalement de façon naturelle. L'air se renouvelle grâce à un « effet cheminée » créé par l'ouverture de fenêtres en façade et l'ouverture de coupoles dans le puits de lumière central. Le refroidissement du bâtiment est assuré par ce même principe et aidé par l'accumulation de la fraîcheur de l'air de la nuit dans le béton.

Seul un groupe de refroidissement d'appoint est prévu en cas de canicule.

[Fiche Batex Caméléon 025].

Bâtiment Caméléon à Bruxelles

Photo : MATRIciel

Le free cooling mécanique : une bonne solution ?

Les contraintes d'un free cooling naturel sont grandes et parfois incompatibles avec un environnement urbain : bruit, poussière.

Un rafraîchissement peut alors être réalisé par une ventilation mécanique intensive de nuit. Cette solution peut rester intéressante si les besoins sont limités par des mesures passives (protections solaires, gestion efficace des apports internes, …), si les conduits sont largement dimensionnés (pour le débit maximal), les ventilateurs efficaces, et la gestion adaptée au mieux aux besoins (vitesse variable en fonction du besoin d'air hygiénique et du besoin de refroidissement, régulation de la récupération de chaleur en fonction des conditions intérieures et extérieures). Sans cela, cette solution peut être finalement, d'un point de vue énergétique et du confort, moins intéressante d'une climatisation efficace bien régulée.

Les unités terminales

Dans le cadre d'une rénovation, lorsque la température des parois est fortement hétérogène (rénovation légère, parties de bâtiment classée,…) le choix des unités terminales assurant le chauffage et/ou le refroidissement actif éventuel aura un impact important sur le confort. On favorisera alors le mode d'émission radiatif, qui est le plus confortable pour le corps humain : chauffage par le sol, via les murs sont à privilégier de même que de grands radiateurs fonctionnant à basse température.

ATTENTION : si le chauffage ou refroidissement radiatif se fait par l'intermédiaire d'une paroi présentant une bonne inertie thermique, ce choix d'émetteur peut au contraire causer un grand inconfort si l'occupation et les apports internes ne sont pas maîtrisés (par exemple occupation importante d'une classe, ensoleillement d'une grande baie vitrée sans protection solaire).

En effet, un chauffage par le sol dans une chape a une telle inertie qu'il chauffe encore longtemps après être coupé et peut ainsi créer des surchauffes et/ou des surconsommations importantes.

Dans les bâtiments performants (neufs, rénovation lourdes,…), la grande isolation thermique procure des parois à des températures globalement homogène. Il n'y a donc plus d'effet de paroi froide à compenser par un système radiatif et la différence de confort offerte par les différents systèmes sera fort atténuée.

Dans ce type de bâtiment nécessitant de faibles puissances de chauffage et de refroidissement, on sera par contre très attentifs à la gestion des systèmes qui peut être source d'inconfort si elle est trop globale.

Voir dossier Garantir l'efficience des installations de chauffage et ECS (distribution et émission)

Aspects environnementaux

Assurer le confort thermique passe par la mise en place de solutions architecturales et passives qui permettent de diminuer drastiquement la consommation énergétique, aussi bien pour la chaleur que pour le refroidissement.

Il faut être conscient que le niveau de confort souhaité a un impact très important sur les consommations énergétiques du bâtiment, et ses émissions de CO2 : une température de consigne plus élevée en hiver, une température de consigne au contraire plus basse en été engendreront, respectivement plus de demande de chauffage ou de refroidissement : une variation de 1°C de température ambiante par rapport à une consigne de 20°C en période de chauffe, entraîne une différence de consommation d'au moins 7%.

On veillera en priorité à privilégier les solutions architecturales et passives pour assurer le confort. Ces solutions permettront en effet :

• de répondre aux objectifs fixés avec une consommation d'énergie et des émissions de CO2 minimaux ;
• d'éviter la mise en place de certains équipements techniques (par exemple une installation de climatisation) avec la consommation d'énergie grise et d'énergie d'exploitation qu'ils génèrent.

L'économie de cette installation présente différents avantages d'un point de vue environnemental :

• Réduction de consommation d'énergie d'exploitation ;
• Moins d'entretien ;
• Pas de création de bruit à l'intérieur ou à l'extérieur du bâtiment ;
• Éventuellement une réduction de matière mise en œuvre, et donc de consommation d'énergie grise, et épuisement de ressources naturelles ;
• Éventuellement une réduction d'encombrement des espaces techniques (surtout dans le cas d'un refroidissement par l'air) et donc de matière mise en œuvre pour la construction.

Pour plus d'informations, voir les dossiers | Concevoir une installation de chauffage efficace, limiter les charges thermiques et appliquer une stratégie de refroidissement passif.

Aspects économiques

Coût d'un refroidissement passif comparé à une climatisation ?

Coût de l'investissement

Le rapport entre l'investissement des mesures passives et des mesures actives dépend fortement des conditions d'utilisation du bâtiment, de l'architecture de l'immeuble et de son environnement proche.

Ainsi, si les bâtiments voisins et l'architecture créent naturellement de l'ombrage, les mesures passives complémentaires à prendre pour éviter une climatisation peuvent être faibles et donc moins coûteuses que l'installation de refroidissement actif éventuel.

A l'inverse, un bâtiment avec des apports internes importants et fortement exposé au soleil nécessitera, pour éviter une climatisation et assurer le confort, un investissement dans de nombreuses s protections solaires, des ouvertures de fenêtres motorisées et automatisées pour créer une ventilation naturelle de nuit efficace. Ceci peut alors être plus coûteux qu'une installation de climatisation. Le temps de retour du surinvestissement peut être faible à important, jusqu'à 20 ans à plus.

Coût d'exploitation

Par définition, les mesures passives permettront une réduction des consommations d'énergie et donc du coût d'exploitation.

A titre d'illustration, l'impact énergétique du refroidissement dans les bâtiments de bureau varie de 15 à 25 kWh/m².an et peut monter jusqu'à plus de 50 kWh/m².an lorsqu'il y a destruction d'énergie (mauvaise régulation des installations entraînant une production simultanée de chaud et de froid dans le bâtiment, voire dans un même local comme un bureau paysager).

Cela représente, en énergie primaire, de 37.5 à plus de 125 kWh ep/m².an et financièrement de 2 à plus de 6,5 €/m².an htva (sur base d'un prix moyen de l'électricité de 0,13 €/kWh htva).

Impact économique de l'inconfort

D'après l'observatoire de la qualité de vie au bureau, l'impact de l'inconfort au niveau financier peut être de trois ordres :

• Dans le secteur tertiaire, l'inconfort de l'occupant a un impact sur sa productivité et son absentéisme ;
• Un bureau où il fait trop chaud rend ses occupants fatigués. De fortes températures sont souvent causes de fatigue, lassitude, irritabilité, maux de tête et baisse des performances, de la coordination et de la vivacité ;
• un bureau où il fait trop froid détourne l'attention des salariés en les rendant agités et facilement distraits.

Compte tenu du coût salarial, le coût d'une perte de productivité ou d'une augmentation de l'absentéisme sera souvent plus élevé que le coût de l'énergie consommée dans le bâtiment.

Il a également été montré qu'une ambiance intérieure de bonne qualité peut améliorer l'ensemble des performances de travail et d'apprentissage et réduit l'absentéisme.

Relation entre la température de l'air et la performance des travailleurs dans différentes études

[“Quantitative measurement of productivity loss due to thermal discomfort”, Energy and Buildings, 2011]

Dans un immeuble de bureaux passif de 100 personnes avec une surface de 15m² par personne et une consommation de chauffage de 15kWh/m².an, laa consommation totale annuelle de chauffage sera de 22.500kWh/an ou 1.350€/an (coût du gaz estimé à 0.06€/kWh).Avec un cout horaire des employés de 75€/h, pour une perte de productivité de 15 minutes sur toute la saison de chauffe, le coût salarial de l'inconfort sera de100 pers. X 0,25 h/pers.an x 75 €/h = 1.875€/an.

Dans le logement l'inconfort met en péril la fidélisation des locataires : les locataires non satisfaits du confort auront tendance à changer de logement. Le propriétaire augmente donc le risque de périodes d'inoccupation et une perte de revenus locatifs.

De manière générale, l'inconfort peut rapidement conduire à des comportements énergivores (suppression des intermittences, augmentation des températures de consigne, destruction d'énergie,…). Ces comportements engendrent des surconsommations qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de % et détruire une partie de l'effort consenti dans la conception du bâtiment.

Coût de la régulation

Sur le coût d'investissement

L'objectif de la régulation sera de répondre strictement aux besoins des occupants dans les différents locaux afin de concilier satisfaction des occupants et limitation des consommations d'énergie. Pour permettre cette régulation il faut prévoir:

• des organes de gestion adéquats (sondes, thermostats, vannes, etc.) et simple d'utilisation ;
• en nombre suffisant : par local, pour x postes de travail, etc ;
• le surcoût éventuel d'une conception adaptée des réseaux ;l
• Les organes de mesure et d'enregistrement de données (température ambiante, T° d'air, etc.) pour pouvoir optimiser la régulation en début d'occupation et assurer un suivi du confort pendant l'exploitation.

Sur le coût d'exploitation

Une bonne régulation, permettant de répondre strictement aux besoins permettra d'éviter les gaspillages qui s'élèvent rapidement à 15 voire 30% des besoins.

Un immeuble de bureaux passif de 1.600 m² avec besoin de chaleur de 13,7 kWh/m².an et une épaisseur d'isolation des murs : entre 20 et 32 cm de polystyrène graphité (0,032 W/mK) et 30 cm de cellulose insufflée (0,04 W/mK).

• 15% de surconsommation liée à une mauvaise gestion équivaut à réduire de 9 cm l'épaisseur d'isolant de tous les murs (besoin de 15,7 kWh/m²)  ;
• 30% de surconsommation liée à une mauvaise gestion équivaut à réduire de 14 cm l'épaisseur d'isolant de tous les murs (besoin de 17,8 kWh/m²).

La gestion des installations techniques (et le choix du bon système) est donc aussi importante que l'isolation de l'enveloppe pour atteindre le label « passif ». Il ne faut pas perdre le bénéfice d'une enveloppe « passive » ou « basse énergie » en négligeant le choix des techniques et leur pilotage.

Aspects socio-culturels

A chacun son confort

Selon l'âge, les plages de confort ne sont pas les mêmes. Les personnes âgées, affaiblies ou les jeunes enfants sont plus sensibles tant aux températures plus froides qu'aux vagues de chaleur. Suite aux canicules de ces dernières années, une prise de conscience de ce phénomène s'est opérée et des plans de prévention ont été définis pour faire face aux vagues de chaleur. Dans le cadre d'une construction durable, il est nécessaire de prendre en compte les besoins spécifiques de ces personnes. Par exemple, on peut veiller dans chaque logement à prévoir une pièce, une chambre à coucher par exemple, qui, grâce à une orientation nord, une surface vitrée réduite et une masse thermique importante, restera plus fraîche que le reste de l'habitation pendant les vagues de chaleur. Idéalement, cette pièce sera équipée d'un point d'eau.

Les critères de confort dans un local dépendent également de l'activité de ses occupants. Dans les bâtiments de manutention et de production une attention particulière sera donc portée au choix des mesures passives ou actives pour éviter les surchauffes en été.

Une définition raisonnable du niveau de confort souhaité est donc indispensable pour limiter les consommations énergétiques du bâtiment.

A l'inverse, on veillera, dans la mise en place des mesures destinées à limiter les consommations à ne pas détériorer le confort thermique. Assurer le confort des occupants est en effet une priorité dans un bâtiment qui se veut durable.

Ces deux aspects sont tout à fait conciliables en :

• Installant les équipements nécessaires pour assurer le confort dans les conditions d'exploitation extrêmes (température chaude/froide, taux d'occupation élevé / faible)
• Complétés d'une régulation efficace qui donne la possibilité d'adapter le fonctionnement du bâtiment en fonction des conditions extérieures et des conditions d'utilisation.

Responsabiliser l'occupant

L'occupant étant le mieux à même de juger de son confort, il est souhaitable qu'il participe à la gestion du climat intérieur du bâtiment. Pour ce faire, les réseaux et organes de gestion doivent être conçus dans cette optique (gestion possible par zones restreintes plutôt que par façade ou par plateau complet) et être simples d'utilisation.

Cependant, cette responsabilisation doit s'accompagner d'une information sur la bonne gestion des installations et d'une conscientisation par rapport à leur impact environnemental. On ne privilégiera donc pas des « prises de contrôle » dans tous les locaux. Par exemple, dans des lieux de passage où dont la « propriété » est peu claire (couloirs de bureaux, halls d'entrée d'immeubles, salles d'attentes ou de réunion), les effets pervers d'un contrôle localisé peuvent être important. On le privilégiera par contre dans les logements, les bureaux, les commerces, etc.

La notion du confort adaptatif prend alors tout son sens, dans les lieux occupés par plusieurs personnes.

Le suivi du confort

Assurer le confort ne doit pas être une préoccupation limitée à la période de la conception du bâtiment ou de sa rénovation. Un suivi de différents paramètres de confort et des enquêtes de satisfaction auprès des occupants, permettront d'optimiser le fonctionnement des installations en début d'occupation ainsi que de repérer d'éventuelles dérives par après, lors de l'exploitation du bâtiment.

Voir point 9 en partie 3 et Dossier | Entretien et maintenance : Etablir une procédure de contrôle qualité (commissioning) de la conception à la maintenance.