Études de cas pratique

EGC

Analyse de l’efficacité énergétique d’un bâtiment

Analyse de l’Efficacité Énergétique d’un Bâtiment

Analyse de l’Efficacité Énergétique d’un Bâtiment

Comprendre l'Analyse de l'Efficacité Énergétique

L'analyse de l'efficacité énergétique d'un bâtiment vise à évaluer sa consommation d'énergie par rapport à ses caractéristiques et à son usage, et à identifier les potentiels d'amélioration. Elle s'appuie sur le calcul des besoins énergétiques (chauffage, refroidissement, eau chaude sanitaire, éclairage, auxiliaires), l'efficacité des systèmes techniques, et se traduit souvent par des indicateurs clés comme la consommation d'énergie primaire par mètre carré et par an, ainsi que les émissions de gaz à effet de serre associées. Cette analyse est cruciale pour réduire l'impact environnemental des bâtiments, diminuer les coûts d'exploitation et se conformer aux réglementations (comme le Diagnostic de Performance Énergétique - DPE en France).

Données de l'étude

On étudie une maison individuelle existante pour laquelle on souhaite réaliser une analyse simplifiée de son efficacité énergétique.

Caractéristiques de la maison :

  • Surface habitable (\(A_{\text{hab}}\)) : \(120 \, \text{m}^2\)
  • Volume chauffé (\(V_{\text{ch}}\)) : \(300 \, \text{m}^3\)
  • Coefficient global de déperditions par transmission (\(H_{tr}\)) : \(150 \, \text{W/K}\) (inclut murs, toiture, plancher, fenêtres, ponts thermiques)
  • Ventilation : VMC simple flux autoréglable, taux de renouvellement d'air (\(n\)) = \(0.5 \, \text{vol/h}\). \(c_v = 0.34 \, \text{Wh/(m}^3 \cdot \text{K)}\).

Systèmes énergétiques :

  • Chauffage : Chaudière au gaz naturel à condensation, rendement saisonnier (\(\eta_{\text{ch}}\)) = \(0.92\).
  • Eau Chaude Sanitaire (ECS) : Chauffe-eau thermodynamique (CET) sur air extrait, COP annuel moyen (\(\text{COP}_{\text{ECS}}\)) = \(2.8\). Besoins utiles en ECS = \(3000 \, \text{kWh/an}\).
  • Éclairage et autres usages électriques (spécifiques) : Consommation annuelle = \(2500 \, \text{kWh/an}\).

Données climatiques et facteurs de conversion :

  • Degrés Jours Unifiés (DJU) base 18°C pour le chauffage : \(2600 \, \text{K} \cdot \text{jour/an}\)
  • Facteurs de conversion en énergie primaire (EP) :
    • Électricité : \(f_{\text{EP,elec}} = 2.3\)
    • Gaz naturel : \(f_{\text{EP,gaz}} = 1.1\)
  • Facteurs d'émission de Gaz à Effet de Serre (GES) :
    • Électricité (mix France) : \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}_{\text{ef}}\) (ef = énergie finale)
    • Gaz naturel : \(f_{\text{GES,gaz}} = 0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}_{\text{PCI}}\) (PCI = Pouvoir Calorifique Inférieur, énergie finale pour le gaz)
Schéma : Flux Énergétiques et Impacts
Analyse Énergétique d'une Maison {/* */} Maison Individuelle {/* */} Gaz Naturel Chauffage Électricité ECS (CET) Appareils {/* */} Pertes Enveloppe Pertes Ventilation {/* */} Cons. Énergie Primaire XXX kWh EP /(m².an) Émissions GES YYY kgCO2eq/(m².an)

Schéma illustrant les flux d'énergie et les indicateurs de performance.

Questions à traiter

  1. Calculer le coefficient de déperditions thermiques par ventilation (\(H_v\)).
  2. Calculer les besoins annuels de chauffage (\(B_{\text{ch}}\)) en kWh d'énergie utile.
  3. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour le chauffage (\(C_{\text{ch,ef}}\)).
  4. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour l'ECS (\(C_{\text{ECS,ef}}\)).
  5. Calculer la consommation totale annuelle d'énergie finale (\(C_{\text{total,ef}}\)) et la consommation totale annuelle d'énergie primaire (\(C_{\text{total,ep}}\)).
  6. Calculer le ratio de consommation d'énergie primaire par mètre carré (\(\text{ratio}_{\text{ep}}\)).
  7. Calculer les émissions annuelles totales de Gaz à Effet de Serre (GES).

Correction : Analyse de l’Efficacité Énergétique d’un Bâtiment

Question 1 : Coefficient de Déperditions Thermiques par Ventilation (\(H_v\))

Principe :

Le coefficient de déperditions par ventilation \(H_v\) quantifie les pertes de chaleur par renouvellement d'air par Kelvin d'écart de température. Il est calculé avec la formule \(H_v = 0.34 \cdot n \cdot V_{\text{ch}}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ H_v = 0.34 \cdot n \cdot V_{\text{ch}} \]
Données spécifiques :
  • Taux de renouvellement d'air (\(n\)) = \(0.5 \, \text{vol/h}\)
  • Volume chauffé (\(V_{\text{ch}}\)) = \(300 \, \text{m}^3\)
  • Coefficient \(0.34 \, \text{Wh/(m}^3 \cdot \text{K)}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} H_v &= 0.34 \, \frac{\text{Wh}}{\text{m}^3 \cdot \text{K}} \times 0.5 \, \frac{1}{\text{h}} \times 300 \, \text{m}^3 \\ &= 0.34 \times 150 \, \text{W/K} \\ &= 51 \, \text{W/K} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : Le coefficient de déperditions thermiques par ventilation est \(H_v = 51 \, \text{W/K}\).

Question 2 : Besoins Annuels de Chauffage (\(B_{\text{ch}}\))

Principe :

Les besoins annuels de chauffage sont calculés en multipliant le coefficient global de déperditions du bâtiment (\(H_t = H_{tr} + H_v\)) par les Degrés Jours Unifiés (DJU) et un facteur de conversion horaire.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ B_{\text{ch}} = (H_{tr} + H_v) \times 24 \, \text{h/jour} \times \text{DJU} \times 10^{-3} \, \text{kWh/Wh} \]
Données spécifiques :
  • \(H_{tr} = 150 \, \text{W/K}\) (donné)
  • \(H_v = 51 \, \text{W/K}\) (résultat Q1)
  • DJU = \(2600 \, \text{K} \cdot \text{jour/an}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} H_t &= H_{tr} + H_v = 150 \, \text{W/K} + 51 \, \text{W/K} = 201 \, \text{W/K} \\ B_{\text{ch}} &= 201 \, \text{W/K} \times 24 \, \text{h/jour} \times 2600 \, \text{K} \cdot \text{jour/an} \times 10^{-3} \, \text{kWh/Wh} \\ &= 201 \times 24 \times 2.6 \, \text{kWh/an} \\ &= 4824 \times 2.6 \, \text{kWh/an} \\ &= 12542.4 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Les besoins annuels de chauffage sont \(B_{\text{ch}} \approx 12542 \, \text{kWh/an}\) (énergie utile).

Quiz Intermédiaire 1 : Si les DJU étaient plus élevés, les besoins de chauffage :

Question 3 : Consommation Annuelle d'Énergie Finale pour le Chauffage (\(C_{\text{ch,ef}}\))

Principe :

La consommation d'énergie finale pour le chauffage est obtenue en divisant les besoins utiles de chauffage par le rendement saisonnier du système de chauffage.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{ch,ef}} = \frac{B_{\text{ch}}}{\eta_{\text{ch}}} \]
Données spécifiques :
  • \(B_{\text{ch}} = 12542.4 \, \text{kWh/an}\) (résultat Q2)
  • \(\eta_{\text{ch}} = 0.92\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{ch,ef}} &= \frac{12542.4 \, \text{kWh/an}}{0.92} \\ &\approx 13633.04 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La consommation annuelle d'énergie finale pour le chauffage est \(C_{\text{ch,ef}} \approx 13633 \, \text{kWh/an}\).

Question 4 : Consommation Annuelle d'Énergie Finale pour l'ECS (\(C_{\text{ECS,ef}}\))

Principe :

La consommation d'énergie finale pour l'ECS est obtenue en divisant les besoins utiles d'ECS par le COP annuel du chauffe-eau thermodynamique (car il utilise de l'électricité).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{ECS,ef}} = \frac{B_{\text{ECS}}}{\text{COP}_{\text{ECS}}} \]
Données spécifiques :
  • Besoins utiles ECS (\(B_{\text{ECS}}\)) : \(3000 \, \text{kWh/an}\)
  • \(\text{COP}_{\text{ECS}} = 2.8\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{ECS,ef}} &= \frac{3000 \, \text{kWh/an}}{2.8} \\ &\approx 1071.43 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La consommation annuelle d'énergie finale pour l'ECS est \(C_{\text{ECS,ef}} \approx 1071 \, \text{kWh/an}\) (électricité).

Quiz Intermédiaire 2 : Un COP plus élevé pour un système thermodynamique signifie :

Question 5 : Consommations Totales Annuelle d'Énergie Finale et Primaire

Principe :

La consommation totale d'énergie finale est la somme des consommations finales de chaque usage. La consommation totale d'énergie primaire est obtenue en multipliant chaque consommation d'énergie finale par son facteur de conversion respectif, puis en les sommant.

Calcul de la consommation totale d'énergie finale (\(C_{\text{total,ef}}\)) :
\[ \begin{aligned} C_{\text{total,ef}} &= C_{\text{ch,ef}} (\text{gaz}) + C_{\text{ECS,ef}} (\text{élec}) + C_{\text{autres,ef}} (\text{élec}) \\ &= 13633.04 \, \text{kWh/an} + 1071.43 \, \text{kWh/an} + 2500 \, \text{kWh/an} \\ &\approx 17204.47 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Calcul de la consommation totale d'énergie primaire (\(C_{\text{total,ep}}\)) :
\[ \begin{aligned} C_{\text{ch,ep}} &= C_{\text{ch,ef}} \times f_{\text{EP,gaz}} = 13633.04 \times 1.1 \approx 14996.34 \, \text{kWh EP/an} \\ C_{\text{ECS,ep}} &= C_{\text{ECS,ef}} \times f_{\text{EP,elec}} = 1071.43 \times 2.3 \approx 2464.29 \, \text{kWh EP/an} \\ C_{\text{autres,ep}} &= C_{\text{autres,ef}} \times f_{\text{EP,elec}} = 2500 \times 2.3 = 5750 \, \text{kWh EP/an} \\ \\ C_{\text{total,ep}} &= C_{\text{ch,ep}} + C_{\text{ECS,ep}} + C_{\text{autres,ep}} \\ &= 14996.34 + 2464.29 + 5750 \\ &\approx 23210.63 \, \text{kWh EP/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 :
  • Consommation totale d'énergie finale : \(C_{\text{total,ef}} \approx 17204 \, \text{kWh/an}\)
  • Consommation totale d'énergie primaire : \(C_{\text{total,ep}} \approx 23211 \, \text{kWh EP/an}\)

Question 6 : Ratio de Consommation d'Énergie Primaire par Mètre Carré

Principe :

Ce ratio est un indicateur clé de la performance énergétique, souvent utilisé pour les étiquettes énergie. Il est obtenu en divisant la consommation totale d'énergie primaire par la surface habitable.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{ratio}_{\text{ep}} = \frac{C_{\text{total,ep}}}{A_{\text{hab}}} \]
Données spécifiques :
  • \(C_{\text{total,ep}} \approx 23210.63 \, \text{kWh EP/an}\)
  • \(A_{\text{hab}} = 120 \, \text{m}^2\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{ratio}_{\text{ep}} &= \frac{23210.63 \, \text{kWh EP/an}}{120 \, \text{m}^2} \\ &\approx 193.42 \, \text{kWh EP/(m}^2 \cdot \text{an)} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Le ratio de consommation d'énergie primaire est \(\text{ratio}_{\text{ep}} \approx 193 \, \text{kWh EP/(m}^2 \cdot \text{an)}\).

Question 7 : Émissions Annuelles Totales de Gaz à Effet de Serre (GES)

Principe :

Les émissions de GES sont calculées en multipliant la consommation d'énergie finale de chaque source par son facteur d'émission respectif, puis en les sommant.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{GES} = \sum (C_{\text{ef,source}} \times f_{\text{GES,source}}) \]
Données spécifiques :
  • \(C_{\text{ch,ef}} (\text{gaz}) \approx 13633.04 \, \text{kWh/an}\)
  • \(C_{\text{ECS,ef}} (\text{élec}) \approx 1071.43 \, \text{kWh/an}\)
  • \(C_{\text{autres,ef}} (\text{élec}) = 2500 \, \text{kWh/an}\)
  • \(f_{\text{GES,gaz}} = 0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
  • \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{GES}_{\text{gaz}} &= 13633.04 \times 0.205 \approx 2794.77 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \\ \text{GES}_{\text{elec,ECS}} &= 1071.43 \times 0.079 \approx 84.64 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \\ \text{GES}_{\text{elec,autres}} &= 2500 \times 0.079 = 197.5 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \\ \\ \text{GES}_{\text{total}} &= \text{GES}_{\text{gaz}} + \text{GES}_{\text{elec,ECS}} + \text{GES}_{\text{elec,autres}} \\ &= 2794.77 + 84.64 + 197.5 \\ &\approx 3076.91 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : Les émissions annuelles totales de GES sont \(\text{GES}_{\text{total}} \approx 3077 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\).

Quiz Intermédiaire 3 : Pour réduire les émissions de GES d'un bâtiment chauffé au gaz, une action prioritaire pourrait être :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. L'énergie primaire est :

2. Un bon indicateur de la performance énergétique globale d'un logement, utilisé pour les DPE, est :

3. Pour améliorer l'efficacité énergétique d'un bâtiment, quelle action n'est généralement PAS recommandée ?

Glossaire

Énergie Finale (EF)
Énergie livrée à l'utilisateur final pour sa consommation (ex: kWh de gaz à la chaudière, kWh d'électricité au compteur). C'est l'énergie facturée.
Énergie Primaire (EP)
Énergie contenue dans les ressources naturelles (pétrole, gaz, uranium, etc.) avant toute transformation. Pour obtenir 1 kWh d'énergie finale, il faut consommer une certaine quantité d'énergie primaire (ex: 2.3 kWh EP pour 1 kWh EF d'électricité en France).
Facteur de Conversion en Énergie Primaire (\(f_{\text{EP}}\))
Coefficient permettant de convertir une consommation d'énergie finale en consommation d'énergie primaire. Il dépend de la source d'énergie et de l'efficacité de sa chaîne de production et de distribution.
Gaz à Effet de Serre (GES)
Gaz présents dans l'atmosphère qui absorbent et émettent une partie du rayonnement infrarouge, contribuant à l'effet de serre. Les principaux sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O).
Facteur d'Émission de GES (\(f_{\text{GES}}\))
Quantité de GES émise par unité d'énergie consommée (généralement par kWh d'énergie finale). Exprimé en \(\text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\).
Degrés Jours Unifiés (DJU)
Indicateur représentatif de la rigueur climatique d'une période et d'un lieu, utilisé pour estimer les besoins de chauffage. Il est calculé sur la base des écarts entre une température de référence intérieure et la température moyenne journalière extérieure.
COP (Coefficient de Performance)
Pour une pompe à chaleur ou un chauffe-eau thermodynamique, c'est le rapport entre l'énergie thermique utile fournie et l'énergie électrique consommée pour la produire. Un COP de 3 signifie que pour 1 kWh d'électricité consommé, 3 kWh de chaleur sont produits.
Rendement d'un Système de Chauffage (\(\eta\))
Rapport entre l'énergie thermique utile fournie au local et l'énergie consommée par le système de chauffage (énergie finale).
Analyse de l’Efficacité Énergétique - Exercice d'Application

D’autres exercices de thermiques des batiments:

2 Commentaires
  1. Préaux Alain
    Préaux Alain sur 19 mars 2025 à 15h02

    bonjour j’ai une maison de plus de 30 ans avec une isolation de 10 cm de polystyrène sur ba13 puis 20 cm aggloméré puis-je rajouter une isolation par l’extérieur sans avoir des problèmes de moisissures ? merci de votre réponse

    Réponse
    • EGC - Génie Civil
      EGC - Génie Civil sur 19 mars 2025 à 16h01

      Bonjour, Préaux Alain,

      Analyse de la Situation Actuelle
      Structure existante :
      Votre maison, construite il y a plus de 30 ans, comporte déjà une isolation intérieure composée de :
      10 cm de polystyrène appliqué sur une plaque de plâtre type BA13
      20 cm d’aggloméré (habituellement utilisé pour renforcer l’isolation ou comme support)

      Caractéristiques des matériaux :
      Le polystyrène est un isolant à faible conductivité thermique mais a une perméabilité à la vapeur limitée.
      Les plaques de BA13, quant à elles, ne permettent pas une grande diffusion de l’humidité, ce qui peut contribuer à emprisonner de la vapeur d’eau si l’ouvrage n’est pas correctement ventilé.

      Risques de Condensation et de Moisissures
      Origine des problèmes de condensation :

      La condensation se produit lorsque l’air chargé en vapeur d’eau atteint une surface dont la température est inférieure à son point de rosée.
      Dans votre configuration actuelle, la présence d’un isolant intérieur peu perméable peut rendre la paroi intérieure plus froide, favorisant la condensation en cas de manque de renouvellement d’air ou de ponts thermiques.

      Impact de l’ajout d’une ITE(Isolation par l’Extérieur) sur la gestion de l’humidité :

      Avantages :
      En posant une isolation par l’extérieur, vous déplacez le pont thermique vers l’extérieur. Le mur dans son ensemble reste à une température plus homogène, ce qui réduit le risque de condensation sur les parois intérieures.

      Précautions à prendre :
      Compatibilité des matériaux : Il est essentiel d’utiliser des matériaux dont la perméabilité à la vapeur est coordonnée avec celle des parois existantes.
      Système de ventilation adéquat : Une bonne ventilation intérieure est indispensable pour évacuer l’humidité résiduelle.
      Installation d’un frein-vapeur (si nécessaire) : Selon la configuration, un frein-vapeur placé stratégiquement peut éviter que la vapeur d’eau ne se condense à l’intérieur du mur.

      Mais, Avant toute modification, il est fortement recommandé de faire réaliser une étude par un professionnel (thermicien ou bureau d’études spécialisé) pour vérifier que le système global (intérieur + extérieur) est bien conçu pour gérer l’humidité.

      Réponse
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