Études de cas pratique

EGC

Besoins énergétiques du bâtiment

Besoins Énergétiques d'un Bâtiment (Énergies Renouvelables)

Besoins Énergétiques d'un Bâtiment

Comprendre les Besoins Énergétiques d'un Bâtiment

L'analyse des besoins énergétiques d'un bâtiment est une étape fondamentale pour optimiser sa conception, réduire ses coûts d'exploitation et minimiser son impact environnemental. Ces besoins couvrent plusieurs postes : le chauffage en hiver, le refroidissement en été (si applicable), la production d'eau chaude sanitaire (ECS), l'éclairage, et l'alimentation des divers appareils électroménagers et bureautiques. Quantifier ces besoins permet de dimensionner correctement les systèmes énergétiques (chauffage, climatisation, production d'ECS), de choisir les sources d'énergie les plus appropriées (conventionnelles ou renouvelables) et d'identifier les gisements d'économies d'énergie. L'objectif est souvent de réduire la consommation d'énergie finale (celle facturée à l'usager) et, plus globalement, la consommation d'énergie primaire (qui inclut les pertes de production et de transport de l'énergie) ainsi que les émissions de gaz à effet de serre associées.

Données de l'étude

On étudie une maison individuelle de \(120 \, \text{m}^2\) habitée par 4 personnes.

Besoins énergétiques utiles annuels :

  • Chauffage : \(B_{\text{chauf}} = 13500 \, \text{kWh/an}\)
  • Eau Chaude Sanitaire (ECS) :
    • Consommation journalière par personne : \(45 \, \text{litres/jour/personne}\) à \(50^\circ \text{C}\)
    • Température de l'eau froide du réseau (\(T_{\text{ef}}\)) : \(12^\circ \text{C}\)
    • Température de l'eau chaude sanitaire souhaitée (\(T_{\text{ecs}}\)) : \(50^\circ \text{C}\)
    • Capacité thermique massique de l'eau (\(c_p\)) : \(4.185 \, \text{kJ/(kg}\cdot\text{K)}\) (soit \(1.1625 \times 10^{-3} \, \text{kWh/(kg}\cdot\text{K)}\))
    • Masse volumique de l'eau (\(\rho_{\text{eau}}\)) : \(1 \, \text{kg/L}\)
  • Éclairage et autres usages électriques spécifiques (électroménager, etc.) : \(C_{\text{elec,autres}} = 3800 \, \text{kWh/an}\) (énergie finale)

Systèmes énergétiques conventionnels pour analyse de référence :

  • Chauffage : Chaudière au gaz naturel, rendement saisonnier (\(\eta_{\text{chaudière}}\)) = \(0.90\)
  • Production d'ECS : Chauffe-eau électrique à accumulation (effet Joule), rendement (\(\eta_{\text{chauffe-eau}}\)) = \(0.95\)

Facteurs de conversion et d'émission :

  • Facteur de conversion en énergie primaire pour le gaz naturel (\(f_{\text{EP,gaz}}\)) : \(1.1\)
  • Facteur de conversion en énergie primaire pour l'électricité (\(f_{\text{EP,elec}}\)) : \(2.3\)
  • Facteur d'émission de GES pour le gaz naturel : \(0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}_{\text{ef}}\)
  • Facteur d'émission de GES pour l'électricité (mix moyen) : \(0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}_{\text{ef}}\)
Schéma : Flux Énergétiques d'une Habitation
Besoins Énergétiques d'une Maison {/* */} Maison {/* */} {/* Gaz */} Gaz {/* Électricité */} Électricité {/* */} Chauffage ECS Éclairage Appareils {/* */} Pertes CO2

Illustration simplifiée des différents postes de consommation énergétique d'une habitation.

Questions à traiter

  1. Calculer les besoins énergétiques annuels utiles pour l'Eau Chaude Sanitaire (ECS) (\(B_{\text{ECS,an}}\)) en kWh.
  2. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour le chauffage (\(C_{\text{chauf,ef}}\)) avec la chaudière à gaz.
  3. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour l'ECS (\(C_{\text{ECS,ef}}\)) avec le chauffe-eau électrique.
  4. Calculer la consommation totale annuelle d'énergie finale (\(C_{\text{total,ef}}\)) de la maison (chauffage, ECS, autres usages électriques).
  5. Calculer la consommation totale annuelle d'énergie primaire (\(C_{\text{total,ep}}\)) de la maison.
  6. Calculer les émissions annuelles totales de Gaz à Effet de Serre (GES) de la maison.

Correction : Besoins Énergétiques d'un Bâtiment

Question 1 : Besoins Énergétiques Annuels Utiles pour l'ECS (\(B_{\text{ECS,an}}\))

Principe :

Les besoins énergétiques pour l'ECS dépendent du volume d'eau chaude consommée, de l'élévation de température nécessaire (différence entre la température de l'eau chaude souhaitée et celle de l'eau froide du réseau), de la masse volumique de l'eau et de sa capacité thermique massique. On calcule d'abord les besoins journaliers, puis on les annualise.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ V_{\text{ECS,total,jour}} = \text{Conso/pers/jour} \times \text{Nb personnes} \] \[ m_{\text{ECS,jour}} = V_{\text{ECS,total,jour}} \times \rho_{\text{eau}} \] \[ E_{\text{ECS,jour}} = m_{\text{ECS,jour}} \cdot c_p \cdot (T_{\text{ecs}} - T_{\text{ef}}) \] \[ E_{\text{ECS,an}} = E_{\text{ECS,jour}} \times 365 \, \text{jours/an} \]
Données spécifiques :
  • Consommation/personne/jour : \(45 \, \text{L}\)
  • Nombre de personnes : 4
  • \(\rho_{\text{eau}} = 1 \, \text{kg/L}\)
  • \(c_p = 1.1625 \times 10^{-3} \, \text{kWh/(kg}\cdot\text{K)}\)
  • \(T_{\text{ecs}} = 50^\circ \text{C}\)
  • \(T_{\text{ef}} = 12^\circ \text{C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{\text{ECS,total,jour}} &= 45 \, \text{L/(pers}\cdot\text{jour)} \times 4 \, \text{pers} = 180 \, \text{L/jour} \\ m_{\text{ECS,jour}} &= 180 \, \text{L/jour} \times 1 \, \text{kg/L} = 180 \, \text{kg/jour} \\ \Delta T &= 50^\circ \text{C} - 12^\circ \text{C} = 38^\circ \text{C} = 38 \, \text{K} \\ E_{\text{ECS,jour}} &= 180 \, \text{kg/jour} \times 1.1625 \times 10^{-3} \, \text{kWh/(kg}\cdot\text{K)} \times 38 \, \text{K} \\ &= 180 \times 0.0011625 \times 38 \, \text{kWh/jour} \\ &\approx 0.20925 \times 38 \, \text{kWh/jour} \\ &\approx 7.9515 \, \text{kWh/jour} \\ E_{\text{ECS,an}} &= 7.9515 \, \text{kWh/jour} \times 365 \, \text{jours/an} \\ &\approx 2902.2975 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

Arrondissons à \(E_{\text{ECS,an}} \approx 2902 \, \text{kWh/an}\).

Résultat Question 1 : Les besoins énergétiques annuels utiles pour l'ECS sont d'environ \(2902 \, \text{kWh}\).

Question 2 : Consommation Annuelle d'Énergie Finale pour le Chauffage (\(C_{\text{chauf,ef}}\))

Principe :

La consommation d'énergie finale pour le chauffage est l'énergie que la chaudière doit consommer (gaz naturel) pour couvrir les besoins utiles de chauffage. Elle est obtenue en divisant les besoins utiles par le rendement saisonnier de la chaudière.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{chauf,ef}} = \frac{B_{\text{chauf}}}{\eta_{\text{chaudière}}} \]
Données spécifiques :
  • Besoins de chauffage (\(B_{\text{chauf}}\)) : \(13500 \, \text{kWh/an}\)
  • Rendement chaudière (\(\eta_{\text{chaudière}}\)) : \(0.90\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{chauf,ef}} &= \frac{13500 \, \text{kWh/an}}{0.90} \\ &= 15000 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La consommation annuelle d'énergie finale (gaz) pour le chauffage est de \(15000 \, \text{kWh}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si le rendement de la chaudière était plus faible (ex: 0.85), la consommation d'énergie finale pour le chauffage serait :

Question 3 : Consommation Annuelle d'Énergie Finale pour l'ECS (\(C_{\text{ECS,ef}}\))

Principe :

La consommation d'énergie finale pour l'ECS avec un chauffe-eau électrique est obtenue en divisant les besoins utiles d'ECS par le rendement du chauffe-eau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{ECS,ef}} = \frac{B_{\text{ECS,an}}}{\eta_{\text{chauffe-eau}}} \]
Données spécifiques :
  • Besoins ECS (\(B_{\text{ECS,an}}\)) : \(\approx 2902.2975 \, \text{kWh/an}\) (valeur non arrondie de Q1)
  • Rendement chauffe-eau (\(\eta_{\text{chauffe-eau}}\)) : \(0.95\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{ECS,ef}} &= \frac{2902.2975 \, \text{kWh/an}}{0.95} \\ &\approx 3055.05 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La consommation annuelle d'énergie finale (électricité) pour l'ECS est d'environ \(3055 \, \text{kWh}\).

Question 4 : Consommation Totale Annuelle d'Énergie Finale (\(C_{\text{total,ef}}\))

Principe :

La consommation totale d'énergie finale est la somme des consommations finales pour chaque usage : chauffage, ECS, et autres usages électriques.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{total,ef}} = C_{\text{chauf,ef}} + C_{\text{ECS,ef}} + C_{\text{elec,autres}} \]
Données spécifiques :
  • \(C_{\text{chauf,ef}} = 15000 \, \text{kWh/an}\) (gaz)
  • \(C_{\text{ECS,ef}} \approx 3055.05 \, \text{kWh/an}\) (électricité)
  • \(C_{\text{elec,autres}} = 3800 \, \text{kWh/an}\) (électricité)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{total,ef}} &= 15000 \, \text{kWh/an (gaz)} + (3055.05 + 3800) \, \text{kWh/an (élec)} \\ &= 15000 \, \text{kWh/an (gaz)} + 6855.05 \, \text{kWh/an (élec)} \\ &\approx 21855.05 \, \text{kWh/an (total final)} \end{aligned} \]

Il est important de noter que cette somme combine différentes formes d'énergie finale. Pour une évaluation globale, on passe souvent à l'énergie primaire.

Résultat Question 4 : La consommation totale annuelle d'énergie finale est d'environ \(21855 \, \text{kWh}\) (dont \(15000 \, \text{kWh}\) de gaz et \(6855 \, \text{kWh}\) d'électricité).

Question 5 : Consommation Totale Annuelle d'Énergie Primaire (\(C_{\text{total,ep}}\))

Principe :

L'énergie primaire est l'énergie "brute" nécessaire pour produire l'énergie finale consommée. Chaque type d'énergie finale (gaz, électricité) a un facteur de conversion en énergie primaire (\(f_{\text{EP}}\)). On multiplie chaque consommation d'énergie finale par son facteur respectif, puis on somme les résultats.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_{\text{ep}} = C_{\text{ef}} \times f_{\text{EP}} \] \[ C_{\text{total,ep}} = C_{\text{chauf,ep}} + C_{\text{ECS,ep}} + C_{\text{autres,ep}} \]
Données spécifiques :
  • \(C_{\text{chauf,ef}} = 15000 \, \text{kWh/an}\) (gaz), \(f_{\text{EP,gaz}} = 1.1\)
  • \(C_{\text{ECS,ef}} \approx 3055.05 \, \text{kWh/an}\) (élec), \(f_{\text{EP,elec}} = 2.3\)
  • \(C_{\text{elec,autres}} = 3800 \, \text{kWh/an}\) (élec), \(f_{\text{EP,elec}} = 2.3\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_{\text{chauf,ep}} &= 15000 \, \text{kWh/an} \times 1.1 = 16500 \, \text{kWh EP/an} \\ C_{\text{ECS,ep}} &= 3055.05 \, \text{kWh/an} \times 2.3 \approx 7026.615 \, \text{kWh EP/an} \\ C_{\text{autres,ep}} &= 3800 \, \text{kWh/an} \times 2.3 = 8740 \, \text{kWh EP/an} \\ \\ C_{\text{total,ep}} &= 16500 + 7026.615 + 8740 \\ &\approx 32266.615 \, \text{kWh EP/an} \end{aligned} \]

Arrondissons à \(C_{\text{total,ep}} \approx 32267 \, \text{kWh EP/an}\).

Résultat Question 5 : La consommation totale annuelle d'énergie primaire est d'environ \(32267 \, \text{kWh EP}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Le facteur de conversion en énergie primaire pour l'électricité est généralement plus élevé que pour le gaz naturel parce que :

Question 6 : 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 d'énergie par son facteur d'émission de GES respectif. On somme ensuite les émissions de toutes les sources pour obtenir les émissions totales du bâtiment.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{GES}_{\text{source}} = C_{\text{ef,source}} \times f_{\text{GES,source}} \] \[ \text{GES}_{\text{total}} = \sum \text{GES}_{\text{source}} \]
Données spécifiques :
  • \(C_{\text{chauf,ef}} (\text{gaz}) = 15000 \, \text{kWh/an}\), \(f_{\text{GES,gaz}} = 0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
  • \(C_{\text{ECS,ef}} (\text{élec}) \approx 3055.05 \, \text{kWh/an}\), \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
  • \(C_{\text{elec,autres}} = 3800 \, \text{kWh/an}\), \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{GES}_{\text{chauffage}} &= 15000 \, \text{kWh/an} \times 0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} = 3075 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \\ \text{GES}_{\text{ECS}} &= 3055.05 \, \text{kWh/an} \times 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \approx 241.35 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \\ \text{GES}_{\text{autres}} &= 3800 \, \text{kWh/an} \times 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} = 300.2 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \\ \\ \text{GES}_{\text{total}} &= 3075 + 241.35 + 300.2 \\ &\approx 3616.55 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Les émissions annuelles totales de GES de la maison sont d'environ \(3617 \, \text{kgCO}_2\text{eq}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Les besoins énergétiques "utiles" d'un bâtiment représentent :

2. Pour calculer la consommation d'énergie primaire à partir de l'énergie finale, on utilise :

3. L'amélioration du rendement d'un système de chauffage (par exemple, passer d'une chaudière standard à une chaudière à condensation) permet de :

Glossaire

Besoins Énergétiques Utiles
Quantité d'énergie théoriquement nécessaire pour satisfaire un service (chauffage à une température de consigne, production d'un volume d'eau chaude à une température donnée, etc.), sans tenir compte des pertes des systèmes de production, de distribution ou de stockage.
Énergie Finale (EF)
Énergie livrée au consommateur et facturée (ex: gaz naturel au compteur, électricité au compteur). Elle inclut les pertes de production et de distribution jusqu'au point de consommation si le système est interne au bâtiment (ex: rendement d'une chaudière).
Énergie Primaire (EP)
Énergie contenue dans les ressources naturelles (pétrole, gaz, uranium, biomasse, etc.) avant toute transformation. Pour fournir une unité d'énergie finale, une quantité plus importante d'énergie primaire est nécessaire en raison des pertes de transformation, de transport et de distribution.
Facteur de Conversion en Énergie Primaire (\(f_{\text{EP}}\))
Coefficient qui permet de convertir une quantité d'énergie finale en son équivalent en énergie primaire. Ce facteur varie selon la source d'énergie (ex: électricité, gaz).
Gaz à Effet de Serre (GES)
Gaz présents dans l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre. Les émissions sont souvent exprimées en équivalent dioxyde de carbone (\(\text{kgCO}_2\text{eq}\)).
Facteur d'Émission de GES
Quantité de GES émise par unité d'énergie finale consommée pour une source d'énergie donnée.
Rendement d'un Système (\(\eta\))
Rapport entre l'énergie utile fournie par un système et l'énergie finale qu'il consomme. Toujours inférieur à 1 (ou 100%).
Eau Chaude Sanitaire (ECS)
Eau chauffée destinée aux usages domestiques (douche, bain, vaisselle, etc.).
Besoins Énergétiques d'un Bâtiment - Exercice d'Application

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