Énergie et Efficacité dans les Bâtiments

1. Introduction : Enjeux Énergétiques et Climatiques

1.1 Contexte Global : Consommation d'Énergie et Émissions de GES

La consommation mondiale d'énergie a considérablement augmenté au cours des dernières décennies, entraînant une hausse des émissions de gaz à effet de serre (GES), principaux responsables du changement climatique. Le secteur du bâtiment est l'un des plus grands consommateurs d'énergie finale et l'un des principaux émetteurs de GES, que ce soit lors de la phase de construction (énergie grise des matériaux) ou lors de la phase d'exploitation (chauffage, climatisation, éclairage, eau chaude sanitaire).

En Europe, par exemple, les bâtiments représentent environ 40% de la consommation d'énergie totale et 36% des émissions de CO₂. Réduire cette empreinte est donc une priorité absolue.

1.2 Le Bâtiment : Un Secteur Clé pour la Transition Énergétique

Le secteur du bâtiment offre un potentiel considérable d'amélioration de l'efficacité énergétique et de réduction des émissions. Agir sur les bâtiments neufs et, de manière encore plus cruciale, sur le parc existant par la rénovation énergétique, est un levier majeur pour atteindre les objectifs climatiques nationaux et internationaux (ex: Accord de Paris).

Les bénéfices attendus sont multiples : réduction des factures énergétiques pour les occupants, amélioration du confort et de la santé, création d'emplois locaux, augmentation de la valeur patrimoniale des biens, et contribution à la sécurité d'approvisionnement énergétique.

1.3 Définitions : Efficacité, Performance, Bâtiment Durable

Efficacité Énergétique

Rapport entre l'énergie utile (service rendu, ex: chaleur pour chauffer une pièce) et l'énergie consommée pour fournir ce service. Améliorer l'efficacité énergétique signifie réduire la quantité d'énergie nécessaire pour un même service.

Performance Énergétique d'un Bâtiment

Quantité d'énergie effectivement consommée ou estimée pour répondre aux besoins liés à une utilisation normale du bâtiment (chauffage, refroidissement, ventilation, eau chaude sanitaire, éclairage). Elle est souvent exprimée en kWh d'énergie primaire par m² et par an (kWh\(_\text{ep}\)/m².an).

Bâtiment Durable

Concept plus large qui intègre la performance énergétique, mais aussi la réduction de l'impact environnemental sur l'ensemble du cycle de vie (choix des matériaux, gestion de l'eau, des déchets), la santé et le confort des occupants, et les aspects socio-économiques.

Bâtiment à Basse Consommation (BBC)

Bâtiment dont la consommation énergétique conventionnelle est significativement réduite par rapport à la réglementation en vigueur (ex: niveau défini par un label).

Bâtiment à Énergie Positive (BEPOS)

Bâtiment qui produit plus d'énergie (généralement à partir de sources renouvelables sur site) qu'il n'en consomme sur une base annuelle.

Bâtiment Passif (Passivhaus)

Bâtiment dont les besoins en chauffage et en refroidissement sont extrêmement faibles, grâce à une très haute isolation, une excellente étanchéité à l'air, des menuiseries très performantes, une ventilation double flux avec récupération de chaleur, et une conception bioclimatique optimisée.

2. Principes Fondamentaux de la Thermique du Bâtiment

2.1 Transferts de Chaleur

La chaleur se transfère toujours d'un milieu chaud vers un milieu froid selon trois modes :

• Conduction : Transfert de chaleur au sein d'un matériau solide ou entre solides en contact, sans déplacement de matière (ex: chaleur traversant un mur). Dépend de la conductivité thermique du matériau.
• Convection : Transfert de chaleur au sein d'un fluide (liquide ou gaz) par déplacement de matière (ex: air chaud montant d'un radiateur, vent sur une façade).
• Rayonnement : Transfert de chaleur par ondes électromagnétiques, sans support matériel (ex: chaleur du soleil, rayonnement d'un corps chaud).

Dans un bâtiment, ces trois modes de transfert sont souvent combinés.

2.2 Bilans Thermiques : Apports et Déperditions

La température intérieure d'un bâtiment résulte d'un équilibre entre les apports de chaleur et les déperditions de chaleur.

• Déperditions Thermiques : Pertes de chaleur vers l'extérieur.
  • Par transmission à travers les parois opaques (murs, toiture, plancher bas) et vitrées (fenêtres).
  • Par renouvellement d'air (ventilation naturelle ou mécanique, infiltrations parasites).
  • Par les ponts thermiques.
• Apports de Chaleur :
  • Apports solaires passifs (chaleur du soleil entrant par les vitrages).
  • Apports internes (chaleur dégagée par les occupants, l'éclairage, les appareils électroménagers...).
  • Apports du système de chauffage.

En hiver, le système de chauffage doit compenser les déperditions pour maintenir la température de consigne. En été, il faut limiter les apports et/ou évacuer la chaleur pour éviter la surchauffe.

Schéma simplifié des apports et déperditions thermiques d'un bâtiment.

2.3 Résistance et Conductivité Thermique des Matériaux (\(R, \lambda, U\))

• Conductivité thermique (\(\lambda\)) : Aptitude d'un matériau à conduire la chaleur. S'exprime en W/(m·K). Plus \(\lambda\) est faible, plus le matériau est isolant.
• Résistance thermique (\(R\)) : Capacité d'une couche de matériau à s'opposer au passage de la chaleur. \(R = e / \lambda\), où \(e\) est l'épaisseur du matériau. S'exprime en m²·K/W. Plus \(R\) est élevé, meilleure est l'isolation. Les résistances thermiques de couches successives s'ajoutent.
• Coefficient de transmission thermique (\(U\)) : Quantité de chaleur traversant une paroi par unité de surface et par unité de différence de température entre les deux ambiances. \(U = 1 / R_{tot}\), où \(R_{tot}\) est la résistance thermique totale de la paroi (incluant les résistances superficielles d'échange). S'exprime en W/(m²·K). Plus \(U\) est faible, meilleure est l'isolation de la paroi.

2.4 Ponts Thermiques

Un pont thermique est une zone localisée de l'enveloppe du bâtiment où la résistance thermique est significativement réduite par rapport aux parties courantes. Ils sont dus à :

• Un changement de géométrie (angles, liaisons mur/plancher, mur/menuiserie).
• Un changement de matériau (poteau béton dans un mur isolé).
• Une interruption de l'isolant.

Les ponts thermiques augmentent les déperditions, peuvent causer des points froids en surface (risque de condensation et moisissures) et doivent être traités (ex: isolation par l'extérieur, rupteurs de ponts thermiques).

2.5 Inertie Thermique

Capacité d'un bâtiment (ou de ses parois) à stocker de la chaleur et à la restituer avec un déphasage temporel. Une forte inertie (matériaux lourds comme le béton, la pierre, la terre crue) permet d'amortir les variations de température extérieure et les apports solaires, améliorant le confort d'été (en stockant la chaleur le jour pour la restituer la nuit) et contribuant au confort d'hiver (en lissant les températures).

2.6 Perméabilité à l'Air de l'Enveloppe

Les infiltrations d'air parasites à travers les défauts d'étanchéité de l'enveloppe (jonctions, passages de gaines, menuiseries...) peuvent représenter une part importante des déperditions thermiques en hiver et réduire l'efficacité de la ventilation. Une bonne étanchéité à l'air est donc cruciale. Elle est mesurée par un test d'infiltrométrie (test de la "porte soufflante").

3. Conception Bioclimatique et Enveloppe Performante

3.1 Principes de la Conception Bioclimatique

La conception bioclimatique vise à tirer le meilleur parti des conditions climatiques et de l'environnement du site pour réduire les besoins énergétiques du bâtiment et assurer le confort des occupants. Elle repose sur :

• La captation des apports solaires passifs en hiver.
• La protection contre les surchauffes solaires en été.
• L'utilisation de la ventilation naturelle.
• L'optimisation de l'éclairage naturel.
• L'intégration au site (topographie, végétation...).

3.2 Orientation, Forme et Compacité du Bâtiment

• Orientation : Privilégier une orientation des pièces de vie au Sud (maximiser les apports solaires en hiver), limiter les ouvertures au Nord (déperditions), se protéger des vents dominants.
• Forme et Compacité : Une forme compacte (rapport surface d'enveloppe / volume chauffé faible) minimise les surfaces de déperdition. Éviter les formes architecturales trop complexes.

3.3 Isolation Thermique Performante

L'isolation est la clé de la réduction des déperditions par transmission. Elle doit être continue sur toute l'enveloppe.

• Murs : Isolation par l'Intérieur (ITI), par l'Extérieur (ITE - la plus performante pour traiter les ponts thermiques), ou Répartie (matériaux monomurs isolants).
• Toitures : Isolation des combles perdus (laine déroulée ou soufflée) ou des rampants (panneaux, sarking).
• Planchers bas : Isolation sur terre-plein, sur vide sanitaire ou sous-sol.
• Choix des isolants : Laines minérales (verre, roche), polystyrène (PSE, XPS), polyuréthane (PUR), isolants biosourcés (laine de bois, ouate de cellulose, chanvre, liège...). Le choix dépend de la performance (\(\lambda\)), du coût, de l'impact environnemental, de la tenue à l'humidité et au feu.

3.4 Menuiseries Extérieures Performantes

• Vitrage : Double vitrage à isolation renforcée (VIR - avec lame d'argon ou krypton et couche faiblement émissive), triple vitrage pour les bâtiments très performants. Le facteur solaire (\(g\)) et la transmission lumineuse (\(T_L\)) sont aussi à considérer.
• Châssis : Matériaux (PVC, bois, aluminium à rupture de pont thermique), qualité des joints d'étanchéité.
• Protections solaires : Essentielles pour le confort d'été. Externes (volets, stores bannes, brise-soleil orientables - BSO) sont plus efficaces qu internes.

3.5 Étanchéité à l'Air et Gestion de la Vapeur d'Eau

Une bonne étanchéité à l'air de l'enveloppe est cruciale. Elle est assurée par des membranes pare-vapeur ou freine-vapeur côté intérieur (selon le type de paroi), et des membranes pare-pluie ou écrans sous-toiture côté extérieur, ainsi que par un traitement soigné des jonctions et des traversées. La gestion de la vapeur d'eau vise à éviter les problèmes de condensation dans les parois.

4. Systèmes Énergétiques Efficaces

Après avoir réduit les besoins grâce à une enveloppe performante, il faut choisir des systèmes efficaces pour couvrir les besoins résiduels.

4.1 Systèmes de Chauffage

• Choix de l'énergie : Gaz naturel, électricité, fioul (de moins en moins), bois, réseaux de chaleur... Le choix dépend de la disponibilité, du coût, de l'impact environnemental.
• Générateurs performants : Chaudières à condensation (gaz, fioul), pompes à chaleur (PAC), chaudières biomasse.
• Émetteurs adaptés : Plancher chauffant basse température, radiateurs à chaleur douce, ventilo-convecteurs.
• Régulation et programmation : Thermostats d'ambiance, sondes extérieures, programmation horaire et par zone pour adapter le chauffage aux besoins réels.

4.2 Production d'Eau Chaude Sanitaire (ECS)

Poste de consommation important. Solutions : chauffe-eau électrique à accumulation (thermodynamique est plus performant), chauffe-eau gaz instantané ou à accumulation, production combinée avec le chauffage, chauffe-eau solaire. Isolation des ballons et des réseaux.

4.3 Systèmes de Ventilation

Indispensable pour assurer la qualité de l'air intérieur et évacuer l'humidité.

• Ventilation Naturelle : Par ouvrants ou grilles, difficile à maîtriser.
• VMC Simple Flux : Extraction mécanique de l'air vicié dans les pièces humides (cuisine, SdB, WC), entrées d'air neuf dans les pièces sèches (séjour, chambres).
  • Autoréglable : Débits constants.
  • Hygrogrégable : Débits variables en fonction de l'humidité. Plus performante.
• VMC Double Flux : Extraction mécanique de l'air vicié et insufflation mécanique d'air neuf préchauffé par un échangeur de chaleur qui récupère les calories de l'air extrait. La plus performante énergétiquement, mais plus coûteuse et nécessite un entretien rigoureux des filtres.

4.4 Systèmes de Climatisation et de Rafraîchissement

À éviter autant que possible par une bonne conception bioclimatique. Si nécessaire :

• Solutions passives : Protections solaires, sur-ventilation nocturne, puits canadien/provençal.
• Solutions actives : Climatiseurs individuels ou centralisés (choisir des appareils à haute efficacité énergétique - SEER), pompes à chaleur réversibles.

4.5 Éclairage

• Maximiser l'éclairage naturel : Grandes ouvertures bien orientées, puits de lumière, couleurs claires à l'intérieur.
• Éclairage artificiel performant : Lampes LED, gestion de l'éclairage (détecteurs de présence, gradation).

5. Intégration des Énergies Renouvelables (EnR)

L'utilisation d'EnR sur site permet de réduire la consommation d'énergie fossile et les émissions de GES.

5.1 Solaire Thermique

Capteurs solaires thermiques pour produire de l'eau chaude sanitaire (Chauffe-Eau Solaire Individuel - CESI) ou pour participer au chauffage (Système Solaire Combiné - SSC).

5.2 Solaire Photovoltaïque

Panneaux photovoltaïques pour produire de l'électricité, soit pour l'autoconsommation (avec ou sans revente du surplus), soit pour la revente totale.

Exemple d'intégration de panneaux photovoltaïques.

5.3 Pompes à Chaleur (PAC)

Systèmes thermodynamiques qui prélèvent la chaleur d'une source "froide" (air extérieur - aérothermie, sol - géothermie, eau de nappe - aquathermie) pour la restituer à une source "chaude" (le bâtiment). Consomment de l'électricité mais ont un Coefficient de Performance (COP) élevé. Peuvent être réversibles (chauffage et refroidissement).

5.4 Chauffage au Bois-Énergie

Utilisation de bûches, granulés (pellets) ou plaquettes forestières dans des poêles ou chaudières performants. Énergie renouvelable si la gestion forestière est durable.

5.5 Autres EnR

Micro-éolien, récupération de chaleur sur les eaux grises, cogénération... peuvent être envisagés dans certains contextes.

6. Réglementation, Labels et Outils d'Évaluation

6.1 Réglementations Thermiques (Ex: RE2020 en France)

Les réglementations thermiques (RT, puis Réglementation Environnementale - RE) fixent des exigences minimales de performance énergétique et environnementale pour les bâtiments neufs. En France, la RE2020, qui succède à la RT2012, vise des bâtiments à très haute performance énergétique, bas carbone (analyse du cycle de vie) et adaptés au confort d'été. Elle impose des indicateurs comme le Bbio (besoin bioclimatique), le Cep (consommation d'énergie primaire) et l'Ic énergie / Ic construction (impact carbone).

6.2 Diagnostic de Performance Énergétique (DPE)

Document obligatoire en cas de vente ou de location d'un bien immobilier, qui informe sur sa consommation d'énergie (étiquette énergie de A à G) et ses émissions de GES (étiquette climat). Il inclut des recommandations d'amélioration.

6.3 Labels de Performance Énergétique et Environnementale

Démarches volontaires permettant de certifier un niveau de performance supérieur à la réglementation :

• BBC (Bâtiment Basse Consommation) : Ancien label français, souvent intégré dans les RT.
• Passivhaus (Maison Passive) : Label allemand très exigeant sur les besoins de chauffage et l'étanchéité à l'air.
• BEPOS (Bâtiment à Énergie Positive) : Produit plus d'énergie qu'il n'en consomme.
• HQE™ (Haute Qualité Environnementale), BREEAM, LEED : Démarches multicritères de certification de la durabilité des bâtiments.

6.4 Simulation Thermique Dynamique (STD) et Analyse du Cycle de Vie (ACV)

Outils d'aide à la conception :

• STD : Modélisation du comportement thermique du bâtiment heure par heure sur une année type, pour optimiser le confort d'été et les besoins énergétiques.
• ACV : Analyse des impacts environnementaux d'un bâtiment sur l'ensemble de son cycle de vie (de l'extraction des matières premières à la démolition). Essentielle pour les approches bas carbone.

7. Rénovation Énergétique du Bâti Existant

7.1 Enjeux et Potentiel du Parc Existant

La majorité des bâtiments qui existeront en 2050 sont déjà construits. La rénovation énergétique du parc existant, souvent peu performant ("passoires thermiques"), est donc un enjeu majeur pour atteindre les objectifs climatiques. Le potentiel d'économie d'énergie est considérable.

7.2 Audit Énergétique

Diagnostic approfondi de la performance énergétique d'un bâtiment existant, identifiant les sources de déperdition, l'état des systèmes et proposant des scénarios de travaux d'amélioration chiffrés et hiérarchisés.

7.3 Ordre de Priorité des Travaux

Une rénovation globale et performante est idéale, mais souvent coûteuse. Par étapes, l'ordre de priorité est généralement :

1. Isolation de la toiture : Source majeure de déperditions.
2. Isolation des murs.
3. Remplacement des menuiseries extérieures.
4. Amélioration de la ventilation.
5. Optimisation ou remplacement du système de chauffage et de production d'ECS.

Il est crucial de traiter l'étanchéité à l'air en parallèle de l'isolation.

7.4 Aides Financières et Accompagnement

De nombreux dispositifs d'aides financières (MaPrimeRénov', éco-prêt à taux zéro, CEE...) existent pour encourager la rénovation énergétique. Des services d'accompagnement (ex: France Rénov') aident les particuliers à monter leurs projets.

8. Comportement des Usagers et Gestion Intelligente

8.1 Influence des Habitudes et Usages sur la Consommation

Même dans un bâtiment très performant, le comportement des occupants a un impact significatif sur la consommation réelle (température de consigne, gestion des ouvrants, utilisation des appareils...).

8.2 Sensibilisation et Éco-gestes

Informer et sensibiliser les usagers aux bonnes pratiques (éco-gestes) est un complément indispensable aux solutions techniques pour optimiser les économies d'énergie.

8.3 Domotique, GTB/GTC et Suivi des Consommations

Les systèmes de gestion intelligente du bâtiment (domotique pour le résidentiel, Gestion Technique du Bâtiment - GTB, ou Gestion Technique Centralisée - GTC pour le tertiaire) permettent d'automatiser et d'optimiser le fonctionnement des équipements (chauffage, éclairage, stores...) en fonction des besoins réels, de la présence, des conditions extérieures. Le suivi détaillé des consommations permet d'identifier les dérives et d'ajuster les réglages.

9. Conclusion : Vers des Bâtiments Durables et Résilients

L'amélioration de l'énergie et de l'efficacité dans les bâtiments est un pilier de la transition écologique et de la lutte contre le changement climatique. Elle passe par une approche globale intégrant une conception bioclimatique poussée, une enveloppe très performante (isolation, étanchéité, menuiseries), des systèmes énergétiques efficaces et l'intégration des énergies renouvelables.

La réglementation évolue vers des bâtiments de plus en plus sobres en énergie et en carbone sur l'ensemble de leur cycle de vie. La rénovation énergétique du parc existant représente un défi majeur mais aussi une opportunité considérable. Enfin, l'implication des usagers et le développement de la gestion intelligente des bâtiments sont des leviers complémentaires pour atteindre une véritable sobriété énergétique et construire des bâtiments plus durables et résilients face aux enjeux futurs.