Etude énergétique d'un bà¢timent neuf

MÉMOIRE DE MASTER

Présenté en vue de l'obtention du

Diplôme National de Master Professionnel

En Sciences et Technologie de l'Énergie

Spécialité : Diagnostic et Maintenance des Systèmes Énergétiques

Par :

Mejdi ABASSI

Intitulé

Étude énergétique d'un bâtiment neuf Zarrouk Gafsa

Soutenu le : 31/05/2016 devant le jury composé de :

Mr : Abdessalem JBARA Docteur Ingénieur en génie énergétique,

Président

Mr : Tawfik KOUISSI Docteur en Physiques, Examinateur

Mme: Sana BANNOUR Docteur en génie énergétique, Encadreur

Mr : Mounir HFIDHI Ingénieur architecte Encadreur industriel

Année Universitaire : 2015/2016

Dédicace

A mon dieu tout puissant qui m'a donné la faculté de connaître et de comprendre.

Je dédie ce mémoire :

A ma famille qui m'ont soutenu et m'encouragent

Et à tous mes collègues et mes amis

Remerciements

Je voudrais en ces ligne, exprimer ma reconnaissance et gratitude à :

Mme Sana BANNOUR, mon encadreur académique, maitre assistant à l'ISSTEG, pour ses conseils, se critiques et ses efforts multiples, et pour son aide ; merci pour votre entière disponibilité, votre compréhension qui m'ont permis de réaliser ce travail

Mr Mounir HFIDHI, mon encadreur industriel, architecte d'intérieur pour son aide, encouragement, mon profond respect.

Mme Abir BEN AHMED, ingénieur conseillé en fluides pour sa disponibilité, ses explications, son aide précieuse.

Je remercie également tous mes enseignants de l'ISSTEG,

Je remercie Mr Abdesslem JBARA, président

Je remercie Mr Tawfik KOUISSI, examinateur

Ainsi que les membres de jury,

qui nous ont fait l'honneur d'examiner ce travail et de le juger.

Enfin je remercie toutes les personnes qui m'ont soutenu

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE 15

Chapitre 1: MISE AU POINT BIBLIOGRAPHIQUE 17

Introduction 17

I. Bâtiment à faible consommation d'énergie 17

1. Bâtiments et concepts 17

2. Définition d'un bâtiment à faible consommation énergétique 18

3. Différents types de déperditions de chaleur 19

II. Caractéristiques d'un bâtiment à faible consommation 21

1. Conception bioclimatique de l'habitat 21

1.1. L'emplacement et l'orientation 21

1.2. La forme du bâtiment 23

1.3. Une forte isolation thermique 23

1.3.1. L'inertie thermique 24

1.3.2. Le vitrage 24

1.3.3. Une parfaite étanchéité 24

1.4. Chauffages 25

1.5. L'utilisation des énergies renouvelables 25

1.5.1. Energie solaire 25

1.5.2. L'énergie éolienne domestique 27

1.5.3. Géothermie 27

2. Réglementations thermique des bâtiments 27

2.1. Intérêt de la réglementation 27

2.2. Réglementation française 28

2.3. La règlementation thermique des bâtiments en Tunisie (RTBT) 31

Conclusion 32

Chapitre 2: BILAN THERMIQUE 34

Introduction 34

I. Les déperditions thermiques 34

1. Définition 34

2. Les bases de calcul du bilan thermique [19] 35

2.1. Apports externes 35

2.1.1. Déperditions thermiques par transmission 35

2.1.1.1. Déperditions par les parois 35

2.1.1.2. Déperditions par les liaisons 37

2.1.1.3. Les parois vitrées 37

2.1.2. Déperditions par renouvellement d'air 38

2.1.2.1. Charge sensible 39

2.1.2.2. Charge latente 39

2.1.3. Déperditions vers les espaces non chauffés 40

2.2. Charges dues aux apports internes 41

2.2.1. Apports d'origines des occupants 41

2.2.2. Apports d'éclairage 41

2.2.3. Apports par les équipements 41

2.2.4. Charges dues au rayonnement solaire 42

2.2.4.1. Rayonnement sur les murs 42

2.2.4.2. Rayonnement sur les vitrages 43

II. Le calcul des besoins énergétiques 44

1. Besoins en chauffage (Hiver) 44

2. Besoins en climatisation (Eté) 45

Conclusion 45

Chapitre 3: Etude de cas 47

Introduction : 47

I. Description générale du bâtiment 47

II. Données climatologiques et géographiques 49

1. Zones climatiques réglementaires 49

2. Conditions de températures et d'humidités 50

3. Conditions de base de calcul du bilan 51

III. Description constructive 52

1. Les murs 53

2. Plancher 54

3. Toiture 54

4. Menuiserie 55

IV. Calcul du bilan thermique 55

1. Calcul du bilan d'été 55

1.1. Charges dues aux apports externes 55

1.1.1. Calcul des déperditions thermiques par transmission 55

1.1.2. Déperditions par renouvellement d'air 58

1.2. Charges dues aux apports internes 59

1.2.1. Apports dus aux occupants 59

1.2.2. Apports par éclairage 59

1.2.3. Apport par les équipements 59

1.2.4. Apports dus aux rayonnements solaires 59

1.2.4.1. Rayonnement sur les murs 59

1.2.4.2. Rayonnement sur les vitres 60

1.3. Déperditions 60

2. Calcul du bilan d'hiver 61

2.1. Calcul des déperditions thermiques par transmission 61

2.1.1. Déperditions par les parois 61

2.1.2. Déperditions par les liaisons 62

2.2. Déperditions par renouvellement d'air 62

V. Simulation sous HAP 4.9 63

1. Présentation de l'outil de calcul HAP 63

2. Données climatiques 63

3. Interface du logiciel HAP 63

3.1. Les propriétés climatologiques 65

3.2. Rubrique des espaces : 67

3.2.1. Les systèmes 73

3.2.2. Validations des résultats de calcul pour le bilan de la chambre enfant : 74

3.2.3. Résultat du bilan thermique général par HAP 75

Conclusion 75

Chapitre 4 : Dimensionnement des systèmes de climatisation 77

Introduction 77

I. Principe de fonctionnement du système VRV 77

II. Présentation du logiciel VRV Xpress 78

1. Unités intérieures 78

2. Unités extérieures : 80

3. Tuyauterie 81

4. Câblages 81

Conclusion 82

Conclusion Générale 83

Références bibliographiques 84

Annexe 1 86

Annexe2 87

Annexe 3 89

Annexe 4 90

Annexe 5 92

Liste des Figures

Chapitre 1

FIGURE 1. 1 :BESOINS ET COÛTS D'AMÉLIORATIONS ÉNERGÉTIQUES. 17

FIGURE 1. Ý2: EQUILIBRE ÉNERGÉTIQUE D'UN BÂTIMENT. 18

FIGURE 1. 3: THERMOGRAPHIE D'UNE ENVELOPPE EXTÉRIEURE . 20

FIGURE 1. 4: POSITIONNEMENT DU RAYONNEMENT SOLAIRE . 21

FIGURE 1. Ý5: DÉVELOPPEMENT DE LA DEMANDE DE CHALEUR . 25

FIGURE 1. 6: EVOLUTION DES DIFFÉRENTES RÈGLEMENTATIONS . 29

FIGURE 1. 7: EVOLUTION DES EXIGENCES RÉGLEMENTAIRES . 30

CHAPITRE 2

FIGURE 2. 1:DIFFÉRENTES DÉPERDITIONS DE CHALEUR [18]. 34

FIGURE 2. 2:VUE DE COUPE D'UNE FENÊTRE INSTALLÉE. 38

CHAPITRE 3

FIGURE 3. 2:PLAN DE L'HABITAT D'ÉTUDE. 47

FIGURE 3. 3:DIMENSIONS DE LA CHAMBRE À ENFANTS. 48

FIGURE 3. 4;PLAN DE LA CHAMBRE À ENFANT VU PAR AUTOCAD. 48

FIGURE 3. 5 : ZONES CLIMATIQUES RÉGLEMENTAIRES DE LA TUNISIE . 49

FIGURE 3. 6:LES VARIATIONS MENSUELLES DE TEMPÉRATURES 50

FIGURE 3. 7:LES VARIATIONS MENSUELLES DE L'HUMIDITÉ 51

FIGURE 3. 8:LE BÂTIMENT EN COURS DE CONSTRUCTION. 53

FIGURE 3. 9:COMPOSITION D'UN MUR EXTÉRIEUR DE 35 CM. 53

FIGURE 3. 10:COUCHE D'ISOLANT LOGÉE DANS LE CLOISON DU MUR. 54

FIGURE 3. 11 : UNE FINE COUCHE DE PLASTIQUE . 54

FIGURE 3. 12:INTERFACE D'OUVERTURE OU DE CRÉATION D'UN PROJET 64

FIGURE 3. 13:LES COMPOSANTS DU PROJET ET LA LIBRAIRIE. 64

FIGURE 3. 14:CHOIX DU SYSTÈME MÉTRIQUE DE CALCUL. 65

FIGURE 3. 15:LES PARAMÈTRES DE RELOCALISATION . 66

FIGURE 3. 16:LES TEMPÉRATURES SÈCHES ET HUMIDES DE LA RÉGION. 66

FIGURE 3. 17:LES GAINS SOLAIRES MAXIMUMS SELON L'ORIENTATION . 67

FIGURE 3. 18:RUBRIQUE DES ESPACES COMPOSANT LE BÂTIMENT 67

FIGURE 3. 19:CRÉATION DE LA CHAMBRE. 68

FIGURE 3. 20:SAISIE DES CHARGES INTERNES DE LA CHAMBRE. 68

FIGURE 3. 21:ÉTABLISSEMENT DE LA NATURE DU PROGRAMME . 69

FIGURE 3. 22:ÉTABLISSEMENT DU CALENDRIER DE FONCTIONNEMENT 69

FIGURE 3. 23:SAISIE DES DONNÉES DES MURS EXTÉRIEURS 70

FIGURE 3. 24:COMPOSITION D'UN MUR EXTÉRIEUR 70

FIGURE 3. 25:INTERFACE DES ESPACES VITRÉS. 71

FIGURE 3. 26:EXPOSITION DES TOITURES ET SURFACES. 71

FIGURE 3. 27:COMPOSITION DE LA TOITURE. 72

FIGURE 3. 28:DONNÉES DU DÉBIT D'INFILTRATION D'AIR. 72

FIGURE 3. 29:LES DONNÉES DES MURS (CLOISONS) INTÉRIEURS. 73

FIGURE 3. 30: CHOIX DU SYSTÈME DE VENTILATION. 73

CHAPITRE 4

FIGURE 4. 1:INTERFACE PRINCIPALE DE L'OUTIL VRV XPRESS. 78

FIGURE 4. 2:LES CARACTÉRISTIQUES DE L'UNITÉ INTÉRIEURE 79

FIGURE 4. 3:CHOIX DES UNITÉS EXTÉRIEURES 80

FIGURE 4. 4:SCHÉMAS DE TUYAUTERIE DU SYST DECLIMATISATION 81

FIGURE 4. 5:SCHÉMAS DE CÂBLAGE. 81

Liste des Tableaux

Chapitre 2

TABLEAU 2. 2 : VALEUR MOYENNE DES ÉCHANGES THERMIQUES 37

TABLEAU 2. 3:LES COEFFICIENTS DE TRANSMISSION THERMIQUE . 38

TABLEAU 2. 4:COEFFICIENT D'ABSORPTION Á POUR MURS, TOITS . 43

TABLEAU 2. 5:FACTEUR DE RAYONNEMENT SOLAIRE [21]. 43

TABLEAU 2. 6;FACTEUR DE RÉDUCTION G POUR FENÊTRE PROTÉGÉES . 44

Chapitre 3

TABLEAU3. 1:CONDITIONS DE BASE DE CALCUL DU BILAN THERMIQUE 51

TABLEAU3. 2:LES COEFFICIENTS DE TRANSMISSION THERMIQUES 52

TABLEAU3. 3 : COMPOSITION DE LA TOITURE [25]. 55

TABLEAU3. 4:LES AIRES DES SURFACES DES DIFFÉRENTES PAROIS. 56

TABLEAU3. 5:LES ÉCARTS DE TEMPÉRATURES SUR LES FACE. 57

TABLEAU3. 6:LES DÉPERDITIONS DE CHALEUR PAR TRANSMISSION 57

TABLEAU3. 7:CARACTÉRISTIQUES PHYSIQUES DU MILIEU INTÉR ET EXT 58

TABLEAU3. 8:INTENSITÉ DE RAYONNEMENT SUR LES MURS. 60

TABLEAU3. 9:LES DÉPERDITIONS PAR RAYONNEMENT SUR LES VITRES. 60

TABLEAU3. 10:LES ÉCARTS DE TEMPÉRATURES SUR LES FACES. 61

TABLEAU3. 11:LES DÉPERDITIONS DE CHALEUR PAR TRANSMISSION . 62

TABLEAU3. 12:TEMPÉRATURE ET HUMIDITÉ 62

TABLEAU3. 13:LES DÉPERDITIONS DE CLIMATISATION DE LA CHAMBRE 74

TABLEAU3. 14:BILAN THERMIQUE DE LA CHAMBRE À ENFANT. 74

TABLEAU3. 15:BILAN THERMIQUE TOTAL DE LA MAISON. 75

CHAPITRE 4

TABLEAU 4. 1:PUISSANCE NÉCESSAIRE POUR CHAQUE LOCAL 79

TABLEAU 4. 2: PUISSANCE NÉCESSAIRE POUR LES UNITÉS EXTÉRIEURE. 81

TABLEAU 4. 3: NIVEAU SONORE PONDÉRÉ POUR CHAQUE UNITÉ INTÉR 82

Nomenclature

Variable	Désignation	Unité
Sp1	Température de surface du point 1	°C
Sp2	Température de surface du point 2	°C
V	Volume d'air	m^3
A	Aire de surface	M^2
ë	Conductivité thermique	W/m.k
PV	photovoltaïque
WC	Watt crête ou puissance maximale
K	Coefficient d'isolation global	W/m²K
Te	Température du milieu extérieur	°C
Ti	Température du milieu intérieur	°C
QL	Déperdition linéique	W
QP	Déperdition par les parois	W
QT	Déperdition de transmission	W
U	Coefficient de transmission surfacique	W/m²K
A	Aire de surface	m²
Rg	Resistance thermique globale	m²k/W
1/hi	Resistance thermique superficielle des échanges intérieurs	m²k/W
1/he	Resistance thermique superficielle des échanges extérieurs	m²k/W
e	épaisseur	m
?	Coefficient de transmission linéique	W/m.k
L	Longueur de la liaison	m
Ac	Aire de surface de verre	m²
Am	Aire de surface de menuiserie	m²
Uw	Coefficient de transmission des vitrages	W/m²K
Qs	Charge en chaleur sensible	W
Dr	Débit volumique de renouvellement d'air	m^3/h
ñair	Masse volumique de l'air	kg/m^3
Cpair	capacité thermique massique de l'air	J/Kg.K
QL	charge en chaleur latente	W
Dv	débit volumique de ventilation	m^3/h
Lv	chaleur latente de vaporisation à la température de l'air	J/Kg
YI	humidité absolues intérieure	Kg d'eau/kg d'air sec
YE	humidité absolues extérieure	Kg d'eau/kg d'air sec
QR	charge totale par renouvellement d'air	W
Q??????	Déperditions vers les espaces non chauffés	W
ô	coefficient de réduction de température	-
TN	température du local non chauffé	°C
QOCC	Gain de chaleur par occupant	W
Np	nombre d'occupants
Ms	gain par chaleur sensible par personne	W
Ml	gain par chaleur latente par personne	W
Q équ	gain par chaleur des équipements	W
n	nombre d'appareil
Ps	gain par chaleur sensible de l'appareil	W
Pl	gain par chaleur latente de l'appareil	W
QRm	quantité de chaleur traversant le mur
á	coefficient d'absorption de la paroi
F	coefficient de rayonnement solaire
Am	surface de la paroi	m²
Rv	rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur	W/m²
QRv	quantité de chaleur traversant le vitrage	W
g	facteur de réduction
Av	surface vitrée	m²
QSOL	quantité de chaleur solaire	W
QG	Apports de chaleur globale	W
QCH	Déperdition de chauffage	W
QCL	Déperditions de refroidissement	W
TSP	Température de sous plancher	°C
M	mur
AM	Aire du mur	m²
Aplancher	Aire du plancher	m²
Atoiture	Aire de toiture	m²
ÄT	Ecart de température	°C
ö	densité d'éclairage	W/m²
Rq PF	Puissance Frigorifique totale requise	W
Rv TC	Puissance Froid révisée	W
PF	Puissance Frigorifique totale maximale	W
Rq PS	Puissance Frigorifique sensible requise	W
PS	Puissance Frigorifique sensible maximale	W
T° Chaud	Température intérieure en chauffage d	°C
Rq PC	Puissance calorifique requise	W
PC	Puissance Calorifique maximale	W
BECTh	besoins énergétiques annuels du bâtiment liés au confort thermique	kWh/m^2.an
BECh	Besoins énergétiques annuels pour le chauffage	kWh/an
BERef	Besoins énergétiques annuels pour le refroidissement	kWh/an
STC	Surface totale conditionnée	m²
Tch	température intérieure de base de chauffage	°C
Tref	température intérieure de base de refroidissement	°C

Abréviations

Variable	Désignation
HAP	Hourly Analysis Program
VIR	Vitrage à isolation renforcée
STEG	Société Tunisienne d'Electricité et de Gaz
CO2	Dioxyde de carbone
EEB	Efficacité énergétique des bâtiments
WBCSD	World business Council for Substainable Développent
RT	réglementation thermique
BBC	Bâtiment à basse consommation
Bépos	bâtiments à énergie positive
Bbio	Indice de conception bioclimatique
Tic	Indice de température intérieure conventionnelle
Cep	Indice de consommation en énergie primaire
RTBT	Règlementation Thermique des Bâtiments en Tunisie
ASHRAE	American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers
ANME	Agence Nationale de la Maitrise d'Energie
ZT	Zone territoriale
INM	Institut National de Météorologie
DTTF	Aéroport international de Gafsa-Ksar
VRV	Volume de Réfrigérant Variable

INTRODUCTION GENERALE

L'un des défis majeurs de notre siècle est celui du développement durable. Aujourd'hui, notre planète doit affronter une grande crise écologique et une diminution des ressources naturelles. Il s'avère une nécessité primordiale de lutter contre le saccage de la nature et faire économiser les ressources et d'assurer un développement économique durable en produisant et en consommant autrement.

Le confort et le bien-être des occupants se révèlent être au coeur des préoccupations des professionnels du bâtiment. En effet, surveiller le confort et le bien être des occupants favorise l'efficacité de chacun dans son travail mais nous permet aussi d'effectuer des économies d'énergies.

Les usages considèrent que le confort est un élément essentiel de leur vie, que ce soit chez eux, dans leur lieu de travail ou en dehors. Ce besoin de confort accru apparait donc comme une évolution irréversible et avec la multiplication des appareillages qui consomment l'énergie. Ces faits obligent les concepteurs à consacrer plus d'attention à l'énergétique des bâtiments, à étudier les dispositions et les phénomènes des équipements, leur utilisation réelle et à intégrer cette préoccupation dans la conception des bâtiments.

L'étude du projet se fera en quatre parties, dans le premier chapitre on s'intéresse à la mise au point bibliographique sur la conception d'un bâtiment à faible consommation d'énergie ainsi qu'aux différentes réglementations thermiques.

Le deuxième chapitre sera consacré au dressage du bilan thermique du bâtiment dont on déterminera les notions de base pour le calcul des déperditions de climatisation et de chauffage.

La troisième partie sera déduite par un calcul théorique d'une zone de la construction (une seule chambre) dont on comparera ensuite les résultats avec ceux trouvés, à l'aide du logiciel HAP, à savoir comme une forte preuve de crédibilité à montrer pour l'étude thermique de l'ensemble du bâtiment en cours de naissance.

Le dernier chapitre envisagera un dimensionnement du système de climatisation en choisissant le meilleur de point de vue qualité et rendement.

Enfin cette étude sera clôturée par une conclusion générale présentant les principaux résultats de ce projet.

Chapitre 1 :

MISE AU POINT BIBLIOGRAPHIQUE

Chapitre 1: MISE AU POINT BIBLIOGRAPHIQUE

Introduction

L'exigence pour le développement économique dans le monde entier est immédiate et l'efficacité énergétique est devenue l'un des grands enjeux de notre époque, dont le secteur des bâtiments en est l'une des composantes majeures.

En Tunisie, la consommation énergétique dans le secteur du bâtiment passe successivement de la 3^ème position, après les secteurs industriel et du transport, à la première position à l'horizon 2020 [1].

Cette tendance est due à une augmentation des besoins de chauffages et de climatisations expliquée par une croissance annuelle d'environ 30% de la consommation d'électricité des ménages en matière de climatisation, et avec une puissance de pointe en été [1]. Dans ce cadre, on va s'intéresser, tout d`abord, aux bâtiments de faible consommation en énergie dont on présentera leurs différentes caractéristiques. Ensuite, on va présenter la réglementation thermique 2012 à travers l'énumération des ces exigences.

I. Bâtiment à faible consommation d'énergie

1. Bâtiments et concepts

La construction d'un bâtiment optimisé sur le plan énergétique engendre un faible coût lié aux besoins de l'énergie, figure1.1. De plus, la quantité d'énergie à prévoir pour la climatisation, le chauffage et l'eau chaude est déterminée dés les premières étapes du projet. Un premier entretien avec l'architecte, en ce qui concerne l'énergie, doit être effectué pour aborder les points importants de la conception à la réalisation.

Figure 1. 1 :Besoins et coûts d'améliorations énergétiques.

Un bâtiment peut être considéré comme une boite artificielle qui protège ce qu'elle abrite des conditions climatiques comme les températures extérieures, le vent, la pluie et le soleil. Le confort intérieur dépend en grande partie de deux facteurs :

- La température intérieure

- L'humidité

Il est évident qu'une pièce de température élevée et d'un fort taux d'humidité est moins confortable.

Les parois extérieures du bâtiment constituent l'enveloppe, fonctionnant comme un échangeur avec les conditions climatiques externes et emmagasinant de la chaleur en cas d'exposition au rayonnement solaire et dégageant de la chaleur vers l'extérieur en raison de la ventilation ou d'une faible isolation de l'enveloppe.

L'enveloppe procède à protéger le bâtiment et permet de maintenir un équilibre thermique entre les apports d'énergies et les pertes de chaleur, figure1.2.

Figure 1. 02: Equilibre énergétique d'un bâtiment.

2. Définition d'un bâtiment à faible consommation énergétique

Le bâtiment à faible consommation d'énergie est un concept moderne qui résulte des études d'améliorations successives de la performance énergétique des bâtiments. En comparaison avec les bâtiments non isolés ou classiques, on parle d'une consommation réduite concernant la logique future de construction de nouvelles générations de bâtiments.

Le bâtiment à faible consommation d'énergie est moins énergivore qu'un bâtiment existant, ce qui présente un écart technologique de consommation qui nécessite un effort de développement de l'efficacité énergétique du bâtiment (orientation, isolation, ventilation et système de climatisation)

Ce sont des bâtiments éco-énergétiques qui renferment une enveloppe bien isolée et avec un système de climatisation et de chauffage efficace et nécessite donc moins d'énergie. La construction d'une maison à faible énergie demande une consommation réduite en énergie primaire, établie dans le cadre de la Réglementation thermique [2].

La conception d'un bâtiment de bonnes performances énergétiques suppose deux grands axes :

· Diminuer les pertes thermiques

· Augmenter les gains solaires

Et plus précisément, les points-clé de l'habitat pour minimiser les besoins énergétiques sont :

· Une conception bioclimatique

· Le renforcement de l'Isolation thermique

· Une bonne étanchéité à l'air

· Bonne performance des équipements techniques

· Faire appel aux énergies renouvelables

Ces fondements se traduisent en termes de projet par une réflexion au niveau de la localisation, l'exposition du bâtiment et du choix des surfaces vitrées, tout comme des choix techniques (isolation, équipements, etc.)

3. Différents types de déperditions de chaleur

Les Bâtiments perdent de la chaleur vers l'environnement par une combinaison de fuites d'air et de la conduction thermique à travers l'enveloppe du bâtiment,

Les pertes conductives à travers la structure du bâtiment peuvent être divisées en deux catégories:

· Des pertes surfaciques ou localisées

Ce sont les pertes de chaleur à travers les principaux éléments de la structure du bâtiment (toiture, murs, fenêtres et plancher).

· Des pertes de chaleur de pont thermique

Un pont thermique est une zone ponctuelle ou linéaire qui se localise dans l'enveloppe d'un bâtiment et présentant une variation de la résistance thermique. Il s'agit d'un point de la construction où la barrière (enveloppe) isolante est rompue. Ce sont des faiblesses au sein de la structure d'un bâtiment où la chaleur et / ou de froid est transféré à un taux sensiblement plus élevé que dans la zone de l'enveloppe environnante. Ce sont les pertes de chaleur à travers les vitrages, les jonctions et les éléments de structure constituant l'enveloppe, figure1.2.

La figure1.3 montre une photographie spéciale (photo en infrarouge) prise grâce à une caméra thermographique présentant les caractéristiques thermiques du bâtiment. Les zones les plus claires (jaunâtre) étant les parties de l'enveloppe les plus chaudes et les zones les plus foncées (en rouge/bleu) montrant celles les plus froides. Cela permet d'identifier les zones les plus clairs de l'enveloppe indiquant les fuites de chaleurs sous forme de pertes.

Sur cette image, le point du mur Sp2 correspondant à la zone de charpente du plancher porte une coloration jaune- orangée indiquant une température d'environ 6,5°C sur l'échelle des températures à droite de la figure, alors qu'elle n'atteint que 1°C dans la zone Sp1 du mur (coloration bleuâtre). La chaleur s'échappe de la charpente du plancher et par les cadres des fenêtres en raison des ponts thermiques existants.

Figure 1. 3: Thermographie d'une enveloppe extérieure d'un bâtiment.

Dans la pratique, ces effets de différentes pertes se combinent souvent. Un exemple classique est celui de la dalle de balcon, où les problèmes se produisent si la connexion des dalles n'est pas sérieusement prise en considération. Les balcons et bords des dalles exposées sont considérés comme les plus critiques ponts thermiques dans l'enveloppe du bâtiment.

Le phénomène de pont thermique n'est pas curable complètement et existera toujours, il s'agit alors de chercher à le limiter en améliorant la conception du bâtiment.

C'est la raison pour laquelle dans ces types de bâtiments, il est important d'avoir de très fortes résistances thermiques pour les parois et de s'assurer absolument d'avoir de faibles pertes de chaleur par les jonctions (en unissant par exemple, la couche isolante de l'enveloppe entre les murs et la toiture).

II. Caractéristiques d'un bâtiment à faible consommation

1. Conception bioclimatique de l'habitat

L'architecture bioclimatique, un rendement énergétique élevé, est celui qui vise à atteindre un niveau élevé de confort thermique en adaptant la conception, la géométrie, l'orientation et la construction des bâtiments aux conditions climatiques de leur environnement.

Ceci est dû à une architecture adaptée à l'environnement, sensible à l'impact causé par la nature, et tente de minimiser la consommation d'énergie et, avec elle, la pollution de l'environnement. Cette conception se base sur les systèmes de collecte solaire passifs, des galeries contrôlées par les systèmes de ventilation, les régulateurs de la température et de l'humidité.

La bio-construction cherche à minimiser autant que possible les émissions de gazes pour aider à créer un développement durable qui ne détruit pas la planète.

1.1. L'emplacement et l'orientation

Il faut penser à la façon dont le soleil se déplace à travers la journée et toute l'année quand on commence à concevoir notre plan. L'implantation sélective, l'ombrage, et la stratégie de construction permettent d'économiser de l'argent sur les factures de chauffage et d'éclairage. En outre, une maison avec beaucoup de lumière naturelle est plus agréable d'être dedans.

La Conception du plancher doit prévoir utiliser le soleil toute la journée. Il faut imaginer une maison comme quatre quadrants distincts, chacun avec son propre potentiel de la lumière du jour et de la chaleur libre, en fonction de la position du soleil pendant la journée, figure1.4.

Figure 1. 4: Positionnement du rayonnement solaire en été et en hiver.

· L'exposition Est

Le soleil du matin est dominant dans les chambres orientées à l'est. La localisation de la salle à manger ou le coin du petit-déjeuner et la cuisine auront le plus de potentiel de lumière au début de la journée. Il est également un bon endroit pour un plancher dense qui peut absorber une partie de la chaleur solaire pour la journée.

· L'exposition Sud

Est souvent la plus intéressante pour respecter le confort d'été et récupérer les apports solaires gratuits l'hiver. La lumière du soleil est la plus forte sur le mur sud. Ceci est le quadrant droit pour le salon et les autres espaces qui seront utilisés tout au long de la journée. Pour le gain de chaleur, des chambres avec des fenêtres orientées vers le sud sont un bon choix pour les matériaux denses comme la pierre, la brique ou le béton.

L'orientation vers le Sud est également favorable aux systèmes à énergie solaire (capteurs solaires thermiques pour le chauffage et l'eau chaude, panneaux photovoltaïques pour la production d'électricité). En été, le soleil arrive verticalement et n'entrera pas dans la maison, dont les baies peuvent être protégées par une avancée (balcon ou brise-soleil par exemple) ou des stores à lamelles orientables.

· L'exposition Ouest

Tôt, la lumière du soir de l'ouest est à un angle faible. Parce que le soleil est si bas dans le ciel, les fenêtres orientées vers l'ouest obtiennent la lumière directe du soleil flamboyant à travers eux. Cela rend les chambres orientées à l'ouest un mauvais choix pour les salles de télévision parce que la lumière forte rend les écrans plus difficiles à voir.

Dans les régions froides, ceci est la dernière chance de la journée pour profiter du soleil; Dans les régions chaudes, les arbres du coté ouest protègent les chambres par création d'ombre et laissent passer les rayons solaires [3].

· L'exposition Nord

Est la partie la plus froide. Les chambres du Nord ont la lumière moins naturelle. Ils ont également le plus grand potentiel pour la perte de chaleur par les fenêtres. Ceci est un bon endroit pour les salles de bains, les entrées, et d'autres pièces où la lumière naturelle n'est pas aussi importante. Cela dit, les peintres et les artisans pourraient apprécier généreusement les fenêtres orientées vers le nord en raison de la qualité de la lumière.

1.2. La forme du bâtiment

La forme d'une maison à faible énergie doit être simple et compacte. Elle devrait suivre la règle que la zone de l'enveloppe du bâtiment doit être aussi faible que possible.

Une forme compacte n'a que deux avantages:

· Elle coûte moins chère à construire car elle nécessite moins de matériaux et surtout, moins de main d'oeuvre.

· Elle est facile et économe à chauffer : L'équipement de chauffage est bien sûr placé au centre de l'habitation pour une diffusion optimale.

Théoriquement, un bâtiment idéal aurait la forme d'une sphère comme tous les objets ayant un volume déterminé, la sphère est celle qui a la surface la plus petite.

Dans la réalité, la construction d'une maison en forme de sphère est ni pratique ni possible. Néanmoins, le bâtiment doit encore être aussi compact que possible.

Pour vérifier l'optimalité d'une certaine forme de maison, on calcule le ratio volume-aire (V/A) : le taux entre le volume chauffé (V) et la mesure de la surface de la maison (A). Les maisons dont les ratios plus élevés sont plus économes en énergie. Les formes de construction plus efficaces énergétiquement dans la plupart des cas impliquent également des dépenses de construction inférieures, car il y a moins de mur / toit / fondation pour le même espace [4].

1.3. Une forte isolation thermique

L'isolation thermique est utile, il aide à propos de réduire les coûts de chauffage et améliore le confort et contribue à l'augmentation de la valeur du bâtiment.

Cette isolation va permettre d'éviter tout les dégâts structurels qui peuvent se produire lorsque les composants de l'enveloppe d'un bâtiment sont humidifiés.

Une bonne isolation thermique contribue à faire augmenter la température de surface du côté de la chambre et réduire ainsi la possibilité que de l'eau se condense le long des parois extérieures.

En outre, les ponts thermiques (Défauts structurels tels que des fissures, des fuites ou les corps insuffisamment isolé) seront évités. Un pare-vapeur peut être utilisé contre le mur pour empêcher la pénétration de l'humidité à partir des locaux du bâtiment. Le pouvoir isolant d'un matériau provient de l'air qu'il emprisonne.

Il existe un grand nombre de matériaux dont les capacités de transferts thermiques sont variables [5].

1.3.1. L'inertie thermique

L'inertie thermique sera conditionnée principalement par une propriété dite la capacité thermique. Cette capacité  thermique exprime la faculté d'un matériau à absorber et à stocker de l'énergie.

L'inertie thermique d'un bâtiment sera jugée par la masse du matériau mis en oeuvre. Cependant, l'emploi de matériaux lourds à forte capacité thermique contribue efficacement à stabiliser les températures à l'intérieur des bâtiments. En été, plus l'inertie thermique de l'habitation augmente, plus les variations de température de jour et de nuit sont faibles. Elle permet donc de lisser les températures extrêmes [6]

1.3.2. Le vitrage

Depuis longtemps le simple vitrage est utilisé pour protéger nos habitations de la chaleur et du froid, mais il protège très faiblement. Le double vitrage à isolation renforcée (VIR) à un pouvoir isolant deux à trois fois supérieur à celui d'un double vitrage classique, et plus de quatre fois supérieur à celui d'un simple vitrage. Le triple vitrage est constitué de trois verres et disposant de deux couches faiblement émissives déposées du côté interne des lames d'air. Le coefficient de transmission thermique est excellent, de l'ordre de 0,6 à 0,8 W/m².K (contre 1,1 à 1,2 environ pour les VIR), donc un coefficient faible traduit une isolation performante [7].

Aujourd'hui le simple vitrage à atteint ses limites, les dernières réglementations thermiques, les progrès technologiques et les préoccupations environnementales l'ont placé pour isolation inadaptée. Ce type de fenêtre, cependant, ne répond plus aux exigences en matière d'isolation thermique et phonique et ne sera plus approuvé pour les bâtiments neufs. Dans les nouvelles constructions, le double vitrage est devenu la norme.

1.3.3. Une parfaite étanchéité

Un bâtiment étanche à l'air augmente le confort de l'utilisateur et empêche les dommages structurels (moule).

La nécessité d'une enveloppe étanche du bâtiment est souvent sous  estimée, car il est supposé que les murs doivent "respirer", par conséquent, ils devraient être en quelque sorte perméable à l'air.  Un bâtiment étanche à l'air peut avoir naturellement des petites « fuites » qui cependant, doivent êtres maintenues dans un certain cadre.

En pratique, le problème ne réside pas dans le fait que les bâtiments sont étanches à l'air, mais plutôt qu'ils ne sont pas suffisamment étanche à l'air et donc involontairement on assiste à des pertes d'énergie élevés et représentent un risque accru de dommages structurels.

1.4. Chauffages

Différentes technologies de chauffage entrent en question.  L'optimisation des coûts de chauffage peut être loin de l'optimisation de la demande de chaleur nécessaire à la maison. A cet effet, par exemple, certains appareils de chauffage avec des carburants sont considérés comme faibles en termes de coûts de chauffage.

Avec une enveloppe performante et étanche à l'air, les besoins en chauffages sont très réduits. Le développement des moyens d'isolations et des matériaux de constructions ne cesse de faire diminuer les exigences en chauffage. Des études sont faites dans une commune en Allemagne montrent un abaissement des besoins en chauffage d'une façon constante durant la période 1950 à 2010. La demande en chaleur est mesurée en kWh/m². La figure1.5 montre qu'en 2010, les besoins en chauffages sont aux alentours de 85 kWh.

Figure 1. 05: Développement de la demande de chaleur spécifique (région d'Allemagne) [8].

Ainsi la puissance des générateurs de chaleur tels que les chaudières sera réduite ce qui nécessite un équipement bien dimensionnés et le recours aux sources d'énergies renouvelables.

1.5. L'utilisation des énergies renouvelables

1.5.1. Energie solaire

Elle est ancienne, mais moderne depuis un certain temps que jamais : le soleil. L'étoile centrale est non seulement la base de la vie sur terre, mais également un élément clé de l'approvisionnement en énergie renouvelable. Dans le conduit de la révolution énergétique, les possibilités de l'utilisation de l'énergie solaire sont à nouveau poussées vers le centre de l'attention du public. Contrairement aux combustibles fossiles, l'énergie solaire est disponible pratiquement dans l'étendue illimitée, du climat neutre et gratuit.

La Tunisie dispose des atouts lui permettant de se cibler vers l'industrie des équipements pour l'exploitation de l'énergie solaire. Trois systèmes peuvent êtres mises en jeu: le photovoltaïque (PV), le solaire thermique et la photothermie.

Le photovoltaïque est la conversion de la lumière du soleil en électricité. Cela se produit grâce à l' effet photoélectrique. 

En Tunisie, l'énergie solaire présente des atouts avantageux pour la production de l'électricité. Avec une utilisation optimale des technologies développées, il est possible, en effet, de produire de l'électricité et contribuer à renforcer l'offre pour satisfaire une demande accrue. La technologie photovoltaïque est encore trop coûteuse pour être totalement compétitive face aux énergies fossiles. Les prix d'investissement en Tunisie ont abaissé de 27% durant la période de 2010 à 2013 et le coût d'installation reste encore plus cher d'environ 40% par rapport au coût en Europe estimé par watt crête (Wc) [9].

Des moyens thermiques d'énergie solaire qui convertissent l'énergie solaire en chaleur, qui chauffe l'eau de chauffage ou l'eau chaude sanitaire. Les panneaux solaires montés sur le toit, sur la façade ou sur terre remplacent des modules de la photovoltaïque. Le système doit être orienté de telle sorte qu'il recueille autant de rayons de soleil dans les meilleures conditions. La qualité des panneaux ou modules joue un rôle crucial pour le rendement du système.

Le troisième système, la photothermie, combine les principes de l'énergie photovoltaïque et solaire thermique. Les systèmes associés sont également appelés «collecteurs hybrides». L'avantage est certainement le fait que l'intéressé n'a pas le choix de décider pour le manque d'espace pour un seul système. Il est de même, si cela paraît paradoxal, possible de réaliser des systèmes de refroidissement avec de la chaleur solaire.

Par chance, notre pays se trouve dans une zone très avantageuse en termes de rayonnement car la Tunisie est l'une des régions du monde où sont enregistrées les valeurs les plus élevées du rayonnement direct du soleil.

De plus, les conditions climatiques sont favorables en termes de température, d'humidité et de vent qui sont meilleures en Tunisie que dans d'autres pays. Cela permet l'exploitation de l'énergie solaire à moindre coût.

1.5.2. L'énergie éolienne domestique

Les petites éoliennes portent un grand intérêt pour les propriétaires voulant faire une indépendance en énergie électrique. Ils peuvent offrir la possibilité de produire de l'électricité en les installant sur le toit ou dans le jardin.

L'énergie éolienne produite peut être utilisée dans leur propre ménage et réduit ainsi la facture d'électricité. Le surplus d'énergie peut être injecté dans le réseau public et de recevoir en contrepartie selon la   Loi sur les énergies renouvelables, une compensation par la société STEG.

Les petites éoliennes ont souvent une puissance supérieure à 5 kW correspondante à une maison de famille et atteignent une altitude d'installation allant jusqu'à 25 mètres. Plus la vitesse moyenne du vent est élevée plus l'investissement est élevé. Avec une forte auto-consommation de l'énergie éolienne propre et dans les bonnes conditions de vent, la petite éolienne est beaucoup plus rentable [10].

1.5.3. Géothermie

L'énergie géothermique est une forme d'énergie relativement peu utilisée, mais cette forme d'énergie pourrait aider dans le monde entier pour réduire les émissions de CO₂ et de réduire notre consommation de combustibles fossiles. Il est une forme extrêmement durable de l'énergie, qui est constamment réapprovisionné à partir du noyau de la terre.

La chaleur géothermique est la chaleur qui est présente à l'intérieur de la terre. Formée de 70% de la chaleur produite par la désintégration radioactives des atomes instables de la matière.

2. Réglementations thermique des bâtiments 

2.1. Intérêt de la réglementation

Le rapport international du projet de recherche sur l'efficacité énergétique dans les bâtiments (EEB), élaboré par le conseil mondial des entreprises pour le développement durable WBCSD (World Business Council for Substainable Development) et organisé à Genève en 2009, révèle que la consommation d'énergie dans les bâtiments peut être réduite de 60% d'ici à 2050 [11]. Ce rapport préconise l'adoption de codes de construction stricts (réglementations thermiques) et la mise en place des labels de qualité énergétiques.

Donc l'intérêt global des la réglementation thermique est :

Limiter la consommation globale d'énergie des bâtiments: l'économie d'énergie s'appuie sur deux aspects :

Un aspect environnemental : limiter la consommation permet de lutter contre l'effet de serre (réchauffement de l'atmosphère) et de préserver les ressources énergétiques.

Un aspect social : réduire la facture payée par les occupants.

Exiger des résultats de performances énergétiques des bâtiments par différents méthodes en laissant le choix au concepteur (architecte, ingénieur en fluide et énergétique, expert en énergétique,..).

Amélioration des performances énergétiques par la progression et l'évolution des textes réglementaires adoptés.

2.2. Réglementation française

2.2.1. Présentation

Suite au premier choc pétrolier de 1973, une nécessité de réflexion sur la maitrise de l'énergie s'est imposée en France. Une première mesure de réglementation thermique (RT) marquant le début de la politique énergétique s'était instauré en 1974 et concernant les bâtiments neufs destinés à l'habitation et imposant une isolation des parois extérieures de l'enveloppe et une régulation des systèmes de chauffage. Il s'agit alors d'une stratégie permettant de réduire la facture énergétique.

Cette réglementation compte la première d'une série de réglementations : RT 1976, RT 1982, RT 1988, RT 2000, RT 2005, RT 2012 et la RT 2020 (prévision).

Le champ d'application de ces réglementations couvre progressivement tous les bâtiments neufs et existants et qui intégrera une réflexion de maitrise de plus en plus globale.

A partir de la RT 2005, ces réglementations fixent la performance énergétique minimale à respecter pour les bâtiments neufs et existants sur les besoins de chauffages, de climatisation, de ventilation, de production d'eau chaude sanitaire, d'éclairage et d'intégration des énergies renouvelables [12]. Ainsi, de 1974 à 2013, l'amélioration de la performance énergétique des bâtiments et des systèmes ont permis de réduire de manière importante la consommation énergétique.

Selon la figure1.6 la consommation énergétique passe de 470 kWhep/m²/an (équivalant à une classe G) à 50 kWhep/m²/an (équivalant à une classe A).

La RT 1974 instaure le coefficient G comme « déperditions globales » d'un logement, et s'agissant de l'isolation des parois, aucune exigence n'a été formulée concernant le coefficient d'isolation global « K ». Son instauration et le mode de calcul n'a été finalisé qu'en 1977 et à subit une dizaine de modifications jusqu'au milieu des années 2000.

Figure 1. 6: Evolution des différentes Règlementations Thermiques [13].

La réglementation thermique en vigueur est la RT2012, elle impose pour toute construction neuve une réduction par 3 de la consommation moyenne par rapport à la RT 2005, figure1.7. Elle exprime des exigences en énergie primaire et fixe le plafond de 50 kWh/m²/an comme valeur moyenne du label BBC.

Cette consommation est modulée en fonction de plusieurs paramètres :

· La situation géographique (zone climatique)

· L'altitude de situation du bâtiment

· La surface moyenne du bâtiment isolé ou accolé

· Les émissions de CO₂ pour les énergies renouvelables.

Les bâtiments à énergie positive (Bépos) seront la norme à partir de 2020. Quant aux bâtiments existants, les nouvelles règles imposent de réaliser leur rénovation avec des objectifs de diminution des consommations énergétiques.

Figure 1. 7: Evolution des exigences réglementaires de consommation énergétique des bâtiments neufs [14].

2.2.2. La réglementation thermique RT2012 [15]

La RT2012 est une réglementation performante basée sur trois indicateurs qui expriment des exigences de résultats relatives à la performance du bâtiment :

Exigence relative à l'indice « Bbio » qui caractérise l'impact de la conception bioclimatique sur la performance énergétique du bâtiment. Le Bbio doit être inferieur à une valeur maximale « Bbio _max ».

Bbio = Bbio _max

Exigence relative à l'indice « Tic » qui caractérise la température intérieure conventionnelle du bâtiment. C'est une exigence relative au confort d'été. Le « Tic » du bâtiment doit être inferieur à une valeur de référence

Tic = Tic _ref

Exigence relative à l'indice « Cep » caractérisant la consommation du bâti en énergie primaire. Cet indice doit être inferieur à une consommation conventionnelle maximale.

2.3. La règlementation thermique des bâtiments en Tunisie (RTBT)

C'est depuis les années 2000 que la Tunisie bénéficiait d'une situation énergétique défavorable caractérisée par une balance déficitaire et depuis, le pays devient un grand importateur d'énergie devant le déclin net de la productivité en hydrocarbures et la demande nationale accrue.

Le gouvernement tunisien à mis en place une stratégie nationale de maitrise de l'énergie dans le secteur du bâtiment. Cette stratégie à été développée selon une approche globale visant l'amélioration aussi bien de la qualité thermique de l'enveloppe du bâtiment que des performances énergétiques de ses installations techniques.

Cette approche vise à faire évoluer, progressivement, le marché de la construction des bâtiments vers des pratiques de plus en plus efficaces en énergie, et ce, à travers des mesures réglementaires (obligatoires ou volontaires) souvent accompagnées par des mesures incitatives. La Réglementation Thermique des Bâtiments en Tunisie (RTBT) représente l'une de ces mesures.

Le secteur des bâtiments est un grand consommateur d'énergie, il utilise près de 30% de la consommation nationale et devrait voir ses besoins continuer à augmenter jusqu'en 2030 [16]. Il serait alors le premier consommateur national d'énergie.

Depuis quelques années, ce secteur bénéficie d'un dispositif réglementaire et incitatif visant à réduire la consommation d'énergie par la conception de bâtiments plus éco-énergétiques grâce à une architecture adaptée et l'utilisation de matériaux et de techniques de construction énergétiquement efficaces.

La réglementation thermique en Tunisie est un projet piloté par le Ministère de l'équipement, de l'habitat et de l'aménagement du territoire, le conseil de l'ordre des architectes, des associations promoteurs immobiliers et d'autres organismes.

Les règlements de construction sont des textes réglementaires qui visent à assurer que les politiques énoncées dans la législation pertinente, sont effectuées. L'approbation des règlements de construction est nécessaire pour la plupart des travaux de construction en Tunisie. Ces réglementations visent à limiter les besoins du bâtiment en chauffage et refroidissement.

La Loi n°2004-72 du 2 août 2004, relative à la maîtrise de l'énergie, stipule que «Les projets de construction de nouveaux bâtiments et les projets d'extension des bâtiments existants doivent répondre à des spécifications techniques minimales de maîtrise de l'énergie fixées par arrêté conjoint du ministre chargé de l'équipement et de l'habitat et du ministre chargé de l'énergie»[17].

Ces spécifications ont effectivement été fixées par l'arrêté 1 du 23 juillet 2008, modifié par l'arrêté du 17 décembre 2010 pour les immeubles de bureaux et assimilés et par l'arrêté du 1er juin 2009 concernant les immeubles à usage résidentiel [17].

L'article 4 de l'arrêté du ministère de l'équipement, de l'habitat et de l'aménagement du territoire du 17 avril 2007, porte intérêt sur le calcul des besoins énergétiques annuels du bâtiment liés au confort thermique (BECTh) et qui sont déterminés selon la formule [17].

Avec :

· BECTh : besoins énergétiques annuels liés au confort thermique d'un bâtiment exprimés en kWh/ (m².an),

· BECh : Besoins énergétiques annuels pour le chauffage exprimés en kWh/an et calculés sur la période d'hiver pour une température intérieure de base Tch = 20°C.

· BERef : Besoins énergétiques annuels pour le refroidissement exprimés en kWh/an et calculés sur la période d'été pour une température intérieure de base Tref = 26°C.

· STC : Surface totale conditionnée exprimée en m² et égale à la somme des surfaces des planchers des espaces chauffés en hiver et/ou refroidis en été.

Conclusion

Dans ce chapitre, on a présenté les différents critères à respecter afin de concevoir une maison à faible consommation en énergie.

Les besoins énergétiques d'un bâtiment doivent êtres conformes à la réglementation thermique. Ces besoins sont déterminés par le calcul du bilan thermique, ceci fera l'objet du chapitre qui suit.

Chapitre 2 :

BILAN THERMIQUE

Chapitre 2: BILAN THERMIQUE

Introduction

Le calcul du bilan thermique permet d'estimer la puissance de l'installation pour combattre les déperditions d'un local et de maintenir la température intérieure constante. Dans ce chapitre on va s'arrêter sur quelques notions importantes pour le calcul du bilan.

I. Les déperditions thermiques

1. Définition

Ce sont les pertes de chaleur que subit un bâtiment par ses parois et ses échanges de fluide avec l'extérieur. Ces déperditions se font essentiellement par la toiture, le renouvellement d'air, les murs, les vitrages et le sol et les ponts thermiques, figure2.1.

Figure 2. 1:Différentes déperditions de chaleur [18].

Les déperditions calorifiques du bâtiment doivent être calculées suivant la norme et indépendamment du système de chauffage. Ce calcul consiste à déterminer la puissance nécessaire au maintien en température des locaux. Elle évalue la quantité de chaleur à fournir pour le chauffage d'un local de température donnée. Cette chaleur nécessaire est capable de compenser les pertes d'énergie par les différents moyens de déperdition du bâti.

Trois paramètres principaux doivent être pris en compte :

· Température extérieure Te, l'installation devrait être calculée en fonction des conditions climatiques les plus sévères.

· Température d'ambiance à l'intérieur des locaux Ti,

· Les locaux non chauffés : La présence de locaux non chauffés au voisinage des locaux chauffés influe sur le dimensionnement de l'installation.

Ø Objectifs du calcul des déperditions

Le calcul doit être effectué pour répondre à trois finalités :

· La plus évidente étant le dimensionnement des systèmes de chauffages, par le calcul de la puissance utile nécessaire de l'installation pour y parvenir dans les conditions extrêmes. Ces conditions sont rares, on opte ainsi pour des conditions de bases permettant de maintenir le confort pendant les périodes de froid exceptionnel. C'est la température extérieure minimale constatée en moyenne sur une région en fonction de l'altitude, qui est considérée comme température de base et qui va définir par la suite la puissance nécessaire à l'installation (lorsqu'il n'y a pas de soleil et que les apports internes sont nuls).

· Le calcul des déperditions est un outil de vérification de l'efficacité en intégrant le matériel le plus adapté et éviter ainsi le gaspillage d'énergie.

· Enfin, le calcul des déperditions permet d'estimer les consommations énergétiques qui permettent de vérifier la conformité à la réglementation thermique.

2. Les bases de calcul du bilan thermique [19]

2.1. Apports externes

2.1.1. Déperditions thermiques par transmission

Elles se subdivisent en déperditions surfaciques, par les parois proprement dites Q_P, et en déperditions linéiques Q_L, par les liaisons entre les parois (ponts thermiques) ou par les planchers sur terre plein. Les déperditions Q_T (en Watt) s'écrit :

Q_T = Q_P + Q_L (1.1)

2.1.1.1. Déperditions par les parois

Ces pertes à travers un mur extérieur, un mur en contact avec un local non chauffé, un plancher en contact avec le sol.

Les déperditions surfaciques sont les plus importantes et les déperditions par les planchers sont de type linéique ; c'est le périmètre des planchers qu'il faut prendre en considération.

Les déperditions thermiques par transmission surfaciques Qp (en Watt) d'un volume à travers les parois, sont données par :

Q_P = U × A × (T_i - T_e ) (1.2)

Où :

· A représente la surface intérieure de chaque élément de la paroi, elle s'exprime en m².

· T_i est la température intérieure

· T_e est la température extérieure ou celle du local non chauffé.

S'il s'agit d'une paroi extérieure, d'une paroi en contact avec le sol ou d'une paroi donnant sur un espace non chauffe, T_e est considérée comme la température extérieure de base et s'il s'agit d'une paroi donnant sur un local non résidentiel dont la température est connue, T_e sera la température intérieure minimale de ce local. Si un tel local de température indéfinie, il sera considéré comme un local non chauffé.

U (anciennement k) en W/m²K, représente la puissance calorifique perdue par m² de paroi, c'est le coefficient de transmission surfacique qui se définit par la quantité de chaleur traversant 1 m² de paroi lors d'une différence de température de 1 degré entre deux ambiances. Elle peut être exprimée par :

(1.3)

_{·  :} Resistance thermique globale de la paroi (m².K/W)

? Plus U est faible, plus la paroi est performante.

et (1.4)

· 1/h_i : Resistance thermique superficielle des échanges intérieurs en m².K/W, tableau 2.1.

· 1/h_e : Resistance thermique superficielle des échanges extérieurs en m².K/W, tableau 2.1.

· e: épaisseur du matériau en m

· ë: conductivité thermique du matériau en W/m.k

Tableau 2. 1 : valeur moyenne des échanges thermiques superficiels intérieurs (1/hi) et extérieurs (1/he).

2.1.1.2. Déperditions par les liaisons

Ce sont les déperditions thermiques linéiques, appelées aussi les ponts thermiques  Q_L (en Watt) exprimées par :

Q_L = ? × L × (T_i - T_e ) (1.5)

· ?: coefficient linéique de liaison (W/m.k)

· L : longueur de la liaison en m

· T_I : est la température intérieure du local

· T_E : est la température extérieure.

Le calcul des déperditions linéiques s'avère peu complexe vu l'innombrable coefficient linéique existant pour les murs, planchers et les plafonds et pour les ouvrants. On estime alors les déperditions par les ponts thermiques à 5% environ de la valeur totales des déperditions surfaciques.

2.1.1.3. Les parois vitrées

La performance d'un vitrage se mesure par un coefficient de transmission thermique « U_w», représentant la quantité de chaleur en Watt qui traverse une paroi de 1m² quand la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur d'un logement est de 1°C.

a. Les ouvrants

Le calcul s'effectue en distinguant le vitrage de la menuiserie. Les surfaces correspondantes, Ac (surface de verre) et Am (surface de menuiserie) sont celles indiquées ci-dessous, figure2.2 :

Figure 2. 2:vue de coupe d'une fenêtre installée.

La surface Ac ne comprend donc pas la partie du volume verrier en feuillure. De même, la surface Am ne comprend pas la partie de la menuiserie prise dans la maçonnerie.

La somme Ac  + Am est égale à la surface en tableau, A, à laquelle est rapporté le coefficient U_W de la paroi vitrée [19].

b. Les vitrages courants

Le coefficient Uw des vitrages simples et doubles constitués de feuilles de verre clair de 4 mm [25] est donné dans le tableau2.2.

Type de vitrage	description	Coefficient de transmission Uw en W/m²K
Simple vitrage	Un vitrage de 4 mm	4.5
Double vitrage standard	2 plaques de verre de 4 mm séparées par une lame d'air de 12 mm	2.85
Double vitrage de faible émissivité	Comporte un revêtement spécial qui diminue la chaleur perdue vers l'extérieur	1.7 à 1.9

Tableau 2. 2:les coefficients de transmission thermique des vitrages simples et doubles.

2.1.2. Déperditions par renouvellement d'air

Il est nécessaire d'assurer un renouvellement de l'air à l'intérieur de la maison par de l'air neuf et de chasser de l'air vicié. Cet apport d'air va assurer un approvisionnement adéquat en air neuf pour les occupants et diluer la concentration des divers polluants émis dans l'ambiance (dioxyde de carbone, fumées de cigarettes etc..). Un taux de renouvellement d'air de 15% est généralement admis dans un logement résidentiel [17]. On aura recours a une ventilation avec récupération de chaleur (efficacité de 50% à 85%) pour réaliser un apport d'air neuf avec le minimum de pertes de chaleur. Ces déperditions peuvent êtres dues par charge sensible et par charge latente.

2.1.2.1. Charge sensible

L'air neuf introduit dans le local peut être réchauffé ou refroidit. L'énergie ainsi consommé est donnée par :

Q_s = D_r × ñ_air × Cp_air × (T_i - T_e) (1.7)

Q_s = 0,34 × D_r × (T_i - T_e) (1.8)

· Q_s : charge en chaleur sensible en W

· D_r : débit volumique de renouvellement d'air en m³/h

· ñ_air: la masse volumique de l'air en kg/m³ (=1,225 kg/m³ au niveau de la mer à 15 °C)

· Cp_air : capacité thermique massique de l'air en J/Kg.K (=1000 J/Kg.K)

· ñ_air× Cp_air = 0,34, chaleur volumique de l'air (capacité à emmagasiner la chaleur par rapport à un volume d'air), s'exprime en J/m³.K ou en Wh/m^3.K (1 Wh/m³.K = 3600 J/m³.K).

· T_i, T_e : températures intérieure et extérieure du local.

2.1.2.2. Charge latente

L'air extérieur diminue l'humidité à l'intérieur du local, en particulier pendant l'été. L'énergie de déshumidification nécessaire est donnée par :

Q_L = D_v × ñ_air × L_v × (Y_i - Y_e) (1.9)

· Q_L: charge en chaleur latente en W

· D_v : débit volumique de ventilation en m³/h

· ñ_air: la masse volumique de l'air en kg/m³ (1,225 kg/m³ au niveau de la mer à 15 °C)

· L_v : chaleur latente de vaporisation à la température de l'air en J/Kg (2,34.10⁶ J/Kg)

· Y_I,Y_E: humidité absolues intérieure et extérieure du local, s'expriment en kg _d'eau/kg _{d'air sec}.

La charge totale par renouvellement d'air est donc :

Q_R = Q_s + Q_L (1.10)

2.1.3. Déperditions vers les espaces non chauffés

Un local non chauffé (lnc) est un comble ou un vide sanitaire pour lequel le chauffage n'existe pas ou risque d'être interrompu pendant de longues périodes.
Les déperditions à travers les parois en contact avec des locaux non chauffes sont pondérées par un coefficient ô, sans dimension, dit « coefficient de réduction de température ». La valeur de ô est comprise entre 0 et 1 [20].

Les déperditions thermiques Q_?????? (en Watt/K) par transmission par degré d'écart à travers une paroi en contact avec un local non chauffé sont données par la formule suivante :

Q_?????? = ô × [?(U× A) + ?( × ? L)] (1.11)

ou encore Q_?????? = ô × Q_T (1.12)

Avec :

· U en (W/m²K) est le coefficient de transmission surfacique de chaque partie.

· A en (m²) est la surface intérieure de chaque partie surfacique.

· ? en (W/m²K) est le coefficient de transmission linéique de chaque liaison.

· Len (m) est la longueur intérieure de chaque liaison.

· ô est le coefficient de réduction de température, il est soit : Calculé dans le cas général. Ou déterminé forfaitairement.

Ø Calcul de ô dans le cas général :

Le coefficient ô est obtenu en considérant le bilan énergétique du local non chauffé.

Le coefficient ô est donné par la formule :

?? = (1.13)

Avec :

· T_i en (°C) est la température intérieure.

· T_N en (°C) est la température du local non chauffé.

· T_e en (°C) est la température extérieure.

2.2. Charges dues aux apports internes

2.2.1. Apports d'origines des occupants

Le corps humain apporte de la chaleur sensible (par notre corps à 37°C) et de la chaleur latente (par notre production de vapeur d'eau en respiration et en transpiration). Il est assimilé à un générateur thermique d'intensité variable suivant :

· L'activité de l'individu et son métabolisme

· La température de l'air sèche du local

· Le degré d'hygrométrie du local

L'expression de ces apports exprimée en Watt est :

Q_OCC = Q_s + Q_l (1.14)

Avec Q_s = N_p × M_s (1.15)

et Q_l = N_p × M_l (1.16)

· Q_s : gain par chaleur sensible en Watt

· Q_l : gain par chaleur latente en Watt

· N_p : nombre d'occupants

· M_s : gain par chaleur sensible par personne en Watt

· M_l : gain par chaleur latente par personne en Watt

2.2.2. Apports d'éclairage

Les appareils d'éclairage sont considères comme une source de chaleur sensibles. Cette chaleur peut être dégagée par rayonnement, convection et conduction. Une lampe à incandescence transforme l'énergie électrique en grande partie en chaleur dissipée par rayonnement (90%) et le reste sous forme de lumière, alors qu'une lampe à fluorescence dégage environ 75% de chaleur et 25% d'énergie lumineuse.

2.2.3. Apports par les équipements

La plupart des appareils constituent à la fois ne source de chaleur sensible et latente. Le tableau donne les apports de chaleur pour les machines et les appareillages, (tableau 2.3 Annexe). Ces apports sont exprimés en Watt par l'expression:

(1.17)

· Q_EQU: gain par chaleur des équipements en Watt

· n_i : nombre d'appareil i

· P_s : gain par chaleur sensible de l'appareil en Watt

· P_l : gain par chaleur latente de l'appareil en Watt

2.2.4. Charges dues au rayonnement solaire

Le rayonnement solaire est en fait une importante source de chaleur durant la journée, son influence est nettement remarquable à travers les vitrages qu'aux murs. Il est utile de déterminer ces apports suivant les types de vitrages utilisés.

2.2.4.1. Rayonnement sur les murs

Le rayonnement solaire dépend de l'exposition des murs, de l'orientation et de l'altitude. Le calcul du gain solaire sera effectué suivant l'heure de charges de réfrigération maximale pour le bilan d'été. Cette heure de réfrigération maximale devra coïncider avec l'heure des apports solaires maximum.

La quantité de chaleur traversant le mur exprimée en Watt est :

Q_Rm = á F A_m R_m (1.18)

· á = coefficient d'absorption de la paroi recevant le rayonnement

· A_m = surface de la paroi en m²

· F = facteur de rayonnement solaire

· R_m = rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur en W/m²

Le coefficient d'absorption á dépend de la couleur et de la nature du mur, tableau 2.3.

Le facteur de rayonnement F indique la part de chaleur absorbée par la surface et transmise à travers le mur du local, tableau2.4.

La valeur du rayonnement solaire R_m sur un mur, tableau Annexe, dépend :

· De la latitude sous laquelle le local se trouve,

· De l'orientation du mur,

· De l'heure pour laquelle le calcul sera effectué

Tableau 2. 3:coefficient d'absorption á pour murs, toits et fenêtres [21].

Tableau 2. 4:facteur de rayonnement solaire [21].

2.2.4.2. Rayonnement sur les vitrages

Le rayonnement solaire dépend de l'orientation des vitres, de l'altitude du logement et de l'heure pour laquelle les calculs seront effectués.

La quantité de chaleur traversant le vitrage exprimée en Watt:

Q_Rv = á g A_v R_v (1.19)

· á = coefficient d'absorption du vitrage

· g = facteur de réduction, tableau2, est fonction du mode de protection de la fenêtre contre le rayonnement solaire.

· A_v = surface vitrée (m²)

· R_v = intensité du rayonnement solaire sur les vitrages W/m² ; elle est définie de la même manière.

Tableau 2. 5;facteur de réduction g pour fenêtre protégées [21].

Soit Q_SOL la quantité de chaleur traversant les murs et les vitres. Les apports solaires s'expriment en Watt par :

Q_SOL = Q_Rm + Q_Rv (1.20)

II. Le calcul des besoins énergétiques

1. Besoins en chauffage (Hiver)

Soit Q_G (exprimé en Watt) les apports globaux dus aux apports internes, à ceux de l'éclairage, à ceux solaires et à ceux des différents appareils utilisés dans le bâtiment.

Q_G = Q_OCC + Q_ECL+ Q_EQU + Q_SOL (1.21)

Avec :

· Q_OCC: apports internes des occupants

· Q_ECL : apports dus à l'éclairage

· Q_EQ : apports dus aux équipements

· Q_SOL : apports solaires.

Les besoins en chauffages sont donnés par :

Q_CH = D_p + Q_L + Q_R - (Q_OCC + Q_ECL+ Q_EQU + Q_SOL) (1.22)

Alors: Q_CH = Q_T + Q_R - Q_G (1.23)

Avec :

· D_T : déperditions thermiques par transmission

· Q_G : les apports globaux (gains)

Donc :

Q_CH = Q_T + Q_R

Q_CH = Q_T + Q_R

En pratique, pour le bilan en chauffage les apports internes seront négligés ainsi que les apports solaires, puisque le bilan thermique calorifique se calcule suivant les conditions les plus défavorables. Les besoins en chauffages exprimés en Watt se résument alors par :

(1.24)

2. Besoins en climatisation (Eté)

Les besoins en climatisations sont déterminés en Watt par :

Q_CL = Q_P + Q_L + Q_R + (Q_OCC + Q_ECL+ Q_EQU + Q_SOL) (1.25)

Q_CL = Q_T + Q_R + Q_G

Q_CL = Q_T + Q_R + (Q_OCC + Q_ECL+ Q_EQU + Q_SOL) (1.26)

Alors (1.27)

Conclusion

L'élaboration du bilan thermique permet de déduire les besoins énergétiques de chauffage et de climatisation. Elle permet d'avoir une estimation prévisionnelle de l'énergie à partir des données climatologique fournie pour la région considérée et de définir la relation de dépendance entre le milieu ambiant à l'intérieur du logement et le climat environnant.

Dans le chapitre suivant, on va appliquer ce bilan sur notre projet.

Chapitre 3 :

ETUDE DE CAS

Chapitre 3: Etude de cas

Introduction :

Dans ce chapitre, on va, tout d'abord, calculer les besoins calorifiques et frigorifiques annuels par m² du bâtiment considéré en fonction des propriétés thermo-physiques de son enveloppe, de la zone climatique, du taux des baies vitrées des espaces chauffés ou non ainsi que leurs répartitions selon les différentes orientations géographiques.

Ensuite, on va déterminer les charges de climatisation et du chauffage à l'aide du logiciel HAP du groupe CARRIER Entreprise.

I. Description générale du bâtiment

La maison étudiée est une villa à structure multizones dont la face principale est orientée vers le Sud-est. Le plan d'architecture descriptif d'une maison individuelle composée de deux chambres à coucher, une chambre de séjour, un salon, une cuisine, deux salles de bain et un garage, figure3.1, située à Gafsa au sud ouest de la Tunisie dont les coordonnées géographiques sont :

· Latitude : 34,434

· Longitude : 8,750

Pour des raisons d'absence de bases de données climatiques pour une telle latitude, nous retenons pour cette étude :

· une latitude de 35°;

· Elévation : 264m.

· Longueur totale : 14,87 m,

· Largeur totale: 14,72 m

Figure 3. 1:Plan de l'habitat d'étude.

Outre les dimensions remarquables sur le plan, les caractéristiques du local sont :

· Hauteur sous-plafond : 3,2 m

· Hauteur du mur extérieur : 3,5 m

Une vue macroscopique de la chambre à enfants destinée pour un calcul théorique du bilan de climatisation et de chauffage est présenté sur la figure3.2.

Figure 3. 2:Dimensions de la chambre à enfants.

La même vue du plan élaboré par le logiciel AutoCAD sur la figure3.3:

Figure 3. 3;plan de la chambre à enfant vu par AutoCAD.

II. Données climatologiques et géographiques

1. Zones climatiques réglementaires

La définition des données météorologiques de base nécessaire pour le calcul des bilans thermiques et le dimensionnement des installations de climatisations et de chauffage en Tunisie est fondée sur la collecte et l'analyse des données, issues des stations météorologiques reparties sur le territoire tunisien.

Les données climatiques sont relevées et enregistrées d'une façon quotidienne suivant une base de traitement statistique conformément à une méthode préparée en Tunisie, qui s'inspire de la méthode ASHRAE et qui entre dans le cadre de la réglementation thermique des bâtiments neufs.

Les stations météorologiques disposent de données climatiques complètes se rapportant aux zones climatiques préalablement définies par l'ANME [22]. L'ANME à réalisé un zonage simplifié pour la formulation de la réglementation thermique des bâtiments :

La zone méditerranéenne ZT1correspond à la zone littorale allant du gouvernorat de Bizerte à celui de Médenine.

La région de Gafsa s'installe dans le cadre de la zone climatique réglementaire ZT2, figure3.4, comme une zone géographique renfermant aussi les gouvernorats de Jendouba, Béja, Kef, Siliana, Kairouan, Kasserine et Sidi Bouzid

La zone ZT3 comprend les gouvernorats de Tozeur, de Kébili et de Tataouine dans le sud tunisien.

Figure 3. 4 : Zones climatiques réglementaires de la Tunisie [22].

2. Conditions de températures et d'humidités

Les données climatiques sont basées sur des valeurs de températures mensuelles maximales et minimales durant la période de 5 ans 2011-2015. Ces données ont été fournies pat l'Institut National de Météorologie (INM), et ont été établies sous forme de graphique, figure 3.5, afin d'estimer les besoins énergétiques de l'habitat.

Les valeurs mensuelles maximales et minimales de l'humidité relatives de la région de Gafsa sont issues du site : weatheronline.co.uk et dont on a recueilli les données durant la période de plus de trois ans 2013-2016, figure 3.6. Ces données sont utiles pour l'estimation du bilan thermique concerné.

Figure 3. 5:les variations mensuelles de températures à la région de Gafsa (Source :INM)

Figure 3. 6:les variations mensuelles de l'humidité à la région de Gafsa [23]

3. Conditions de base de calcul du bilan

Le tableau3.1 présente les différentes températures de base utilisées pour le calcul du bilan d'été et d'hiver.

Saison	Eté	Hiver
Température extérieure sèche Te (°C)	44	-1
Température humide extérieure (°C)	24,9	- 2,8
Température d'un local conditionnée Ti (°C)	24	22
Température d'un local non conditionnée (°C)	34^*	12*
Température de sous plancher TSP(°C)	26^*	10^*
Humidité relative extérieure (%)	23	70
Humidité relative intérieure (%)	50	50

Tableau3. 1:conditions de base de calcul du bilan thermique [INM]

^*N.B : - les valeurs indiquées sont issues de la référence [24]

- les valeurs de températures extérieures et d'humidité sont des valeurs moyennes extraites des données de l'INM.

Le tableau3.2 donne les coefficients de transmission de la chaleur des différentes parois étudiées :

Paroi	Coefficient de transmission thermique U [W/m²K]
Mur extérieur	0,59
Mur intérieur (cloison)	2,4
Porte	3,4
Vitre	2,85
Plancher	1,89
Toiture	0,55

Tableau3. 2:les coefficients de transmission thermiques des différentes parois [25]

III. Description constructive

Le bâtiment est en cours de construction, figure 3.7, situé à la cité de Zarrouk de la ville de Gafsa. Il est reparti sur une superficie de 519 m² et dispose d'une base en béton armé de surface 207 m².

Les poteaux en béton sont construits et les façades vont êtres en maçonnerie en double cloison avec des revêtements des deux cotes intérieur et extérieur, en mortier de bâtard et de ciment. Le bâtiment comporte une zone interne qui est considérée comme un espace non conditionné. Par la suite il sera pris comme étant une seule zone homogène pour l'outil de calcul HAP.

Figure 3. 7:le bâtiment en cours de construction.

1. Les murs

La hauteur intérieure des murs (hauteur sous-plafond) est de 3,2 m pour tous les murs intérieurs et la hauteur extérieure est de 3,5 m pour tous les murs extérieurs.

Les murs extérieurs sont en maçonneries en double cloison de 35 cm, figure3.8, séparés par une lame d'air de 7cm ou est logé un isolant en polystyrène de 4 cm, figure3.9, chaque cloison est en brique creuse dont la coté interne de 15 cm et la coté externe de 10 cm. Le revêtement du coté intérieur est un mortier bâtard (composé de 50% chaux et 50% ciment) et de mortier ciment du coté externe.

Figure 3. 8:Composition d'un mur extérieur de 35 cm.

Figure 3. 9:couche d'isolant logée dans le cloison du mur.

2. Plancher

Il s'agit d'un plancher bas, en contact avec le sol. Les planchers ne sont pas le siège de transfert de chaleur sur leur partie surfacique vu qu'à la longue, le terre plein sur lequel le plancher est construit tend à se mettre à la même température que le logement. Par contre, il peut y avoir des pertes vers le milieu extérieur à cause des ponts thermiques à la liaison du plancher avec les murs. On peut ainsi prendre, dans les conditions limites, une température de sous plancher de 26°C [24].

Le planché est formé d'une dalle flottante composée d'une couche de 10 cm de béton armé et de trillé de fer raccordés en lignes croisés qui repose sur un lit de sable de 10 cm couvrant une couche de hérissons de 15 cm composée de pierres sèches compactés.

Une fine lame de plastique, figure3.10, pour isolation contre l'humidité de 0,2 cm est ajoutée sur la couche de sable.

Figure 3. 10 : une fine couche de plastique reposant sue le sable.

3. Toiture

La toiture est l'élément de la construction recevant le plus d'irradiation solaire pendant la saison chaude. Pendant l'hiver, l'air chaud plus léger s'élève et vient de se loger sous la toiture, ce qui constitue en réalité un facteur important de perte de chaleur. La toiture doit être impérativement isolée. De ce fait, l'isolation protège les locaux des surchauffes provoquées par l'ensoleillement de la toiture en été et conserve de la chaleur sous la toiture en hiver.

La toiture est formée, tableau 3.3, d'une couche de mortier bâtard de 1,5 cm sur la face interne, d'une couche de brique-hourdi de 16 cm, une couche de béton armée et de trillé de fer de 7 cm, une couche isolante de polystyrène de 5 cm, une couche de mortier ciment de 1,5 cm et enfin d'une étanchéité.

Couche (de l'intérieur vers l'extérieur)	Epaisseur (cm)	Conductivité thermique (W/m.K)
Mortier bâtard	1,5	1,15^*
Hourdi 16	16	1,1
Béton armé	7	1,4
Polystyrène	5	0,036
Mortier ciment	1,5	1,4^*

Tableau3. 3 : Composition de la toiture [25].

Le coefficient de transmission thermique de cette toiture est égal à 0,55 W/m²K.

La pose de l'isolant sur la toiture est une opération délicate vu les contraintes climatiques extérieures (ensoleillement, pluies,..) appliquées sur celle-ci provoquant des phénomènes de dilatation et de rétractions de la couche de couverture et de l'étanchéité.

4. Menuiserie

· Fenêtre : Les fenêtres sont simples à double vantaux avec une dimension de 2,2 m de largeur sur 1,2 m de hauteur.

· Porte : les portes sont en bois de dimensions 2,2 m par 0,9 m.

IV. Calcul du bilan thermique

Tout d'abord, on procède par faire le calcul théoriquement du bilan thermique d'une chambre de la villa (du coté sud-ouest) et le reste sera effectué en utilisant le logiciel HAP.

1. Calcul du bilan d'été

1.1. Charges dues aux apports externes

1.1.1. Calcul des déperditions thermiques par transmission

Afin de calculer les déperditions on doit déterminer :

Ø Evaluation des surfaces des murs, des vitres, des portes, du plancher et de toiture

Soient les mesures de surfaces suivantes:

· A_M = aire de la surface de la paroi des murs

· A_V = aire de la surface de la paroi vitrée

· A_P = aire de la surface des portes

· A_plancher= aire de la surface du plancher

· A_toiture= aire de la surface de toiture

Le tableau3.4 présente l'aire des surfaces globale et nette des différentes parois du local en utilisant la formule : Aire de surface du mur (A) = hauteur du mur × largeur du mur.

Type de surface	Designation	Surface globale	Surface nette
Murs exposés (extérieurs)	M1 (Nord-ouest)	A1 = 3,5 × 4,66 = 16,31m²	AM1 = 16,31m²
	M2 (Sud-ouest)	A2 = 3,5 × 4,73 = 16,55m²	AM2 = A2- AVM2= 13,91 m²
Murs intérieurs (cloisons)	M3	A3 = 3,2 × 4,20 = 13,44m²	AM3 = 13,44m²
	M4	A4 = 3,2 × 3,73 = 11,93 m²	AM4 = A4- APM4=9,95 m²
Les ouvrants	Vitre du Mur M2	AVM2 = 2,2 × 1,2 = 2,64 m²	AVM2 = 2,64 m²
	Porte du Mur M4	APM4 = 0,9 × 2,2 = 1,98 m²	APM4 = 1,98 m²
Plancher		Aplancher = 4,20 × 4,27 = 17,93 m²	Aplancher = = 17,93 m²
Toiture		Atoiture = 4,20 × 4,27 =17,93 m²	Atoiture = 17,93 m²

Tableau3. 4:les aires des surfaces des différentes parois de la chambre à enfants.

Ø Ecarts de température

Le tableau3.5 des écarts de températures évalués en se référant aux conditions de températures de base de l'été du tableau 3.1: l'écart de température : ÄT=Te - Ti

Parois	Type de paroi	ÄT
Mur M1 et Mur M2	Murs extérieurs ensoleillés	Te - Ti = 44 - 24 = 20°C
Mur M3 et Mur M4	Cloison en contact avec un local non conditionné	Te - Ti = 34 - 24 = 10°C
Vitre du MUR M2	Double vitrage standard ensoleillés	Te - Ti = 44 - 24 = 20°C
Porte du Mur M4	En contact avec un local non conditionné	Te - Ti = 34 - 24 = 10°C
Plancher	Au dessus de terre plein	TSP - Ti = 26 - 24 = 2°C
Toiture	Exposée à l'extérieur et ensoleillée	Te - Ti = 44 - 24 = 20°C

Tableau3. 5:les écarts de températures sur les faces, le plancher et la toiture (Eté).

En utilisant les résultats des deux tableaux 3.4 et 3.5 et en les intégrant dans la formule on trouve, tableau 3.6

Paroi	U (en W/m².°C)	A (en m²)	Te - Ti (en °C)	Q (en Watts)
Mur M1	0,59	16,31	20	192,458
Mur M2	0,59	13,91	20	164,138
Mur M3	2,4	13,44	10	322,56
Mur M4	2,4	9,95	10	238,8
Surface vitrée	2,85	2,64	20	150,48
Porte	3,4	1,98	10	67,32
Plancher	1,89	17,93	2	67,775
Toiture	0,55	17,93	20	197,23
Déperditions par transmission à travers les parois et vitrage				QP = 1400,761

Tableau3. 6:les déperditions de chaleur par transmission à travers les parois et les vitrages (Été).

Donc les déperditions par les liaisons sont :

Q_L = 5% × Q_P

Q_L = 70,03 W

1.1.2. Déperditions par renouvellement d'air

Le taux de renouvellement d'air est généralement de 1Volume/heure dans un logement résidentiel. Le débit volumique d'air D :

D (en m³/h) = volume du local(en m³) × taux de renouvellement (volume/heure).

Pour un renouvellement d'air de 1 vol/h, le débit d'air amené dans la chambre à enfant de volume  57,37 m³ équivaut à 57,37 m³/h, soit 15,93 l/s.

ü Charge sensible Q_s

Q_s = 0,34 × D_r × (T_i - T_e)

Q_s =0,34× 57,37/3600 × [44 - 24]

Q_s = 0,108 W

ü Charge latente Q_L

Q_L = D_v × ñ_air × L_v × (Y_i - Y_e)

Dans le tableau 3.7, on regroupe les données de températures et d'humidité suivant le milieu et ceci en utilisant le diagramme de l'air humide, annexe 3:

Caractéristiques du milieu	A l'intérieur du local	A l'extérieur du local
Température (°C)	24	44
Humidité relative (%)	50%	23%
Humidité absolue (kg d'eau/kg d'air)	0,0096	0,0135
Température humide (°C) [pour le logiciel HAP]	16,7	24,9

Tableau3. 7:Caractéristiques physiques du milieu intérieur et extérieur du local

Donc la charge latente Q_L = 57,38 /3600 × 1,225× 2,34.10⁶ × (0,0135-0,0096)

Q_L = 178,186 W

On a Q_R= Q_s+ Q_L

Alors Q_R = 178,294 W

1.2. Charges dues aux apports internes

1.2.1. Apports dus aux occupants

La chambre est occupée par deux individus, N_p=2. Ces derniers sont considérés comme des sujets de degrés d'activités : assis ou au repos dans un local de 24°C.

On trouve d'après le tableau 1 de l'annexe 1 : M_s=67 W et M_l=35 W

En utilisant la formule 1.14, on obtient :

Q_OCC = 204 W

1.2.2. Apports par éclairage

Soit la densité d'éclairage ö = 5W/m²

et A la surface de la chambre.

Les apports sont donc :

Q_ECL= ö × A = 5 × 17,93

Q_ECL= 89,65 W

1.2.3. Apport par les équipements

La chambre est équipée par un ordinateur de puissance 250W (tableau 2, annexe 1).

Q_EQU = 250 W

1.2.4. Apports dus aux rayonnements solaires

1.2.4.1. Rayonnement sur les murs

On a Q_Rm = á F A_m R_m

Or á= 0,4 (d'après le tableau 2.3)

Et pour k= 0,59; F= 0,029 (d'après le tableau 2.4)

La valeur du rayonnement solaire R_m se détermine en suivant les étapes suivantes :

Etape 1: Orienter les locaux pour déterminer la pointe de réfrigération. La figure 1 de l'Annexe 2, précise pour un local donné, le nombre de murs exposés et leurs différentes orientations.

Etape 2: Déterminer l'heure de charges de réfrigération maximales dans les locaux.

Pour ce local, les parois Nord-ouest (SO) et Sud-ouest (NO) sont ensoleillées. Les murs exposés sont en nombre de 2 et l'orientation des locaux prend celle du n°14 correspondante aux murs SO-NO (Tableau 3 de l'annexe 2). Les apports de chaleur les plus élevés sont enregistres à 15h sur les deux parois, nous choisissons de faire le bilan à 15h.

On détermine les intensités du rayonnement sur les murs d'après le tableau 3 de l'annexe 2.

Murs	Rm (en W/m²)
Mur 1 (NO)	360
Mur 2 (SO)	480

Tableau3. 8:intensité de rayonnement sur les murs.

1.2.4.2. Rayonnement sur les vitres

Les vitres sont à double vitrage standard et nous lisons dans le tableau 2.3, ? = 0,9.

Les vitres sont protégées à l'extérieur par des persiennes en PVC et nous lisons dans le tableau2.5, g = 0,22

On détermine l'intensité du rayonnement à 15h sur les vitres du mur M2 Sud-ouest à partir du tableau 4 de l'annexe 2 : 325 W/m²

1.3. Déperditions

Les déperditions par rayonnement sur les vitres se calculent suivant la formule :

Q_Rv = á g A_v R_v

Le tableau 3.9 illustre la valeur de ces déperditions :

	Coefficient d'absorption á	Facteur de réduction g	Surface de la paroi vitrée	Rv
Vitre du MUR M2 (Sud-ouest)	0,9	0,22	2,64	385	QRv= 201,247
Déperditions par rayonnement sur la paroi vitrée					QRv= 201,247 W

Tableau3. 9:les déperditions par rayonnement sur les vitres.

On a :

Q_SOL = Q_Rm + Q_Rv

Q_SOL = 145,56 +201,247

Alors Q_SOL = 346,807 W

Ø Les besoins thermiques en climatisation :

Q_CL = 2539,542 W = 2,539 kW

2. Calcul du bilan d'hiver

2.1. Calcul des déperditions thermiques par transmission

2.1.1. Déperditions par les parois

Le tableau 3.10 établit les différents écarts de températures selon le type de la paroi à étudier :

Parois	Type de paroi	Ecarts de température
Mur M1 et Mur M2	Murs extérieurs ensoleillés	Ti - Te = 22 + 1 = 23°C
Mur M3 et Mur M4	Cloison en contact avec un local non conditionné	Ti - Te = 22 - 12 = 10°C
Vitre du MUR M2	Double vitrage standard ensoleillés	Ti - Te = 22 + 1 = 23°C
Porte du Mur M4	En contact avec un local non conditionné	Ti - Te = 22 - 12 = 10°C
Plancher	Au dessus de terre plein	Ti - TSP = 22 - 10 = 12°C
Toiture	Exposée à l'extérieur et ensoleillée	Ti - Te = 22 + 1 = 23°C

Tableau3. 10:les écarts de températures sur les faces, le plancher et la toiture (Hiver).

Ø Calcul des déperditions des parois, illustré sur le tableau 3.11 :

Paroi	U (en W/m².°C)	A (en m²)	Ti - Te (en °C)	Q (en Watts)
Mur M1	0,59	16,31	23	221,326
Mur M2	0,59	13,91	23	188,758
Mur M3	2,4	13,44	10	322,56
Mur M4	2,4	9,95	10	238,8
Surface vitrée	2,85	2,64	23	173,052
Porte	3,4	1,98	10	67,32
Plancher	1,89	17,93	12	406,652
Toiture	0,55	17,93	23	226,814
Déperditions par transmission à travers les parois et vitrage				QP = 1845,282

Tableau3. 11:les déperditions de chaleur par transmission à travers les parois et les vitrages (hiver).

2.1.2. Déperditions par les liaisons

Q_T = Q_P + Q_L

Donc Q_T = 1845,282 + 92,264

Q_T = 1937,546 W

2.2. Déperditions par renouvellement d'air

ü Charge sensible

Q_s = 0,34 × D_r × (T_i - T_e)

Q_s =0,34× 57,38/3600× [22 + 1]

Q_s = 0,124 W

ü Charge latente

Q_L = D_v × ñ_air × L_v × (Y_i - Y_e)

Les valeurs de températures et d'humidité sont recueillies dans le tableau 3.11 :

	A l'intérieur du local	A l'extérieur du local
Température (°C)	22	-1
Humidité relative (%)	50	70
Humidité absolue (kg d'eau/kg d'air)	0,0085	0,0025
Température humide (°C)	15,02	-2,69

Tableau3. 12:température et humidité à l'intérieur et à l'extérieur du local

Donc

Q_R = 274,444 W

Ø Les besoins thermiques en chauffage :

Q_CH = 2211,99 W = 2,211 kW

V. Simulation sous HAP 4.9

1. Présentation de l'outil de calcul HAP

HAP désigne « Hourly Analysis Program« [26] est un puissant logiciel d'analyse horaire destiné pour les ingénieurs énergétiques, les concepteurs/constructeurs, les bureaux d'études et les professionnels de l'énergie impliqués dans le calcul de la consommation énergétique des locaux. Son calcul respect la norme Américaine ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeerating and Air Conditioning Engineers). Il tient compte des conditions géographiques et climatiques de la zone de construction ainsi que les propriétés physiques de l'enveloppe et de plusieurs autres conditions spécifiques.

Le HAP utilise une interface graphique permettant à l'utilisateur un accès rapide et efficace aux différents rubriques et de saisir les donnes nécessaire au calcul. Une approche modulaire permettant de définir les composants du bâtiment et les apports internes et externes de l'énergie, ce qui permet d'obtenir une flexibilité maximale pour la configuration des données et de convenir à une large gamme d'applications (bâtiments résidentiels et tertiaires).

2. Données climatiques

Les données climatiques qu'il convient d'utiliser pour la simulation thermique sont par défaut celles de la station météorologique DTTF de Gafsa correspondants à la zone géographique du projet.

3. Interface du logiciel HAP

L'interface de démarrage du logiciel intègre une fenêtre principale présentant plusieurs rubriques: les données météorologiques de la région, les locaux du bâtiment considéré, l'exposition des murs et leurs compositions, la localisation et le type des fenêtres et des portes, la composition des planchers, des toitures et des différents autres composants du système.

On va illustrer notre étude par de différentes captures d'écrans figurant les étapes de saisie de données ainsi que leurs dispositions, avec l'outil HAP.

Dans la fenêtre principale du programme, tout d'abord il faut créer un nouveau projet ou ouvrir un projet existant, figure 3.11 :

Figure 3. 11:interface d'ouverture ou de création d'un nouveau projet

Ensuite, il faut définir les différents éléments de la librairie du projet nécessaires, renfermant les calendriers horaires ainsi que les murs extérieurs, les toitures, les fenêtres et les portes, figure 3.12 :

Figure 3. 12:les composants du projet et la librairie.

L'outil HAP est configuré par défaut sur le système métrique américain, il est nécessaire donc de le changer vers le système de mesures international SI, en ouvrant : View ? Preferences, figure 3.13 :

Figure 3. 13:choix du système métrique de calcul.

3.1. Les propriétés climatologiques 

Les données météorologiques définissants la température, l'humidité et le rayonnement solaire influent directement sur les valeurs de déperditions de la construction.

Pour définir les données météorologiques, une ville peut être choisie parmi les bases de données météorologiques du programme, sinon les paramètres météorologiques peuvent être introduits.

Les données météorologiques sont entrées en utilisant le formulaire de saisie des données climatiques : Cette étape consiste à paramétrer le logiciel HAP avec les données caractéristiques météorologiques de la région de Gafsa.

Les paramètres de désignation : saisie des données de localisation de la maison, son latitude et longitude, le zonage horaire du pays, le pourcentage de clarté de l'atmosphère, le jour le plus chaud et le jour le plus froid des années récentes sont illustrés sue la figure 3.14.

Figure 3. 14:les paramètres de relocalisation et de température de la région.

Les températures de désignation journalière et mensuelle de l'air sec et de l'humide durant toute une année sont introduit de la façon suivante, figure 3.15.

Figure 3. 15:les températures sèches et humides de la région.

Par la suite il est nécessaire d'introduire les données des gains solaires maximales suivant toutes les orientations géographiques, figure 3.16.

Figure 3. 16:les gains solaires maximums selon l'orientation du local.

3.2. Rubrique des espaces :

On doit préciser dans chaque local crée, sa superficie, le nombre des occupants, la composition des murs, des portes et des fenêtres, leurs superficies et leurs expositions, les détails des planchers et des toitures, les pertes par infiltrations d'air ainsi que la superficie des surfaces exposées aux locaux non chauffés.

Chaque espace sera créé et renommé, figure 3.17

Figure 3. 17:rubrique des espaces composant le bâtiment

L'étape suivante est la saisie des données de superficie et de la hauteur du mur de la chambre, figure 3.18.

Figure 3. 18:création de la chambre.

Ensuite on doit introduire les charges internes de la chambre ainsi que le calendrier de fonctionnement de l'éclairage, des équipements électriques ou le calendrier de la présence des personnes dans la chambre, figure3.19 :

Figure 3. 19:saisie des charges internes de la chambre.

Il est nécessaire de préciser selon la figure 3.20, s'il s'agit d'un programme de type :

· « Fractional » ou le logiciel prend en considérations des apports internes des occupants et des équipements ainsi que les débits d'air.

· « Thermostat » : le logiciel prend en compte des conditions climatiques extérieures.

Figure 3. 20:établissement de la nature du programme de calendrier de mise en jeu.

Puis il faut élaborer le calendrier de fonctionnement, figure 3.21 :

Figure 3. 21:établissement du calendrier de fonctionnement horaire

Par la suite, on doit spécifier les murs extérieurs exposés suivant leurs orientations ainsi que le nombre de portes ou les fenêtres inclus, figure 3.22 :

Figure 3. 22:saisie des données des murs extérieurs

Ensuite il faut saisir la composition des murs extérieurs avec leurs caractéristiques physiques par clic sur le curseur « Wall », figure 3.23 :

Figure 3. 23:composition d'un mur extérieur

L'étape suivante est l'Intégration des dimensions des fenêtres ou des portes de chaque mur, figure 3.24 ainsi que les données des toitures et des planchers, et s'il ya des zones ouvertes à préciser, figure3.25 :

Figure 3. 24:interface des espaces vitrés.

Figure 3. 25:exposition des toitures et surfaces.

Pour la toiture il faut intégrer sa composition en tenant compte de la valeur du coefficient de transmission thermique considéré, figure 3.26 :

Figure 3. 26:composition de la toiture.

L'étape suivante concerne la saisie des données de l'infiltration d'air, figure 3.27.

Figure 3. 27:Données du débit d'infiltration d'air.

Puis on doit saisir les données des murs intérieurs en tenant compte qu'il s'agit d'une cloison murale et non pas de toiture, figure 3.28 :

Figure 3. 28:les données des murs (cloisons) intérieurs.

3.2.1. Les systèmes 

Cette rubrique nous permet de choisir le système de climatisation qu'on doit fixer, figure 3.29. Dans notre cas, on ne va pas faire l'étude de dimensionnement avec l'outil HAP mais on va utiliser un autre outil : Daiken.

Figure 3. 29: Choix du système de ventilation.

Ø Affichage des résultats concernant le bilan thermique de la chambre à enfant par HAP  dans le tableau 3.15 :

COMPONENT LOADS FOR SPACE '' chambre enfant '' IN ZONE '' Zone 1 ''
	DESIGN COOLING			DESIGN HEATING
	COOLING DATA AT Jul 1600			HEATING DATA AT DES HTG
	COOLING OA DB / WB 42,2 °C / 23,9 °C			HEATING OA DB / WB -1,0 °C / -2,8 °C
	OCCUPIED T-STAT 23,9 °C			OCCUPIED T-STAT 21,1 °C
		Sensible	Latent		Sensible	Latent
SPACE LOADS	Details	(W)	(W)	Details	(W)	(W)
Window & Skylight Solar Loads	3 m²	696	-	3 m²	-	-
Wall Transmission	30 m²	306	-	30 m²	398	-
Roof Transmission	18 m²	166	-	18 m²	218	-
Window Transmission	3 m²	126	-	3 m²	166	-
Floor Transmission	18 m²	0	-	18 m²	190	-
Partitions	23 m²	568	-	23 m²	512	-
Overhead Lighting	90 W	89	-	0	0	-
Electric Equipment	250 W	250	-	0	0	-
People	2	134	70	0	0	0
Infiltration	-	183	-36	-	221	0
>> Total Zone Loads	-	2519	34	-	1705	0

Tableau3. 13:les déperditions de climatisation de la chambre à enfant

3.2.2. Validations des résultats de calcul pour le bilan de la chambre enfant :

Les valeurs de déperditions de la chambre à enfants sont recueillies selon le tableau3.16.

On constate que les valeurs théoriques qui sont calculées pour le bilan frigorifiques sont proches avec celles trouvés par le logiciel HAP.

Les valeurs indiquées par le calcul en utilisant le logiciel HAP sont d'une grande exactitude du fait qu'il tient compte d'autres paramètres dans le calcul tel que les heures d'occupation des locaux et la durée de fonctionnement de l'appareillage.

Méthode	Bilan frigorifique	Bilan calorifique
Logiciel HAP	2553 W	1705 W
Calcul théorique	2539 W	2211 W

Tableau3. 14:bilan thermique de la chambre à enfant.

Le détail des résultats du bilan thermique de chacune des pièces du bâtiment de construction en besoins frigorifiques et calorifiques nécessaires sont présentés dans les tableaux (5, 6, 7, 8) de l'annexe 4.

3.2.3. Résultat du bilan thermique général par HAP

Les besoins totaux du bâti pour la climatisation sont de l'ordre de 13,264 kW alors que pour le chauffage, les besoins sont de 9467 kW.

Le tableau3.17 présente les valeurs de déperditions totales pour la climatisation et le chauffage :

	DESIGN COOLING			DESIGN HEATING
	COOLING DATA AT Jul 1800			HEATING DATA AT DES HTG
	COOLING OA DB / WB 40,2 °C / 22,8 °C			HEATING OA DB / WB -1,0 °C / -2,8 °C
		Sensible	Latent		Sensible	Latent
ZONE LOADS	Details	(W)	(W)	Details	(W)	(W)
Window & Skylight Solar Loads	16 m²	2208	-	16 m²	-	-
Wall Transmission	118 m²	1366	-	118 m²	1557	-
Roof Transmission	96 m²	922	-	96 m²	1176	-
Window Transmission	16 m²	699	-	16 m²	998	-
Floor Transmission	94 m²	0	-	94 m²	360	-
Partitions	111 m²	2681	-	111 m²	2416	-
Overhead Lighting	375 W	377	-	0	0	-
Electric Equipment	3830 W	3183	-	0	0	-
People	11	538	538	0	0	0
Infiltration	-	873	-291	-	1182	0
Miscellaneous	-	250	0	-	0	0
Safety Factor	0% / 0%	0	0	0%	0	0
>> Total Zone Loads	-	13098	247	-	7689	0
Zone Conditioning	-	12433	247	-	7765	0
Exhaust Fan Load	49 L/s	0	-	66 L/s	0	-
Ventilation Load	49 L/s	899	-316	66 L/s	1702	0
Ventilation Fan Load	49 L/s	0	-	66 L/s	0	-
>> Total System Loads	-	13333	-69	-	9467	0

Tableau3. 15:Bilan thermique total de la maison.

Conclusion

Dans ce chapitre on a traité le calcul du bilan thermique théoriquement et à l'aide du logiciel HAP des différents compartiments de la maison. Ce travail sera la base du dimensionnement des systèmes de climatisation qui sera le sujet du prochain chapitre.

Chapitre 4

DIMENSIONNEMENT DES SYSTEMES DE CLIMATISATION

Chapitre 4 : Dimensionnement des systèmes de climatisation

Introduction

Apres avoir établi le bilan thermique de tout le bâtiment, on passe au dimensionnement du système de climatisation.

Pour se faire, on a choisi le logiciel VRV XPRESS du groupe industriel Japonais DAIKIN [30]. Ce logiciel est conçu pour les systèmes VRV « Volume de Réfrigérant Variable » ou DRV « Débit de Réfrigérant Variable ». Il permet de concevoir une installation d'un système de climatisation optimisé par la sélection des équipements adéquats avec une meilleure performance énergétique.

I. Principe de fonctionnement du système VRV

Le principe est basé sur la variation du volume ou débit du fluide frigorigène en fonction de la température de confort souhaité. Un détendeur électronique du circuit ajuste en permanence le débit du réfrigérant répondant aux variations de température du local conditionné, contrairement aux variations caractéristiques des systèmes de régulations par marche/arrêt.

Le système VRV est composé d'une unité extérieure à laquelle sont raccordées plusieurs unités intérieures.

L'unité extérieure comprend un ou plusieurs compresseurs de type INVERTER suivant la puissance demandée. La technologie INVERTER est innovante. Elle permet de réguler la puissance de la machine en modulant la vitesse de rotation du moteur du compresseur. Elle ajuste la puissance du climatiseur en fonction des besoins réels de la pièce à conditionner.

Ce système est flexible dont on peut raccorder jusqu'à 64 unités intérieures à une seule unité extérieure en utilisant un seul circuit frigorifique avec des collecteurs de raccordement.

Le système VRV offre trois types de fonctionnement :

· Fonctionnement réversible : chaud ou froid

· Fonctionnement à récupération d'énergie

· Fonctionnement en froid : uniquement froid

La technologie VRV nécessite pour son fonctionnement :

· Le fluide frigorigène : est spécifique de type R410A.

· Unité intérieure : se comporte comme un échangeur dans le local, parcourue par le fluide frigorigène. Elle peut fonctionner soit en rafraichissement soit en chauffage.

· Unité extérieure : généralement placée en toiture. Ils peuvent se comporter d'une façon modulaire (alignés coté a coté).

· Réseau de distribution : Les tuyauteries sont en cuivre et sont souvent de très faible diamètre avec des raccordements de type REFNET. Ces derniers assurent un minimum de pertes de charges.

II. Présentation du logiciel VRV Xpress

Le logiciel VRV Xpress, figure 4.1, peut créer des rapports techniques bien détaillés sur les unités intérieures et extérieures ainsi que leurs raccordements (tuyauteries), les câblages électriques et les systèmes de commandes. La bibliothèque de l'outil dispose d'une large gamme de produits équipements permettant ainsi un choix rapide et efficace.

Figure 4. 1:interface principale de l'outil VRV Xpress.

L'interface principale du logiciel comporte plusieurs rubriques :

1. Unités intérieures

Le choix de l'unité intérieure, annexe 5, porte sur l'unité murale de type FXAQ sous plusieurs modèles. C'est une unité de « design » moderne et qui s'intègre parfaitement au mur caractérisée par la possibilité d(installation aisée dans les projets de nouvelles constructions. C'est une unité spécialement développée pour les pièces de petites tailles ou correctement isolées et sont idéaux pour les chambres. Une gamme de puissance frigorifique de ces unités allant de 2,4 kW jusqu'à 3,9 kW et de puissance calorifique allant de 3,1 kW jusqu'à 4,8 kW, figure 4.2.

Il est nécessaire de compléter sur le logiciel, les données de puissance pour la climatisation et pour le chauffage pour valider la rubrique des unités intérieures en indiquant les températures de conditionnement. Cette étape est nécessaire pour accéder à la rubrique des unités extérieures.

Figure 4. 2:les caractéristiques de l'unité intérieure

L'outil Xpress à choisit, suivant les données saisies, le modèle d'unité intérieure convenable pour chaque chambre suivant la puissance requise, tableau4.1 :

Nom	Modèle	T° Froid	Rq PF	Rv TC	PF	Rq PS	PS	T° Chaud	Rq PC	PC
		°C	kW	kW	kW	kW	kW	°C	kW	kW
1:Chambre enfants	FXAQ40P	24,0 / 50%	2,5	n/a	3,9	2,5	3,4	21,1	1,7	4,8
2:chambre a coucher	FXAQ25P	24,0 / 50%	1,8	1,9	2,4	1,8	2,0	21,1	1,3	3,1
3:Salon	FXAQ40P	24,0 / 50%	2,5	n/a	3,9	2,5	3,4	21,1	1,6	4,8
Nom	Modèle	T° Froid	Rq PF	Rv TC	PF	Rq PS	PS	T° Chaud	Rq PC	PC
4:Séjour	FXAQ40P	24,0 / 50%	2,0	n/a	3,9	2,0	3,4	21,1	1,5	4,8
5:Cuisine1	FXAQ40P	24,0 / 50%	4,6 (2)	n/a	3,9	4,6 (2)	3,4	21,1	1,6 (2)	4,8
5:Cuisine 2	FXAQ40P	24,0 / 50%	4,6 (2)	n/a	3,9	4,6 (2)	3,4	21,1	1,6 (2)	4,8

Tableau 4. 1:puissance nécessaire pour chaque local

Abréviations

Nom	Nom du local
Modèle	Modèle de l'unité
T° Froid	Conditions intérieures en rafraîchissement (T° bulbe sec / RH)
Rq PF	Puissance Frigorifique totale requise
	(n) - Nombre d'unité dans la pièce
Rv TC	Puissance Froid révisée (selon Groupe ext.)
PF	Puissance Frigorifique totale maximale
Rq PS	Puissance Frigorifique sensible requise
	(n) - Nombre d'unité dans la pièce
PS	Puissance Frigorifique sensible maximale
T° Chaud	Température intérieure en chauffage
Rq PC	Puissance calorifique requise
	(n) - Nombre d'unité dans la pièce
PC	Puissance Calorifique maximale

2. Unités extérieures :

L'unité extérieure appartient à la famille des pompes à chaleur de la série VRV III et sont en nombre de deux. Ils sont de type RXYSQ5P8V1 dont la puissance frigorifique maximale est de 11.9 kW chacun et la puissance calorifique maximale est de 11,5 kW, figure4.3.

La valeur des besoins frigorifiques donnée par l'outil HAP estimée de 19,312 kW est majorée automatiquement par l'outil Xpress sous forme d'une valeur « révisée » de 21,9 kW, tableau 4.2. Cette majoration est en fonction de la puissance de l'unité extérieure. Le logiciel choisit une architecture d'unités intérieures de puissances proches par majoration, pour éliminer les pertes

Figure 4. 3:choix des unités extérieures

Nom	Modèle	Connexion	T° Froid	PF	Rq PF	T° Chaud	PC	Rq PC	Tuyauterie	Bse Refr	Ex Refr
		%	°C	kW	kW	°C	kW	kW	m	kg	kg
Out 1	RXYSQ5P8V1	84	32,0	11,9	6,9kW	0,0 / 50%	11,5	4,6kW	14,0	4,0	0,6
Out 2	RXYSQ5P8V1	96	32,0	11,9	6,6kW	0,0 / 50%	11,5	3,1kW	13,5	4,0	0,6

Tableau 4. 2: puissance nécessaire pour les unités extérieures.

3. Tuyauterie

Par la suite on relie les unités intérieures à l'unité extérieure dans la case du groupe extérieur avec les données correspondantes et l'outil va générer la tuyauterie correspondante, figure 4.4.

Figure 4. 4:schémas de tuyauterie du système de climatisation

Le logiciel génère la disposition générale des unités extérieures avec les unîtes intérieures et les différentes mesures des longueurs de tuyauteries qui peuvent êtres ajustés suivant le plan de l'installation avec les types de raccords REFNET nécessaires pour l'installation

4. Câblages

L'outil génère des schémas d'installations électriques avec les différentes phases et les sections des fils correspondantes, figure 4.5.

Figure 4. 5:Schémas de câblage.

Avec

P1P2 = 0.75mm² - 1.25mm² (câble blindés:2 fils)

F1F2 = 0.75mm² - 1.25mm² (câble blindés:2 fils)

Le tableau 4.2 indique le niveau sonore pondéré en dBA (décibel A) pour chaque unité intérieure relative à une chambre ainsi qu'une alimentation monophasée et un ampérage maximal des fusibles à installer de 0,4 ampère, pour chacune des unités intérieure.

Nom

Niveau sonore

Alim

MCA

Protection

L x H x P

Poids

PA-F 50Hz

PA-F 60Hz

PA-C 50Hz

PA-C 60Hz

dBA

A

mm

kg

kW

kW

kW

kW

1:Chambre enfants

36-40

230V 1ph

0,4

Factory Std

1050x290x238

14

0,020

0,020

2:chambre à coucher

31-37

230V 1ph

0,4

Factory Std

795x290x238

11

0,028

0,034

3:Salon

36-40

230V 1ph

0,4

Factory Std

1050x290x238

14

0,020

0,020

Nom

Niveau sonore

Alim

MCA

L x H x P

Poids

PA-F 50Hz

PA-F 60Hz

PA-C 50Hz

PA-C 60Hz

dBA

A

mm

kg

kW

kW

kW

kW

4:Sejour

36-40

230V 1ph

0,4

1050x290x238

14

0,020

0,020

5:Cuisine1

36-40

230V 1ph

0,4

1050x290x238

14

0,020

0,020

5:Cuisine 2

36-40

230V 1ph

0,4

1050x290x238

14

0,020

0,020

Tableau 4. 3: niveau sonore pondéré en dBA (décibel A) pour chaque unité intérieure.

Conclusion

Dans ce chapitre l'utilisation du logiciel HAP nous a facilité la tâche de calcul des besoins de tous les compartiments de la maison en chauffage et en climatisation.

Dans ce qui suit on s'intéresse au dimensionnement des systèmes de climatisation à utiliser.

Conclusion Générale

Ce projet à été l'occasion d'étudier le bilan énergétique d'une maison neuve située à Gafsa. Pour ce faire, on a commencé dans le premier chapitre par une recherche bibliographique qui concerne le bâtiment à faible consommation d'énergie en vue de collecter les informations nécessaires pour entamer le chapitre suivant.

Dans le deuxième et le troisième, on à entamé les notions de base pour le calcul des besoins frigorifiques et calorifiques de la construction. L'application de ces notions à été portée sur les différentes structures de la construction, et dans le dernier chapitre, un dimensionnement est nécessaire pour les systèmes de climatisation VRV appropries pour un plus de qualité et de confort.

On parvient grâce au logiciel HAP de vérifier son exactitude et de simuler les besoins énergétiques frigorifiques et calorifiques de l'habitat en construction.

En effet, la prévision concernant le recours à l'intégration des isolants dans la structure des parois vise bien sur notre objectif de réduire les déperditions de chaleur et de faire diminuer la consommation en énergie.

Néanmoins, les nouveaux bâtiments sont construits sans aucune considération pour l'efficacité énergétique et le recours à l'utilisation des isolants reste un point de soucis pour la plupart des propriétaires et des occupants étant donné des couts supplémentaires à financer ou juste que les gens sont mal informés sur la consommation d'énergie. L'effort à mener sur l'importance de l'efficacité énergétique est grand devant l'accroissement continu de l'énergie.

Enfin, ce stage a été très enrichissant pour moi car il m'a permis de découvrir dans le détail le secteur du bâtiment à faible consommation d'énergie.

Références bibliographiques

[1] ANME, Guide technique des bâtiments à usage résidentiel équipés, Chap1, P3, 2009.

[2] Hubert Blervaque, thèse : Règles de modélisation des systèmes énergétiques dans les bâtiments basse consommation, Ecole Nationale Supérieure des mines de Paris, 2014.

[3] www.maisonbbc.fr/spip.php?article21 visité le 05 avril 2016.

[4] Tonima Ferdous, Determining the effect of building geometry on energy use, Bachelor of Architecture, Ryerson University Toronto, Ontario, Canada 2012.

[5] Nour Ben Taher, Mémoire de master en physique d'énergie et des matériaux, Etude du comportement thermique d'un mûr multicouche soumis à des conditions météorologiques variables, Ecole Supérieure des Sciences et de la Technologie de Hammam Sousse, Novembre 2014.

[6]  Ouvrage, Béton et confort thermique, revue technique du centre d'information sur le ciment et ses applications, n°B40, collection technique CIM béton, France, 2007.

[7] ADEME, Isoler son logement, France, édition mars, p30-31, 2016.

[8] Prof. Dr. Schweigler, Projektarbeit Regenerative Energien, hochschule fur angewandte wissenschaften, munchen, germany, page12.

[9] Christopher Gross, le marché photovoltaïque en Tunisie, GIZ-ANME, juillet 2013.

[10] www.klein-windkraftanlagen.com/allgemein/private-windkraftanlage-fur-das-eigenheim-erfolgreich-umsetzen/ visité le 15 avril 2016.

[11] Rapport : Efficacité Energétique dans les bâtiments - transformer le marché, WBCSD, page 17, Genève 2009.

[12] www.rt-batiment.fr/batiments-neufs/réglementation-thermique-2012, site visité le 12 avril 2016.

[13] www.cfbp.fr/gpl-maitrise-de-l-energie/reglementation-thermique-n261. site visité le 12 avril 2016

[14] Hachemi Mohamed Aziz, exploitation et programmation informatique des documents techniques réglementaires relatifs aux déperditions thermiques de ventilation des bâtiments, Mémoire de Master, Ecole Doctorale en Energétique et développement durables, Algérie- Ecole des Mines de Nantes, page 13, France.

[15] Ouvrage : Réglementation thermique 2012 : un saut énergétique pour les bâtiments neufs, Ministère de l'écologie, du développement durable, des transports et du logement, grenelle environnement page3, France 2011.

[16] Rapport préliminaire : Elaboration d'un plan d'action visant le renforcement de l'application de la réglementation thermique en Tunisie, Deutsche Gesellschaft fur Internationale Zusammenarbeit (GIZ), page3, 2012.

[17] Journal officiel de la république Tunisienne, page 1485, 05 juin 2009.

[18] ADEME, Guide de l'écoconstruction- agence régionale de lorraine France 2010

[19] Khannous Aymen, Cours de bilan thermique du bâtiment, Ecole Nationale des Ingenieurs de Monastir 2014.

[20] Fites Djamel, Comparaison technico-économique entre différentes installations de chauffage et de climatisation, Mémoire Master en Mécanique, faculté de Technologie de Batna, p18, Algerie 2014.

[21] Efficacité énergétique de la climatisation en région tropicale, Tome 1 : conception des nouveaux bâtiments, institut de l'énergie et de l'environnement de la francophonie, p15,16, Canada.

[22] ANME, zonage climatique de la Tunisie, Ministere de l'industrie et de l'énergie, mai 2004.

[23] http://www.weatheronline.co.uk/weather/maps/city) visité le 02 mai 2016.

[24] Ahmed Dhib, étude et dimensionnement d'un système de climatisation VRV pour la direction de gestion du CPG, Memoire de master, Issteg Gafsa.

[25] ANME, Guide pratique de conception de logements économes en énergies, Réglementation thermique et énergétique des bâtiments neufs en Tunisie, janvier 2006.

[26] HAP quick reference guide, carrier corporation, 2003 USA.

[27] Jean Desmons, aide mémoire génie climatique, édition DUNOD 2015.

[28] Journal officiel de la république Tunisienne, N°62, page 235601, aout 2008

[29] ANME Réglementation thermique et énergétiques des bâtiments neufs en Tunisie, données climatiques de bases, ANME juillet 2005.

[30] Xpress CMSQ and VRV quotation tool, Daikin Europe N.V.

Annexe

Annexe 1

Tableau.1 : Apport en chaleur chez l'individu suivant son activité [27].

Tableau.2 : puissance des appareils électriques [21].

Annexe2

	LATITUDE 35°
	NE		E		SE		S		H
	m	v	m	v	m	v	m	v	m	v	h
6	285	240	330	280	150	115	-	-	65	30	18
7	450	400	565	500	335	260	-	-	245	175	17
8	470	395	655	575	460	375	-	-	470	390	16
9	360	260	590	505	480	385	85	25	660	575	15
10	185	85	440	335	435	325	175	80	810	715	14
11	6	-	230	130	325	220	225	120	915	790	13
12	-	-	-	-	175	80	245	140	935	835	12
h	m	v	m	v	m	v	m	v	m	v
	NO		O		SO		S		H

Tableau 3 :  intensité de rayonnement [19].

Figure 1 : repérage des locaux en fonction du nombre de murs exposés et l'orientation des locaux à climatiser [19]

Tableau 4 : orientation des locaux pour déterminer l'heure de réfrigération maximale

[19].

Annexe 3

Diagramme psychrométrique (été)

Annexe 4

COMPONENT LOADS FOR SPACE '' chambre à coucher '' IN ZONE '' Zone 1 ''
	DESIGN COOLING			DESIGN HEATING
	COOLING DATA AT Jul 1700			HEATING DATA AT DES HTG
	COOLING OA DB / WB 42,2 °C / 23,9 °C			HEATING OA DB / WB -1,0 °C / -2,8 °C
	OCCUPIED T-STAT 23,9 °C			OCCUPIED T-STAT 21,1 °C
		Sensible	Latent		Sensible	Latent
SPACE LOADS	Details	(W)	(W)	Details	(W)	(W)
Window & Skylight Solar Loads	3 m²	565	-	3 m²	-	-
Wall Transmission	10 m²	73	-	10 m²	132	-
Roof Transmission	13 m²	118	-	13 m²	155	-
Window Transmission	3 m²	126	-	3 m²	166	-
Floor Transmission	13 m²	0	-	13 m²	170	-
Partitions	23 m²	558	-	23 m²	503	-
Overhead Lighting	72 W	71	-	0	0	-
People	2	122	104	0	0	0
Infiltration	-	146	-29	-	176	0
>> Total Zone Loads	-	1779	75	-	1303	0

Tableau 5: les déperditions thermiques de la chambre à coucher.

COMPONENT LOADS FOR SPACE '' Salon '' IN ZONE '' Zone 1 ''
	DESIGN COOLING			DESIGN HEATING
	COOLING DATA AT Jul 1700			HEATING DATA AT DES HTG
	COOLING OA DB / WB 42,2 °C / 23,9 °C			HEATING OA DB / WB -1,0 °C / -2,8 °C
	OCCUPIED T-STAT 23,9 °C			OCCUPIED T-STAT 21,1 °C
		Sensible	Latent		Sensible	Latent
SPACE LOADS	Details	(W)	(W)	Details	(W)	(W)
Window & Skylight Solar Loads	5 m²	824	-	5 m²	-	-
Wall Transmission	30 m²	429	-	30 m²	396	-
Roof Transmission	21 m²	195	-	21 m²	256	-
Window Transmission	5 m²	251	-	5 m²	333	-
Floor Transmission	21 m²	0	-	21 m²	0	-
Partitions	15 m²	357	-	15 m²	321	-
Overhead Lighting	0 W	3	-	0	0	-
Electric Equipment	290 W	237	-	0	0	-
People	0	51	0	0	0	0
Infiltration	-	214	-42	-	259	0
>> Total Zone Loads	-	2561	-42	-	1565	0

Tableau 6: les déperditions thermiques du salon 

COMPONENT LOADS FOR SPACE '' Sejour '' IN ZONE '' Zone 1 ''
	DESIGN COOLING			DESIGN HEATING
	COOLING DATA AT Jul 1700			HEATING DATA AT DES HTG
	COOLING OA DB / WB 42,2 °C / 23,9 °C			HEATING OA DB / WB -1,0 °C / -2,8 °C
	OCCUPIED T-STAT 23,9 °C			OCCUPIED T-STAT 21,1 °C
		Sensible	Latent		Sensible	Latent
SPACE LOADS	Details	(W)	(W)	Details	(W)	(W)
Window & Skylight Solar Loads	3 m²	331	-	3 m²	-	-
Wall Transmission	14 m²	125	-	14 m²	184	-
Roof Transmission	23 m²	215	-	23 m²	281	-
Window Transmission	3 m²	126	-	3 m²	166	-
Floor Transmission	21 m²	0	-	21 m²	0	-
Partitions	28 m²	687	-	28 m²	619	-
Overhead Lighting	105 W	104	-	0	0	-
Electric Equipment	290 W	237	-	0	0	-
People	1	61	52	0	0	0
Infiltration	-	213	-42	-	258	0
>> Total Zone Loads	-	2099	10	-	1508	0

Tableau 7: les déperditions thermiques du séjour.

COMPONENT LOADS FOR SPACE '' Cuisine '' IN ZONE '' Zone 1 ''
	DESIGN COOLING			DESIGN HEATING
	COOLING DATA AT Aug 1800			HEATING DATA AT DES HTG
	COOLING OA DB / WB 40,2 °C / 23,4 °C			HEATING OA DB / WB -1,0 °C / -2,8 °C
	OCCUPIED T-STAT 23,9 °C			OCCUPIED T-STAT 21,1 °C
		Sensible	Latent		Sensible	Latent
SPACE LOADS	Details	(W)	(W)	Details	(W)	(W)
Window & Skylight Solar Loads	3 m²	460	-	3 m²	-	-
Wall Transmission	34 m²	435	-	34 m²	447	-
Roof Transmission	22 m²	198	-	22 m²	266	-
Window Transmission	3 m²	117	-	3 m²	166	-
Floor Transmission	22 m²	0	-	22 m²	0	-
Partitions	21 m²	512	-	21 m²	461	-
Overhead Lighting	109 W	109	-	0	0	-
Electric Equipment	3000 W	2446	-	0	0	-
People	1	36	52	0	0	0
Infiltration	-	198	-58	-	269	0
>> Total Zone Loads	-	4763	-6	-	1609	0

Tableau 8: les déperditions thermiques de la cuisine.

Annexe 5

Nom du projet:		bATIMENT bbc
Référence:		001
Nom du client:		El Aiid Abdallah
Adresse du client:		Zarrouk Gafsa

Les paramètres de sélection des unités intérieures sont repris dans "Caractéristiques des unités intérieures"

Les paramètres de sélection des groupes extérieurs sont repris dans "Caractéristiques des groupes extérieurs"

Seules les données du databook sont valables. Ce programme utilise des approximations relatives à ces données.

Liste du matériel

Modèle	Qté	Description
RXYSQ5P8V1	2	Pompe à chaleur VRV III RXYSQ-P8V1
FXAQ25P	1	VRV FXAQ - Unité murale
FXAQ40P	5	VRV FXAQ - Unité murale
KHRQ22M20T	4	Kit de raccordement Refnet
BRC1E52A/B	6	Télécommande
Tuyauterie 6,4	21,0m	En cuivre
Tuyauterie 9,5	12,5m	En cuivre
Tuyauterie 12,7	21,0m	En cuivre
Tuyauterie 15,9	12,5m	En cuivre