« Quand on fait descendre la température dans la journée, le soir il faut relancer très fort et donc au final ça consomme plus ! »

mis à jour en cours : mise en température de 2 semaines (P+C 3.4.6.0)

Aujourd’hui, je vous propose une petite dissertation. Vous aurez 4 heures pour répondre 😀

Le sujet en est le suivant : il y a-t-il ou non intérêt à passer le chauffage en mode réduit durant les périodes de temps qui ne nécessitent pas une température de confort élevée ou, comme l’indique l’aphorisme populaire cité dans le titre, est-ce inutile ?

La surprise

Figurez-vous que ce n’est pas si évident que cela, et que tout dépend du type de bâtiment sherlock myopera smiley

Si l’on regarde les résultats des simulations, sur une semaine d’hiver, ci-dessous, on constate qu’une réduction de consigne est efficace pour un bâtiment dispendieux en énergie (- 27 % de consommation) mais presque contre-productive pour un bâtiment très-basse-énergie (- 3 %).

comparaison_passifpaspassifconsignereduite

Avant de se demander pourquoi cela ne marche pas dans un bâtiment passif, posons-nous la question de pourquoi c’est efficace dans un bâtiment plus classique.

Le plus simple est de faire une analogie avec la conduite automobile. En roulant doucement (la fameuse éco-conduite !), on met plus de temps à parcourir un trajet donné mais on fait une économie conséquente de carburant. Remplacez la mesure de la vitesse par la consigne de chauffe, la consommation de carburant par celle d’énergie nécessaire au chauffage, et vous voilà au fait du pourquoi la réduction de consigne est efficace.

Mais alors qu’est ce qui explique que l’on ne retrouve-t-on pas cette économie dans un bâtiment économe ?

Hé bien, tout simplement pour la même raison qui fait que vous consommez plus de carburant en ville que sur route : vous ne cessez d’accélérer, freiner et ré-accélérer.

Reprenons notre simulation mais cette fois-ci intéressons-nous aux appels de puissance d’une seule des zones, heure par heure, associés aux deux bâtiments équipés de la même double consigne 16 °C et 19 °C :

appels_puissance_passif_paspassifappels_puissance_passifappels_puissance_paspassif

Il apparaît 3 zones sur le graphique :
– la première correspond à une puissance de base permettant le maintien à 16 °C (➊ : P < Q1),
– la seconde est matérialisée par des pics de puissance pour assurer le passage de la consigne basse à la consigne haute (➋ : P > Q2),
– la dernière rend compte d’une puissance intermédiaire pour contenir les précieux 19 °C (➌ : Q < P < Q2).

La première observation concerne les pics de puissance : dans les deux cas, ils sont en effet du même ordre de grandeur, tout du moins en début de cycle. Quel que soit le bâtiment, il va falloir lutter contre son inertie, indépendante de l’isolation, pour le faire monter en température. En cours de cycle, les pics déclinent dans le bâtiment passif, tout simplement parce que les masses thermiques n’ont pas eu le temps de se décharger entre deux consignes.

En revanche, la puissance de base et la puissance intermédiaire diffèrent. Un bâtiment passif exige moins de puissance pour compenser les déperditions plus faibles que celle d’un bâtiment énergivore. Rien d’étonnant, c’est même l’effet principal recherché ! idea myopera smiley

Cela se manifeste notamment par l’écart entre le pic de puissance maximale et la puissance de base (cf. ce commentaire). Quand elle est d’un facteur 6 pour un bâtiment classique, elle est d’un facteur 22 pour le bâtiment passif. Sur un même temps, il faut donc 22 fois plus d’énergie pour faire passer mon bâtiment très basse-énergie de 16 à 19 °C que pour le maintenir à 16 °C (ou à 19 si on se permet une approximation).

Notons enfin que quand l’écart entre puissance de base et puissance intermédiaire est de 100 % dans le cas du bâtiment « conventionnel », il est de 200 % pour le bâtiment très-basse-énergie. Cela explique que la moindre augmentation de consigne dans ce dernier type de bâtiment soit immédiatement sanctionné par une augmentation relative de la facture fort conséquente (plus près de 20 % que des 7 % des publicités).

Regardons maintenant la répartition entre ces 3 états de puissance :

Cela ne pourrait être plus flagrant ! Alors que l’épave énergétique met toute son énergie (ou dit avec moins d’emphase : 60 %) à maintenir les consignes de température, le bâtiment passif s’épuise (presque 60 % aussi) lui à assurer la montée de 3 °C. S’abstenir des pics de puissance qui permettent les montées en température est donc une voie sûre pour améliorer encore la consommation de ce dernier.

Ma maison passive est comme une voiture qui consommerait presque rien en carburant pour conserver sa vitesse mais en userait autant voire plus en accélérations.

Remarquons, enfin, que le maintien de la consigne à 16 °C ne consomme presque pas d’énergie* : comme une voiture profitant de son inertie, le bâtiment le moins énergivore se contente de laisser tomber la température depuis la consigne haute sans plus d’effort que celui nécessaire au retour à la consigne haute.

* les quelques pourcentages affichés correspondent à une « anomalie » dans la méthode de détection utilisée.

Finalement, l’expression populaire est effectivement fausse… ou alors elle était en avance sur son temps et parlait déjà de bâtiments passifs !

C’est quand qu’on va où ?

On ne peut clore le sujet sans chercher à mieux définir le moment de la bascule ! ⭐

Pour qu’il y ait économie, il faut que l’énergie dépensée durant le scénario à double consigne soit inférieur à celle dépensée pour maintenir la consigne haute. Cela signifie donc que le cumul des énergies des 3 zones décrites plus haut doit être inférieure à celle du maintien monotone à 19 °C.

Imaginons que nous n’ayons réalisé qu’une simulation avec une réduction de consigne, pouvions-nous appréhender le résultat précédent par avance ?

Oui, il nous suffit de reprendre les deux derniers résultats et, non pas de les comparer entre eux, mais avec ce que nous pouvons deviner (si nous nous refusons à une nouvelle simulation) de l’énergie nécessaire au maintien de 19°C.

Pour cela, nous avons estimé — choix critique attention — la puissance moyenne pour assurer la consigne haute en calculant la moyenne des zones à 19 °C (176 et 592 resp. pour le passif et le non passif). Dès lors, en multipliant cette valeur par la durée, nous obtenons une estimation de l’énergie nécessaire pour avoir 19°C de façon monotone.

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Nous retrouvons une baisse du besoin estimée à 13 % (proche du 20 % trouvé toutes zones confondues), grâce à la réduction de consigne, pour le bâtiment énergivore.

En revanche pour le bâtiment passif, cette méthode fait apparaître une hausse des besoins de 5 % – du fait de la réduction – qui doit nous alerter.

En procédant ainsi, on constate qu’il est possible, sans plus de simulation, d’anticiper sur le résultat. Si la méthode décrite ici — qui part sur des hypothèses favorables à la réduction de consigne pour un bâtiment économe — n’annonce pas une réduction conséquente, il faut, par de nouvelles simulations, tester l’efficacité de la réduction.

Ce que nous venons de réaliser par le calcul, on peut également en avoir l’intuition visuellement. Imaginez que la graphique de puissance soit comme une photo instantanée d’un enchainement de vagues. Lorsque le calme va revenir, que les pics vont se vider dans les creux, le niveau va-t-il monter ou descendre par rapport au plateau intermédiaire ?

S’il vous parait évident qu’il va baisser, pas de doute, la réduction sera efficace. Mais au moindre doute sur le niveau final, vérifiez par le calcul l’efficacité de la réduction sur votre bâti passif (vous pouvez aussi essayer ce calcul très simple).

Conclusions ?

Cette démonstration n’a pas vocation à prouver que la réduction de consigne est inutile dans tous les bâtiments passifs. En revanche, elle démontre qu’il y a des situations, pas si rares, où dans ce type de bâtiment, mieux vaut laisser le chauffage allumé en continu plutôt que de se risquer à des relances qui, si dans un bâtiment classique ont peu d’impacts, ici peuvent faire basculer sur une surconsommation par rapport à une consigne haute continue.

Quelles sont ces situations ? Énoncer des généralités dans ce domaine est un art difficile mais on voit bien que ce qui est marquant c’est à la fois l’allure des pics de puissance et leurs fréquences.

Un bâtiment passif soumis à des sauts de consigne rapprochés fera de fréquents appels de puissance et donc sera entraîné, sans doute, à sur-consommer.

Plus ce bâtiment sera inerte et plus le pic sera haut et plus également nous irons vers une surconsommation.

En revanche, un bâtiment passif avec peu d’inertie et soumis à des sollicitations espacées trouvera des économies dans les réductions de consigne.

Et qu’en pense le Dr Feist ?

Le Dr Feist, inventeur du standard Passivhaus, fait, comme souvent, preuve de pragmatisme et de goût pour la simplicité. Il indique en effet, que dans un bâtiment qui consomme déjà très peu, il y a vraiment très peu d’économies à attendre en valeur absolue, même si en valeur relative, le pourcentage semble élevé.

Imaginons par exemple, un bâtiment passif dont les charges de chauffage sont de 150 €/an. Économisez 25% – ce qui est énorme – équivaut à 37,50 €, pas de quoi fouetter un chat. Dans un même temps surdimensionner le chauffage pour permettre les relances risque fort de coûter bien plus cher en investissement comme à l’usage (entretien p. ex.).

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Le sol, ce mal-aimé de la thermique, acte 1

Le sol, ce mal-aimé de la thermique, acte 1

On dit que faute avouée est à moitié pardonnée. Alors permettez-moi de vous confesser les raisons de cet article.

Au départ, c’est une conversation avec un collègue thermicien. À propos de l’évolution de notre métier et des difficultés nouvelles apportées par la RT2012. Partageant un intérêt commun pour l’inertie dans nos régions relativement chaudes en été, nous relevions la même difficulté à traiter avec le BBio pour, en particulier, l’isolation des planchers bas.

N’y allons pas par quatre chemins, que la RT2012 juge les qualités bioclimatiques d’un bâtiment — si c’est une idée intéressante — passe pour certains pour une infatuation norris tant réduire l’art climatique au pontifical indicateur BBio peut sembler grossier.

Dans les régions chaudes, l’expérience montre qu’il vaut généralement mieux profiter de l’inertie du sol et se protéger, en périphérie, de l’influence de l’air sur les premiers mètres ceinturant le bâtiment. En procédant ainsi, on assure au bâtiment une isolation suffisante tout en profitant en été de la fraîcheur du sol.

Ue Par sa méthode calculatoire, la RT2012, limite, à ce que j’en sais, les solutions d’isolation en périphérie, de façon horizontale au niveau du plancher et/ou, de façon verticale, au niveau des soubassements. Il ne s’agit pas là de traiter du pont thermique de ce détail mur/plancher mais de trouver un coefficient de transmission surfacique équivalent pour traduire les échanges réels entre le sol et le plancher bas.

Dans les faits, l’outil réglementaire dicte la solution. La sensibilité du BBio à ce contact au sol est telle que l’isolation continue, sur toute la surface du plancher, s’est imposée dans toutes les maisons individuelles ou presque, quelle que soit la région, tout juste voit-on varier l’épaisseur d’isolant. Que ceux qui dérogent à la règle lève le doigt !

Pourtant, on peut imaginer – on a déjà imaginé – des solutions différentes comme les trottoirs isolants. Kézako ? bigeyes

trottoirisolant_schéma C’est très simple, il suffit juste de renvoyer l’isolation périphérique à l’extérieur du bâtiment de façon à le protéger non pas au plus près mais d’abriter le sol environnant, dans l’espoir de créer un bulbe de terre tiède sous le bâtiment qui, de par sa nature, limitera les déperditions comme les « imperditions » (= flux de chaleur pénétrant dans le bâtiment en été). Bien sûr, pour que cela fonctionne, il faut qu’l y ait continuité de l’isolation et cela implique donc d’isoler par l’extérieur.

Pour ma part, je n’ai encore envisagé cette solution que pour de la rénovation mais rien ne nous l’interdit expressément dans le neuf, sauf à supposer que cela ne soit pas performant. Et justement, quid de la performance ? Reprenons le petit schéma plus haut et voyons les hypothèses prises :

  • le sol est ici supposé sablonneux, plutôt sec (8% d’eau) (conductivité λ = 0,6 W/m/K),
  • la structure comme les soubassements sont en béton,
  • le plancher est supporté par l’équivalent d’un hérisson en roche conductrice,
  • le mur est isolé par l’extérieur avec 15 cm de polystyrène expansé,
  • le plancher n’est pas isolé mais le sol extérieur l’est sur plusieurs mètres avec 25 cm de verre cellulaire (aucune humidité, Ri = 5,95 m².K/W),
  • la météo est idéalisée en une sinusoïde d’amplitude 20 °C et de moyenne 15 °C, soit le profil lissé d’Agen. La simulation démarre en supposant qu’on était en équilibre avec une température nulle en extérieur (donc en déficit de calories dans le sol), un peu comme si on avait fini le chantier en plein hiver.
  • enfin, chacune des parois intérieures est maintenue à 20 °C ce qui correspond grosso-modo à une consigne de 20 °C sur le thermostat, toute l’année (chauffage + climatisation).

Oui, bon d’accord mais ça donne quoi ? Hé bien, regardez par vous-même :

Attention au temps de simulation, 1q10h veut dire qu’on est à la 10ème heure du 2ème mois !

Vous avez vu défiler 2 années en moins de 2 minutes. Difficile de conclure avec ce seul film mais vous admettrez avec moi qu’il apparaît bien un bulbe tiède qui se maintient malgré les assauts du climat aussi bien en froid (Tmin = -5 °C) qu’en chaud (Tmax = 35 °C). Quoique la climatisation intérieure participe à son maintien, sa profondeur (T > 12 °C jusqu’à 6 m sous le plancher) trahit que la protection extérieure joue un rôle.

Comme vous n’êtes pas obligé de me croire sur ma bonne tête, voici une comparaison des bulbes tièdes avec ou sans isolation du trottoir périphérique :

Le
Le « bulbe tiède » d’un trottoir s’étend en largeur et protège les fondations.

Hé oui, avec un trottoir isolant, mon bulbe tiède tient plus de la soucoupe volante que de la bulle de savon !

Si on s’intéresse à la limite des 12,5 °C, en terme de profondeur, on ne voit pas de différence mais, en revanche, on constate qu’avec le trottoir isolant, elle s’étend et s’effiloche au delà du double de la largeur du trottoir.

Bien que la solution du trottoir classique présente une rupture du pont thermique (isolant vertical enterré de 10 cm), elle protège mal le soubassement contrairement à la solution alternative qui maintient même le massif de fondation au chaud. Par conséquent, le trottoir isolant joue un rôle de rupteur thermique et, de plus, modifie le comportement du sol.

Dès lors, la méthode de calcul réglementaire ne peut plus rendre compte de façon réaliste de l’échange thermique qui se déroule au niveau de ce contact. D’une part parce que le pont thermique n’est pas référencé (mais la RT autorise à faire le calcul aux différences finies comme ici) mais surtout parce que l’équivalence qu’elle emploie si elle est, a priori, capable de rendre compte d’un bulbe tiède sous le bâtiment n’a pas les armes pour simuler une soucoupe tiède.

Par darwinisme réglementaire, voilà donc une solution amenée à disparaître…

Oh, je sens bien qu’il y en a parmi vous qui se disent : « Oui, bon mais est-ce vraiment une réelle perte , Non parce que vous avez comparé une isolation périphérique exotique à aucune isolation sous la dalle mon vieux ! ». Oh, comme vous avez raison, vils rouspéteurs !

Ces quelques simulations démontrent un comportement plus original que ce qu’appréhende la réglementation ainsi qu’une rupture de pont thermique visible mais ne disent pas si tout cela est concurrentiel avec des solutions plus classiques de rupture de pont thermique et d’isolation du plancher bas. Je vous propose de reprendre la simulation avec les mêmes conditions mais en supposant maintenant quelque chose de plus classique dans la construction française (RT2012) d’aujourd’hui :

  • les murs sont isolées par l’intérieur avec le même produit de même épaisseur,
  • la dalle est isolée en sous-face sur toute sa surface avec 8 cm de polystyrène expansé,
  • le pont thermique est traité* par une planelle isolante (encore du polystyrène expansé, 5 cm) traversée ici par une broche métallique unique (simplification) de 2 cm d’épaisseur,
    * notez que rien ne nous y oblige, il n’y a pas de garde-fou réglementaire ici, juste un seuil à ne pas dépasser sur la moyenne de tous les ponts thermiques que l’on voudra bien ne pas oublier, ramenée à la surface du bâtiment (Faites de grands bâtiments svp ! ;))

Enercoblog, le poids des mots, le choc des images, v’là la vidéo :

« — Hé, vu, ici aussi on a une soucoupe tiède ! — Heu… oui… attendez qu’on regarde… »

Dalle isolée ou trottoir isolant ?
Dalle isolée avec rupteur de pont thermique ou trottoir isolant ?

En fait de soucoupe tiède, on a plutôt l’impression d’un bulbe écrasé mais arrêtons là les comparaisons jardino-culinaires, on s’éloigne du sujet.

Ce qui est évident, c’est qu’en isolant par l’intérieur, on ne protège plus du tout notre fondation des aléas climatiques, encore moins qu’en supposant une isolation extérieure peu enterrée. Il peut y avoir, sans doute, des conséquences au niveau de ces dernières mais je ne connais pas assez le béton pour en parler.

Et d’ailleurs, cela se voit très bien sur le zoom présentant les flux thermiques en plein hiver. Le soubassement, le nez de dalle et même le hérisson présentent ici des flux concentrés atteignant plus de 480 W/m² au niveau de la broche métallique quand dans la solution du trottoir isolant, on frôlait à peine avec les 25 W/m² de maxima.

Même si le doute nous envahit, on ne peut conclure à la seule vue d’un instantané, me direz-vous. C’est pas faux…

Je vous propose donc de lâcher l’ombre pour la proie en laissant les images pour les valeurs. Ce qui nous intéresse finalement, c’est de savoir ce qui se passe dans mon bâtiment en terme de flux pour en conclure sur mes besoins de chauffage et de climatisation. Voici donc une représentation temporelle, sur 5 ans, de la somme des flux entrant (signe -) ou sortant (signe +) de l’intérieur du bâtiment : Trottoir isolant ou dalle et planelle isolée Permettez que je vous aide dans son analyse.

La première évidence est que les vaguelettes bordeaux (dalle isolée avec rupteur présentant ou non une broche métallique) se soulèvent bien plus que les vaguelettes bleues (trottoir isolant). La technique traditionnelle laisse fuir plus de chaleur en hiver mais, aussi, en laisse entrer en été. En moyenne, le flux positif est entre 13 et 18 W/m de parois intérieures pour la dalle isolée avec son rupteur (selon qu’il y ait ou non une broche) alors qu’elle est inférieure à 10 W/m avec le trottoir isolant.

Notez qu’il s’agit des flux qui traversent le sol et le mur pour bien tenir compte des capacités dynamiques du pont thermique, c’est-à-dire de son inclination à rester froid ou chaud plus ou moins longtemps, ce qui n’est pas sans conséquence sur le comportement global.

En plein été, c’est intéressant, la dalle isolée nécessite d’être refroidie pour maintenir 20 °C en intérieur (cf. flux négatif). Cela signifie que pour les occupants, il y a au bas des murs comme une source chaude en période chaude. Tout cela est bien sûr très relatif, les – 1 à – 3 W/m de flux moyens négatifs ne constitue l’équivalent d’une personne supplémentaire qu’au bout d’un bâtiment de 25 m mais c’est une réalité qui n’apparaît pas avec le trottoir isolant. Ce dernier se traîne toujours la dette calorique initiale, vous savez celle due à la livraison en plein hiver. Le sol y était froid, « vide de chaleur », et cette isolation périphérique extérieure ne permet pas de le recharger avant plusieurs années. En réalité quand je dis plusieurs années, c’est une infinité d’année, c’est, en tout cas, ce que nous dit la courbe de régression logarithmique des minimaux.

Dit de façon plus simple, à aucun moment, la dalle ne demandera à être refroidie pour maintenir la consigne intérieure comme dans l’exemple précédent.

Justement dans l’exemple de la dalle isolée, c’est tout l’inverse : en période chaude, année après année, il faudra de plus en plus refroidir la dalle (là aussi, c’est la régression justement plus logarithmique, qui crache le morceau).

Dans la réalité, il y aura une limite liée à la taille du bâtiment mais ici en situation disons semi-infinie, elle n’apparaît pas. dalle isolée flux négatif

Mais qu’est-ce que cela signifie que cette tendance à tendre vers un infini négatif ? Hé bien, tout simplement, la dalle isolée, si elle protège bien l’intérieur, ne protège ni ses fondations ni même son hérisson (et/ou sol sous la dalle) si bien qu’année après année, ces derniers se chargent en chaleur.

Là aussi, nous sommes sur des nuances fines et subtiles mais, pour autant, le phénomène existe ! On pourrait aussi évoquer les déphasages différents selon la solution et la saison mais l’article deviendrait interminable.

Vous me direz, tout cela est intéressant, mais n’est valable que pour ceux qui habitent en haut des dunes, tout le monde sait qu’en France, on vit tous sur des éponges humides, à en croire la réglementation en tout cas.

Th-U_conductivité du solAh mince, tout est à reprendre, en supposant, cette fois-ci, une argile bien bien saturée en eau (conductivité x 3 ⇒ λ = 1,5 W/m/K), splouich !

trottoirisolant2Si on fait la moyenne des flux – qui sont ici tous positif donc jamais de besoins de rafraîchir la dalle – on constate une inversion sur la moyenne : le trottoir isolant engendre un flux moyen de 21 W/m (10 précédemment) contre 20 W/m (13 à 18 précédemment) pour la dalle isolée.

Mais, si on s’arrêtait là, on oublierait un point important : comparer les besoins associés de chauffage ou refroidissement principalement de la dalle.

En effet, quand la température extérieure est inférieure à 20 °C, le flux tend à réchauffer l’ambiance intérieure alors que c’est l’inverse quand la température dépasse les 20°C. On peut donc distinguer des périodes qu’on peut appeler de climatisation et de chauffage.

Et dans ce cas, les choses changent. En période « froide », le flux moyen pour la dalle isolée est de 30 W/m alors qu’il est de 24 W/m pour le trottoir isolant. Maintenir la chaleur en hiver sur un sol argileux humide est plus efficace avec le trottoir :O

En revanche, en période chaude, dans les deux cas, il faut chauffer la dalle puisque le flux est positif (les deux solutions ont donc un effet clim’), de 9 W/m pour la dalle et de 15 W/m pour le trottoir. C’est donc que l’effet climatisant est supérieur pour le trottoir (la solution absorbe plus de flux positif) pour un plancher sur terre-plein argileux et humide. Si l’on reprend l’étude sur sable à l’aulne de cette nouvelle méthode d’analyse, on se rend compte que :

  • en période froide, la dalle va demander 22 W/m contre 15 W/m pour le trottoir isolant validant le meilleur impact hivernal de ce dernier,
  • en été, le trottoir isolant maintient un effet clim’ puisqu’il faut chauffer de 5 W/m pour maintenir l’ambiance intérieure à 20 °C. Avec la dalle, il faut d’abord chauffer de seulement 4 W/m (effet climatisant inférieur) puis contrecarrer les – 3 W/m évoquées plus haut qui sont des pénétrations de chaleur inopportunes qui n’existe pas avec le trottoir isolant.

Voilà qui est fort intéressant d’autant plus que la dalle « hors-sol » tend, dans les deux cas, à perdre son effet climatisant pour un effet chauffant alors que le trottoir isolant tend lui, plutôt, à perdre tout effet climatisant mais sans s’abandonner à réchauffer la dalle.

Vous qui êtes arrivés jusque là, je vous remercie !

Pour ceux qui auraient sautés 2 ou 3 raisonnements, je résume : le trottoir isolant montre un comportement original, différent d’une solution d’isolation en contact avec le bâtiment, non modélisable réglementairement mais qui démontre son efficacité à casser le pont thermique de nez de dalle et soubassements. Mieux encore, quel que soit le sol (meuble) présent, son efficacité pour limiter les besoins de chaud et de froid est supérieure à une isolation plus conventionnelle.

On a bien travaillé, je vous propose de vous détendre avec un 2 minutes d’arpège. Soufflez avant que nous n’attaquions la dernière ligne droite… 😉


♪♫ na na na na na na na na ♪♫♫ Oups pardon !

Au point où nous sommes rendu, il serait temps de savoir si 4 m de trottoir est un optimum ou pas. Peut-on faire aussi bien avec moins de trottoir isolant ?

Hé bien, nous nous rendons compte que la largeur du trottoir a peu d’impact. Si le type de sol influence bien la moyenne du flux (et l’amortissement), déphasage et amplitude reste peu variables en fonction de la largeur de l’isolation en trottoir, comme on peut le voir dans le graphique ci-dessous qui donne des modèles simplifiés (sans amortissement) des flux :

trottoirisolant3 Comment cela s’explique-t-il ? Je vous donne mon avis…

D’abord, il faut bien avoir en tête que les premiers centimètres d’isolants sont toujours les plus efficaces, le flux est vite contrarié par leur présence mais en revanche plus ce flux est petit et plus il est difficile de le réduire encore malgré les compléments d’isolation. Pour les ponts thermiques, on oublie également que l’important n’est pas tant l’épaisseur de l’isolant que son emplacement, j’en veux pour preuve l’impact de la broche métallique dans le rupteur thermique que vous avez pu voir un peu plus haut.

isolation par trottoirEn présence de la forte épaisseur d’isolant dans le sol, le flux ne trouve guère d’autres moyens de fuir le bâtiment qu’en contournant cette barrière sans faille, il doit donc parcourir au minimum 1,30 m de terre soit l’équivalent de 4 à 10 cm d’isolant selon la nature du sol. Le flux qui part du massif doit, lui, parcourir 2 m de terre soit l’équivalent de 5 à 16 cm d’isolant (même grandeur que l’isolation extérieure du mur !), de quoi bien épuiser ses forces. Pas si mal avec seulement un mètre de trottoir. Avec un trottoir plus large, on gagne encore, tout doucement, des points mais comme pour les « derniers » centimètres d’isolant, l’effet est moins spectaculaire.

Mais, alors, pourquoi ne généralise-t-on pas cette solution ? Au-delà de la difficulté réglementaire à supposer une isolation déportée, il ne faut pas oublier que ceci n’est pas applicable à tous les climats. Plus votre sinusoïde de température va descendre et plus celle de flux va monter. Vous allez vous retrouver avec un effet climatisant quand il ne fera pas chaud, ce qui est, évidemment, contre-productif. Moins il y aura d’amplitude de température et moins il y en aura pour le flux ce qui maintiendra un effet climatisant d’autant plus fort, là, encore, quand il y en aura pas besoin.

Tout cela méritera d’être testé avec des conditions moins simplifiées, c’est-à-voir, mais pédagogiquement, un exemple simple est plus facile à analyser.

Il reste qu’il y a sans doute une très grande méconnaissance des capacités du sol, et de l’inertie en général d’ailleurs. Les thermiciens ont toujours une vision liée aux flux (régime statique) alors que l’inertie, justement, ne réagit qu’aux variations de flux, pas directement aux flux.

Je vous l’expliquais plus tôt, une maison avec des murs de pierre épais est une épave énergétique au cœur de l’hiver pourtant, quand l’inertie peut jouer, il y a un écart qui va jusqu’à 10% avec les prévisions statiques, sans même prendre en compte le rayonnement solaire.

inertie analogie hydraulique L’inertie est encore comprise comme un réservoir, on peut y stocker des flux gênants, certains ont aussi saisi qu’il fallait les déstocker à un moment donné mais ce n’est pas évident pour tout le monde. Pourtant l’inertie tient plus d’une suite de réservoir que d’un réservoir unique, cette image là traduit bien mieux la réalité physique. On comprend alors, d’ailleurs, qu’en régime statique (pas de variations), le flux s’écoule de droite à gauche quelle que soit l’allure des réservoirs verticaux. On pressent aussi que cela va se compliquer quand tout cela va quitter son équilibre !

Le sol est un système inertiel encore plus complexe et incompris, parce que semi-infini, si bien qu’on peut imaginer qu’il nous chante :

J’ai besoin qu’on m’aime
Mais personne ne comprend
Ce que j’espère et que j’attends
Qui pourrait me dire qui je suis ?
Et j’ai bien peur
Toute ma vie d’être incompris
Car aujourd’hui : je me sens mal aimé

Vous ne croyez pas ?

Si chez vous, vous avez un trottoir isolant et que vous voulez nous faire part de vos retour d’expériences, n’hésitez pas à le faire en commentaire ! Je serais aussi curieux de voir ce que donne vos suivis de température …

Nota Bene : Quelque spécialiste des ponts thermiques (il se reconnaîtra hihi p myopera smiley) m’a « reproché » une limite adiabatique en sous-sol ainsi qu’un maillage grossier. Avant que d’autres ne le suivent, je me permets de répondre !
Outre le fait que la norme EN13370 recommande une telle condition aux limites, le choix d’une température fixe en cet endroit me parait inadapté parce qu’elle rendrait compte d’un apport géothermique alors que l’existence d’une telle température est due à une réaction inertielle en condition semi-infinie à une variation de température pseudo-sinusoïdale en surface du sol. En clair, si le sous-sol est chaud, ce n’est que du fait de son exposition solaire (cf. mes travaux sur le puits canadien qu’un jour je rapatrierai ici) ! Quoiqu’il en soit, cela modifie très peu les résultats, et uniquement en été.
Pour ce qui est du maillage grossier sur les vidéos, c’est un choix motivé par les temps de calculs qui peuvent sans cela dépasser plusieurs heures et permettent difficilement de vous présenter un film avant des mois. Comprenez que le bénévole que je suis n’ait pas les moyens financiers d’assurer une telle réquisition de mon outil de travail. Il s’avère qu’un maillage grossier (100 x 100) est d’ailleurs largement suffisant pour avoir une précision sur les flux à 2 % près et à 10-6 % pour les températures. Suffisant pour cette démonstration, non ?

Inertie, mon amour

Mardi 18 septembre, l’ADEME et la Région Aquitaine ont organisé le colloque « Bâtiments basse énergie en Aquitaine, 5 ans d’expérience« .

Il s’agissait de revenir sur les expériences lancées – avant même la naissance d’Effinergie et de BBC – de construire des bâtiments basse énergie, dans la lignée de ce qui se faisait ailleurs en Europe, dans notre climat de l’Arc Atlantique.

Le propos de ce colloque était de faire part de l’expérience des lauréats des appels à projet qui avait été lancés dans cette dynamique depuis 2007. Profiter de l’expérience des concepteurs, de celles des utilisateurs et de tous ceux qui ont analysé tout cela.

Il s’agissait bien de retours d’expérience, nullement de mettre en doute l’utilité de la basse-énergie. Oh évidemment, cela a échappé à au moins un des spectateurs qui n’a pu se passer d’interpeller l’assistance en disant « la performance énergétique, ce n’est plus une utopie, c’est une réalisation de tous les jours et ça marche en Rhône-Alpes ! ».

Tsss yuck myopera smiley, je ne crois pas que nous étions là pour dire que ça ne marchait pas, ni même que ça marchait, en rester à de tels truismes, c’est bon pour les sermonneurs, pas pour les « faiseurs ». À la limite, pour un militant politique un peu fruste, peut-être…

Ce qui compte dans tout ça, c’est l’expérience accumulée des difficultés rencontrées comme les leçons que les réalisateurs (pas les « causeux » qui étalent les clichés comme de la confiture) ont tirées, même si on ne conclut pas comme eux.

Toujours est-il que j’ai apprécié ce colloque et que j’ai d’autant plus été heureux d’en être partie prenante (table ronde n°2 sur le confort d’été) !

J’ai eu l’occasion de discuter ensuite avec quelques uns d’entre vous* qui avaient assisté au colloque et la plupart m’ont reparlé de mes « montgolfières » pour évoquer l’utilité ou non de l’inertie.

* un salut en particulier au réseau aquitain des EIE avec qui j’ai passé un après-midi sympathique entre passionnés, merci de votre accueil :spock:

Devant un tel succès, je m’incline et les offre à tous: 😮

Montgolfières
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Faute de temps pour tout bien rédiger en une seule fois mais trop impatient pour vous laisser attendre, je reviendrai sans doute sur cet article, mais je vais déjà redire ici mon commentaire sur ces ballons dans le ciel qui représentent le confort d’été dans notre futur pôle scolaire et médical.

Tout d’abord, chacune des 5 colonnes de bulles représente l’évolution du confort (en période chaude) de 5 zones notables du projets. La hauteur de la bulle est représentative de la température moyenne de la plus forte surchauffe rencontrée dans l’année. La grosseur de la bulle est, elle, significative du nombre d’heures d’inconfort en période d’occupation.

La bulle à l’orange le plus intense représente le projet initial. Celle à l’orange plus pâle prend en compte la mise en place d’inerties localisées (pas un gros bloc n’importe où donc :sst:). La bulle jaune prend en compte ces inerties ainsi que l’usage des protections solaires et enfin la bulle verte – quand elle existe – cumule, à tout cela, une sur-ventilation nocturne.

On se rend compte, au premier coup d’œil, d’un phénomène récurrent : la « montgolfière » à l’orange le moins tenu est partout plus enflée que celle à la couleur la plus intense !

Cela signifie tout simplement que l’apport d’inertie augmente le nombre d’heures inconfortables (T>27°C ici). C’est ce que je voulais dire à ce colloque : l’inertie n’est pas une solution universelle, elle n’est pas la panacée du confort d’été dans nos régions. Placer de l’inertie sans plus de tactique en aval, c’est exposer les occupants à une sensation d’étouffement plus longue.

Si la montgolfière orange clair est plus gonflée que l’orange foncée, elle a généralement moins d’altitude, ce qui signifie que l’inertie a tout de même lissé le pic de surchauffe. Placer de l’inertie sans plus de tactique aval, c’est généralement écrêter le pic de température mais exposer les occupants plus longtemps à des températures inconfortables, donc…

Parfois, cependant, ce n’est pas vrai (comme ici, dans la salle d’ergothérapie), et en plus d’exposer plus longuement à des surchauffes, on intensifie le pic 😦

Il est entré dans la pensée commune BBC que régler le souci du confort d’été, c’est finalement juste ajouter un peu d’inertie à nos bâtiments qu’on a… juste un peu plus isolé.

Vous l’avez compris, c’est allé un peu vite en besogne.

On se rend tout de même compte que si l’on ajoute à cette inertie un usage intelligent des protections solaires, alors mes montgolfières perdent, et de l’altitude, et de la circonférence. Inertie(s) et protections solaires font bon ménage pour assurer le confort « estival ».

En fait, dans le résidentiel individuel, le confort est à portée de bras à la condition – nécessaire et parfois suffisante – des les agiter pour user des « occultants solaires », que l’inertie soit importante ou non. C’est d’ailleurs ce qu’a montré le retour d’expérience de Nobatek et ce, même avec des occupants peu impliqués à améliorer activement leur confort.


Merci à Marie Pauly de m’avoir communiqué ce diagramme de Brager où l’on s’aperçoit du bon confort d’été même chez les « mauvais élèves »… mais aussi de surchauffes en saison froide ou intermédiaire conséquentes 😮

Dans le tertiaire, c’est rarement suffisant, il faut ajouter une tactique aval supplémentaire, comme ici la sur-ventilation nocturne, pour que les montgolfières menacent enfin de s’écraser, youpi !:hat: ndlr : ceci n’est une bonne nouvelle que pour l’analyse ci-présente 🙂

Il y a-t-il une morale à tout cela ? On peut s’essayer à quelques conclusions, je pense, oui:

  • il ne faut pas faire confiance à la seule inertie, tout au moins dans le tertiaire, pour assurer un confort acceptable quand la température extérieure se maintient à des niveaux élevés,
  • l’inertie est un concept complexe… il faudrait plutôt parler d’inerties parce qu’il y a des notions de localisations et de nature qui peuvent être fortement influentes,
  • qu’il faille une tactique aval (comme dans le tertiaire) ou faire usage a minima des protections solaires, dans les deux cas, il y a une implication fatale des occupants. Un bâtiment n’est rien sans ceux qui l’occupent, et quelque soit la domotique du futur, leur implication est un paramètre incontournable parce que comme s’est plu à la dire M. Beslay, à ce même colloque évoqué depuis le début : « Ce ne sont pas les bâtiments ou les techniques qui consomment, ni même les humains », mais bien le ménage que constitue l’interaction de ces deux-là.


Mais par quelle magie, l’inertie augmente-t-elle l’inconfort ?

Imaginez que la chaleur soit de l’eau. Quand la chaleur entre dans un lieu « sans inertie », c’est comme si vous versiez de l’eau sur un plateau sans éponge : elle n’a pas de lieu où se stocker, alors même si le niveau monte vite, elle fuit rapidement quand la source se tarit à la façon de gouttes sur une vitre.

En rajoutant de l’inertie, vous ajoutez une éponge au plateau, si bien que quand la chaleur l’eau n’est plus fournie, l’éponge, elle, encore humide, est capable d’en restituer. Le niveau est monté moins vite dans mon plateau mais si je n’ai pas essoré l’éponge, il va rester humide comme le bâtiment « à inertie » va rester chaud sans tactique supplémentaire.

Wall-T : inertie, résistance thermique et condensation dans une paroi

wall-TSuite à l’étude du phénomène d’augmentation de la résistance thermique par la masse, j’ai réalisé un widget qui permettait d’évaluer les caractéristiques thermiques d’une paroi, en terme de conductance de chaleur mais également de capacité inertielle.

J’ai trouvé intéressant de modifier ce petit utilitaire en lui adjoignant un calcul de risque de condensation interne selon la méthode de Glaser.

Wall-T calcule donc :

  • l’inertie, soit l’énergie stockable dans la paroi (Wh/m²/K),
  • le déphasage associé (h),
  • l’amortissement associé (% de l’amplitude conservé),
  • la résistance thermique (m²K/W),
  • la conductance équivalente (W/m²/K),
  • enfin, il évalue, couche par couche, le risque de condensation via une petite icône présentant le taux d’humidité en début de couche. Survolez l’icône pour obtenir la valeur de l’humidité relative.

Notez que vous pouvez activer/désactiver une couche en cliquant sur son nom. Une base de données (MAISON.com)  est accessible en cliquant sur « couche« .

Vous pouvez accéder au widget ici. Il me reste du travail pour gagner en ergonomie et design mais c’est utilisable en l’état ! 😉

Résistance thermique d’un mur augmentée par sa masse

Comme au rugby…

Ceux qui ont déjà joué au rugby le savent bien, il n’y a guère que deux façons de plaquer un adversaire en pleine course :

  • On se cale au sol et on l’intercepte de face, façon Chabal ou première ligne de défense au foot US :no: . Le choc est rude, le défenseur doit être sacrément athlétique,
  • Lorsqu’on est moins costaud, on évite le choc frontal et on arrive de façon tangente pour accompagner le mouvement et le freiner grâce à sa propre vitesse et masse. :yes:

Figurez-vous que ces deux tactiques se retrouvent également pour un mur de bâtiment dont le rôle est d’arrêter le front froid venant de l’extérieur !

La première technique est celle de l’isolant. Il se place vaillamment face au froid extérieur et l’empêche de pénétrer dans l’enceinte protégée en faisant obstacle de tout son corps. Comme pour le premier plaqueur, l’isolant se doit d’être solidement charpenté pour protéger des froids les plus vifs, les Jonah Lomu climatiques, sinon il y a fort à parier que la ligne d’essai sera franchie.

Il doit également être bien positionné sur le terrain pour éviter de rester simple spectateur ou malheureux plaqueur rafuté par les ponts thermiques.

La seconde méthode est issue d’une époque où l’on ne disposait que de peu d’isolants performants mais où l’on avait un sens bioclimatique affuté. Cette fois-ci, il ne s’agit plus de faire face au front de chaleur/froid mais de l’accompagner dans son mouvement et de finalement retourner contre lui sa propre force.

Cette seconde méthode est exigeante quant à ses conditions de fonctionnement optimal :

  • la température extérieure doit dépasser la consigne intérieure de façon suffisamment longue pour « nourrir » le mur d’un flux chaud venant de l’extérieur (celui-là est gratuit),
  • le mur doit être de masse thermique élevée (= dense) et suffisamment épais pour pouvoir stocker en son cœur une partir de ce flux chaud.

Bien sûr, un plaqueur bien costaud qui ne bouge pas de ses appuis sera toujours plus efficace que celui qui poursuit son adversaire désespérément et tente une cuillère au dernier moment. Mais, de la même façon qu’il y a des physiques et des qualités différentes au sein d’une même équipe, on peut imaginer qu’un bâtiment adopte plusieurs stratégies d’adaptation au climat.

Situation théorique idéale

Dans la vidéo précédente , j’ai testé une variation climatique sinusoïdale après un état d’équilibre statique (Tinit = 21°C). Malgré une variation de température extérieure ne dépassant que de peu la température intérieure (21°C max. pour 15°C de consigne intérieure), l’effet est probant puisque le mur affiche une conductance thermique 68% moins élevée que ce que la méthodologie réglementaire aurait pu annoncer (R=2,76 au lieu de R=0,88 m².K/W en calcul statique pour ce mur de terre crue de 60 cm d’épaisseur) au bout des 6 jours d’études.

Si on compare différents matériaux, on comprend que les masses thermiques (masse x chaleur spécifique) sont à la source d’un comportement de déphasage et d’amortissement , par rapport au flux théorique (statique, en jaune) issu de la paroi intérieure d’autant plus important qu’elles le sont elles-mêmes.

Regardons-y de plus prêt en analysant l’écart entre prédiction statique et dynamique des cumuls de flux positifs — directement liés aux consommations de chauffage d’où le titre du graphique — à l’instant t (soit le décompte de tous les flux qui ont quitté la paroi intérieure entre le début de l’expérience et le moment observé*).

*Comme si on insérait de l’argent à intervalle de temps régulier dans une tirelire et qu’on se demandait combien on avait mis, en tout, au bout d’un temps t…

Autant pour la paroi légère (PolyStyrène Expansé 5cm), les écarts flottent tout gentiment autour de zéro (graphe de gauche), autant pour les parois en terre, l’écart ne cesse de se creuser au fur et à mesure que les variations journalières s’accumulent. Au bout de 6 jours, on constate que l’évaluation statique surévalue les quantité de chaleur de resp. 215%, 58% et 0% pour la terre de 60cm, de 35cm ou le PSE de 5cm (graphe de droite).

Mais la résistance dynamique, à l’image des courbes de droite, décroit de façon logarithmique et tend vers la valeur statique au fur et à mesure que les jours passent et que s’épuisent le capital initial (mur à 21°C), malgré les pics de température extérieure (Text>15°C), trop faibles pour « nourrir » le mur.

Nos 8 cm d’isolant virtuels se seraient donc érodés au fur et à mesure que nous aurions poursuivi la simulation, sans jamais disparaître (il reste pas loin de 4 cm au bout de 24 jours, et il en restera toujours… sauf à l’infini :wait: ).

Comportement sur une saison froide archétypique

Maintenant que ce passe-t-il avec un fichier météo plus réaliste ? Les charges journalières (Text>15°C) suffisent-elles à maintenir un minimum d’isolant virtuel ? Retrouve-t-on un comportement différent selon la masse thermique ?

Nous avons simulé différentes parois de plus ou moins fortes masses thermiques, de la paroi fine de polystyrène expansé à nos deux parois de terre crue, en passant par le parpaing et le béton cellulaire. Et ce en considérant un début de saison froide à Agen (météo standardisée RT2012) :

On s’aperçoit qu’il existe bien une discrimination en fonction de la masse thermique, il semble en effet apparaître 3 comportements distincts :

  1. Pour des inerties très faibles (I~100 Wh/m²/K), il n’existe pas d’écart non négligeable entre « consommations » statiques et dynamiques,
  2. Pour des inerties moyennes (I~101 Wh/m²/K), l’écart existe mais il reste faible (1-5%),
  3. Pour des inerties fortes (I~102 Wh/m²/K), cet écart est supérieur à 10%, ce qui n’est plus négligeable.

On pourrait s’arrêter ici… On conclurait que derrière un mur lourd, arrivée à la fin de l’année, j’aurais consommer 10% de moins de chauffage que ce qu’avait prévu le calcul statique. Alors que derrière un mur de parpaing, le calcul théorique aurait été bon à 1% près. Démonstration aurait été faite de la résistance thermique augmentée par la masse.

Sauf qu’on manquerait un phénomène intéressant quoique handicapant pour nos murs lourds : l’apogée de l’hiver. :pingu:

Il faut le reconnaître : l’hiver fait mal à la résistance thermique augmentée par la masse ! :faint:

Alors que la courbe était ascendante jusqu’à la fin de l’année, elle décroît continuellement jusqu’à la mi-mars malgré quelques sursauts velléitaires. Elle repart ensuite avec une croissance telle que l’on revient vers nos 10% d’écart trouvés fin décembre.

On comprend maintenant mieux comment fonctionnent nos vieilles bâtisses aux murs épais et lourds. Tant que l’hiver n’est pas installé, elles résistent aux baisses de températures par un effet tampon dû à l’inertie de transmission de parois chargées en fin d’été. Mais quand l’hiver est installée et qu’il n’y a nulle calories à récupérer dehors, alors elles se comportent comme l’annonce le calcul statique, elles laissent fuir la chaleur à travers les murs comme le sable entre les doigts.

Cela semble en accord avec mon expérience de vie dans une telle maison : ici, nous allumons le chauffage après nos voisins aux murs moins épais et nous l’éteignons avant eux mais au cœur de l’hiver, il ne fait pas bon laisser le foyer s’éteindre.

Si dans un premier temps, nous avons pu mettre en exergue le rôle de la masse thermique dans cet effet de résistance dynamique, cette deuxième observation durant tout un hiver nous laisse entendre — sans surprise — le rôle essentiel de la météo.

En prenant les données météos de la RT2012 et en regardant les écarts en fonction de la moyenne des températures supérieures à la consigne intérieure, on se rend compte que les zones les plus septentrionales semblent plus à même de profiter de la résistance thermique augmentée par la masse.

Il faudrait poursuivre encore cette étude — et je le ferai à temps perdu — pour connaître l’impact des apports solaires ou d’une météo moins lissée que celle d’une réglementation sur cet effet de résistance dynamique. En tout cas, il semble clair que le phénomène existe même avec des hypothèses aussi simplifiées que celles que j’ai utilisées.


À propos d’inertie, j’ai réalisé un widget-calculette pour déterminer l’inertie d’une paroi et l’épaisseur nécessaire pour un déphasage donné.