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Modélisation du comportement thermique du bâtiment ancien avant 1948 Juin 2010

Modélisation du comportement thermique du bâtiment ancien avant 1948 Juin 2010 BATAN Tâche 3 – Rapport d’avancement [ENTPE/LASH] Page | 1 Modélisation du comportement thermique du bâtiment ancien avant 1948 Rapport de Synthèse Février 2011 DGUHC – Convention n Y07.45‐0003597 ADEME – Convention n 0704C0056 BATAN Modélisation du comportement thermique du bâti ancien (avant 1948) Février 2011 BATAN ‐ Note de synthèse Page | 2 Modélisation du comportement thermique du bâti ancien (avant 1948) Février 2011 BATAN ‐ Note de synthèse Page | 3 1 INTRODUCTION 1.1 Objectifs globaux Le projet BATAN s’inscrit dans le prolongement de l’étude « Connaissance des bâtiments anciens et économies d’énergie », réalisée entre 2005 et 2007. Les enseignements de cette étude concernaient essentiellement deux points : - Le comportement thermique du bâti ancien est très dépendant de l’environnement local. Les propriétés hygrothermiques particulières des systèmes constructifs, la présence d’espaces tampons et la forte inertie de l’enveloppe sont autant de caractéristiques propres au bâti ancien. - Les modèles de calcul existants, notamment réglementaires, sont inadaptés à la complexité du comportement thermique du bâti ancien. Une divergence importante a été constatée entre les consommations réelles de bâtiments anciens et les consommations simulées. Trois phénomènes caractérisant le comportement spécifique du bâti ancien antérieur à 1948, posent des problèmes dans les modélisations actuelles : - Influence de l’environnement local : sensibilité particulière au climat local, microclimats urbains, intégration bioclimatique du bâtiment dans son environnement. - Transferts de chaleur, de masse et d'humidité au sein de l'enveloppe : propriétés particulières de parois perméables dans le bâti ancien, phénomènes d’inertie et de perméabilité à l’air et à l’eau. - Rôle des occupants : scénarii d'occupation inadaptés (température intérieure, taux d’occupation, etc.). Partant des enseignements de cette précédente étude, les principaux objectifs du projet BATAN sont : 1. Etudier les phénomènes physiques qui caractérisent le comportement thermique du bâti ancien. 2. Elaborer un nouveau modèle de calcul permettant d’évaluer le comportement thermique du bâti ancien. L’innovation du projet consiste donc à élaborer des outils de calcul adaptés, selon une approche systémique. 1.2 Méthodologie générale 1.2.1 Organisation du projet Le projet s’organise autour d’objectifs traités en 4 tâches principales. Ces tâches sont présentées avec la figure 1.1. Le soutien financier du projet est assuré par le Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable, des Transports et du Logement (MEDDTL) et l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME). Les équipes participantes au projet sont mentionnées dans le tableau 1.1. Modélisation du comportement thermique du bâti ancien (avant 1948) Février 2011 BATAN ‐ Note de synthèse Page | 4 Figure 1.1 : Déroulement des principales tâches CETE de l’Est 11, rue Jean Mentelin 67000 Strasbourg Louis Bourru Julien Burgholzer Responsable scientifique de la tâche 1 CETE de l’Ouest MAN, Rue Viviani, BP 46223 44262 Nantes Cedex2 Julien Berger Julien Bertron Sihem Tasca‐Guernouti Responsable scientifique de la tâche 2 Laboratoire des Sciences de l’Habitat ENTPE – Université de Lyon DGCB FRE CNRS 3237 Rue Maurice Audin 69120 Vaulx en Velin Richard Cantin Gérard Guarracino Andrea Kindinis Bassam Moujalled Responsable scientifique de la tâche 3 Coordination générale INSA de Strasbourg 24, Bd de la Victoire 67084 Strasbourg Bernard Flament Florentine Janvier Responsable scientifique de la tâche 4 Maisons Paysannes de France 8, passage des Deux Sœurs 75009 Paris Michel Fontaine Tony Marchal Partenaire Tableau 1.1 : Equipes ayant participé au projet BATAN TACHE 1 Etat de l’art du comportement thermique du bâti ancien (construction d’une typologie thermique du bâti ancien) TACHE 2 Etude du comportement réel d’un panel de bâtiments restreint Elaboration du protocole de mesures Instrumentation / étude in situ Analyse du comportement réel / caractérisation des phénomènes thermiques TACHE 3 Elaboration du modèle de calcul BATAN Elaboration du cahier des charges Formalisation du modèle physique et analyse des différences avec le modèle Simulation sur le panel de bâtiments restreint et calibrage itératif du modèle TACHE 4 Validation du modèle sur un panel élargi Confrontations entre « modélisation » et « observation » Modélisation du comportement thermique du bâti ancien (avant 1948) Février 2011 BATAN ‐ Note de synthèse Page | 5 1.2.2 Objectifs de la tâche 1 La tâche 1 a pour but de définir « l’objet » de la modélisation, c’est à dire le comportement thermique bâti ancien. Sur la base de l’étude « Connaissance des bâtiments anciens et économies d’énergie » (analyse du comportement réel d’un panel de 10 bâtiments anciens), réalisée entre 2005 et 2007, et d’une étude bibliographique, il s’agit de créer une typologie des bâtiments anciens. Cette typologie est élaborée selon une approche thermique des modes constructifs et architecturaux afin de permettre : - d’identifier, en première approche, les données d’entrée et les paramètres du modèle. - de définir un panel restreint de bâtiments représentatifs à instrumenter et qui seront supports du développement du modèle. Ainsi, un panel restreint de bâtiments anciens est sélectionné et instrumenté par la tâche 2, permettant l’élaboration du modèle BATAN par la tâche 3. Un panel élargi est identifié pour conduire les tests de la tâche 4. Le responsable de la tâche 1 est le CETE de l’Est. 1.2.3 Objectifs de la tâche 2 La tâche 2 a pour but d’étudier le comportement réel du panel restreint de bâtiments défini suite à l’étude typologique. Cette étude « in situ » doit permettre l’analyse des phénomènes spécifiques du bâti ancien et leurs interactions selon : - l'influence de l’environnement local : caractérisation des influences du site et du climat local - les transferts de chaleur, de masse et d'humidité au sein de l'enveloppe : caractérisation des phénomènes hygrothermiques de l’enveloppe - le rôle des occupants : scénarii d'occupation, taux d’occupation, mode d’occupation, ambiances thermiques Ces phénomènes sont étudiés en distinguant le comportement saisonnier. Cette étude « in situ » alimente directement l’élaboration du modèle de calcul (tâche 3). Le responsable de la tâche 2 est le CETE de l’Ouest. 1.2.4 Objectifs de la tâche 3 La tâche 3 a pour but de produire un modèle numérique permettant d’évaluer le comportement thermique de bâtiments anciens. Ce modèle doit: - Etre adapté au comportement thermique spécifique du bâti ancien - intégrer les entrées de l’étude typologique (tâche 1) - converger vers le comportement réel étudié (tâche 2). Le modèle doit permettre de déterminer les besoins de chauffage (période hivernale) et l’inconfort thermique (période estivale). Le responsable de la tâche 3 est le LASH DGCB CNRS, ENTPE, Université de Lyon. Modélisation du comportement thermique du bâti ancien (avant 1948) Février 2011 BATAN ‐ Note de synthèse Page | 6 1.2.5 Objectifs de la tâche 4 Le but de la tâche 4 est de tester la validité du modèle, défini à partir du panel restreint, sur un panel élargi défini par la tâche 1. Le responsable de la tâche 4 est l’INSA de Strasbourg. 2 RESULTATS 2.1 État de l’art La tâche 1 a permis de - Dresser un état de l’art des connaissances du comportement thermique du bâti ancien. Il est constitué de fiches synoptiques des principales études recensées sur cette thématique, présentant les principaux enseignements, et d’une liste de références bibliographiques. - Constituer des grandes familles thermiques au sein du parc bâti ancien français. Cette typologie devait être fidèle à la réalité observable et permettre d’aboutir à un panel restreint d’environ 15 bâtiments instrumentés dans la tâche 2. La constitution du panel restreint a défini, tout au long de notre démarche, le niveau de détail nécessaire pour discerner les types thermiques entre eux. Pour constituer les catégories d’implantation du bâti ancien, une analyse thermique de la morphologie des îlots anciens a été effectuée. Cette analyse s’est appuyée sur 3 critères principaux : la mitoyenneté, la densité et le potentiel d’ensoleillement, lié à la forme de l’îlot. Grâce à ces critères, 4 catégories d’implantation ont été définies pour classer l’ensemble des bâtiments anciens : ‐ Catégorie I : îlots fermés de centre ancien ‐ Catégorie II : îlots haussmanniens ‐ Catégorie III : îlots fermés bas ou maisons alignées ‐ Catégorie IV : maisons ou villas isolées ou dispersées. Pour constituer les catégories de matériaux, une analyse de leurs propriétés thermiques et hygrométriques a été réalisée. Cette analyse est fondée sur les paramètres suivants : ‐ diffusivité thermique ‐ effusivité thermique ‐ déphasage thermique ‐ résistance thermique ‐ résistance à la diffusion de vapeur d’eau. Des regroupements de matériaux aux propriétés similaires ont alors été effectués, selon 4 catégories : ‐ Catégorie 1 : les roches denses (voire très denses) : granit, basalte, grès quartzeux, calcaire extra‐dur Modélisation du comportement thermique du bâti ancien (avant 1948) Février 2011 BATAN ‐ Note de synthèse Page | 7 ‐ Catégorie 2 : les matériaux de densité moyenne : calcaire tendre et briques de terre cuite pleines ‐ Catégorie 3 : les terres crues et roches extra tendres : pisé, adobes, bauge, calcaire extra‐ tendre (tuffeau) ‐ Catégorie 4 : les matériaux de faible densité : pierre poreuse naturelle, meulière, bois et torchis. Pour constituer les catégories de modes constructifs, une analyse a été effectuée sous l’angle de l’inertie, uploads/Management/batan-rapport-synth-se-2011-cle2e82f1.pdf