Utilisation du béton dans des bâtiments économes en énergie

Le présent document a été réalisé par CEMBUREAU, BIBM et ERMCO. Destiné aux concepteurs, spécificateurs, organismes de contrôle, propriétaires et utilisateurs de bâtiments, il montre comment utiliser le béton pour diminuer la vitesse du changement climatique et pour minimiser les effets qu’il produira sur notre cadre de vie.

Le choix du béton permet d’améliorer l’efficacité énergétique et le confort thermique

1.AVANTAGES EN TERME D’ÉCONOMIES D’ÉNERGIE DES BÂTIMENTS EN BÉTON

Le béton est un matériau de construction reconnu, stable et bien compris, utilisé dans toute l’Europe pour toute une série de bâtiments. Ses applications les plus fréquentes dans la construction sont :

• les sols au niveau du rez-de-chaussée ou des étages supérieurs,
• les éléments de structure ( par ex. poutres, colonnes et dalles),
• les murs extérieurs et les parois intérieures, y compris les panneaux, les blocs et les éléments décoratifs,
• les tuiles.

Le béton est extrêmement polyvalent en termes de propriétés structurelles et matérielles et c’est là une des raisons de son succès. La plupart des bâtiments ont recours à un béton lourd ou dense, connu pour sa résistance, son bon comportement en cas d’incendies, son isolation acoustique et, de plus en plus, pour son inertie thermique.

La Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments

Le béton représente une solution très efficace par rapport aux exigences de la Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments (Directive 2002/91/CE du 16 décembre 2002), qui est entrée en vigueur en 2006 et qui vise à réduire la consommation d’énergie en Europe. La Directive exerce une influence significative sur la conception et la construction des bâtiments, et les États membres appliquent la DPEB soit directement soit en modifiant les réglementations existantes en matière de constructions.

La Directive:

• émet des exigences minimales pour la performance énergétique des bâtiments ;
• demande la vérification de ces critères dans les bâtiments achevés ;
• impose un système de certification énergétique pour les bâtiments ;
• demande que les concepts de chauffage et de refroidissement passifs soient pris en considération ;
• insiste sur le fait que la performance énergétique ne doit pas entraver la qualité de l’environnement interne.

Les avantages de la masse thermique

Le principal avantage énergétique de l’utilisation de béton dans les bâtiments réside dans son inertie thermique élevée qui procure une stabilité thermique. Cela permet de réaliser des économies d’énergie tout en offrant un meilleur environnement interne aux utilisateurs du bâtiment.

La masse thermique du béton dans les bâtiments:

• optimise les avantages de l’énergie solaire et réduit ainsi le besoin en combustible de chauffage ;
• réduit la consommation énergétique pour le chauffage de 2 à 15% (voir Section 5) ;
• réduit les écarts de température intérieure ;
• retarde les pics de températures dans les bureaux et autres bâtiments à usage commercial jusqu’au départ des occupants ;
• atténue les pics de températures et peut rendre la climatisation inutile ;
• peut être utilisée avec la ventilation nocturne pour éviter la nécessité de climatisation diurne ;
• associée à la climatisation, elle permet de réduire de jusqu’à 50% l’énergie dépensée pour rafraîchir les lieux ;
• permet de réduire la facture énergétique dans les bâtiments ;
• tire le meilleur parti des sources de chaleur à faible température comme les pompes à chaleur avec source dans le sol ;
• en diminuant la consommation d’énergie pour le chauffage comme pour le refroidissement, elle réduit les émissions de C02, le principal gaz responsable des effets de serre ;
• aide les bâtiments tournés vers le futur à lutter contre le changement climatique.

On peut voir que la Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments adopte une approche intégrée du problème de la consommation d’énergie dans les bâtiments et c’est pour cette raison que les concepteurs et les clients prennent de plus en plus conscience des caractéristiques énergétiques des matériaux.

En quoi le béton peut-il aider à respecter la DPEB ?

Les recherches concernant la performance énergétique de bâtiments réels et théoriques en béton ont prouvé qu’il était possible de retirer des avantages, sous n’importe quel climat européen, si l’inertie thermique du béton est prise en considération dans la conception du bâtiment. Si cet effet est correctement pris en compte dans le cadre des méthodes de calculs agréées par la DPEB, il est possible de bénéficier d’une réduction de 2 à 15% sur la consommation d’énergie pour un bâtiment lourd, par rapport à son équivalent en construction légère (voir Section 5).

Les investigations ont également démontré qu’un bâtiment lourd conserve des conditions internes confortables pendant une période de longue durée (des jours) par rapport aux bâtiments de construction légère qui ne les conserve que quelques heures, qu’il s’agisse de conditions ambiantes chaudes ou froides. Une association intelligente de chauffage, ventilation, protection contre les rayons solaires, structure du bâtiment et rafraîchissement nocturne permet de tirer encore un meilleur parti de l’utilisation de l’inertie thermique du béton, afin de produire des bâtiments en béton mieux adaptés aux températures en hausse et de les aider à rester confortables sans devoir recourir à la climatisation.

Le soutien apporté par la Directive aux concepts de chauffage et de climatisation passifs ainsi que sa reconnaissance expresse de la contribution bénéfique de l’inertie thermique du béton constituent des développements positifs.

L’utilisation du béton dans les bâtiments est avantageuse pour tout le monde Les occupants et les propriétaires des bâtiments

Les économies d’énergie réalisées grâce à l’inertie thermique du béton permettent de réduire les factures de chauffage et de climatisation, des facteurs importants dans les frais d’exploitation des bâtiments. Elles permettent de soutenir une certaine équité sociale en proposant des logements à des coûts plus abordables. La stabilité thermique qu’offre en outre le béton permet de créer des foyers plus confortables pour les années à venir, prêts à supporter l’augmentation des effets du changement climatique, ce qui pourrait contribuer à un meilleur prix de revente. D’autres avantages sont liés à des frais d’investissement inférieurs grâce à l’utilisation de systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement d’air (CVCA) moins sophistiqués.

L’environnement

La réduction des gaz à effets de serre due aux économies d’énergie liées à l’inertie thermique pendant la durée de vie d’un bâtiment constitue un avantage fondamental. Étant donné qu’une grande partie des émissions de C02 dans le monde provient des bâtiments et que ces bâtiments ont une longue durée de vie, même la plus petite diminution dans la consommation d’énergie s’avère significative.

Les économies d’énergie s’accumulent au cours de la durée de vie d’un bâtiment

En fonction des prix courants de l’énergie en Europe au cours du deuxième trimestre 2006, les recherches menées à propos des bâtiments résidentiels ont montré que les économies d’énergie réalisées grâce à l’utilisation de méthodes de construction lourdes équivaudraient à environ 60 euros par an pour une maison de 70 à 80 m2. Étant donné que le prix de l’énergie n’est pas stabilisé et si les hausses de prix considérables des dernières années se poursuivent, il deviendra essentiel de tirer le meilleur parti des installations de chauffage et de climatisation en utilisant plus efficacement l’inertie thermique.

Dans la pratique, il est certain que les économies d’énergie seront influencées par le comportement de l’utilisateur, comme le fait de fermer les fenêtres et les volets, mais il n’y a aucun doute que même la plus petite amélioration dans la conception des bâtiments génèrera, au fil des années, des économies importantes voire essentielles dans la durée de vie des bâtiments. Les économies d’énergie réduisent de manière significative les émissions de CO2

La figure 1c indique comment des économies annuelles, même modestes, sur la consommation d’énergie contribuent à des réductions significatives des émissions de CO2. De récentes investigations au Royaume Uni ont en outre permis de constater qu’une maison en blocs de maçonnerie en béton à structure moyennement lourde, qui utilise au maximum son inertie thermique, peut compenser en 11 ans son contenu supplémentaire en CO2 par rapport à une maison équivalente à charpente en bois et qu’elle peut continuer par la suite à procurer des économies d’énergie et de CO2 pendant toute la durée de vie du bâtiment (Hacker et al., 2006).

Le contenu en CO2 d’un matériau, d’un élément de construction ou d’un bâtiment correspond au CO2 émis lors des opérations liées à sa production, notamment lors de l’extraction des ressources naturelles, de la fabrication des matériaux et de leur transport.

La contribution de l’inertie thermique dans l’amélioration du confort intérieur des bâtiments augmentera au fur et à mesure que les effets du changement climatique se feront sentir. Elle permettra de concevoir, déjà au cours de ce siècle, des bâtiments prêts pour le futur.

La présente publication explique comment la demande précise de constructions lourdes en béton peut permettre d’améliorer le rendement énergétique et les propriétés de confort thermique des bâtiments.

2.UTILISATION EFFICACE DE L’ÉNERGIE DANS LES BÂTIMENTS

La performance énergétique dépend de l’obtention d’un équilibre entre la réduction de la consommation et le maintien du confort

Il est vital de réduire la consommation d’énergie dans les bâtiments étant donné le rôle essentiel que cela peut avoir sur la lutte contre l’utilisation de quantités d’énergies non durables. Les chiffres européens montrent que l’énergie dépensée pour le chauffage, l’éclairage et la climatisation de l’air des bâtiments compte pour environ 40% de l’énergie primaire consommée. Cela fait de l’occupation et de l’exploitation des bâtiments la plus grande source européenne d’émissions de gaz à effets de serre, principalement sous la forme de dioxyde de carbone. La figure 2a montre la part d’énergie utilisée au sein de l’UE pour les différentes fonctions, dans les bâtiments résidentiels et dans les bâtiments commerciaux.

S’étant engagée à ramener les émissions de gaz à effets de serre à leurs niveaux de 1990 d’ici 2010, l’Union européenne a cherché à introduire un mécanisme visant à réduire la consommation d’énergie dans les bâtiments. C’est ainsi que la Directive de l’UE sur la performance énergétique des bâtiments ou DPEB (Directive 2002/91/CE du 16 décembre 2002) est entrée en vigueur dans les États membres en janvier 2006 ; l’UE peut ainsi veiller à ce que les nouvelles constructions soient efficaces en énergie. Ce point est expliqué en détail à la Section 4.

Evaluation de la consommation d’énergie dans les bâtiments

Pour respecter cette législation et créer des bâtiments confortables et économes en énergie, il convient de prendre en considération tous les flux énergétiques pertinents et les facteurs ou paramètres importants (y compris l’inertie thermique). Il est possible de calculer la consommation d’énergie d’un bâtiment à l’aide de simples méthodes de calcul manuelles, qui se basent normalement sur les statistiques des températures extérieures à un endroit précis, sur l’isolation thermique (valeur U) et sur le taux de ventilation escompté ; on peut aussi procéder à l’aide de programmes informatiques qui reproduisent mathématiquement les flux thermodynamiques (c’est-à-dire la transmission, la radiation et la convection).

La DPEB adopte une approche holistique et intégrée de la conception en permettant l’utilisation de différentes méthodes. Elle permet d’utiliser tant les méthodes simplifiées « en régime quasi continu » que les calculs détaillés « dynamiques » mais la complexité inhérente aux flux d’énergie signifie que les ordinateurs sont de plus en plus utilisés pour la simulation de conceptions (figure 2b). Bon nombre de logiciels consacrés à l’énergie existent mais tous ne s’appliquent pas à toutes les situations ; par exemple, certains s’adressent principalement aux bâtiments résidentiels alors que d’autres sont prévus pour certains pays ou pour certaines régions climatiques.

L’impact du changement climatique

Les changements survenus dans le climat mondial peuvent affecter les conditions thermiques intérieures partout en Europe. Avec la preuve croissante des effets du changement climatique sur le cadre bâti, De Saulles T. (2005) signale que les récentes recherches montrent que bon nombre de bureaux et de bâtiments résidentiels existants seront confrontés à un problème de surchauffe aux environs de la moitié du XXIème siècle (CIBSE, 2005). Des recherches effectuées récemment pour le compte de Arup R&D portent à croire qu’il fera aussi chaud à Londres qu’à Marseille en 2080 (Arup, 2004).

C’est pourquoi, les bâtiments doivent être conçus pour préserver, à l’avenir, la santé et le confort – la conception des bâtiments selon les normes actuelles risque de fait de ne pas être suffisante pour lutter contre les effets du changement climatique. Les bâtiments lourds offrent une bonne stabilité thermique et constituent dès lors une solution robuste et écologique au problème, en réduisant, voire en éliminant dans de nombreux cas, le besoin de refroidissement mécanique. Les investigations ont montré que des bâtiments possédant une inertie thermique élevée, des caractéristiques solaires passives et un contrôle efficace de la ventilation sont très performants (Arup & Bill Dunster Architects, 2004). Cette approche de la conception est peut-être la seule manière de créer de nouveaux bâtiments adaptés au futur, de sorte que les produits en béton et en maçonnerie peuvent aider à offrir un milieu de vie confortable, dès à présent, comme dans le futur.

Les flux d’énergie au sein d’un bâtiment

Les principes fondamentaux des flux d’énergie au sein des bâtiments sont représentés à la figure 2c. Il est important pour nous tous de bien comprendre l’interaction de ces différents flux au sein d’un bâtiment qui créent le confort que nous ressentons. De fait, c’est la gestion efficace de ces flux qui permet de réduire la consommation d’énergie – un aspect essentiel des réglementations des bâtiments en matière de performances énergétiques.

L’énergie (comme la chaleur) est véhiculée par transmission (conduction), par le déplacement de l’air (convection) et/ou par radiation.

La transmission dépend de l’isolation thermique ou de la conductivité d’un matériau ou de la construction. Le déplacement de l’air est contrôlé par la ventilation. Il est aussi provoqué par des infiltrations dues à des fuites d’air ; les bâtiments sont de plus en plus étanches pour éviter de tels flux non prévus.

La radiation affecte en premier lieu les parties vitrées d’un bâtiment et elle variera selon la latitude et l’orientation. La direction et le sens des flux d’énergie varieront pendant la journée, au cours de l’année et d’un lieu à l’autre, en fonction des conditions climatiques externes et internes. La présence de personnes et d’équipements aura également une incidence. La capacité des matériaux de construction à emmagasiner de l’énergie et à en dégager en utilisant leur inertie thermique contribue de manière significative à la performance énergétique d’un bâtiment. Cette capacité est due à la ventilation naturelle, qui ne nécessite aucune assistance mécanique, soit à des méthodes actives, comme celles qui consistent à faire pénétrer de manière forcée de l’air ou de l’eau dans des tuyaux ou des conduits coulés dans des dalles en béton. Le concept de l’inertie thermique est expliqué plus en détail à la Section 3.

En pratique, les performances énergétiques visent deux objectifs importants : 1. Réduire le plus possible la quantité d’énergie consommée dans un bâtiment. 2. S’assurer que le bâtiment respecte un niveau de confort thermique adapté à ses occupants. Le béton contribue à atteindre ces deux objectifs dans les bâtiments, comme la Section 3 l’explique de manière détaillée.

la suite (voir le document pdf)

Table des matières

1 Avantages en termes d’économies d’énergie des bâtiments en béton

• La Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments
• Les avantages de la masse thermique
• En quoi le béton peut-il aider à respecter la DPEB ?
• L’utilisation du béton dans les bâtiments est avantageuse pour tout le monde
• Les économies d’énergie s’accumulent au cours de la durée de vie d’un bâtiment
• Les économies d’énergie réduisent de manière significative les émissions de CO2

2 Utilisation efficace de l’énergie dans des bâtiments

• Evaluation de l’utilisation de l’énergie dans les bâtiments
• L’influence du changement climatique
• Les flux d’énergie au sein d’un bâtiment

3 Importance du béton dans la consommation d’énergie des bâtiments

• Fonctionnement de l’inertie thermique
• Mise à profit de l’inertie thermique
• Études relatives à l’inertie thermique

4 La Directive sur la Performance Energétique des Bâtiments

• Les exigences de la DPEB
• Prévision de la consommation d’énergie d’un bâtiment

5 Preuve de l’efficacité énergétique du béton

• Calcul de la performance énergétique théorique
• Les avantages du béton confirmés par l’étude de bâtiments réels

6 Références