Lign2Toit - ademe.fr · • Optimiser l’utilisation des ressources et la gestion des déchets 2 Atelier B1 . ... privés ou publics, administrateurs de biens • La maîtrise d’œuvre

La recherche au service de la transition énergétique

SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai – Paris

Lign2Toit Appel à projets de recherche « vers des bâtiments

responsables à l’horizon 2020 »


SEMINAIRE R&D ADEME – 17/18 mai

Contexte du projet

Enjeux socio-économiques • Besoin : création annuelle de logements estimée à 500 000,

• Difficultés observées :

ü Prix de l’immobilier,

ü Rareté du foncier disponible,

ü Adaptation du transport depuis les zones périurbaines,

ü Règles d’urbanisme….

Enjeux environnementaux • contribuer à l’amélioration de la performance énergétique du parc existant

• Difficultés en milieu urbain dense : accès délicats, maîtrise des nuisances autour du site, durée de chantier,…

• Optimiser l’utilisation des ressources et la gestion des déchets

2

Atelier B1



Lign2Toit : présentation générale

Sujet

Méthode d’analyse pour la faisabilité technico-économique d'une surélévation de bâtiments urbains exploitant les procédés industrialisés

Cadre Appel à projets de recherche « vers des bâtiments responsables à l’horizon 2020 ».

Partenaires • Réseau CTI / MECD, porteur et administrateur du projet

• 4 CTI / MECD : CERIB, CTMNC, CTICM, FCBA

• AETIC : cabinet d’architecture,

• Pouget Consultants : BE Thermique

Convention ADEME (1404C0064) : 28 mois juin 2014/oct.2016

3

Atelier B1



Lign2Toit : présentation du projet

Objectifs • Mettre au point un modèle technico-économique innovant

permettant de faciliter la pratique de la surélévation urbaine à l’aide de procédés industrialisés (« 1D à 3D ») :

ü Création de logements en zones tendues,

ü Amélioration du bilan énergétique,

ü Développement de la capacité à la réutilisation

• Favoriser la prise de décisions (programmation et conception)

• Intégrer les préoccupations environnementales à l’échelle du bâti

• Analyser les solutions possibles d’interfaces entre existant et neuf

• Aboutir à des conceptions applicables au niveau industriel

• Mener une réflexion multi-matériaux.

4

Atelier B1



5

Atelier B1

Cibles :

• La maîtrise d’ouvrage : propriétaires ou copropriétaires, privés ou publics, administrateurs de biens

• La maîtrise d’œuvre : de l’esquisse à la réalisation

• Les entreprises

=> Prise en compte de la faisabilité : ü Liaisons techniques entre existant et extension, ü Impacts énergétiques et environnementaux, ü Conséquences économiques,

Périmètre • Les solutions constructives de la structure et de l’enveloppe

• Les produits et systèmes issus de l’industrialisation

Lign2Toit : présentation du projet



Lign2Toit : contenu du projet

6

Atelier B1

Programme : 5 phases

1) Inventaire approfondi des typologies de bâti existant et des procédés constructifs industrialisés

2) Élaboration de principes d’intégration favorisant l’utilisation de procédés industrialisés

3) analyse de l’industrialisation et de ses impacts

4) analyse des impacts environnementaux, énergétiques et économiques

5) communication et diffusion de résultats



Lign2Toit : phase 1

7

Atelier B1

1 objectif / 2 démarches

établir un inventaire approfondi des typologies constructives des bâtiments existants multi-étagés (résidentiel en zone urbaine dense), et des procédés industrialisés (structure et enveloppe)

Quelle période ?

Quels matériaux constitutifs ? Quelle capacité portante résiduelle ?

Quelles étaient les réglementations applicables à l’époque ?

Quels écarts techniques par rapport à aujourd’hui ?

Inventaire des procédés disponibles sur le marché

Classification par caractéristiques de leurs composants : dimensions, masse, nature des composants, fonction(s),…



Lign2Toit : phase 1

8

Atelier B1

Composition type des systèmes porteurs par période de construction

• murs des façades côté rue

• Murs de façades côté cour

• Présence de refends

• Systèmes poteaux/poutres

Þ Outil de (pré)diagnostic

du potentiel de surélévation

des bâtiments existants

8

p p p



Lign2Toit : phase 1

9

Atelier B1

Description des systèmes constructifs utilisables pour les extensions verticales

catalogue des systèmes constructifs Industrialisés disponibles pour la surélévation

Þ + de 30 fiches tous types

9

constructifs s

ypessssss



Lign2Toit : phase 2

10

Atelier B1

Etude des interfaces

Analyser les interfaces structure et enveloppe pour concevoir des familles de solutions destinées à la surélévation de bâtiments urbains • paramètres critiques de la surélévation : type et localisation des appuis verticaux pour

reprise des charges • types de toitures existantes pour gestion des interfaces • déroulé du chantier en site occupé ou non + accessibilité ou non des engins de levage

structure : nature et composition de l’existant et liens avec les composants industrialisés

enveloppe : modes de liaison avec les supports et entre les revêtements, traitement des ponts thermiques entre ITE et ITI, cohérence esthétique

=> Combinaisons de solutions 1D à 3D pour la surélévation



Lign2Toit : phase 2

11

Atelier B1

Etude des interfaces

Structure (par matériau) Enveloppe

Acier / béton / bois / maçonnerie ponts th° / perméabilité air / fact.solaire



Lign2Toit : phase 2

12

Atelier B1

Références chantiers



Lign2Toit : phase 3

13

Atelier B1

Construction et industrialisation

Analyser les atouts et contraintes de la préfabrication proposée par les diverses filières industrielles de matériaux et composants de construction

=> Évaluer les contraintes temps&moyens entre industrie et projet de construction



Lign2Toit : phase 3

14

Atelier B1

Analyse comparée

Atouts et freins au niveau industriel : vitesse, volume, répétition

Étude de la loi des séries et rentabilité

Confrontation aux séquences des opérations de construction

• Définition de degrés

d’industrialisation sur / hors site

• Étude de cas de séries

• Zoom sur moyens de levage

=> Conséquences métiers 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 100 200 300 400 500 600

Incidence loi de série sur coût unitaire

Pu - série

"artisanale"

Pu - série "1/2

industrielle"



Lign2Toit : phase 4

15

Atelier B1

impacts environnementaux, énergétiques et économiques

Analyse comparée des impacts et des performances suivant 5 scénarii d’intervention • Bâtiment initial

• Bâtiment initial rénové sans surélévation

• Bâtiment initial non rénové avec surélévation

• Bâtiment initial rénové avec surélévation

• Bâtiment initial rénové avec surélévation et photovoltaïque



Lign2Toit : phase 4

16

Atelier B1

Etudes énergétique/environnementale/économique

Existant = 12 situations • 2 typologies faubourien et bâti avant 74

• 2 sources énergie gaz collectif et électricité individuel

• 3 localisations RT nord H1A (Paris), centre H2c, Sud H3 (Marseille)

Extension

• 2 scénarii 1 niveau ou 2 niveaux

• Mixité des solutions association des matériaux et produits

Résultats • énergie Ubat (isolation enveloppes), Cch kWh/m² ep/ef)

• environnement impact CO2 et volume déchets

• économie patrimoine et exploitation => rentabilité comparée



Lign2Toit

17

Atelier B1

Merci de votre attention



Projet ITISO



Les besoins en Isolation Thermique par l’Intérieur en Site Occupé (ITISO)

• Bâtiment : plus gros consommateur d’énergie

2

Coûts de travaux élevés

Nuisances chantier en site occupé

Craintes envers d’éventuelles pathologies

• Un grand nombre de bâtiments non isolés

• L’isolation par l’extérieur (ITE) souvent impossible

• L’isolation par l’intérieur (ITI) comme solution

Les besoins en isolation par l’intérieur

Les principaux inconvénients de l’ITI



Les phases du projet, l’équipe projet

3

Bureau d’études

POUGET Consultants

Architecte

Benjamin GAUTHIER

Entreprise générale de 2nd œuvre

ELIEZ

• Tâche 1 : Etude de marché / préparation commerciale

• Tâche 2 : Développement de solutions ITI standardisées

• Tâche 3 : Choix de produits selon évaluation multicritères

• Tâche 4 : Intégration d’outils informatiques

• Tâche 5 : Charte d’intervention en site occupé

• Tâche 6 : Optimisation et planification chantier

• Tâche 7 : Elaboration du manuel opératoire « méthodologie ITISO »

• Tâche 8 : Transmission de la méthodologie ITISO aux équipes d’intervention

• Tâche 9 : Accompagnement de chantiers ITISO

• Tâche 10 : Diffusion de la méthodologie ITISO



Etude théorique

4

Définition de solutions standardisées :

Identification de situations initiales

Solutions standardisées

Etudes hygrothermiques

Outil d’aide à la décision

Choix de produits



Etude théorique

Démarche commerciale :

-> Constitution d’une plaquette commerciale, développement de démarche commerciale

avec des fabricants

5

Optimisation offre financière et délais:

-> Etudes plannings d’intervention, chiffrage d’une opération ITISO

Utilisation d’outils informatiques:

-> Evaluation de l’utilité d’outils informatiques, cahier des charges d’une application

dédiée

Démarche site occupé:

-> Elaboration d’une charte d’intervention, communication avec les occupants



Classeur ITISO

Fiches opérationnelles :

-> Elaboration d’un classeur

contenant des fiches opérationnelles sur la méthodologie ITISO et le choix de produits

6

Logigrammes d’aide à la décision:

-> Elaboration de logigrammes permettant de choisir les produits les plus adaptés en fonction des situations rencontrées



Expérimentation Visite de site, état des lieux

7

Identification des problématiques sur site:

Pathologies existantes Radiateurs à déplacer Réseaux à déplacer Meubles accolés à la paroi

Chantier expérimental ITISO

-> recherche de chantier actuellement en cours



Projet FaHeBA Estimation du coefficient de transmission thermique des

murs à Façades Hétérogène des Bâtiments Anciens



Partenaires

• ALPHEEIS : gestion, accompagnement des acteurs, diffusion des résultats, valorisation des travaux

• CERTES : R&D laboratoire, mesures in situ

• Maisons Paysannes de France : mise à disposition de bâtiments anciens, documentation pour les bureaux d’études

• FLIR : caméra IR hautes performances, mesures in situ

17 mai 2016 2



Contenu de l’exposé

• Présentation de FaHeBA

• Typologie bâtiments anciens

• Pré etude numérique

• Mesures sur site

• Méthodes de détermination Umur

• Thermographie comparative

17 mai 2016 3



Enjeux et contexte

• Regain d’intérêt pour le bâti ancien • Grenelle de l’environnement (rebaptisé plan bâtiment

durable) et bâtiments anciens • Deux contraintes en vis-à-vis : Efficacité énergétique et

préservation du patrimoine • Application de méthode non destructive sur des murs

de bâtiments anciens à façade et structure hétérogène telles que colombages ou autres

• Importance accordée à cette thématique au niveau européen: Projet 3ENCULT

17 mai 2016 4



Objectifs

• Apporter une aide à la détermination du coefficient de transmission surfacique avec des mesures par caméra infrarouge et modèles d’estimation de paramètres.

• Produire des outils destinés aux professionnels du diagnostic et de l’audit de bâtiments anciens • outils complémentaires permettant d’établir de manière rapide

des diagnostics thermiques non destructifs

17 mai 2016 5



Méthode

• Appréhender le comportement thermique des murs de façade hétérogènes et développer des modèles théoriques adaptés • caractérisation des façades des bâtiments anciens

• études numériques et modélisations de ce type de façades

• définition d’un protocole de mesure adapté et des mesures in

situ.

• Développer une méthode de détermination rapide du coefficient de transmission thermique du mur

• Rédiger un cahier de recommandation à l’usage des

professionnels.

17 mai 2016 6



Analyse des typologies des murs et des façades hétérogènes des bâtiments anciens

• Analyse bibliographique

• Caractérisation des murs de bâtiments anciens : • matériaux, mise en œuvre, période,

type de logement, localisation,

caractéristiques thermiques

17 mai 2016

7



Analyse des typologies des murs et des façades hétérogènes des bâtiments anciens

• Etude du pan de bois • éléments constitutifs, caractéristiques géométriques,

comportement thermique (λ, Cp, U, R, etc.)

• Proposition de modèle de façade à pan de bois

17 mai 2016

8



Différentes techniques de construction de murs à colombages

17 mai 2016

9

Exposition mur à colombages Musée du Lac de Der



Pré étude numérique

17 mai 2016

10

• Définition des surfaces d’étude




17 mai 2016

11

Matériau Conductivité

W/m.K

Masse volumique

Kg/m3

Chaleur massique

J/Kg.K

Enduit extérieur 1.15 1900 1000

Torchis 0.15 400 1000

Bois (pans et

sablières)

0.25 800 1600

Bois (lattis) 0.15 450 1600

Enduit intérieur 0.04 300 1000

Caractéristiques thermophysiques des matériaux du mur en colombage

Maillage COMSOL du mur à colombage

• Code COMSOL




17 mai 2016

12

données météorologiques Créteil 24 au 26 janvier 2013. Text, Ta : températures d’air Extérieure et

intérieure. Gv : Flux solaire global sur plan vertical.

• Simulations COMSOL




17 mai 2016

13

Thermogramme simulation mur à colombage le 26 janvier 2013

• Résultats COMSOL




17 mai 2016

14

Gradients intérieur extérieur à mi-hauteur du mur (Type1)

Ecarts entre les gradients de températures de surface intérieures extérieures à mi-hauteur et sablière (Type 1)

• Résultats COMSOL : Evolution des gradients intérieur extérieur




17 mai 2016

15

Trois types de Hourdis de murs

2

2

T Ta

x t

¶ ¶=

¶ ¶ t 1 t 1 t 1 t

n 1 n-1 n n

1 2 (T T ) (1 ) T T

M M

+ + ++- + + + =

t a

x M

2

DD

=

• Modèle aux différences finies



Mesures in situ

17 mai 2016

16

Thermopuce Waranet Lecteur thermopuce en USB

• Matériel utilisé



Mesures in situ

17 mai 2016

17

Feuille d’aluminium froissée

Mesure de la

température moyenne

sur la surface du cercle

EMISSIVITE

=1

Méthode ASTM : utilisation d’un panneau

d’aluminium froissé et défroissé.

• Matériel utilisé



Mesures in situ

17 mai 2016

18

Matériau Epaisseur

cm

Plâtre 19

Bois (pans et

sablières)

19

Enduit

intérieur

Isorel

1

Composition du mur

Maison Vermeulen Rouen



Mesures in situ

17 mai 2016

19

Importance thermographie pour les façades hétérogènes



Mesures in situ

17 mai 2016

20

Thermogrammes Rouen janvier 2015



Méthodes de détermination Umur

17 mai 2016

21 R. Danjoux




17 mai 2016

22 h = 4 + 4 v; v(m/s) [RT 2012]




17 mai 2016

23

Uh_m Uh_th Ub_m Ub_th

0.61 0.89 0.61 0.61

Coefficient U in situ Rouen 28/01/2014



Mesures in situ

17 mai 2016

24 Paris Historique (Rue François Miron) 09/02/2015



Mesures sin situ

17 mai 2016

25 Campagne 2016 : Paris Historique




17 mai 2016

26




17 mai 2016

27

Uh_m Uh_th Ub_m Ub_th

0.48 0.89 0.43 0.61



Thermopuces Paris Historique

17 mai 2016

28



Thermopuces Paris Historique

17 mai 2016

29



Estimation de paramètres

• Méthode Levenberg Marquardt (moindres carrées non linéaire)

• Combinaison méthode du gradient et du Hessien • Critère d’estimation : minimalisation différence entre

gradient T° surfaces intérieure extérieure théoriques et mesurés

17 mai 2016

30

b=

é ù= -ë ûå2

mesure, estimation, 1

( )J

j jj

S T T



Estimation Paris 2015

17 mai 2016

31

e1 th = 21.5 cm k1 th = 0.80 W/m.K k2 th = 0.15 W/m.K

durée e1 (De1) cm h1 (Dh1)

W/m2.K

h2 (Dh2)

W/m2.K

a (Da)

09-02 15 16.08 (2.1) 3.6 (0.4) 6.5 (0.4) 0.19 (0.02)

durée k1 (Dk1)

W/m.K

h1 (Dh1)

W/m2.K

h2 (Dh2)

W/m2.K

a (Da)

09-02 15 0.76 (0.17) 14.50 (3.40) 8.06 (0.45) 0.20 (0.07)

durée k1 (Dk1)

W/m.K

k2 (Dk2)

W/m.K

h1 (Dh1)

W/m2.K

h2 (Dh2)

W/m2.K

a (Da)

09-02 15 0.80 (0.19) 0.20 (0.18) 15.76

(4.00))

8.26 (0.97 0.10 (0.07) Résidus estimations mesures



Thermographie comparative

17 mai 2016

32

R. Danjoux

C’est l’association anglaise de thermographistes, UK Thermography Association, qui a suggéré ces facteurs. BRE IP 17/01

• Index thermique avec référence à la surface



Thermographie comparative

17 mai 2016

33

TSI ref =17.5 TSO Ref = 7.2 TSO Ano = 8.2

FSO = 8.2 – 17.5/7.2-17.5 = 0.90

• Index thermique - Rouen 28/01/2015



Thermographie comparative Index thermique Paris Historique

17 mai 2016

34

TSI ref =18.4 TSO Ref = 10.7 TSO Ano = 11.2

TSO ref =10.7 TSI Ref = 18.4 TSI Ano = 17.9

FSO = 11.2 – 18.4/10.7-18.4 = 0.935 FSI = 17.9 – 10.7/18.4-10.7 = 0.935

• Index thermique avec référence à la surface



Travaux futurs

• Estimation de paramètres

• Traitements statistiques des données

• Mesures sur site hiver prochain ?

• Explorer possibilité de tester un bâtiment en régime quasi permanent

17 mai 2016

35



Merci de votre attention

17 mai 2016

36

La R&D et l’innovation au service de la transition énergétique

SEMINAIRE ADEME – 17/18 mai – Paris

PROJET COMANCHE


SEMINAIRE ADEME – 17/18 mai

Pourquoi COMANCHE ?

Des engagements en matière d’environnement et d’efficacité énergétique :

• 2020 Logements neufs à énergie positive (BEPOS)

-38 % des conso. énergétiques du parc bât. (par rapport à 2005)

• 2050 -75 % des émissions de GES (par rapport à 1990)

Directive européenne F-gas :

• Enjeux sur les fluides frigorigènes

à Enjeux sur le développement des technologies thermodynamiques

Des besoins marché en chauffage, climatisation, eau chaude sanitaire :

• Logement collectif et Tertiaire

• Neuf et rénovation

2



Une technologie qui permet de répondre à ces attentes et exigences :

• Très haute performance énergétique

• Part importante d’EnR

• CO2 : fluide naturel, non toxique, non inflammable

Pourquoi COMANCHE ?

3

COP / PCI 200%

Une chaudière thermodynamique

Compression thermique

Une rupture technologique

Deux technologies éprouvées

COP 2 à 5

107% PCI

Fusion d’une CHAUDIERE

et d’une POMPE A CHALEUR



Présentation du projet COMANCHE

Le consortium :

• GRDF : distributeur de gaz naturel (coordinateur)

• boostHEAT : développeur et détenteur de la technologie

• LaTEP : laboratoire de thermique énergétique et procédés de l’Université de Pau

• CRIGEN, centre de recherche et d’expertise opérationnelle d’Engie

4



Présentation du projet COMANCHE

COMpresseur thermique gAz Naturel au Co2 et à Haute Efficacité

• Développement d’un compresseur thermique

• Destiné à être intégré dans une Pompe à Chaleur (PAC) au CO2

NB : hors périmètre COMANCHE

5



Point d’avancement du projet COMANCHE

6

Juil. 2014 – Spécifications et positionnement technico-économique de la solution complète Oct. 2014 – Définition et validation de l’architecture générale de la chaudière Déc. 2014 – Finalisation choix composants et dimensionnement, conception du compresseur Juin 2015 – Fin de la fabrication des pièces et approvisionnement compresseur Août 2015 – Fin assemblage du premier prototype complet de la chaudière au laboratoire Nov. 2015 – Phase de test et mise au point laboratoire, 1er banc d’essai opérationnel

-----

4 bancs d’essais supplémentaires au Centre R&D de boostHEAT : • 2 bancs d’essais compresseur : performance et endurance • 2nd banc dédié régulation et sécurité • Banc d’essais unité extérieure : chambre climatique Seront complétés par des moyens d’essais CRIGEN (essais normalisés de perf.)



7

Exi

gé

Sou

hait

é

Encombrement Encombrement réduit X

Installation Extérieur X

Configuration

• 2 versions :

– réversible (production de froid incluse)

– non réversible (chauffage uniquement)

• Vecteur eau prioritaire

• 100 % des besoins de chauffage et d’ECS couvert par le syst.

• PAC + appoint (selon étude)

X X X

X X

Puissance produit final 50 kW (bi-compresseurs) X

Perf. attendues

Chauffage A++ (hs>125 % PAC hors BT ; hs>150 % PAC BT)

A+++

X

X

Froid COP sur PCI (froid) > 1,3 (vecteur air ou eau) X

ECS COP sur PCI = 2,5 (7°C /55°C) montée ECS 10 à 55 °C X

Extrait des spécifications du produit final



8

Exi

gé

Sou

hait

é

Puissance max. auxiliaires Point d’attention pour respecter le niveau A++ ERP lot 1, bon

positionnement RT 2012 X

Conditions extérieures de fonctionnement

jusqu’à – 20 C X

Modulation de puissance 50 – 100 %

25 - 100 %

X

X

Schéma hydraulique Tout type d’installation X

Maintenance Simple, sans intervention sur le cycle X

Exigence directive équipement sous pression

Cf. DESP car CO2 sous pression X

Sécurité personnes et biens Même niveau que pour les chaudières X

Durée de vie > 10 ans

> 15 ans

X

X

Certification CE, NF PAC X

Extrait des spécifications du produit final



Résultats de l’analyse technico-économique

9

• Phase 1 – Modélisation des performances de la solution

• Phase 2 – Implémentation de la macro dans l’outil du CRIGEN

Tableau : Comparaison des rendements* moyens sur Ep en mode chauffage seul

COMANCHE Chaudière à

condensation PAC électrique

Nancy 191 % 101 % 109 %

Trappes 201 % 100 % 113 %

La Rochelle 210 % 100 % 119 %

Nice 224 % 100 % 124 %

* Les rendements incluent les pertes totales (distribution, émission). La prise en compte des pertes conduit à majorer les rendements pour le besoin de chauffage brut du bâtiment de 16% environ.



Les grandes étapes à finaliser et à mener

• Caractérisation du compresseur n°1 sur banc et caractérisation du circuit CO2

• Test pilotage moteur sur compresseur n°1

• Conception du couplage bi-compresseurs : assemblage et régulation

• Réalisation et mise au point du prototype bi-compresseurs

10

L’après COMANCHE

• OBJECTIF – Répondre aux exigences réglementaires et aux attentes marché

• « COMANCHE 2 » – Intégrer le compresseur au cycle thermodynamique

• Mettre la technologie sur le marché : logement collectif, tertiaire (neuf et rénovation)

Documents

Lign2Toit - ademe.fr · • Optimiser l’utilisation des ressources et la gestion des déchets 2 Atelier B1 . ... privés ou publics, administrateurs de biens • La maîtrise d’œuvre