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Habitat : comment diminuer la facture d'énergie ?

En France, le secteur du bâtiment compte aujourd'hui pour près de la moitié de notre consommation d'énergie. S'inspirant des pays nordiques, mais aussi de quelques principes de bon sens, les chercheurs du CSTB cherchent les solutions pour diminuer la facture, dans le neuf comme dans l'ancien.

Prototype - la Bonne MaisonRéalisée à l'initiative du photographe Yann Arthus Bertrand, La Bonne Maison est un prototype d'architecture à très faible empreinte écologique, déclinée pour le grand public sous le label Maison du bon sens. Voir la vidéo sur Youtube
© Agence Coste Architectures

En cent ans, la température moyenne de notre planète s’est élevée de 0,7 °C, celle de la France de 1 °C. Mais d’ici à la fin du siècle, si nous ne faisons rien, elle grimpera probablement de 2 à 4 °C à l’échelle mondiale, avec toute une série d’impacts négatifs. Or la majorité de la communauté scientifique s’accorde à dire que ce réchauffement vient surtout des gaz à effet de serre (GES) que l’humanité rejette en consommant du pétrole, du gaz ou du charbon. Les pays industrialisés se sont donc engagés à réduire leurs émissions de GES - la raréfaction du pétrole, et la flambée conséquente de son coût, constituant un argument supplémentaire. En Europe, on souhaite ainsi les diviser par quatre. Ce qui suppose de gros efforts en termes de consommation d’énergie, notamment dans le bâtiment…

"Le secteur du bâtiment représente 40 % de la consommation d’énergie en France," précise Daniel Quenard, qui travaille au Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), l’établissement public de référence pour la recherche et l’expertise dans le secteur de la construction et du logement. Spécialisé dans la physique des matériauxau département Enveloppes et revêtements, il rappelle que "le bâtiment produit ainsi 20 % des émissions de GES." Cette consommation provient pour les deux tiers des logements, le reste étant dû aux bureaux, écoles, commerces et autres infrastructures du secteur tertiaire. Et le chauffage y compte pour 69 % de la facture ! Or si l’on prend exemple sur les pays nordiques, il y a de ce côté un gros potentiel d’économies : c’est ce qui ressort d’une comparaison internationale menée par le CSTB, dans le cadre du grand programme national de recherche et d’expérimentation sur l’énergie dans le bâtiment (PREBAT).

Schéma - Perte de chaleur dans une maisonDéperdition moyenne de chaleur pour une maison construite avant 1975, non isolée. En hiver, les parois non isolées, comme les murs et les fenêtres, sont froides par "contact" avec l’air extérieur ; en été, elles sont chaudes. Une bonne isolation supprime ce phénomène et offre, à température égale, un plus grand confort.
© ADEME/Graphies


Aujourd’hui, le PREBAT soutient donc plusieurs projets
, pour dépenser moins d’énergie à chauffer nos logements. Il s’agit d’abord de limiter les pertes de calories au niveau du toit, des murs, des planchers ou des vitrages (partie 1), et d’améliorer le comportement thermique des matériaux (partie 2). Mais aussi d’optimiser la ventilation (partie 3), le renouvellement de l’air n’étant plus suffisant dans un logement bien isolé. Depuis 2005, ces priorités sont mises en avant par 250 bâtiments avec le soutien du PREBAT (partie 4). Objectif : Servir d’exemple.

01.Limiter les fuites

Schéma - Principe du pont thermiqueLa barrière isolante peut être rompue, créant des ponts thermiques. Ces derniers se situent généralement aux points de jonction des différentes parties de la construction : nez de planchers, linteaux à la périphérie des ouvertures, etc. Une isolation bien conçue permet de minimiser ce phénomène.
© ADEME/Graphies
"Dans un logement ordinaire, des fuites d’air, il y en a partout,"
souligne Daniel Quenard. Les pertes de chaleur en hiver, ou de fraîcheur en été, se répartissent ainsi entre le toit (30 %), les murs (25 %), les conduits de ventilation (20 %), les vitres (13 %), le sol (7 %) et les ponts thermiques (5 %), c’est-à-dire des zones où le pouvoir isolant de l’enveloppe d’un bâtiment est diminué. Comme le fait remarquer D. Quenard, "c’est particulièrement vrai pour les bâtiments construits avant 1975, car il n’existait aucune réglementation thermique : la consommation moyenne d’énergie peut y dépasser les 400 kWh/m2/an," contre une moyenne nationale d’environ 240 kWh/m2/an ! C’est donc avant tout pour ces bâtiments, soit près de 60 % du parc immobilier français, que le CSTB cherche aujourd’hui des solutions techniques. Tout en continuant de travailler sur le neuf, où la réglementation thermique a considérablement fait baisser la consommation : elle s’échelonne classiquement entre 130 et 250 kWh/m2/an, mais peut descendre jusqu’à 50 kWh/m2/an, voire moins…

La première des solutions consiste naturellement à renforcer l’isolation. Et de fait, de gros progrès ont déjà été réalisés depuis une quinzaine d’années : la conductivité thermique des isolants traditionnels (laine de verre, laine de roche, polystyrène, etc.) a en effet baissé d’environ 20 %. Reste qu’avec ces matériaux, la seule manière de gagner encore en pouvoir isolant consiste à accroître leur épaisseur : pour faire descendre la consommation aux alentours de 50 kWh/m2/an, il faut aller vers 40 cm d’isolant sous le toit, et passer de 10 cm, épaisseur actuelle, à 20 cm pour les murs. Or, dès qu’il s’agit de rénover, cela pose de sérieux problèmes. "Imaginez que vous habitiez un vieil immeuble haussmannien, commente D. Quenard, comme vous ne pouvez l’isoler que de l’intérieur, les kilowatts sont alors gagnés au détriment de la surface habitable ! " Pour résoudre ce dilemme, plusieurs alternatives. On peut changer le gaz isolant qu’on place généralement dans les matériaux par un autre gaz moins conducteur : par exemple l’air contenu entre les deux vitres d’un double vitrage est désormais remplacé par de l’argon. On peut aussi diminuer la mobilité du gaz en l’emprisonnant dans des cavités de taille nanométrique, ce qui l’empêche de conduire le froid ou la chaleur d’une paroi à l’autre : c’est l’approche aujourd’hui développée dans de nouveaux panneaux super-isolants, conçus sous vide. Ces panneaux, testés dans le projet Ecosil, peuvent réduire d’un facteur 4 à 5 l’épaisseur de la couche d’isolant.

Autre point noir de l’isolation : les ponts thermiques. Ces zones de rupture de la coBalcons avec console en bétonBalcons désolidarisés. Ici, des consoles en béton sont fixées dans la continuité des refends. La partie horizontale des balcons (béton, bois ou autre) repose sur ces consoles et est désolidarisée de la façade. Il est alors possible de prolonger l'isolation au droit du balcon. Les ponts thermiques sont limités à cet endroit.
© Groupe Mur Manteau (G2M)
uche isolante se situent aux jonctions entre les différentes parties d’une construction : au niveau des linteaux placés au-dessus des ouvertures, des balcons, de la liaison entre la dalle et les murs, les murs et le toit, etc. On peut considérablement réduire leur nombre, en veillant justement à assurer la continuité de l’isolation thermique. Par exemple, en isolant de l’extérieur, plutôt qu’à l’intérieur, comme on le fait depuis longtemps dans les pays nordiques. L’approche tend aujourd’hui à se développer en France. Autre exemple : installer des balcons désolidarisés de la construction, comme on le voit dans quelques projets d’architectes (les balcons sont portés par d'autres structures porteuses, lesquelles prennent appui sur la façade). Ou encore, utiliser des rupteurs de ponts thermiques, c’est-à-dire des enduits ou un matériau qui, placés dans les zones sensibles, peuvent limiter les déperditions de chaleur. Quelques-uns, fabriqués en Allemagne, sont d’ores et déjà sur le marché. D’autres devraient être commercialisés sous peu. Et le CSTB veille de près à ce qu’ils respectent toutes les normes de sécurité : "Il s’agit en effet de vérifier que ces procédés ou systèmes ne rendent pas le bâtiment moins résistant, explique D. Quenard, que ce soit face au feu, au bruit ou aux risques sismiques."


02.Améliorer le comportement thermique

Le Micronal®, un matériau à changement de phaseLe Micronal® PCM de BASF est un exemple de matériau à changement de phase. Destiné aux fabricants de peintures et de plaques de plâtre, il se présente sous la forme de microbilles de polymère contenant de la cire (observées ici au microscope). Quand la température augmente, la cire absorbe la chaleur et la stocke ; quand elle diminue, elle la restitue.
© Press photo BASF - The Chemical Company, 2006
Qu’on utilise de la laine de roche, de la laine de verre, du chanvre, de l’ouate de cellulose ou n’importe quel autre isolant, la tendance est peu ou proue la même : si le logement devient étanche à l’air, il n’est en revanche pas capable de "conserver" aussi bien la chaleur ou la fraîcheur que le permettent les vieux murs en pierres… Du coup, au CSTB, on teste aussi de nouveaux matériaux, capables de restaurer cette inertie thermique lors d’un changement d’état physique : par exemple au passage d’une phase liquide à une phase solide ou inversement. "Ces matériaux, aujourd’hui à base de paraffine, jouent en quelque sorte un rôle de pare-choc thermique," explique Daniel Quenard. Quand la température grimpe au-delà de 22 °C, pendant la journée, la paraffine absorbe la chaleur, ce qui la fait fondre. Mais dès que le thermomètre redescend, la paraffine durcit : elle retrouve alors son état physique initial, ce qui l’amène à restituer la chaleur qu’elle avait prise à l’air. On appelle cela des matériaux à changement de phase.

Se présentant sous forme de panneaux de construction rigides, ces matériaux - qui pourraient remplacer la classique plaque de plâtre - sont aujourd’hui sur le marché. Leur but est d’amortir les variations de températures dans les constructions actuelles, où précisément, l’inertie thermique est mauvaise : c’est le cas des ossatures bois ou acier, ou encore des maisons traditionnelles isolées de l’intérieur. Cela ne présente pas seulement un intérêt en hiver, mais aussi en été : d’après les tests du CSTB, en période de forte surchauffe, ces panneaux peuvent limiter la hausse de température de 3 à 5 °C.

Dans le même registre, le projet Inertrans s’intéresse à des matériaux associant inertie et isolation, tout en laissant Schéma - Double vitrage isolantLe double vitrage (deux verres emprisonnant une lame d’air) réduit l’effet de paroi froide et diminue les condensations et les déperditions thermiques. Dans le double vitrage à isolation renforcée (VIR), une fine couche transparente peu émissive (généralement à base d’argent) est déposée sur une des faces du verre (côté lame d’air), et agit comme un bouclier supplémentaire.
© ADEME/Graphies
passer de la lumière. L’idée n’est pas de mettre au point une nouvelle sorte de vitrage. "Il s’agit de laisser pénétrer la lumière de façon diffuse, juste pour profiter de l’éclairement, tout en ayant une enveloppe isolante et plus ou moins capable de réguler les variations de température," souligne D. Quenard. Comment ? Avec des briques de verre dans lesquelles l’air est remplacé par un matériau à changement de phase, pour stocker et réémettre de l’énergie. Le tout, associé à un aérogel, qui, en piégeant l’air confère aux briques un fort pouvoir isolant. Mais pour l’heure, ces briques en sont encore au stade de la recherche.

Les vitrages font d’ailleurs l’objet de recherches tous azimuts, que ce soit pour limiter les réchauffements dus au rayonnement en été, ou les pertes de calories en hiver. Côté thermique, les efforts ont jusqu’ici consisté à augmenter l’épaisseur d’air, puis à le remplacer par un gaz moins conducteur de type Argon. Et pour éviter l’effet de paroi froide, on a aussi recouvert l’intérieur du verre d’un fin film d’argent ou d’oxyde métallique qui joue le rôle de barrière thermique. Au final, du simple au triple vitrage, le coefficient de déperdition thermique est passé d’environ 6 à 0,8 W/m²/°C. Mais les chercheurs planchent sur des fenêtres encore plus performantes. Au CSTB, on travaille ainsi sur des fenêtres intelligentes optimisant non seulement l’éclairage, les déperditions thermiques, mais aussi l’acoustique et la ventilation : c’est l’objectif du projet Actifen-Réhab, qui a démarré en mai 2007 et doit s’étaler sur trente mois.


03.Étanche mais bien ventilé

Quand un logement devient 100 % étanche, l’air n’y est plus renouvelé. Or, comme le souligne Jean-Jacques Akoua, du département Énergie, santé et environnement du CSToits de ParisToitures dans Paris.
© PhotoAlto / Michael Mohr / Getty
TB, "la ventilation d’un logement est vitale". L’air neuf nous apporte l’oxygène indispensable à notre respiration et au bon fonctionnement de nos appareils à combustion. Et la ventilation nous permet d’éliminer l’excès d’humidité et tous les polluants issus des produits d’entretien, du bricolage, de la cuisine, etc. D’ailleurs, le problème est depuis longtemps pris au sérieux par les autorités. Les premières normes de ventilation ont été créées à Paris en 1937, et leur principe généralisé à toute la France en 1955. En 1969, la ventilation est finalement devenue une obligation. L’entrée d’air est alors assurée par des grilles de ventilation dans les pièces de vie, et l’extraction d’air par un deuxième jeu de grilles dans les pièces de service (cuisine, WC, salle de bains), ou par des conduits verticaux débouchant sur le toit. Cette ventilation, dite naturelle, fonctionne surtout grâce au tirage naturel induit par les effets du vent et par les différences de températures entre l’air intérieur et l’air extérieur. Mais ces deux phénomènes naturels sont difficilement maîtrisables : la ventilation naturelle devient parfois insuffisante, surtout en mi-saison et pendant l’été, ou au contraire être excessive comme pendant les périodes très froides de l’hiver. Elle peut dans ce dernier cas faire grimper la facture d’énergie. Depuis une vingtaine d’années, on a donc mis au point des systèmes de régulation.

Dans le collectif, on fait appel à des extracteurs aux débouchés des conduits d’extraction d’air pour mieux maîtriser les effets du vent. On a aussi recours à la ventilation naturelle assistée. Lorsque le tirage naturel est insuffisant, pendant la mi-saison par exemple, on ajoute un ventilateur motorisé pour mieux extraire l’air. "Ces systèmes ont pour eux d’être économiques et faciles à mettre en œuvre," note J.J. Akoua. Reste qu’ils renouvellent l’air intérieur avec de l’air froid, d’où une déperdition de chaleur importante. Pour pallier cet inconvénient, des systèmes de double flux ont été mis au point : deux ventilateurs motorisés (le premier aspire l’air vicié, l’autre l’air neuf) sont équipés d’un échangeur de chaleur qui récupère les calories de l’air extrait pour réchauffer l’air entrant. L’économie en chauffage est d’environ 15 %, par rapport à une ventilation mécanique classique. Mais leur installation peut poser problème, en raison de l’encombrement des conduits d’extraction et de soufflage d’air…

"En rénovation, la solution consiste souvent à faire passer les gaines dans des faux plafonds, commente J.-J. Akoua, mais ce n’est pas toujours possible." Le CSTB et d’autres partenaires du projet PREBAT se penchent donc aujourd’hui sur des systèmes alternatifs, dans lesquels il n’y a plus un moteur centralisé pour aspirer et extraire l’air, mais plusieurs petits moteurs à distribuer dans les différentes pièces d’un logement. Sont ainsi étudiés sous toutes les coutures des systèmes double flux commercialisés en Allemagne, et installés dans l’épaisseur des murs. Mais le CSTB mise aussi sur d’autres systèmes, qui pourraient être intégrés aux châssis des fenêtres, pour une ventilation pièce par pièce : "L’idée est d’exploiter au maximum le trou de la fenêtre, plutôt que de percer des entrées supplémentaires et de tirer tout un réseau de conduits," explique D. Quenard. De tels systèmes seront évidemment plus faciles à mettre en œuvre que les actuels double flux centralisés : on fait l’économie de ces conduits dont le diamètre dépasse les 15 cm ! Un atout quand on sait qu’un double flux mal installé peut conduire à des résultats opposés à ceux qui sont recherchés : par exemple des entrées d’air pollué, ou encore une surconsommation d’énergie par manque d’isolation préalable…


Principe de la ventilation double fluxLe principe de la ventilation double flux avec échangeur thermique : réchauffer l’air neuf introduit dans le logement en récupérant la chaleur de l’air évacué. L’échange de chaleur est réalisé sans mélange des masses d’air, à travers des conduites d’entrée et de sortie qui se croisent dans un caisson de ventilation équipé d’un "échangeur à plaques".
© EDIF - ARENE 2007

Dans les faits, un logement bien isolé et mécaniquement ventilé est environ quatre fois plus économe en énergie que le même logement mal isolé et uniquement ventilé par des grilles d’entrée et de sortie d’air. Reste qu’il faut tout de même de l’électricité pour faire tourner les moteurs des ventilateurs : leur consommation s’échelonne de 400 et 1 700 kWh/an. C’est pour cette raison qu’à Bed Zed, un écoquartier de la banlieue ouest de Londres, on a misé sur une ventilation naturelle assistée et améliorée par un échangeur de chaleur : les courants d’air chaud sortant réchauffent les conduits d’air entrant, simplement en les croisant. Mais pour l’heure, en France, ce type de ventilation peine encore à s’installer ailleurs que dans des projets expérimentaux…


04.Déjà 124 projets et 269 bâtiments…

Projet Prebat – rue Myrha – Paris 18eLe projet de la rue Myrha, soutenus par le PREBAT, devrait être livré en 2010. Il s'agit de huit logements sociaux, qui seront situés dans le 18eme arrondissement de Paris. Ici, une vue en perspective depuis la cour qui séparent les deux bâtiments.
© Château Cyborg / Atelier Pascal Gontier
Telles sont les données avancées lors du dernier colloque PREBAT
qui s’est tenu à Perpignan en juin 2008. Ces 124 projets, soutenus par le PREBAT, ont tous pour ambition de montrer l’exemple : il s’agit d’inciter les maîtres d’ouvrage et les maîtres d’œuvre à obtenir de hautes performances énergétiques dans la con
struction ou la rénovation de bâtiments. En pratique, 70 % d’entre eux concernent le secteur résidentiel. Avec des objectifs de consommation d’énergie qui s’échelonnent entre 50 kWh/m²/an dans le neuf (75 % des projets) et 80 kWh/m²/an dans la rénovation. On y compte actuellement environ 180 maisons (dont 150 en lotissement) et 940 logements collectifs.

Parmi ces projets, huit logements sociaux vont être construits dans le XVIIIe arrondissement de Paris, rue Myrha. Leurs performances énergétiques s’approchent du label allemand Passiv'Haus, qui impose une consommation en chauffage inférieure ou égale à 15 kWh/m2/an. Répartis sur deux bâtiments que sépare une cour, ces appartements sont isolés par l’extérieur, avec au minimum 25 cm de laine de chanvre. Ils profitent au maximum de l’éclairage naturel, sans pour autant perdre trop de calories par leurs ouvertures. En effet, le point faible de leurs fenêtres à triple vitrage, d’un point de vue thermique, vient des cadres et montants : on a donc opté pour un nombre restreint de grandes surfaces vitrées, plutôt qu’un grand nombre de petites fenêtres. Qui plus est, on a privilégié les baies fixes aux fenêtres qui s’ouvrent, ce qui restreint encore les déperditions de chaleur : il peut en effet y avoir des fuites d’air au niveau des joints. Quant à la toiture, elle est équipée côté Sud de panneaux solaires thermiques permettant de produire de l’eau chaude. Enfin, tous les logements sont équipés d’une ventilation mécanique double flux.

Dans la banlieue de Lyon, un autre projet, privé, s’inscrit aussi dans la démarche du label Passiv'Haus : la réhabilitation d’une maison traditionnelle de 190 m² construite en 1953. Son objectif : diminuer les besoins de chauffage de 264 kWh/m2/an à 19 kWh/m2/an. Pour y parvenir, l’architecte a isolé les façades par une ossature bois remplie de 20 cm d'ouate de cellulose, et recouverte de panneaux de fibre de bois enduits et crépis. L’isolation des dalles du rez-de-chaussée et des combles non habitables a également été revue, isolées de respectivement 10 et 35 cm d'ouate de cellulose. Quant aux ouvertures, le simple vitrage a été remplacé par du triple vitrage. Toute l’étanchéité de la maison a par ailleurs été vérifiée pour corriger les fuites : il fut ainsi décidé de supprimer des balcons, un escalier extérieur et des conduits de cheminées, zones de ponts thermiques importants. Enfin, la maison est équipée d’une VMC double flux, de panneaux solaires thermiques (3 m²) et photovoltaïques (16 m²). Et avec cet aménagement, les propriétaires entendent bien se passer de chauffage…

Rénovation - Maison passiveLes propriétaires de cette maison, située à Caluire, avaient dès l'acquisition des objectifs précis : l'aménager pour la rendre plus agréable dans sa relation avec son environnement, son jardin, ses vues, et surtout la transformer en maison à très basse consommation énergétique en utilisant les principes de la Maison Passiv. Photo : pose de l'isolant (fibre de bois) par l'extérieur.
© Detry & Levy
Dans le neuf cette fois, on compte plusieurs maisons construites en préfabriqué sur les principes du label allemand. Telle celle réalisée par un entrepreneur normand à Amiens. Bien que d’une surface de 160m2, il n’a fallu qu’une journée pour monter ses murs, sa charpente, sa couverture, et ses menuiseries. Ses matériaux : du bois pour l’ossature, du polystyrène pour l’isolation de la dalle (25 cm) et de la ouate de cellulose pour l’isolation de la toiture et des murs (resp. 40 cm et 35 cm). Des triples vitrages viennent compléter ce dispositif isolant. Les besoins en chauffage sont ainsi réduits à 14 kWh/m²/an : ils sont assurés par une pompe à chaleur couplée à une VMC double flux, des panneaux solaires se chargeant de l’eau chaude.

Naturellement, tous ces équipements ont un prix : construire une maison très basse énergie revient 5 à 15 % plus cher qu’une maison traditionnelle, selon les solutions techniques retenues… Mais en divisant la note de chauffage par 2 ou 3 dans le neuf, par 6 à 8 lors d’une rénovation, l’investissement génère des économies dès la première année. Et comme le soulignent les experts de l’Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME), si l’on emprunte pour financer les travaux, les économies annuelles peuvent s’avérer supérieures au montant des annuités à payer pour rembourser le crédit. Ces constructions devraient donc faire des émules…


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