Fiche de révision : Introduction aux principes énergétiques et climatiques

📋 Plan du Cours

1. Classifications climatiques
2. Cadre énergétique et réglementaire
3. Température, chaleur et unités
4. Transmission thermique des parois
5. Ventilation et étanchéité à l’air
6. Déperditions aérauliques et récupération
7. Apports internes et éclairage
8. Apports solaires par les vitrages
9. Inertie thermique et degrés-heures
10. Confort et vecteurs énergétiques

📖 1. Classifications climatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Carte de Köppen-Geiger : Une classification mondiale du climat qui découpe la surface terrestre en zones colorées à partir de données mesurées de température et de précipitations.
• Code Köppen à 2 ou 3 lettres : Une notation des climats composée de lettres qui résument le type climatique, le régime des pluies et, si applicable, une information thermique.
• Lettre de type climatique : La première lettre du code Köppen indique la grande famille de climat selon le niveau général de température (tropical, aride, tempéré, continental, polaire).
• Régime des précipitations : La deuxième lettre du code Köppen décrit la répartition des pluies, notamment précipitations régulières, été sec ou hiver sec, ou climat désertique/steppe.
• Troisième lettre thermique : Une troisième lettre optionnelle précise le niveau de température pour les climats de type C et D via des catégories comme été chaud, tempéré ou frais.

📝 Points essentiels

• La carte de Köppen classe les climats avec des critères mesurables : températures moyennes mensuelles et précipitations annuelles et saisonnières.
• Le code Köppen utilise 2 ou 3 lettres : la 1re donne le type de climat global, la 2e le régime des précipitations, et la 3e (quand elle existe) complète la température pour C et D.
• Pour la 1re lettre, A correspond aux climats équatoriaux/tropicaux, B aux climats arides, C aux tempérés, D aux continentaux, E aux polaires.
• Pour la 2e lettre, f signifie précipitations régulières, s été sec, w hiver sec, W désert (très sec) et S steppe (trop sec pour une végétation dense).
• Pour la 3e lettre avec C ou D, a signifie été chaud (≥22°C), b été tempéré (<22°C mais >10°C pendant au moins 4 mois), c été frais (1 à 3 mois >10°C) et d hiver très froid (mois < -38°C).
• Les cartes projetées à l’horizon 2041–2070 (et 2071–2099) montrent déjà des changements de classes sur de grandes régions, ce qui peut décaler les conditions de dimensionnement par rapport au climat historique.

💡 Astuce mémo

Köppen = Type (1re) + Pluie (2e) + Temp (3e si C/D) : TPP = Type-Pluie-Température.

📖 2. Cadre énergétique et réglementaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Directive PEB : Dispositif européen fixant un cadre commun pour évaluer et améliorer la performance énergétique des bâtiments via des exigences et indicateurs calculés ou mesurés.
• PEB Performance Énergétique des Bâtiments : Méthode réglementaire qui harmonise l’évaluation des besoins de chauffage/refroidissement et impose un niveau minimal de performance énergétique au bâtiment.
• EPBD recast : Révision de la directive européenne qui renforce les exigences vers des bâtiments à très faible demande et l’usage d’énergies décarbonées.
• Bâtiment passif : Standard de performance où le besoin net de chauffage est très faible, utilisé comme référence d’exigence dans certaines politiques publiques, notamment à Bruxelles.
• ETS2 : Mécanisme européen de prix du carbone appliqué aux fournisseurs de combustibles (ex. gaz, mazout), conçu pour inciter à réduire et décarboner l’énergie des bâtiments.

📝 Points essentiels

• En Belgique, les premières obligations d’isolation datent de 1979 avec un niveau d’isolation global appelé niveau K100.
• La directive européenne sur la performance énergétique des bâtiments (2002) a été transposée progressivement en Belgique en 2006 en Flandre, 2008 à Bruxelles et 2010 en Wallonie.
• En Région bruxelloise, une exigence quasi généralisée de bâtiments passifs est instaurée en 2015 avec un seuil de BNC < 15 kWh/m².an.
• La neutralité carbone européenne est visée d’ici 2050 et un jalon contraignant prévoit -55% d’émissions nettes de GES d’ici 2030 par rapport à 1990.
• Le cadre ETS2 démarre en 2027 et vise les combustibles, pour pousser au remplacement par des solutions bas-conso/bas-carbone et à l’électrification.
• L’EPBD recast introduit aussi un cadre de mesure de l’empreinte carbone sur le cycle de vie (whole-life carbon) avec exigences de calcul, notamment pour les bâtiments et leurs éléments.

💡 Astuce mémo

Transposition = 2006/2008/2010 ; Bruxelles 2015 = passif (BNC < 15 kWh/m².an).

📖 3. Température, chaleur et unités

🔑 Notions clés & Définitions

• Température : La température décrit l’état énergétique d’un système, liée au niveau d’agitation des molécules et au potentiel qui déclenche un transfert de chaleur en cas de différence de température.
• Écart de température ΔT : L’écart de température quantifie la différence entre deux niveaux thermiques et a la même valeur numérique en °C et en K.
• Chaleur : La chaleur est une quantité d’énergie liée au mouvement désordonné des molécules, mesurée et comptée en J ou kWh.
• Chaleur massique : La chaleur massique d’un matériau exprime la quantité de chaleur nécessaire (ou libérée) pour faire varier de 1 °C (ou 1 K) une masse de 1 kg.
• Chaleur volumique : La chaleur volumique exprime la quantité de chaleur nécessaire (ou libérée) pour faire varier de 1 °C une masse de 1 m³ de matériau.

📝 Points essentiels

• La chaleur se mesure en J ou kWh, tandis que la température se mesure en °C ou en K et ne s’additionne pas comme une quantité d’énergie.
• 1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ et correspond à l’énergie utilisée pendant 1 h par une puissance de 1 kW.
• La relation entre échelles est $T(K)=T(°C)+273,15$ et le zéro absolu vaut $0\,K$ soit $-273°C$.
• Pour calculer une chaleur massique : $Q=m\,C\,\Delta T$ avec $Q$ en kJ, $m$ en kg et $C$ en kJ/(kg·°C).
• La chaleur de l’eau a $C\approx 4{,}18$ kJ/(kg·°C) : pour 100 kg d’eau passant de 10°C à 45°C, $Q\approx 14\,630$ kJ soit environ 4 kWh.
• Pour une chaleur volumique : $Q=V\,\rho\,C\,\Delta T$ avec $\rho$ en kg/m³ et une chaleur exprimée par unité de volume.

💡 Astuce mémo

ΔT identique en °C et en K ; chaleur = quantité (kWh/J) alors que température = état (°C/K).

📖 4. Transmission thermique des parois

🔑 Notions clés & Définitions

• Résistance thermique : La résistance thermique caractérise la capacité d’une paroi à ralentir le passage d’un flux de chaleur entre deux milieux séparés.
• Conductivité thermique lambda : La conductivité thermique $\lambda$ mesure la facilité avec laquelle un matériau transmet la chaleur ; plus $\lambda$ est faible, meilleur est l’isolant.
• Densité de flux thermique : La densité de flux thermique exprime le débit de chaleur par unité de surface, avec l’unité $\mathrm{W/m^2}$.
• Résistances superficielles : Les résistances superficielles modélisent les échanges de chaleur à l’interface air–paroi côté intérieur et côté extérieur via $h_i$ et $h_e$.
• Résistance thermique totale : La résistance thermique totale $R_{tot}$ est la somme des résistances qui s’opposent au flux à travers une paroi multicouche, incluant $R_{si}$ et $R_{se}$.

📝 Points essentiels

• En régime stationnaire, le flux thermique identique traverse chaque couche et on additionne les résistances : $R_{tot}=\sum R_i$ (dont $R_{si}$ et $R_{se}$).
• Pour une paroi homogène, la résistance d’un matériau s’écrit $R=\dfrac{\Delta T}{\Phi}$ et se relie à l’épaisseur par $R=\dfrac{e}{\lambda}$.
• La résistance superficielle se relie au coefficient d’échange par $R=\dfrac{1}{h}$, donc $R_{si}=1/h_i$ et $R_{se}=1/h_e$.
• Valeurs PEB des résistances superficielles : à l’extérieur $h_e\approx 23\,\mathrm{W/m^2K}$ donc $R_{se}=1/23$, et à l’intérieur ascendant $h_i\approx 10$ ($R_{si}=0,10$), horizontal $h_i\approx 8$ ($R_{si}=0,125$), descendant $h_i\approx 6$ ($R_{si}=0,167$).
• Cas PEB courants : bardage ventilé donne $R_{e,\,bardage}=R_i$ en négligeant la couche d’air ventilée, et paroi contre terre impose $R_e=0$ (pas d’échange convectif/rayonnant côté sol).
• La conductance $U$ d’une paroi vaut $U=1/R_{tot}$ et diminue quand $R_{tot}$ augmente, avec une baisse de plus en plus lente en ajoutant de l’isolant.

💡 Astuce mémo

R = e/λ : plus c’est épais (e) et moins ça conduit (λ), plus ça résiste ; et U = 1/R marche en miroir.

📖 5. Ventilation et étanchéité à l’air

🔑 Notions clés & Définitions

• Système de ventilation A : Un système où l’air neuf entre naturellement et l’air vicié est extrait naturellement via le tirage dans les locaux humides.
• Système de ventilation C : Un système où l’air neuf arrive naturellement, tandis que l’extraction de l’air vicié est assurée mécaniquement dans les locaux humides.
• Blower door test : Un test d’étanchéité qui mesure le débit de fuite à une différence de pression standard entre intérieur et extérieur.
• n50 : Un indicateur sans unité qui représente le nombre de renouvellements du volume intérieur par heure sous une pression de 50 Pa.
• Puissance déperditive aéraulique Hv : Une puissance déperditive exprimée en W/K représentant les pertes liées au chauffage ou refroidissement de l’air qui s’échappe via ventilation et inétanchéité.

📝 Points essentiels

• La norme NBN D 50-001 organise la circulation de l’air en 3 fonctions P/T/E : pulsion dans les pièces de vie, transfert vers les pièces humides, extraction des pièces de service.
• Les systèmes A à D combinent amenée et extraction naturelles ou mécaniques, le système D permettant un contrôle quasi total des débits et l’installation d’un récupérateur de chaleur.
• Les débits hygiéniques se dimensionnent avec un débit nominal par surface $q_{nom}=3,6\,\text{m}^3/(\text{h}\,\text{m}^2)$, puis sont corrigés par des valeurs minimales/maximales (garde-fous) selon les locaux.
• L’inétanchéité est quantifiée par une mesure à 50 Pa via $n_{50}=Q_{50}/V_p$ et une relation équivalente $Q_{50}=n_{50}\,V_p$ (avec $Q_{50}$ en m³/h et $V_p$ en m³).
• Le débit d’inétanchéité ramené à 2 Pa s’obtient par $Q_{v,in}=n_{50}\,V_p/25$, puis la puissance aéraulique totale suit $H_v=(Q_{v,in}+Q_{v,san})\,c_{air}$ avec $c_{air}=0,34\,\text{Wh/(m}^3\text{·K)}$.
• Avec ventilation double flux et récupération, la partie ventilation de $H_v$ est réduite via $H_{v,\text{échangeur}}=[Q_{v,in}+Q_{v,san}(1-\eta_{échangeur})]\,c_{air}$.

💡 Astuce mémo

A C B D = Amenée/Extraction: A (nat/nat), C (nat/méca), D (méca/méca).

📖 6. Déperditions aérauliques et récupération

🔑 Notions clés & Définitions

• Débit de fuite Q50 : Le débit de fuite Q50 est le débit total de fuite d’air mesuré à une différence de pression standard de 50 Pa, exprimé en m³/h.
• Renouvellements n50 : Le taux de renouvellement n50 est le nombre de renouvellements du volume intérieur par heure sous 50 Pa, exprimé en h⁻¹.
• Débit surfacique q50 : Le débit de fuite surfacique q50 est le débit de fuite rapporté à la surface de l’enveloppe thermique, exprimé en m³/h·m².
• Rendement échangeur de chaleur : Le rendement d’échangeur nech mesure la fraction de chaleur récupérée sur l’air entrant par le système de ventilation, utilisée dans le calcul de Hv avec récupération.

📝 Points essentiels

• L’infiltration est quantifiée au blowerdoor test à 50 Pa, ce qui correspond approximativement à un vent fort d’environ 30 km/h sur toute la façade.
• Les grandeurs se relient par les relations fondamentales n50=Q50/Vp et q50=Q50/At, donc Q50=n50·Vp=q50·At.
• Le débit d’inétanchéité à 2 Pa s’obtient par Qv,in=n50·Vp/25, en ramenant le résultat du test 50 Pa (facteur 25) vers une pression standard plus réaliste.
• La puissance déperditive aéraulique s’écrit Hv=(Qv,in+Qv,san)·Cair avec Cair=0,34 Wh/(m³·K), où Qv,san correspond au débit de ventilation hygiénique.
• Avec récupération de chaleur, la partie liée à la ventilation devient Qv,san·(1−ηéch), donc Hv=[Qv,in+Qv,san·(1−ηéch)]·Cair, l’inétanchéité restant non récupérable.
• Dans l’exemple chiffré (n50=2,3 h⁻¹, Vp=271 m³, Qv,san=198 m³/h), Hv passe de 75,8 à 20,6 W/K pour ηéch=82%, soit une réduction de 55,2 W/K (≈73%).

💡 Astuce mémo

50 Pa → Q50 ; n50 = Q50/Vp ; Hv = (inétanchéité + ventilation)·0,34 ; récupération : ventilation seulement → ·(1−η)

📖 7. Apports internes et éclairage

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteur solaire FS : Le facteur solaire d’un vitrage $FS$ donne l’ordre de grandeur des gains solaires transmis à l’intérieur pour une caractéristique de vitrage donnée.
• Rendement des apports internes Rai : Le rendement des apports internes $Rai$ mesure la part des apports internes $AI$ par rapport aux pertes du bâtiment via $Rai=AI/PB$ (en K).
• Température de non-chauffage Tnc : La température de non-chauffage $T_{nc}$ est une température intérieure fictive réduite grâce aux apports internes, définie par $T_{nc}=T_{int}-Rai$.

📝 Points essentiels

• Simple vitrage clair : $Ug=5,7$ et $FS=0,85$.
• Double vitrage ancien : $Ug=3$ et $FS=0,75$.
• Double vitrage basse émissivité : $Ug=1,1$ et $FS=0,6$ à $0,65$.
• Triple vitrage basse émissivité : $Ug=0,5$ à $0,7$ et $FS=0,5$ à $0,55$.

💡 Astuce mémo

Quand le vitrage devient plus performant (plus faible $Ug$), le $FS$ baisse : 0,85 → 0,75 → 0,6–0,65 → 0,5–0,55.

📖 8. Apports solaires par les vitrages

📖 9. Inertie thermique et degrés-heures

🔑 Notions clés & Définitions

• Inertie thermique : L’inertie thermique est la capacité d’une paroi à absorber et restituer de la chaleur de façon retardée, ce qui stabilise les températures de surface.
• Degrés-heures : Les degrés-heures $Kh$ sont un indicateur cumulant l’écart de température au fil du temps, utilisé pour évaluer le risque de surchauffe en PEB.

📝 Points essentiels

• L’inertie thermique stabilise la température des parois en absorbant les variations rapides, ce qui réduit les amplitudes et les chocs radiatifs.
• Une paroi lourde amortit mieux les variations alors qu’une paroi légère suit rapidement les fluctuations et peut devenir fortement froide ou chaude, augmentant l’inconfort radiatif.
• En PEB, un nombre de degrés-heures $Kh$ supérieur à 17500 correspond à une situation où la surchauffe est assurée pour 100% des cas, donc un inconfort certain.

💡 Astuce mémo

Inertie = amortisseur radiatif; Degrés-heures = compteur de surchauffe (seuil PEB 17500 $Kh$).

📖 10. Confort et vecteurs énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Vecteur énergétique : Support qui transporte et distribue l’énergie entre sa production et l’usage final, et peut aussi en partie la transformer.
• Énergie primaire : Énergie prélevée dans les ressources naturelles avant transformation, qui inclut aussi les pertes liées à production, transformation et acheminement.
• Facteur de conversion : Nombre $f_{ep}$ reliant l’énergie consommée à l’énergie primaire via $E_{primaire}=E_{consomm\u00e9e}\times f_{ep}$ pour un vecteur donné.
• Eau chaude : Vecteur énergétique hydraulique qui transporte la chaleur vers les émetteurs comme radiateurs ou plancher chauffant.
• Air : Vecteur énergétique aéraulique qui transporte des calories vers un local via ventilation ou chauffage par air pulsé.

📝 Points essentiels

• Un bon système de confort doit assurer un niveau compatible avec l’usage, tandis que l’efficience tolère une légère variabilité pour éviter des consommations disproportionnées.
• Le choix du vecteur énergétique conditionne la chaîne de transformations en amont et donc l’impact en énergie primaire, même si la consommation locale est identique.
• L’énergie primaire se calcule avec $E_{primaire}=E_{consomm\u00e9e}\times f_{ep}$, où $f_{ep}$ dépend du vecteur et des conventions/référentiels de calcul.
• En PEB (valeurs arrondies, susceptibles d’évoluer), $f_{ep}$ vaut environ 2,5 pour l’électricité réseau, et 1,0 pour gaz naturel, 1,0 pour mazout, avec 1,0 pour biomasse (0,2 pour le passif).
• Électricité, gaz, biomasse, eau chaude et air ne jouent pas les mêmes rôles : l’électricité est un vecteur flexible, le gaz peut être à la fois énergie source et vecteur, l’eau et l’air servent de vecteurs de distribution vers les émetteurs.
• Entre l’énergie produite quelque part et le confort obtenu dans une pièce, il existe toujours un vecteur qui n’est jamais neutre pour les pertes et les impacts globaux.

💡 Astuce mémo

Confort = besoin satisfait, mais Vector = pertes invisibles : même confort, énergie primaire change selon le vecteur.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Chaîne énergétique : utile vs globale

Vecteurs énergétiques : support et impacts

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre température (°C/K) et chaleur (J/kWh) : la chaleur s’additionne, la température ne “s’additionne” pas.
2. Inverser énergies et puissances : la puissance est un débit d’énergie (W = J/s), l’énergie s’exprime en kWh/Wh.
3. Oublier que sur une paroi en régime stationnaire on additionne les résistances (Rtot=∑Ri) et que U=1/Rtot.
4. Se tromper sur la ventilation hygiénique : qnom=3,6 m³/(h·m²) est un point de départ puis on applique des garde-fous min/max selon les locaux.
5. Mélanger n50 (renouvellements à 50 Pa) et la réalité d’usage : n50 n’est pas une condition réelle ; on ramène à 2 Pa via Qv,in=n50·Vp/25.
6. Traiter les apports internes/solaires comme “toujours utiles” : en chauffage, l’inertie réduit la fraction utile (BNC corrigé), alors qu’en refroidissement on raisonne côté surchauffe.
7. Croire que le confort = PMV/PPD : le cours distingue confort normé, bien-être (global) et envie (dimension culturelle/projective).

✅ Checklist Examen

1. Savoir lire un climat sur la carte de Köppen-Geiger : 1re lettre = type climatique, 2e = régime des précipitations, 3e (si C/D) = classification thermique.
2. Retrouver l’idée des codes Köppen-Geiger : A/B/C/D/E comme familles, f/s/w/W/S et a/b/c/d avec les seuils donnés (ex. été chaud ≥22°C).
3. À connaître sur le cadre énergétique : transposition PEB en Belgique (2006/2008/2010) et exigence bruxelloise passif (2015, BNC < 15 kWh/m².an).
4. Maîtriser la conversion énergie : 1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ et T(K)=T(°C)+273,15 ; ΔT a la même valeur numérique en °C et en K.
5. Savoir en transmission thermique : résistance R=e/λ, conductance U=1/Rtot, et résistance totale comme somme des résistances y compris Rsi et Rse (valeurs hi selon sens données).
6. En ventilation/étanchéité : distinguer systèmes A/C/D (amenée/extraction naturelles ou mécaniques) et relier n50, Q50 et Vp par n50=Q50/Vp, puis Qv,in=n50·Vp/25.
7. Savoir calculer Hv : Hv=(Qv,in+Qv,san)·Cair avec Cair=0,34 Wh/(m³·K), et avec récupération on applique la réduction sur la partie ventilation seulement via (1−ηéchangeur).
8. En apports internes et solaires : rappeler les ordres de grandeur (FS dépend de Ug et Rai=AI/PB ; Tnc=Tint−Rai) et l’idée de gains solaires via FS (ex. 0,85 ; 0,75 ; 0,6–0,65 ; 0,5–0,55).
9. En inertie et degrés-heures : expliquer rôle tampon de l’inertie et le seuil PEB de surchauffe (Kh > 17500 ⇒ surchauffe assurée pour 100% des cas selon le cours).
10. Pour BNR/BNC : utiliser le principe degrés-heures (E=PB×DH) et la logique pivot de refroidissement à 23°C ; puis intégrer l’inertie en chauffage via degrés-heures corrigés (BNC corrigé).
11. Pour confort et vecteurs : distinguer confort normé (PMV/PPD) vs bien-être vs envie, et relier vecteur énergétique au facteur d’énergie primaire (ex. électricité ~2,5 ; gaz/mazout/biomasse ~1,0 ; passif 0,2).