Positive House

Actuellement étudiants en deuxième année d' école d'ingénieur à l'ENSE3 (Grenoble-INP), nous réalisons dans le cadre de notre formation un projet ingénierie intitulé Positive House. La finalité de ce projet sera abordée par la suite ainsi que les étapes cruciales à sa réussite.
Maquette
Maquette (2)

Contexte

Le secteur du bâtiment a amorcé une révolution verte qui entend concilier performances énergétiques de l’habitat et confort de vie optimal, engendrant de ce fait de nombreuses recherches. Notre maitre d’ouvrage, M. Stéphane Ploix, souhaite dans cette optique développer le projet Positive House. L’objectif de ce projet est de construire une maquette de maison à énergie positive avec stockage dans un microgrid simulé. Sa finalité est de pouvoir utiliser celle-ci comme démonstrateur au sein du laboratoire de notre client et sur d’éventuels salons. De nombreux projets similaires existent déjà de par le développement de ces nouveaux habitats, comme par exemple Canopea, une hometower de 70m² construite et pensée par un groupe d’étudiants rhônalpins fonctionnant avec comme seule source d’énergie le soleil.

Objectifs réalisés sur l'année 2015/2016

Le projet Positive House nécessite des compétences dans divers domaines, allant de la construction brute de la maquette à son alimentation en eau et en électricité, tout en prenant en compte les aspects économie d'énergie et énergie renouvelable. Poursuivi les années suivantes, nous sommes les initiateurs du projet. De ce fait nous abordons plus particulièrement l’aspect thermique de la maquette et sa construction, tout en anticipant les éventuels besoins sur la maquette pour les futurs groupes (passage de câbles pour l'alimentation électrique par exemple).

L’un des objectifs à atteindre concerne l’aspect de la maison : la maquette doit être esthétique et chaleureuse. Le fait qu’elle sera utilisée dans des salons ou laboratoires implique que celle-ci soit réalisée en intérieur et sa taille doit être de l’ordre du mètre cube afin de faciliter son déplacement ; c'est pourquoi pour la suite de notre projet nous avons considéré une maison d'échelle 1/10. De plus, la maquette finale devra être manipulable, elle possédera donc une ouverture permettant de visualiser l’intérieur qui sera semblable à une maison de la vie réelle, meublée et équipée.

Du point de vue technologique, plusieurs objectifs sont définis en lien avec l’économie d’énergie et l’utilisation d’énergies renouvelables :

  • la maquette doit être isolée thermiquement
  • le réseau de chaleur se fera par solaire thermique
  • la ventilation doit être économique et efficace.

Un visuel d’évolution d’un paramètre mettant en évidence la thermique du bâtiment sera réalisé, par exemple l'évolution de la température lors du fonctionnement du chauffage dû au solaire thermique.

Démarche : étapes et construction

Structure de la maquette

Modèle 3D de la maquette sous SketchUp

Afin d’avoir une visualisation de notre maquette, nous avons créé un modèle de son architecture sur Sketchup. Le choix architectural de la maison a pris en considération deux aspects : l’optimisation des apports énergétiques extérieurs tels que le soleil, et l’esthétique de la maquette.

Plusieurs décisions ont été prises concernant l’architecture de notre maison. Tout d’abord, le choix d’un toit plat a été guidé après une étude de facilité de construction. Dans l’optique de maximiser l’apport thermique solaire, la maquette comportera une casquette (un avancement) sur la façade sud où se trouve les vitres. Cette casquette permet de d’optimiser la contribution du soleil, avec un apport maximal l’hiver et minimal l’été. Parle calcul, en considérant une zone située à 45° de latitude nord (tel que Grenoble), la caquette est de 13cm pour notre maquette.

Dans la disposition des pièces, nous avons choisi de construire la salle de bain côté Nord car elle crée elle-même de la chaleur, et d’installer les pièces de vie tel que le salon/séjour au sud pour profiter un maximum du vitrage. Toute la structure de notre maison a donc été pensée afin qu’elle soit esthétique et thermiquement autonome.

Isolation

Isolation de la maquette
Assemblage de la vitre

Une fois la structure de la maison définie, il nous a fallu trouver et dimensionner les composants de la maison au niveau de l’isolation en respectant un cahier des charges que nous avons défini en fonction des critères suivants:

Cahier des charges : choix de l’isolation

  • Respecter la norme RT 2020 de bâtiments à énergie positive (bonne isolation)
  • Optimiser la faisabilité de la construction
  • Optimiser le prix des composants
  • Optimiser la résistance de la maison (chocs, contraintes, poids…)
  • Choisir des matériaux disponibles dans le commerce pour notre échelle de construction

Nous avons commencé par traduire les critères exigés par la norme RT 2020 de bâtiments à énergie positive, surtout en termes de résistance thermique du bâtiment, ce qui nous a permis de choisir nos matériaux d’isolation ainsi que leurs dimensions.

  • Murs: 10mm plâtre + 20mm polystyrène (plaque de Placo)
  • Vitre: double vitrage, vitres d’épaisseur 3mm, 13mm d’air entre les deux vitres
  • Toit: 10mm de plâtre + 40mm de polystyrène + 10mm de bois contreplaqué
  • Plancher étage première partie (mitoyenne entre RdC et étage): 10mm de bois contreplaqué
  • Plancher étage deuxième partie (mitoyenne entre RdC et ext): 10mm de bois contreplaqué + 20mm de polystyrène

Réseau de ventilation

La ventilation au sein d’une habitation est primordiale : elle a pour but d’évacuer l’humidité, le CO2 produit au sein de l’habitat et d’apporter de l’oxygène. Néanmoins, elle est aussi l’une des principales sources de déperdition de chaleur à cause de l’entrée d’air froid venu de l’extérieur. Une ventilation double-flux a été le système le plus adéquat permettant en même temps d’assurer un bon renouvellement de l’air et de récupérer au sein d’un échangeur thermique une partie de la chaleur perdue dans le flux d’air sortant de l’habitat.

La norme pour un bon renouvellement de l’air d’un habitat est de remplacer l’équivalent du volume de la maison par heure. A l’échelle de notre maquette, cela revient à un débit d’air d’environ 500l/h. Pour cela nous avons choisi d’utiliser du matériel habituellement utilisé en aquariophilie. Notre système est donc constitué de 2 pompes de 500l/h pour extraire et introduire l’air dans notre maquette. L’échange de chaleur est réalisé au sein de l’échangeur à plaques, il est constitué de 10 plaques de tel sort que les plaques d’air chaud soient entourées de deux plaques d’air frais.

Echangeur de chaleur
Réseau de ventilation

Réseau de chaleur

Schéma du principe du réseau de chaleur

L’une des principales causes de consommation énergétique d’une habitation concerne le chauffage. Pour obtenir la meilleure efficacité, le réseau de chaleur mis en place est constitué d’un ensemble « panneau solaire thermique et chauffage au sol ». Afin de faire circuler le fluide dans ce réseau, le dimensionnement d’une pompe ainsi que son alimentation sont réalisés.

Panneau solaire thermique

Un panneau solaire thermique est un dispositif permettant de faire chauffer de l’eau ou un autre fluide en captant les rayons du soleil. L’eau chauffée de cette manière permet généralement de chauffer ensuite l’eau d’un ballon. Un panneau solaire thermique permet donc d’assurer le chauffage en eau d’une maison. Dans notre cas, ce système servira de source de chaleur au chauffage au sol.

Nous avons pris un tuyau en cuivre de diamètre suffisamment grand, matériau de base utilisé en plomberie. Nous avons sélectionné une plaque en acier inox car ce matériau permet une meilleure conduction de la chaleur que le fer. Nous avons privilégié le plexiglas pour couvrir le panneau plutôt que du verre car le plexiglas a une très bonne transmission lumineuse et est plus facile à manipuler. Pour isoler le panneau, nous avons utilisé du polystyrène plutôt que de la laine de verre (résistivité proche mais utilisation plus facile pour le polystyrène).

Il fallait que le tuyau soit suffisamment long pour avoir un maximum de contact avec la plaque de fer, mais étant donné les dimensions de la maquette et la taille de notre circuit hydraulique, il ne fallait pas que le tuyau comporte beaucoup de coude (pour éviter des pertes de charge importantes). Nous avons opté pour un compromis : augmenter les contacts entre la plaque en métal tout en essayant de minimiser les virages. Nous avons donc opté pour une forme en S : 4 coudes à angle droit la voie d’entrée et la voie de sortie de l’eau n’étant pas sur le même côté du panneau pour permettre le raccordement au système de chauffage.

Composants du panneau thermique (1)
Composants du panneau thermique (2)

Chauffage au sol à eau chaude

Le chauffage au sol à eau chaude permet d’émettre de la chaleur au sein d’une pièce, à partir de sa surface au sol dans laquelle circule un fluide à basse température. Ce système a la spécificité d’obtenir une meilleure répartition de la chaleur au sein des pièces grâce au principe de diffusion par rayonnement. Son principal intérêt est sa consommation énergétique plus faible que celle des systèmes traditionnels grâce à la basse température de fluide.

Le plancher chauffant est simple d’installation de par sa composition : une superposition de différents éléments : un isolant thermique, un réseau de tubes et une dalle de béton.

Concernant l'isolant nécessaire pour éviter les déperditions thermiques, nous avons décidé de l'utiliser comme support de la maison. Ce choix permettra d'obtenir une hauteur de rez-de-chaussée sensiblement égale à celle de l'étage. Le tuyau d’alimentation en eau est de type PER nu. Dans notre réseau, l’eau initialement chaude au niveau du panneau thermique sera refroidie le long du tube. Concernant la disposition du tube,la pose en serpentin est la mieux adaptée. De plus, nous avons fait le choix de faire passer ces conduites à l'intérieur de la maison pour éviter les déperditions thermiques vers l'extérieur. Ainsi la chaleur perdue entre le chauffage au sol et le panneau solaire servira à chauffer également l'ensemble des pièces.

Disposition du chauffage au sol
Chauffage au sol

Pompe et alimentation

Le réseau de chauffage nécessite une pompe de faible débit pour la circulation de l’eau. A partir de calculs sur des débits de maisons réelles, nous avons choisi une pompe 69 l/h, dont l’alimentation est en 12V DC et nécessite une faible puissance. Le débit est réglable électriquement et sera commandé par un actionneur liée au réseau de capteurs.

La pompe nécessite une alimentation électrique, dont les éléments sont fournis par l’école. Le circuit 12V comprend un panneau photovoltaïque 20W, un régulateur de charge et une batterie adaptés, ainsi qu’une diode de sécurité. Pour faire fonctionner le panneau solaire, nous avons trois lampes à intensité variable à disposition. Elles permettront de simuler la variation de luminosité au cours d’une journée.

Circuit d'alimentation de la pompe
Schéma électrique du circuit













Comme le travail sur cette maquette sera continué par la suite, nous avons prévu de la place, ainsi que des raccords électrique, pour que les élèves suivant puissent continuer le réseau électrique. Ils pourront par exemple installer une mini-éolienne, d’autres panneaux solaires et éventuellement une pile à combustible. Cela leur permettra de mettre en place un circuit d’éclairage dans la maison, ainsi que d’alimenter des appareils électroménagers.

Automatisation et Interface graphique

Le pilotage automatisé des installations permet une réduction des pertes d’énergie ainsi qu’une consommation d’énergie plus optimale. Pour se faire, nous utilisons une régulation par des automates qui traitent les informations de mesure (pour notre application : température, humidité, CO2) et d’état (marche/arrêt des relais). De plus, la mesure et l’affichage des consommations (par un compteur d’énergie) permet d’avoir une connaissance précise par usage, et de réaliser un bilan énergétique. Ce suivi en temps réel de la performance est propice pour sensibiliser le consommateur.

Nous avons donc intégré à notre maquette une partie automatisation : un automate récupère les mesures des capteurs de température, d’humidité et de CO2 et contrôle des relais, actionnant ainsi le chauffage ou la ventilation. De plus, une interface graphique permet la supervision de l’ensemble avec la visualisation de courbes de mesure, mais également une commande manuelle.

Les scénarios programmés sont les suivants :

  • Mise en marche du chauffage pour une température inférieure à 19°C.
  • Mise en marche de la ventilation pour une température supérieure à 21°C, ou un taux de CO2 supérieur à 1300 ppm, ou un pourcentage d’humidité supérieur à 60%.
Interface graphique : Menu
Interface graphique : Données actuelles du rez de chaussée
Interface graphique : évolution de la température

Simulation thermique

Afin d’estimer les performance thermiques de notre projet de maquette, nous avons réalisé une simulation thermique, avec l’aide du logiciel de CAO Sketchup et de l’extension Abatia. Un modèle en 3D de la maison a été réalisé et paramétré pour correspondre aux matériaux choisis pour la maquette réelle. Les systèmes de chauffage et de ventilation ont également été configurés, ainsi que le taux d’occupation du bâtiment. Le logiciel inclut également une géo-localisation, donc tous les paramètres météorologiques de la région grenobloise. Cette étude avait également pour objectif de connaître le rapport à appliquer sur les flux énergétiques sortants entre une maison réelle et une maquette à échelle 1/10.

Les résultats de l’étude sont très concluants : l’apport solaire au niveau des surfaces vitrées côté sud est considérable, tandis que la déperdition côté nord est relativement faible. De plus, la majorité des déperditions thermiques concerne les ouvrants, alors que la déperdition par les parois pleines est très faible, ce qui atteste d’une bonne isolation

Déperditions annuelles par élément, en W/K
Apports solaires annuels par ouvrant, en kWh/an
Répartition des déperditions thermiques

Membres du projet et Contacts

Maître d'ouvrage : M. Stéphane Ploix (G-SCOP)

Membres (maître d'oeuvre) : groupe de 9 étudiants de filières ASI, IEE et SEM
Marine Conan, Suzanne De Conti, Laurent Du, Maxime Fogel, Manon Le Gall, Audrey Michel, Anaïs Serguier, Gabriel Van Der Valk, Laura Zeitler

Coordinateur : M. Brahim Ramdane (G2ELAB)

Soutiens techniques : M. Samer Alabrach (G2ELAB), M. Yann Bultel (LEPMI), M. Damien Guilbert (G2ELAB), atelier mécanique de l'ENSE3, association étudiante EPICE

Contacts :
M. Stéphane Ploix : stephane.ploix@g-scop.grenoble-inp.fr


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