Revision sheet: 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

Date	Événement
1979	Premières obligations d’isolation en Belgique (niveau K100).
2002	Adoption de la directive sur la performance énergétique des bâtiments (PEB).
2006	Transposition de la PEB en Belgique en Flandre.
2008	Transposition de la PEB en Belgique à Bruxelles.
2010	Transposition de la PEB en Belgique en Wallonie et révision vers la directive « Recast » (Directive 2010/31/UE).
2015	En Région bruxelloise : exigence quasi généralisée de bâtiments passifs (BNC < 15 kWh/m².an).
2027	Démarrage du cadre ETS2 (prix du carbone pour les fournisseurs de combustibles).
2030	Jalon ZEB/Zero-emission : nouveaux bâtiments zéro-émission à partir de 2030 (public : 2028).
2050	Objectif de neutralité carbone européenne d’ici 2050.
2041–2070	Cartes Köppen projetées à l’horizon 2041–2070 (changements de classes possibles).

📊 Tableaux de synthèse

Chaîne énergétique : utile vs globale

Étape	Expression
Efficacité vs efficience	Efficacité = confort sans regarder la conso ; efficience = même objectif avec moins de ressources, tolérant une variabilité compatible.
Rendement global	ηglobal = ηprod × ηstock × ηdist × ηemis × ηreg
Hiérarchie des rendements	Rendement utile instantané (utile par rapport fourni) ≠ rendement saisonnier (sur la période réelle).

Vecteurs énergétiques : support et impacts

Vecteur	Exemples de systèmes
Eau chaude	Chaudière, PAC, réseau de chaleur
Air	Ventilation, chauffage air pulsé, climatisation
Électricité	PAC, chauffage direct, climatisation
Gaz	Chaudière gaz, cogénération
Biomasse	Chaudière bois/pellets, stockage local

⚠️ 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).