6-1 - Les bilans thermiques (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
En hiver, les pertes de chaleur de nos constructions résultent, pour une grosse part, des flux de chaleur qui traversent les parois et les ponts thermiques, par conduction de l'intérieur chaud vers l'extérieur froid. Les déperditions résultent également, parfois de manière toute aussi importante, du renouvellement d'air contrôlé par la VMC et de celui qui ne l'est pas car résultant de fuites parasites diverses. En été, une partie des apports d'énergie à les mêmes causes mais avec des flux d'air inversés, de l'extérieur chaud vers l'intérieur froid. Les autres apports, qui se produisent toute l'année, résultent des rayons directs du soleil au travers des baies et, dans une moindre mesure, de l'occupation de la maison. Les besoins de chauffage et de climatisation ne sont rien d'autre que le bilan de ces pertes et de ces apports en période hivernale et estivale.

Le besoin énergétique total d'une construction dépend, en sus des besoins de chauffage et de climatisation, de l'énergie nécessaire à la production d'eau chaude, à l'éclairage, à tous les systèmes techniques qui permettent le fonctionnement de la construction ainsi qu'à tous les appareils électroménagers et électroniques que nous utilisons.


Les déperditions par transmission

Nos constructions perdent de la chaleur en hiver. Leurs parois externes, le sol, les murs de façades, les menuiseries vitrées ou non ainsi que le toit échangent en permanence la chaleur avec l’ambiance extérieure :
  • par conduction dans les matériaux qui les composent et donc par contact direct entre les parois et leurs ambiances respectives
  • par convection de l’air contre les façades
  • par rayonnement infrarouge
Les surfaces des planchers en contact avec le sol naturel ainsi que des façades, menuiseries et toitures, en contact avec l’air extérieur sont importantes. Les déperditions qu'elles provoquent par conduction représentent une très grosse partie des pertes totales de chaleur de toute construction. Elles peuvent parfois être réduites grâce à des espaces tampons, comme les caves, les celliers ou les garages, mais elles sont, au contraire, souvent amplifiées par de nombreux ponts thermiques linéaires et ponctuels. Toutes ces déperditions de chaleur imposent, en corollaire, un besoin d’énergie équivalent pour stabiliser les températures intérieures et assurer notre confort en permanence.

Deux milieux en contact ont tendance à homogénéiser leur température. Ce phénomène se produit bien sûr entre des différentes parois extérieures des constructions, les façades, les toitures et les menuiseries, et l'air qui les entoure, tant du côté extérieur que du côté intérieur. Les différences de température entre les surfaces de ces parois et leurs ambiances respectives sont faibles et ce d'autant plus que les parois sont isolées. La stratification des températures de surface, sur la hauteur des constructions, est également minime. Les phénomènes de convection de l'air près des parois sont donc réduits. Dans ces conditions les déperditions par convection sont faibles mais pas nulles.

La température de toutes les parois en contact avec l’extérieur, le sol ou l’air est faible et toujours inférieure à quelques dizaines de degrés. A ce niveau de température, l’énergie transmise par rayonnement est également très faible mais pas nulle.

Les déperditions de chaleur des bâtiments sont le résultat
des phénomènes de conduction, convection et rayonnement.
La majeure partie des déperditions résulte de la conduction de la chaleur
au travers des parois et des ponts thermiques

Pendant les périodes estivales, les mêmes phénomènes se produisent mais le sens de propagation de la chaleur est inversé. Il va de l'extérieur vers l'intérieur. Les apports de chaleur par transmission participent alors à l'augmentation inutile, et souvent contre-productive pour notre confort, des températures intérieures déjà élevées. Ils peuvent représenter une part importante des besoins éventuels de climatisation.


Les déperditions par la ventilation

Mauvaises odeurs, gaz carbonique, vapeurs toxiques dégagées par des matériaux, radon, vapeur d’eau résultant de l’usage de la construction ou simplement humidité trop importante de l’air intérieur…, au-delà de l'obligation réglementaire, les raisons ne manquent pas pour expliquer la nécessité absolue d’une bonne ventilation. Elle peut être naturelle mais seule la ventilation mécanique permet un fonctionnement contrôlé, permanent et en toutes circonstances. Les systèmes de ventilation les plus performants, les VMC double flux avec récupérateur de chaleur, dont le réseau aéraulique est également utilisé pour le chauffage par l’air sont d'ailleurs la base du concept « Maison passive ».

Quelque soit le mode de ventilation, de l’air neuf est amené dans la construction en toute saison tandis que de l’air vicié en est extrait. L’air neuf pénètre soit à la température extérieure, soit beaucoup plus tempéré après son passage par un échangeur. La plupart du temps, il est insufflé à une température inférieure à la température intérieure en hiver et souvent supérieure en été. La ventilation provoque un échange de chaleur souvent contre-productif mais pourtant totalement indispensable. La ventilation nocturne estivale est un des rares cas où la ventilation améliore l'efficacité thermique parce qu’elle contribue à évacuer la chaleur stockée dans toutes les parois intérieures au cours de la journée et peut fréquemment éviter le recours à la climatisation.

La ventilation est indispensable et obligatoire
La ventilation est la deuxième cause des déperditions d'une construction
juste après celles dues à la conduction au travers des matériaux

La ventilation ne peut pas être totalement maîtrisée du fait des défauts d'étanchéité à l'air. Les façades sous le vent sont en surpression tandis que celles du côté opposé sont en sous-pression. Faute d’une perméabilité correcte, l’air circule dans la construction, des zones de haute pression vers celles de basse pression, simplement par le fait du vent, sans aucun contrôle et de manière aléatoire. En hiver, le manque de chaleur de cet air froid malvenu ne peut être compensé que par un chauffage supplémentaire qui aurait pu être évité. En été, l’air chaud inopportun surchauffe une atmosphère qui n’en a pas besoin, au risque d'imposer la mise en œuvre d’une climatisation qui serait inutile en l'absence de fuite.

Afin de ne pas être dans l'obligation de compenser les variations non souhaitées de température du fait des infiltrations d'air parasite par, suivant la saison, le chauffage ou la climatisation, la meilleure solution, celle qui ne nécessite aucune énergie, est celle qui consiste à s’assurer que l’étanchéité à l’air a été prévue lors de la conception et qu’elle a bien été mise en œuvre au cours de la construction grâce à la réalisation de tests d'infiltrométrie.

L’étanchéité à l’air limite les besoins de chauffage résultant
des déperditions provoquées par les renouvellements d’air parasites
sans étanchéité à l'air, le contrôle de la ventilation est inefficace


Les apports solaires directs

Les rayons du soleil qui nous éclairent et nous réchauffent agissent de même sur nos constructions par l’intermédiaire de leurs baies vitrées. Les rayons directs qui les traversent augmentent les températures des parois sur lesquelles ils se projettent et, par cet intermédiaire, celle de l'air intérieur. Cette énergie gratuite et non polluante représente souvent, notamment en maison passive, une partie importante de la chaleur nécessaire au confort hivernal.

Dans les maisons performantes, notamment les maisons passives
les fenêtres sont les radiateurs qu'elles n'ont pas par ailleurs

Pendant les périodes estivales, à l'image des apports de chaleur par transmission mais souvent de manière bien plus rapide et puissante, les apports de chaleurs solaires participent parfois à l'augmentation non souhaitable des températures intérieures déjà élevées. Ces apports peuvent toutefois être facilement stoppés en créant les ombrages adéquats, ou, seulement réduits en utilisant, par exemple, des vitrages qui filtrent une partie plus importante de l'énergie solaire. La chaleur apportée par les rayons directs du soleil non contrôlés représente souvent une part prépondérante des besoins de climatisation qui auraient pu être évités.

Le climat local, l'altitude et l'environnement proche comme lointain devront bien sûr être pris en compte mais le résultat devra être atteint quel qu'ils soient.


Les apports internes

Les systèmes de chauffage ne sont pas les seuls à produire de la chaleur. Nous en produisons nous-mêmes, même au repos. Toutes les machines que nous utilisons, même si elles ne sont pas prévues à cet effet, en produisent. Les quantités produites ne sont pas toujours maîtrisées et dépendent notamment des technologies utilisées. Les sources sont nombreuses et sont essentiellement le fait de l’électroménager, de l’audiovisuel, de l’informatique et des télécommunications. Les appareils les plus anciens sont généralement les plus énergivores et ceux qui dégagent le plus de chaleur.

Toute activité nécessite de l’énergie.
Tout usage de l’énergie conduit inexorablement
à la production de chaleur.


Les besoins d'énergie

Les gains et les pertes d’énergie doivent s’équilibrer pour que la température intérieure soit stable :

  • Lorsque les pertes de chaleur sont supérieures aux gains, il y a refroidissement et besoin de chauffer pour stabiliser la température.
  • Lorsque les apports de chaleur sont supérieurs aux pertes, il y a réchauffement et, s’il n’y a pas d’autre solution, tel l’ombrage ou la ventilation nocturne par exemple, il devient nécessaire de climatiser pour maintenir la température stable.

Une température constante implique que
les pertes et gains de chaleur s’équilibrent en permanence

Besoins = Pertes - Apports

Pertes = Pertes par transmission + Pertes par ventilation

Apports = Apports solaires + Apports internes


Le bilan hivernal

En hiver les déperditions permanentes, le jour et la nuit, résultent :

  • du sol, des murs et des toitures, par conduction
  • des baies par conduction, y compris par celles situées au sud
  • du renouvellement d’air de la ventilation et des fuites parasites
Les apports découlent quant à eux :
  • des baies vitrées bien exposées, par rayonnement direct du soleil quand elles ne sont pas ombragées
  • des activités internes le jour mais également, dans une moindre mesure, la nuit.

En hiver, pratiquement partout en France,
les pertes sont supérieures aux gains et
le recours au chauffage est indispensable.

Limiter les besoins de chauffage en hiver implique de limiter les pertes ou d’augmenter les apports. Les pertes sont exclusivement la conséquence de la conception du projet qui permet toutefois de les réduire très fortement. Le concepteur peut, entre autres, au choix ou simultanément, agir sur la limitation les surfaces d'échange des parois extérieures grâce à la compacité, la conductivité des matériaux grâce à l'isolation, le nombre et la taille des ponts thermiques, les déperditions par la ventilation grâce à la qualité de VMC et à celle des travaux. Si les apports internes de chaleur qui proviennent de l'occupation du bâtiment sont difficilement contrôlables et dans tous les cas limités, le concepteur peut facilement augmenter les apports solaires par les baies en choisissant l'implantation la plus pertinente sur le terrain, en prévoyant les meilleures orientations possibles et en les dimensionnant correctement en fonction de leurs nombreuses caractéristiques. Même en cumulant les meilleures solutions pour réduire les déperditions et augmenter les apports au maximum, les pertes qui seront, en France métropolitaine, pratiquement toujours supérieures aux gains imposent un processus de chauffage contrôlé complémentaire. La conception du bâtiment est donc primordiale pour limiter ce complément de chaleur au minimum indispensable qui doit la plupart du temps être fourni grâce au recours à une source d'énergie extérieure polluante et dispendieuse. C'est même le cas des maisons les plus performantes, les maisons passives, dans lesquelles le chauffage est toujours indispensable, mais seulement quand les températures sont au plus bas, avec des puissances très faibles et seulement quelques jours par an.


Le bilan estival

En été, les déperditions ne peuvent avoir lieu que la nuit lorsque la température extérieure descend en dessous de la température intérieure. Elles résultent :

  • du sol, des murs et des toitures, par conduction
  • de toutes les baies par conduction
  • de la surventilation due à l’ouverture des baies ou au forçage de la VMC
En dehors des apports internes similaires à ceux de la période hivernale, les apports proviennent de l’environnement et n’ont lieu, la plupart du temps, qu’en période diurne. Ils sont le fait :
  • du sol, des murs et de la toiture, par conduction
  • de toutes les baies par conduction
  • des baies vitrées, y compris au nord, par rayonnement direct du soleil, quand elles ne sont pas ombragées
  • du renouvellement d’air de la ventilation et des fuites parasites

En été, pratiquement partout en France,
les apports externes peuvent être limités
de manière à éviter le recours à la climatisation.

Limiter les besoins de climatisation en été implique de réduire les apports ou d’augmenter les pertes. Si les apports internes pendant cette période ont généralement peu d'influence du fait de leur faible puissance, les apports externes peuvent par contre être très importants. Ces derniers sont exclusivement la conséquence de la conception du projet qui permet toutefois de les limiter en très grande partie. Les flux de chaleur étant seulement inversés par rapport à l'hiver, toutes les solutions mises en œuvre pour limiter les déperditions, la limitation des surfaces des parois, de la conductivité des matériaux, du nombre et de la taille des ponts thermiques ainsi que les déperditions par la ventilation fonctionnent également pour limiter les apports en été. De plus, les apports solaires recherchés en hiver peuvent être supprimés en été grâce aux protections solaires fixes et mobiles. Si les apports peuvent être réduits, les pertes peuvent également être augmentées. L'inertie par absorption permet de limiter les pics de température pendant la journée. Associée à la ventilation naturelle ou à la surventilation par la VMC, la chaleur stockée le jour peut être évacuée la nuit. L'efficacité des moyens d'action sur la régulation passive de la chaleur estivale permet généralement de se passer d'un processus de climatisation contrôlé. Encore faut-il qu'ils soient prévus et qu'ils le soient correctement. La conception du bâtiment est donc primordiale pour supprimer ou seulement limiter le recours à la climatisation. Comme pour le chauffage en hiver, et seulement s'il n'y a aucune autre solution, la conception du bâtiment devra limiter le besoin de climatisation au minimum indispensable. Dans les maisons passives, la climatisation n'est généralement indispensable que dans les climats les plus chauds ou dans les grandes villes, lorsque la température nocturne ne descend pas suffisamment pour évacuer la chaleur grâce à la surventilation ou encore lorsque les apports internes sont trop élevés.


Le bilan thermique

La conduction des parois et la ventilation provoquent la majeure partie des déperditions en hiver mais aussi une augmentation des apports en été. En dehors de l’intersaison, ils vont à l’encontre des besoins.

Les fuites d'étanchéité à l'air sont toujours contre-productives puisqu'elles augmentent les déperditions en hiver et les apports en été.

Les apports solaires sont bénéfiques en hiver mais souvent inopportuns en été s'ils ne sont pas maîtrisés.

Les apports internes sont présents toute l’année et relativement constants. Ils contribuent au chauffage en hiver mais participent inutilement à la surchauffe estivale.

Les conséquences de ces paramètres, très nombreux, qui agissent simultanément et souvent de manière opposée, doivent toutes être prises en compte pendant la phase de conception de chaque projet… Combinés ensemble, de manière finalement très complexe, tous ces paramètres peuvent donner un bilan global qui pourra être excellent ou au contraire calamiteux mais toujours difficile à appréhender sans calculs thermiques.

Établir un bilan thermique consiste à déterminer le plus exactement possible, lors de la conception, par des calculs thermiques adaptés, les besoins de chauffage et de climatisation d’une construction en fonction de ses propres caractéristiques et de son contexte, dans le but d'assurer une situation permanente de confort tout en respectant la réglementation et les concepts à mettre en œuvre, RT2012 obligatoirement et passif éventuellement.

Le bilan thermique d'un projet consiste à déterminer
les besoins d'énergie nécessaires afin d'assurer un confort permanent

Le climat local qui dépend notamment de la situation géographique et de l'altitude du terrain d'assise du projet, ainsi que l'environnement proche comme lointain qui peut faire varier les ombrages et donc les apports solaires du tout au rien, ne doivent pas changer l'objectif qui devra être atteint en adaptant la conception d'ensemble du projet

La qualité du bilan thermique est
déterminée par la conception de chaque projet

La méthode de calcul thermique des maisons passives permet également de déterminer la puissance de chauffage nécessaire, et éventuellement celle de la climatisation, de manière à pouvoir choisir les équipements les mieux adaptés aux jours les plus froids et les plus chauds de l’année. Le processus de calcul de la RT2012 ne peut pas fournir ces informations.

Les calculs des puissances de chauffage et de climatisation
doivent être intégrés au bilan thermique


Le bilan énergétique

Le bilan énergétique va plus loin que le bilan thermique. Il permet de simuler, à partir d’un scénario d’utilisation, l’ensemble des besoins d’une construction y compris ceux nécessaires à tous les équipements intérieurs, l’électroménager, l’audiovisuel, l’informatique et les télécommunications, après déduction éventuelle de la production d’énergie primaire en provenance de panneaux photovoltaïques ou d’une éolienne. Ces informations sont données par le calcul PHPP des maisons passives, mais pas par le moteur de calcul de la RT2012

Le bilan énergétique permet de déterminer
l'ensemble des besoins d'une construction


La consommation

Les consommations, contrairement aux besoins, ne sont pas le résultat d’un calcul, mais celui de la réalité de l’usage d’une construction. Elles peuvent être mesurées, mais l’essentiel de leurs connaissances et de leurs compréhensions ne peut provenir que des factures d’énergie.

Même lorsque les caractéristiques du bâtiment construit correspondent vraiment à celles prises en compte pour la détermination et le contrôle des besoins, les consommations ne sont pas nécessairement conformes aux calculs. Si le comportement des occupants et les variations du climat sont primordiaux, l’expérience prouve que la qualité des calculs l’est également. Les consommations des maisons passives, dont les calculs sont effectués grâce au logiciel PHPP, sont, dans une grande majorité des cas, beaucoup plus proches des consommations que ne le sont les constructions RT2012, dont les calculs sont réalisés à partir de la réglementation thermique française avec un moteur de calcul totalement opaque et une unité énergétique technocratique qui prête en permanence à confusion tel qu'expliqué dans l'article "La jungle des kW et des surfaces".


En résumé :

  • Les déperditions d’une construction sont essentiellement le fait de la conduction des matériaux et de la ventilation
  • L’étanchéité à l’air est indispensable pour limiter les pertes inutiles et améliorer le fonctionnement de la VMC.
  • Le soleil, les occupants et les équipements constituent des apports gratuits de chaleur.
  • Les besoins résultent de la différence entre les pertes et les apports
  • La consommation peut être supérieure aux besoins.


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