2-2 - La jungle des kW et des surfaces (V2016)

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Les unités de calcul ou de mesure

Les unités de calcul ou de mesure, quelles qu’elles soient, sont fondamentales parce qu’elles définissent des entités parfaitement différenciables. Seules celles d’entre elles qui sont strictement identiques peuvent faire l’objet d’opérations mathématiques ou de simples comparaisons.

Des erreurs catastrophiques peuvent passer totalement inaperçues en cas d’usage d’unités mal précisées ou seulement très ressemblantes. C’est par exemple le cas lorsque, par erreur résultant du langage courant ou d’un défaut de notation, on parle simplement de kilowatt-heure par m2 et qu’on compare le besoin spécifique d’énergie finale nécessaire au chauffage d’une construction passive équipée d’un système thermodynamique à celui d’une autre dont le chauffage est assuré par de simples radiants électriques mais qui est compté en énergie primaire. L’erreur peut dépasser un facteur 8 du fait du coefficient de performance du système thermodynamique et du facteur de conversion de l’énergie électrique utile en énergie primaire. Des explications plus précises sont fournies dans la suite de cet article.

Une comparaison rationnelle entre deux éléments quelconques ne peut exister que sur la base d’au moins un point commun quantifiable ou tout au moins qualifiable objectivement. Toute autre comparaison découlerait d’un jugement personnel et donc d’un avis purement subjectif et arbitraire. Dans le cas des unités rigoureuses de la physique, l’avis de chacun est sans importance. Deux unités notées différemment, même lorsque la différence de notation est de faible importance, impliquent que les valeurs qu’elles précisent sont des entités différentes qui n’ont aucun point en commun. Il n’est donc pas possible de les comparer directement. Une conversion peut toutefois, dans certains cas, suffire pour pouvoir le faire. L’exemple du paragraphe précédent est particulièrement démonstrateur de ce dernier cas puisque, si l’indication indispensable du type d’énergie interdit toute comparaison directe, elle permet une conversion dans la même unité à condition de disposer des informations concernant l'efficacité du système thermodynamique et le coefficient de conversion de l'énergie utile en énergie primaire.

Les exemples suivants sont typiques des erreurs possibles :
  • L’unité de surface est le m2 mais la surface considérée peut être, entre autres, la surface habitable, la SHab, ou celle de la réglementation thermique RT2012, la SRT. Ces types de surface uniquement utiles dans le domaine du bâtiment découlent de méthodes spécifiques de calcul. Il n’existe pas de relation précise entre elles. Il n’est donc pas possible de se contenter de les nommer à l’aide d’une seule unité générique de type m2 qui n’indique pas leur nature exacte. La notation générique doit être suivie de l’abréviation du type de surface pour être correcte. Les unités seront donc, par exemple, le m2SHab ou le m2SRT.
  • Les kiloWatt, notés kW, et les kilowatt-heures, notés kWh, sont des unités de puissance et d’énergie. Les unités se ressemblent et sont en étroite relation mais correspondent à des concepts différents.
  • Le mW et le MW sont deux unités très semblables et le remplacement de l’une par l’autre peut passer inaperçu. L’usage des lettres minuscules ou majuscules est pourtant capital. Le rapport entre le mW, qui désigne le milliwatt, et le MW, qui symbolise le Mégawatt, est à peine de …un milliard : 1MW = 1 000 000 000 mW. Une erreur d’une telle proportion est toutefois assez improbable.
  • L’énergie utile résulte généralement d’un calcul. L’énergie finale est celle qui est mesurée par les compteurs. L’énergie primaire, directement fournie par la nature, permet à la production de l’énergie finale. Ces trois énergies concernent des concepts différents et doivent être précisées non pas avec le symbole générique du kilowatt-heure, simplement noté kWh, mais avec des unités différenciées par l’adjonction de l’abréviation de leur type. Dans l’ordre de citation, les unités doivent ainsi être notées kWheu, kWhef, et kWhep afin de préciser la nature de l’énergie considérée.

Les unités physiques doivent être indiquées de la manière la plus précise possible.
Il ne peut y avoir comparaison que lorsque les unités sont strictement identiques.


Les différentes unités de surface

Il existe plusieurs notions de surface très différentes qui sont associées aux calculs thermiques :

  • La SHab, Surface Habitable, est, pour simplifier, le total des surfaces de toutes les pièces de la zone de la maison dans laquelle le confort doit être maintenu, la zone chauffée. Leurs contours sont constitués par des cloisons et murs de façade avec leurs menuiseries. Ce type de surface est celui pris en compte par le label Passivhaus.
  • La SU, la Surface Utile, est identique à la surface habitable mais concerne les locaux professionnels ou, plus généralement, tous ceux qui ne sont pas affectés au logement.
  • La SRT, Surface Réglementation Thermique 2012, invention typiquement française à usage exclusif de la RT2012, est la somme des surfaces de plancher de chaque niveau de la construction calculées ou mesurées au nu extérieur des façades après déduction des trémies, des surfaces des sous-sols et des combles non aménageables, des toitures-terrasses, balcons, loggias et surfaces non closes situées au rez-de-chaussée ainsi que des surfaces des bâtiments affectés au stationnement des véhicules ou à usage agricole. Les surfaces sont considérées non aménageables lorsque les hauteurs sous plafond sont inférieures à 1,80m.
  • La SRE, Surface de Référence Énergétique, est exclusivement utilisée pour les calculs liés à la certification Passivhaus. Elle n’a aucune valeur réglementaire en France. Elle correspond pratiquement à la surface habitable. La SRE est donc remplacée par la SHab dans le cadre d’une labellisation Passivhaus française.
Suivant le mode constructif et notamment les épaisseurs des murs porteurs et des isolants, la conversion d’un type de surface en un autre peut varier considérablement. Il n’existe donc pas de formules utilisables directement et seuls des ratios peuvent être utilisés pour tenter de les mettre en relation ou pour les comparer. Dans la jungle de ces surfaces, qui ne représentent qu’une partie de toutes celles qui existent dans le domaine du bâtiment, les différentes réglementations françaises, concernant des sujets quasi similaires, ne font même pas toujours référence à la même notion. Les DPE, Diagnostics de Performances Énergétiques, utilisent la surface habitable alors que la Réglementation Thermique RT2012 a créé la SRT !!!

L’absence de précision de la nature de la surface est donc une source d’erreur permanente qui peut atteindre voir dépasser un taux de 25% correspondant, dans certains cas, au rapport entre la SHab et la SRT.

Les notations des surfaces devront, pour toute comparaison, être toutes indiquées avec strictement la même unité.


Puissance et énergie

Les unités de puissance et d’énergie ne doivent pas être confondues. Le kilowatt kW est une unité de puissance alors que le kilowatt-heure kWh est une unité d’énergie. Énergie et puissance P sont toutefois liées puisque l’énergie E correspond à l’utilisation d’une puissance P pendant un temps T:

E = P * T

Dans cette formule :

  • l’énergie E est exprimée en kilowatt-heure : kWh
  • la puissance P  est exprimée en kilowatt : kW
  • le temps T  est exprimé en heures : h
De cette formule simple, résulte qu’à énergie égale, une plus grande puissance permettra de réaliser un travail plus rapidement puisque:

T = E / P

Dans le cadre d’une construction, l’énergie fournie par le système de chauffage doit être suffisante pour compenser la totalité des pertes d’énergie les jours les plus froids de l’hiver, au risque de ne pas pouvoir maintenir une température confortable. Pour une température de confort donnée et à rendement égal, la quantité d’énergie nécessaire sera assez proche si le chauffage fonctionne peu de temps à forte puissance ou longtemps mais à faible puissance. Une plus grande puissance permettra seulement de chauffer plus vite une maison après une longue période d’inoccupation par exemple


Les différentes unités de puissance

L’unité de puissance est le Watt W, ou le kilowatt kW, parfois le milliwatt mW ou le mégawatt MW.

Le tableau des conversions est le suivant :

  • 1W = 1000mW
  • 1kW = 1000W
  • 1MW = 1000kW
La puissance est toujours calculée ou mesurée. Il s’agit donc d'une valeur utile et il n’existe pas de notion de puissance finale ou primaire. Elle peut être spécifique à une entité, le m2 de surface habitable par exemple. Dans ce cas, l’unité de puissance spécifique doit faire référence à cette entité avec précision. Dans l’exemple précédent, l’unité est le kW/m2Shab. Ne pas préciser SHab pourrait conduire à comparer les kW/m2Shab et les kW/m2SRT qui n’ont rien à voir puisque les deux types de surfaces sont totalement différents tel que précisé dans le paragraphe ci-dessus.

Comme pour toute unité, les notations de puissance devront, pour toute comparaison, être toutes indiquées avec strictement la même unité.


Les différentes unités d’énergie

L’unité légale d’énergie est le Joule J qui correspond à une énergie très faible de 1Watt pendant 1 seconde, 1Ws. Dans le domaine de l’architecture, l’unité usuelle est le kilowatt-heure kWh, parfois le mégawatt-heure MWh.

Le tableau des conversions est le suivant :
  • 1Wh = 3600Ws = 3600J = 1000 mWh
  • 1kWh=1000Wh
  • 1MWh = 1000kWh
Trois types d’énergie sont pris en compte :
  • L’énergie utile - L’unité est notée kWheu : c’est l’énergie, généralement calculée par application des seules lois de la physique, strictement nécessaire à la réalisation d’une action. C’est, par exemple, l’énergie correspondant aux besoins de chauffage calculés avec le PHPP pour les maisons passives. Elle correspond à l’énergie finale dans le cas ou il n’y a aucune perte depuis la source et à l’énergie primaire si le coefficient de conversion est de 1.
  • L’énergie finale - L’unité est notée kWhef : c’est l’énergie indiquée par les compteurs, c’est celle que vous aurez à payer. Elle correspond à l’énergie utile augmentée des pertes de rendement ou, inversement, diminuée grâce à l’usage d’un système thermodynamique ou solaire. Dans le cas, par exemple, d’un besoin de 100 kWheu et d’une chaudière dont le rendement est de 80 %, l’énergie finale sera supérieure à l’énergie utile et atteindra 100/0,8 soit 125 kWhef. Inversement, dans le cas d’un système thermodynamique, l’énergie finale pourra être réduite à 100/2,5 soit 40 kWhef.
  • L’énergie primaire - L’unité est notée kWhep : c’est l’énergie d’origine, celles qu’on trouve dans la nature, utilisable à l’état brut après extraction, transformation et transport jusqu’au lieu d’utilisation. Le pétrole, le gaz, le charbon, le bois et l’uranium sont des énergies primaires. L’électricité n’est pas naturelle. Elle résulte de la conversion d’une source d’énergie primaire en électricité, dans une centrale électrique, et nécessite un transport supplémentaire jusqu’à votre compteur. L’extraction, la conversion et les transports nécessitent de l’énergie dépensée en pure perte. Les taux français de conversion de l’énergie, définis par la RT2012, censés les représenter, sont pourtant tous définis à 1 sauf celui de l’électricité qui est de 2,58. Le fait que le bois soit renouvelable, et très probablement beaucoup plus proche du lieu final d’utilisation que le pétrole ou le gaz, n’est pas pris en compte. Les facteurs de conversion de la certification Passivhaus sont beaucoup plus réalistes puisqu’ils sont de 0,6 pour le bois, 2,6 pour l’électricité et 1,1 pour toutes les autres sources d’énergie. L’énergie primaire, qui provoque une forte incompréhension du fait des facteurs de conversion généralement méconnus, est le type d’énergie utilisé par la Réglementation Thermique française RT2012.
La méconnaissance de la distinction du type d’énergie, simplement notée kWh, peut conduire à des erreurs d’un facteur égal à 2,58 dans le cas des taux français de conversion de l’énergie électrique utile en énergie primaire et de 4,33 qui correspond au rapport entre le taux de 0,6 de conversion du bois et celui de l’électricité égal à 2,6, dans le cas du label Passihaus.

Comme pour la puissance, les unités d’énergie peuvent être spécifiques à une entité, le m2SHab ou le m2SRT par exemple. Dans ce cas, l’unité d’énergie spécifique doit également faire référence à cette entité avec précision. Ne préciser, comme dans l’exemple du début de cet article, ni le type d’énergie ni celui des surfaces, peut conduire à une erreur cumulée d’un facteur supérieur à 8. Il est de plus à noter que la notation vraiment correcte des unités d’énergies spécifiques ne devrait pas être le kWheu/m2SHab•an mais, du fait de la priorité des opérateurs mathématiques, le  kWheu/(m2SHab•an) ou le  kWheu/m2SHab/an. Il en va bien sûr de même avec l’énergie finale ou l’énergie primaire.

La comparaison des valeurs d’énergie implique que, comme pour les surfaces et les puissances, toutes soient au minimum de même type et indiquées avec exactement la même unité.


Comparaison des unités

Les différentes unités d’énergie, les kWh, ou d’énergie spécifique, les kWh/m2•an, dont les différenciations par type ne sont pas précisées, conduisent notamment à l’erreur, très fréquente sur internet, de comparaison entre les principaux critères énergétiques des constructions RT2012 et passives décrit ci-après :
  • Le besoin maximal de chauffage des constructions passives, certifiées Passivhaus, est de 15 kWh/m2•an.
  • La consommation des constructions RT2012 est limitée à 50 kWh/m2•an.
Pour de nombreux lecteurs, la conclusion logique est que les constructions passives consomment au minimum 3 fois moins que les constructions RT2012… et pourtant ce raisonnement est totalement faux pour plusieurs raisons :
  • Les éléments à prendre en compte pour le calcul des maisons passives et RT2012 sont différents
  • Les surfaces de base sont différentes
  • Les notions d’énergies sont différentes
  • Les méthodes de calcul sont différentes
  • Les calculs PHPP des maisons passives définissent des besoins réels alors que ceux de la RT2012 ne définissent qu’une consommation conventionnelle qui correspond plus à une note pour s’assurer du respect de la réglementation qu’à une réalité physique. Dans les deux cas, il ne s’agit pas des consommations réelles.
  • Des facteurs de correction ont été instaurés par la réglementation RT2012
L’erreur de comparaison entre le besoin des maisons passives et la consommation conventionnelle de la RT2012 est en grande partie due au fait que les notations des unités ou leur transmission orale sont pratiquement toujours incorrectes et imprécises.

Les besoins des 2 types de construction devraient être indiqués tel que ci-après :
  • L’énergie utile pour le besoin de chauffage des constructions passives est limitée à 15 kWheu/m2SHab•an.
  • L’énergie primaire des constructions RT2012 est limitée à 50 kWhep/m2SRT•an pour les 5 besoins que sont le chauffage, la climatisation, l’eau chaude sanitaire, les auxiliaires de chauffage et de ventilation ainsi que l’éclairage.
Les deux unités correctement précisées n’ont finalement aucun point commun. Elles ne peuvent donc pas être comparées simplement.

Le fait de ne pas spécifier le type des unités d’énergie, le kWheu ou le kWhep, combiné à l’absence de précision sur le type de surface, la SHab ou la SRT et, indépendamment des unités et des méthodes de calcul, de ne pas préciser le type des prestations prises en compte dans la définition des besoins de chauffage du passif et de la consommation conventionnelles d’énergie primaire de la RT2012, permet d’aboutir pratiquement systématiquement à la conclusion précédente parce qu’elle paraît parfaitement logique. La réalité, qui dépend des coefficients de conversion de l’énergie utile en énergie primaire et des systèmes de production du chauffage, peut être très différente et varier, pour un même projet, dans d’énormes proportions parfois inférieures au facteur 3 mais souvent supérieures à un facteur 4.


Variantes conceptuelles et locales

Dans la jungle des kWh, toutes les valeurs qui sont issues d’un calcul d’énergie primaire ou qui aboutissent à ce type d’unité doivent être vérifiées avec attention. Les coefficients de conversion résultent plus de choix politiques que de réalités incontestables de la physique. Ils varient en fonction des concepts et des pays dans des proportions qui peuvent être très importantes. Un des cas les plus flagrants est le rapport de 60% entre le coefficient de conversion du bois du label Passihaus et celui de la RT2012.

Dans le cas de l’énergie primaire, l’usage correct des unités n’est pas suffisant. Les comparaisons ou opérations sur des valeurs qui concernent ce type d’énergie ne sont réalisables que dans le cas où les coefficients utilisés pour les obtenir ont la même origine.


En résumé :
  • Les unités du label Passivhaus sont le kWheu et le m2SHab
  • Les unités de la RT2012 sont le kWhep et le m2SRT
  • Le type d’unité doit être indiqué avec la plus grande précision possible pour limiter tout risque d’erreur
  • Les comparaisons ou opérations sur des valeurs d’énergie primaire ne sont réalisables que dans le cas où les coefficients utilisés pour les obtenir ont la même origine.


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