L'énergie dans l'habitat/en

Low-tech Lab

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/L%27%C3%A9nergie_dans_l%27habitat/en

Dernière modification le 08/11/2022

Difficulté

Medium Moyen

Durée

0 month(s) mois

Coût

0 EUR (€)

Description

How to have energy-efficient homes

Sommaire

Energie, économie, Sobriété, chauffage, Solaire, Biomasse, Low-tech Tour France, en fr 1

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Introduction

Today, whether for environmental, economic, or political reasons, many people want to be self-sufficient in energy production. However, before thinking about more ecological methods of energy production, it is important to first lower your own energy consumption. And to do that, you will need to know how much energy you are consuming.

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Étape 1 - Energy consumption in France

In France, buildings account for 45% of the total energy consumed, followed by transportation (33%), industry (19%), and agriculture (3%). Two-thirds of the energy consumption in this category comes from housing and one-third from service sector buildings.

Within the home, in 2013, 67% of consumed energy went toward heating the home, 10.4% toward heating water, and 6% toward cooking. The remaining 16.6% was used for lighting, household appliances, office equipment, and hi-fi, all of which is grouped under the term “specific energy”. The 16,000 kWh consumed by each household costs just over €1,700 per year.

In France, residential heating accounts for a larger portion of the total energy consumed (20.1%) than does industry (19%).

Étape 2 - Glossary

In this tutorial, each category of home energy consumption is explained in detail. The topics of power and energy, which are relatively abstract, are addressed throughout the text.

Here is a brief explanation of these concepts:

Power (P) is measured in watts (W) or kilowatts (kW) Energy (E) is measured in watt-hours (Wh) or kilowatt-hours (kWh)

Power and energy are linked by time: power is the amount of energy per unit time. Power is therefore a rate of energy transfer. P x t = E

Here is an example to illustrate these two closely related concepts:

A cyclist pedaling slowly generates a power of 50 W. If they cycle for an hour, they produce an energy of 50 W x 1 hr = 50 kWh. If they pedal at this same slow speed for two hours, they produce an energy of 50 W x 1 hr = 100 kWh.

The 16,000 kWh produced annually per household thus corresponds to 320,000 hours, or 36 years, of non-stop slow cycling.

If we had to pedal to produce our own energy, how much time would it take? The game “Revolt” shows you the energy consumption of your everyday appliances in hours of cycling: http://la-revolt.org/

Étape 3 - Electricity and heat in the home

More than three-fourths of energy consumed in the home goes toward heat production (home heating, hot water, and cooking). Half of electricity used in the household (50.4%) is for heat production. 81% of electricity is produced by nuclear power plants or fossil energy (gas, carbon, and oil).

The efficiency of nuclear power plants is around 30%. Here is a closer look at the electricity production and transport process: Fluid is heated to create pressure, and this pressure turns a turbine, which in turn feeds a generator to produce electricity. The resulting electricity is transported to homes, and there it is turned into heat. In terms of energy use, with three transformations and transport involved in the process, heating by electricity is not in our best interest.

Étape 4 - Solar power

The earth is subjected to significant solar radiation of an average power of 173 petawatts (1 PW = 1,015 W), which is 11,500 times the power consumed by humanity.

This solar power is being used a little more each day through the installation of photovoltaic panels. This type of panel has an efficiency of around 15%. There is another more technologically simple system that produces not only electricity but heat. These thermal solar panels have an efficiency of greater than 60%. This means that they produce four times the energy of photovoltaic panels over the same surface area. This is an attractive solution in light of the substantial heating needs in the home.

On a clear day, the power of solar radiation on the surface of the earth is 1,000 W/m2. Even then, the intensity of solar radiation depends greatly on the season. In the summer, the sun is at its highest, or more perpendicular to the earth’s surface, and thus a greater density of rays is captured. On the other hand, in the winter, the sun is at its lowest. Not only is the angle of the sun affected by seasons, but so is day length. In Paris, the day’s length during the winter solstice is a little over 8 hours, while during the summer solstice, the day’s length is more than 16 hours.

Taking into account the power of the sun’s radiation and day length, the solar energy produced on a summer day is almost 6 times greater than that of a winter day (E = P x t).

In order to harness this energy for thermal and electrical use, it is important to orient the panels at an optimum angle for the season, that is, more vertically in the winter and more horizontally in the summer. The fact remains that solar energy is always present, and a system that is very productive during the summer can always be used as a supplement in the winter.

Étape 5 - Heating: the ideal temperature

It is natural that the temperature of a home is higher in the summer than the winter, and that we should dress appropriately for the seasons. Furthermore, it is not necessary for the house to be hot in order to live comfortably. The average temperature of a French home is 20 °C. The ADEME (the French Environment and Energy Management Agency) recommends a temperature of 19 °C in living areas and 16 °C in bedrooms. The difference in heating at 20 °C instead of 19 °C produces an energy overconsumption of 7%.

This can be partly explained scientifically using a simplified version of Fourier’s law, or the law of thermal conduction: J_th = -λ GradT = λ x ∆T/e

Jth : heat flow (W/m²)

λ : thermal conductivity (W/m/K)

∆T : temperature difference between the two sides of the wall (°C or K)

e : thickness of the wall (m)

Selon cette loi, le flux thermique (la perte de chaleur) est proportionnel à la différence de température.

En exemple, s’il fait 12°C à l’extérieur et que l’habitat est chauffé à 18°C :

                          J_th1 = λ x (18-12) / e = λ x 6 / e

S’il fait toujours 12°C à l’extérieur mais que l’habitat est chauffé à 24°C :

                          J_th2 = λ x (24-12) / e = λ x 12 / e = 2×J_th1

Quel que soit l’isolant utilisé et son épaisseur, s’il fait 12°C à l’extérieur les déperditions thermiques seront 2 fois plus importantes à 24°C qu’à 18°C.

Étape 6 - Chauffage - l'isolation

Le chauffage représente en moyenne sur l’année les deux tiers de la consommation énergétique des foyers avec environ 11 000 kWh. N’étant utilisé que pendant la saison froide, environ six mois de l’année, il est un véritable « gouffre d’énergie » avec 60 kWh journaliers lissés sur cette période.

Une très bonne isolation permet de réduire de 80% les besoins en chaleur. Il est possible d’isoler son habitat de plusieurs manières avec des efficacités et des coûts économiques très différents.

En exemple, l’isolation par l’extérieur est intéressante : elle permet de garder le logement en dehors du froid environnant et de conserver l’énergie solaire dans les matériaux lourds de la construction, s’ils ne sont pas couverts d’un isolant thermique. Mais cette méthode d’isolation est onéreuse et demande d’importants travaux. De plus ce n’est pas par les murs que les déperditions thermiques sont les plus importantes.

En premier lieu, il faut faire attention à la bonne étanchéité à l’air. Chauffer un courant d’air, même bien isolé, est inutile. La circulation d’air provient majoritairement des espaces entre les fenêtres, portes et leurs cadres. Un joint en mousse limitera fortement le vent ambiant.

Les fenêtres sont responsables de 10 à 15% des déperditions thermiques, Fermer ses volets ou tirer un rideau lourd évite un investissement dans une nouvelle épaisseur de vitrage.

Il faut également faire attention aux ponts thermiques : ce sont des zones de faiblesse dans l'enveloppe d'un bâtiment. Le froid extérieur est alors plus rapidement transmis à l’intérieur du logement. Les ponts thermiques les plus importants se situent aux jonctions entre la toiture et les murs et entre les murs et les menuiseries des fenêtres. Ce sont les premières régions à isoler.

Dans l’étape précédente est détaillée la loi de Fourier sur la conduction thermique. La conduction thermique est la quantité de chaleur qui passe d’un milieu à un autre en fonction du matériau les séparant et de son épaisseur. Cette conduction dépend du facteur de conductivité thermique (λ) propre à chaque matériau. Plus λ est faible, plus le matériau est isolant. Selon la norme française RT2012, un matériau est considéré comme isolant si sa conductivité thermique est inférieure à 0,065 W/m/K. Voici quelques exemples de matériaux communs pouvant être utilisés dans la construction :

Matériaux λ (W/m/K) à 20°C

Brique (terre cuite) 0,84

Carton 0,11

Laine de verre 0,04

Paille 0,04

Étape 7 - Chauffage - chauffer autrement

Le logement n’est plus un courant d’air. Les principaux ponts thermiques de l’enveloppe sont isolés. La température ciblée est réduite de quelques degrés. Les besoins en apports caloriques sont donc fortement réduits. Il devient intéressant de s’orienter vers une nouvelle source de chaleur, au moins auxiliaire, pour réduire sa consommation directe (gaz, fioul) ou indirecte (électricité) d’énergies fossiles.

En fonction du type d’habitat et de la région, il peut être intéressant de chauffer à la biomasse (bois, pellet, granulé de bois) dans un poêle à bois. Les poêles de masse (tutoriel disponible en décembre) ont un rendement supérieur à 80% et sont donc très économiques en combustibles.

Attention, chauffer à la biomasse n’est pas synonyme d’écologie. En effet, les cheminées à foyer ouvert sont un moyen de chauffage des plus médiocres. L'air réchauffé est aspiré par la cheminée. La cheminée ne chauffe dès lors que par rayonnement. Plus le foyer sera chaud, plus le tirage sera important, plus l’air intérieur sera évacué vers l’extérieur. Un foyer ordinaire peut avoir un tirage de 800 à 1 000 mètres cubes d'air par heure. Le rôle principal des cheminées est donc réduit à de la ventilation. Caricaturalement, avec une cheminée, plus on chauffe, plus il fait froid (en dehors de la zone de rayonnement).

De plus, la combustion dans un foyer ouvert est très incomplète. Les fumées qui s’échappent d’une cheminée sont des hydrocarbures non consommés, donc un manque à gagner et une pollution supplémentaire.

En résumé, moins il y a de fumées en sortie du poêle, meilleur est le rendement de la combustion. Plus la température des fumées est faible, plus la chaleur est donnée au logement.

Pour limiter le volume de combustible (biomasse, gaz, fioul) pour se chauffer, il est également possible d’utiliser le rayonnement solaire et sa transformation en calories. En hiver, les journées sont plus courtes et le rayonnement solaire est moins puissant qu’en été mais l’énergie disponible reste cependant importante.

En prenant en compte la météorologie, d’octobre à mars, période d’utilisation du chauffage, le soleil fournit plus de 3 kWh/m² par jour dans le sud de la France, plus de 2 kW.h/m² dans le nord. En prenant un rendement de 60%, les énergies captées par un panneau solaire thermique seraient respectivement de 2 et 1,3 kW.h/m²

Étape 8 - Chauffe-eau

Le chauffage de l’eau chaude sanitaire représente plus de 10% de l’énergie totale consommée à l’année dans un logement. La consommation moyenne d’un foyer est d’environ 1 700 kW.h par an soit un peu moins de 5 kW.h par jour.

Comme pour le chauffage du logement, la première action à réaliser est de bien isoler sa chaudière, son chauffe-eau et les tuyaux qui en sortent. Un chauffe-eau neuf de 200 litres a des pertes statiques de plus d’ 1 kW.h par jour. Les pertes statiques sont l’énergie liée à la diminution de la température de l’eau sans qu’elle soit consommée. 20% de la consommation quotidienne est perdue. Sur-isoler le ballon permet d’économiser une part conséquente de l’énergie. Quand on touche un chauffe-eau, il doit être froid, sinon c’est un radiateur, il perd de l’énergie par rapport à sa fonction première.

Précédemment étaient étudiés les intérêts et limites du chauffage solaire thermique. Les besoins en chauffage sont inversement proportionnels à l’énergie fournie par le soleil. Pour l’eau, la situation est bien différente : les besoins sont similaires toute l’année et 13 fois moins forts que le chauffage en plein hiver.

Le fonctionnement des chauffe-eau solaires est simple : un fluide caloporteur (qui transporte la chaleur) passe dans des tubes isolés exposés idéalement au soleil. Avec le rayonnement, le fluide chauffe ; quand la température du fluide est supérieure à celle du ballon d’eau chaude, un thermostat ouvre la vanne de circulation. Le fluide caloporteur transfère ses calories à l’eau sanitaire.

L'eau du ballon chauffe dans la journée, avec le soleil. L’eau a une bonne inertie thermique, elle gardera sa température pendant la nuit si le ballon est isolé.

Les systèmes solaires thermiques ont un rendement en général supérieur à 60%, c’est-à-dire que si le soleil rayonne 1 000 W/m², un chauffe-eau solaire de 1 m² générera au moins 600 W de chaleur.

Avec l’ensoleillement moyen en France, 4 m² de panneaux permettent de couvrir les besoins quotidiens toute l’année ; 3 m² de panneaux permettent de couvrir les besoins pendant 90% de l’année, décembre excepté; 2 m² couvrent les besoins en eau chaude pendant la moitié la plus chaude de l’année.

Quelle que soit la saison, il est possible d’avoir plusieurs jours consécutifs sans soleil. L’eau restera froide. Les systèmes de chauffe-eau solaires sont en général couplés avec un système électrique qui prend le relai pendant les longues périodes nuageuses.

Un système de chauffe-eau solaire low-tech sera documenté par le Low-tech Lab en 2018.

Étape 9 - Cuisson

La cuisson représente environ 6% de l’énergie consommée. C’est un peu moins de 1 000 kWh sur l’année soit environ 2,5 kWh par jour.

Globalement, d’un point de vue énergétique, la cuisson au gaz est la plus intéressante. L’efficacité d’une gazinière est de 60%, contre 90% pour des plaques à induction. Mais, comme vu en introduction, l’électricité du réseau est produite avec de la chaleur. Si on prend en compte les 70% de pertes de la centrale et du réseau, le rendement énergétique de l’induction chute à 27%.

Le gaz naturel distribué dans le réseau est du méthane (CH4). Il est possible d’en produire à petite échelle à partir de déchets organiques via un compostage anaérobique. Les systèmes domestiques permettant la production de méthane sont appelés méthaniseurs ou biodigesteurs.

Pour réduire la consommation propre à la cuisson, deux solutions simples peuvent être mises en place : les jupes isolantes et la marmite norvégienne. Une gazinière perd une bonne partie de son énergie en chauffant l’air autour de la casserole. Une jupe permet de concentrer la chaleur du feu sur la zone à chauffer. La jupe isole également les champs de la casserole, cela permet de limiter les pertes de chaleur pendant et après la cuisson. C’est également le principe de la marmite norvégienne, particulièrement utilisée pour les cuissons longues. Une fois le plat monté à température, on le retire du feu pour le placer dans une enceinte très bien isolée. La chaleur va descendre très doucement, possiblement pendant des heures, permettant à la cuisson de continuer sans consommer d’énergie additionnelle. Pour ces deux solutions, des tutoriels seront bientôt disponibles.

Étape 10 - Energie spécifique

L’énergie spécifique est l’énergie dédiée à la lumière, l’équipement électroménager, la bureautique et la hi-fi. C’est la seule énergie pour laquelle le besoin est de l'électricité. Toutes les autres énergies de l'habitat sont des besoins de chaleur. Elle représente aujourd’hui 16,6% de l’énergie consommée. C’est un peu moins de 2 700 kW.h sur l’année soit environ 7 kW.h par jour.

Avec l’arrivée massive des lampes à économie d’énergie et des LED, la consommation consacrée à la lumière a fortement diminué. Cependant, la consommation d’énergie spécifique a doublé depuis 1990. En cause, le nombre croissant d’appareils électriques et électroniques, comme les téléphones et ordinateurs qui habitent le quotidien.

Pour limiter sa consommation spécifique, il faut faire attention à ne pas multiplier les appareils. De plus, les appareils non utilisés sont souvent en veille, avec une consommation légèrement inférieure à 1 W. Mais une veille d’un Watt sur l’année correspond à l’énergie nécessaire pour cuisiner pendant 4 jours. L’énergie consommée par plusieurs appareils en veille peut être conséquente.

Pour finir, bien qu’invisible individuellement mais avec un très fort impact à l’échelle nationale : la consommation électrique en fin de journée, où une grande partie des besoins énergétiques sont concentrés sur quelques heures. Chacun rentre chez soi et allume tous ses appareils (téléviseurs, ordinateurs, machine à laver, cuisinière, etc). La demande est telle que la consommation nationale connaît un véritable pic sur cette période. L’énergie n’étant pas ou peu stockable, les centrales doivent fournir cette énergie en direct. Le parc électrique français est dimensionné par cette demande en énergie, en début de soirée.

Si la consommation électrique était lissée sur la journée, plusieurs centrales électriques pourraient être fermées. Pour répartir ce besoin, il est possible de programmer certains appareils pour la nuit ou, encore mieux, en journée, profitant du solaire photovoltaïque de plus en plus présent.

Étape 11 - Conclusion

La consommation énergétique dans le logement français est importante. La première étape à réaliser dans la transition énergétique individuelle n’est pas le changement de source d'énergie et/ou d’échelle. L’installation de panneaux photovoltaïques ou d’éoliennes n’est pas intéressante économiquement et écologiquement parlant s’il n’y a pas eu une importante réduction de la consommation énergétique avant.

Mais réduire sa consommation ce n’est pas se priver ou même perdre du confort. C’est rendre son habitat plus efficace. L'efficacité, c’est avant tout limiter ses pertes. Plus de 70% de l'énergie consommée étant du chauffage, limiter ses pertes c’est bien isoler son logement.

Une fois les pertes réduites il est possibles de s’orienter vers des solutions moins puissantes. Dans ces conditions les alternatives intéressantes sont nombreuses, en low-tech, ou conventionnelles :

• poêle à bois
• chauffage solaire
• chauffe-eau solaire
• architecture bioclimatique
• éolienne
• panneaux solaires
• biogaz
• marmite norvégienne
• jupe isolante

Notes et références

• https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/mix-energetique-de-la-france
• http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/energie-climat/r/consommations-secteur-tous-secteurs.html?tx_ttnews%5Btt_news%5D=21060&cHash=4168b27f68d9955400f2c25b0419095f
• https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/collection-datalab
• http://ines.solaire.free.fr/gisesol_1.php#
• https://fr.wikipedia.org/wiki/Conductivit%C3%A9_thermique
• https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/mix-energetique-de-la-france
• https://www.e-rt2012.fr/explications/conception/explication-architecture-bioclimatique/
• http://www.solaire1300.ch/f/technologie-solaire/rayonnement-solaire-delivre-par-heure.asp
• http://www.ademe.fr/particuliers-eco-citoyens/habitation/renover/isolation/isolation-toit-murs-planchers

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