L'énergie dans l'habitat

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Comment avoir un logement énergétiquement efficace?

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Introduction

Aujourd’hui, pour des raisons environnementales, économiques ou politiques de nombreuses personnes souhaitent être autonomes en énergie. Mais, avant de réfléchir à des modes de production d’énergies plus écologiques, il faut déjà réduire sa propre consommation et, pour réduire, il faut savoir ce que l’on consomme.

Step 1 - Le contexte énergétique français

En France, les bâtiments absorbent 45% de l’énergie totale consommée, loin devant les transports(33%), l’industrie (19%) et l’agriculture (3%). Les deux tiers de la consommation énergétique de ce secteur proviennent des logements, le tiers restant des bâtiments du tertiaire.

Dans le logement, sur l’année 2013, 67% de l’énergie consommée sert à chauffer l’habitat, 10.4% permettent de chauffer l’eau sanitaire, 6% pour la cuisson. Les 16.6% restants correspondent à la lumière, les appareils électroménagers, la bureautique et l’hi-fi, que l’on regroupe sous le terme d’énergie spécifique. Les 16 000 kWh consommés pour chaque logement reviennent à un peu plus 1700€/an.

En France, le chauffage résidentiel est un plus gros poste de dépense énergétique (20,1%) que l’industrie (19%).



Step 2 - Glossaire

Dans cette notice, chacun des postes de consommation énergétique de l’habitat est décortiqué ainsi que des moyens associés à leur réduction. Au fil du texte, les sujets de puissance et d’énergie, relativement abstraits, sont abordés.

Les quelques lignes ci-dessous tentent de les expliquer : - Puissance, P en Watts : W ou kiloWatts : kW, - Energie, E en Watts x heure : W.h ou kW.h.


La puissance et l’énergie sont liées par le temps : la puissance est la quantité d'énergie par unité de temps. La puissance correspond donc à un débit d'énergie. P x t = E


Voici un exemple pour illustrer les deux concepts intimement liés : Un cycliste qui pédale tranquillement génère une Puissance de 50W. S’il fait du vélo pendant une heure, il produit une Energie de 50W x 1h = 50 W.h. S’il pédale, toujours tranquillement, pendant deux heure, une Energie de 50W x 2h = 100 W.h

Les 16 000 kW.h annuels par foyer correspondent donc à 320 000 heures de vélo ou 36 années de cyclisme « tranquille » mais non-stop.

Step 3 - L’électricité et la chaleur dans l’habitat

Plus des trois quarts de l’énergie consommée dans l’habitat servent à la production de chaleur (chauffage, eau chaude sanitaire, cuisson). La moitié de l’électricité des foyers (50,4%) est utilisée dans cet objectif. 81% de l’électricité est produite dans des centrales thermiques nucléaire ou à énergie fossile (gaz, charbon, fioul).

Le rendement de ces centrales puis l’acheminement de l’électricité se situe autour de 30%. Regardons de plus près : la chaleur met un fluide sous pression, la pression permet de faire tourner une turbine, la turbine alimente un générateur, l’électricité est acheminée puis fait de la chaleur. Energétiquement parlant, avec trois transformations et le transport, il n’est pas intéressant de chauffer avec de l’électricité.

Step 4 - La puissance solaire

La Terre est soumise à une irradiation solaire très importante, d'une puissance moyenne de 173 Pétawatts(1 PW = 1015 Watts) soit 11 500 fois la puissance consommée par l’humanité.

Chaque jour elle est un peu plus utilisée via l’installation de panneaux photovoltaïques. Ce type de panneau à un rendement d’environ 15%. Il existe un système technologiquement plus simple non pas pour fournir de l’électricité mais de la chaleur. Les panneaux solaires thermiques ont un rendement supérieur à 60%. Ils produisent donc quatre fois plus que les panneaux PV pour une même surface. Intéressant pour un besoin en chaleur prédominant sur toute l’année.

Par temps clair, la puissance du rayonnement solaire à la surface de la Terre est de 1 000 Watts/m². Cependant l’intensité solaire dépend fortement des saisons. En été le soleil est « au plus haut », plus perpendiculaire à la surface terrestre donc une plus grande densité de rayons est captée. A l’inverse, en hiver, il est « au plus bas ». De plus la durée des journées varie du simple au double, avec, pour Paris, un peu plus de 8h de jour au solstice d’hiver et plus de 16h au solstice d’été.

En prenant en compte la puissance solaire et la durée du jour, l’énergie solaire d’un jour d’été est jusqu’à six fois plus importante qu’un jour d’hiver (E=Pxt).

Dans l’idée d’utiliser cette énergie pour des applications thermiques ou électriques, il faut penser à orienter son système en fonction de la période de plus forts besoins, plus vertical l’hiver, plus horizontal l’été. Il reste que l’énergie solaire est toujours présente et qu’un système très productif en été sera toujours un appoint intéressant en hiver.




Step 5 - Chauffage - la témpérature idéale

Il est normal que la température d’un logement soit plus élevée l’été que l’hiver et qu’il faille s’habiller en fonction des saisons. De plus, pour un bon confort de vie, il n’est pas nécessaire qu’il fasse chaud chez soi. Il fait en moyenne 20°C dans un logement français. L’Ademe recommande une température de 19°C dans les pièces à vivre et de 16°C dans les chambres. La variation d’un chauffage de 19°C à 20°C entraîne une surconsommation d’énergie de 7%.


Scientifiquement, cela s’explique par la loi simplifiée de Fourier ou de conduction thermique:

                          J_th = -λ GradT = λ x ∆T/e

Jth : flux thermique (W/m²)

λ : conductivité thermique (W/m/K)

∆T : écart de température entre les côtés de la paroi (°C ou K)

e : épaisseur de la paroi (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.

Step 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 demande d’importants travaux et est onéreuse. 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 suivante 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-1.K-1. Ci-dessous quelques exemples de matériaux communs pouvant être utilisé 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

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