Exercices: Architecture bioclimatique et économies d'énergie

Expliquer ce qu'est l'architecture bioclimatique et citer deux de ses stratégies caractéristiques, en indiquant ce que permet chacune.

En France, pourquoi est-il intéressant d'orienter les grandes fenêtres d'un logement vers le sud ? Expliquer ce que cela permet en hiver et quel problème peut apparaître en été.

La figure montre la coupe d'une maison bioclimatique, avec un élément des murs marqué d'un ?. Indiquer de quel élément il s'agit, quelle fonction il remplit et expliquer pourquoi le soleil d'hiver entre par la fenêtre mais pas le soleil d'été.

Nommer trois sources d'énergie renouvelables et trois sources non renouvelables, puis expliquer en une phrase la différence fondamentale entre ces deux groupes.

Expliquer ce qu'est l'isolation thermique d'un bâtiment et nommer les deux éléments d'un logement où elle est généralement la plus importante (toit, façades, fenêtres), en justifiant le choix.

Qu'est-ce que l'étiquette énergie des appareils électroménagers ? Expliquer ce qu'indique sa lettre et pourquoi il convient de la regarder (ainsi que la consommation annuelle) avant d'acheter.

Expliquer pourquoi une fenêtre à double vitrage isole mieux qu'une fenêtre à simple vitrage : quel rôle joue la lame d'air entre les deux vitres.

Nommer trois habitudes d'économie d'énergie à la maison, estimer laquelle permet d'économiser le plus d'énergie sur une année et justifier cette estimation.

Une salle de classe souffre beaucoup de la chaleur l'après-midi au mois de juin. Proposer trois solutions bioclimatiques (sans climatisation), les classer du moins coûteux au plus coûteux et expliquer le fonctionnement de chacune.

Expliquer ce qu'est l'isolation thermique d'un bâtiment et expliquer le sens de la phrase « la meilleure énergie est celle qu'on ne consomme pas : l'isolation est le premier chauffage », en la reliant à la demande d'énergie.

Expliquer ce qu'est la ventilation traversante, comment on l'obtient dans un logement et pourquoi elle rafraîchit sans consommer d'électricité.

Un appartement chauffe beaucoup en été à cause d'une fenêtre orientée à l'ouest qui reçoit le soleil de l'après-midi. Proposer trois solutions (store extérieur, volet, film réfléchissant intérieur) et analyser le coût et l'efficacité de chacune, en expliquant pourquoi la protection extérieure fonctionne mieux.

Une lampe à DEL de $9\ \text{W}$ remplace une lampe à incandescence de $60\ \text{W}$ qui donnait la même lumière. Si elle est allumée 4 heures par jour, calculer la quantité d'énergie, en $\text{kWh}$, économisée en un an (365 jours).

Expliquer ce qu'est l'« inertie thermique » des murs épais et comment les maisons traditionnelles du sud de l'Espagne en tirent parti pour rester fraîches le jour et tempérées la nuit.

Une salle de classe orientée au nord ne reçoit pas de soleil direct de toute l'année. Est-ce une mauvaise orientation ? Nuancer la réponse : quel avantage cela présente pour la lumière naturelle sans échauffement, quels usages l'apprécient et quelle stratégie d'isolation elle exige en hiver.

Concevoir une expérience scolaire pour comparer le pouvoir isolant de trois matériaux (liège, laine et polystyrène) : montage avec des boîtes identiques et de l'eau chaude ou de la glace, grandeur mesurée et moyen de garantir que la comparaison est équitable.

Un logement dépense $1\,200\ \text{kWh}$ par an en chauffage électrique (à $0,20\ \text{€/kWh}$). Une entreprise leur assure : « Si vous investissez $1\,800\ \text{€}$ dans l'isolation de la façade, vous réduirez la consommation de $40\ \%$ et vous amortirez les travaux en environ $5$ ans, car l'énergie ne cesse d'augmenter ».\na) Calculer l'économie annuelle avec le tarif actuel et déterminer en combien d'années l'investissement serait réellement amorti sans hausse des prix.\nb) Réfuter avec des données l'affirmation des 5 ans : à quel prix moyen le kWh devrait-il être payé pendant cette période pour amortir les $1\,800\ \text{€}$ en seulement 5 ans ? Est-ce une prévision réaliste ?\nc) Justifier techniquement si vous recommanderiez d'entreprendre d'abord ces travaux ou s'il serait préférable de donner la priorité à des mesures peu coûteuses (comme le calfeutrage des infiltrations autour des fenêtres ou des thermostats programmables), en tenant compte du rapport coût-bénéfice.

Un immeuble de bureaux à Paris a ses quatre façades entièrement vitrées avec un mur-rideau conventionnel. L'entreprise propriétaire propose de poser des films solaires teintés identiques sur toutes les vitres du bâtiment pour résoudre le problème de chaleur en été.\na) Réfuter en quoi appliquer une solution identique sur les quatre façades est une erreur de conception bioclimatique, en analysant le rayonnement solaire ainsi que les besoins thermiques et lumineux de la façade nord par rapport à la façade sud.\nb) Concevoir une proposition de rénovation bioclimatique passive différenciée : indiquer quel type de protections solaires (horizontales ou verticales) vous installeriez sur la façade sud et sur les façades est et ouest en tenant compte de la hauteur du soleil, et quelle intervention thermique ou de vitrage vous privilégieriez sur la façade nord. Justifier chaque décision.

Concevoir la stratégie bioclimatique d'une nouvelle salle de classe dans votre commune : orientation des fenêtres, avant-toits ou stores, isolation et ventilation. Justifier chaque décision en fonction du climat de votre région.

Une copropriété dépense $4\,000\ \text{€}$ par an en chauffage collectif et envisage deux investissements : isoler la façade ($12\,000\ \text{€}$, économie de $30\ \%$) ou changer la chaudière ($8\,000\ \text{€}$, économie de $15\ \%$). Calculer l'économie annuelle et le nombre d'années d'amortissement de chaque option, puis formuler une recommandation nuancée.

Concevoir la stratégie bioclimatique d'une bibliothèque municipale à Toulouse, aux étés très chauds : orientation, protection solaire des façades, ventilation et matériaux. Justifier chaque décision par le climat.

Un établissement scolaire remplace $100$ luminaires fluorescents de $60\ \text{W}$ (qui fonctionnaient $6\ \text{h/jour}$) par des panneaux à DEL de $20\ \text{W}$. Une économie d'énergie de $66,7\ \%$ était prévue. Pourtant, après les travaux, la consommation électrique d'éclairage n'a diminué que de $33,3\ \%$ car le personnel, percevant que « les DEL ne consomment presque rien », laisse les lumières allumées en moyenne $12\ \text{h/jour}$.\na) Calculer la consommation quotidienne initiale en $\text{kWh}$, celle prévue après l'installation des DEL et la consommation réelle obtenue. Quel pourcentage de l'économie théorique a été perdu ?\nb) Expliquer, à partir de ces données, ce qu'est l'« effet rebond » (ou paradoxe de Jevons) et comment il fausse les prévisions d'efficacité énergétique.\nc) Concevoir deux mesures techniques automatisées (capteurs, minuteries ou systèmes de contrôle) qui évitent cet effet rebond sans dépendre de la volonté ou du comportement des utilisateurs.

Sur un forum consacré au développement durable, un utilisateur affirme : « Une pompe à chaleur avec un $\text{COP} = 4$ produit $4\ \text{kWh}$ de chaleur pour $1\ \text{kWh}$ d'électricité consommée. Cela viole le principe de conservation de l'énergie, car cela suppose un rendement de $400\ \%$, ce qui est physiquement impossible ».\na) Réfuter techniquement cette affirmation : expliquer d'où provient l'énergie restante et pourquoi transférer de la chaleur n'est pas la même chose que la produire par effet Joule.\nb) Si une maison individuelle a besoin de $7\,000\ \text{kWh}$ thermiques par an pour le chauffage, calculer la consommation électrique et la facture annuelle (à $0,20\ \text{€/kWh}$) avec des radiateurs électriques, puis avec une pompe à chaleur de $\text{SCOP} = 3,5$.\nc) Prévoir ce qui arrivera au $\text{COP}$ instantané et à la puissance consommée par la pompe à chaleur lors d'une vague de froid où la température extérieure passe de $10\ ^\circ\text{C}$ à $-5\ ^\circ\text{C}$. Justifier la prévision.

Une maison contemporaine construite dans une zone de climat méditerranéen sec dispose de grandes baies vitrées à l'ouest sans protection et de cloisons légères. En été, l'intérieur devient invivable à partir de 16 h 00 et les climatiseurs doivent fonctionner à plein régime en continu.\na) Identifier les deux principales erreurs physiques de cette conception en ce qui concerne le rayonnement de fin de journée et l'inertie thermique des parois.\nb) Concevoir une proposition de rénovation inspirée de deux solutions de l'architecture vernaculaire traditionnelle (comme les patios intérieurs ombragés, les moucharabiehs ou les murs de grande épaisseur comme le pisé). Expliquer pour chacune le principe physique passif exploité (rafraîchissement par évaporation, interception du rayonnement avec ventilation, ou déphasage et amortissement de l'onde thermique).