Conférence CEKAL à BATIMAT 2024 : confort d'été et sobriété énergétique

CEKAL, organisme certificateur des vitrages, a organisé sa traditionnelle conférence à BATIMAT le 2 octobre sur la thématique du confort d’été qui s’impose aujourd’hui comme l’un des enjeux majeurs du secteur du bâtiment pour s’adapter au changement climatique. Face aux étés de plus en plus chauds et aux canicules à répétition, les vitrages certifiés ont un rôle majeur pour assurer un confort d’été aux habitants, tout en favorisant la sobriété énergétique.

Les vitrages isolants avec verre de contrôle solaire et isolation thermique haute performance sont une des solutions les plus efficaces pour une bonne gestion et une limitation des apports solaires dans les bâtiments. Ils permettent de réduire les consommations énergétiques, en particulier de climatisation, et de préserver et valoriser les ressources.  Leur certification par CEKAL est un gage de qualité et de pérennité.

La conférence, qui a réuni 130 acteurs du bâtiment, a permis de faire un tour d’horizon de ces enjeux et des solutions disponibles. L’ADEME a rappelé comment le bâtiment peut s’adapter d’une manière générale au changement climatique, un expert du génie écologique a présenté une étude de cas pratique, l’Institut du Verre les apports des vitrages à contrôle solaire pour bénéficier de la lumière confortablement en toute saison et CEKAL le rôle de la certification de ces vitrages pour contribuer au confort d’été.

CEKAL est l’organisme certificateur des vitrages en France, avec une portée d’action internationale. Sa certification atteste des moyens mis en œuvre par un centre de production pour fabriquer des vitrages de qualité, assurer leur durabilité et leur aptitude à l’emploi, conformément aux règlements de la certification. Les 174 centres certifiés CEKAL, en Franc et à l’international, représentent une production annuelle de 34,4 millions de m² de vitrages isolants, feuilletés et trempés.

Avec les interventions de

Etienne Marx, ingénieur Bâtiment, Service Bâtiment, Direction Ville et Territoires Durables, ADEME : Le bâtiment et l’adaptation au changement climatique  

Geoffrey Bou, référent Métier pôle Environnement, Sinteo : Le confort d’été en pratique dans les bâtiments

Nicolas Créon, responsable environnement, Industrie du Verre, Institut du Verre : Vivre des étés plus confortables grâce aux vitrages à contrôle solaire

Jérôme Carrié, secrétaire général de CEKAL : Le rôle de la certification

Le bâtiment et l’adaptation au changement climatique

Intervention de Etienne Marx, ingénieur Bâtiment, Service Bâtiment, Direction Ville et Territoires Durables, ADEME

Des vagues de chaleur plus fréquentes

Avant 1989 : un été sur cinq concerné

Depuis 2000 : une vague de chaleur quasiment tous les ans

Depuis 2010, seuls les années 2014 et 2021 n’ont pas connu de vagues de chaleur.

D’ici 2050 :

• 2 fois plus de vagues de chaleur par rapport à la période 1981-2010.
• Ponctuellement, des vagues de chaleur d’un mois durant
• des pics de chaleur un peu plus élevés que ceux observés dans le climat récent
• des vagues de chaleur de fin mai et à début octobre

Des bâtiments peu adaptés aux vagues de chaleur à venir

D’ici 2050 :

• Dans un scénario de respect des engagements climatiques : 26% à 27% des bâtiments exposés à un risque très fort (situés sur un territoire exposé à des températures futures fortes et/ou dans un îlot de chaleur urbain)
• Sans régulation climatique : 61% à 65%

D’ici 2100 : plus de 90% du parc immobilier du territoire métropolitain fortement à très fortement exposé aux vagues de chaleur (dans le cadre de la trajectoire de réchauffement de référence (TRACC) adoptée par la France en 2022 (+4° C en 2100).

L’adaptation des bâtiments est indispensable pour faire face à l’augmentation de la durée, de la fréquence et de l’intensité des vagues de chaleur.

Les enjeux de l’adaptation

Enjeux sanitaires : plus de 32 000 décès attribuables à la chaleur de 2014 à 2022, dont 28% observés pendant les canicules.

Enjeux sociaux :

• nouvelles formes d’inégalité
• accroissement difficulté des ménages précaires et plus de ménages précaires
  • 73% des ménages souffrant déjà du froid en hiver sont vulnérables à la chaleur en hiver (« bouilloire thermique »)
  • 1,2 million de personnes pauvres vivent dans des zones très exposées à la chaleur

Enjeux environnementaux et énergétiques : limiter le recours à des solutions énergivores et émettrices de CO₂

Enjeu double de protéger les habitants des logements et respecter les engagements climatiques. 

Les facteurs déterminants de la surchauffe du bâti

• Le rayonnement et les apports solaires, principalement par les fenêtres mais également par les murs et la toiture.
• L’inertie du bâtiment : capacité à absorber, stocker et restituer la chaleur (inertie d’absorption), et à amortir et déphaser le flux de chaleur (inertie de transmission)
• L’évacuation de la chaleur par la ventilation naturelle via l’ouverture des baies
• Les apports internes (appareils non performants, usages non optimals,etc.)

Ces facteurs impactent les conditions intérieures du bâtiment à différents moments de la journée et il est très difficile de généraliser le ou les paramètres ayant le plus d’impact sur la surchauffe d’un logement.

Quelle stratégie d’adaptation du bâtiment ?

Il faut prévoir une stratégie progressive d’adaptation à long terme faisant intervenir les trois étapes suivantes dans cet ordre : sobriété des usages des occupants, conception d’un bâti efficace et enfin, équipements actifs de rafraîchissement pour écrêter les pics de surchauffes résiduels.

Il est nécessaire de prioriser les actions de réduction des besoins de froid qui permettront de retarder la nécessité de recourir à la climatisation active et d’envisager des dispositifs actifs de contrôle des surchauffes qu’après un travail le plus complet possible d’adaptation du bâti pour éviter les sous-dimensionnements ou les surconsommations.

Réduire les besoins de froid

Adapter le bâti :

• Aération nocturne (traversante ou par tirage thermique), afin d’évacuer la chaleur
• Protection solaire, afin de réduire les apports solaires
• Amélioration de l’isolation
• Inertie thermique, afin d’amortir les pics de température

Pour se protéger efficacement des canicules, il est nécessaire de mettre en œuvre l’ensemble de ces solutions.

Point d’attention sur les revêtements réflectifs

Intéressant si les apports solaires par la toiture du bâtiment sont importants :

• Bâtiment sur un seul niveau
• Toiture peu isolée
• Bâtiment peu vitré
• Peu d’apport interne

Un bilan énergétique et/ou environnemental annuel qui peut être négatif.

Limiter les apports internes dégagés par les appareillages et éclairages présents dans les locaux

• Efficacité énergétique des appareils
• Sobriété d’usage et de dimensionnement des appareils

Point d’attention sur les occupants

• influence majeure sur le confort d’été obtenu
• responsabilité d’agir sur les principaux leviers d’amélioration (aération, protections solaires et diminution des apports internes)

D’ici 2050, action d’adaptation sur le bâti seule peut être suffisante.

D’ici 2100, mise en place de dispositifs de rafraîchissement actifs nécessaire pour écrêter les vagues de chaleur les plus importantes.

Rafraichir les logements

Point d’attention sur la climatisation

Efficace pour améliorer le confort d’été mais :

• un impact avéré sur le phénomène d’ilot de chaleur urbain
• un impact sur la facture énergétique, risquant d’aggraver le nombre et la situation
  des ménages en situation de précarité énergétique
• des nuisances sonores et visuelles
• des émissions de GES liées à la consommation d’énergie et aux gaz réfrigérants

Enjeux de développement l’utilisation des systèmes actifs les plus respectueux de l’environnement

En 2021, la climatisation a été responsable de près de 5% des émissions de gaz à effet de serre produites par le secteur du bâtiment.  Il est prévu 3 fois plus de consommation d’électricité pour la climatisation en 2050 par rapport à 2020 si les équipements de climatisation se généralisent sans effort de sobriété.

Brasseurs d’air, amélioration du confort ressenti

Avec un ventilateur de plafond, la température ressentie est abaissée de 2 à 3°C.

Puits climatiques, rafraichissement de l’air entrant via un échangeur air/sol (2 à 3°C).

Rafraîchissement adiabatique, rafraîchissement de l’air ambiant par évaporation d’eau

Géothermie de surface, refroidissement via récupération de l’énergie dans les 200 premiers mètres du sous-sol

Réseaux de froid renouvelable, refroidissement via l’exploitation de sources locales (géothermie, cours d’eau…).

Plusieurs solutions actives efficaces pour répondre au besoin de refroidissement des bâtiments, adaptées à différents contextes et besoins

Coupler rénovation énergétique et adaptation aux vagues de chaleur

Retours des bailleurs sociaux : confort d’été et adaptation au changement climatique que partiellement traitée dans un projet de rénovation

Enjeu de profiter de la rénovation des bâtiments pour réduire et mieux maîtriser les besoins de froid

Recommandations ADEME

• Intégrer dès aujourd’hui la problématique du confort d’été dans toutes les rénovations en déployant en priorité et à grande échelle les solutions passives pour aider à mieux supporter les vagues de chaleur dans les bâtiments.
• Limiter autant que possible le recours aux équipements de climatisation impactant directement l’ilot de chaleur urbain.
• Utiliser les systèmes actifs les plus respectueux de l’environnement, faisant appel aux EnR et utilisés de façon sobre, notamment avec une température de consigne jamais en dessous de 26°C ou sans protection solaire efficace installées sur le bâtiment.
• Continuer de développer l’innovation dans les solutions de rafraîchissement sobres et efficaces
• Développer les connaissances sur les impacts de l’augmentation des vagues de chaleurs sur l’habitabilité des logements, sur les inégalités sociales, sur les factures d’électricité des ménages et des entreprises, et sur l’activité des entreprises et de l’industrie.
• Pour les collectivités, renforcer la planification de l’adaptation aux vagues de chaleurs, cohérente à l’échelle de la ville et des bâtiments, en anticipant les solutions d’aménagement urbains adaptées (solutions fondées sur la nature) et le besoin en réseaux urbains de froid.
  

Le confort d’été en pratique dans les bâtiments

Intervention de Geoffrey Bou, référent Métier pôle Environnement, Sinteo

Confort hygrothermique

Il représente un état de satisfaction dans un environnement thermique. Sa perception est subjective et la recherche d’équilibre thermique du corps s’effectue par la thermorégulation. L’environnement thermique est une composante du confort en fonction de la variation des grandeurs physiques (T° / Vitesse d’air / humidité..) non stables. Le métabolisme est notre première réponse pour atténuer la sensation d’inconfort

Les facteurs d’influence du confort

Les contextes d’évaluation du confort

Étude de cas : locaux étudiés R+8 SO

Utiliser la ventilation naturelle – Placer des stores au bon endroit.

Propriétés du bâtiment et caractéristiques des parois

• Parois verticales : U=0,18 W/m2.K, R=6,5 m2.K/W (FOB)
• Toiture : U=0,13 W/m2.K, R=7,2 m2.K/W
• Plancher bas : U=0,29 W/m2.K , R=3,45 m2.K/W
• Etanchéité à l’air 1,2 m3/h.m2 sous 4Pa.

Scénarios de simulation

• Vbase : Confort estival sans ouverture des fenêtres
• V2 : Vent mécanique nocturne (2Vol/h)
• V3 : Vent nat local mono_orienté (8% d’ouvrant)
• V4 : Vent nat local mono_orienté (45% d’ouvrant)
• V3 : Vent nat local traversant (8% d’ouvrant)
• V4 : Vent nat local traversant (45% d’ouvrant)

Conditions d’activation de la ventilation naturelle (Vent Nat calculée) :

• T°ext<T°int
• T°ext<28°C
• Ventilation naturelle possible uniquement la nuit et la matinée (de 18h à 9h)

Conditions d’activation de la sur-ventilation mécanique nocturne (Vent Nat Planifiée) :

• Débit de sur-ventilation : 2 Vol/h
• T°ext<T°int
• T°ext<28°C
• Ventilation naturelle possible uniquement la nuit et la matinée (de 18h à 9h)

En résumé, les individus n’ont pas tous la même perception du confort. Cela dépend de leur âge, sexe, habitudes, état de santé et bien sûr, de leur capacité à s’adapter. C’est pourquoi des indicateurs basés sur des moyennes (PMV) coexistent avec des approches plus flexibles et adaptatives, comme le confort adaptatif, qui tiennent compte des réponses subjectives des occupants.

En somme, la diversité des indicateurs de confort thermique permet de répondre à la complexité du confort lui-même, en offrant des outils adaptés à différents types de bâtiments, de climats, d’usages et de populations

Vivre des étés plus confortables grâce aux vitrages à contrôle solaire

Intervention de Nicolas Créon, responsable environnement, Industrie du Verre, Institut du Verre

Le verre contribue à la décarbonation des bâtiments

Réduction des émissions liées à la construction

Les verriers travaillent à la production de verre décarboné (feuille de route de la décarbonation de la filière Verre) :

• Réduction des consommations d’énergie et passage progressif à des énergies décarbonées
• Utilisation de matières premières moins carbonées
• Intégration de verre recyclé

Réduction des émissions liées à l’utilisation des bâtiments grâce à une réduction des besoins en chauffage et en climatisation

• Double et triple vitrage
• Vitrages de contrôle solaire

Les vitrages de contrôle solaire : source d’économies d’énergie toute l’année

Un double objectif : en été, ne laisser entrer que la lumière utile et bloquer la chaleur à l’extérieur, en hiver, empêcher la chaleur de sortir.

Ils contribuent ainsi à la lutte contre le changement climatique et à l’adaptation au changement climatique

Verre non traité =  haute transmission sur l’ensemble des longueurs d’ondes

Exemple de verre contrôle solaire =  maximiser la transmission dans le visible, bloquer dans les infrarouges et les UV

La maîtrise des apports solaires avec les verres de contrôle solaire

Les verres de contrôles solaires sont obtenus par dépôt de couches métalliques très minces à la surface du verre, avec une épaisseur moyenne de 10 nanomètres soit 1/10 000 de l’épaisseur d’un cheveu.

Les verres de contrôle solaire sont transparents grâce à un empilement de couches extrêmement fines. Plus l’empilement de couches est important et complexe, plus la sélectivité est importante. C’est un procédé de haute technologie.

Image au microscope électronique en transmission : verre et multicouches minces

 Comment est fabriqué le vitrage de contrôle solaire ?

Un plasma est créé proche d’un matériau que l’on appelle une cible. C’est ce matériau qui va être déposé sur le verre

Procédé de dépôt sous vide aussi appelé magnétron

Procédé off-line sur un substrat (plateaux de verre)

En résumé, l’utilisation généralisée des verres de contrôle solaire permettra d’aborder les enjeux du réchauffement climatique en toute sérénité et en toute lumière.

Le rôle de la certification

Intervention de Jérôme Carrié, secrétaire général, CEKAL

Verres à couches* de contrôle solaire : l’essentiel à retenir

On parle de verre à couches « à contrôle solaire » quand la valeur du facteur solaire est « basse » et amène un certain niveau de contrôle de l’énergie solaire…Par exemple: pour un facteur solaire de 30%, le vitrage isolant renvoie 70% de l’énergie solaire.

Le facteur solaire g (ou FS) représente l’énergie solaire entrant dans le bâtiment. Il s’exprime en %. La transmission Lumineuse TL (ou tᵥ) est la transmission directe de la lumière visible à travers le vitrage.

Les hautes sélectivités (TL/FS) se situent autour de 2, c’est à dire TL ≥ 2 x FS.

Il existe différents niveaux de contrôle solaire : FS de 37,35, 32, 28, 23, 17… Cet éventail de choix permet de répondre à des typologies de bâtiments et d’usages très variés.

Il appartient aux prescripteurs d’émettre des préconisations en fonction de la zone géographique, de l’orientation de la façade, de l’usage prévu du local, etc.

Des logiciels de calcul permettent d’effectuer des simulations. Un bilan énergétique annuel permet de déterminer, à l’aide d’un logiciel, le facteur solaire « idéal ».

www.cekal.com : les outils disponibles

Une base de données de plus de 400 verres à couches (13 fabricants), dont plus de 300 « à contrôle solaire ».

* Les verres à couches sont des produits verriers industriels sur lesquels on pulvérise des oxydes métalliques sous forme de couches minces (0,01 µm à 0,8 µm). La couche est donc composée d’un empilage de sous-couches de différentes natures et épaisseurs. Elle modifie le comportement du verre vis à vis des rayonnements solaires, dans le domaine du visible et de l’infrarouge. On distingue les couches pyrolytique et les couches magnétron. Ces dernières ne sont utilisables qu’en face interne des vitrages isolants.