Séminaire académique STI2D – mai 2012

1. Enseignement de spécialité « Architecture et Construction » Enseignement technologique en STI2D Cultiver la démarche d’éco-construction Stratégies pédagogiques Inspection Pédagogique Régionale Groupe S.T.I. Séminaire académique STI2D – mai 2012

2. Rappels sur la spécialité «Architecture & Construction» Caractéristiques de la spécialité : • Forte dimension sociétale de la construction • Contraintes réglementaires spécifiques aux ouvrages publics • Concerne l’ensemble des champs du BTP (bâtiment, travaux publics, urbanisme) • Approche complète de l’ouvrage sur son cycle de vie de la conception architecturale à la fin de vie de l’ouvrage. Démarche d’éco-construction sur un ouvrage existant ou projeté : • Adaptabilité des ouvrages aux besoins et aux contraintes • Maîtrise de l’énergie • Gestion des fluides • Optimisation des structures • Choix des matériaux et des procédés • Qualité sanitaire et confort des usagers 2

3. Pour l’enseignement «Architecture & Construction» La maison du Trégor MEI AC

4. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique M I E

5. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique Comment optimiser la forme d’une habitation ? Lors de l’étude DPE, nous avons constaté que les déperditions sont directement liées aux surfaces en contact avec l’extérieur. La forme de la maison de Trégor est elle optimisée ? A partir des volumes intérieurs modélisés, on se propose d’imaginer d’autres dispositions tout en veillant à respecter les quelques principes de conception découverts en ETT.

6. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique 1 – Récupérer les différents volumes de la maison étudiée • On dispose : • D’un fichier SketchUp contenant la modélisation des volumes. (Le volume occupé par l’escalier peut être utilisé comme espace vide si la maison est de plein pied – volume fourni) • De ressources sur l’éco-conception des maisons individuelles

7. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique 2 – Ré agencer tous les volumes de manière à avoir la même surface habitable Redessiner avec le logiciel « GoogleSketchup » le contour de la nouvelle configuration • On notera : • Grandes baies orientées vers le Sud. • Les chambres orientée vers l’Est ou l’Ouest • Aucune fenêtre au Nord • Locaux techniques plutôt au centre et orientés vers le nord. Ici, on a conservé la même orientation pour chacune des baies de la construction d’origine.

8. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique 3 – Comparer les solutions et déduire des règles d’éco-conception Après avoir redessiné le contour, on extrude la surface sur la hauteur de la construction, on redessine le contour des fenêtres pour les déduire de la surface des murs. On cache les volumes modélisés pour ne s’intéresser qu’à l’enveloppe. Trégor 1 Trégor 2 Résultats : Trégor 1 : Surface Plancher = 57.7 m² Surface Murs = 146.6 m² Total : 204.3 m² Trégor 2 : Surface plancher = 115.3m² Surface Murs = 136 m² Total : 251.3 m² Avec l’outil « Infos sur l’entité » on sélectionne les surfaces l’une après l’autre pour en obtenir la surface Trégor 2 présente plus de surface en contact avec l’extérieur que Trégor 1, en particulier au niveau des planchers qui sont une source non négligeable de déperditions. Trégor 1 est plus « compacte » son efficacité énergétique sera meilleure

9. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique 3 – Comparer les solutions et déduire des règles d’éco-conception On établit le DPE à l’aide d’un outil simple pour évaluer l’écart entre les deux solutions étudiées : Trégor 1 Trégor 2 Trégor 1 : 67 kWhep/m²/an Trégor 2 : 77 kWhep/m²/an Consommation Trégor 2 : +15 %

10. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 • Connaissances acquises au cours de la séquence : • Manipuler d’un modeleur 3D simple pour représenter une solution architecturale • Exploiter les règles d’éco-conception d’une maison • Mesurer les surfaces en contact avec l’extérieur • Déduire une règle de conception permettant de minimiser la surface de l’enveloppe du volume habitable

11. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Performances thermiques et hygrothermiques des solutions pour une paroi M I E

12. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Mise en situation de la démarche technologique Comment se comporte une paroi au plan thermique et hygrothermique en RPE* Jusqu’à présent nous avons caractérisé le comportement d’une paroi simple. Pour étudier le comportement d’une paroi réelle nous devons élaborer un modèle qui permet de prendre en compte au mieux ses caractéristiques et qui permet de simuler son comportement dans un environnement le plus réaliste possible. Paroi « simple » abordé en ETT Conductivité + Epaisseur = Résistance Thermique Paroi « composite » étudié en AC • En RPE, on va expliciter les lois qui vont nous permettre : • De calculer la résistance thermique d’une paroi composite. • D’étudier le comportement d’un mur qui sépare deux ambiances différentes qui se caractérisent par : • Des températures différentes • Des teneurs en humiditédifférentes Résistance thermique de la paroi + Echanges superficiels APROFONDISSEMENT Modèle simplifié Réalité technologique *RPE = régime permanent établi

13. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 1 : Rappels théoriques • Les parois des bâtiments sont très rarement composées d’un seul et unique matériau. • Comment évaluer la résistance thermique d’une paroi composite ? • Les résistances thermiques des parois superposées en série s’ajoutent • Le flux de chaleur à travers la paroi est uniforme RAPPELS Complexe isolant Lame d’air Mur qse qsi l2 l1 l3 qse qsi Flux j j Rth2 Rth3 Rth1 e1 e2 e3 Démarche de validation expérimentale possible en AC si non réalisée en ETT

14. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 1 : Apports théoriques sur la résistance superficielle d’échange • Nous avons vu comment évaluer le flux de chaleur en connaissant les températures de surface d’une paroi simple. Comment évaluer le flux de chaleur à partir des températures des ambiances intérieures et extérieures ? • Les températures de surface dépendent essentiellement de mouvements de convection qui existent entre le milieu ambiant et la surface de la paroi. • Ils sont complexes à obtenir. • Dans le bâtiment on les assimile à des résistances d’échange superficiel Rsi et Rse S’APPROPRIER l Flux j qext qint RTh est la résistance thermique de la paroi qsi qint qext qse et sont les températures d’ambiance e Approche expérimentale recommandée

15. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 2: Identification des caractéristiques des solutions constructives Dans le cadre du développement d’un nouveau modèle de pavillon devant répondre à la nouvelle réglementation en matière d’efficacité énergétique, le bureau d’étude d’un promoteur immobilier souhaite étudier les solutions existantes en vue de leur amélioration et développer des solutions de réhabilitation applicables au parc existant. DECODER 1 – Décoder et analyser un cahier des charges pour identifier les différents constituants d’un mur Identifier les différents constituants sur une coupe technologique Décoder un extrait de CCTP

16. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 3 : Simulation et analyse du comportement de la paroi 2 - Simuler le comportement thermique de la paroi en RPE à partir des informations collectées dans le CCTP. Ressources : APPREHENDER Les fiches techniques de différents produits Un outil de simulation de la paroi

17. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 3 : Simulation et analyse du comportement de la paroi Résistance Thermique Contextuelle Résistance Thermique Intrinsèque 3 – Analyser les résultats ANALYSER Allure du diagramme de température dans la paroi Logiciel de simulation Pour les conditions aux limites données : Orientation de la paroi, nature et température des ambiances séparées. On obtient toutes les informations relatives au comportement thermique de la paroi en RPE : Rth, le flux de chaleur par m², Epaisseurs, Evolution de la température au sein de la paroi.

18. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 4: Comportement hygrothermique de la paroi Les parois de bâtiments séparent deux ambiances dont l'air est à des conditions hygrothermiques différentes. Lorsque les conditions sont réunies, il y a un risque de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air à l'intérieur des parois ou sur leurs parements.Le diagramme de Glaser permet d'estimer graphiquement le risque de condensation en confrontant la pression de vapeur saturante et la pression partielle de vapeur à l'interface des composants qui constituent une paroi.La pression de vapeur saturante « Pvsat » dépend de la température de l'air et décroît avec la température.La pression partielle de vapeur « Pv »dans la paroi dépend directement de la résistance à la migration de la vapeur d'eau de chacun des composants qui constituent la paroi. Si Pv > Pvsat la vapeur d’eau se condense Pour en savoir plus S’APPROPRIER

19. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 4: Comportement hygrothermique de la paroi 3 – Analyser les résultats A partir des températures pariétales, la pression partielle de vapeur et la pression de saturation sont simulées dans la paroi ANALYSER Allure des diagrammes de pression Pv et Pvsat Logiciel de simulation En jouant sur les taux d’humidité intérieur et extérieur pour l’écart de température Text/Tint de l’étude, on vérifie si il y a risque de condensation dans la paroi Si Pv < Pvsat pas de risque de condensation

20. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 4: Comportement hygrothermique de la paroi Quelle est l’incidence du risque de condensation sur le choix du complexe isolant ? Après avoir constaté qu’il y a risque de condensation dans le mur (structure + complexe isolant), on peut se poser la question de la solution technologique à adopter pour éviter ce phénomène qui a pour conséquence une forte dégradation du pouvoir isolant de la paroi. COMPARER R = 2.35 m²K/W Pourquoi doit on avoir un complexe isolant avec Pare vapeur ? Où le placer dans la paroi ? La mise en place d’un pare vapeur est-elle nécessaire dans le cas de la maison Trégor ?

21. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 5 : Comparaison du comportement de solutions constructives 4 – Comparer des solutions Structure Ossature Bois : Isolant 150 mm + Bardage bois extérieur + habillage bois + plaque de plâtre intérieur COMPARER SOLUTION 1 : Structure BBM Creux en béton de 20 cm + complexe isolant Th38 + plaque de plâtre de 10 mm Solution 2 : Structure Bloc Calimur C20 de 20 cm + complexe isolant Th38 + plaque de plâtre de 10 mm Solution 3 : Structure Bloc Béton Cellulaire de 25 cm + isolant liège côté extérieur

22. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 5 : Comparaison du comportement de solutions constructives Quel est l’intérêt des blocs isolants par rapport à un BBM « classique » ? 2 COMPARER R = 3.43 m²K/W 1 Conditions aux limites : Tint = 19°C Hint = 80% Text = -5° Hext = 90% R = 2.35 m²K/W Avec le même complexe isolant, le mur monté en BBM et bien entendu moins performant que le mur monté avec des blocs Calimur C20 ! Par ailleurs l’étude hygrothermique proposée par le simulateur révèle que les deux parois sont plus ou moins exposées au risque de condensation interne.

23. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 5 : Comparaison du comportement de solutions constructives Comment améliorer les performances d’un mur « classique » ? On étudie la solution retenue dans le cas du pavillon Trégor. On se fixe un objectif en terme de performance R ~ 5 m²K/W 3 RECHERCHER R = 4.95 m²K/W Dans le cas de la maison étudiée, l’isolant étant à l’extérieur, on remarque l’allure différente de la courbe de température . La structure du bâtiment, réalisée avec le matériau le moins isolant, est protégée thermiquement, ce qui limite sensiblement les pertes par pont thermique au niveau des planchers par exemple. • Comment modifier les solutions 1 & 2 pour obtenir la même résistance RTh dans le cas d’une construction neuve ? • Comment modifier les solutions 1 & 2 pour obtenir la même résistance RTh dans le cas d’une réhabilitation ? Comme le montre l’étude hygrothermique, il n’y a pas de risque de condensation dans la paroi. Pour chaque étude les élèves proposent une solution en s’appuyant sur des documents ressources, une simulation et une coupe de principe.

24. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 6 : Optimisation de solutions constructives Isolation par l’extérieur de la solution 1 Laine Isofaçade Optex l = 0.032 W/m.K Epaisseur inconnue - Objectif : R = 5 m²K/W Une solution Composée de laines minérales performantes et des pièces dédiées à la fixation des ossatures et des isolants, la sélection Optex s’appuie sur trois références de laines Isofaçades aux bonnes performances thermiques. La gamme est dédiée à l’isolation thermo-acoustique des murs par l’extérieur, la laine minérale permettant d’atteindre de bon niveaux (R=6,85 m².K/W). Grâce à de nouvelles références à faible lambda (0,032 W/m.K) et de fortes épaisseurs (jusqu’à 240 mm), ces produits permettent des réaliser des bâtiments conformes à la RT 2012, BBC et même à des bâtiments à énergie positive (Bepos). Source Batiactu

25. Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 • Connaissances acquises au cours de la séquence : • Calculer la résistance thermique d’une paroi « composite » en prenant en compte les contraintes environnementales (Rsi et Rse) • Décoder un cahier des charges • Représenter une coupe technologique proportionnée, cotée et légendée • Simuler le comportement thermique d’une paroi • Identifier et Remédier au risque de condensation interne • Comparer et Optimiser des solutions constructives

26. Merci de votre attention Séminaire académique STI2D – mai 2012