Fonctionnement d'une maison passive
La coupe de principe du système optimisé en charge d'assurer le confort à 20°C dans une maison passive, par tout temps et en tous lieux, sans aucun des appareils que nous connaissons tous aujourd’hui, des convecteurs ou des radiants électriques, une chaudière et ses radiateurs en réseau, une pompe à chaleur et ses planchers chauffants, un poêle ou un foyer fermé par un insert et leurs cheminées… peut paraître surprenante, voire même totalement invraisemblable, tant nous associons spontanément confort et système de chauffage, voire même de plus en plus fréquemment confort et système de cllmatisation.
Alors comment fonctionne une maison passive pour assurer le confort au quotidien?
Les maisons passives existent depuis la fin du siècle dernier. Elles font tous les jours la preuve de leur efficacité en prouvant l'inutilité fréquente de l'énergie payante de chauffage notamment quand leurs équipements sont ceux recommandés et présentés sur le schéma ci-avant qui fait la part belle aux énergies naturelles et gratuites, l’énergie solaire et à la récupération d’énergie dont nul autre type de construction ne peut bénéficier avec autant d'ampleur.
Alors comment fonctionne une maison passive pour assurer le confort au quotidien?
Les sources d’énergie
Les maisons passives existent depuis la fin du siècle dernier. Elles font tous les jours la preuve de leur efficacité en prouvant l'inutilité fréquente de l'énergie payante de chauffage notamment quand leurs équipements sont ceux recommandés et présentés sur le schéma ci-avant qui fait la part belle aux énergies naturelles et gratuites, l’énergie solaire et à la récupération d’énergie dont nul autre type de construction ne peut bénéficier avec autant d'ampleur.
Le mimétisme de la conception passive avec le comportement humain
L’usage simultané d’un pul et d’une doudoune, d’un pantalon chaud, de chaussettes épaisses et de chaussures fourrées ainsi que de gants et d’un bonnet limite fortement les pertes de chaleur par notre peau totalement protégée ainsi que les entrées d'air froid non souhaitables hormis dans nos poumons. Dans nos climats, l’ensemble de ces équipements constitue la seule solution utilisable sans autre source d'énergie calorique que celle de notre corps et celle du soleil pour ne jamais avoir froid à l'extérieur en hiver.
Le fonctionnement du schéma du système de confort d’une maison passive, tel que présenté ci-avant, est une réplique à grande échelle de cette adaptation ancestrale à l’environnement et de l’évolution séculaire de notre habillement en fonction du climat.
Les deux similitudes les plus évidentes de ce mimétisme volontaire entre les maisons passives et les hommes, gage d'une meilleure adéquation à la nature, sont les suivantes :
- l'isolation sans pont thermique par l'extérieur et les systèmes d'étanchéité à l'air ont le même rôle que nos vêtements. Ils bloquent les déperditions de la chaleur produite à l'intérieur de ces enveloppes.
- la VMC double flux qui devrait être le seul lieu de passage de l'air extérieur, aspire cet air neuf qu'elle réchauffe par simple échange de chaleur avec l'air vicié qu'elle rejette de manière similaire à ce que font nos poumons avec l'avantage de la filtration bénéfique à notre santé dont elle dispose alors que nos poumons ne peuvent que subir la pollution qui nous entoure.
La ventilation forcée et naturelle
La VMC double flux, qui est à la base du concept de maison passive dans lequel son réseau aéraulique doit se substituer à celui d’un système de chauffage classique, aspire l'air neuf extérieur qu'elle distribue dans les pièces de vie et rejette, en quantité équivalente, l'air vicié évacué des pièces de service après avoir traversé les circulations. Lors du croisement des deux flux d'air dans son échangeur haute performance à contre-courant, une grande partie de la chaleur de l'air vicié est récupérée par l'air neuf en hiver alors qu'une partie de la chaleur de l'air neuf est évacuée avec l'air vicié en été, notamment en période de canicule. Elle stabilise les températures de l'air neuf toute l'année et évite ainsi l’ouverture des fenêtres sources de déperdition pour ventiler en hiver et d’apports contreproductifs de chaleur pendant les journées d’été, notamment les plus chaudes.
Avec cet équipement :
Avec cet équipement :
- La vapeur d'eau, le CO2 et toutes les émanations intérieures évacuées en permanence permettent d’obtenir un air intérieur sain alors que, sans lui, la plupart des études montrent que la qualité de l’air intérieur est largement plus mauvaise qu’à l’extérieur.
- La poussière et les insectes malvenus sont stoppés par un premier filtre tandis qu'un second, positionné en série, peut arriver à stopper le pollen.
- L’air neuf préconditionné par son échangeur peut transiter par une batterie hydraulique qu'elle peut piloter afin d'être, quand nécessaire, parcourue d’eau chaude en hiver et d’eau froide en été pour chauffer ou rafraîchir en fonction de la saison.
- Enfin, une surventilation nocturne forcée et augmentée est possible sans bruit et sans intrusion inacceptable pendant les nuits d’été.
Malgré tous ces avantages, la ventilation mécanique n’est pas toujours indispensable. Quand le renouvellement naturel de l’air est bénéfique ou du moins qu'il ne provoque pas de risque d’inconfort, courant d'air non souhaitable, chaleur ou fraîcheur inopportune, mais aussi de risque d’intrusions nuisibles ou dangereuses, l’ouverture des fenêtres peut assurer le renouvellement sanitaire indispensable de l'air. Cette ventilation naturelle peut parfois être améliorée en été, lorsqu’une fenêtre à ouverture motorisée, placée en partie haute de la cage d’escalier, au ras du plafond de l’étage, peut permettre l’évacuation nocturne de la chaleur estivale emmagasinée dans la journée par effet de cheminée thermique.
La chaleur maîtrisée
L'isolation sans pont thermique par l'extérieur de toutes les parois de la zone chauffée, sol, murs et toits y compris les menuiseries ainsi que l'étanchéité à l'air du bâtiment sont une adaptation des vêtements de l’homme aux bâtiments. La chaleur que les occupants produisent ainsi que celle de leurs équipements, mais aussi et surtout celle des rayons du soleil qui traversent les vitrages sont équivalent à la chaleur du corps bloquée par les vêtements et celle des rayons du soleil qui frappent le visage.
Dans une maison passive optimisée, l'énergie interne permanente, produite par la seule présence de l'homme et de ses équipements, ainsi que l'énergie solaire intermittente qui traverse les vitrages, stabilisée par l'inertie thermique, doivent être suffisantes pour que leur blocage dans l'enveloppe par l’isolation thermique et l'étanchéité à l'air assure le confort de ses occupants.
Les équipements adaptés
La RE2020 fait l’apologie des systèmes thermodynamiques pour le chauffage et la production d’eau chaude au détriment de l’efficacité et de la durabilité bien meilleure de solutions bien plus écologiques car dotées de coefficients de performances (COP) largement supérieurs et n’utilisant pas de gaz réfrigérants plusieurs milliers de fois plus nuisibles pour le climat que le CO2.
Les systèmes thermodynamiques ne produisent pas directement de la chaleur, mais transportent celle qu’ils peuvent de l’extérieur vers l’intérieur en hiver et de l’intérieur vers l’extérieur si nécessaire en été. Leur COP est le rapport ente l’énergie électrique qui leur est fournie et l’énergie calorique qu’ils fournissent en échange.
Le SCOP, COP saisonnier plus réaliste des systèmes de chauffage thermodynamiques, est de l’ordre de 2 à 4 tandis que celui des systèmes de production d’eau chaude est souvent intérieur à 2 notamment quand leur usage est le plus indispensable, au plus froid des jours d'hiver quand leur résistance électrique de secours prend le relais parce qu'il n'y a pas suffisamment de chaleur à récupérer à l'extérieur.
Le SCOP, COP saisonnier plus réaliste des systèmes de chauffage thermodynamiques, est de l’ordre de 2 à 4 tandis que celui des systèmes de production d’eau chaude est souvent intérieur à 2 notamment quand leur usage est le plus indispensable, au plus froid des jours d'hiver quand leur résistance électrique de secours prend le relais parce qu'il n'y a pas suffisamment de chaleur à récupérer à l'extérieur.
Les radiateurs d’un nouveau type et leur régulation
Que dire d’un appareil de chauffage qui produit de la chaleur sans qu’on lui fournisse d’énergie payante ? Quel est le COP d’un tel système ?
Des radiateurs de ce type existent depuis des siècles et vous en avez chez vous, mais ils ne sont pas suffisamment performants. Ce sont les vitrages des fenêtres exposées au sud, ou proches du sud, régulées par leurs protections solaires en été, mais uniquement ceux qui fournissent bien plus d’énergie qu’ils n’en perdent.
Dans les maisons passives, les fenêtres ainsi exposées, au clair de jour exceptionnel, à ouvrant et dormant cachés et isolés, la plupart du temps dotées de triples vitrages choisis de manière à ce que les apports solaires surpassent largement les pertes de chaleur par conduction, sont en effet considérées comme les radiateurs qu’elles n’ont pas par ailleurs puisqu'ils sont capables de fournir la plus grande partie du peu d’énergie nécessaire pour le chauffage.
Les fenêtres passives font encore bien mieux. Si elles ne rafraîchissent pas en été, elles limitent toutefois fortement la pénétration de la chaleur extérieure par conduction vers l'intérieur et réduisent tout autant les besoins de rafraîchissement que de chauffage à condition qu'elles soient correctement protégées des rayons directs du soleil. Cette protection indispensable en période estivale et en intersaison peut supprimer le recours systématique à la climatisation. Leur performance peut permettre de limiter les puissances de rafraîchissement à celle que peut fournir un puits provençal ou, dans le prie des cas, un unique monosplit dans le séjour. Cette protection doit être préférablement réalisée soit par des pare-soleil fixes conçus pour assurer un ombrage total des fenêtres en fonction des trajectoires solaires pendant les mois les plus chauds de l'année, soit à l’aide de brise-soleil à lames orientables (BSO) qui permettent de réguler simultanément l'ensoleillement direct et l’éclairage naturel. Le cumul des deux types de protection est encore plus efficace et peut garantir l'absence permanente de surchauffe.
Le système de confort
En hiver et en absence de soleil, la chaleur naturelle n'est pas toujours suffisante pour assurer le confort lorsque les parois, notamment le sol à forte inertie, ont relâché toute la chaleur qu'elles avaient préalablement stockée. L'air neuf fourni par la VMC peut alors être réchauffé sous son contrôle en traversant une batterie hydraulique parcourue d'eau chaude préalablement au moins en partie produite par les capteurs thermiques d'un chauffe-eau solaire.
Un système de chauffage d’appoint et de secours, constitué par les sèches serviettes, un radiant électrique à roulettes la plupart du temps stocké dans un placard ou, moins gourmand en énergie, un monosplit, suffisent pour garantir le confort à 20°C les jours les plus froids de l'année avec un minimum d’énergie, éventuellement produite par des panneaux photovoltaïques, seulement utilisée lorsque toutes les solutions passives ont été épuisées.
En été, la chaleur interne fatalement produite devient indésirable et doit être éliminée. La batterie hydraulique déjà mise en place pour le chauffage mais capable d'évacuer les condensats, peut alors être parcourue d'eau fraiche circulant en boucle fermée pour transporter la chaleur de l'air neuf véhiculé par la VMC et son réseau vers un lieu de stockage externe comme le sol, les fondations, un puits, un forage géothermique ou une cuve d’eau de grande taille protégée de la chaleur.
Ce puits provençal hydraulique est de plus en plus indispensable, notamment en période de canicule. Lorsqu’un tel équipement n'est pas réalisable, le monosplit réversible déjà utilisé ou utilisable pour l'appoint de chauffage peut à lui seul rafraîchir un logement ou une d’habitation même de grande surface.
La production d’eau chaude
L’ensoleillement varie beaucoup suivant la région près de la Méditerranée ou de la manche, en plaine ou en haute montagne. Le taux de couverture solaire annuel d’un chauffe-eau solaire individuel, un CESI, peut toutefois atteindre 80% presque partout en France en jouant sur le nombre de capteurs solaires thermiques. Une résistance électrique d’appoint par effet joules peut couvrir les 20% d'énergie solaire manquante. Dans ces conditions et en prenant en compte l'énergie consommée par le circulateur, le COP équivalent d'un CESI peut atteindre 5 à Perpignan comme à Dunkerque à comparer à celui des chauffe-eau thermodynamiques déjà cités. De plus, contrairement à ces derniers, le COP d'un CESI peut être augmenté en ajoutant quelques capteurs.
Les CESI peuvent offrir des avantages complémentaires que ne peuvent pas fournir les chauffe-eau thermodynamiques individuels, les CETI. Contrairement à ces derniers, leur cuve peut être équipée de plusieurs échangeurs. L’un d’eux peut permettre l’alimentation de la batterie hydraulique déjà mentionnée afin de chauffer au moins en partie l’air neuf fourni en hiver par la VMC double flux.
La plus grande partie de la consommation d’eau chaude d’une habitation est due à la douche. Un récupérateur de chaleur sur l’eau des douches jetée chaude après un usage des seulement quelques secondes permet de réduire de plus de 70% la chaleur nécessaire à sa production. Le cumul de l’usage d’un CESI et d’un RCED permet de réduire de 90% l’énergie nécessaire à la douche.
Le COP global du couplage d'un CESI et d'un RCED, prenant en compte tous les usages de l'eau chaude, y compris pour les lave-linge et lave-vaisselle, dépasse alors 7 mais le principal intérêt de cette conception est de laisser le maximum d’énergie solaire disponible pour le chauffage de l'air neuf par l'association de la VMC double flux et de la batterie hydraulique.
La production d’énergie électrique
La production d’énergie électrique n’est pas indispensable pour qu’une construction soit passive. La priorité doit être donnée aux économies d’énergie en laissant autant que possible l'usage de l'électricité aux appareils qui ne peuvent pas fonctionner sans elle tel un frigo, un téléviseur ou un ordinateur.
Quand la consommation devient très faible pour le chauffage et le rafraîchissement, leur présence peut compenser, parfois en totalité, l’énergie nécessaire à tous les besoins des occupants d’une maison passive.
Le fonctionnent en résumé
Une maison passive est une construction neuve ou une rénovation conçue en fonction de son environnement de manière à assurer en permanence le confort de ses occupants en bloquant la moindre source de chaleur naturelle à l’intérieur en hiver et en l’empêchant d’y pénétrer le reste du temps, notamment en période de canicule estivale.
Son volume habitable fortement isolé et presque parfaitement étanche à l'air stoppe les fuites de chaleur produite en hiver par le soleil ainsi que les occupants et leurs équipements. Ce même manteau, aidé de protections solaires, stoppe la pénétration de chaleur provenant de l'extérieur en été. La qualité de l'air intérieur filtré est garantie en permanence par une VMC double flux dotée d'un échangeur de chaleur haute performance. L'air neuf, préconditionné par l'échangeur, traverse une batterie hydraulique constituant un système de chauffage lorsqu'elle est couplée à un chauffe-eau solaire individuel en hiver et un puits provençal hydraulique lorsqu'elle est couplée à un système de stockage à forte inertie thermique déporté à l'extérieur en été. Le couplage du chauffe-eau avec un récupérateur de chaleur sur l'eau des douches permet de produire presque la totalité de l'eau chaude sanitaire.
Son volume habitable fortement isolé et presque parfaitement étanche à l'air stoppe les fuites de chaleur produite en hiver par le soleil ainsi que les occupants et leurs équipements. Ce même manteau, aidé de protections solaires, stoppe la pénétration de chaleur provenant de l'extérieur en été. La qualité de l'air intérieur filtré est garantie en permanence par une VMC double flux dotée d'un échangeur de chaleur haute performance. L'air neuf, préconditionné par l'échangeur, traverse une batterie hydraulique constituant un système de chauffage lorsqu'elle est couplée à un chauffe-eau solaire individuel en hiver et un puits provençal hydraulique lorsqu'elle est couplée à un système de stockage à forte inertie thermique déporté à l'extérieur en été. Le couplage du chauffe-eau avec un récupérateur de chaleur sur l'eau des douches permet de produire presque la totalité de l'eau chaude sanitaire.
Associé à la qualité de l'enveloppe isolante, le couplage des 4 appareils, VMC double flux, batterie hydraulique mixte, chauffe-eau solaire et récupérateur de chaleur sur l'eau des douche, est capable de stabiliser presque toujours la température intérieure entre 20 et 25°C sans autre source d'énergie externe que celle nécessaire à l'alimentation électrique de leurs ventilateurs et circulateurs.
Les faibles besoins d'énergie nécessaires à ce fonctionnement ainsi que ceux les systèmes d'appoint et de secours peuvent être en grande partie fournis par des capteurs photovoltaïques. Lorsque l'énergie électrique produite par ces derniers couvrent la totalité des besoins, la construction devient un bâtiment à énergie positive.
L'énergie durablement économisée, celle produite naturellement, immédiatement ou après stockage, et celle qui est récupérée sont la base à haute valeur ajoutée du fonctionnement basse technologie et sans obsolescence programmée des maisons passives et de la qualité du confort qui en résulte.