Méthode de calcul du bilan thermique

Cette page détaille la méthode de calcul utilisée par ArchiFacile pour estimer la classe énergie et les déperditions thermiques de votre bâtiment. Elle s'adresse aux utilisateurs curieux ou aux professionnels qui souhaitent comprendre les résultats. La méthode est inspirée du DPE (Diagnostic de Performance Énergétique) et de la méthode 3CL simplifiée.

Le principe général

La chaleur s'échappe d'un bâtiment à travers ses parois (murs, fenêtres, plafond, sol) et par le renouvellement d'air (ventilation). La quantité de chaleur perdue dépend de :

• La surface de chaque paroi
• Son coefficient de transmission thermique U (en W/m².K)
• La différence de température entre l'intérieur et l'extérieur

La formule de base est :

Déperdition = Surface × U × (T° intérieure - T° extérieure)

Coefficient de transmission thermique U des murs

Le coefficient U (ou coefficient de déperdition thermique) représente la quantité de chaleur (en watts) qui traverse 1 m² de paroi pour 1°C de différence de température. Plus U est bas, mieux le mur est isolé.

Le U dépend du type de mur, de son épaisseur et de l'isolation. ArchiFacile calcule le U à partir de l'épaisseur réelle du mur et de la conductivité thermique (lambda) du matériau. Exemples pour un mur de 20 cm sans isolation :

L'ajout d'un isolant réduit considérablement le U. Par exemple, un mur en parpaing 20 cm avec 100 mm de laine de verre passe de U = 2.84 à U ≈ 0.27 W/m².K.

La résistance thermique R

La résistance R est l'inverse du U : R = 1 / U. Plus R est élevé, mieux c'est. Les deux sont affichés dans le panneau du mur.

L'isolation ajoute de la résistance :

R total = R mur + R isolant

Où R isolant = épaisseur (en mètres) / conductivité thermique (lambda) de l'isolant.

Coefficient U des fenêtres et vitrages

Les fenêtres sont le point faible de l'enveloppe. Leur U dépend du vitrage (choisi dans les propriétés de la fenêtre), de la menuiserie (section Energie) et des volets :

Un simple vitrage laisse passer 3 à 5 fois plus de chaleur qu'un double vitrage argon. C'est souvent le premier poste d'amélioration dans les bâtiments anciens.

Impact des volets roulants

Un volet roulant fermé la nuit ajoute une résistance thermique supplémentaire (~0.15 m².K/W pour un volet PVC). En moyenne sur 24h (volet fermé environ 10h la nuit), cela réduit le coefficient U effectif de la fenêtre d'environ 10%. Par exemple, un double vitrage argon PVC passe de U = 1.4 à U ≈ 1.26 avec volets.

Déperditions par le plafond et le sol

Les déperditions par le plafond et le sol dépendent de ce qu'il y a au-dessus et en dessous de chaque pièce.

Coefficients U de base (sans isolation)

Comme pour les murs, l'ajout d'un isolant réduit le U en augmentant la résistance thermique R.

Températures par défaut

La déperdition dépend de la différence de température entre la pièce et ce qu'il y a de l'autre côté. ArchiFacile utilise ces températures par défaut, modifiables par l'utilisateur :

Au-dessus (plafond) :

En dessous (sol) :

Déperditions par la ventilation (VMC)

Le renouvellement d'air est indispensable pour la qualité de l'air intérieur, mais il représente 20 à 30% des déperditions totales. L'air chaud sort, l'air froid entre.

La déperdition par ventilation dépend du débit d'air :

Dp ventilation = 0.34 × Volume × Taux de renouvellement

La VMC hygroréglable B est le standard depuis la RT2012 : elle ajuste le débit d'air en fonction de l'humidité des deux côtés (entrées et extraction), ce qui réduit les pertes de 30% par rapport à l'hygro A. La VMC double flux récupère ~85% de la chaleur de l'air sortant via un échangeur.

Consommation électrique de la VMC

En plus des déperditions thermiques, la VMC consomme de l'électricité pour faire fonctionner ses ventilateurs :

La VMC double flux consomme plus d'électricité (deux ventilateurs) mais économise beaucoup plus en chauffage grâce à l'échangeur. Cette consommation est affichée séparément dans les barres de répartition.

Ponts thermiques

Les ponts thermiques sont des zones de l'enveloppe où l'isolation est interrompue : jonctions mur/plancher, mur/toiture, pourtour de fenêtres. Ils représentent 5 à 25% des déperditions totales.

ArchiFacile utilise un coefficient forfaitaire appliqué au périmètre extérieur du bâtiment, qui varie selon l'époque de construction :

Apports de chaleur gratuits

Toute la chaleur n'a pas besoin d'être fournie par le chauffage. Des sources gratuites existent :

• Occupants : chaque personne dégage environ 80 W de chaleur au repos
• Appareils électriques : environ 3 W/m² de surface habitable (éclairage, électroménager, informatique)

Le calcul utilisé par ArchiFacile :

Apports gratuits = (Nombre d'occupants × 80 + Surface habitable × 3) × 24h × Jours de chauffe / 1000

Le nombre de jours de chauffe correspond à la durée de la saison de chauffage (jours où la température moyenne est inférieure à 18°C). Il varie selon la localisation :

Cette valeur est pré-remplie automatiquement quand vous choisissez un département (onglet Localisation) et peut être personnalisée.

Par exemple pour 3 occupants, 100 m² et 210 jours (Paris) : (240 + 300) × 5 040 / 1 000 = 2 722 kWh/an d'apports gratuits.

Ces apports sont soustraits du besoin brut de chauffage. Ils ont un impact significatif dans les logements bien isolés où le besoin brut est faible.

Du besoin thermique à la consommation de chauffage

Le besoin est la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir la température. La consommation est la quantité d'énergie que le système de chauffage doit fournir :

Consommation = Besoin / Rendement du système

La pompe à chaleur est le système le plus efficace car elle récupère la chaleur de l'air extérieur : pour 1 kWh d'électricité consommée, elle restitue environ 3 kWh de chaleur.

Énergie primaire et étiquette énergie A à G

L'étiquette énergie (A à G) est exprimée en énergie primaire, qui tient compte de l'énergie nécessaire pour produire et acheminer l'énergie :

• Electricité : coefficient 2.3 (il faut produire 2.3 kWh en centrale pour 1 kWh chez vous)
• Gaz, fioul, bois : coefficient 1 (énergie utilisée directement)

C'est pourquoi un chauffage tout-électrique (radiateurs) affiche un classement plus défavorable qu'un chauffage gaz à consommation équivalente.

Cas particulier de la pompe à chaleur : bien que la PAC consomme de l'électricité (facteur 2.3), son COP de 3 compense largement. Pour 1 kWh de besoin, la PAC ne consomme que 0.33 kWh d'électricité, soit 0.33 × 2.3 = 0.77 kWh en énergie primaire. C'est meilleur que le gaz (1.09 kWh primaire) et bien meilleur que le radiateur électrique (2.3 kWh primaire). La PAC est donc le système le plus avantageux à la fois en coût et en classement énergétique.

Consommation annuelle de chauffage

La consommation annuelle est calculée en plusieurs étapes à partir des Degrés Jours Unifiés (DJU) de votre localisation :

Besoin brut = (Déperditions totales × DJU × 24) / 1000

Besoin net = Besoin brut - Apports gratuits (internes + solaires, plafonnés à 80% du besoin brut)

Consommation chauffage = Besoin net / Rendement du système

Consommation totale = Consommation chauffage + Consommation électrique VMC

Les DJU représentent le cumul annuel des écarts de température entre 18°C et la température extérieure. Plus les DJU sont élevés, plus la saison de chauffe est longue et froide :

Apports solaires par les fenêtres

Le soleil qui traverse les fenêtres apporte de la chaleur gratuite en hiver. L'apport dépend de l'orientation de chaque fenêtre :

Les valeurs varient selon la zone climatique (H1=Nord, H2=Centre, H3=Sud de la France).

Pour calculer l'apport solaire d'une fenêtre, on utilise :

Apport = Surface vitrée × 0.8 × facteur g × Irradiation

• 0.8 : facteur de cadre (20% de la surface est la menuiserie, pas du verre)
• Facteur g : fraction de l'irradiation qui traverse le vitrage :

L'orientation de chaque fenêtre est calculée automatiquement à partir de la direction du mur et de la position de la boussole sur le plan. Si aucune boussole n'est placée, les apports solaires ne sont pas calculés.

Déperditions par les murs intérieurs

Les murs intérieurs entre deux pièces à températures différentes (par exemple entre le salon à 19°C et un garage à 5°C) génèrent des déperditions. Le calcul prend en compte la différence de température entre les deux pièces.

Les types de murs disponibles (porteurs et cloisons) ont chacun une conductivité thermique différente :

Le coefficient U est calculé à partir de l'épaisseur réelle du mur (pas une valeur fixe) :

R = épaisseur structure / lambda mur + épaisseur isolant / lambda isolant + 0.17

U = 1 / R

Le 0.17 correspond aux résistances superficielles intérieure (0.13) et extérieure (0.04). En isolation intérieure (ITI), l'épaisseur de l'isolant est déduite de l'épaisseur du mur. En isolation extérieure (ITE), l'isolant s'ajoute sans réduire la structure.

Ainsi, un mur plus épais isole mieux qu'un mur fin du même matériau.

L'eau chaude sanitaire (ECS)

L'eau chaude représente 15 à 25% de la facture énergétique d'une maison bien isolée. Le besoin dépend du nombre d'occupants :

Besoin ECS = Occupants × 56 litres/jour × 365 × 1.162 × (55°C - T° eau froide) / 1000

• 56 litres/jour : consommation moyenne par personne (douche, vaisselle, etc.)
• 55°C : température de stockage dans le ballon
• T° eau froide : température du réseau d'eau, qui varie selon la zone climatique (10°C au nord, 12°C au centre, 14°C au sud)
• 1.162 : capacité thermique de l'eau (Wh par litre et par °C)

Par exemple pour 3 occupants avec une eau froide à 12°C : 3 × 56 × 365 × 1.162 × 43 / 1000 ≈ 3 064 kWh/an de besoin.

La consommation réelle dépend du type de production :

Consommation = Besoin / Rendement global

Le rendement global tient compte des pertes de stockage du ballon (~20% pour un cumulus, ~10% pour les autres).

Le chauffe-eau thermodynamique fonctionne comme une pompe à chaleur dédiée à l'eau chaude : pour 1 kWh d'électricité, il produit environ 2.5 kWh de chaleur. C'est le système le plus économique pour l'eau chaude.

Le chauffe-eau solaire (CESI)

Un chauffe-eau solaire individuel utilise des panneaux solaires thermiques pour chauffer l'eau. Un appoint électrique prend le relais quand le soleil ne suffit pas. La couverture solaire varie selon la zone climatique :

La consommation électrique est donc : Besoin × (1 - couverture) / 0.79.

Étiquette énergie : chauffage + eau chaude

L'étiquette A à G est calculée sur la consommation totale chauffage + eau chaude en énergie primaire, conformément à la méthode du diagnostic officiel. Les deux postes peuvent utiliser des énergies différentes (par exemple gaz pour le chauffage et électricité pour l'eau chaude), chacun avec son propre facteur d'énergie primaire.

Limites et différences avec un DPE officiel

Cette méthode donne des résultats fiables pour les bâtiments de forme simple. Voici ce qui est approximé :

• Les ponts thermiques sont forfaitaires (la réalité dépend des détails constructifs)
• Les apports solaires sont estimés avec une table statique par orientation (pas de données mensuelles ni de masques solaires)
• L'inertie thermique n'est pas prise en compte (un mur en pierre stocke la chaleur différemment d'un mur en parpaing)
• La perméabilité à l'air est forfaitaire (les fuites d'air dépendent de la qualité de construction)
• La ventilation est estimée par un forfait selon l'époque de construction

Un DPE officiel utilise la méthode 3CL complète avec des données plus précises (visite sur place, test d'étanchéité, ponts thermiques détaillés). Notre simulateur donne un ordre de grandeur suffisant pour identifier les points faibles de votre isolation et comparer des scénarios de rénovation énergétique.

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