Transcript Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2

Enseigner en STI2D
Enseignement
technologique
en STI2D
Enseignement de spécialité
« Architecture et Construction »
Cultiver la démarche d’éco-construction
Stratégies
pédagogiques
Inspection
Pédagogique
Régionale
Groupe S.T.I.
Séminaire académique STI2D – mai 2012
1
Rappels sur la spécialité «Architecture & Construction»
Caractéristiques de la spécialité :
Enseigner en STI2D
–
–
–
–
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
Pour l’enseignement «Architecture & Construction»
La maison du Trégor
Enseigner en STI2D
MEI
AC
Approfondissement des solutions technologiques
• Mettre en relation l’architecture et l’efficacité énergétique
• Evaluer par simulation les performances thermiques de plusieurs
solutions technologiques
• S’inscrire dans la démarche de projet technologique :
 Concevoir une solution constructive en réponse à une performance
 Etudier une réhabilitation d’un bâtiment pour répondre à un niveau
de performance thermique.
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Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Enseigner en STI2D
Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique
Objectif de formation
Connaissances
CO 7 - Participer à une étude architecturale, dans une démarche de développement
durable
Situation-problème
La forme architecturale de la maison du TREGOR est-elle optimisée au plan de l’efficacité
énergétique ?
Fichier de la maison du Trégor. Logiciel GOOGLE SKETCHUP. Ressources sur l’éco-conception des maisons
individuelles. Tableur-grapheur.
Prise en compte de la morphologie du
Démarche
bâtiment TREGOR et des recommandations
d’investigation
pour 1 maison bioclimatique
Connaissances
en synthèse
I
Conception bioclimatique
Compétences
Ressources
Moyens didactiques
M
O7 - Imaginer une solution, répondre à un besoin
E
Recherche d’un autre
agencement
architectural des
volumes et des pièces
Analyse
au plan de
l’efficacité
énergétique
Restitution des
élèves
Critique collective
Les points de conception d’une maison bioclimatique : orientation maximale des surfaces par rapport au
soleil. Réduction des surfaces du bâti en contact avec l’extérieure afin de minimiser les déperditions
thermiques. Réduction des linéaires de ponts thermiques.
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Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique
Comment optimiser la forme d’une habitation ?
Enseigner en STI2D
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.
Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique
Enseigner en STI2D
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
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Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique
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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.
Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique
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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
Trégor 2 : Surface plancher = 115.3m²
Surface Murs = 136 m²
Total : 204.3 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
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Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique
3 – Comparer les solutions et déduire des règles d’éco-conception
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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 %
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Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
Enseigner en STI2D
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
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Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1
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Performances thermiques et hygrothermiques des solutions pour une paroi
Objectif de formation
Connaissances
Compétences
M
I
O8 – Valider des solutions techniques
Confort thermique : caractéristiques et comportements thermiques et des matériaux et parois.
CO8 ac1 – Simuler le comportement thermique de tout ou partie d’une construction
CO8 ac2 – Analyser les résultats issus de simulations
Lien avec
Physique-Chimie
HABITAT : transferts thermiques : conduction, flux thermique, résistance thermique, caractéristiques des
matériaux.
Situation-problème
Comment se comporte au plan thermique et hygrothermique en RPE, une paroi en
fonction de sa solution constructive ? Où placer le pare-vapeur ?
Ressources
Moyens didactiques
Cahier des charges du bâtiment. Outil tableur-grapheur de simulation du comportement d’une paroi.
Démarche de
résolution de
problème
E
Connaissances
en synthèse
Rappels et apports
théoriques
Prise en compte du
CdC d’un bâtiment
Simulation du
comportement
thermique
Simulation du
comportement
hygrothermique
Choix de la solution
Restitution des
élèves
Comprendre un cahier des charges pour en extraire les données permettant de simuler le comportement
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d’une paroi. Proposer une solution technique en respectant des règles de bonne conception.
Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2
Mise en situation de la démarche technologique
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Comment se comporte une paroi au plan thermique et
hygrothermique en RPE*
Jusqu’à présent nous avons caractérisé le comportement d’une paroi simple.
Paroi « simple » abordé en ETT Pour étudier le comportement d’une paroi réelle nous devons élaborer un
modèle qui permet de prendre en compte au mieux ses caractéristiques et
Conductivité
qui permet de simuler son comportement dans un environnement le plus
+
réaliste possible.
Epaisseur
Paroi « composite » étudié en AC
=
En RPE, on va expliciter les lois qui vont
Résistance thermique de la
Résistance Thermique
nous permettre :
paroi
+
• De calculer la résistance thermique
Echanges superficiels
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 humidité différentes
Modèle simplifié
Réalité technologique
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*RPE = régime permanent établi
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 ?
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RAPPELS
 Les résistances thermiques des parois superposées en série s’ajoutent
 Le flux de chaleur à travers la paroi est uniforme
se
l1
l2
l3
Flux 
si se
Rth1

e1
e2
e3

si
Rth2
Rth3
 si   se
Rth1  Rth2  Rth3
Démarche de validation
expérimentale possible en AC
si non réalisée en ETT
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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 ?
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S’APPROPRIER
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

l
int
ext
Flux 
si
 int   ext
Rth  Rsi  Rse
W m²
se
e
Valeurs des coefficients
d’échanges superficiels
RTh est la résistance thermique de la paroi
int et ext sont les températures d’ambiance
Paroi en contact avec :

L’extérieur,

Un passage ouvert

Un local ouvert
Paroi en contact avec :

Un autre local fermé
chauffé ou non chauffé

Un comble,

Un vide sanitaire
Rsi
Rse
Rsi
Rse
Paroi verticale ou faisant avec le
plan horizontal un angle
supérieur à 60°
0,11
0,06
0,11
0,11
Paroi horizontale ou faisant avec le
plan horizontal un angle égal ou
inférieur à 60°, flux ascendant (toiture)
0,09
0,05
0,09
0,09
0,17
0,05
0,17
0,17
Flux descendant (plancher bas)
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Activité 2 : Identification des caractéristiques des solutions constructives
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DECODER
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.
1 – Décoder et analyser un cahier des charges pour
identifier les différents constituants d’un mur
Décoder un extrait de CCTP
Identifier les différents constituants sur
une coupe technologique
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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.
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APPREHENDER
Ressources :
Les fiches techniques de différents produits
Un outil de simulation de la paroi
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Activité 3 : Simulation et analyse du comportement de la paroi
3 – Analyser les résultats
Résistance Thermique Contextuelle
Résistance Thermique Intrinsèque
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ANALYSER
Allure du diagramme
de température dans
la paroi
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 :
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Rth, le flux de chaleur par m², Epaisseurs, Evolution de la température au sein de la paroi.
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Activité 4 : Comportement hygrothermique de la paroi
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S’APPROPRIER
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
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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
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ANALYSER
Allure des diagrammes
de pression Pv et Pvsat
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
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Activité 4 : Comportement hygrothermique de la paroi
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COMPARER
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.
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 ?
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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
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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
Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2
Activité 5 : Comparaison du comportement de solutions constructives
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Quel est l’intérêt des blocs isolants
par rapport à un BBM « classique » ?
2
COMPARER
1
Conditions aux limites :
Tint = 19°C Hint = 80%
Text = -5° Hext = 90%
R = 3.43 m²K/W
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.
Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2
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Activité 5 : Comparaison du comportement de solutions constructives
RECHERCHER
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
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 ?
Pour chaque étude les élèves proposent une solution en
s’appuyant sur des documents ressources, une simulation et
une coupe de principe.
Comme le montre l’étude
hygrothermique, il n’y a pas de risque
de condensation dans la paroi.
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Activité 6 : Optimisation de solutions constructives
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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).
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Source Batiactu
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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
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Merci de votre attention
Séminaire académique STI2D – mai 2012
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