Enseigner en STI 2 D Enseignem ent technologiq

Enseigner en STI 2 D Enseignem ent technologiq ue en STI 2 D Enseignement de spécialité « Architecture et Construction » Cultiver la démarche d’éco-construction Stratégies pédagogiqu es Inspection Pédagogique Régionale Groupe Séminaire académique STI 2 D – mai 2012 1

Rappels sur la spécialité «Architecture & Construction» Caractéristiques de la spécialité : Enseigner en STI 2 D – – 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 STI 2 D 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. 3

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Enseigner en STI 2 D Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique Objectif de formation Connaissances Conception bioclimatique Compétences 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 ? Ressources Fichier de la maison du Trégor. Logiciel GOOGLE SKETCHUP. Ressources sur l’éco-conception des maisons Moyens didactiques individuelles. Tableur-grapheur. M I O 7 - Imaginer une solution, répondre à un besoin Prise en compte de la morphologie du Démarche bâtiment TREGOR et des recommandations d’investigation pour 1 maison bioclimatique Recherche d’un autre agencement architectural des volumes et des pièces Analyse au plan de l’efficacité énergétique Restitution des élèves Critique collective Connaissances 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 en synthèse thermiques. Réduction des linéaires de ponts thermiques. E 4

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique Comment optimiser la forme d’une habitation ? Enseigner en STI 2 D 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 STI 2 D 1 – Récupérer les différents volumes de la maison étudiée On dispose : • D’un fichier Sketch. Up 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 6

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Incidence de l’architecture sur l’efficacité énergétique Enseigner en STI 2 D 2 – Ré agencer tous les volumes de manière à avoir la même surface habitable Redessiner avec le logiciel « Google. Sketchup » 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 Enseigner en STI 2 D 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. 3 m² 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 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 Enseigner en STI 2 D 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 k. Whep/m²/an Trégor 2 : 77 k. Whep/m²/an Consommation Trégor 2 : +15 % 9

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Enseigner en STI 2 D Connaissances acquises au cours de la séquence : Manipuler d’un modeleur 3 D simple pour représenter une solution • Manipuler architecturale Exploiter les règles d’éco-conception d’une maison • Exploiter Mesurer les surfaces en contact avec l’extérieur • Mesurer • Déduire une règle de conception permettant de minimiser la surface de l’enveloppe du volume habitable 10

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 1 Enseigner en STI 2 D Performances thermiques et hygrothermiques des solutions pour une paroi Objectif de formation Connaissances Compétences Confort thermique : caractéristiques et comportements thermiques et des matériaux et parois. CO 8 ac 1 – Simuler le comportement thermique de tout ou partie d’une construction CO 8 ac 2 – Analyser les résultats issus de simulations Lien avec HABITAT : transferts thermiques : conduction, flux thermique, résistance thermique, caractéristiques des Physique-Chimie matériaux. Situation-problème M I O 8 – Valider des solutions techniques Comment se comporte au plan thermique et hygrothermique en RPE, une paroi en fonction de sa solution constructive ? Où placer le pare-vapeur ? Ressources Cahier des charges du bâtiment. Outil tableur-grapheur de simulation du comportement d’une paroi. Moyens didactiques Démarche de Rappels et apports résolution de théoriques problème E Prise en compte du Cd. C d’un bâtiment Simulation du comportement thermique Simulation du comportement hygrothermique Choix de la solution Restitution des élèves Connaissances Comprendre un cahier des charges pour en extraire les données permettant de simuler le comportement 11 en synthèse 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 Enseigner en STI 2 D 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 APR Paroi « composite » étudié en AC OF = ON DIS En RPE, on va expliciter les lois qui vont Résistance Thermique SE Résistance thermique de la ME nous permettre : paroi NT + • 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 12 *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 ? l 3 Flux j e 1 e 2 ex Co La l 2 e i so l an t l 1 m pl e d ’ air qse m ur M Enseigner en STI 2 D RAPPELS Ø Les résistances thermiques des parois superposées en série s’ajoutent Ø Le flux de chaleur à travers la paroi est uniforme qsi qse Rth 1 j Rth 2 Rth 3 qsi e 3 Démarche de validation expérimentale possible en AC si non réalisée en ETT 13

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 ? Enseigner en STI 2 D 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. Ø Dans le bâtiment on les assimile à des résistances d’échange superficiel Rsi et Rse RTh est la résistance thermique de la paroi l qint qext Flux j qsi qint et qext sont les températures d’ambiance qse e Valeurs des coefficients d’échanges superficiels Paroi en contact avec : Un autre local fermé chauffé ou non chauffé Un comble, Un vide sanitaire Rsi Rse Paroi verticale ou faisant avec le plan horizontal un angle supérieur à 60° 0, 11 0, 06 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, 17 0, 05 0, 17 c he o r p p A ta le n e m i r ex pé dé e n a m rec om Paroi en contact avec : L’extérieur, Un passage ouvert Un local ouvert Flux descendant (plancher bas)

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 2 : Identification des caractéristiques des solutions constructives Enseigner en STI 2 D 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

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. Enseigner en STI 2 D APPREHENDER Ressources : Les fiches techniques de différents produits Un outil de simulation de la paroi 16

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 3 : Simulation et analyse du comportement de la paroi 3 – Analyser les résultats Résistance Thermique Contextuelle Résistance Thermique Intrinsèque Enseigner en STI 2 D ANALYSER Logiciel de simulation 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 : 17 Rth, le flux de chaleur par m², Epaisseurs, Evolution de la température au sein de la paroi.

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 4 : Comportement hygrothermique de la paroi Enseigner en STI 2 D 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

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 Enseigner en STI 2 D ANALYSER Logiciel de simulation 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

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 4 : Comportement hygrothermique de la paroi Enseigner en STI 2 D 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 ?

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 Enseigner en STI 2 D COMPARER SOLUTION 1 : Structure BBM Creux en béton de 20 cm + complexe isolant Th 38 + plaque de plâtre de 10 mm Solution 2 : Structure Bloc Calimur C 20 de 20 cm + complexe isolant Th 38 + 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 Enseigner en STI 2 D 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 C 20 ! 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 Enseigner en STI 2 D Activité 5 : Comparaison du comportement de solutions constructives RECHER 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.

Spécialité «Architecture & Construction» : Séq. 2 Activité 6 : Optimisation de solutions constructives Enseigner en STI 2 D 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). 24 Source Batiactu

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

Enseigner en STI 2 D Merci de votre attention Séminaire académique STI 2 D – mai 2012 26