Efficacité énergétique des bâtiments en bois : comment l’améliorer?

Par Matheus Roberto Cabral, étudiant au doctorat à ;a CIRCERB et au CRMR - Université Laval
Article vulgarisé : A State of the Art of the Overall Energy Efficiency of Wood Buildings—An Overview and Future Possibilities Auteurs : Matheus Roberto Cabral et Pierre Blanchet Date de publication : avril 2021 Journal : MDPI Materials DOI : https://doi.org/10.3390/ma14081848

Contexte

Aujourd’hui, on reconnaît qu’environ 30 % des dépenses énergétiques et 19 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) mondiales sont attribuables aux bâtiments, soit pour la climatisation et le chauffage ou par la production des matériaux. Dans les bâtiments, l'énergie est consommée directement à partir de sources livrées telles que l'électricité ou le gaz naturel, communément appelées énergie opérationnelle (i), et indirectement, par l'utilisation de matériaux de construction, soit l’énergie grise (ii). L’énergie grise est celle qui est associée aux matériaux, c'est-à-dire l'énergie qui est utilisée pour l’extraction des matières premières ainsi que pour la fabrication, le transport et l’assemblage des composants (1).


L'efficacité énergétique est définie par des approches et des technologies qui demandent moins d’énergie pour produire la même quantité de services. Compte tenu de l’importance qu’ont les bâtiments dans la demande énergétique, nous avons produit un article de synthèse présentant certaines stratégies permettant d’améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments, et particulièrement des bâtiments en bois. L’utilisation du bois en construction est répandue dans le monde. Les bâtiments en bois représenteraient 90 % des maisons individuelles en Amérique du Nord, 45 % à 70 % de celles-ci dans certaines parties de l' Europe et 45 % de celles-ci au Japon (2)., Dans le segment non-résidentiel et multi-résidentiel l’usage du bois est en croissance, en Amérique du Nord, mais aussi ailleurs dans le monde.


Efficacité énergétique des bâtiments : comment l’améliorer?

Puisque la demande en énergie dans les bâtiments est en constante croissance, il est essentiel d’envisager des stratégies afin de réduire la consommation énergétique de ceux-ci, à la fois pour la climatisationque pour le chauffage. La Figure 1 illustre certaines des stratégies permettant d’améliorer l'efficacité énergétique des composants du bâtiment, tels que les plafonds, les portes, les murs extérieurs, les planchers, la couverture de toit et les fenêtres, au cours de leur durée de vie. Nous allons maintenant explorer ensemble ces stratégies.


Figure 1. Différentes stratégies pour améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments


Les matériaux d'isolation

Pour les systèmes de constructions en bois, tels que l’ossature légère, les poteaux-poutres, le bois massif et les constructions hybrides, les isolants jouent un rôle important dans la réduction des pertes thermiques. Une fois qu'un bâtiment est bien isolé, cela permet de le garder chaud en hiver et frais en été, rendant ainsi le coût de l'énergie moins salé. Par exemple, l’ossature légère avec une isolation adéquate peut fournir un environnement de 5 °C plus chauds en hiver et de 10 °C plus frais en été (3).


Différents matériaux isolants sont disponibles sur le marché. On retrouve des matériaux inorganiques (ceux provenant de sources non renouvelables, chimiques, etc.) tels que les céramiques, la laine de verre, la laine de roche et la laine de laitier, mais également et de plus en plus des matériaux organiques ou biosourcés,provenant de sources renouvelables tels que la canne, la cellulose, le coton, le Kénaf et les particules de bois (4). En Amérique du Nord, les matériaux d'isolation les plus couramment utilisés incluent la laine de verre et le polystyrène expansé, représentant respectivement 44,3 % et 23,5 % en volume (5). Toutefois, l’utilisation d’isolants biosourcés a le potentiel de réduire les impacts environnementaux, notamment par leur capacité à séquestrer le dioxyde de carbone atmosphérique, réduisant l'énergie grise du bâtiment (5).


L’étanchéité à l'air des bâtiments

Cette approche joue un rôle essentiel dans l’efficacité énergétique du bâtiment, car la performance énergétique peut être considérablement réduite par une mauvaise étanchéité à l'air (6). D’ailleurs, de nombreuses recherches ont souligné qu'une bonne étanchéité à l'air est une exigence pour l'efficacité énergétique des bâtiments (7). Les fuites d'air non intentionnelles du bâtiment pourraient représenter des pertes de l’ordre de 13 % à 50 % pour la consommation en chauffage et de 4 % à 20 % pour celle en climatisation (8).


Les fenêtres vitrées

Ce type de fenêtre fait référence aux vitres incorporées dans un cadre de fenêtre (également appelé vitrage isolant ou IGU). Dans ce système, l'air scellé entre les vitres agit comme une couche isolante (3). Les fenêtres en verre transparent à double vitrage peuvent réduire annuellement l'éclairage, le refroidissement et la consommation totale d'énergie de 70 %, 8 % et 14 %, respectivement (9).


Le « Building information modeling » ou BIM

L'amélioration de la forme, de l'enveloppe et des systèmes d'exploitation du bâtiment représente la plus grande opportunité de recherche afin de réduire la consommation d'énergie des futures constructions en Amérique du Nord (10). L'implémentation du BIM est donc une approche très prometteuse pour surmonter ce défi, en particulier pour les bâtiments en bois (11). Le BIM est utilisé pour développer une représentation numérique des composants d’un bâtiment. En permettant aux utilisateurs d'extraire des informations géométriques du projet, ces données peuvent être utilisées pour gérer et améliorer les aspects techniques du bâtiment avant la phase de construction. De plus, l'utilisation d’un logiciel et d’un outil d'évaluation énergétique est une solution potentielle pour étudier systématiquement les variations de consommation d'énergie au cours du projet.


Les matériaux à changement de phase ou MCP

On peut également améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments via le stockage d'énergie. C’est une approche intéressante pour les bâtiments moins énergivores. À cette fin, l'utilisation des MCP est un moyen de réguler la température intérieure en déplaçant la charge de pointe (qui est la demande maximale sur une période de facturation spécifique) vers les heures creuses et en réduisant le besoin d'énergie (chauffage ou climatisation) (12). Ces matériaux sont capables de stocker une grande quantité de chaleur latente en subissant un changement de phase (généralement de solide à liquide), ce qui ajoute de la masse thermique à l'enveloppe du bâtiment et en réduit ainsi la demande énergétique (13). La littérature montre que l'utilisation de MCP dans des bâtiments résidentiels bien isolés peut réduire jusqu’à 25 % la consommation d'énergie destinée au chauffage ou à la climatisation (14) !


Remarques importantes

Grâce à nos recherches, nous avons pu émettre quelques recommandations afin de développer des bâtiments en bois plus économes en énergie et présentant une performance globale améliorée. Considérant qu’une diminution de la consommation énergétique permet de réduire notre demande en énergie fossile dont la combustion génère de grandes quantités de GES, ces systèmes présentent des avantages environnementaux non négligeables !





Références


1. Dixit MK, Culp CH, Fernandez-Solis JL. Embodied energy of construction materials: Integrating human and capital energy into an IO-based hybrid model. Environ Sci Technol. 2015;


2. Cabral MR, Blanchet P. A State of the Art of the Overall Energy Efficiency of Wood Buildings—An Overview and Future Possibilities. Materials (Basel) [Internet]. 2021 Apr 8 [cited 2021 Apr 12];14(8):1848. Available from: https://www.mdpi.com/1996-1944/14/8/1848


3. Aslani A, Bakhtiar A, Akbarzadeh MH. Energy-efficiency technologies in the building envelope: Life cycle and adaptation assessment. J Build Eng. 2019;


4. Abu-Jdayil B, Mourad AH, Hittini W, Hassan M, Hameedi S. Traditional, state-of-the-art and renewable thermal building insulation materials: An overview. Construction and Building Materials. 2019.


5. Lafond C, Blanchet P. Technical Performance Overview of Bio-Based Insulation Materials Compared to Expanded Polystyrene. Build 2020, Vol 10, Page 81. 2020;


6. Hsu YS, Zheng X, Cooper E, Gillott M, Wood CJ. Evaluation of the indoor pressure distribution during building airtightness tests using the pulse and blower door methods. Build Environ. 2021 May 15;195:107742.


7. Cooper E, Zheng X, Wood CJ. Numerical and experimental validations of the theoretical basis for a nozzle based pulse technique for determining building airtightness. Build Environ. 2021 Jan 15;188:107459.


8. Jokisalo J, Kurnitski J, Korpi M, Kalamees T, Vinha J. Building leakage, infiltration, and energy performance analyses for Finnish detached houses. Build Environ. 2009 Feb;44(2):377–87.


9. Fasi MA, Budaiwi IM. Energy performance of windows in office buildings considering daylight integration and visual comfort in hot climates. Energy Build. 2015;108:307–16.


10. Berardi U, Jafarpur P. Assessing the impact of climate change on building heating and cooling energy demand in Canada. Renew Sustain Energy Rev. 2020 Apr 1;121:109681.


11. Won J, Cheng JCP. Identifying potential opportunities of building information modeling for construction and demolition waste management and minimization. Autom Constr. 2017;


12. Ling TC, Poon CS. Use of phase change materials for thermal energy storage in concrete: An overview. Construction and Building Materials. 2013.


13. Mahedi M, Cetin B, Cetin KS. Freeze-thaw performance of phase change material (PCM) incorporated pavement subgrade soil. Constr Build Mater. 2019;


14. Guarino F, Athienitis A, Cellura M, Bastien D. PCM thermal storage design in buildings: Experimental studies and applications to solaria in cold climates. Appl Energy. 2017;





















Figure 2. Fabrication du matériau de type « Sandwich » par le procédé d’électrofilage


Nos travaux préliminaires ont révélé que la synergie entre ces deux composants renforce leurs propriétés mécaniques et antibactériennes par rapport aux deux composés pris séparément. Dans l’ensemble, nos résultats montrent que le nouveau composite présente un comportement à la fois bactéricide (qui élimine les bactéries) et bactériostatique (qui arrête la multiplication des bactéries sans les détruire). Ces effets étaient présents contre deux types de bactéries, soit Bacillus Subtilis et Escherichia Coli, et en présence de fortes conditions de croissance bactérienne. La figure 3a montre l’efficacité de microfiltration des bactéries (les bactéries ressemblent un peu à des saucisses blanches sur la figure) lesquelles sont retenues entre les fibres. La figure 3b démontre l’effet antibactérien du bio-filtre.


Figure 3. Efficacité de microfiltration (a) et effet antibactérienne (b) du bio-filtre


En plus, le bio-filtre peut être utilisé jusqu’à trois fois sans perte significative de perméabilité. Pour couronner le tout, à la fin de son cycle de vie, ce bio-filtre pourrait être utilisé pour générer de l’électricité à partir de la production de biogaz dans des systèmes de digestion anaérobie et ainsi promouvoir une économie circulaire !


En résumé, ce biomatériau de type sandwich va nous permettre de filtrer les bactéries qui se trouvent dans l’eau pour améliorer la santé de la population et protéger l’environnement. Finalement ce projet pourrait, à long terme, répondre aux futures politiques environnementales mises en place pour protéger nos ressources hydriques.

Références bibliographiques


1. World Health Organization (WHO) (2019) Drinking-water. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/drinking-water#:~:text=In 2017%2C 71%25 of the,at least a basic service.


2. Todd E, Baker N (2018) Infections à E. Coli au Canada. In: L’Éncyclopédie Can. https://www.thecanadianencyclopedia.ca/fr/article/hamburger-maladie-du


3. Zazouli MA, Kalankesh LR (2017) Removal of precursors and disinfection byproducts (DBPs) by membrane filtration from water; a review. J Environ Heal Sci Eng 15:1–10. https://doi.org/10.1186/s40201-017-0285-z


4. Alexandrou L, Meehan BJ, Jones OAH (2018) Regulated and emerging disinfection by-products in recycled waters. Sci Total Environ 637–638:1607–1616. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.391


5. Srivastav AL, Kaur T (2020) Factors affecting the formation of disinfection by-products in drinking water: human health risk. LTD


6. Fahimirad S, Fahimirad Z, Sillanpää M (2021) Efficient removal of water bacteria and viruses using electrospun nanofibers. Sci Total Environ 751:. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141673


7. Nune SK, Rama KS, Dirisala VR, Chavali MY (2017) Electrospinning of collagen nanofiber scaffolds for tissue repair and regeneration


8. Taheran M, Kumar P, Naghdi M, et al (2019) Development of an advanced multifunctional portable water purifier. Nanotechnol Environ Eng 4:1–6. https://doi.org/10.1007/s41204-019-0054-6


9. Mukherjee M, De S (2017) Investigation of antifouling and disinfection potential of chitosan coated iron oxide-PAN hollow fiber membrane using Gram-positive and Gram-negative bacteria. Mater Sci Eng C 75:133–148. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.02.039


10. Makaremi M, Lim CX, Pasbakhsh P, et al (2016) Electrospun functionalized polyacrylonitrile-chitosan Bi-layer membranes for water filtration applications. RSC Adv 6:53882–53893. https://doi.org/10.1039/c6ra05942b


11. Jabur AR, Abbas LK, Moosa SA (2016) Fabrication of electrospun chitosan/nylon 6 nanofibrous membrane toward metal ions removal and antibacterial effect. Adv Mater Sci Eng 2016:. https://doi.org/10.1155/2016/5810216


12. Taheri P, Jahanmardi R, Koosha M, Abdi S (2020) Physical, mechanical and wound healing properties of chitosan/gelatin blend films containing tannic acid and/or bacterial nanocellulose. Int J Biol Macromol 154:421–432. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.03.114


13. Somsap J, Kanjanapongkul K, Chancharoonpong C, et al (2019) Antimicrobial activity of edible electrospun chitosan/cellulose acetate/gelatin hybrid nanofiber mats incorporating eugenol. Curr Appl Sci Technol 19:235–247. https://doi.org/10.14456/cast.2019.20


14. Ridolfi DM, Lemes AP, de Oliveira S, et al (2017) Electrospun poly(ethylene oxide)/chitosan nanofibers with cellulose nanocrystals as support for cell culture of 3T3 fibroblasts. Cellulose 24:3353–3365. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1362-2


15. Istirokhatun T, Rokhati N, Nurlaeli D, et al (2017) Characteristics, biofouling properties and filtration performance of cellulose/chitosan membranes. J Environ Sci Technol 10:56–67. https://doi.org/10.3923/jest.2017.56.67

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