3. Principes pour la concéption de bâtiments relatif au confort estival

Bibliographie

Le confort estival- principes généraux

Dans la plupart des climats, il est possible par une architecture sensible et des moyens passifs, d'assurer un climat intérieur confortable en saison intermédiaire et estivale.

Ces mesures passives ne sont pas une alternative à la climatisation, mais une condition préalable. Un système de rafraîchissement actif (climatisation) doit être envisagé seulement lorsque toutes les stratégies passives ont été exploitées et optimisées.

Généralement, il est nécessaire de faire appel à différentes stratégies complémentaires, une seule ne suffisant pas à garantir un confort suffisant. Les 3 stratégies de base sont: protéger, dissiper, stocker.

a) Minimiser les apports de chaleur, protéger:

Protections solaires

Gestion des apports internes

b) Optimiser les possibilités de dissipation de chaleur:

Aération

Ventilation nocturne estivale

Rafraïchissement par évaporation

c) La masse thermique joue un rôle important dès que l'on cherche à stocker et déstocker du froid / chaud avec des décalages temporels:

Masse du bâtiment

Masse thermique du terrain

Protection solaire

Une excellente protection solaire est la base d'un bâtiment confortable en période estivale.

Office building "iGuzzini" | Recanati (I) | Mario Cucinella Architects | 1996-99

Selon l'exposition des façades et des ouvertures et de leur orientation, des systèmes de protection différenciés doivent être envisagés:

Protection verticale, latérale, combinée
Source images © DIAS 2.11, d'après 'Design with climate - Bioclimatic approach to architectural regionalism', Victor Olgyay, 1963, New Jersey

On différencie 3 types de protections en foction de leur position par rapport au vitrage: Par ordre décroissant d'efficacité

Protections extérieures fixes ou mobiles

Systèmes entre verres et films ou verres antisolaires

Protections intérieures et rideaux

Protections extérieures

Source images protection extérieure © Parasol-LHT

Les protections extérieures sont efficaces car elles évitent un échauffement du verre. Lors de dispositifs fixes, un dessin en fonction de la géométrie solaire est essentiel. Dans cette catégorie tombent aussi avant-toits, balcons, pergolas...

Les volets roulants, en tissu ou à lamelles sont également efficaces mais plus fragiles en raison de leur mécanisme et les sollicitations dûs au vent.

Une automatisation s'avère intéressante pour assurer un fonctionnement optimal du dispositif. Elle contribue également à un bon vieillissement en relevant les protections extérieures en cas de vents forts. Les capteurs sont à placer avec soin et le système doit laisser la possibilité aux usagers d'interagir.

Dans le cas d'un bâtiment climatisé, une automatisation est indispensable en raison du découplage climatique des occupants.

Ces protections sont la seule solution permettant de protéger efficacement du rayonnement solaire.

Protections intermédiaires

Source images © Parasol-LHT

Selon les propriétés optiques des verres et la couleur des lamelles, les protections solaires par persiennes entre verres sont peu à inefficaces en raison de l'échauffement de la fenêtre (température du verre pouvant atteindre plus de 50°C). Ces solutions peuvent aussi poser des problèmes de maintenance en raison de l'inaccessibilité du mécanisme entre les verres.

Le respect des valeurs g maximum (voir définition ci-dessous) autorisés par la norme est difficile à atteindre.

Source image verre antisolaire © Parasol-LHT

Les films antisolaires sont une solution provisoire et leur efficacité peut fortement varier d'un verre à un autre. L'altération de couleur et la diminution de lumière naturelle sont problématiques et le vieillissement, notamment sur des vitrages inclinés, est rapide.

Les verres antisolaires peuvent être performants, à condition de disposer de grandes surfaces car la réduction de lumière visible et l'altération de couleur sont sensibles.

Le respect des valeurs g maximum autorisé par la norme (voir ci-dessous) est difficile, voire impossibleà atteindre.

Protections intérieures

Source images © Parasol-LHT

En raison de l'absorbtivité des vitrages, des rideaux et persinennes à l'intérieur de la fenêtre sont très peu efficaces. Leur rôle est d'avantage en rapport avec la régulation de la lumière naturelle et la privacité des coccupants.

Définition de la valeur g

La valeur g définit le rapport entre l'énergie solaire incidente à l'extérieur de la fenêtre et la quantité d'énergie disponible derrière la fenêtre. C'est la grandeur essentielle à prendre en considération lors de la conception des fenêtres et de leur dispositif de protection.

Dans la définition du g, toutes les formes de transfert d'énergie sont pris en compte: par rayonnement visible (lumière) par rayonnement infrarouge (chaleur) par conduction par convection Le dispositif de protection solaire fait partie intégrante de ce processus de transfert de chaleur par réflexions multiples, échauffements mutuels, échanges thermiques radiatifs... De cette complexité découle une grande ignorance des véritables performances des protections solaires, d'autant plus que la valeur g dépend dans une certaine mesure de l'angle d'incidence du rayonnement, de la températures de l'air... et il est très difficile de déterminer cette valeur, pourtant fondamentale, sans recours à la mesure in situ (à l'aide d'un calorimètre solaire). Des valeurs typiques sont: Corps noir parfait: g = 1.00 Simple vitrage: g = 0.85 Double vitrage sélectif: g = 0.65 Double vitrage avec protection solaire extérieure: g = 0.15 Mirroir parfait: g = 0.00

Ce que dit la norme

La norme SIA 180 et SIA 382/1 definissent des exigences afin de limiter les risques de surchauffe estivale: la valeur g des fenêtres y compris le système de protection admissible doit être inférieur ou égal à 0.15 [-].

La nouvelle norme 382/1 (prévue 2005) préconise une valeur g différenciée en fonction de l'orientation de la fenêtre et du rapport de vitrage (surface façade/surface fenêtre).

Source: Vernehmlassungsentwurf Norm SIA 382/1, Figure 2.1: 'Anforderungen an den g-Wert von Verglasung und Sonnenschutz je nach Orientierung'

Géométrie solaire

L'effet de protection peut se trouver en contradiction avec des exigences de vue et d'éclairage naturel.

Une bonne connaissance de la géométrie solaire, des effets géométriques et de réflexion est nécessaire car elle permet de déterminer les heures critiques et de dimensionner avantageusement un système de protection.

Source: Mazria, Edward, "The Passive Solar Energy Book, A Complete Guide to Passive Solar Home, Greenhouse and Building Design", Rodale Press; (May 1979)

Lien URL: Géométrie solaire http://www.unige.ch/cuepe/enercad/geo_solaire.htm
Lien URL: logiciel Parasol-LHT >>> http://www.byggark.lth.se/shade/parasol.htm
Lien TOOL: Outil ombrage dans logiciel PEM et/ou EnerCAD

Apports internes

Office building "Powergen" | Coventry (UK) | Bennetts Associates, London | 1993-94

Les apport internes ont des origines diverses:

Occupants (100 W/personne)

Eclairages

Appareils électriques

Les apports internes sont diminués dans des pièces bénéficiant d'un bon éclairage naturel et équipés de luminaires efficaces à haut rendement et d'appareils économes en énergie, le cas échéant, équipés d'une extraction à la source de la chaleur produite.

Inertie thermique, l'effet de la masse du bâtiment

Queens building, De Montfort University | Leicester (UK) | Short Ford & Associates Architects | 1993

La masse thermique n'est utile que s'il y a fluctuation de température. Elle permet alors d'accumuler de la chaleur et de retarder l'échauffement des pièces. En contrepartie, il faudra évacuer la chaleur emmagasinée, par exemple par une possibilité de ventilation nocturne.

La masse thermique doit être accessible, c'est à dire en contact direct avec l'air ambiant. Faux plafonds et double-planchers agissent comme isolants et découplent l'air intérieur de la masse thermique. Dans le cas des faux plafonds, il est important de laisser suffisament d'espace afin de permettre une circulation de l'air dans le vide de plafond.

Une construction très massive restera fraîche pendant plusieurs jours de canicule, à condition de bien gérer les apports de chaleur (protections solaires, gains internes).

La tendance actelle est à la construction légère, en bois ou en ossature métallique. Ces bâtiments disposent de par leur système constructif d'une faible masse thermique et nécessitent d'excellentes protections solaires ansi qu'une aération efficace.

Des matériaux à changement de phase (p.ex. de la parafine encapsulée) permet de stocker d'importantes quantiés de chaleur sans grand changement de température (passage de la phase solide à la phase liquide). Ces solutions sont en mesure d'absorber des 'pointes' thermiques. Cependant, l'énergie emmagasinée doit pouvoir être évacuée par la suite.

Ventilation, l'effet de mouvements d'air sur le confort estival

Quoi de plus agréable qu'une légère brise en période chaude: par transpiration, l'organisme favorise l'évaporation d'eau sur l'épiderme permettant de lutter très efficacement contre la chaleur. Une tenue vestimentaire adaptée est un condition préalable essentielle. La possibilité d'un brassage de l'air ou d'une ventilation naturelle ciblée contribuent à ce phénomène. Toutefois, des courants d'air excessifs sont à éviter (> 0.5 m/s).

Des typologies traversantes privilégient l'aération naturelle par ouverture des fenêtres. Des grilles de ventilation ou blocages de portes et d'autres ouvrants sont nécessaires.

La ventilation nocturne estivale

BRE Office Building | Watford (UK) | Feilden Clegg architects

Le principe de la ventilation nocturne se base sur le constat d'une température de l'air extérieure fraîche pendant la nuit, plus efficace en zone périurbaine que dans les centre-villes où l'abaissment nocturne de température est moins sensible. L'air frais de la nuit sert à refroidir le bâtiment en évacuant la chaleur emmagasinée pendant la journée. Cette fraîcheur est ensuite disponible pendant la journée. Le contrôle se fait par ventilation du bâtiment dès que la température extérieure est inférieure à la température intérieure.

Afin de bénéficier au mieux de ce phénomène, le bâtiment doit disposer d'une bonne masse thermique. Pendant la journée, quand la température extérieure dépasse la température intérieure, il convient de réduire le taux de ventilation par la fermeture des fenêtres ou ouvrants et par la réduction du débit d'une éventuelle ventilation mécanique au minimum nécessaire pour les besoins d'hygiène (15m³/personne/heure, voir norme SIA 180).

Des problèmes éventuels à prendre en considération sont:

intempéries

courants d'air

effraction

incendie

bruit

manipulation

Afin de ne pas compromettre le bon fonctionnement de ce principe, ces points sont à traiter avec attention:

possibilité de laisser des ouvertures de ventilation (fenêtres ou clapets) ouverts en cas d'orage

les courants d'air doivent rester raisonnables (< 1 m/s)

les ouvertures ne doivent pas pouvoir donner lieu à des visites indésirables

les ouvertures doivent être conformes aux exigences de sécurité incendie

les problèmes éventuels de bruits urbains sont à prendre en considération

la manipulation peut s'avérer lourde. L'automatisation est une solution, à condition de laisser aux occupants la possibilité d'interagir.

Rafraîchissement par évaporation

En s'évaporant, l'eau prélève de la chaleur à l'environnement. Ce phénomène est appelé refroidissement adiabatique.

L'effet de rafraïchissement par évaporation le plus commun est celui des plantes. Le recours à la végétalisation, notamment des espaces extérieures, est très efficace et apporte un surplus d'oxygène bienvenu et de l'ombre.

Par ailleurs, des solutions de pluvérisation, d'humidification et de ruissellements sont utilisés depuis l'antiquité. Ces systèmes apportent de la fraïcheur dans des climats chauds et secs.

A gauche: Control climatico en espacios abiertos, el proyecto EXPO’92, Ciemat, 1992
A droite: Pavillon expérimental « Rotonde bioclimatique » : ''tour froide''

Rafraîchissement par tubes enterrés, puits canadiens

Le recours à des tubes enterrés permet de tirer profit de la masse thermique du terrain pour tempérer l'air soufflé dans le bâtiment. Les meilleurs résultats sont obtenus en refroidissant les tubes pendant la nuit par une ventilation nocturne.

>>> schéma puits canadien

Tools

Applet Java: modèle didactique 1 noeud ... à développer >>> développement : PG + THO

>>> SIMBAT:

INPUT:

Météo horaire sur une année (T ext et Rayonnement solaire) : fixe (p.ex. Genève ou Lugano)

Dimensions de la pièce et ouvertures : fixe (shoebox)

Valeur U murs

Valeur U verre

Valeur g verre

Capacité thermique (matériaux et couplage thermique)

Apports internes

Renouvellement d'air avec stratégie jour/nuit

OUTPUT:

Graphique une journée hiver

Graphique une journée été

Graphique Ti et Te annuel

Graphique heures classées confort

Bibliographie

Victor Olgyay, 'Design with climate - Bioclimatic approach to architectural regionalism', New Jersey , 1963

Mazria, Edward, 'The Passive Solar Energy Book, A Complete Guide to Passive Solar Home, Greenhouse and Building Design', Rodale Press, 1979

Logiciel DIAS 2.11, 'Données interactives d'architecture solaire', CUEPE, Université de Genève, 1996

Logiciel P.E.M., 'Pascool Electronic Metahandbook', CUEPE, Université de Genève, 1996

Norme SIA 382/1, 'Performances techniques requises pour les installations de ventilation et de climatisation'

Norme SIA 180, 'Isolation thermique des bâtiments', 1999

Norme SIA 380.078, prEN ISO 13363-1, 'Dispositifs de protection solaire combinés à des vitrages', 2002

Cahier technique SIA 2021, 'Bâtiments vitrés, confort et efficience énergétique', 2003-2004

Soleil et architecture, guide pratique pour le projet (pdf), Cours PACER, 1991

http://www.unige.ch/cuepe/enercad/geo_solaire.htm Géométrie solaire

http://www.buildingenvelopes.org/

http://www.iea-shc.org/

http://www.wbdg.org