Les bases de l’architecture bioclimatique
Paramètres du confort thermique :
Qu’est-ce que le bien-être thermique?
L’idée de bien-être thermique est plus large que celle du confort thermique car elle fait intervenir celle du contentement qui commence par le ressenti de l’ambiance thermique, comme par exemple lorsque le soleil nous réchauffe en hiver, ou quand la brise nous rafraichie en été.
Elle s’accompagne d’autres ressenti tel que visuels, tactiles, auditif et mentale.
Le rôle de l’architecture bioclimatique est aussi de créer un art de vivre avec les éléments naturels.
L’équilibre thermique du corps humain :
Le corps humain doit se maintenir une température d’environ 37° grâce aux calories des aliments et par un ensemble de dispositifs biologiques permettant une évacuation de la chaleur.
L’aliment tiens une place très importante dans la manière dont sont pris en compte ces échanges qui se font par plusieurs processus distincts :
Par conduction: lorsqu’on rentre en contact direct avec un objet de température différente, comme par exemple se laver les mains à l’eau froide ou bien déambuler pieds nus sur un carrelage froid.
Par convection :
La convection concerne les échanges entre l’air ambiant et le corps. La vitesse de l’air augmente ces échanges.
L’évaporation :
En passant de liquide à vapeur, l’eau absorbe des calories. C’est selon ce principe que la transpiration fonctionne
Par rayonnement :
On mesure l’importance du rayonnement en passant par exemple d’une zone ombragée à une zone située au soleil.
Il s’agit des échanges de rayonnement infrarouge entre les parois et le corps comme par exemple un mur chauffé par le soleil ou inversement un simple vitrage en hiver.
Les variables du confort thermique :
La température ressentie est le résultat de plusieurs paramètres qui sont en grande partie la température de l’air, celle des murs, la vitesse de l’air et son taux d’humidité.
La température de l’air ambiant :
Il s’agit de la température de l’air mesurée à l’ombre. La plage de confort se situe entre 19 degrés en hiver et 26 degrés en été.
La première mission de l’architecture climatique est de maintenir ces températures dans cette fourchette, malgré les écarts entre le jour et la nuit, et entre l’été et l’hiver.
Le second objectif est de créer une harmonie de la température dans l’espace de la pièce. Il n’est pas agréable d’avoir les pieds froids et la tête au chaud…
La température des parois :
L’impact de la température des murs est très important dans la perception de confort thermique, aussi bien en hiver quand été.
Une paroi froide comme un simple vitrage absorbe le rayonnement chaud du corps et produit une perception de froid.
Pour le confort d’hiver on supprimera les parois froides
Pour le confort d’été on favorisera les murs et le sol frais
La température résultante est : (Temp paroi + Temp air) / 2
En l’absence de courant d’air, et pour une humidité moyenne de l’air, la température ressentie est une moyenne entre celles de l’air et celles des murs.
Principe de conception bioclimatique :
Nous nous situons en France dans une zone de climat tempéré.
Ainsi il faudra en hiver favoriser les apports de chaleur venant principalement du soleil et, en période chaude, diminuer ses apports pour les favoriser le refroidissement.
Dans la construction neuve on pourra limiter les besoins de chauffage à la seule saison froide quand le soleil est absent.
En revanche, en réhabilitation, la conception bioclimatique permettra de diviser par 3 et parfois même jusqu’à 8 le besoin de chauffage.
L’architecture bioclimatique permet de recréer une relation plus intime avec les expressions et les cycles de la nature. Elle permet un lien avec le temps, avec l’espace, etc…
La prise en compte des rythmes naturel favorise un certain nomadisme journalier.
En hiver, on s’oriente plutôt vers le centre de la maison où se trouve parfois une cheminée, alors qu’en été, le soir venu on sera tenté de goûter à la fraîcheur d’une terrasse ou d’un jardin.
Les performances thermiques des matériaux :
L’architecture bioclimatique permet la mise en œuvre d’une l’enveloppe qui n’est pas qu’une frontière en l’intérieur extérieur mais aussi un organe de transformation du climat extérieur en climat intérieur agréable.
Les paramètres dont dispose le concepteur sont :
- L’orientation
- L’implantation du bâtiment
- La configuration architecturale
- L’agencement des éléments de la maison
- L’utilisation des matériaux et de leurs caractéristiques thermiques
- La végétation avoisinante
Les caractéristiques des bâtiments devront permettre de :
- En hiver capter les calories, les garder, et éviter les déperditions thermiques
- En été protéger du soleil, éviter l’entrée des calories, et dissiper la chaleur en excédent
- En demi-saison, le bâtiment voit pouvoir s’adapter aux besoins par la combinaison de ces deux principes.
On distingue plusieurs caractéristiques pour quantifier les performances thermiques d’un bâtiment :
La conductivité thermique
La conductivité thermique est la propriété que possèdent les matériaux à transmettre la chaleur par conduction : plus la conductivité thermique d’un matériau est grande, plus ce matériau sera conducteur.
À l’inverse, plus la conductivité thermique est petite, plus le matériau sera isolant
La conductivité thermique est symbolisée par la lettre lambda elle est exprimée en Watt par mètre Kelvin (W/m.K)
La conductivité thermique permet de quantifier le pouvoir isolant des matériaux c’est-à-dire leur aptitude à s’opposer au passage des calories contenues dans l’air
Cette aptitude symbolisée U était jusqu’à lors représenté par la résistance thermique symbolisée R avec R=1/U
Aujourd’hui elle est surtout utilisée pour quantifier le pouvoir isolant des matériaux pour une épaisseur donnée
Plus R est élevé, plus le matériau sera isolant
R dépend du lambda de chaque matériau et de l’épaisseur de ceux-ci.
R matériaux = épaisseur / lambda
La capacité thermique
La capacité thermique d’un matériau désigne son aptitude à stocker de la chaleur
Elle est exprimée en Watt heure par mètre cube Kelvin (Wh/m3.K)
Plus la capacité thermique d’un matériau est grande, plus la quantité de chaleur à lui apporter pour élever sa température est importante, ce qui signifie plus grande est sa capacité de stockage des calories avant que sa température de s’élève
Une capacité thermique importante caractérise généralement les matériaux dits à inertie. Cette propriété est essentielle pour avoir un bâtiment performant en confort d’hiver comme un confort d’été.
Ainsi une dalle maçonnée située derrière une paroi orientée au sud captera de la chaleur durant la journée pour la restituer le soir.
Contrairement à ce que l’on peut penser, la capacité thermique concerne également des matériaux isolants nettement plus légers.
Ainsi certains matériaux isolants peuvent également stocker de la chaleur en été.
Ils ont assez absorbé de calories pour permettre un déphasage jour/nuit.
La diffusivité thermique
La diffusivité thermique correspond à la capacité d’un matériau à offrir rapidement une variation de température. Elle augmente avec la conductivité et diminue avec la capacité thermique. Elle s’exprime par la lettre ‘a’ en mètre carré par heure (m2/h).
L’effusivité thermique
Contrairement à la diffusivité, l’effusivité énonce la rapidité avec laquelle un matériau absorbe la chaleur.
Plus elle est élevée, plus un matériau va emmagasiner de l’énergie sans se réchauffer sensiblement.
PARTICULARITÉS PHYSIQUES DES MATÉRIAUX TRANSPARENTS
L’effet de serre
Les éléments transparents laissent passer le rayonnement infra-rouge de longueur d’onde courte, mais font barrière au rayonnement infra-rouge à longueur d’onde élevé.
C’est ainsi que les rayons du soleil à courte longueur d’onde pénètrent à travers un vitrage dans une pièce, mais sont piégés. Car après avoir réchauffé un matériau, ce dernier émet un rayonnement composé d’ondes de grandes longueurs.
Propriétés thermiques des vitrages
Les vitrages peuvent être anti-effractions, phoniques, auto-nettoyants…
Mais dans l’architecture bio-climatique, les propriétés thermiques sont seules prises en compte.
Il s’agit de : La transmission énergétique, ou facteur solaire g
La déperdition énergétique U
Le facteur solaire :
Il s’agit de la quantité d’énergie solaire que le vitrage va laisser passer. Il s’exprime en pourcentage du rayonnement qu’il va laisser passer, et par la lettre g.
Le coefficient de transmission thermique (U)
Il s’agit de la capacité d’un vitrage à s’opposer à la fuite des calories.
Plus le coefficient est faible et plus le vitrage est isolant.
Pour améliorer le coefficient U, plusieurs solutions se présentent :
- On peut doubler ou tripler le vitrage
- On peut aussi augmenter l’épaisseur de la lame d’air entre les vitres.
- La mise en place d’une couche à faible émissivité (film métallique) améliore également la performance
- Enfin, en remplaçant l’air par de l’argon ou du krypton, on diminue les effets de convections et donc on fait progresser le vitrage.
LA PERFORMANCE D’UNE PAROI OPAQUE :
Performance isolante d’une paroi :
Durant l’hiver, une partie des calories captées du soleil ou produites par le système de chauffage est perdue en traversant par conduction les parois extérieures.
Les matériaux isolants permettent de réduire ce phénomène.
Pour quantifier la résistance thermique d’une paroi, on utilise le coefficient de transmission thermique U.
Comme nous l’avons vu précédemment, le coefficient U est l’inverse du coefficient R.
Pour calculer le coefficient U d’une paroi, on procèdera de la sorte.
On additionnera le R de chaque couche qui compose la paroi afin d’obtenir le R total de celle-ci.
U paroi=1/R paroi
Il est exprimé en watt par mètre carré kelvin (W/m2.K)
Coefficient U pour différent type de murs extérieurs : U (W/m2.K)
- Mur en parpaing épaisseur 22,5cm 2,08
- Mur en brique de 20cm + 3cm de vide d’air +doublage briques 8cm 1,15
- Performance de référence RT 2000 0,43
- Mur en béton cellulaire de 30cm 0,42
- Performance de référence RT 2005 0,40
- Mur en briques auto-isolantes roulées de 37cm 0,36
- Ossature bois + briques de chanvre de 30cm 0,34
- Mur en briques + liège expansé 0,32
- Mur bois massif de 10cm + laine de bois de 10cm
- + lambris bois intérieur 0,26
- Performances moyennes des murs d’un bâtiment basse énergie : (RT2012) : 0,20
- Mur en ossature bois avec remplissage de 20 de laine de cellulose 0,19
- Performances moyennes murs maisons passives 0,13
- Mur en ossature bois avec 37cm de laine de cellulose et pare-pluie en feutre de bois 0,10