Confort et diagnostic énergétique des bâtiments

EVALUATION DU CONFORT DANS LE BATIMENT ET DIAGNOSTIC ENERGETIQUE

Ce cours introduit les bases de l'évaluation du confort et des diagnostics énergétiques des bâtiments, abordant la performance thermique, la ventilation, l'éclairage, l'acoustique et la consommation énergétique. Il couvre aussi la découverte de l'usage de logiciels de simulation et de modélisation pour la conception architecturale.

Au 1^er siècle, Vitruve écrivait : "En tout édifice, il faut prendre garde que la solidité, l'utilité et la beauté se rencontrent."

La qualité est « la totalité des caractéristiques requises par un produit ou de satisfaire un besoin donné » (Cornick, 1991).

Le développement durable est « un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs » (rapport Brundtland, 1987).

• Efficacité économique : Assure la croissance économique sans épuiser les ressources.

• Soutenabilité environnementale : Protège les écosystèmes pour les générations futures.

• Équité sociale : Favorise l'égalité et la justice dans les communautés.

Le Climat

Le climat est l'ensemble des phénomènes météorologiques (température, pression atmosphérique, vents, précipitations) qui caractérisent l'état moyen de l'atmosphère et son évolution en un lieu donné.

Facteurs Clés Influant sur le Climat

La Terre connaît cinq grands types de climats classés selon leur température et leur humidité : climat tropical, climat sec, climat tempéré chaud, climat tempéré froid et climat froid.

Facteurs Climatiques à Différentes Échelles

• Microclimat : Influencé par la topographie, les sols, la végétation et les structures.

• Climat Global : Influencé par la latitude, l'altitude et la proximité de la mer.

• Climat Local : Déterminé par l'altitude relative, l'eau, la végétation et le développement urbain.

• Climat Régional : Affecté par la latitude, la continentalité, les plans d'eau et les régimes de vent.

L'inclinaison de l'axe de rotation nord-sud de 23°27' par rapport au plan écliptique explique les cycles saisonniers.

Conception Réactive au Climat (climate responsive design)

L'étude climatique permet une caractérisation des phénomènes climatiques (localisation, amplitudes, durée, fréquence). Pour être représentative, elle doit être menée sur un an minimum.

L'importance de l'intégration du site dans les projets architecturaux

La création d'un produit architectural durable et sensible au contexte débute par l'intégration des considérations climatiques dans le processus de conception. L'architecte analyse et interprète les données climatiques spécifiques au site pour une réactivité environnementale et une haute qualité architecturale.

Progression du processus de conception

1. Comprendre l'importance de l'intégration du site dans les projets architecturaux.

2. Analyser et interpréter les données climatiques pour des sites de construction spécifiques.

3. Appliquer des stratégies de conception réactives au climat aux projets architecturaux.

4. Évaluer l'impact environnemental des conceptions architecturales à travers le prisme du climat.

5. Développer des propositions de conception qui s'harmonisent avec leurs environnements naturels et bâtis.

"Architecture climatique équilibrée" qui souligne l'interrelation.

L'architecture bioclimatique, selon Olgyay & Olgyay (1958), vise à réduire progressivement l'amplitude des variations climatiques annuelles grâce à une approche hiérarchisée, pour assurer un confort thermique optimal avec une consommation énergétique minimale.

Les Niveaux de Contrôle du Climat

• Climat de base : L'amplitude climatique annuelle naturelle d'une région donnée (étés chauds, hivers froids).

• Microclimat : L'amplitude est réduite par les conditions locales spécifiques (végétation, topographie, eau).

• Bâtiment : L'amplitude climatique est encore réduite par la conception du bâtiment (isolation, orientation, matériaux).

• Installations : Les installations techniques (chauffage, climatisation) doivent ajuster finement les conditions ambiantes restantes.

Concevoir avec le Climat : Principes et Bénéfices

1. Facteurs climatiques affectant la conception des bâtiments :

   1. Température

   2. Précipitations

   3. Vent

   4. Rayonnement solaire

2. Principes de la conception bioclimatique :

   1. Stratégies passives de chauffage et de refroidissement

   2. Éclairage naturel

   3. Ventilation naturelle

3. Adapter la conception au climat local :

   1. Améliorer l'efficacité énergétique

   2. Améliorer le confort et le bien-être des occupants

   3. Réduire l'impact environnemental

   4. Atteindre des objectifs de conception durable

L'Énergie Solaire

L'irradiation solaire incidente représente le rayonnement total qu'une surface reçoit et se compose de trois éléments distincts :

• Irradiation directe : Rayonnement provenant directement du soleil.

• Irradiation diffuse : Rayonnement provenant de la voûte céleste, diffusé par l'atmosphère.

• Irradiation réfléchie : Rayonnement réfléchi par l'environnement extérieur (sol), avec l'albédo comme coefficient de réflexion du sol.

L'angle d'incidence des rayons solaires influence la densité énergétique reçue. Une surface perpendiculaire intercepte le maximum d'énergie.

Les Coordonnées Solaires

La connaissance de la course du soleil est cruciale pour maîtriser son impact sur un bâtiment. Deux angles solaires déterminent la position du soleil :

• L'azimut () : Angle horizontal entre le Sud et la projection du soleil sur l'horizon (0° au sud, positif vers l'ouest, négatif vers l'est).

• La hauteur () : Angle vertical formé par les rayons solaires et le plan horizontal (entre 0° et 90°).

Diagramme Solaire

La position du soleil change tout au long de l'année, affectant la hauteur maximale, la durée du jour et la direction. Comprendre ces variations est essentiel pour une conception bioclimatique efficace, optimisant l'ensoleillement en hiver et la protection en été.

Pour plus de clarté, la course solaire est généralement représentée par un diagramme en coordonnées rectangulaires ou en projection cylindrique, qui illustre la voûte céleste et les positions du soleil (azimut, hauteur) sur une surface plane.

Classification Générale des Climats Mondiaux

Par hiérarchie :

• Climats régionaux : S'étendent sur des milliers de km², soumis à des phénomènes météorologiques particuliers.

• Climats locaux : S'étendent sur des dizaines de km², influencés par les particularités environnementales (relief, étendues aquatiques).

• Microclimats : Concernent des sites peu étendus (centaines de m²), où la topographie et l'environnement à petite échelle (bâtiments, végétation) modifient le courant aérien, l'ensoleillement, la température et l'humidité.

Le climat est déterminé par la température, la pression, les précipitations, l'ensoleillement, l'humidité et la vitesse du vent.

La Conception Architecturale Bioclimatique

L'approche bioclimatique adapte l'architecture d'un projet aux contraintes et atouts du site, permettant aux occupants d'atteindre un confort optimal sans dépenses énergétiques excessives.

Objectifs :

• Limiter la consommation énergétique.

• Limiter l'impact environnemental et sanitaire.

• Garantir un confort optimal en été comme en hiver.

• En période froide : favoriser les apports de chaleur gratuits, diminuer les pertes de chaleur et assurer un renouvellement d'air suffisant.

• En période chaude : réduire les apports calorifiques et favoriser le rafraîchissement.

Principes Fondamentaux de la Conception Architecturale Bioclimatique

1. L'Analyse Climatique : Un Diagnostic Essentiel

L'analyse climatique évalue les contraintes physiologiques extrêmes du climat et consiste à :

• Collecter et interpréter les données climatiques locales (températures, précipitations, vents dominants, ensoleillement, humidité).

• Identifier les microclimats (variations locales dues à la topographie, végétation, constructions).

• Définir les objectifs de confort thermique et visuel.

2. La Conception Passive : L'Art de Tirer Parti du Climat

• L'implantation et l'orientation :

  • Favoriser l'exposition au soleil en hiver pour le chauffage passif.

  • Protéger les façades du soleil en été (débords de toit, brise-soleil, auvents, arbres).

  • Orienter les ouvertures principales vers les vents dominants pour la ventilation naturelle.

• L'enveloppe du bâtiment :

  • Optimiser l'isolation thermique (murs, toit, planchers).

  • Utiliser des matériaux à forte inertie thermique.

  • Concevoir des façades perméables à la vapeur d'eau.

• Les ouvertures :

  • Dimensionner et positionner les fenêtres pour maximiser l'apport de lumière naturelle.

  • Utiliser des vitrages performants (double vitrage, verre à faible émissivité, verre sélectif).

  • Intégrer des systèmes d'occultation (stores, volets, rideaux).

• La ventilation naturelle :

  • Concevoir des espaces ouverts et connectés pour favoriser la circulation de l'air.

  • Créer des ouvertures en hauteur et en bas des façades pour faciliter le tirage thermique.

  • Utiliser des puits de lumière pour amener la lumière naturelle et favoriser la ventilation.

3. Les Matériaux : Un Choix Stratégique

• Privilégier les matériaux locaux et renouvelables (bois, pierre, terre crue, paille, chanvre).

• Utiliser des matériaux à faible impact environnemental (éviter les substances toxiques ou énergivores).

• Utiliser des matériaux recyclés ou recyclables (béton recyclé, bois de récupération, isolants biosourcés).

4. Les Systèmes Actifs : Un Complément Nécessaire

• Intégrer des systèmes actifs performants et adaptés (chauffage, climatisation, VMC, éclairage artificiel).

• Utiliser des énergies renouvelables (solaire thermique, photovoltaïque, géothermie).

• Optimiser la gestion de l'eau (récupération des eaux de pluie, toilettes sèches, systèmes d'irrigation économes).

Les Stratégies Bioclimatiques

L'approche bioclimatique vise à adapter l'architecture d'un projet aux contraintes et atouts du site, permettant un confort optimal sans dépenses énergétiques excessives. L'objectif est d'atteindre le confort d'ambiance naturellement avec un minimum de moyens mécaniques.

Stratégies de Conception :

Ces stratégies passives complémentaires diminuent la consommation d'énergie pour le chauffage ou le rafraîchissement. En général, dans l'hémisphère nord, on propose :

• Maximisation des surfaces vitrées orientées au Sud, protégées par des casquettes horizontales en été.

• Minimisation des surfaces vitrées orientées au Nord, car faibles apports solaires et déperditions supérieures à une paroi isolée.

• Surfaces vitrées raisonnées à l'Est et à l'Ouest pour éviter les surchauffes estivales.

Confort d'Hiver :

La stratégie consiste à capter la chaleur du rayonnement solaire, la stocker, la conserver et la distribuer :

• Capter : Recueillir l'énergie solaire via les surfaces vitrées en tenant compte du climat, de l'orientation, des matériaux, de la topographie et de l'ombrage.

• Stocker : Conserver l'énergie solaire dans les matériaux selon leur capacité d'accumulation pour atténuer les variations de température.

• Conserver : Maintenir la chaleur grâce à une forme compacte, une bonne étanchéité de l'enveloppe et des parois isolantes. Le cloisonnement crée des zones thermiques distinctes.

• Distribuer : Répartir la chaleur naturellement ou par ventilation forcée.

Confort d'Été :

La stratégie consiste à se protéger du rayonnement solaire, minimiser les apports internes, dissiper la chaleur et refroidir naturellement :

• Protéger : Protéger le bâtiment (ouvertures) du soleil direct avec des écrans (fixes, amovibles, végétation). Isoler les parois/toitures et limiter les infiltrations d'air chaud.

• Minimiser les apports internes : Éviter la surchauffe due aux occupants et équipements (éclairage, appareils électriques) et privilégier l'éclairage naturel.

• Dissiper les surchauffes : Utiliser la ventilation naturelle (gradients de température, effet de cheminée, pression du vent) pour évacuer l'air chaud.

• Refroidir les locaux : Favoriser la ventilation (nocturne) et utiliser des dispositifs naturels (plans d'eau, végétation, conduits enterrés).

Il faut tenir compte de : l'implantation, l'environnement, l'orientation, la compacité, la distribution intérieure des espaces.

• L'Implantation : Choisir le Bon Emplacement : Analyser le microclimat local, les vents dominants, l'ensoleillement, l'ombrage et la topographie.

• L'Environnement : S'Intégrer au Paysage : Considérer la végétation, l'eau, le type de sol (utiliser la végétation pour l'ombre ou la protection contre le vent).

• L'Orientation : Maîtriser le Soleil : Une façade sud bien orientée maximise les gains solaires en hiver et des protections solaires protègent de la surchauffe en été.

• La Compacité : Réduire les Pertes de Chaleur : Un bâtiment compact (rapport S/V faible) a moins de surface en contact avec l'extérieur, réduisant les pertes de chaleur. Une forme simple et régulière est préférable. Les formes compactes avec cour intérieure conviennent aux zones climatiques sahariennes.

• La Distribution Intérieure : Créer des Zones Thermiques : Optimiser le confort thermique en créant des zones distinctes pour regrouper les pièces nécessitant un même niveau de chauffage ou de refroidissement.

Le Confort Visuel / Éclairage Naturel du Bâtiment

L'éclairage naturel, source de lumière blanche, est essentiel pour le bien-être physique et mental, et réduit la consommation d'énergie. Un confort visuel optimal permet de percevoir les objets nettement sans fatigue dans une ambiance agréable.

Caractérisation de la Lumière Naturelle

La lumière naturelle est la partie visible du rayonnement solaire. Sa disponibilité dépend de la position du soleil et de la couverture nuageuse. Elle peut être modélisée par différents types de ciel.

Les grandeurs photométriques pour quantifier la lumière naturelle sont : l'éclairage (en Lux) et la luminance (en candelas par m²).

Les objets et matériaux absorbent, réfléchissent ou transmettent la lumière, définissant les couleurs et les luminances perçues.

L'efficacité de la lumière naturelle est influencée par :

• Disponibilité du soleil (quantité de lumière solaire).

• Conception des ouvertures (taille, forme, position des fenêtres).

• Aménagement intérieur (disposition et couleurs des meubles).

• Variations de la lumière naturelle (changements extérieurs).

• Proportion des espaces (taille et disposition des espaces à éclairer).

• Obstacles naturels (arbres, paysages).

• Contraintes urbaines (bâtiments, structures).

Flux Direct et Diffus :

• Une partie des rayons du soleil est réfléchie dans l'espace ou absorbée par l'atmosphère.

• Le flux diffus résulte des réflexions multiples dans l'atmosphère.

• Le flux direct provient des rayons solaires non obstrués.

L'éclairage horizontal extérieur varie : moins de 5 000 lux en hiver et plus de 40 000 lux en été sous ciel couvert ; au-delà de 100 000 lux en été sous ciel clair.

Ordres de Grandeur :

Un bon éclairage garantit la performance visuelle, le bien-être et un agrément visuel.

La performance visuelle dépend du niveau d'éclairage de la surface de travail et du contraste de luminance.

L'inconfort visuel est lié à l'éblouissement (fort contraste de luminances). Les fenêtres et un éclairage inapproprié sont souvent la cause. Une variation rapide de l'intensité de l'éclairage naturel peut provoquer l'éblouissement.

L'agrément visuel est subjectif et associé au niveau, à la distribution, à la directivité, aux risques d'éblouissement, à la couleur et à la relation avec l'extérieur de la lumière.

Facteur de Lumière du Jour (FLJ) :

Le FLJ est le ratio entre l'éclairement intérieur et l'éclairement extérieur horizontal sous ciel couvert (CIE). Il traduit les conditions les plus défavorables.

• FLJ < 0.5% : insuffisant

• 0.5% < FLJ < 1% : faible

• 3% < FLJ < 5% : très bon

• 5% < FLJ : excellent

Le Vent

Le vent est un déplacement horizontal d'air des zones de haute pression vers celles de basse pression, crucial pour la conception des bâtiments. Sa vitesse augmente avec l'altitude et est influencée par la topographie locale et la rugosité des surfaces.

En milieu urbain, le vent modifie la température de l'air, évacue la chaleur accumulée et dilue la pollution atmosphérique. La prise en compte des conditions de vent est déterminante pour la ventilation naturelle.

En milieu urbain, le vent suit une trajectoire complexe entre les immeubles, créant des microclimats spécifiques et des effets de tunnel ou de tourbillons (effet de maille, de liaison, de barre, de Venturi, de pilotis, de passages, de canalisation).

Le Vent et la Conception Bioclimatique :

Pour une conception bioclimatique efficace, il est essentiel de considérer le vent pour :

• Ventilation naturelle estivale : Utiliser les brises (mer/terre) pour rafraîchir la nuit via des openings stratégiques (surpression/dépression) ; réduit la climatisation.

• Implantation et orientation optimales : Évacuer l'humidité, les polluants et améliorer la qualité de l'air ; améliore le confort hygrométrique et olfactif.

• Protection hivernale contre les vents froids : Réduire l'exposition, installer des écrans (murs, auvents, végétation), améliorer l'étanchéité ; réduit la consommation de chauffage.

La Ventilation Naturelle des Bâtiments :

La ventilation naturelle est un système de renouvellement d'air utilisant le vent et les différences de température pour créer une circulation d'air, offrant une alternative durable. Elle vise à renouveler et distribuer l'air dans un milieu clos, et à rafraîchir passivement les locaux.

Elle repose sur un différentiel de pression entre l'entrée et l'évacuation d'air, généré par deux mécanismes :

• Effet du Vent : Pression exercée par le vent sur les façades.

• Effet Thermosiphon : Circulation d'air due aux différences de température.

Types de Ventilation Naturelle :

• Ventilation Unilatérale : Convient aux bâtiments avec une seule façade exposée, utilisant la pression du vent.

• Ventilation Transversale : Efficace dans les climats avec des vents dominants, permettant à l'air de traverser le bâtiment.

• Ventilation par Atrium : Idéale pour les bâtiments avec un espace central ouvert, utilisant la flottabilité thermique.

L'efficacité de la ventilation naturelle dépend de la configuration des ouvertures.

Effet Thermosiphon

Le gradient thermique, sous l'effet de la poussée d'Archimède, fait monter l'air chaud et descendre l'air froid.

Pour surmonter les limites de la ventilation à simple exposition et optimiser la ventilation transversale, les systèmes de ventilation naturelle avec conduits (conduit unique, conduit shunt, conduits individuels) sont utilisés pour équilibrer la distribution de l'air.

Procédés de Ventilation

• Procédés Modernes : Technologies innovantes comme les cheminées solaires et les façades double peau pour l'efficacité énergétique.

• Procédés Traditionnels : Méthodes éprouvées comme les badguirs et les malqafs pour la ventilation naturelle.

• Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) : Systèmes mécaniques pour un contrôle précis et une fiabilité.

Le Confort Thermique

Le confort thermique est un état de satisfaction vis-à-vis de l'environnement thermique, défini par l'équilibre dynamique entre le corps et son environnement. C'est une sensation complexe produite par des facteurs physiques, physiologiques et psychologiques.

Le corps humain maintient sa température autour de . Un équilibre doit être trouvé entre les échanges thermiques du corps et l'ambiance.

Les 6 Paramètres du Confort Thermique

1. Facteurs liés à l'individu

   • Le métabolisme : Production de chaleur interne pour maintenir la température corporelle (métabolisme de base + activité physique).

   • L'habillement : Résistance thermique (isolant entre la peau et l'air), mesuré par l'indice clo.

2. Facteurs liés à l'environnement

   • Température de l'air (T_a°) : Le premier paramètre à contrôler. L'intervalle de confort va de 18 à 25 °C.

   • Température des parois (T_p°) : Rayonnement des surfaces environnantes. Indicateur du niveau d'isolation et de l'inertie thermique. Une paroi mal isolée génère un inconfort. La température de confort ressentie ou température opérative (T_rs) est calculée par : $

   • Humidité relative (HR) : Pourcentage d'eau dans l'air. L'intervalle de confort est de 30 à 70 %. En dessous de 20%, l'air est trop sec ; au-dessus de 80%, l'air est trop humide.

   • Vitesse de l'air : Accélère les échanges par convection et l'évaporation (seuil de confort : < 0,2 m/s). Les défauts d'étanchéité des bâtiments ([infiltrations parasites](*)) sont sources de courants d'air inconfortables.

L'évaluation du confort thermique repose sur une approche pluridisciplinaire. L'objectif est de définir des indices de stress ou d'inconfort. Les indices normatifs PMV - PPD du modèle rationnel de Fanger, et la température opérative du modèle adaptatif, sont les références.

Introduit par Fanger (1970), le modèle incorpore six variables (température de l'air, vitesse de l'air, humidité relative, température moyenne de rayonnement, taux métabolique et isolation des vêtements) pour développer une équation empirique de confort.

• Le PMV (Predicted Mean Vote) : Indice de sensation thermique qui prédit la valeur moyenne des votes d'un grand groupe de personnes (échelle de -3 à +3). L'équilibre thermique est atteint lorsque la production de chaleur interne est égale à sa perte vers l'environnement.

• Le PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) : Indice qui prédit quantitativement le pourcentage de personnes insatisfaites thermiquement à partir du PMV.