Architecture bioclimatique

L’architecture bioclimatique est une sous-discipline de l’architecture qui recherche un équilibre entre la conception et la construction de l’habitat, son milieu (climat, environnement, …) et les modes et rythmes de vie des habitants.

L’architecture bioclimatique permet de réduire les besoins énergétiques, de maintenir des températures agréables, de contrôler l’humidité et de favoriser l’éclairage naturel. Cette discipline est notamment utilisée pour la construction d’un bâtiment haute qualité environnementale (HQE).

Dans un pays tempéré, une maison bioclimatique peut arriver à fournir plus des deux tiers de ses besoins de chauffage uniquement grâce au soleil. C’est ce qu’on appelle l’habitat solaire passif, utilisant l’architecture des bâtiments – orientation, murs, toits et fenêtres – pour capter les rayons du soleil.

Démarche bioclimatique

Qu’est ce que le bien être thermique ?

« Ne pas avoir trop froid, ni trop chaud, ne pas sentir de courants d’air désagréables. »

Pour cela il faut donc trouver un équilibre thermique et donc contrôler les échanges de chaleur qui s’opèrent autour de nous. Ils se font suivant plusieurs mécanismes distincts :

• par conduction : au contact direct d’un corps plus chaud ou plus froid, par exemple quand on se lave les mains à l’eau chaude, ou que l’on marche pied nus sur un carrelage frais

• par convection : il s’agit des échanges de chaleur ente le corps et l’air ambiant, d’autant plus importants que l’écart de température entre les deux est grand. La vitesse de l’air accentue ces échanges

• par évaporation : en passant de l’état liquide à l’état gazeux, l’eau absorbe des calories. La transpiration, en s’évaporant, rafraîchit la surface de la peau

• par rayonnement (ou radiation) : ce sont les échanges de rayonnements infrarouges entre le corps et les parois, qu’elles soient froides (une vitre simple en hiver absorbe la chaleur du cors) ou chaudes (un mur chauffé par le soleil réchauffe le corps, même sans le toucher).

Les bases de l’architecture bioclimatique :

Le premier objectif de l’architecture bioclimatique consiste à rechercher une adéquation entre :

• la conception et la construction de l’enveloppe habitée ;

• le climat et l’environnement dans lequel l’habitat s’implante ;

• les modes et rythmes de vie des habitants.

Sous nos climats tempérés, cette recherche d’équilibre entre l’habitat et son milieu s’exprime principalement sous forme de deux grands principes saisonniers:

• en période froide, favoriser les apports de chaleur gratuite et diminuer les pertes

thermiques, tout en permettant un renouvellement d’air suffisant ;

• en période chaude, diminuer les apports calorique et favoriser le rafraîchissement.

Le second objectif de l’architecture bioclimatique est de trouver une adéquation entre :

• le bâtiment

• les systèmes de captage et de protection, l’installation de chauffage et de régulation

• le mode d’occupation et le comportement des habitants.

Ainsi, le chauffage et le rafraîchissement écologiques devront permettre de réduire au maximum les besoins de chauffer et de climatiser.

Conception des espaces et des enveloppes :

Les fonctions de l’enveloppe : profiter des éléments favorables du climat et écarter ceux qui sont défavorables.

Pour la saison froide :

• Capter les calories solaires.

• Les stocker ( pour pouvoir en bénéficier au moment opportun).

• Conserver ces calories gratuites et éviter également la déperdition des apports

intérieurs (chauffage et autres apports internes).

• Aider à une distribution efficace de l’ensemble de ces calories dans l’espace habité.

Pour la saison chaude :

• Protéger du rayonnement solaire.

• Eviter la pénétration des calories.

• Dissiper les calories excédentaires.

• On peut y ajouter le rafraîchissement et la minimisation des apports internes.

Pour les demi-saisons :

L’enveloppe doit pouvoir s’adapter de manière simple aux besoins par une combinaison de ces deux stratégies.

Composer avec le site :

D’une façon générale, en construction neuve, on choisira sur le terrain l’endroit privilégié pour bénéficier au maximum :

• des protections naturelles au vent froid et au soleil estival par les mouvements du terrain naturel et la végétation existante ;

• de l’ensoleillement hivernal en évitant les masques portés par les feuillages persistants, le relief et les bâtis existants.

Optimiser la forme et l’orientation :

L’ensoleillement :

C’est la façade sud qui reçoit le maximum de rayonnement solaire en hiver, et les façades ouest et est, ainsi que la toiture en été. Bien que le rayonnement reçu en été par la façade est soit théoriquement symétrique à celui de la façade ouest, il est souvent inférieur du fait des nébulosités matinales.

On a donc intérêt, pour optimiser la thermique d’hiver comme celle d’été, à développer au maximum la surface des façades sud, et à réduire celle des façades est, ouest et des toitures.

La compacité :

Pour un volume habité équivalent, l’enveloppe présentant la plus faible surface de parois extérieures sera celle présentant le moins de déperditions thermiques. La recherche d’une compacité relative se justifie aussi largement d’un point de vue économique : moindre quantité de matériaux, moindre complexité, et donc moindre coûts (économiques et écologiques) de construction et de maintenance.

Une autre économie appréciable de la compacité pour une maison par ailleurs bien conçue d’un point de vue bioclimatique est de pouvoir disposer au centre de l’habitat d’un unique appareil de chauffage par rayonnement qui apporte l’appoint nécessaire en saison froide.

Organiser les zones d’habitat selon l’ambiance thermique des espaces :

Les espaces habités en permanence de jour ou de nuit étant ceux qui nécessitent le plus de chaleur en hivers sont séparés de l’extérieur par des espaces intermédiaires, dits « tampons » qui jouent le rôle de transitions et de protections thermiques.

• Au nord, on disposera prioritairement les espaces non chauffés ou ceux ne nécessitant pas une température élevée. En abaissant ainsi l’écart de température avec l’extérieur selon les cas de 5 à 10°C, ces espaces tampons peuvent réduire les déperditions de 20 à 30%.

• Au sud, la serre est un espace tampon temporairement limitant le refroidissement de nuit en hiver, mais aussi et surtout un espace capteur de calorie.

• A l’est et à l’ouest, on disposera de préférence des pièces demandant plutôt à être tempérées que chauffées fortement, comme les chambres à coucher.

Des parois performantes :

Parois vitrées :

La capacité d’un vitrage à s’opposer à la fuite de calories est exprimée par le coefficient de transmission thermique. Symbolisé par la lettre U exprimé en watts par mètre carré Kelvin (W/m2.K). Plus le coefficient de transmission thermique est faible, plus le vitrage est isolant.

L’amélioration du coefficient de transmission U d’un vitrage se fait grâce à une ou plusieurs des solutions suivantes :

• en doublant, voire en triplant le vitrage

• en augmentant l’épaisseur de la lame d’air qui les sépare

• en revêtant une des faces du verre intérieur d’une couche à faible émissivité (film

métallique réfléchissant la chaleur)

• en remplaçant l’air entre les vitrages par un gaz plus lourd que lui comme l’argon ou le krypton pour diminuer les effets de la convection.

Parois opaques :

Les parois et leur capacité diffèrent selon leur composition et leur fabrication :

La composition :

Une grande partie des calories captées du rayonnement solaire ou produites par les systèmes de chauffage s’échappe des bâtiments en traversant par conduction les parois extérieures en saison froide.

Pour qualifier la résistance thermique d’une paroi, on utilise le coefficient de transmission thermique surfacique U, il dépend de la conductivité thermique (coefficient lambda) et de l’épaisseur des différents composants de la paroi.

Plus U est faible plus la paroi est isolante.

Il faut néanmoins penser que la valeur de U va descendre en fonction :

• des liaisons entre parois et entre élément de parois (ponts thermiques)

• des défauts d’étanchéité

• des éventuels défauts de pose

• des pertes de performance des matériaux et systèmes constructifs dans le temps.

Les ponts thermiques :

Ils sont les parties de l’enveloppe d’un bâtiment où sa résistance thermique est affaiblie de façon sensible. On les retrouve généralement à la jonction de différentes parois : entre deux façades, entre mur et dalle, à l’entourage des menuiseries extérieures, au niveau des coffres de volets roulants, etc.

La présence de ponts thermique peut cependant être évitée où limitée. En construction neuve elle dépend principalement du système constructif choisi : peu de ponts thermique avec le système d’isolation répartie (briques auto isolantes, béton cellulaire,…), quasiment aucun avec les maison à ossature bois et les système d’isolation par l’extérieur.

Autre avantages de la façade bois :

Grâce à sa lame d’air la façade à ossature bois permet d’avoir toujours une température intérieur inférieur à celle d’une façade sans lame d’air. Ainsi on a un avantage au niveau thermique et donc un gain aussi économique.

Une isolation thermique performante est une isolation qui vous protègera aussi bien du froid que des fortes chaleurs.

Une bonne isolation thermique est importante afin :

• de diminuer la consommation de chauffage

• de supprimer la consommation de climatisation

• de réduire les émissions de gaz à effet de serre

UNE ISOLATION THERMIQUE PERFORMANTE EST UNE ISOLATION QUI VOUS PROTEGERA AUSSI BIEN DU FROID QUE DES FORTES CHALEURS

Une bonne isolation thermique est importante afin :

• de diminuer la consommation de chauffage

• de supprimer la consommation de climatisation

• de réduire les émissions de gaz à effet de serre

Isoler sainement

Par essence, l’isolation a vocation à préserver l’environnement car elle permet des économies de chauffage et donc un moindre recours aux sources d’énergies polluantes.

Concernant les isolants, la plupart des problèmes d’humidité proviennent de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air intérieur chauffé, lorsqu’il se refroidit en se rapprochant de la face externe des parois.

Conventionnellement, pour supprimer les transferts de calories dus à un mur humide on utilise un pare-vapeur (imperméable à la vapeur d’eau). Ce n’est pas toujours la meilleure solution car sa mise en œuvre implique une grande quantité de raccords qui constituent des passages « entonnoir » par où s’échappe la vapeur d’eau, ce qui a pour effet de concentrer et d’accentuer les dégradations. Si le pare-vapeur est parfaitement posé, il est impératif d’extraire la vapeur d’eau en excès à l’intérieur par une VMC (ventilation mécanique contrôlée) pour bénéficier d’une qualité d’air correcte car les parois ainsi étanchées n’ont plus aucune capacité hygroscopique (faculté à absorber le surplus de vapeur d’eau quand l’air est trop humide et à le restituer lorsqu’il s’assèche).

En revanche, dans la méthode écologique, on ne réalise pas de parois étanches à la vapeur d’eau, ce qui permet d’éviter les problèmes de condensation. De plus, on utilise des matériaux poreux (« respirants »), avec une grande capacité hygroscopique et on bénéficie ainsi des échanges entre les parois et l’air extérieur. Par ailleurs, un isolant doit être perméable à la vapeur d’eau pour ne pas occasionner de gênes dus à l’humidité.

L’isolation écologique s’intéresse à l’impact des techniques et des matériaux choisis sur l’environnement, sur la santé et sur le bien-être, en évitant les matériaux dont la fabrication est polluante ou le recyclage impossible. Sur la santé, en choisissant des matériaux sans risques pour ceux qui les fabriquent ou les mettent en œuvre et pour les occupants. Sur le bien-être, en préférant des modes d’isolation qui n’entravent pas les échanges entre la maison et l’extérieur. Une pièce est confortable si la différence de température entre son air et ses murs n’excède pas 3°C.

Faut-il isoler par l’intérieur ou par l’extérieur ?

• Isolation par l’intérieur

Elle permet un réchauffement rapide de l’air intérieur (ce qui est utile dans les locaux à utilisation intermittente) car l’inertie thermique (capacité à emmagasiner de la chaleur et à la restituer plus tard, on parle alors de déphasage) du mur n’est pas effective. Toutefois, attention au risque de surchauffe l’été.

Ne modifie pas l’aspect extérieur.

Elle ne résout pas les ponts thermiques, c’est-à-dire les zones échappatoires des calories où la barrière isolante est rompue, mais évite le rayonnement des parois froides.

• Isolation par l’extérieur

Elle permet de profiter de l’inertie thermique des murs pour réguler la température dans la pièce, quand elle est chauffée, les murs accumulent une partie de la chaleur qu’ils restitueront progressivement lorsque le chauffage sera éteint. L’inconvénient est qu’elle nécessite un temps plus important pour réchauffer une pièce froide.

En outre, elle maintient la fraîcheur en été et évite les ponts thermiques.

C’est une technique qui n’est pas adaptée aux résidences secondaires et qui peut s’avérer coûteuse.

Sources

Articles :

de INFO – ENERGIE : l’isolation écologique du CAUE 79 : sur la conception bioclimatique

Livres :

Chauffage, isolation et ventillation écologiques de Paul DE HAUT, edition EYROLLES, Marsat 2007

La conception bioclimatique de Samuel CouRGEY et Jean-Pierre OLIVIA

La conception bioclimatique édition TERRE VIVANTE, Mens 2006