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Conception Bioclimatique D'Une Maison

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Catégorie: Le Monde du Travail

Soumis par: Jessamine 28 mai 2012

Mots: 3788 | Pages: 16

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re les générations, et la responsabilité de tous les agents économiques dans la gestion des ressources et de l'environnement.

Pour le bâtiment, les concepteurs en charge de l'abri et du confort des utilisateurs doivent faire en sorte que l'impact du bâtiment sur l'environnement soit aussi faible que possible, tout en garantissant un niveau de confort optimal.

A partir des années quatre vingt le concept de développement durable évolue vers une notion plus large incluant la sante et la gestion du vieillissement des bâtiments et prend pour impératif la construction de bâtiments a bas profil énergétique compte tenu de l’importance de la consommation énergétique du secteur résidentiel et tertiaire comprise entre 30 a 40 % de la consommation énergétique totale. Désormais les phénomènes physiques locaux liés au climat font partie intégrante des paramètres d’un projet au même titre que les matériaux utilisés ou la distribution des espaces intérieurs, chaque lieu présentant des caractéristiques de température, de rayonnement solaire, d’humidité, de vent particuliers.

Nous énoncerons sommairement les principes régisseurs de la conception d'un bâtiment dans le sud est de la France, après avoir rappelé rapidement qu'elles sont les conditions climatique du milieu et finirons par exposer six points d'étude d'un tel édifice, avant d'illustrer nos propos par un exemple concret.

Le sud est de la France est une région de climat méditerranéen. On prendra dans l'illustration en fin d'exposé la ville de Perpignan. Le climat méditerranéen est un type de climat tempéré qui se caractérise par des étés chaud et sec et des hivers doux et humides. Bien souvent, la limite de la culture de l'olivier correspond à la zone d'extension de ce climat. Cet arbre est endommagé par le gel si la température descend au-dessous de -10°C en période de repos végétatif hivernal et supporte plusieurs mois de sécheresse.

L'autre caractéristique des précipitations en milieu méditerranéen est leur faible fréquence et leur intensité. Si les cumuls annuels moyens sont compris entre 300 et 1000mm, la fréquence est faible: moins de 100 jours par an. Les températures élevées favorisent de développement d'orages violents. L'équivalent de la moitié de la lame d'eau annuelle moyenne peut s'abattre en une journée lors d'épisodes pluvieux intenses.

La douceur des hivers rend la neige très rare sur le littoral.

Les températures moyennes annuelles sont plus chaudes que dans la zone tempérée, avec une douceur remarquable dans le nord du bassin méditerranéen (côtes espagnole, française et italienne) due à la température de la Méditerranée en hiver.

La température en été est très variable. Autour de la Méditerranée et dans l'intérieur des terres, les étés sont très chauds (température moyenne supérieure à 22°C tout autour du bassin); dans l'intérieur des terres, les températures maximales dépassent très souvent les 30°C en été, et approchent facilement les 40°C, en particulier vers l'est ou le sud du bassin, y compris dans les régions montagneuses.

L'hiver est doux et les températures moyennes du mois le plus froid sont généralement à 9°C. Dans les zones les plus exposées aux influences maritimes, le réchauffement est lent au printemps et l'automne est très doux.

Les températures moyennes sont donc: hiver: + de 10 ° été: entre 25 °

I) Limitation des entrées solaires par les ouvertures l'été

On remarque que les ouvertures peuvent souvent ne pas être vitrées et que la pénétration solaire à travers celle-ci se fait avec un τ = 1.Pour réduire les entrées solaires par les ouvertures le concepteur doit prendre des partis répondant aux points suivants.

1.1) Des surfaces d'ouverture limité ou en raison de refroidissement.

Elles doivent donc être plus petites en climats très ensoleillés, dont la température moyenne n'est pas considérable et tels que les édifices ne nécessitent pas une forte ventilation.

1.2) Une orientation dominante Nord/Sud avec des plans qui évitent le plus possible les ouvertures à l'est et à l'ouest, les énergies incidentes sur les enveloppes verticales étant nettement supérieur à celles qui atteignent les parties verticales nord et sud. C'est donc plus sur la connaissance de l'ensoleillement réel au cours de toute l'année que sur des considérations d'ensoleillement à qualité égales de ciel que le concepteur doit choisir une orientation dominante au nord ou au sud. Mais si la double orientation des ouvertures peut être choisie, grâce à des conditions d'énergie solaire incidente sensiblement identiques des deux cotés ou grâce au fait que même dans le pire des cas, les entrées solaires sont faibles, le concepteur devra profiter de cette double orientation pour obtenir un édifice compact et donc offrant le moins de surface possible au climat.

1.3) L'installation de brise-soleils est un procédés très simple mais garantissant un maximum de résultat. On a vue dans certain cas une consommation d’énergie de chauffage baisser de 20 à 30 % et de façon identique pour les moins de climatisation.

II) Limitation des captages solaires à travers les parties opaques

Selon les autres paramètres climatiques ( en particulier la pluviométrie) et les ressources locales les mesures suivantes peuvent être prises.

2.1) Une couches superficielle réfléchissante au rayonnement solaire si le climat est sec et la pollution faible peuvent être un élément intéressant dans la conception , cela peut réduire considérablement l'impacte du soleil sur le bâtiment en période estivale. Le lait de chaud peut être utilisée pour cela c'est un composant peu cher et facile d'application.

2.2) L'installation d'écrans entre le soleil et les parties d’enveloppe les plus exposées peut être envisageable. Elles sont de plusieurs ordres:

Une toiture sur comble ventilé si le bois n'est pas rare ni cher et les pluies courantes. La ventilation devra être bien organisé, par le vent dominant ou par thermosiphon , pour refroidir la couverture.

Des écrans végétaux secs transparents à l'air sur la structure légère est un procédés très performant également.

Des claustras, doubles parois ou végétation sur les murs, particulièrement a l'est et à l'ouest permet également une conservation naturel de la température de confort interne.

2.3) La réalisation de parois isolantes, de parois a faible coefficient surfacique K est une donnée a mettre ne place des la conception. Elle peut être apporté soit par une épaisseur importante d'un matériau de conductivité médiocre tels que la paille la terre la chaume, soit par l'addition d'une couche isolante à une couche structurelle qui permet, lors quelle est posée à l’intérieur, de créer une inertie par absorption. En règle générale, les parois à l'horizontale, ou éventuellement celles exposées à l'est ou à l'ouest nécessite une isolation dans la mesure ou elle ne bénéficient pas d’écran par rapport au soleil. Il est également conseiller de bien concevoir l'édifice du point de vue du coefficient de forme s/v.il est plus intéressant de construire un bâtiment à deux étages qu'un bâtiment étalé, l’intérêt est de ne traiter qu'une surface de captage étroite.

Les enveloppes devrons également être étanches à l'air durant l'hiver de façon à être ventilées avec un débit minimal grâce à une VMC.

III) Dispositifs de refroidissement

si on excepte des expériences qui n'ont jamais eu de suite autre que littéraire en France, ils font appelle au phénomènes physiques suivants:

L'un des tout premier est l'évaporation d'eau par un courant d'air, qui se refroidit en fournissant une chaleur sensible égale à la chaleur latente d'évaporation de l'eau, de telle sorte que sa température tende vers sa température humide, cela peut être évidement intéressant que si atmosphère est sèche. Un autre procédés par refroidissement d'air par passage en canaux sous le sol, dont la température est plus faible que l'ambiance extérieure grâce à un déphasage entre les évolutions de température en surface et en profondeur, à condition que le climat ait un été et un hiver de températures nettement différentes. On peut alors citer les systèmes de type Jarre – Nazria (a) ou l'air est aspirée naturellement et passe a travers un milieu capillaire alimenté en eau, un autre procédé est celui du puits canadien (b) tels que l'air de ventilation passe sous le sol dans des canalisations de grand diamètre avant d'atteindre l'édifice à refroidir.

(a)

(b)

IV) Séparation des espaces à forte production de puissance internes et répartition des espaces selon leur usage

Le concepteur doit privilégié le confort des pièces de vie, doit éviter que la chaleur, qui nait par exemple dans une cuisine ou une buanderie soit véhiculée vers celle-ci. Pour cela il doit concevoir une architecture avec des pièces techniques nettement séparées des pièces de vie et ayant une surventillation durant les périodes de cuisine ou de lavage. La cuisine intégrée au séjour n'est pas raisonnable en climat chaud ou une cuisine carrément extérieure à l'ombre peut être bien plus rationnelle. Par ailleurs il est fondamental que le concepteur , en fonction des habitudes culturelles, fasse une répartition des espaces tenant compte des ces données. Par exemple une pièce, utilisée en permanence ou presque pour effectuer un travail physique avec un métabolisme énergétique important, doit être choisie comme ayant la température la plus basse possible.

V) Ventilation

5.1) Problème et raisonnement

Sachant que les pertes thermiques par l'enveloppe sont très faibles, et d'autant plus qu'il a fallu isoler certaines parties d’enveloppe pour réduire les captages solaires, on peut dire que, pratiquement, pour les climats méditerranéen c'est la ventilation qui extrait la puissance qui pénètre ou prend naissance dans l'édifice. Pour les bâtiments qui peuvent être confortables de façon autonome la ventilation doit donc, pour que la température moyenne intérieure Tim soit proche de la température extérieure Tem, ( Δtm= Tim-Tem faible),

a priori être importante, ce qui suppose que l'architecte puisse être très préalablement à un débit d'air organisé, ce qui peut suffire dans certain cas de climats tels que la température extérieure Tem n'est pas trop élevée et ne subit pas trop de variation durant la journée

ou être modulée de façon à ce qu'elle soit importante lorsque la température extérieure Te est inférieure à la température intérieure Ti et minimale lorsque Te>Ti, ce qui peut être nécessaire et permettre d'atteindre naturellement le confort pour des Te maximales importantes. Avec des climats très contrastés jour et nuit cette organisation de la ventilation peut même permettre , si l'inertie intérieure par absorption est importante , d'obtenir Tim< Tem, soit Tm< 0 .

Les principes de ventilations sont de deux principaux types, et dépendent avant tout de ce qui entoure l’édifice. Le premier phénomène est l'effet thermosiphon, phénomène qui crée une charge motrice par différence de température entre deux partie d'une boucle, cette dernière entrainant un écoulement tel que cette charge est perdue par perte de charge. Ainsi la différence de température entre intérieur et extérieur de l'édifice crée une charge motrice égale à la somme des pertes de charge subies par écoulement à travers les orifices d'entrée, la traversée des espaces et surtout des étroit ures dans l'édifice et à travers les orifices ou canaux de sorties.

Le deuxième types et du à ce que l'on nomme l'effet du vent et peut être présenté de différentes manières, par exemple en disant que le vent de vitesse V peut être éventuellement ralenti lorsqu'il rencontre un obstacle, mais lorsque ce dernier présente un passage au vent, celui ci le traverse

En résumé, on peut conclure que le concepteur qui recherche un grand débit de ventilation doit:

- quel que soit ce qui provoque la perte de charge, diminuer le plus possible les pertes de charge à la traversée de l’écoulement d'air à travers l'édifice, c'est à dire à travers son enveloppe et ses compartiments. Il faut obtenir la plus grande charge motrice possible, dans le cas de l'effet thermosiphon en ayant la plus grande hauteur h possible. Et dans le cas de l'effet du vent, utiliser les suppressions et dépressions le mieux possible.

5.2) Maitrise du débit et de la distribution des vitesses d'air

dans les divers espaces d'un édifice bien ventilé il existe un courant principal et des tourbillons avec des zones mortes. Nous ne nous intéressons qu'aux courants principaux et nous devons toujours avoir à l'esprit que ceux-ci sont fortement influencés par leurs directions d'entrée, elles-mêmes dépendant des obstacles de façade. Nous considérons la distribution des vitesses de deux manières.

Dans un premier lieu en plan ou il est évident que les espèces de tubes de courant principaux dépendent des positions respectives des ouvertures et des obstacles intérieurs. Pour les maisons d'habitation le concepteur doit imaginer la vie des occupants pour situer les ouvertures. Si la vitesse d'entrée est plus ou moins inclinée par rapport à l'ouverture d'entrée le courant intérieur est plus ou moins déplacé dans le sens de la composante.

Dans un deuxième temps en coupe, ou l'orientation de la vitesse d'entrée par les obstacles de façade a aussi un rôle déterminant sur la formation des tubes de courant dans les volumes. Il faut aussi rappeler qu'à faible vitesse, la différence de température entre l'air qui rentre et l'air intérieure, quasi statique, a tendance à provoquer une stratification telle que l'air le plus chaud est en hauteur. Évidement, les hauteurs des ouvertures conditionnent la situation du courant intérieur. Il est évident que si les personnes veulent être dans le courant d'air les ouvertures ne doivent pas être trop hautes. En effet le type de fenêtres a un effet déterminant sur l'orientation de l'écoulement. Si les fenêtres à la française et les pivotantes à axe vertical ne sont pas particulièrement pratiques les fenêtres italiennes, favorable à un vent ascendant, oriente l'air vers le haut. Pour terminer ces considérations sur l'importance d'une ventilation correctement pensée nous pouvons faire plusieurs remarques :

en ventilation trans versante ou ascendante sans cheminée générale, l'air traverse très souvent deux espaces utiles ou un ensemble d'espaces en série. Cela signifie que les espaces ne sont pas refroidis avec la même températures d'entrée d'air. Le concepteur doit organiser l'espace pour que les volumes qui ont plus besoin de refroidissement aient une entrée direct.

Pour que les divers espaces bénéficie de la même température d'entrée de l'air de refroidissement, seule une architecture avec cheminée collective peut être prévue.

Le concepteur doit connaître le sens des vents dominants et le sens le plus constant

quartes paramètres doivent être étudiés les effets du site, l'orientation et la direction du vent, l'architecture et l’aérodynamisme, et l'architecture interne

VI) Illustration d'habitat en climats méditerranéen

On étudiera une maison individuelle d'environ 120m² sur la périphérie de Perpignan, ou l'on organisera suivant les vieille traditions l'habitat autour d'un patio.

Données climatiques:

Le climat est suffisamment contrasté pour que, dans l'habitat, on souffre aussi bien du froid l'hiver (avec le mois de janvier le plus froid) que la chaleur ( avec le mois d’aout le plus chaud) de telle sorte qu'en moyenne, d’après les données météorologiques dont on dispose.

Mois de janvier Tmax 13°

Tmin 5°

ε = 75 % et le coefficient d'ensoleillement σ = 0,6

vent assez important d'orientation 135°

Mois d’aout Tmax 29°

Tmin 19°

ε = 65 % et le coefficient d'ensoleillement σ = 0,8

vent moyen 3 m/s d'orientation 270°

Les premières considérations est que l'été la température étant de l'ordre de 26°C, avec une humidité moyenne de l'ordre de 65%, le confort exige déjà une vitesse d'air pour les conditions moyennes. Mais compte tenu du contraste de température jour et nuit de 11 °C on peut espérer baisser la température moyenne intérieure par une ventilation organisé avec renouvellement d'air important la nuit. Le confort d’été doit donc pouvoir être atteint s'il n'y a pas d'importantes entrées de chaleur, les barrages à celles-ci pouvant exister pour des raisons de recherche du confort d'hiver qui est alors le problème principal.

En effet , en janvier une température moyenne de l'ordre de 9°C ne permet pas apriori d'obtenir le confort intérieur sans précautions particulières.

Connaissant σ = 0,6, on peut connaître le coefficient énergétique:

e= 0,33+0,7 * 0,6 = 0,75

Ainsi sachant que par ciel clair une surface verticale sud reçoit de l'ordre de Em = 4200Wh/m².j et qu'alors Er= 4200*0,75, on sait que des ouvertures de menuiserie courante de l'ordre de Kt+ Aq = 300 W/°C, il peut être rendu autonome( à quelques irrégularités de climat près) grâce à une surface d'ouverture S telle que 24 ( Kt+ Aq) Δtm = Ev*S soit avec Δtm = 19-9= 10°C

S= (24( Kt+ Aq) Δtm) / Ev = 24*300*10/2400 = 30 m²

Comme 30m² d'ouvertures est une quantité admissible, si une partie est disposée verticalement en toiture et que l’expérience en Europe permet d'affirmer qu'une conductance de l'ordre de 300W/°C pour un tel habitat est relativement aisée à obtenir, on peut affirmer que l'habitat considéré peut être rendu pratiquement confortable l'hiver de façon autonome.

Celles-ci sont d'ailleurs en partie favorables comme l'habitat groupé qui profite de l'effet d'échelle en réduisant la conductance de chaque maison. Elles sont par ailleurs défavorables comme l'usage d'un patio de distribution qui augmente la conductance et n'est pas particulièrement confortable l'été lorsque le rayonnement solaire qui le pénètre représente une énergie considérable.

Toute fois, par agrément et choix de respect du mode de vie des nous présenterons un édifices a patio.

Les grandes orientations et dispositions architecturales sont de plusieurs ordres. Il est important de considérer un coefficient de forme faible pour que les surfaces sur le volume du bâtiment soit aussi favorable l'été que l'hiver. Il est pour recommencer de faire un édifice sur deux étages et une couverture du patio mobile afin de donner une étanchéité maximal en hiver du bâtiment et une sortie d'air pour une meilleur ventilation l'été.

L'orientation des habitations en bande si cela doit se faire et favorable et une direction des façades cote nord sud. Les ouvertures vitrées sont souhaités sur le coté sud de l'édifice. Le patio peut être recouvert d'un shed orienté toujours au sud de telle sorte que l'hiver le vitrage capte l’énergie solaire en demi saison celui-ci pourrai être ouvert et l'été la partie inclinée du shed puisse être recouverte de lattes afin de ne transmettre qu'un rayonnement solaire négligeable.

Le plan de la maison pourrai être avancé de tel manière que la pièces d'entrée les dépendances et les pièces technique se trouverai au nord alors que la pièce principale est au sud et que les chambres seraient principalement à l'est et à l'ouest. Il est conseillé de traiter chaque été les surface à la chaux ou un matériaux à faible absorptivité au rayonnement solaire.

L'isolation doit être traité de façon rigoureuse et doit être importante en toiture et moyenne sur les murs de façon à obtenir une conductance Kt faible pour l'hiver et des entrée solaire à travers l'enveloppe opaque très faible l'été.

La ventilation de nuit l'été organisée garce à des manches orientées au vent dominant fermées de façon étanche l'hiver et le jour durant l'été. Une VMC double flux réversible peut être installé lors de pic en hivers ou en été. Cependant une bonne inertie par absorption d'une part pour réduire les oscillations de température par captage solaire l'hiver et , d'autre part à permettre à la ventilation nocturne d'été d’être efficace est suffisant.

En résume, si les entrées solaire sont réduite l'été, que la maison dispose d'une bonne orientation, que les parois sont correctement isolées et délivre un petit coefficient surfacique, que la maison est correctement pensée avec des espaces orientés et disposés aux endroits adéquate agencée avec une ventilation réfléchie des la conception.

L'apport d'artefact pour produire sur place l’énergie nécessaire est presque dérisoire. On peut en designer trois qui sont encore intéressant de faire installer (du point de vue des aides et du cout du rachat de l’électricité) dans cette région, des panneaux solaire et/ou des chauffes eau solaire pour permettre à la maison de produire en hiver ou simplement de répondre au besoins électrique qui la compose sans acheter d’électricité. Si l'on installe 40m² de panneau photovoltaïque sur le toit de la maison on peut estimer le gain sur 20 ans à 30 mille euros ou une économie d’énergie de 60 % d’électricité et même de 80 % pour un chauffe eau dans cette région de la France.

Il peut être intéressant également d'installer une pompe à chaleur aérothermique dans cette région car il existe un différentiel important entre été et hiver et donc une possibilité plus grande à la pompe à chaleur de jouer son rôle de tampon, apporter de la fraiche l'été et du chaud l'hiver. Procédé pouvant faire économiser jusqu'à 50 % de la facture de chauffage, la pompe a chaleur consomme en moyenne 2 à 2,5 fois moins qu'un chauffage électrique classique.

Bibliographie :

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Règlement thermique 2005, CSTB

Diagrammes solaires du centre scientifique et technique du bâtiment, CSTB

Données météo France

Edward Mazria, Le guide de l’énergie passive, Éditions parenthèses, Roquevaire, 1981

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