Architecture bioclimatique

L'architecture bioclimatique est une discipline de l'architecture qui valorise l'environnement géographique et climatique d'un bâtiment, dans le respect des modes et rythmes de vie ainsi que de la santé des usagers du bâtiment.

L'architecture bioclimatique concerne tous les types de bâtiments, habitat, tertiaire et industriel. Elle a pour objectif de réduire au minimum les besoins énergétiques du cycle de vie d'un bâtiment (construction, exploitation, rénovation, déconstruction) sans créer de pression sur les ressources environnementales, afin de maintenir des températures constantes et agréables, tout en contrôlant l'hygrométrie, la qualité de l'air et la lumière intérieures.

La conception bioclimatique d'un bâtiment est parfois appelée plus simplement bioclimatisme.

Une construction bioclimatique est un bâtiment dans lequel le confort est assuré en tirant le meilleur parti du rayonnement solaire, de l'inertie thermique des matériaux et du sol et de la circulation naturelle de l'air. Cela passe par une meilleure mise en adéquation de la construction avec le comportement de ses occupants, avec son environnement et son climat, pour réduire au maximum les besoins de chauffage, de rafraichissement et de traitement de la qualité de l'air.

Une construction bioclimatique peut assurer les besoins de confort thermique et hygrométrique uniquement grâce au soleil. Ce résultat est obtenu par un choix rigoureux dès la conception, prenant en compte l'orientation et les ouvertures au soleil, mais aussi la qualité des matériaux et des formes architecturales, et les méthodes de renouvellement de l'air intérieur.

Définition du bioclimatisme

• L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.
• Le climatisme d'un site de construction décrit ses conditions environnementales, et peut s'élargir, au delà du climat local, à la géographie du lieu (formes naturelles, urbanisme environnant, ...)
• Le préfixe bio- réfère à la biologie humaine.

Le bioclimatisme peut ainsi se comprendre comme étant l'architecture mettant en harmonie la biologie humaine avec son environnement. Une construction bioclimatique a pour objectif d'assurer le confort humain dans le respect de son environnement.

Le confort humain met en œuvre les cinq sens. Il se détermine principalement par la température ambiante, la vitesse de l'air, l'hygrométrie et la qualité sanitaire de l'atmosphère, la qualité de la lumière environnante, mais comprend aussi le confort visuel et olfactif, ainsi que le confort au toucher des parois de la construction.

Le respect de son environnement impose à l'être humain de réduire la pression qu'il y exerce, et donc de limiter au strict minimum sa consommation en ressources, à commencer par l'énergie. L'architecture bioclimatique, plutôt que de considérer l'environnement comme étant hostile au confort de l'être humain, le considère comme la source fragile de son confort, à préserver pour les générations futures. La seule ressource illimitée à disposition de cette architecture est l'énergie solaire, qu'il s'agit en conséquence d'apprivoiser.

Afin de concevoir une architecture assurant le meilleur confort, au coût énergétique le plus réduit possible, dans le respect de l'environnement, une démarche bioclimatique se conduit en prenant en compte les quatre piliers d'une construction soutenable :

• l'insertion dans le territoire
• les matériaux et le chantier
• les économies et la sobriété d'usage
• le confort et la santé à l'intérieur

L'ensemble peut être réussi en suivant une méthodologie de projet adaptée, respectant une logique dans l'ordre des opérations, et comprenant en particulier une phase de programmation complète, préalable aux opérations d'architecture.

Méthodologie de projet

Une architecture bioclimatique doit avant tout s'inscrire dans son environnement, et donc s'y adapter. La connaissance de cet environnement est indispensable pour concevoir le projet architectural, elle est en conséquence un préalable indispensable à la conception architecturale : géographie environnante, climat, biodiversité existante, risques naturels, ...

Une architecture bioclimatique se fixe par ailleurs des objectifs précis du point de vue du bilan énergétique global sur la durée de vie du projet, mais également sur la pression environnementale qu'il va générer, et sur le confort et la santé des futurs utilisateurs du bâtiment.

Intégrer l'ensemble de ces contraintes en préalable à la conception architecturale est indispensable pour réussir un projet bioclimatique, ce qui implique dans un premier temps de se poser les bonnes questions, sur le choix du site en fonction de la densité urbaine, de l'emplacement, des transports, des commerces et services disponibles à proximité. A titre d'exemple, construire bioclimatique en un lieu qui va générer de nombreux déplacements automobiles n'est pas cohérent.

Il faut ensuite rédiger un programme architectural clair, fixant les objectifs à atteindre, et s'informer sur les matériaux, les techniques et les savoir-faire disponibles régionalement.

C'est seulement après que l'architecte pourra imaginer et mettre en œuvre son Art, conforté par une vision claire du projet qui lui est confié.

Insertion dans le territoire

La réussite de cette insertion implique une économie par rapport à l'emprise sur les territoires naturels, soit éviter le "mitage" du territoire. Elle implique également un bon équilibre entre les différents services offerts, qu'il s'agisse de limitation des besoins en transport ou de pertinence économique et sociale de l'implantation, par la mixité des équipements de logement, de travail, d'éducation, d'approvisionnement et de loisir. Cette mixité permet, en densifiant les centres-ville et les agglomérations périurbaines, en se ré-appropriant les friches, en reconstruisant la ville sur la ville, de réduire les besoins en infrastructures et donc le coût public de la construction.

Matériaux et chantier

Les matériaux de construction sont une source importante de consommation d'énergie et de ressources naturelles, mais également une source potentielle de nuisance immédiate pour les ouvriers et le voisinage, et future pour la santé et le confort des occupants.

Un matériau peut avoir un impact négatif sur l'environnement, la santé humaine et la qualité de vie des individus et des sociétés dès son extraction du sol, puis lors de sa transformation et de son transport, et enfin pendant et après sa mise en œuvre. Mal choisi, il génèrera des coûts importants de maintenance et d'entretien, et des nuisances lors de son recyclage final ou de sa mise au rebut en fin de vie du bâtiment.

Il est nécessaire de privilégier des matériaux sains, à faible énergie grise, dont la production, la transformation, la mise en œuvre et le recyclage nécessitent un minimum d'énergie. Il est préférable pour la société de privilégier l'investissement dans les ressources locales naturelles, créatrices d'activité économique et d'emploi, et si possible le recyclage de produits existants, plutôt que les dépenses sans retour d'investissement dans les ressources chimiques ou minérales importées de régions lointaines, dont ne pourront pas profiter les populations de ces régions.

Économies et sobriété d'usage

L'une des principales préoccupations du bioclimatisme est la sobriété d'usage. Cette sobriété commence par la sobriété énergétique.

La réglementation thermique a pour objectif de déterminer le niveau maximmal de consommation au delà duquel un bâtiment consomme trop pour être acceptable. Le bioclimatisme vise une performance largement supérieure, approchant le niveau passif, c'est-à-dire une construction dont le confort est assuré sans apport d'énergie fossile ou nucléaire. Cette performance ne peut être atteinte de manière efficace qu'en valorisant au maximum les apports solaires hivernaux (absence de besoins de chauffage), tout en se protégeant des apports solaires estivaux (absence de besoins de climatisation).

La sobriété concerne également la consommation des autres ressources durant la vie du bâtiment, à commencer par les besoins en eau (pour les occupants, l'arrosage, ...), sans oublier les besoins en produits d'entretien (nettoyage, peinture, produits de protection et de fonctionnement des composants du bâtiment, ...).

Un bâtiment sobre est enfin un bâtiment qui génère un minimum de déchets, que ce soit durant sa construction, durant son exploitation ou lors de sa reconversion en fin de vie.

Confort et santé à l'intérieur

Le confort et la santé à l'intérieur d'un bâtiment sont assurés par l'ensemble des points cités auparavant, pour garantir un confort hygrothermique en toute saison et à toute heure, dans une ambiance saine pour les occupants.

Ces critères dépendent de la qualité des matériaux employés, de leur absence d'émissions nocives, et de leur capacité à réguler les apports solaires, à stocker l'énergie pour amortir les fluctuations météorologiques dans des proportions adaptées aux besoins du bâtiment. Ils dépendent aussi de la gestion du renouvellement indispensable de l'air intérieur pour le maintenir sain et avec une hygrométrie régulière. Ils ne doivent pas oublier la qualité visuelle vers l'extérieur et celle de la lumière intérieure, ni la qualité olfactive du site ou celle du contact des matériaux.

Un bâtiment bioclimatique répond au besoin permanent du plaisir des cinq sens.

L'architecture bioclimatique s'appuie sur trois axes :

• capter et/ou se protéger de, selon les besoins, l'énergie, solaire ou apportée par les activités intérieures au bâtiment
• la diffuser,
• la conserver et/ou l'évacuer en fonction des objectifs de confort recherchés

Trouver un équilibre entre ces trois exigences, sans en négliger aucune, c'est suivre une démarche bioclimatique cohérente. En particulier dans les régions chaudes (de type méditerranéen par exemple), capter et conserver en hiver semble contradictoire avec se protéger et évacuer en été. Résoudre cette contradiction apparente est la base d'une conception bioclimatique bien comprise.

Capter/se protéger de la chaleur

La Terre est inclinée sur son axe par rapport au plan de l'écliptique d'un angle de 23°27', la hauteur du soleil sur l'horizon et le trajet qu'il parcourt dans le ciel varient au cours des saisons.

Dans l'hémisphère nord, à la latitude de l'Europe (environ 45° en moyenne), en hiver, le soleil se lève au sud-est et se couche au sud-ouest, en restant très bas sur l'horizon (22° au solstice d'hiver). Seule la façade sud d'une construction reçoit correctement la lumière solaire. Pour capter cette énergie solaire, il convient donc de placer les ouvertures vitrées principales au sud. Le verre laisse passer la lumière mais absorbe les infrarouges réémis par les parois intérieures recevant cette lumière, ce qu'on appelle l'effet de serre. La lumière du soleil est convertie en chaleur par les surfaces opaques de la construction (les murs, les plafonds et les sols). C'est sur ce principe qu'est conçu un bâtiment "solaire passif" : solaire car la source d'énergie est le soleil, passif car le système fonctionne seul, sans système mécanique.

Toujours dans l'hémisphère nord, en été, le soleil se lève au nord-est, se couche au nord-ouest et est haut sur l'horizon à midi (78° au solstice d'été). Les façades d'une construction irradiées par le soleil sont principalement les murs est et ouest, ainsi que la toiture. L'angle d'incidence de ses rayons sur les surfaces vitrées orientées vers le sud est élevé. Il convient de protéger ces surfaces vitrées par des protections solaires, dimensionnées de manière à bloquer le rayonnement solaire direct en été tout en y laissant le maximum d'ensoleillement disponible en hiver. Sur les ouvertures des façades est et ouest, les protections solaires horizontales sont d'une efficacité limitée, car les rayons solaires ont une incidence moins élevée; les protections solaires opaques (volets), et encore plus la végétation caduque, sont efficaces sur ces façades. La végétation persistance est également efficace pour protéger des vents froids, sous réserve de ne pas occulter le soleil hivernal. Il existe également des techniques de brise-soleil adaptables à ces orientations.

Dans l'hémisphère nord, à la latitude européenne, une construction bioclimatique se caractérise par :

1. des ouvertures de grande dimension au sud, parfaitement protégées du soleil estival

2. très peu d'ouvertures au nord

3. peu d'ouvertures à l'est sauf pour les pièces d'usage matinal, comme les cuisines : soleil du matin

4. peu d'ouvertures à l'ouest, surtout pour les chambres, à protéger du soleil couchant en été

Dans une démarche bioclimatique, ces généralités doivent naturellement être adaptées en fonction du milieu (climat, environnement, ...) et des rythmes de vie des utilisateurs du bâtiment.

Transformer/diffuser la chaleur

Une fois la lumière solaire captée, un bâtiment bioclimatique doit savoir la transformer en chaleur et la diffuser là où elle sera utile.

La transformation de la lumière en chaleur se fait au travers d'un certain nombre de principes, afin de ne pas détériorer le confort intérieur :

• Maintenir un équilibre thermique adapté
• Ne pas dégrader la qualité lumineuse
• permettre la diffusion thermique par le système de ventilation et la conductivité thermique des parois

Dans une construction, la chaleur a tendance à s'accumuler vers le haut des locaux par convection et stratification thermique. La conversion en chaleur de la lumière doit se faire prioritairement au niveau du sol. Par ailleurs l'absorption de lumière par une paroi la rend sombre et limite sa capacité à diffuser cette lumière. Cette absorption ne doit pas empêcher la diffusion de lumière vers les zones les moins éclairées, et ne doit pas générer de contrastes ou d'éblouissement. Il importe en conséquence de favoriser les plafonds très clairs afin de diffuser la lumière dans les locaux sans éblouissement, assombrir les sols pour favoriser la capture d'énergie à ce niveau, et utiliser des teintes variables sur les murs selon la priorité à donner à la diffusion de lumière ou à la capture d'énergie solaire, et selon le besoin de chaleur ou de fraicheur du local concerné.

Les teintes les plus aptes à convertir la lumière en chaleur et l'absorber sont sombres (idéalement noires) et plutôt bleues, celles les plus aptes à réfléchir la lumière et la chaleur sont claires (idéalement blanches) et plutôt rouges. On peut ainsi par un simple jeu de couleurs diriger la lumière puis la chaleur vers les zones qui le nécessitent. Les matériaux mats, de surface granuleuse (les matériaux naturels en particulier), sont également plus aptes à capter la lumière et la convertir en chaleur que les surfaces lisses et brillantes (effet miroir, aspect métallique ou laqué, ...).

Une bonne diffusion de la chaleur (ou de la fraicheur) peut également être obtenue par des méthodes de ventilation adaptées.

Sous nos climats tempérés, une construction bioclimatique conçue de manière optimale d'un point de vue thermique ne nécessite pas ou très peu de système de chauffage ni de système de climatisation, pour maintenir une température intérieure comprise entre 20°C en hiver et 25°C en été, de jour comme de nuit.

Conserver la chaleur/la fraicheur

En hiver, une fois captée et transformée, l'énergie solaire doit être conservée à l'intérieur de la construction afin de pouvoir être valorisée au moment opportun. En été , c'est la fraicheur nocturne (facilement captée par une bonne ventilation) qui doit être stockée durablement afin de limiter les surchauffes diurnes.

La méthode la plus simple consiste à stocker cette énergie dans les matériaux lourds de la construction, sous réserve qu'ils soient accessibles, et donc qu'ils ne soient pas recouvert d'un isolant, d'où l'importance de l'isolation par l'extérieur, ou éventuellement de l'isolation répartie.

Le stockage de l'énergie dans les matériaux et le délai de restitution fait appel à leur chaleur massique, à leur volume global, mais aussi à d'autres caractéristiques physiques permettant de déterminer leurs performances énergétiques. Certaines techniques permettent de valoriser de façon dynamique le délai de restitution.

Valoriser l'environnement

L'environnement (colline, forêt,...) ainsi que la végétation plantée autour de la construction ont aussi un rôle de protection à jouer : Comme brise-vent, on optera pour des résineux au nord et des feuillus au sud; ces derniers protègent du rayonnement solaire en été mais laissent passer la lumière en hiver. Un point d'eau situé devant le bâtiment, au sud, apportera également un rafraîchissement d'un ou deux degrés en période estivale.

Section en cours de création

Afin de stocker l'énergie, que ce soit sous forme de chaleur en hiver ou de fraicheur en été, le bioclimatisme fait appel aux caractéristiques physiques des matériaux. Ces caractéristiques déterminent la vitesse et l'intensité auxquelles l'énergie va être stockée, la quantité totale d'énergie pouvant être stockée, le délai s'écoulant entre le stockage et la restitution, et la vitesse et l'intensité auxquelles cette énergie pourra être restituée. Des techniques particulières permettent de modifier la dynamique des matériaux, en fonction des effets recherchés.

Caractéristiques énergétiques des matériaux

Tout matériau se définit du point de vue énergétique par trois caractéristiques physiques principales :

• Sa masse volumique, généralement notée par la lettre grecque ρ (rho). La masse volumique d'un matériau est une grandeur physique qui caractérise sa masse par unité de volume. Quand on la compare à celle de l'eau, on parle alors de densité.
• Sa conductivité thermique, appelée λ (lambda). Elle représente la capacité du matériau à laisser circuler la chaleur en son sein.
• Sa chaleur massique, plus rigoureusement appelée capacité thermique massique, et notée c qui représente la capacité plus ou moins grande d'un matériau à absorber de la chaleur sans s'échauffer outre mesure.

Inertie thermique

Quand on fait le produit ρc de la masse volumique par la chaleur massique, on obtient la chaleur volumique du matériau, encore appelée inertie thermique ou plus simplement inertie. Cette inertie des matériaux est à la base de la conception architecturale bioclimatique, puisque c'est elle qui va déterminer la capacité d'un bâtiment à stocker plus ou moins l'énergie solaire sans s'échauffer ou se refroidir hors des valeurs nécessaires pour maintenir le confort intérieur.

Effusivité

Une table en bois avec des pieds en fer, placée dans une pièce chauffée, présente un plan de travail en bois et des pieds en fer à la même température. Pourtant, si on touche le bois ou le fer, on a l'impression que le fer est plus froid. Ce phénomène provient de l'effusivité.

Le bois possède une effusivité de 400, semblable à celle de la peau humaine. Si le bois est à 15°C et la peau à 25°C, le contact s'établira à la moyenne entre les deux températures, soit 20°C. Le fer a une effusivité de 14000, soit 35 fois plus que la peau, il va céder 35 fois plus de chaleur qu'il n'en prendra à la main, et le contact avec la peau va alors s'établir à 15,3°C, avant que la main ne commence à réchauffer le fer : le fer semble froid.

L'effusivité est donnée par la formule : $E=\sqrt{\lambda \rho c}$ (en [J.kg.K])

Elle est proportionnelle à la conductivité thermique et à l'inertie du matériau (plus précisément à leur racine carrée). L’effusivité décrit la rapidité avec laquelle un matériau absorbe ou cède la chaleur. Un matériau fortement effusif, comme en général la pierre ou le métal, semble froid, et est apprécié en climat chaud, alors qu'un matériau faiblement effusif, comme le bois et plus généralement les fibres végétales, semble chaud, et est apprécié en climat froid. Le choix d'un matériau, vis-à-vis de son effusivité, est conditionné par l'ambiance thermique souhaitée dans un local, mais aussi par la réactivité thermique attendue pour ce local : un matériau faiblement effusif permettra d'atteindre plus rapidement une température de rayonnement élevée : il se réchauffera plus vite en surface.

Diffusivité

Quand on chauffe intensément l'extrémité d'un matériau, on constate qu'au bout d'un certain temps, la chaleur s'est comme "étalée" dans le matériau : tout le matériau est devenu un peu plus chaud, mais nettement moins que la partie chauffée à l'origine. La quantité de chaleur apportée s'est répartie, s'est diffusée à travers la matière. Ce phénomène est déterminé par la diffusivité.

La diffusivité est donnée par la formule : $D=\frac{\lambda }{\rho c}$ (en m²/s)

Elle est proportionnelle à la conductivité thermique mais inversement proportionnelle à l'inertie du matériau. Elle décrit la rapidité d’un transfert de chaleur à travers toute la masse d’un matériau, et plus précisément, caractérise la capacité d'un matériau à transmettre un signal de température d'un point à un autre de ce matériau.

On constate un lien très fort entre la diffusivité et l'effusivité, grandeurs qui dépendent toutes deux des trois caractéristiques énergétiques des matériaux vues précédemment. Ce lien peut être écrit mathématiquement par la relation suivante, qui est une autre façon de décrire l'inertie thermique :

Ce sont sa diffusivité (la vitesse de propagation de la chaleur dans le matériau) et son effusivité (l'aptitude du matériau à échanger de la chaleur avec son environnement) qui déterminent la caractéristique fondamentale d'un matériau en bioclimatisme : son inertie thermique.

Amortissement thermique

Lorsqu'une masse de matière reçoit en surface de manière variable des apports de chaleur, le phénomène de diffusion amortit les fluctuations au sein de la matière, en proportion de l'éloignement par rapport au point d'injection de l'énergie. Cet amortissement suit une loi exponentielle. Dans un mur massif, en béton ou en pierre, cet amortissement est tel qu'à une profondeur d'environ 40 cm la fluctuation journalière de l'ensoleillement n'est quasiment plus mesurable. A la surface de la Terre, l'amortissement de la fluctuation de température entre l'été et l'hiver est quasiment total à une profondeur de l'ordre de 4 mètres. A cette profondeur, la température devient constante et égale à la température moyenne de la planète, soit environ 15°C ± 1°C à la latitude de 45°.

Le phénomène d'amortissement traduit la capacité des matériaux à stocker l'énergie lorsqu'il y a un supplément d'apport thermique (par exemple le jour), et la restituer lorsque cet apport disparait (par exemple la nuit). L'utilisation en bioclimatisme du phénomène d'amortissement permet de réguler les apports solaires, afin de les restituer au moment où ils seront utiles, et offrir un confort thermique le plus régulier possible.

Déphasage thermique

Le solstice d'été a lieu le 21 juin. Pourtant, chacun peut constater que le moment le plus chaud de l'année se situe début août. De même, la calotte polaire arctique voit sa fonte maximale intervenir mi-septembre. Ces phénomènes sont causés par le déphasage thermique de la croute terrestre et de l'océan. Lorsqu'une masse de matière reçoit de l'énergie, il faut un certain temps avant qu'elle ne puisse la restituer.

Il en va de même dans un bâtiment. Lorsqu'une masse lourde (mur, plancher, ...) reçoit de la chaleur solaire, la restitution de cette énergie nécessite un certain temps, lié au déphasage thermique de la paroi considérée.

De façon approximative, pour une paroi d'épaisseur limitée (cas courant), la vitesse de transfert de la chaleur dans la matière (en cm/h) est donnée par la formule suivante : $\gamma =72,5\sqrt{D}$

On peut en déduire le temps approximativement nécessaire pour un transfert de chaleur à travers une paroi (en heures, l'épaisseur étant donnée en mètres) : $t=1,38.e.\sqrt{D}$

La formule est très simplifiée et ne vaut que pour des épaisseurs réduites. Au-delà de 20 cm, elle commence à être imprécise, la vitesse de diffusion n'étant plus linéaire.

Gestion de l'airer

Gestion du cycle de l'eau

Energie grise