Architecture bioclimatique - Définition

Introduction

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.

Architecture bioclimatique

L'une des nombreuses formes de maisons bioclimatiques et écologique de l'écoquartier néerlandais EVA-Lanxmeer

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.

Méthode d'architecture bioclimatique

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

Les grandes surfaces vitrées sont souvent utiles en zone tempérée (EVA-Lanxmeer, Pays-Bas)

La végétalisation est une technique efficace de limitation des apports solaires en été et de réduction des déperditions thermiques en hiver

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.