Architecture bioclimatique

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. À 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 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 mettre en œuvre son art, conforté par une vision claire du projet qui lui est confié.

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 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-villes et les agglomérations périurbaines, en se réappropriant les friches, en reconstruisant la ville sur la ville[1], de réduire les besoins en infrastructures et donc le coût public de la construction.

Expérimentation bioclimatique, avec matériaux composites (pierre broyée, fibre de verre et résine) à Crozes-Hermitage, France.

Les matériaux de l'architecture bioclimatique sont ceux couramment utilisés, néanmoins des matériaux plutôt "naturels", "sains" et à faible empreinte écologique seront généralement privilégiés.

Matériaux "naturels" dans le sens où ceux-ci auront subi le moins de transformations lors de leur production. Ils proviennent de ressources naturelles de préférence locales et renouvelables.

"Sains", ils n'ont, de préférence, pas d’impact négatif sur la santé. La réflexion sur ce point peut s'étendre à plusieurs niveaux d'échelle de leur cycle de vie : impact directe par la nocivité (dégagement de gaz polluants par exemple) lors de leur fabrication, mise en œuvre ou lors de leur usage définitif, ou impact indirectement à travers les pollutions indirectes de production sur l’environnement naturel (pollution des eaux de nettoyages rejetés dans le milieu naturel par exemple) ou par la production de déchets nocifs utilisés par ailleurs impactant la santé (notamment les produits dérivés du pétrole, ou de l'industrie chimique).

L'empreinte écologique évalue l'impact sur l’environnement du cycle de vie d'un matériau. L'énergie grise est l'énergie totale consommée dans le cycle de vie du produit. La pollution directe en tant que matériau ou indirecte par sa fabrication, mise en œuvre, usage et recyclage.

Le bilan écologique dans le cycle de vie d'un matériau fait partie des réflexions bioclimatiques, même si elles ne sont pas toujours aussi poussées que dans des constructions "écologiques" où ce bilan est prioritaire sur d'autres réflexions.

L'une des préoccupations du bioclimatisme est la sobriété d'usage[2]. Cette sobriété commence par la sobriété énergétique.

La réglementation thermique détermine le niveau maximal de consommation. Le bioclimatisme vise une performance 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 qu'en valorisant les apports solaires hivernaux (absence de chauffage), tout en se protégeant des apports solaires estivaux (absence de climatisation).

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

Un bâtiment sobre génère un minimum de déchets durant sa construction, son exploitation et lors de sa reconversion en fin de vie.

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 sens.

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

La végétalisation est une technique 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 persistante 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 du rythme de vie des utilisateurs du bâtiment.

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 fraîcheur 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 fraîcheur) peut également être obtenue par des méthodes de ventilation adaptées.

Sous un climat tempéré, une construction bioclimatique conçue de manière optimale d'un point de vue thermique ne nécessite pas ou très peu de systèmes 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.

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 fraîcheur nocturne (facilement captée par une bonne ventilation) qui doit être stockée durablement afin de limiter les surchauffes durant le jour.

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 recouverts d'un isolant thermique, 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.

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.

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.

Amortissement thermique des fluctuations de la température extérieure en été dans une construction à forte inertie.

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.

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 : ${\displaystyle E={\sqrt {\lambda \rho c}}}$ (en J m⁻² K⁻¹ s^−1/2)

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.

Quand on chauffe intensément l'extrémité d'un matériau, on constate qu'au bout d'un certain temps, l'énergie thermique 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 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 : ${\displaystyle D={\lambda \over \rho c}}$ (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 :

${\displaystyle \rho c=E/{\sqrt {D}}\,}$

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 : température dans le sol en fonction de la profondeur, pour les différents mois de l'année.

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. À 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[3]. À 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° et à basse altitude.

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.

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 (dans l'hémisphère nord). 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[4] par la formule suivante : ${\displaystyle \gamma =72,5/2mh{\sqrt {D}}}$

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) : ${\displaystyle t={1,38.e \over {\sqrt {D}}}}$

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.

Même avec des parois respirantes, l'air intérieur d'un bâtiment doit être renouvelé. Dans une maison bioclimatique, cela ne sera pas fait avec une ventilation mécanique système D, aussi appelée VMC à récupération de chaleur, mais avec un système à ventilation naturelle non contrôlée.

L’énergie grise correspond à la somme de toutes les énergies nécessaires à la production, à la fabrication, à l'utilisation et enfin au recyclage des matériaux ou des produits industriels.

• L'habitat bio-économique, Pierre-Gilles Bellin, Editions Eyrolles, 2008.
• Traité d'architecture et d'urbanisme bioclimatiques  : Concevoir, édifier et aménager avec le développement durable, Alain Liébard, André De Herde ; éd. Observ'ER ; France, 2005, 766 p.
• Guide de l’architecture bioclimatique- éd. Systèmes solaires – 6 volumes, de 1996 à 2004.
• La conception bioclimatique, des maisons économes et confortables en neuf et en réhabilitation, Samuel Courgey et Jean-Pierre Oliva ; éd. Terre vivante, 2006.
• L’habitat bioclimatique, Roger Camous & Donald Watson ; éd. L’étincelle, 1990, ? p.
• Bioclimatisme et performances énergétiques des bâtiments, Armand Dutreix ; éd. Eyrolles, 2010, 240 p.
• Architecture climatique, Une contribution au développement durable. 2 tomes :
  • Tome 1 : Bases Physiques, Alain Chatelet, Collaboration Paul Brejon et Pierre Fernandez ; éd. Édisud, 1994, 190 p.
  • Tome 2 : Concepts et dispositifs, Alain Chatelet, Pierre Fernandez, Pierre Lavigne ; éd. Édisud, 2000, ? p.
• Le grand livre de l'habitat solaire, 110 réalisations en France, Le développement durable à la portée de tous ; Alain Liébard, Jean-Pierre Ménard, Patrick Piro ; éd. Observ'ER ; France, 2007, 247 p.
• L'énergie solaire dans le bâtiment, Charles Chauliaguet, Pierre Baratsabal et Jean-Pierre Batellier ; éd. Eyrolles, 1978, 202 p.
• Effet de serre ; Conception et construction de serres bioclimatiques, Hurpy I et Nicolas F ; éd. Édisud/PYC-Édition, 1981, ? p.
• Le guide de l’énergie solaire passive' Edward Mazria – éd. Parenthèses, 1979, 339 p.
• Architecture solaire, Stratégies Visions Concepts ; Christian Schittich (sous la direction de) ; éd. Détail ; Allemagne, 2003, 176 p.

Bibliographie connexe

• Guide raisonné de la construction écologique - tous les produits écologiques, John Daglish ; éd. Bâtir-Sain, 2008, 298 p.
• Manuel d'architecture naturelle de David Wright ; éd. Parenthèses 2004, 248 p.
• Le ba-ba de l'habitat écologique, Sylvain Moréteau ; éd. Rustica, 2009, 127 p.
• Archi Bio, Izard Jean Louis; Guyot Alain ; éd. Parenthèses, 1979, ? p.

• Facteur 4 et Facteur 9 (objectifs d'économies d'énergie et de diminution d'émission de Gaz à effet de serre)
• Bâtiment basse consommation ou Effinergie (en France)
• Échangeur air-sol
• Énergie solaire
• Économies d'énergie
• Efficacité énergétique
• Habitat passif
• Haute qualité environnementale
• Véranda bioclimatique

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