Nous présentons ci-après les paramètres sur lesquels on peut intervenir en conception pour un projet de construction ou de rénovation d’un bâtiment.

Environnement et végétalisation

Environnement urbain & îlots de chaleur

L’expression « îlots de chaleur urbains » désigne la  différence de  température observée entre les milieux urbains et les zones rurales environnantes. En effet, des observations ont démontré que les températures des  centres urbains sont en moyenne supérieures de 4°C et  peuvent atteindre jusqu’à 12 °C de plus que des milieux limitrophes. L’îlot de chaleur urbain est en premier lieu un phénomène physique qui se caractérise par des différences de températures. Il est la conséquence des apports de chaleur naturels et anthropiques et des conditions climatiques et météorologiques des espaces où il apparaît.

Schéma représentant l’effet « îlot de chaleur » en région parisienne – Source Descartes 2009

L’une des causes principales des îlots de chaleur est le modèle d’urbanisation et de développement de la ville. La ville concentre par nature :

  • de nombreuses activités humaines émettrices de chaleur,
  • des matériaux urbains qui emmagasinent de la chaleur, restituée plus tardivement,
  • une densité de constructions qui multiplie les surfaces d’accumulation de chaleur et empêche le rafraichissement nocturne,
  • une imperméabilisation importante des surfaces qui supprime l’évapotranspiration végétale.

 

La ville dense fait obstacle aux écoulements d’air favorables au rafraîchissement naturel des espaces extérieurs. La réduction du facteur de vue du ciel due aux morphologies urbaines (formes, orientation, espacements..) limite, de plus, les pertes radiatives nettes des bâtiments et des rues.

Le « facteur de vue du ciel » – Source: APUR

Comparée aux zones rurales, la ville possède moins de moyens de rafraîchissement naturels tels que la végétation et l’eau. Ces espaces ont en effet un important pouvoir de rafraîchissement de l’air grâce à l’évaporation de l’eau et l’évapotranspiration des plantes.

De plus l’asphalte, le béton et le granit sont des revêtements qui accumulent l’énergie solaire en journée et restituent la chaleur emmagasinée la nuit. Ces matériaux, imperméables et sombres, sont de véritables réservoirs de chaleur qui accentuent l’îlot de chaleur urbain.

La couleur, la rugosité et les surfaces des matériaux utilisés jouent un rôle important dans la capacité à absorber les rayonnements solaires. Afin de lutter contre l’effet d’îlot de chaleur, cette absorption doit être limitée.

Les matériaux à albédo* élevé (proche de 1) ont la capacité de réfléchir davantage les rayons plutôt que de les absorber. L’absorption de la chaleur est influencée par le type de matériau ainsi que par sa couleur. Des écarts de température de l’ordre de 20°C sont constatés entre une surface asphaltée et une surface peinte en blanc.

*L’albédo est le pouvoir réfléchissant d’une surface, c’est-à-dire le rapport de l’énergie lumineuse réfléchie à l’énergie lumineuse incidente. C’est une grandeur sans dimension, et une valeur comprise entre 0 et 1 : un corps noir parfait, qui absorberait toutes les longueurs d’onde sans en réfléchir aucune, aurait un albédo nul, tandis qu’un miroir parfait, qui réfléchirait toutes les longueurs d’onde, sans en absorber une seule, aurait un albédo égal à 1.

Albédo des matériaux Source BET ETIC

Afin de lutter contre les phénomènes d’ilot de chaleur urbain, il est important de :

  • Favoriser les écoulements d’air pour rafraichir
  • Privilégier les matériaux lisses et de couleur claire (tenir compte du risque d’éblouissement)
  • Favoriser la présence de végétalisation
  • Diminuer l’imperméabilisation

Végétalisation et aménagements extérieurs

Aménagements extérieurs 

Avec une végétation à feuilles caduques à proximité d’un bâtiment, il est possible de profiter toute l’année du soleil sans souffrir de ses inconvénients : elle crée de l’ombrage en été et laisse passer les rayons en hiver.

Cette protection végétale sera très intéressante en façade ouest, ou encore sous la forme d’une pergola. La pergola permet à la fois une protection solaire horizontale mais aussi un rafraîchissement naturel lié à la végétation.

Mesure de lutte contre les îlots de chaleur urbains au Québec (Institut National de la Santé publique du Québec)

Des bassins et de la végétation dense peuvent rafraîchir de quelques degrés l’air environnant : quand l’eau s’évapore, elle absorbe de la chaleur, ce qui fait baisser la température. C’est également tout l’intérêt d’une façade ou d’une toiture végétale, qui fonctionnera comme une paroi « froide », et évacuera 30% de la chaleur reçue par évapotranspiration.

Toiture végétalisée

La toiture végétalisée participe au confort d’été grâce à l’évapotranspiration du végétal.
Il faudra cependant être vigilant à la masse inertielle et partiellement isolante apportée par le substrat, à l’accessibilité réelle de la toiture et au choix pertinent des essences de végétaux au regard de la zone climatique. Beaucoup de toitures végétalisées ne remplissent pas leur rôle, car la couche de substrat est très faible.

Végétalisation extensive – Source : www.ecovegetal.com

Orientation et répartition du bâtiment

Contrairement aux idées reçues, la façade sud est la plus simple à gérer en matière de confort d’été. C’est également la plus simple à protéger du soleil car les rayons étant quasiment verticaux à midi en été, des stores horizontaux constitueront une très bonne protection. Il n’est donc pas contradictoire de mettre la plus grande partie des vitrages au sud car ils seront plus simples à protéger. On pourra en revanche profiter au maximum des apports solaires passifs l’hiver.

L’évolution du climat avec des journées chaudes et très ensoleillées sont de plus en plus fréquentes en mai septembre et octobre. Ces données (rayon du soleil plus bas) devront être intégrées pour le dimensionnement des protections solaires. 

Les façades est et ouest recevront un ensoleillement important. Une baie vitrée exposée à l’ouest laissera passer énormément de chaleur au moment de la journée où la température intérieure est la plus élevée ! Des baies orientées à l’est ou à l’ouest seront difficiles à protéger par l’architecture du bâtiment car le soleil en début et fin de journée est relativement bas sur l’horizon.

On considère que jusqu’à 20% de surfaces vitrées par rapport à la surface au sol, les risques de surchauffe par l’ensoleillement sont relativement faibles si les occultations sont bien utilisées. Au-delà, malgré des occultations extérieures les risques de surchauffe sont réels.

Surfaces vitrées

En fonction des façades, les protections solaires vont être différentes :

  • Protections horizontales et débords de toiture au sud
  • Protections verticales en façades EST et OUEST

Les protections comme les stores ou les persiennes ne sont pas utiles en termes de confort d’été si elles sont placées à l’intérieur du bâtiment, car elles n’empêchent pas les rayons du soleil de traverser les vitres et produisent un effet de serre entre elles et le vitrage. Elles ne servent alors qu’à limiter l’éblouissement. Les protections solaires efficaces seront donc extérieures.

Les brises soleil orientables (BSO) permettront de s’adapter au rayonnement (les protections fixes étant moins efficaces).

Il est possible d’utiliser des vitrages à contrôle solaire. Le facteur solaire est la proportion de l’énergie solaire qui entre à l’intérieur d’un bâtiment comparée avec l’énergie reçue à l’extérieur d’une paroi vitrée.  Ainsi le facteur solaire, dit facteur g, représente la proportion du flux énergétique transmis par le vitrage. Sa valeur est un coefficient compris entre 0 et 1 (il s’exprime également en pourcentage du rayonnement reçu).

Ce choix devra être mis en perspective du confort visuel et du confort thermique d’hiver, car plus le facteur solaire est bas et moins il y aura de chaleur et de lumière qui pénétreront dans la pièce.

Attention aux skydomes (puits de lumière zénithal) dont les apports de lumières sont intéressants mais qui doivent être impérativement munis de protections solaires extérieures afin d’éviter les risques de surchauffe.

Source : Site www.bluetek.fr

Isolation et inertie

Isolation

Pour se prémunir de l’air chaud, il faut avant tout isoler le bâtiment, de préférence par l’extérieur pour pouvoir conserver l’inertie thermique du mur et pour le traitement des ponts thermiques. C’est d’autant plus vrai pour la toiture du bâtiment.

Avec un bâtiment bien isolé il faudra être d’autant plus vigilant aux apports internes et à l’évacuation de l’air chaud (voir plus loin les stratégies en ce sens).

Inertie et déphasage thermique

L’inertie est la capacité d’un matériau à accumuler la chaleur, et éviter ainsi les pics de température dans l’ambiance d’une pièce.

Plus d’inertie signifie :

  • En été : limitation des surchauffes,
  • En hiver : éviter un refroidissement trop rapide lors de l’arrêt du chauffage.

Une inertie forte se trouve dans les matériaux massifs (béton, terre, enduits chaux, carrelage…). Il faut donc penser à les intégrer ou les conserver à l’intérieur des locaux (de préférence au niveau de la dalle et des murs). Il faut éviter les faux plafonds, qui annulent l’effet d’inertie des dalles béton, ou les revêtements tels que moquettes ou tapis. Il faut éviter les isolants légers à l’intérieur d’un mur en pierre si on souhaite bénéficier de l’inertie des murs.

Le déphasage des matériaux est la capacité à diffuser les variations de température. Il est donc lié à l’inertie thermique des matériaux mis en œuvre et au type d’isolation.

Le déphasage thermique est une donnée déterminante pour le confort d’été, car il indique en combien de temps, après le pic de chaleur de la journée, la face interne de l’isolant atteint sa température maximale.

 

Étanchéité à l’air

Étancher un bâtiment consiste à éliminer toutes les entrées d’air parasites. Ce qui permet de :

  • limiter les risques de dommages aux composants de l’enveloppe (condensation dans les parois) et donc augmenter la pérennité des structures,
  • maintenir la performance des isolants thermiques tout au long de la vie du bâtiment,
  • réduire les factures de chauffage,
  • améliorer le confort et éviter les courants d’air désagréables,
  • éviter les chaleurs étouffantes en période estivale à condition d’utiliser les protections solaires adéquates,
  • limiter les gênes acoustiques avec l’extérieur ou autres locaux mitoyens,
  • limiter par le meilleur fonctionnement de la ventilation les problématiques de santé (allergie, asthme) liées à la présence de moisissures ou l’infiltration de polluants (fibres, poussières, composés organiques volatils) dans le bâtiment.

Limiter les apports internes

Cela passe par une vigilance accrue quant aux puissances dissipées par les équipements consommateurs d’énergie comme l’éclairage, tous les équipements de bureautiques et outils connectés mais aussi ascenseurs et outils de production le cas échéant.

Il est possible grâce à l’utilisation d’équipements performants et correctement paramétrés de diminuer les puissances appelées par l’éclairage et la bureautique, donc les apports internes.

  • Choix performant du matériel de bureautique et d’éclairage
  • Activation des veilles du matériel de bureautique
  • Arrêt des appareils en dehors des horaires d’utilisation

Information des usagers / sensibilisation

  • Pour réussir l’intégration du confort d’été dans la conception d’un projet, il est important de co-construire cette approche avec les futurs usagers et utilisateurs du bâtiment. En effet cela permet à la fois de penser et optimiser les outils permettant le confort d’été et de de sensibiliser très tôt les usagers à cette question pour qu’ils soient réellement acteurs de leur confort.
  • Au travers des différents retours d’expérience que nous présentons à la fin de ce document, nous mettons également en lumière l’importance de la sensibilisation et de l’information des usagers en phase d’exploitation du bâtiment.
  • Pour exemple, CUBE 2020, un concours d’économie d’énergie des bâtiments tertiaire publics ou privés a fait apparaitre un potentiel de 25% d’économie d’énergie en travaillant sur deux cibles principales, soit une meilleure exploitation, ainsi que la mobilisation des usagers à plus de sobriété dans leurs consommations avec l’implication de l’ensemble des occupants.

Ventilation naturelle

L’orientation du bâtiment vis-à-vis des vents dominants est une composante de la conception bioclimatique et elle a également du sens pour le confort d’été et la ventilation naturelle. La forme du bâtiment vis-à-vis des vents dominants aura un impact conséquent sur la ventilation naturelle.

Voici quelques exemples graphiques ci-dessous :

Implantations favorables au free-cooling
Source : Natural ventilation in buildings, rapport de thèse de Tommy Kleiven

On constate que ces différentes formes ont pour point commun une « épaisseur » de bâtiment peu importante permettant la ventilation naturelle.

Celle-ci est indispensable pour évacuer la chaleur accumulée la journée. Il vaut mieux
concevoir une ventilation traversante avec des ouvertures bi-orientées qui sont plus efficaces.  Une ventilation naturelle mono façade est environ 5 à 6 fois moins efficace qu’une ventilation traversante.

Source Freevent – Surventilation et confort d’été – Guide de conception – Mars 2018

PUITS PROVENCAL (été) / PUITS CANADIEN (hiver)

Le principe du puits provençal est de procéder au rafraîchissement de l’air neuf entrant en le faisant circuler dans des tubes enterrés à une profondeur où la température du sol varie peu. Puits canadien (hiver) et puits provençal (été) qualifient un seul et même système. Le puits provençal peut abaisser la température insufflée en été de quelques degrés (2 à 5) selon l’installation.

Points de vigilance

En cas d’installation mal conçue, mal mise en œuvre ou mal entretenue, la qualité de l’air intérieur peut être dégradée, notamment avec le développement de moisissures ou l’augmentation du taux de radon.

L’ADEME indique qu’un puits climatique peut être une bonne solution, pour éviter l’installation d’un système de climatisation. Il ne peut, cependant, jouer son rôle que si :

  • la conception  du  bâtiment  est  particulièrement  soignée  pour  tirer  parti  des  conditions  climatiques  locales  (températures, ensoleillement, humidité, etc.),
  • la conception  du  puits,  son  dimensionnement,  ses  interactions  avec  la  ventilation  du  bâtiment  et  sa  mise  en  œuvre sont sans défaut,
  • le suivi  et  la  maintenance  sont  assurés  de  façon  compétente,  particulièrement  pour  des  installations  complexes  (notamment dans le collectif),
  • l’état du   marché (manque   d’offre   industrielle   et   de   compétences   reconnues)   permet   difficilement aujourd’hui d’offrir des garanties sur ces aspects.

Crédit ADEME / ADG

Systèmes actifs

Ci-après nous présentons un ensemble de solution dites actives, donc requérant de l’énergie pour améliorer le confort thermique ou pour rafraîchir/refroidir l’air ambiant.

Brasseurs d’air / Ventilateur sur pied / Éventail 

Éventail / Ventilateur sur pied / Ventilateur de plafond (source Big Ass Fan) consomme de 2 à 8 watts selon sa vitesse de rotation

L’éventail est l’un des plus vieux outils qui apporte un confort d’été et qui est même devenu un art à part entière dans sa fabrication et son usage.

Surventilation nocturne

La ventilation mécanique peut être forcée la nuit afin de rafraîchir le bâtiment, grâce à un système à 2 vitesses ou à vitesse variable. Néanmoins il faut prêter attention au dimensionnement conséquent de ces équipements devant délivrer des débits 2 à 3 fois supérieurs aux débits standards, à l’impact acoustique (voisinage), économique et d’encombrement spatial (important en rénovation).

La surventilation nocturne nécessite une gestion des ouvrants bien pensée pour permettre une ouverture nocturne sans risque d’intrusion. Des dispositifs de blocage des fenêtres en position ouverte seront également souvent nécessaires pour éviter que les courants d’air ne les referment.

 

Source Freevent – Surventilation et confort d’été – Guide de conception – Mars 2018

Dalle active

 

Source : www.xpair.com

Le principe de dalle active peut se faire en plancher et / ou en plafond de façon privilégiée du fait qu’il n’y a pas d’obstacles à la diffusion/captation de chaleur. La circulation d’un fluide plus frais ou plus chaud de quelques degrés par rapport au local permettra de rafraîchir ou de réchauffer la température ambiante avec un très bon confort.

Ce système peut notamment être couplé à la géothermie basse température.

Les points d’attention concernent notamment l’apparition possible de condensation sur la dalle.

Refroidissement adiabatique

Le refroidissement adiabatique est un système de refroidissement par ajout d’eau dans l’air à refroidir. Le changement d’état de l’eau liquide en eau vapeur a besoin d’énergie, ce qui permettra d’abaisser la température.

Principe du refroidissement adiabatique
Source : www.trotec.com

Climatisation

Il existe différents systèmes dits de climatisation :

  • Climatisation fonctionnant à partir de chaleur : les systèmes à absorption ou à adsorption (dessiccation) produisent du froid à partir de chaleur. Cette chaleur peut être solaire ou autre.
  • Climatisation par géothermie : puiser la fraîcheur dans la nappe phréatique ou le sol est possible directement en faisant circuler de l’eau fraîche dans un plancher par exemple, ou indirectement via une pompe à chaleur réversible.
  • Climatisation par pompe à chaleur air-air : ce système agit sur la température de l’air neuf insufflé. Il est de loin le plus couramment utilisé, mais peu efficace dès que l’écart de températures intérieure / extérieure augmente. Il se rapproche alors d’un système tout électrique.

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