Energy, Comfort and Architecture - new

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Chauffage et Climatisation
1 Bilans énergétiques d'un bâtiment
Un des objectifs de la conception d'un bâtiment serait de mettre à disposition
un environnement intérieur confortable à un coût minimum. Le confort ther mique, une des conditions nécessaires au confort, doit être atteint grâce à une
utilisation rationnelle de l'énergie, c'est à dire que le bâtiment doit être
naturellement aussi confortable que possible au long de l'année, minimisant
ainsi la consommation d'énergie. Les équipements techniques sont nécessaires
seulement pour satisfaire aux besoins qui ne peuvent être obtenus naturellement.
La conception architecturale joue un rôle fondamental dans la finalisation de
cet objectif. Le processus de conception doit suivre une série de règles bien établies qui peuvent être aisément déduites de principes de base, comme montré
dans les chapitres suivants. Bien que ces règles soient valables dans tous les
cas, on insistera particulièrement sur les conclusions pouvant être tirées pour
les bâtiments situés en climats chauds Sud Européens.
Les grandeurs énergétiques qui influencent le bilan thermique d'un bâtiment
sont :
Conduction à travers l'enveloppe
Ce terme est proportionnel au coefficient U moyen de l'enveloppe, et il
représente une perte d'énergie en hiver et un gain d'énergie en été.
L'absorption du rayonnement solaire sur les faces externes de l'enveloppe
contribue à accroitre les gains en été mais elle diminue les pertes en hiver.
Cependant pour une enveloppe bien isolée, la contribution solaire est faible et
normalement négligeable.
Renouvellement d'air
Ce terme représente la quantité d'énergie nécessaire pour porter aux
conditions intérieures désirées l'air extérieur entrant dans le bâtiment par
infiltration et ventilation. Les infiltrations dépendent de la perméabilité de
l'enveloppe et ne peuvent être contrôlées que jusqu'à un certain point. Un
renouvellement d'air minimum est nécessaire pour obtenir un niveau
acceptable de la qualité de l'air intérieur dans le bâtiment. Ce renouvellement
d'air représente une perte de chaleur en hiver, et un gain de chaleur en été.
Gains solaires à travers les vitrages
Ce terme représente la quantité d'énergie solaire qui entre dans le bâtiment à
travers les fenêtres et autres surfaces vitrées. Il représente toujours un gain de
chaleur, aussi bien en été qu'en hiver.
Gains internes
Ce terme représente toutes les sources de chaleur situées à l'intérieur du
bâtiment, notamment les occupants, luminaires, appareils et autre équipement.
Ces sources résultent des activités normales se déroulant à l'intérieur. Ce terme
représente aussi toujours un gain de chaleur.
Sources d'énergie
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Ce dernier terme représente la quantité d'énergie délivrée par tout équipement
de chauffage ou de rafraîchissement pouvant être activé spécifiquement dans
le but de contrôler les conditions de l'environnement intérieur pour assurer le
confort. La température est la plus évidente des variables contrôlées, bien que
l'humidité et la vitesse d'air sont, ou devraient être, importantes également.
1.1 Conditions de température flottante
1.1.1 Pertes et gains
Bien qu'un seul bilan énergétique puisse être utilisé pour décrire un bâtiment,
la différence dans le sens des flux d'énergie justifie dans un premier temps
d'en utiliser deux, un pour l'hiver et un autre pour l'été, conduisant plus clairement aux conclusions désirées. Ces bilans sont montrés sous forme graphique
Fig 1. Ces bilans conduisent aux équations définissant les besoins en énergie à
température constante.
Conditions d'hiver :
Fig. 1 - Bilan énergétique d'hiver
Q a u x = Q le Q l v −Q g s −Q gi
Conditions d'été :
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Fig. 2 - Bilan énergétiqued'été
Q a u x = Q le Q l v Q g s Q gi
En écrivant le terme représentant le renouvellement d'air par :
Q v =∗C p ∗V ∗T a− T i 
et le terme de conduction par :
Q c =U ∗ A∗ T i − T a 
En supposant un régime quasi permanent, cest à dire des conditions main tenues en moyenne pendant un temps assez long, ces équations peuvent être
utilisées ensemble pour obtenir la température moyenne intérieure en condi tions flottantes
Hiver :
Eté :
T i =T a 
Q gi  Q g s −Q le
∗V ∗C p
T i = T a
Q gi  Q g s Q le
∗V ∗C p
(2)
(1)
La première conclusion importante tirée des équations 1 et 2 , est que la température moyenne intérieure en conditions flottantes est toujours supérieure à
la température moyenne extérieure, c'est à dire dans les évolutions naturelles
du bâtiment sans système énergétique auxiliaire.
1.1.2 Bilan énergétique pour le calcul de la température intérieure
1.1.2.1 Conditions d'hiver
En hiver la différence entre les températures moyennes intérieure et extérieure
est due aux gains internes et solaires, et elle augmente avec eux. Le terme de
droite dans l'équation 1 peut atteindre un niveau significatif pour un bâtiment
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bien isolé (c'est à dire avec un faible coefficient U moyen) si le gain solaire est
important.
Fig. 3 - Température moyenne en janvier en Europe
[1]
La figure 3 montre la température extérieure moyenne en Europe au mois de
janvier [1], le mois le plus froid de l'année. Pour atteindre les conditions de
confort thermique, un accroissement minimum de plus de 10 [°C] au dessus
des niveaux de la température extérieure est requis. En pratique, il est impos sible d'atteindre cette augmentation de température à tout moment grâce aux
gains internes et solaires. Ainsi , bien que les gains solaires et l'isolation de
l'enveloppe puissent certainement avoir une contribution assez importante, un
chauffage complémentaire peut partout être nécessaire.
1.1.2.2 Conditions d'été
En été, il est absolument nécessaire de maintenir les gains solaires et internes à
de faibles valeurs, sinon la température moyenne intérieure peut être beaucoup
plus élevée que le niveau moyen de la température extérieure et une surchauffe
peut advenir. La figure 4 montre la température extérieure moyenne en Europe
pendant le mois de juillet, la plus élevée selon les enregistrements
météorologiques. On peut voir qu'il y a quelques régions du sud où les tem pératures moyennes extérieures sont proche ou au dessus des niveaux de confort (>23 °C). A moins que quelque moyen de rafraîchissement passif
(rafraîchissement radiatif ou évaporatif et tubes enterrés [2]) soit utilisé, même
la conception architecturale la plus performante n'a aucune chance d'atteindre
le confort d'été dans ces régions. Limiter les gains solaires et isoler l'enveloppe
peut cependant offrir une contribution majeure à la réduction des charges, évitant ainsi le besoin d'un important système de refroidissement. Pour la plupart
des endroits en Europe, il y a cependant un écart suffisant entre la plage in térieure optimale 25- 26 °C et le niveau moyen de température extérieure. Il est
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donc absolument faisable de concevoir un bâtiment qui, en l'absence de
charges internes significatives, peut être naturellement confortable durant tout
l'été.
Fig. 4 - Température moyenne en août en Europe [1]
1.1.3 Le rôle de l'inertie
L'inertie joue un rôle fondamental dans le contrôle de la température intérieure
en conditions flottantes aussi bien en hiver qu'en été. Les équations 1 et 2
donnent la température moyenne au cours d'une période représentative (un
mois, une semaine, au moins quelques jours). Par conséquent, des fluctuations
de température intérieure vont évidemment se produire. Pour optimiser le confort intérieur, il est cependant nécessaire de minimiser ces fluctuations. C'est le
rôle que peuvent jouer les masses thermiques, comme c'est communément démontré par de nombreux exemples d'architectures traditionnelles dans les régions chaudes d'Europe du sud où le régime flottant librement a été la norme.
La figure 5 illustre l'influence du niveau d'inertie du bâtiment sur la fluctuation
de température intérieure pour un même profil de température extérieure. Il
est clairement montré comment une inertie forte et moyenne conduit à de plus
petites fluctuations et à une plus grande proportion de la température in térieure dans la plage de confort. Une faible inertie fait clairement apparaître
de nombreuses heures du jour pour lesquels le confort n'est pas possible.
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Fig. 5 - Température moyenne intérieure en fonction de l'inertie de la
zone.
1.1.4 Le rôle de la ventilation naturelle
La ventilation naturelle transversale peut aussi jouer un rôle important en association avec l'inertie thermique en été. En autorisant un fort taux de ventilation naturelle quand la température extérieure est plus basse que la températ ure intérieure, principalement la nuit, il est possible de refroidir les masses
thermique stockantes intérieures. Cet effet de refroidissement donne une faculté supplémentaire aux masses thermiques pour absorber les gains de chaleur
durant la période de forte exposition solaire suivante, pendant la période diurne de la journée. La figure 6 montre comment une ventilation naturelle
pendant une période nocturne limitée abaisse la température intérieure d'une
pièce [3].
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Fig. 6 - La ventilation naturelle abaisse la température
intérieure [3].
1.2 Température régulée
Pour une température régulée, les conclusions sont quasiment similaires. En
effet, l'objectif principal est la réduction des besoins en énergie. Pour réduire
simultanément les besoins en énergie à la fois en hiver et en été, il est nécessaire de :
1.2.1 Réduire le transfert de chaleur à travers l'enveloppe
Pour réduire le transfert de chaleur à travers l'enveloppe, son coefficient U doit
être réduit. L'isolation est la manière la plus simple d'atteindre cet objectif. Elle
est utile tout au long de l'année, sauf si les gains internes et solaires sont trop
élevés, mais ce sont deux situations à éviter et qui sont généralement
synonymes respectivement d'un besoin de climatisation et de mauvaise
conception architecturale.
1.2.2 Réduire les infiltrations et le renouvellement d'air
Les infiltrations doivent être réduites, mais seulement pour éviter des excès
inutiles. Il n'y a pas grand sens à adopter un système mécanique quand des
moyens naturels peuvent conduire au même résultat avec seulement une perte
mineure du contrôle du renouvellement d'air, pour autant qu'il n'y ait pas d'ex cès. Un système de ventilation mécanique efficace peut être un complément
utile dans une stratégie hybride où il assurera un renouvellement d'air minim um quand les conditions extérieures (vent, température) ne conviennent pas à
la ventilation naturelle.
1.2.3 Accroître les gains internes et solaires en hiver et les
réduire en été
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Les deux déclarations du titre peuvent sembler contradictoires à première vue,
mais elles sont réellement pleinement compatibles et conduisent aux concepts
les plus importants de la conception d'un bâtiment économe en énergie (ou
bioclimatique). La figure 7 montre la valeur des gains de chaleur pour dif férentes orientations en hiver, été, et mi- saison, à 40° de latitude nord, et on
peut constater que :
1. L'orientation optimale pour les gains solaires en hiver est le sud, ou au
moins sud- est ou sud- ouest. Toute autre orientation contribue
faiblement à la captation de l'énergie solaire.
2. En été, le sud est aussi la meilleure orientation possible pour minimiser
les gains solaires. C'est presque équivalent à l'orientation nord qui
reçoit un faible rayonnement toute l'année. Toute autre orientation (SE,
SO, E, O, et principalement un plan horizontal) donne une forte contri bution au bilan énergétique d'un bâtiment en été.
3. En mi- saison, quand le besoin en chaleur ou en froid peut être faible,
un vitrage sud est a peu près équivalent à un vitrage est ou ouest..
Fig. 7 - Gains solaires à travers une fenêtre à vitrage
simple
Ainsi, la règle la plus élémentaire est de favoriser les parois vitrées au sud du
bâtiment, meilleure solution pour atteindre une bonne performance thermique.
Des parois vitrées orientées au sud apportent des gains solaires en hiver, contribuant ainsi potentiellement à une réduction significative des besoins en
chaleur du bâtiment. Ce principe peut également influencer la forme et l'orien tation de l'ensemble du bâtiment, pour permettre de favoriser l'orientation sud
des vitrages : des formes parallélépipèdiques dont les grands cotés s'alignent
d'est en ouest constituent la meilleure conception possible.
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En été, cela peut être insuffisant. Bien que l'orientation sud soit la meilleure,
elle présente encore néanmoins un gain de chaleur plutôt important. Il est donc
absolument nécessaire de limiter davantage les gains solaires par des stores
adaptés. Ces stores devraient de préférence agir à la fois sur le rayonnement
direct et diffus, ils devraient être de couleur claire, et ils devraient être placés
sur la face externe du bâtiment. Des stores intérieurs sont moins efficaces.
Ces questions seront détaillées par ailleurs.
2 Conclusions
On a montré que, par un bilan énergétique très simple, il est possible de déduire les règles principales qui rendent possible un bâtiment économe en énergie :
a) Adopter une enveloppe énergétiquement efficace, par isolation
thermique (des murs, toitures, sols et parois vitrés – des doubles vitrages
peuvent ne pas être rentables sous les climats doux en hiver),
b) Limiter le renouvellement d'air aux niveaux recommandés, en évitant
des valeurs excessives,
c) Favoriser les solutions produisant des gains solaires passifs en hiver. La
forme et l'orientation du bâtiment doivent retenir dès le début l'attention
du concepteur, et elles doivent alors être complétées par beaucoup de
vitrages orientés au sud et sans effet d'ombrage par des obstacles
extérieurs;
d) Mettre à disposition en été des protections solaires extérieures sur
toutes les surfaces vitrées;
e) Adopter des solutions “massives” , particulièrement quand un régime
de température flottante sera le fonctionnement normal,
f) Permettre la ventilation naturelle en été quand les conditions extérieures
sont favorables.
En suivant ces règles simples, il est possible de concevoir un bâtiment
réclamant une faible quantité d'énergie pour maintenir le confort intérieur. Le
rafraîchissement peut même être tout à fait évité pour la plus grande partie de
l'Europe s'il n'y a pas de gains internes importants.
3 Références
1. European Passive Solar Handbook, preliminary edition. Edited by P
Achard and R Gicquel. Commission of the European Communities,
1986.
2. M Santamouris. Natural Cooling Techniques. In Proceedings of the
Workshop on Passive Cooling, pp. 143- 153, Joint Research Centre,
Ispra, 1990.
3. F. Allard, et al. Natural ventilation in Buildings. James and James, 1999.
4. E. Maldonado et al. Efficient Ventilation Techniques for Buildings. DG
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TREN, THERMIE report, University of Porto, 2000.
5.
Sandberg, M. "What is Ventilation
Environment, vol.16 (1981), pp.123- 135.
Efficiency?"
Building
and
6. Anderson, R. "Determination of ventilation efficiency based upon short
term tests". Proc. of the 9th AIVC Conference (Effective Ventilation),
September 1988, vol.l, pp.43- 62.
7.
Review of Low Energy Cooling Technologies”, Annex 28 of the
International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and
Community Systems Programme. Natural Resources Canada, December
de 1995.
8. Mark Zimmermann e Johnny Andersson. “Case Study Buildings, Low
Energy Cooling”, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy
Conservation in Buildings and Community Systems Programme. EMPA,
Switzerland, 1998.
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