Outils de conception bioclimatique
Optimisation bioclimatique de projets
En première approche, nous utlisions des outils permettant d’étudier scientifiquement la conception bioclimatique. Associé à la créativité des archtiectes, ces réflexions permettent d’orienter dès la phase concours le projet vers une conception efficiente.
Ainsi, certaines stratégies de conception de bâtiment sont plus appropriées dans différents climats. Dans le diagramme de Givoni du climat les grands principes de conception propre à ce climat sont étudiés.
Givoni est un architecte dont les travaux permettent de définir de manière rigoureuse et simplifiée les stratégies architecturales à mettre en œuvre pour améliorer le confort thermique dans les bâtiments d’habitation et ce, en fonction du climat local. Ses travaux ont permis de définir une méthodologie à lecture simplifiée à partir du diagramme psychométrique bien connu dans le domaien de la CVC.
Introduction
Le diagramme psychométrique représente la température sèche de l’air (lecture verticale, à partir de l’axe des abscisses) et l’humidité de l’air (humidité absolue représentée sur l’axe des ordonnées et humidité relative sur la courbe). Ce diagramme, aussi appelé diagramme de l’air humide illustre ainsi le taux d’humidité en gramme d’eau par m3 d’air sec (ou grammes d’eau par kilogramme d’air sec), la pression de vapeur.
La ligne courbe à l’extrême gauche correspond à la courbe de saturation (100% d’humidité relative, apparition de condensation). Ces courbes représentent le fait que de l’air à basse température contient moins d’humidité que de le même air à température plus élevée.
Les valeurs représentées sur la figure suivante sont issues du fichier météo et nous indiquent le minimum et maximum quotidien en fonction des saisons. Une ligne tracée entre les deux permet d’illustrer la différence quotidienne de la température (diurne delta T).
La zone de confort (1) est caractérisée de manière simplifiée par une plage centrale bleue comprenant des températures allant de 20 à 24°C et bornée par des niveaux d’humidité relative confortable. Les autres plages illustrent le meilleur ensemble de stratégies de conception permettant de maintenir ce même climat confortable dans le bâtiment.
Un algorithme sélectionne parmi des stratégies de conception la meilleure association permettant de réduire le plus efficacement le nombre d’heures de chauffage et de refroidissement mécanique.
Les stratégies de conception figurant dans la case en haut à gauche sont toutes définies par rapport à la zone de confort. Ainsi, il est possible d’identifier les stratégies de conception passive qui seront les plus efficaces pour ce climat.
Conception bioclimatique
Zone de confort (1)
La zone de confort est caractérisée de manière simplifiée par une plage centrale bleue comprenant des températures allant de 20 à 24°C et bornée par des niveaux humidité relative confortable (20%-80%).
Valorisation des gains internes (9)
Cette zone est définie sur le diagramme psychrométrique à gauche de la zone de confort. Elle représente une estimation approximative de la quantité de chaleur qui peut être ajoutée à un bâtiment par des charges internes telles que l’éclairage, les personnes et l’équipement. Elle est très dépendante du type de bâtiment et de la conception. La température de point d’équilibre est la température de l’air extérieur à laquelle les charges internes seules maintiennent le bâtiment dans la zone de confort. Certains types de bâtiments (comme les maisons et les entrepôts) ont des charges internes relativement faibles et ont besoin de de chauffage supplémentaire, de sorte que le point d’équilibre pourrait être 14°C. Bien conçus, les bâtiments bien isolés ont des températures d’équilibre beaucoup plus basses, et utilisent donc beaucoup moins d’énergie pour le chauffage. D’autres bâtiments avec de grandes charges internes (comme les commerces/bureaux) n’ont besoin presque pas de chauffage supplémentaire, et pourrait donc avoir un point d’équilibre de l’ordre de 8°C.
Valorisation des gains solaires (11)
Cette zone est définie sur le graphique psychométrique à gauche de la zone de confort par une ligne en pointillés (11), car il s’agit d’estimation approximative très dépendante de la conception du bâtiment.
Dans le cadre d’un bâtiment comportant une bonne orientation et une part significative de vitrages orientés Sud, les apports solaires passifs permettent d’augmenter la température interne. Si la construction possède une masse inertielle importante, les élévations de température interne se font plus lentement dans le temps et la surface d’exposition Sud des vitrages peut être plus importante. Toutefois, la masse interne doit être en contact avec l’air interne pour stocker ce gain de chaleur solaire, etle déstocker plus tard de manière déphasée.
Sur le graphique, la limite inférieure de cette zone est définie par la température de l’air extérieur la plus basse à laquelle le rayonnement solaire disponible produira des températures minimales de confort. (Température générique)
Mise en place de protections solaires (2)
La zone repérée par le numéro 2 sur le graphique est définie par la température extérieure et le rayonnement global minimum horizontal au-delà duquel toutes les fenêtres doivent être protégées. Elle est définie à partir de la température la plus basse caractérisant la zone de confort. En effet au-delà de cette température tout rayonnement solaire qui pénètre dans le bâtiment ne contribuera pas au confort mais probablement à la surchauffe de l’espace.
La mise en place de protections solaires est particulièrement efficace en extérieur pour limiter l’irradiation solaire au niveau des fenêtres, aidant ainsi à prévenir les surchauffes de la température ambiante.
Valorisation de l’inertie thermique et ventilation naturelle nocturne (4)
La valorisation de l’inertie repose sur le stockage thermique et les effets de décalage temporel et d’amortissement de la masse. Ainsi, les fluctuations quotidiennes importantes des températures extérieures seront lissées à l’intérieur des locaux.
Mise en place de la ventilation naturelle (7)
Cette zone est définie sur l’écran Critères et est représentée sur le diagramme psychrométrique à droite de la Zone Confort. En été, le mouvement de l’air est un moyen naturel de produire un effet de refroidissement sur le corps humain : le taux d’évaporation de la transpiration augmente et confère une impression de refroidissement (à noter que la ventilation ne réduit pas réellement la température sèche de l’air).
Le rafraichissement naturel est un processus complexe et peut être défini de différentes façons. Dans le diagramme, la zone d’efficacité est définie par une vitesse d’air minimale à partir de laquelle le rafraichissement commence à faire effet (0,2 m/s). Si les vitesses d’air extérieur tombent en dessous de ce niveau minimal, on suppose que le refroidissement par ventilation naturelle n’est pas efficace.
La zone d’efficacité est également définie par une vitesse d’air intérieur confortable maximale,au-dessus de laquelle les gens se sentent incommodés. Pour une activité sédentaire, la vitesse maximale confortable est généralement d’environ 0,15 m/s, ce qui est à peine perceptible. En revanche, dans un cadre intérieur où les gens peuvent se déplacer (comme dans une maison) le maximum peut être 1m/sec ou plus.
Le mouvement d’air produit alors une brise douce qui peut être senti contre le visage et faire battre les papiers. Ces vitesses d’air produiront un sentiment de confort équivalent à une réduction de température perçue de l’ordre de 0.5°C dans le cas d’une activité sédentaire et 3.7°C dans le second cas (ASHRAE Standard 55-2004).
A noter que si les gens sont en mesure de contrôler la vitesse de l’air d’une certaine manière, ils toléreront une plus grande gamme de confort.
Conclusion
Ce premier type d’analyse permet de définir les stratégies bioclimatiques préférentielles qu’il s’agira d’étudier en phase projet.
L’ensemble des analyses précédentes ne permet pas de définir de manières précises les gains énergétiques résultant de la mise en place de chacune de ces stratégies architecturales.
Ainsi, la suite de l’étude inclut la réalisation d’une simulation thermique dynamique permettant de vérifier de manière fine l’impact de l’ensemble des stratégies présentées ci-avant et actuellement retenues en conception.