ASSURER LE CONFORT THERMIQUE D'ETE

ASSURER LE CONFORT THERMIQUE D'ETE INTRODUCTION Dans les habitations performantes, donc bien isolées, le confort d'été doit faire l'objet d'une attention particulière. Il faut en effet éviter que les dispositions prises pour assurer le confort d'hiver et la réduction des besoins en chauffage, ne conduisent à des surchauffes, sources éventuelles d'inconfort en été et n'obligent à recourir à des systèmes de climatisation, consommateurs d'énergie. FICHE 13 OBJECTIFS Cible Performance à atteindre Température de confort de l air Temps de dépassement de 25 C (heures) Pièces de vie 100 Temps de dépassement de 28 C (heures) Pièces de vie 20 Humidité relative de l air Pourcentage (%) Pièces de vie 35 65 Si la température de 25 C n'est pas dépassée plus de 100 heures par an et celle de 28 C plus de 20h, on peut considérer que le bâtiment présente un confort estival élevé. Ces valeurs sont inspirées d'une norme hollandaise traitant des surchauffes. Un taux d'humidité relative compris entre 35% et 65% est considéré, pour des températures d'air comprises entre 20 C et 25 C, comme confortable. DEFINITIONS La conductivité λ (W/m C) quantifie le flux de chaleur qui «s écoule» à travers une surface de 1m² lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 C, et sur une épaisseur de 1 mètre de matériau. Plus le coefficient λ est faible, plus le matériau est isolant. La capacité C (J/kg C) est la quantité de chaleur mise en réserve par le matériau lorsque sa température augmente de 1 C. Plus elle est élevée, plus la quantité d énergie que peut stocker le matériau est grande et plus les variations de températures des parois et de l air seront faible. La diffusivité d (m³/h) caractérise la vitesse à laquelle la chaleur se propage, par conduction, dans un corps. Plus elle est faible, plus la chaleur mettra du temps pour traverser le matériau. En découle le déphasage, temps pour que l onde de chaleur atteigne l autre face de la paroi. L effusivité E f (kj/m²s C) caractérise la capacité des matériaux à réagir à un apport de chaleur interne. Plus elle est grande, plus rapidement la chaleur interne du local sera absorbée, donc l élévation de température limitée. Cette capacité ne traduit cependant pas que la température du mur s élève rapidement car l effusivité est proportionnelle à la capacité. version juin 2007 FICHE 13.indd 1 11/05/2007 15:49:39

METHODES Température de confort de l air La problématique des surchauffes ne peut être abordée de manière précise qu'en passant par la simulation dynamique. Celle-ci permet de mesurer, heure par heure, l'impact de solutions envisagées sur les températures atteintes dans un local et d'en déduire l'accomplissement ou non des objectifs de confort estival. Les solutions proposées ci-dessous interagissent entre elles et ont des effets contraires sur d'autres aspects tels que l'éclairage naturel, l'isolation ou le confort d'hiver. Pour atteindre l'objectif de réduction des surchauffes il faudra donc faire appel au bon sens et au compromis, cherchant une solution adaptée au cas de figure étudié. Avant de traiter des problèmes des surchauffes, il est intéressant d'évaluer le risque éventuel. Pour évaluer ce risque, le recours au logiciel PHPP ou à la méthode inductive de la Région wallonne sont possibles. Si le risque d'inconfort est minime, il n'est pas nécessaire de recourir à la simulation dynamique. Le CD énergie + (également consultable sur internet via le site-portail de la division énergie en Région wallonne), bien que conçu pour le secteur tertiaire, offre un nombre important de pistes pouvant aider à résoudre les problèmes de surchauffes. Protections solaires Les baies vitrées sont dimensionnées en fonction des besoins en éclairage naturel des locaux, des vues et des apports solaires passifs. Dans les habitations bien isolées, elles constituent, du point de vue des déperditions, le point faible de l'enveloppe du bâtiment en même temps que la source d'apports solaires, pouvant conduire à un risque de surchauffes. Cette problématique doit donc être étudiée afin de trouver un juste équilibre entre apports, protection et lumière naturelle. Pour le confort d'été, l'orientation ouest ou est (dans une moindre mesure) des fenêtres verticales est à éviter ; les parois vitrées horizontales et obliques également. Les baies vitrées orientées au sud (du SE au SO) devront quant à elles être équipées de protections solaires adéquates. Seules les protections solaires extérieures sont efficaces, car les protections intérieures n'empêchent pas la chaleur d'entrer (les rayons solaires se transforment en rayons infrarouges en traversant le vitrage). Certains systèmes permettent de combiner les exigences de confort visuel et. Le light-shelf, auvent dont la surface supérieure est réfléchissante, permet la redirection de la lumière naturelle vers le plafond, tout en empêchant la pénétration directe du soleil. Il peut être horizontal ou incliné, droit ou incurvé et situé à l'intérieur ou à l'extérieur de la fenêtre. Un entretien régulier devra être réalisé afin de maintenir une bonne réflectivité. Les protections solaires fixes sont engendrées par l'architecture même du bâtiment. Elles seront matérialisées par des casquettes, balcons ou reculs bloquant les rayons solaires l'été, mais laissant pénétrer le soleil l'hiver. A l'est et à l'ouest, étant donné la position basse du soleil en début et fin de journée, les protections verticales sont plus efficaces. La végétation à feuilles caduques constitue un filtre sélectif, bloquant les rayons solaires l'été. L'hiver, il est à noter qu'elle limite également, dans une moindre mesure, les apports solaires. Les protections solaires mobiles peuvent être des stores extérieurs à lamelles ou en tissus, des volets traditionnels, privant le local de lumière naturelle entièrement ou partiellement. FICHE 13.indd 2 11/05/2007 15:49:39

Apports internes Bien que cet aspect ne soit pas du ressort du concepteur, les apports internes sont également une source de surchauffe. Il est intéressant de sensibiliser les futurs occupants à cette problématique, leur suggérant d'utiliser des éclairages et appareils électroménagers peu gourmands en électricité. Refroidissement naturel ou artificiel Le refroidissement naturel a pour but de créer un courant d'air permettant le remplacement de l'air chaud intérieur par de l'air frais extérieur. Pour lui conférer une certaine efficacité, la ventilation sera transversale (ouvertures sur des façades opposées et/ou par la toiture) et les ouvertures suffisantes (au moins 2% de la surface des locaux). De plus, l'inertie du bâtiment doit être suffisante. J.-M. HAUGLUSTAINE, F. SIMON, C. BALTUS, S. LIESSE, La ventilation et l'énergie - Guide pratique pour les architectes, Ministère de la Région wallonne Le système envisagé doit toutefois empêcher l'intrusion d'insectes, l'infiltration de pluie et garantir une protection contre les effractions, plus particulièrement dans le cas d'un refroidissement nocturne. Le refroidissement peut également être artificiel, s'il est réalisé au moyen du système de ventilation mécanique. Dans ce cas, pour être efficace, il doit assurer un taux de renouvellement d'air important, conduisant à un éventuel surdimensionnement des installations techniques (ventilateur, bouches, conduites, ). Qu'il soit naturel ou artificiel, son efficacité est conditionnée par la température de l'air extérieur, qui doit être inférieure à celle de l'air intérieur. Ceci peut être le cas de jour comme de nuit, la capacité frigorifique de l'air extérieur étant toutefois moins importante en journée. Dans le cas d'un refroidissement artificiel, le système de ventilation mécanique peut être couplé à un puits canadien, dont le but serait dans ce cas de réduire la température de l'air extérieur en été. Puits canadien Le puits canadien utilise de manière passive l'énergie géo. Il sert à faire passer, avant qu'il ne pénètre dans la maison, l'air neuf de renouvellement par des tuyaux enterrés dans le sol, à une certaine profondeur. Combiné au système de ventilation mécanique, il permet, l'été, d'augmenter le confort. En effet, le puits canadien permettra d'utiliser la fraîcheur relative du sol pour tempérer l'air entrant dans le ventilateur. Le système de ventilation utilisé dans ce cas devra être équipé d'un bypass, afin d'éviter le passage de l'air dans l'échangeur, et dans ce cas, le réchauffement de l'air extérieur par l'air intérieur extrait. Certains systèmes sont aujourd'hui également équipés d'une horloge faisant la distinction entre le jour et la nuit. En situation estivale, le critère dimensionnant sera un seuil maximal de température pour l'air à la sortie du puits canadien. Ce seuil sera fixé en fonction de l'objectif de réduction des surchauffes dans le bâtiment. La température du sol ainsi que la température à l'entrée du puits canadien sont des paramètres qui dépendent du lieu et du climat. La température désirée à la sortie du puits canadien va donc dépendre de la géométrie du système, qui conditionne le temps de passage de l'air dans les tuyaux enterrés. Les paramètres géométriques sont le diamètre et la longueur des tuyaux. Ces paramètres doivent donc être déterminés en fonction du cas étudié afin d'obtenir les résultats escomptés. Le lieu, la place disponible, le choix du système et l'aspect économique vont réduire l'éventail des choix. Plusieurs combinaisons de cas mèneront aux même performances. Ainsi, un autre paramètre doit être introduit : la perte de pression du flux à travers le tuyau, qui a une influence importante sur les performances du ventilateur. FICHE 13.indd 3 11/05/2007 15:49:39

En général, diminuer le diamètre des tuyaux permet d'augmenter le transfert de chaleur, mais aussi d'augmenter le débit de l'air dans les tuyaux, réduisant l'efficacité. Ainsi, il est préférable de placer plusieurs tuyaux de faibles diamètres, afin de diviser le flux. Les longs tuyaux de petit diamètre favorisent l'échange de chaleur, mais dans ceux-ci, les pertes de pression sont élevées, poussant le ventilateur vers des puissances de fonctionnement anormales. FICHE 13 Pour obtenir de faibles pertes de pression, il faut placer des tuyaux avec un large diamètre et y faire passer un faible débit. Ainsi, il est préférable de placer plusieurs tuyaux de gros diamètre. Dans les deux cas, un grand nombre de tuyaux est bénéfique. Le problème se réduit donc à optimiser la combinaison de longueur et diamètre du tuyau. Le tuyau doit être entouré d'une épaisseur de terre correspondant au minimum à 5 fois son diamètre. Plus on descend dans le sol, moins l'effet de la température extérieure se fait sentir. Ces considérations doivent être mises en relation avec la faisabilité technique (profondeur des tranchées). Il existe plusieurs configurations de placement des tuyaux dans le sol. Soit les tuyaux sont placés parallèlement les uns aux autres, en serpentin ou reliés transversalement, soit ils font le tour de l'habitation et sont placés dans les fouilles. Ils peuvent être placés les uns à côté des autres, ou les uns au-dessus des autres. Les pertes de charge du puits canadien sont ajoutées à celles du ventilateur, et doivent donc être réduites autant que possible et ne pas dépasser 50Pa (voir chapitre 3.1.1) Inertie L'inertie d'un matériau traduit sa capacité à accumuler la chaleur, ce qui entraîne à la fois un amortissement et un déphasage du pic de température intérieure. La chaleur des rayons solaires est stockée dans les parois pendant la journée et est restituée en soirée. L'inertie favorise d'autant le confort d'été qu'elle est forte, permettant d'écrêter les pointes de surchauffe pendant la journée, et d'améliorer l'efficacité de la ventilation nocturne, restituant longtemps la fraîcheur accumulée. Elle est d'autant plus importante dans le traitement du confort d'été que les surfaces vitrées sont importantes, les possibilités de ventilation réduites et les protections solaires peu efficaces, ce qui est rarement le cas des habitations performantes. L'inertie est liée aux matériaux et à la manière dont ceux-ci constituent le bâtiment. Elle regroupe les paramètres physiques que sont la conductivité, la capacité, la diffusivité et l'effusivité, intervenant tous dans le comportement du bâtiment. Ces paramètres sont repris dans le tableau ci-après (verso) pour les matériaux les plus couramment utilisés. FICHE 13.indd 4 11/05/2007 15:49:39

Matériaux Béton de granulats plein Béton de granulats caverneux Masse volumique (kg/m³) Conductivité (W/m C) Capacité (Wh/m³ C) Diffusivité (m³/h) 2300 1.75 600 2.93.10-3 1.94 Effusivité (kj/m²s C) 1650/210 1.15/1.4 395/505 2.9/2.8.10-3 1.28/1.6 FICHE 13 Mortier 1950 1.15 460 2.51.10-3 1.38 Brique terre cuite 1900 1.15 455 2.53.10-3 1.37 Pierre lourde (granit,gneiss) 2600 3 505 5.92.10-3 2.34 Pierre calcaire 2450 2.4 490 34.3.10-3 2.06 Meulière lourde 2200 1.8 460 3.9.10-3 1.73 Sable sec 1800 0.4 395 1.01.10-3 0.76 Brique terre crue 1800 1.1 425 2.6.10-3 1.3 Béton laitier plein 2300 1.4 565 2.48.10-3 1.69 Béton laitier caverneux 1800 0.7 440 1.59.10-3 1.06 Béton de pouzzolane 1000/1650 0.52 395 1.31.10-3 0.55 Béton cellulaire 400/800 0.16/0.33 100/195 1.6/1.7.10-3 0.24/0.48 Plâtre courant 900 0.35 270 1.3.10-3 0.58 Sol léger et sec 1500 0.36 315 1.14.10-3 0.64 Bois lourd (chêne, hêtre) Bois léger (résineux, peuplier) 650 0.23 435 0.53.10-3 0.60 400 0.12 300 0.4.10-3 0.36 Panneau de particule 600 0.14 385 0.37.10-3 0.44 Acier 7870 52 1045 19.7.10-3 13.98 Aluminium 2700 230 695 330.10-3 24.00 Cuivre 8930 380 980 387.10-3 36.66 Zinc 7130 112 785 143.10-3 17.76 Laine minérale 15 0.04 3.5 11.4.10-3 0..02 Polystyrène 18 0.04 6.9 5.8.10-3 0.03 Source : L'inertie dans la conception - pôle construction - Le millenaire II La capacité est un critère de choix important. Pour valoriser au mieux l'énergie solaire passive sans risque de surchauffe, il est préférable de construire avec des matériaux ayant une capacité élevée. Les matériaux isolants ont toujours une capacité faible (inférieure à 110 Wh/m³ K). Les matériaux dont la capacité est comprise entre 280 à 530 Wh/m³ K amortissent bien les chocs de température entre le jour et la nuit ; les matériaux dont la capacité est supérieure à 530 Wh/m³ K (matériaux lourds) offrent une conservation optimale de l'énergie solaire passive. La bonne isolation des parois empêche la chaleur extérieure de traverser les parois, permettant de maintenir la maison plus fraîche en été, pour peu que les fenêtres restent fermées pendant la journée. La conductivité est dans ce cas le critère à prendre en compte. Humidité relative de l'air Dans la mesure où l'habitation est ventilée conformément à la norme NBN D50-001, l'humidité relative des locaux se trouve automatiquement située dans la zone de confort. FICHE 13.indd 5 11/05/2007 15:49:40

FICHE 13 PHASAGE DES INTERVENTIONS Esquisse Le choix du type de parois (maçonnerie, ossature bois, ) détermine l'inertie de celles-ci en même temps que la performance énergétique. Ces deux aspects ont des conséquences sur le confort d'été et d'hiver, parfois contradictoires, dont il importe de se préoccuper. La taille et l'orientation des baies vitrées sont déterminés dès le stade de l'esquisse. Il est donc important de penser aux conséquences que ces paramètres peuvent avoir sur le confort d'été avant de devoir envisager les moyens de protections, qui s'avéreront peut-être indispensables. Et cela d'autant plus que ces protections ont bien souvent un impact non négligeable sur l'esthétique du bâtiment. Avant-projet Le choix de recourir ou non à un puits canadien doit s'envisager au stade de l'avant-projet car il conditionne le recours au système de ventilation mécanique, dont l'encombrement n'est pas négligeable. OUTILS Sites de référence http://www.physibel.be (1) http://software.cstb.fr/soft/present.asp?page_id=fr!trnsys (2) http://energie.wallonie.be/ (3) http://mrw.wallonie.be/energieplus/script.htm (CD énergie +) http://www.maisonpassive.be (plateforme wallonne de la maison passive) (4) Logiciels CAPSOL - multi-zone transient heat transfer, Physibel, Belgique (Logiciel de simulation dynamique appliqué au bâtiment) (1) TRNSYS, CSTB, France (Logiciel de simulation dynamique appliqué au bâtiment) (2) DENIBE, Région wallonne (évaluation des besoins conventionnels en énergie de chauffage) - téléchargeable gratuitement sur internet (3) PHPP Passivhaus Projektierungs Paket, Passiv Haus Institut, Allemagne (évaluation statique de la performance énergétique des bâtiments) version française diffusée par la plate-forme wallonne (4) Littérature J.-M. HAUGLUSTAINE, F. SIMON, C. BALTUS, S. LIESSE, La ventilation et l'énergie - Guide pratique pour les architectes, Ministère de la Région wallonne (Mars 2001) J.-M. HAUGLUSTAINE, F. SIMON, C. BALTUS, S. LIESSE, La conception globale de l'enveloppe et l'énergie - Guide pratique pour les architectes, Ministère de la Région wallonne (Mars 2006) A. LIEBARD, A. DE HERDE, Guide de l'architecture bioclimatique - cours fondamental - Tome 1 : Connaître les bases, Observ'ER (1996) A. LIEBARD, A. DE HERDE, Guide de l'architecture bioclimatique - cours fondamental - Tome 2 : Construire avec le climat, Observ'ER (1996) A. LIEBARD, A. DE HERDE, Guide de l'architecture bioclimatique - cours fondamental - Tome 3 : Construire en climats chauds, Observ'ER FICHE 13.indd 6 11/05/2007 15:49:40