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4.2 - LES BATIMENTS
(partie 1 | partie 2)
Par Claude-Alain Roulet, 28 janvier 2002

Le bâtiment moyen actuel
Son indice de consommation d'énergie
Dans les climats tempérés et froids, la plus grande part de l'énergie utilisée par un bâtiment sert au chauffage. Dans les climats plus chauds, il peut être nécessaire et en tout cas confortable d'abaisser la température intérieure des bâtiments. Ce refroidissement peut aussi être un grand consommateur d'énergie. L'indice de dépense d'énergie (IDE) est le rapport de la consommation annuelle d'énergie d'un bâtiment (pour le chauffage, l'éclairage, la cuisson, etc.) à la surface de plancher chauffé (donc sans les caves, escaliers et autres locaux non chauffés) brute (murs compris)(1).

Figure 1: les indices de dépense d'énergie de trois types de bâtiments


L'IDE des bâtiments varie d'un facteur dépassant 10 (à prestations équivalentes) entre les plus gros et les plus petits consommateurs en Suisse, à savoir de moins de 100 à plus de 1000 MJ/m2 (correspondant respectivement à une consommation annuelle de 3 et 30 litres de mazout par mètre carré de plancher chauffé !). La consommation annuelle moyenne helvétique oscille autour de 700 MJ/m2, mais les bâtiments courants construits selon les normes les plus récentes n'atteignent que la moitié, en offrant un confort thermique souvent supérieur. En apportant un soin particulier aux économies d'énergie, à l'utilisation de l'énergie solaire, et en concédant une plus-value inférieure à 10 % (par rapport à un bâtiment courant récent), on arrive encore à abaisser ce chiffre de moitié, et cela toujours en garantissant un confort thermique optimal. Il est donc possible d'effectuer, à long terme, des économies d'énergie impor­tantes dans le bâtiment, et les autorités communales sont très bien placées pour encourager les efforts dans ce domaine. Rappelons à ce sujet l'art. 99 de la loi vaudoise sur l'aménagement du territoire (LATC) : « La municipalité encourage l'utilisation active ou passive de l'énergie solaire. Elle peut accorder des dérogations... » et l'art. 56 de l'ordonnance d'application : « Les bâtiments nouveaux seront conçus de manière à réduire les pertes thermiques et à augmenter les gains en énergie solaire... » ce qui signifie en clair qu'ils ne devraient pas avoir un indice de dépense d'énergie supérieur à 200 MJ/m2K. Ce n'est pas le cas du bâtiment moyen actuel : Une basse consommation d'énergie fait rarement partie des préoccupations des maîtres d'ouvrage ou des architectes, et une grande partie du parc de bâtiments a été construite pendant les années 1960 à 1970, lorsque les préoccupations énergétiques étaient inexistantes.

Le bilan énergétique
Chacun sait que l'énergie ne se crée ni ne se perd. Toute l'énergie qui entre dans un bâtiment, sous forme de combustible, de rayonnement solaire, de nourriture ou d'électricité, finit par en ressortir d'une manière ou d'une autre, souvent sous forme de chaleur, qui est la forme la plus dégradée de l'énergie.

Figure 2 :  Les flux d'énergie contribuant au chauffage d'un bâtiment.


La gestion énergétique du bâtiment consiste à utiliser au mieux l'énergie qui traverse le bâtiment, de manière à assurer les prestations nécessaires tout en freinant cette traversée.

Ses déperditions
La plus grande part du flux d'énergie qui traverse les bâtiments en hiver en climat tempéré sert à maintenir un niveau de température confortable à l'intérieur, malgré les déperditions de chaleur vers l'extérieur plus froid. S'il est impossible d'éviter totalement ces déperditions, il est parfaitement possible et chaudement recommandé de les freiner, par une amélioration générale du niveau d'isolation thermique.

Figure 3 :  À niveau de prestations égal, un bâtiment mal conçu consomme beaucoup plus d'énergie.


La chaleur quitte le bâtiment essentiellement par deux voies :
  1. par transmission de chaleur au travers du sol, des murs et de la toiture ; on limite ces déperditions en isolant le bâtiment (voir Amélioration par l'isolation thermique) ;
  2. par convection dans l'air quittant le bâtiment, qui fait la place à l'air frais indispensable à une bonne aération ; ces déperditions peuvent être limitées à un minimum, mais ne peuvent pas être éliminées. Par contre, il est possible d'en récupérer une partie importante.

Ses gains
Il est possible de limiter la consommation d'énergie achetée en augmentant les gains de chaleur du bâtiment. Les sources de chaleur possible sont :
  1. l'utilisation passive du rayonnement solaire (laisser le soleil entrer dans le bâtiment si nécessaire, voir Utilisation du soleil pour le chauffage) ;
  2. la chaleur métabolique des occupants ;
  3. les pertes de chaleur des appareils installées dans le bâtiment.
La première source peut être très importante et couvrir environ la moitié des besoins d'un bâtiment bien conçu. La seconde source n'est pas contrôlable, et n'est importante que dans les bâtiments à population dense (écoles, salles de réunion). La troisième peut être importante mais n'est pas contrôlable, en ce sens que les appareils ne sont pas enclenchés dans le but de chauffer le bâtiment, mais pour d'autres besoins qui ne sont pas nécessairement synchronisés avec les besoins en chaleur. Une saine gestion de l'énergie exige des appareils à haut rendement, donc à faibles déperditions de chaleur : il n'est pas sage de compter sur ces déperditions pour diminuer les besoins en chaleur.

Son confort et ses prestations
Un bâtiment confortable assure à ses habitants diverses prestations : Un climat intérieur agréable et peu dépendant des conditions extérieures, une atmosphère saine, un éclairage satisfaisant, des transports (ascenseur), des communications (téléphone, radio, TV) et diverses installations pour faciliter la vie, telles que cuisine, toilettes et salle d'eau. Le rôle premier d'un bâtiment est d'assurer ces prestations, et la gestion optimale de l'énergie, quoique très importante du point de vue de son impact sur l'environnement, intervient en deuxième priorité, lorsque que les conditions de confort sont satisfaites. Cependant, toutes ces prestations nécessitent des transformations énergétiques. Il est donc insensé de fournir des prestations inutiles ou non requises, comme d'éclairer un local inoccupé, de chauffer ou climatiser à des températures inconfortables (respectivement trop haute ou trop basse), ou de maintenir prêt à l'emploi un appareil peu utilisé (TV par exemple). D'autre part, les prestations devraient être assurées de manière à consommer un minimum d'énergie et à charger l'environnement le moins possible. Une grande part de la consommation des bâtiments en Europe étant utilisée pour le chauffage, il convient de regarder d'un peu plus près le confort thermique.

Le confort thermique
Le confort est une sensation de bien être liée à de nombreux facteurs, et le confort thermique est relié à la sensation de froid ou de chaleur. Cette sensation est subjective, et donc propre à chaque individu, notamment à son activité physique et son habillement. De plus, elle dépend de divers facteurs extérieurs. Les paramètres donnés dans le tableau 1 interviennent dans le confort thermique.

Tableau 1 :  Paramètres ayant de l'influence sur la sensation de confort thermique
Conditions personnelles
Activité physique
Habillement
État de santé
Conditions thermiques
Température de l'air
Sources de rayonnement (radiateurs, soleil)
Température des surfaces environnantes
Vitesse relative de l'air par rapport au sujet
Humidité relative de l'air
Perméabilité thermique dynamique du sol
Autres influences
Degré d'occupation des locaux
Ambiance, etc.


Suivant sa sensation globale, l'habitant se déclarera satisfait ou insatisfait. Le critère fondamental de confort est donc la satisfaction des usagers. Ce n'est en tous cas pas la seule température de l'air. Il est possible de déterminer à l'avance les conditions à réunir pour obtenir une satisfaction maximum pour le confort thermique. Cependant, le nombre moyen de personnes insatisfaites ne pourra que difficilement être inférieur au dixième des usagers concernés. Le diagramme de la figure 4 montre la température opérative optimale en fonction de l'activité et de l'habillement des individus.
La température opérative est celle ressentie par les occupants. Elle est fonction des températures de l'air et des surfaces environnantes. Une température opérative donnée (par exemple 22°C) peut être obtenue de plusieurs manières : L'activité métabolique peut s'exprimer en watt par mètre carré de peau ([W/m2] échelle de droite sur la figure 4) ou en met. Un met correspond à une activité tranquille, en position assise, soit à 55 W/m2. L'habillement correspond, du point de vue thermique, à une résistance à la perte de chaleur corporelle. Un clo correspond à une tenue de ville (complet veston), soit à une résistance thermique de 0,155 m2K/W.

Figure 4 : Température opérative idéale en fonction de l'habillement et de l'activité (2). À la température optimale, le nombre d'insatisfaits est minimum (5 %). Les bandes hachurées donnent la tolérance sur cette température optimale, telle que le pourcentage d'insatisfaits ne dépasse pas 10 %.

On remarque qu'en tenue d'hiver (1 clo), une personne assise (1 met) demande, en moyenne, une température opérative de 23±2°C. Cette température tombe à 18±3°C si cette personne a une activité plus grande (2 met), qui corres­pond à une activité de ménage. Une température de 20°C dans les habitations et les bureaux est raisonnable en hiver, si on admet que les occupants adaptent leur habillement à leur activité : on ajoute un pull-over si on lit dans un fauteuil, et on tombe la veste pour repasser le linge ou passer l'aspirateur?
En tenue d'été (0,5 clo), la température optimale est de 26±1,5°C pour les personnes tranquilles, et 22±2°C pour une activité courante. Il est donc inutile de refroidir (climatiser) les bâtiments en dessous de 24°C en été, et il est même inconfortable de les refroidir à 20°C.

Amélioration par l'isolation thermique
Qu'est-ce que l'isolation thermique ?
La chaleur tend toujours à quitter les endroits les plus chauds pour aller vers les endroits froids. Il est impossible de contenir la chaleur dans un récipient, aussi étanche soit-il. On ne peut que freiner sa fuite en isolant thermiquement le récipient. Dans un bâtiment, les parois du récipient sont le sol (ou la dalle sur cave), les murs (avec les vitrages) et la toiture (ou la dalle des combles).
Tous ces éléments doivent être isolés aussi bien que possible et de manière aussi continue que possible (pas de trous ou de «ponts thermiques »). La déperdition de chaleur au travers d'un élément de l'enveloppe du bâtiment est proportionnelle à sa surface et à la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur. Le coefficient de proportionnalité, propre à l'élément de construction, est le coefficient de déperdition thermique, U (3). Il s'exprime en W/m2K (Watt par mètre carré et par degré). Un élément de 1 m2 ayant un coefficient U = 1 W/m2K perd un Watt pour chaque degré de différence de température entre ses faces. Sur une saison de chauffage, qui dure environ 200 jours avec une différence de température moyenne de 15 degrés, sa perte d'énergie sera de 72 kWh, soit l'équivalent de 7 litres de mazout. Des valeurs U courantes sont données dans le tableau 2.

Tableau 2 : Coefficients de transmission thermique typiques dans le bâtiment
Élément de construction U [W/m2K]
Mur ancien (par exemple, mur en «briques isolantes ») 0,8 à 1
Mur ou toit isolé selon les normes modernes 0,2 à 0,4
Limite maximum pour les murs, selon SIA 180 0,6
Niveau approximatif de rentabilité énergétique optimale 0,04
Niveau approximatif de rentabilité économique optimale 0,2
Bon vitrage moderne (type «confort ») 0,6 à 1,6
Vitrage isolant double standard 3
Vitrage simple 6


L'isolation thermique est obtenue en général en intercalant une couche de matériau fibreux ou de mousse dont le rôle est d'immobiliser une couche d'air. C'est cette couche d'air qui est en fait l'isolant thermique. Elle améliore généralement aussi l'isolation phonique et le confort d'été et d'hiver, car le climat intérieur dépend moins des conditions extérieures, et les températures des surfaces intérieures sont proches de celle de l'air intérieur. Le coefficient de transmission thermique des murs anciens en maçonnerie de pierres assemblées au mortier de chaux ne semble pas très favorable à première vue, surtout si on le calcule comme un mur de pierre massif. Il faut savoir que ces murs contiennent de nombreux vides, notamment parce que le mortier est très poreux, et sont de ce fait souvent plus isolants qu'on pourrait le croire. D'autre part, ces murs sont très massifs, et permettent une utilisation optimale des gains internes et du rayonnement solaire entrant par les fenêtres. En cas de rénovation, il est donc déconseillé de les isoler à l'intérieur (4), même si une isolation extérieure n'est pas possible pour des raisons d'esthétique.

Effets sur le confort
Nous avons vu que la sensation de confort thermique est liée aussi bien à la température de l'air qu'à la température des surfaces avoisinantes. Or, en hiver, la température de la surface intérieure d'une paroi extérieure sera d'autant plus élevée qu'elle sera mieux isolée. Chacun connaît la sensation désagréable de froid que l'on ressent près d'une paroi ou d'un vitrage mal isolé. L'épaisseur d'isolant minimale nécessaire pour faire disparaître cet effet près des parois opaques est de 8 à 10 cm. Les vitrages actuels ne sont généralement pas aussi bien isolés que les parois opaques, mais on trouve sur le marché des vitrages trois, voire quatre fois plus isolants que le vitrage double ordinaire. Le confort près de ces vitrages est sans commune mesure avec celui que l'on ressent près d'un vitrage ordinaire.

Effet sur la consommation
L'isolation thermique des bâtiments s'est nettement améliorée depuis 1980, suite notamment à la publication de diverses normes. Le tableau 3 montre les déperditions thermiques et les gains solaires, pendant la saison de chauffage, d'une paroi de 15 m2, munie d'un vitrage de 7 m2 et placée en façade sud dans la région lausannoise. Ce tableau montre, dans chaque colonne:
L'effet de l'isolation seule se remarque en colonne 5, qui donne les déperditions thermiques brutes pendant la saison de chauffage. Elles ne baissent que d'un facteur 1,7 entre les anciens bâtiments et les exigences de la norme SIA 180 : 2000, qui ne vise qu'à éviter les dégâts et à apporter un confort acceptable. Les exigences de la norme SIA 380/1:2001 diminuent les déperditions d'un facteur 2,5 et une isolation économiquement optimale permet de les diminuer d'un facteur 6 au moins !

Isolation optimale
La question de l'épaisseur optimale est souvent posée : jusqu'où doit-on isoler ? N'y a-t-il pas une épaisseur au-delà de laquelle l'énergie consommée pour produire le matériau isolant dépasse l'économie de chauffage ?
La figure 5 montre le coût d'une isolation et du chauffage en fonction de l'épaisseur d'isolant. Le coût annuel (intérêt et amortissement) de l'isolant augmente avec son épaisseur, alors que le coût annuel du chauffage diminue en proportion inverse. La consommation d'énergie totale, qui est la somme des deux, présente un optimum qui dépend du type de matériau, de son prix et du climat. La figure 5 vaut pour un isolant fibreux de densité moyenne dans le climat du Plateau suisse, le coût de l'énergie étant celui du mazout en 1996.

Figure 5 : Coût total sur 50 ans pour une isolation en laine minérale, en fonction de l'épaisseur. Le calcul ne tient pas compte des surcoûts éventuels nécessaires pour des raisons de statique ou autres, à partir de certaines épaisseurs.


Note importante: Les épaisseurs d'isolant optimales du point de vue économique sont comprises entre 10 et 20 cm, suivant les matériaux et le climat. Ces épaisseurs sont cinq fois plus grandes si on recherche l'optimum énergétique. Par exemple, il faut dépasser 1 mètre d'épaisseur de laine de verre pour que la consommation d'énergie pour la fabrication de cette laine dépasse les économies dues à l'isolation. Il faut reconnaître que les habitudes actuelles en matière d'isolation thermique sont encore loin de l'optimum, même si elles se sont nettement améliorées depuis 1960.

Pour une meilleure aération
Pourquoi aérer ?
Le but de l'aération est d'assurer un environnement intérieur confortable, maintenant les occupants en bonne santé. Un air sans cesse renouvelé à l'intérieur des bâtiments est nécessaire avant tout pour éliminer les divers polluants générés dans le bâtiment et qui rendent l'atmosphère malodorante et toxique. En l'absence d'aération, l'oxygène est la dernière chose qui manque. Les occupants seront incommodés en premier lieu par une concentration trop élevée en contaminants divers (figure 6).

Figure 6:  Débit d'air requis pour évacuer les divers contaminants produits par une personne assise ayant une activité de bureau.


Ces nuisances sont essentiellement générées par l'activité des occupants. Elles sont notamment : En principe, le bâtiment (les matériaux de construction et les installations techniques) ne devrait pas être source de nuisances. Ce n'est malheureusement pas toujours le cas.

Comment aérer ?
Une aération optimale, assurant une bonne qualité de l'air intérieur tout en consommant un minimum d'énergie nécessite :
Gestion des sources
À concentration limite fixée pour un polluant donné, le débit d'air nécessaire est directement proportionnel à l'intensité de la source de polluant. Pour éviter de gaspiller de l'énergie pour le conditionnement et le transport de l'air, il convient de réduire le débit des sources de polluants au minimum. En principe, les seules sources de contaminants inévitables sont les occupants. Le bâtiment est construit pour eux, et il n'est pas moral de les éliminer. Par contre, toute autre source de contaminant doit être évitée dans la mesure du possible. En particulier, il faut proscrire tout matériau qui dégage des polluants (odeurs, solvants, gaz, etc.). Des produits de nettoyage, certaines moquettes ou certains mastics émettent des odeurs désagréables ; diverses peintures et colles contiennent des solvants volatils toxiques ; etc. De grands progrès ont été faits dans ce domaine, et il existe actuellement sur le marché des produits propres, inodores et non toxiques.
S'il n'est pas possible d'éviter le dégagement de gaz ou de vapeurs nuisibles, il faut d'une part circonscrire ces sources dans des zones où elles gênent le moins possible (cabines de peinture, zones fumeurs et non-fumeurs, etc.), et d'autre part les éliminer aussi près de la source que possible (hotte de cuisine par exemple) et aussi vite que possible après leur dégagement (aérer fortement après les repas, au lever, après le dernier cigare, etc.).
En résumé :
Contrôle des débits d'air
Le débit de ventilation doit être suffisant pour assurer la qualité de l'air, mais réduit au minimum pour éviter le gaspillage d'énergie. Il doit donc être contrôlé en fonction de la demande.
Ce contrôle peut être manuel, par l'ouverture des fenêtres et des grilles de ventilation ou par l'enclenchement d'un ventilateur (hotte de cuisine par exemple). Il peut être piloté par une horloge, dans les cas où la demande a un horaire fixe connu (par exemple dans les bureaux). Il peut enfin être contrôlé par des capteurs de polluants, qui règlent le débit de manière à maintenir la concentration de ce polluant au-dessous d'une valeur de consigne.

Gestion des fuites
La Palisse aurait pu dire que, pour contrôler les débits d'air, il faut éviter que l'air n'entre ou ne sorte par des fissures ou autres défauts d'étanchéité incontrôlés. Le débit d'air doit être contrôlé par des ouvertures aménagées exprès dans l'enveloppe (grilles de ventilation, fenêtres, impostes, etc.) ou par un système de ventilation (canaux, ventilateurs, etc.). En dehors de ces ouvertures, l'enveloppe du bâtiment doit être raisonnablement étanche. Ce principe est repris dans le projet de norme SIA 180, en révision en 1997, et qui donne des valeurs limites maximales pour la perméabilité à l'air des enveloppes des bâtiments.

Effet d'un contrôle de l'aération sur la consommation
Des mesures effectuées dans le cadre d'un programme de recherches européen (5) ont montré que la plupart des immeubles de bureaux européens sont sur-ventilés. En amenant tous les bâtiments mesurés à un débit de ventilation correct, une économie de 20 % sur la consommation d'énergie pour la ventilation aurait pu être réalisée, sans porter préjudice à la qualité de l'air (6).
Ce résultat ne peut certes pas être extrapolé à tous les types de bâtiments, mais il apparaît de plus en plus que des économies non négligeables peuvent être faites dans cette direction.

Possibilités d'amélioration
Une économie importante peut être réalisée par la récupération de chaleur. Il est en effet possible de récupérer tout ou partie de la chaleur contenue dans l'air vicié pour la redonner au bâtiment d'une manière ou d'une autre. Plusieurs stratégies sont possibles :
  1. Dans les installations de ventilation mécanique à double flux, installer un échangeur de chaleur entre l'air vicié et l'air frais. Ce type d'installation est maintenant standard et permet des rendements de récupération dépassant 60 % si le bâtiment est étanche et l'installation bien conçue
  2. Dans les installations mécaniques à extraction seulement, extraire la chaleur dans l'air vicié à l'aide d'une pompe à chaleur, et céder cette chaleur au chauffe-eau ou au circuit de chauffage.
  3. Préchauffer l'air frais en le faisant passer dans des conduites enterrées (puits canadiens). Cette technique a notamment été appliquée aux immeubles solaires de Plan-les-Ouates (GE).
  4. Préchauffer l'air frais en le faisant passer le long ou au travers des parois du bâtiment. L'air frais se préchauffe par les déperditions des parois. Ce dispositif, appelé « isolation pariéto-dynamique », a été appliqué à plusieurs bâtiments en France.
  5. Évacuer l'air vicié le long ou au travers des parois du bâtiment ou dans des doubles vitrages. La chaleur de l'air compense, voire annule ainsi les déperditions par transmission des parois. Un prototype de façade de ce type a été testé au LESO.


Refroidissement passif
Principe du refroidissement passif
Le refroidissement passif consiste à mettre à profit tout phénomène abaissant la température intérieure et ne consommant pas d'énergie. Il permet d'assurer sous nos climats, un excellent confort estival tout en évitant l'installation de coûteux systèmes de conditionnement d'air. En premier lieu, on cherche à réduire les gains de chaleur solaires et internes, en installant des protections solaires efficaces et en évitant d'utiliser des appareils à faible rendement.
Dans la mesure où le climat le permet, on évacue l'excédent de chaleur en ventilant fortement. Cette technique d'usage général est applicable dans tout type de bâtiment (lourd ou léger), mais ne fonctionne que lorsque la température extérieure est plus basse que la température de confort. Si ce n'est pas le cas, on peut appliquer le refroidissement passif par ventilation nocturne. Celui-ci consiste à refroidir la structure du bâtiment à l'aide de la ventilation naturelle, de manière à permettre à cette structure d'accumuler la chaleur générée dans le bâtiment pendant la journée. Il comprend donc deux périodes: la période de refroidissement et la période de protection.
Période de refroidissement : Tant que la température extérieure est inférieure à la température intérieure (en général pendant la nuit), des ouvertures sont pratiquées dans le bâtiment de manière à permettre à l'air chauffé par la structure du bâtiment de s'échapper, et à l'air frais extérieur de s'infiltrer. Le bâtiment est ainsi aéré et refroidi pendant cette période.
Période de protection : Tant que la température de l'air extérieur est plus élevée que celle de l'air intérieur, la ventilation est réduite au minimum nécessaire pour assurer une bonne qualité de l'air. Les gains de chaleur résiduels chauffent le bâtiment mais, la structure étant froide et massive, ce réchauffage est relativement lent. Dans de bonnes conditions, on évite de dépasser les limites d'un bon confort thermique.
Le refroidissement passif par ventilation nocturne permet généralement d'atteindre des températures plus basses ou d'éliminer plus de chaleur que la ventilation diurne (figure 8). Il n'est cependant applicable qu'aux bâtiments ayants une inertie thermique suffisante.

Figure 8:  Température dans deux bureaux identiques. L'un est aéré pendant la journée, l'autre pendant la nuit. L'abaissement de la température maximale dépasse 4 degrés ! La ligne fine est la température extérieure.


Règles de conception pour le refroidissement passif
L'utilisation de la ventilation pour abaisser la température intérieure et diminuer les besoins en réfrigération ne peut fonctionner que si certaines conditions sont satisfaites. Notons qu'il n'est pas toujours possible de les satisfaire pour des bâtiments existants qui n'ont pas été conçus pour cela. Ces conditions sont données ci-dessous.

Figure 9:   Les protections solaires efficaces sont à l'extérieur du bâtiment. Le rayonnement solaire inévitablement absorbé par le dispositif de protection se transforme en chaleur. Si le dispositif et à l'intérieur, la chaleur y est aussi !


Conditions générales
  1. Les gains de chaleur doivent être limités de manière à éviter la surchauffe et à ne pas dépasser la quantité de chaleur qu'il sera possible d'évacuer pendant la période de refroidissement suivante. Ceci signifie:
    • la présence et l'utilisation adéquate de protections solaires efficaces, donc extérieures;
    • un équipement (machines, éclairage, etc.) à faible consommation d'énergie,
    • la généralisation de l'éclairage naturel, contrôlé par des dispositifs rejetant la lumière en excès à l'extérieur du bâtiment.
    Si les gains sont trop importants pour assurer le confort par la seule ventilation naturelle, il est possible d'assister celle-ci par un refroidissement artificiel.
  2. La température extérieure moyenne, sur 24 heures, ne doit pas être trop élevée.
  3. Le climat doit être tel que la déshumidification de l'air ne soit pas nécessaire.
  4. Pour le refroidissement par ventilation nocturne, l'amplitude des variations circadiennes (7) de la température de l'air extérieur doit être importante (minimum 5 degrés).
Ces conditions sont facilement remplies en Suisse, en tous cas au nord des Alpes.

Règles constructives pour l'inertie thermique.
  1. Pour des locaux occupés de jour, l'inertie thermique du local doit être grande. Elle est maximale si un matériau dense (béton, maçonnerie) d'au moins 10 cm d'épaisseur est apparent sur toutes les parois (plafond, plancher, murs). Des épaisseurs trop grandes (plus de 20 cm depuis la surface) sont par contre inutiles.
  2. Il faut limiter autant que possible les surfaces recouvertes de matériau isolant (faux plafonds, moquettes, lambrissages, tapisseries épaisses). Il convient toutefois de tenir compte des exigences acoustiques et esthétiques. Une solution de compromis consiste à laisser apparente une partie importante (au moins 50 %) de la structure massive.

Figure 10: configurations de ventilation naturelle
a) ventilation à deux ouvertures ; b) ventilation traversante ; c) ventilation à ouverture unique ; d) ventilation avec cheminée.

  1. Une isolation suffisante doit être placée à l'extérieur. Il importe en effet que la masse intérieure de la paroi ne soit pas chauffée de l'extérieur. Ce critère est satisfait pour les murs doubles ou à isolation extérieure, si le coefficient de transmission thermique U est conforme aux exigences actuelles pour la protection thermique d'hiver.
  2. Pour des locaux qui ne sont occupés que la nuit, une faible inertie thermique peut être avantageuse, car elle permet un abaissement rapide de la température ambiante.
Il est avantageux de répartir la capacité de stockage sur toutes les surfaces de la structure. À contrario, il est erroné de concentrer cette masse sur un seul élément épais. Ce n'est donc pas la masse par mètre carré de plancher qui est déterminante, mais la masse par mètre carré de surface en contact avec l'air intérieur.

Règles constructives concernant la ventilation
Plusieurs configurations sont possibles pour la ventilation nocturne (figure 10). Les ouvertures de ventilation doivent être correctement dimensionnées et leur position doit être adaptée à la configuration prévue.
  1. Le haut des ouvertures assurant la ventilation dans chaque local doit se situer le plus haut possible. En effet, pour un transfert de chaleur maximal avec les parois, la surface d'échange convective doit être la plus grande possible (figure 11).
  2. Les ouvertures doivent être orientées autant que possible de façon que les entrées d'air soient exposées au vent dominant en période de refroidissement et que les sorties d'air se trouvent sous le vent.

Figure. 11: au-dessus du haut de l'ouverture, l'air chaud piégé est à la température des parois et aucun échange convectif ne peut avoir lieu.

  1. Si le volume à ventiler est d'une faible hauteur, il faut favoriser la ventilation naturelle traversante. Si ceci n'est pas possible, les ouvertures doivent comprendre deux éléments semblables séparés par une distance verticale maximale.
  2. Pour un bâtiment à plusieurs niveaux, les sorties d'air doivent être beaucoup plus grandes que les entrées et se situer le plus haut possible dans le bâtiment. Il faut en effet éviter que l'air préchauffé par le bas du bâtiment sorte par les locaux habités supérieurs. Le rapport entre la surface des ouvertures d'entrée et de sortie doit être calculé pour avoir un niveau neutre au-dessus du dernier niveau ventilé.
  3. Une surélévation du bâtiment facilite la construction des grandes sorties d'air. S'il n'est pas possible de satisfaire cette condition, on peut ventiler le niveau supérieur indépendamment, ou l'équiper d'un ventilateur d'extraction (figure 12).
  4. Si la ventilation mécanique est utilisée pour le refroidissement passif, le ventilateur doit fonctionner de préférence en extraction pour éviter d'échauffer l'air.
  5. Il n'est pas possible d'utiliser une installation de ventilation mécanique à double flux à haute pression pour le refroidissement passif.


Figure. 12:  moyens disponibles pour refroidir les derniers étages. Voir aussi Figure 10, d.
a) Grande ouverture haute. b) Ventilation autonome du dernier étage. c) Ventilateur d'appoint.

Règles de sécurité
  1. Prévoir des protections contre les tempêtes, laissant passer l'air sans laisser entrer la pluie.
  2. Il est pratiquement impossible d'éviter la pénétration de bruit et de contaminants par les grandes ouvertures requises pour la ventilation naturelle. Si l'environnement est trop bruyant ou trop contaminé, examiner la possibilité de construire ailleurs ou d'utiliser la ventilation mécanique ou d'autres moyens de refroidissement, tels que structure refroidie ou panneaux radiants (par ex. plafonds froids).
  3. Diminuer les risques d'effraction en plaçant les ouvertures hors de portée et en multipliant de petites ouvertures. L'installation de stores à lamelles, de moustiquaires, de grilles et de systèmes d'alarme doit aussi être envisagée.
  4. Veiller à satisfaire les règles de protection incendie. Les exutoires de fumée peuvent être utilisés comme ouvertures de ventilation, mais doivent pouvoir être manoeuvrés depuis un endroit facilement accessible en cas d'incendie. L'air de refroidissement peut être transporté dans les couloirs et escaliers, mais ces flux d'air doivent être bloqués en cas d'incendie.


Règles de comportement
Les meilleures mesures constructives peuvent être inutiles sans un compor­tement approprié, qui ne peut être obtenu des occupants qu'au moyen d'une information claire et répétée. Deux points importants :
  1. Il est essentiel que les protections solaires soient utilisées.
  2. Un refroidissement efficace n'est atteint que si les ouvertures de ventilation sont fermées pendant la journée et ouvertes la nuit.

Notes
  1. La définition précise de l'IDE se trouve dans la norme SIA 180/4 Retour au texte
  2. ISO 7730 Ambiances thermiques modérées, -détermination du PMV et du PPD. Voir aussi la norme SIA 180. (SIA, Zürich). Retour au texte
  3. U est le nouveau symbole admis au niveau international pour ce coefficient. On l'appellait autrefois coefficient K. Retour au texte
  4. Une isolation intérieure augmente aussi les risques de condensation et de pourriture des têtes de poutres qui pourraient être encastrées dans de tels murs. Retour au texte
  5. Programme Joule 2, projet "Indoor Air Quality Audit". Retour au texte
  6. Roulet et al.: Ventilation performance and energy consumption in European office buildings. Proc. of Healthy Buildings '95 conference, p. 1299, Milan 1995. Retour au texte
  7. ou nycthémérales (jour / nuit). Retour au texte


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