(HPE) en Algérie
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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE RECHERCHE SCIENTIFIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUES D’ARCHITECTURE ET D’URBANISME EPAU epau LABORATOIRE ARCHITECTURE ET ENVIRONNEMENT LAE Mémoire de magister CONTRIBUTION METHODOLOGIQUE A LA CONCEPTION DES LOGEMENTS A HAUTE PERFORMANCE ENERGETIQUE (HPE) EN ALGERIE Développement d’une approche de conception dans les zones arides et semi-arides Présenté par : Mr. SEMAHI Samir Devant le jury composé de : Président du jury : Pr. KEHILA Youcef, Professeur, EPAU, Alger. Examinateur : Pr. ABED Mohamed, Professeur, Université Saad DAHLAB, Blida. Examinateur : Dr. BOUSSOUALIM Aicha, Docteur, Maitre de conférences, EPAU, Alger. Rapporteur : Dr. DJEBRI Boualem, Docteur, Maître de conférences, EPAU, Alger. Soutenu le : 16/06/2013 REMERCIEMENT Avant tout, je remercie Dieu de m’avoir donné la santé et le courage de terminer ce travail. Ensuite, Je tiens à remercier les personnes qui m’ont donné les moyens de mener ce travail jusqu’au bout : Mes remerciements vont plus particulièrement à mon rapporteur Dr. DJEBRI Boualem pour avoir guidé mon travail et ma réflexion avec intérêt, rigueur et disponibilité, Je tiens à remercier également les membres de jury pour le temps qu’ils ont consacré à l’évaluation de mon travail ainsi que pour les remarques constructives qu’ils ont pu me faire. Je remercie vivement les membres de Laboratoire Architecture et Environnement (LAE) et tous les enseignants de la post-graduation, qui ont assuré mon initiation à la recherche : Pr. KEHILA Y., Mme BOUSSOUALIM A., Mme CHABI-CHEMROUK N., Mme KACHER S., Pr. ZEROUALA M.S., Je voudrais adresser mes plus vifs remerciements à Mr BELAKEHAL (chef département d’architecture de l’université de Biskra), Mr CHENAK A., Mme M’SELLEM H., Mr BENABDELFATEH M. pour m’avoir aider à aboutir mon travail, pour leur gentillesse, et leur générosité. Je remercie tous le personnel du laboratoire LAE, de la bibliothèque principale et de celle de post-graduation de l’EPAU. Enfin, ces remerciements ne sauraient être complets si n’y incluais ma famille pour leurs amour, l’aide morale et la motivation qu’ils m’ont apporté pour achever ce travail et mes proches pour leur soutien, leur confiance et leur encouragement tout au long de ces années de mémoire. Un énorme merci à vous tous. I A la mémoire de mon père, l’homme au courage exemplaire. II A ma chère mère, A mes chers frères, A mes chères sœurs, A toute ma famille, A ma future femme, A tous ceux qui me sont chères. Samir III مساهمة منهجية في تصميم مبان سكنية ذات فعالية طاقوية عالية في الجزائر اعداد مقاربة للتصميم المعماري في المناطق الجافة وشبه الجافة ملخص: يعتبر القطاع السكني في الجزائر المسؤول عن استهالك %53من الطاقة النهائية .وأفاق تنمية الحضيرة السكنية سيؤدي إلى زيادة هائلة في الطاقة المستهلكة .في ظل هذا الواقع يعتبر تصميم وبناء المباني السكنية ذات الفعالية الطاقوية ضرورة لترشيد استهالك الطاقة في هذا القطاع يهدف هذا العمل إلى اعداد مقاربة تساعد المهندسين المعماريين في تصميم مبان ذات فعالية طاقوية ورفاهية حرارية. لهذا نضع أوال المبنى ذو الفعالية الطاقوية في واقعه البيئي والطاقوي الحالي .وذلك من خالل إجراء حصيلة الستهالك الطاقة عالميا وجزائريا .وكذا نعرج على تحديد وفهم مختلف المفاهيم الرئيسية المتعلقة بالبنايات السكنية ذات الفعالية الطاقوية. في المرحلة الثانية نتناول التصميم المعماري لهذا النوع من المباني ،حيث نقوم بدمج مفهوم الفعالية الطاقوية ضمن مراحل التصميم. وأخيرا ،تكون المعارف المختلفة قد حددت والفعالية الطاقوية قد أدمجت ضمن أطوار التصميم المعماري ،نقوم حينها بإعداد مقاربة للتصميم المعماري (الخاص بالبنايات السكنية ذات الفعالية الطاقوية) ،والتي ترافق المهندس خالل أعماله التصميمية. الكلمات المفتاحية :بناية ذات فعالية طاقوية ،فعالية طاقوية ،رفاهية حرارية ،مراحل التصميم المعماري ،مقاربة للتصميم. IV CONTRIBUTION METHODOLOGIQUE A LA CONCEPTION DES LOGEMENTS A HAUTE PERFORMANCE ENERGETIQUE (HPE) EN ALGERIE Développement d’une approche de conception dans les zones arides et semi-arides Résumé : Le secteur résidentiel est à l’origine de 35% de la consommation d’énergie finale en Algérie. Les perspectives de développement du parc de logements conduiront à un accroissement exponentiel de cette consommation énergétique. Dans ce contexte, la conception et la réalisation de logements énergétiquement efficace s’impose comme une nécessité à la maîtrise des consommations énergétiques de ce secteur. Ce travail vise à développer une approche dont l’objectif est d’assister les architectes dans la conception architecturale des bâtiments performants en terme énergétique et confortable sur le plan thermique. Nous situons en premier, le bâtiment à haute performance énergétique (HPE) dans son contexte environnemental et énergétique, via à un bilan sur la consommation mondiale et algérienne. Ainsi, Nous passons par la caractérisation et la compréhension des différents concepts et notions-clés liées aux bâtiments de logements à haute performance énergétique. Puis dans un second temps, nous aborderons la conception architecturale de ce type de bâtiments tout en intégrant la notion de l’efficacité énergétique dans ses processus. Enfin, une fois les différentes connaissances sont déterminées, et la performance énergétique est intégré dans les processus de conception architecturale, nous développons une approche de conception architecturale des logements à haute performance énergétique (HPE) qui assiste l’architecte durant ces activités de conception. Mots-clés : Bâtiment à haute performance énergétique, efficacité énergétique, confort thermique, processus de conception architecturale, approche de conception. V METHODOLOGICAL CONTRIBUTION TO THE DESIGN HIGH ENERGY PERFORMANCE RESIDENCES (HEP) IN ALGERIA Development of an approach of design in the arid and semiarid zones Summary: The residential sector is responsible for 35% of the final energy consumption in Algeria. Development prospects of housing will lead to an exponential increase in energy’s consumption. In this context, the design and construction of energy efficient housing is a necessity to control energy consumption in this sector. This work aims to develop an approach whose objective is to help and assist architects in the architectural design of the efficient buildings in terms of energy and comfortable on the thermal level. We place first, high performance energy building (HEP) in its environmental and energy context, via a schedule on world and Algerian consumption. Thus, we pass by the characterization and understanding of the concepts and key concepts related to residential buildings with high energy performance. Then in a second step, we address the architectural design of this type of building, while incorporating the concept of energy efficiency in its process. Finally, once the different knowledge are determined and the energy efficiency is integrated into the architectural design process, we develop an approach of architectural design of energyefficient housing (HPE), which assists the architect during these activities of design. Keywords: Buildings with high-energy performance, energy efficiency, thermal comfort, architectural design process, approach of building designs. VI TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERS TABLE DES MATIERES INTRODUCTION GENERALE:.……….…………………………………….………..01 LA PREMIERE PARTIE CONSOMMATION ENERGETIQUE ET BATIMENT HPE CHAPITRE I : LA CONSOMMATION ENERGETIQUE CONTEXTE ET ENJEUX : ….……….10 I-1. Introduction :……………………………………..…………..….……..….………………..10 I-2. La consommation énergétique au monde : ..........................................................................11 I-2.1. Contexte : ............................................................................................................................................. 11 I-2.1.1. La consommation énergétique : .................................................................................................. 11 I-2.1.2. Le réchauffement climatique : .................................................................................................... 14 I-2.2. Enjeux .................................................................................................................................................... 16 I-2.2.1. Le sommet de la terre à Rio : ..................................................................................................... 16 I-2.2.2. Le protocole de Kyoto ..........................................................................................................................16 I-2.2.3. Le sommet de Copenhague ........................................................................................................ 17 I-3. La consommation énergétique en Algérie : .........................................................................17 I-3.1. La consommation énergétique par type d'énergie : .......................................................................... 19 I-3.1.1. Produit pétrolières : ....................................................................................................................... 19 I-3.1.2. Gaz naturel :................................................................................................................................... 19 I-3.1.3. Electricité : .................................................................................................................................... 19 I-3.2. La consommation énergétique par secteur : .......................................................................................19 I-3.2.1. Le secteur industriel : ..................................................................................................................... 20 I-3.2.2. Le secteur de transport : ................................................................................................................ 20 I-3.2.3. Le secteur ménages et autres : ....................................................................................................... 20 I-3.3. La stratégie nationale de la maitrise d'énergie : ..................................................................................21 I-3.3.1. L'Agence nationale pour la Promotion et la Rationalisation de l'Utilisation de l'Energie (APRUE) : ................................................................................................................................................... 21 I-3.3.2. La Comité Sectoriel de la Maitrise de l'énergie (CIME) : .......................................................... 21 I-3.3.3. Le Fond National de Maitrise de l'énergie (FNME) :.................................................................. 21 I-3.3.4. Le Programme Nationale de Maitrise de l'Energie (PNME) : .................................................... 21 I-4. Conclusion : ………………………………………………………..………….…..………..24 CHAPITRE II : BATIMENT A HAUTE PERFORMANCE ENERGETIQUE (HPE) :………...……25 II-1.Introduction :………………………….…………...……………………………...……......25 II-2.Evolution des bâtiments performants :…………………………..…….…………………26 II-3. Les principaux réglementations et labels : .........................................................................27 VII TABLE DES MATIERS II-3.1. Les règlementations thermiques :........................................................................................................27 II-3.1.1. La réglementation thermique française : ...................................................................................27 II-3.1.2. La réglementation algérienne : ...................................................................................................28 II-3.2. Les labels de performance énergétique : ............................................................................................29 II-3.2.1. PASSIVHAUSS (Allemagne) :..................................................................................................29 Il-3.2.2. MIN ERGIE® (Suisse) : ............................................................................................................ 30 II-3.2.3. ZERO ENERGY BUILDING (USA):...................................................................................... 32 II-3.2.4. Les labels français : ...................................................................................................................... 33 II-3.2.5. Des labels globaux (plus larges) : "............................................................................................. 35 II-4.Les bâtiments performants : ................................................................................................36 II-4.1. Le bâtiment basse consommation (BBC) : .......................................................................................36 II-4.2. Le bâtiment passif : ..............................................................................................................................37 Il-4.3. Le bâtiment zéro énergie : ...................................................................................................................39 II-4.4. Le bâtiment à énergie positive (BEPOS) : .........................................................................................40 Il-4.5. Les bâtiments bioclimatiques :.........................................................................................................41 II-5.Conclusion :………...………………………………………………...……………………..43 CONCLUSION DE LA PREMIERE PARTIE :..…………………….....………………………….44 LA DEUXIEME PARTIE CONCEPTION ARCHITECTURALE ET PERFORMANCE ENERGETIQUE CHAPITRE III : LA CONCEPTION ARCHITECTURALE ET SES PROCESSUS :………...………45 III-1. Introduction: .......................................................................................................................45 III- 2. Le processus de projet architectural :..............................................................................46 III- 2.1. Les étapes de processus de projet architectural : ............................................................................46 III- 2.2. Enjeux énergétique dans le processus du projet:.............................................................................47 III- 3. La phase de la conception architecturale (étape décisive): ...........................................49 Ill- 3.1. La conception : ...................................................................................................................................49 Ill- 3.1.1. Généralité : .................................................................................................................................49 Ill- 3.1.2. La conception en architecture : ................................................................................................ 50 III- 3.2. Le processus de la conception architecturale : ................................................................................ 50 III- 3.2.1. Les Connaissances, les données, les exigences et les contraintes dans le processus de la conception architecturale : ......................................................................................................................... 51 III- 3.2.2. L'analyse et le diagnostic antérieur à la conception : ............................................................. 53 III- 3.2.3. Les différentes étapes du processus de la conception architecturale : ..................................54 III- 3.2.4. Etapes décisives du processus de conception architecturale : (et leurs impact sur la performance du bâtiment) : ........................................................................................................................ 55 VIII TABLE DES MATIERS III-4. Les outils d'aide à la conception : ......................................................................................57 III- 4.1. Les Outils d'aide à la conception : ....................................................................................................57 III- 4.2. Les Outils d'aide à la décision : .........................................................................................................58 III- 5. Conclusion : ........................................................................................................................62 CHAPITRE IV : METHODES ET OUTILS D'AIDE A LA CONCEPTION BIOCLIMATIQUE (ENERGETIQUE) :…………………………………………………………………………………..63 IV-1. Introduction:………………...………………………………………………………...…..63 IV- 2. Les outils d'aide à la conception bioclimatique :…...…………….…………………….64 IV- 2.1. Aperçu historique : ……………………………………..………………………………….64 IV- 2.2. Diagrammes bioclimatiques : ……………………………………..………………..………65 IV- 2.2.1. Diagramme bioclimatique d'Olgyay:……………………...…………...……………….65 IV- 2.2.2. Le diagramme bioclimatique de Givoni : ………………………………...………….....66 IV- 2.2.3. Le diagramme bioclimatique de Szokolay : ………………………...……………….....68 IV- 2.2.4. Le diagramme de triangles de confort d'Evans :………………...………………..……..69 IV- 2.2.5. Commentaires sur les diagrammes bioclimatiques : ……………………...…...………..70 IV- 2.3. Autres outils : …………………………………………………...……………...…………..71 IV- 2.3.1. Les tables de Mahoney : ……………………………………...……………...………...72 IV- 2.3.2. La méthode « Forward Analysis » de Koenigsberger et al. :...…………….……………74 IV- 3. Stratégies et système bioclimatique : …………………………………………..……….74 IV- 3.1. Phénomènes de base : …………………………………..………………………………….74 IV- 3.1.1. La conduction : ……………………………...………………………………...………75 IV- 3.1.2. La convection : ……………………………………………………..…………………75 IV- 3.1.3. Le rayonnement : ……………………………………...………………………………75 IV- 3.2. Stratégies du chaud (confort d'hiver) : …………………………………….………………..76 IV- 3.2.1. Gains directs : …………………………………………………………..……………..77 IV- 3.2.2. Gains indirects: …………………………………………………………..……………78 IV- 3.3. Stratégie du froid (confort d'été) : …………………………………………………………..80 IV- 3.3.1. Le refroidissement par ventilation naturelle : ………………………………….……….81 IV- 3.3.2. Le refroidissement par évaporation : …………………………………….…………….82 IV- 3.3.3. Le refroidissement par radiation : ………………………………….……...…………...83 IV- 3.3.4. Le refroidissement par l'inertie thermique du sol :…………………………….………..83 IV- 4. Conclusion : ………………………………………..……………………....…………….84 CONCLUSION DE LA DEUXIEME PARTIE……………………………...……………...………85 IX TABLE DES MATIERS LA TROISIEME PARTIE LA CONCEPTION DES LOGEMENTS HPE DANS LES ZONES ARIDES ET SEMIARIDES EN ALGERIE CHAPITRE V : CLIMAT, CONFORT ET ANALYSE BIOCLIMATIQUE :………………………..88 V - 1 . .Introduction : ………………………………………………………………………………...…88 V - 2 . Climat et données climatiques :…………………………………………………………….……89 V-2.1. Caractéristiques climatiques des zones arides et semi-arides : …………………………...………..89 V-2.1.1. Le climat Aride : ……………………………………………………………………...…..89 V-2.1.2. Le climat semi-aride :……………………………………………………………….……..89 V-2.2. Le Climat en Algérie :…………………………………………………………………………..90 V-2.2.1. Données géographiques : …………………………………………………………………90 V-2.2.2. Les zones climatiques en Algérie : ……………………………………………...……….....91 V-2.3. Le climat de la région de Bechar :……………………………………………………...….……..93 V-2.3.1. Situation :………………………………………………………………………...……….93 V-2.3.2. Données climatiques :……………………………………………………………..………94 V-2.3.3. Interprétation des données climatiques :…………………………………………….……...94 V-2.3.4. Classification du climat de Bechar : ……………………………………………………….98 V - 3 . Analyse bioclimatique et confort :………………………………………………………...……..99 V-3.1. Le confort thermique dans le bâtiment :……………………………………………………...…..99 V-3.1.1. Le confort thermique :…………………………………………………………..……....…99 V-3.1.2. Les conditions environnementales de confort thermique :…………………………........….100 V-3.2. L'analyse bioclimatique de la région de Bechar : …………………………………………….....106 V-3.2.1. Application du diagramme psychométrique (Szokolay) :……………………………..…...106 V-3.2.2. Application du diagramme de triangles de confort d'Evans :…………………………...….108 V-3.2.3. Application des tables de Mahoney :……………………………………………………...109 V - 4 . Conclusion :..……..…………………………………………………………………………….110 CHAPITRE VI : DEVELOPPEMENT D'UNE APPROCHE DE CONCEPTION DES LOGEMENTS HPE :………………………………………………………………………….……………….……111 V I - 1 . Introduction : ……………………………………………...…………………………………111 V I - 2 . Les bases et les attendus de l’approche proposée : …………………..…….…………..….…..112 VI-2.1. Les caractéristiques de base :………………………………………………………………….112 VI-2.1.1. Le fondement sur une analyse bioclimatique correcte : …………………………...………112 X TABLE DES MATIERS VI-2.1.2. L'accessibilité aux concepteurs :………………………...……...……………...………….112 VI-2.1.3. L'assistance efficace de l'architecte dès l'esquisse :………………………………...……....113 VI-2.1.4. Le fondement sur les règles expertes :………………………………………...……….…115 VI-2.1.5. La quantification des solutions :…………………...………………………………..……117 VI-2.2. La forme de document de travail de l’approche proposée :……………………………………..117 V I - 3 . Stratégies conceptuelles, dispositifs architecturaux et recommandations:……...……….…....118 VI-3.1. Implantation et orientation : …………………………………………………………….…….118 VI-3.1.1. Orientation des voies : ……………………………………………...……………….…..118 VI-3-1.2. Orientation des bâtiments : …………………………………………………...……...…..119 VI-3.1.3. Synthèse : ……………………………………………...……………………………….119 VI-3.2. Forme, plan et organisation intérieur : …………………………………………………....……121 VI-3.2.1. Forme : ……………………………………………………………………...……...…..121 VI-3.2.2. Plan et aménagement intérieur : ………………………………………………...……….123 VI-3.3. Ouvertures (taille et position) et protection solaire : …………………………………….……...125 VI-3.3.1. Ouvertures : …………………………………………………………………...………..125 VI-3.3.2. Protection solaire ……………………………………...………………………….……..126 VI-3.4. Matériaux et enveloppe thermique : …………………………….………………………...…...129 VI-3.4.1. La masse thermique: ……………………………………………………...………...…...129 VI-3.4.2. Choix du matériaux et positionnement de la masse thermique : ……………………...……130 V I - 4 . Conclusion :……………………………………..…………………………………...……….135 CONCLUSION GENERALE: .……………...…….…………………………………..136 BIBLIOGRAPHIE.................................................................................................................................. ....... 139 LISTE DES FIGURES............................................................................................................................... .... 146 LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................................ 150 ANNEXES…………………………………………………………………………………………………… Annexe-I : Les chiffres de la consommation énergétique. Annexe-II : Lois et décrets législatifs. Annexe-III : Les modèles du processus de la conception. Annexe-IV : Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques. Annexe-V : La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et performance énergétique exigées (sectio3 du cahier des charges fourni par le ministère de l’habitat et de l'urbanisme). Annexe-VI : Dispositifs architecturaux / techniques et ses propriétés. XI INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE : Elle consiste à présenter l’objet de notre recherche, le contexte dans lequel il s’inscrit et son intérêt. Ainsi, elle comporte nos questionnements qui guident notre réflexion. Elle définit, également, les limites et les objectifs auxquels nous tenterons à atteindre, toute en expliquant La démarche scientifique retenue. INTRODUCTION GENERALE Introduction Générale Le contexte énergétique et environnemental au monde de ce début de XXIe siècle est marqué par : un déséquilibre entre une production énergétique dépendante des sources épuisables et une consommation en forte évolution. Ainsi, les activités humaines exploitent ces ressources, en conséquence, elles rejettent les résidus de leurs productions sous forme des déchets dans l’atmosphère. Ces déchets induits des impacts conséquent à toutes les échelles (locale, régionale, globale). Parmi les déchets générés, les émissions de gaz à effet de serre qui sont considérées la cause principale de l’augmentation de l’effet de serre qui résulte le réchauffement climatique de la planète. La prise de conscience internationale de ce risque est marquée par le sommet de la terre à Rio en 1992 pour objectif de stabiliser la concentration de gaz à effet de serre dans l’atmosphère à un niveau qui empêche toute perturbation dangereuse du système climatique. Ce sommet a été suivi par des autres : le sommet de Berlin (1995), Genève (1996), jusqu’à le protocole de Kyoto en 1997 qui traduisit en engagement quantitatifs juridiquement contraignants cette volonté de stabilisation. Après, et pour le même objectif, il y avait les réunions internationales : Buenos Aires (1998), la Haye (2000), Montréal (suivi du protocole de Kyoto en 2005) et Le sommet de Copenhague(2009). Les raisons de réaliser des économies d’énergie1 sont nombreuses. A l’échelle collective, cela répond au besoin de protéger l’environnement, touché à la fois par les effets de la consommation énergétique (résultant les émissions de CO2), et l’exploitation des ressources non renouvelables d’énergie. A l’échelle individuelle, consommer moins d’énergie permet d’une part de coopérer à ces objectifs collectifs, et d’autre part de diminuer sa facture énergétique (ou se produire) dans un contexte où l’énergie coûte plus chère. Par ailleurs, l’explosion démographique (la population mondiale représente six milliards de personnes en l’an 2000 et atteindrait 7.6 milliards en 2020 et 8.4 milliards en 2035) [EIA, 2011, p.171], avec la concentration de la population dans les aires urbaines, celle entrainent une urbanisation rapide. « Cette dernière représente un des facteurs aggravants de ce dérèglement climatique. Jusqu’à 80 % de l'énergie mondiale est consommée dans les villes et a pour conséquence des quantités importantes d'émissions de gaz à effet de serre. L’industrie du bâtiment représente 50% de la consommation totale d’énergie, que ce soit lors de la construction, de la maintenance ou de l’exploitation des bâtiments (chauffage, rafraîchissement, éclairage etc.) » [HANNACHI-BELKADI N-K. 2008, p.01]. En effet, Le secteur du bâtiment est le plus grand consommateur d’énergie primaire 2 parmi tous les secteurs économique, il représente 45% des consommations d’énergie à 1 Economiser l'énergie c'est obtenir le même confort en utilisant moins d'énergie, c'est également rejeter moins de polluants dans l'atmosphère (selon Alain Liébard et André de Harde.2005). 2 L’énergie primaire est la première forme de l’énergie directement disponible dans la nature : bois, charbon, gaz naturel, pétrole, vent, rayonnement solaire, énergie hydraulique, géothermique… 1 INTRODUCTION GENERALE lui seul, 25% des émissions de CO2 et 19% des émissions de gaz à effet de serre (chauffage urbain et électricité compris) [HELAS-OTHENIN N. et al. 2006-2007, p.6]. Cette situation exprime que Le domaine du bâtiment présente un véritable potentiel d’amélioration à la fois dans le domaine énergétique et environnemental (constitue un gisement d’économie d’énergie important). Donc, pour éviter de s’exposer aux différents problèmes (accès aux ressources, émissions de gaz à effet de serre, changement climatique), on doit mener Une réflexion à propos de l’évolution de la situation énergétique du secteur du bâtiment qui doit se préparer à modifier son rapport aux consommations énergétiques. De ce fait, La diminution de la consommation énergétique des bâtiments et la création des ambiances thermiques et lumineuses de très grande qualité en toutes saisons constituent des enjeux majeurs et stimulent plusieurs projets de recherches et d’investigations. L’objectif central de ces recherches [HANNACHI-BELKADI N-K. 2008, p.01] consiste à concevoir, construire et gérer des bâtiments performants de point de vue confort thermique et efficacité énergétique. Celui-ci nécessite « une réflexion sur le jeu des acteurs3 participant au processus4 de projet ainsi que sur les usagers et usages faits de ces bâtiments afin de réduire l’empreinte écologique des opérations » [FERNANDEZ P., LAVIGNE P., 2009, p.22]. Concernant la conception5 de ces bâtiments, l’objectif de performance repose sur une conception bioclimatique, une optimisation des apports solaires, une organisation des espaces intérieurs, une isolation très renforcée et une performance des équipements. Ces paramètres dépendent de plusieurs facteurs tel que : le contexte climatique choisis, la performance énergétique visée et le niveau de confort exigé. Compte tenu de L'énorme variété des typologies architecturales, due aux plus diverses conditions environnementales, techniques constructives et aspects culturels existants, empêchent, néanmoins, le développement d'une méthode de conception de bâtiments performant utilisable universellement. Ainsi, La littérature étrangère (les pays développés), plus féconde, présente généralement des études pour des régions de climat tempéré, et les résultats obtenus ne sont pas toujours en accord avec les autres régions des autres climats (notamment avec notre réalité « aride et semi-aride»). Ces deux postulats nous amène à la réflexion sur le développement d’une méthode spécifique pour chaque contexte (environnementale et (climatique), technique et sociale). En ce qui concerne le contexte algérien, il connaît une crise aiguë en matière d’habitat dont le confort thermique a souvent été négligé par les concepteurs. En quatre décennies d’indépendance, le souci de construire rapidement et en grande quantité « Pour faire face à cette crise croissante du logement, on a dû trouver des solutions rapides et pas très coûteuses. Des modèles étrangers se sont généralisés sur tout le 3 Maitres d’ouvrages, maitres d’œuvres, BET, architectes, ingénieurs, entreprises,… Programmation, conception, réalisation, utilisation (gestion et maintenance). 5 La conception est considérée la phase la plus importante durant laquelle « le concepteur devra donc continuer à assurer l’abri et le confort de l’utilisateur mais devra également faire en sort que l’impact du bâtiment sur l’environnement soit minimisé ». (FERNANDEZ P., LAVIGNE P. 2009). 4 2 INTRODUCTION GENERALE territoire algérien. Inappropriée au contexte culturel, social et climatique du pays » [OULDHENIA A., 2003, p.58], cette expérience est continuée avec le programme quinquennal 2005-2009 qui prévoit un million de logements. Ce programme provoque aussi la question d’intégration climatique (où le même plan de masse a été répété à travers les cités algériennes) qui implique une consommation énergétique importante, due au recours aux équipements coûteux et gros consommateurs d’énergie pour pallier aux conditions d’inconfort que ces constructions engendraient. Cette consommation est apparue clairement au niveau du bilan énergétique national de l’année 2005. Il montre que [HAMOUD C., MALEK A. 2006, p.212] le secteur résidentiel et tertiaire consomme 52,3 % de la consommation finale, le secteur résidentiel et tertiaire a connu une augmentation de 6,4 % passant de 12,011 millions de TEP6 en 2004 à 12,776 millions de TEP en 2005. Cette énergie est utilisée pour différentes applications comme le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire, la climatisation, l’éclairage et tous les équipements utilisant de l’électricité. Pour cela, l’Algérie met en œuvre, dans le cadre du PNME7 2007-2011, un programme de réalisation de logements à haute performance énergétique (HPE), dénommé ECOBAT. Ce programme est concédé comme une opération pilote qui présente une opportunité de diffusion à l’échelle nationale des pratiques conceptuelles soucieuses en amont de la maîtrise des consommations d’énergie. dans ce sens une convention a été signée le 14 mai 2009 entre l’APRUE8 et 11 OPGI9, au siège du ministère de l’Habitat et de l’Urbanisme, cette convention définissant les conditions et les modalités d’intégration des mesures d’efficacité dans 600 logements pilotes répartis sur onze wilayas :Laghouat, Béchar, Blida, Tamanrasset, Alger (Hussein Dey), Djelfa, Sétif, Skikda, Mostaganem, Oran et El Oued. La réalisation de logements à haute performance énergétique permettra, selon le ministre de l’Habitat, de réduire la consommation d’énergie des ménages de près de 40%. Ce projet-pilote, a ajouté le ministre de tutelle, s’inscrit dans le cadre de la politique nationale de promotion et de développement de l’énergie et a donné lieu à la préparation d’un cahier des charges prenant en compte les caractéristiques énergétiques des constructions. De son côté, le ministre de l’Energie et des Mines, a indiqué que «le choix de ces wilayas tend à cibler l’ensemble des zones climatiques du pays afin de réaliser des variantes de logements bioclimatiques en fonction des conditions de chaque région». Le ministre a précisé que ce programme engageant les deux secteurs de l’Habitat et de l’Energie, à travers l’APRUE et les OPGI, «vise à encourager des stratégies conceptuelles passives d’économie d’énergie pour l’habitat». Ce programme permet «l’intégration de l’efficacité énergétique dans le secteur du bâtiment avec pour objectif d’améliorer le confort intérieur des logements, tout en utilisant moins d’énergie» [MHU, 2009, p.14]. Réellement, c’est un programme ambitieux qui vise l’amélioration de la qualité du logement collectif en Algérie sur le plan confort thermique et efficacité énergétique. Mais, l’appel d’offre relatif au programme ECO-BAT qui porte la réalisation de 600 logements à 6 TEP: unité énergétique (tonne équivalent pétrole). PNME : Programme National de Maîtrise de l’Energie. 8 APRUE : Agence nationale pour la Promotion et la Rationalisation d’Utilisation de l’Energie. 9 OPGI : Offices de promotion et de gestion immobilière. 7 3 INTRODUCTION GENERALE haute performance énergétique (HPE) connait une décision d’infructueuse plusieurs fois (selon Mr CHENAK Abdelkrim, 2010)10. Cela peut s’expliquer par le manque de savoirfaire et une méconnaissance par les architectes sur le domaine de la conception bioclimatique et la maitrise de la performance énergétique du bâtiment. En outre, les cahiers des charges qu’ont fournies ne comporte que des généralités, celles n’est pas facile à concrétiser par les architectes. Parallèlement à cette situation, et en comparaison avec les pays développés, il existe chez nous peu d’études sur le confort intérieur du bâtiment et sur son adaptation aux conditions climatiques des régions. Ainsi, la rareté de recherche sur l’impact des bâtiments sur l’environnement et/ou leur performance énergétique. Sachant que « l’architecte ne peut ignorer le climat sans renoncer à intégrer dans sa démarche de conception des composantes aussi importantes que le rayonnement solaire (porteur de chaleur et de lumière), le vent, la pluie, le froid, bref, des données naturelles qui interfèrent directement avec la perception des formes et des matières, le confort, l’ambiance et l’économie d’un bâtiment » [LIEBARD A., MENARD J-P. et PIRO P., 2007, p. 05]. Dans ce contexte, on souligne la nécessité de développement d’une méthode de conception, accessible aux architectes, adéquate avec leurs modes de raisonnements, qui permet l’intégration harmonieuse des bâtiments aux déférentes conditions climatiques des régions toute en assurant leur performance énergétique et leur confort thermique. Donc, De quelles manières pouvons-nous contribuer à l’intégration de l’aspect énergétique dans la conception des bâtiments à haute performance énergétique (HPE)? Telle est la question qui est au centre de notre travail. Afin de simplifier cette problématique et atteindre l’objectif préposé, nous allons tenter à répondre aux interrogations élémentaires suivantes : Dans quelle étape du processus de conception architecturale du bâtiment doit-on intégrer le concept de performance énergétique afin d’atteindre le confort thermique désirée et l’efficacité énergétique exigées ? Après la détermination de l’étape adéquate, quels sont les dispositifs architecturaux à manipulés pendant cette étape et quelles sont leurs exigences pour générer des solutions optimales ? En connaissant ces dispositifs et leurs exigences, comment les introduire dans une approche de conception afin d’assister les architectes les moins initiés au domaine énergétique du bâtiment ? 10 A partir un entretien qui se passe à l’APRUE avec Mr CHENAK A. en Avril 2010. 4 INTRODUCTION GENERALE Pour répondre à ces questions nous escomptons l’hypothèse suivante : A partir d’une : - Connaissance de processus de conception architecturale ; - Celle de phénomènes qui interagissent dans le bâtiment (thermiques, lumineuse, aérauliques,…) ; - d’un diagnostic et analyse des données (notamment climatique) ; - et d’un savoir-faire sur la conception bioclimatique ; Il nous paraît possible de développer une approche de conception des logements à haute performance énergétique (HPE) qui peut assister l’architecte durant les activités de conception. Nous allons focaliser notre réflexion sur l’architecture à haute performance énergétique (HPE) conscient de l’importance de la question du confort thermique et de la performance énergétique des bâtiments résidentielles à l’échelle mondiale et sous différents climats. Nôtre recherche ne prend en compte que le cas de la zone aride et semi-aride d’Algérie (zone sud), parce que les bâtiments résidentiels mis en tel climat (surtout en périodes de grandes chaleurs) sont confrontés à des problèmes d’inconfort liés au phénomène de surchauffe, d’exposition des façades aux radiations solaires intenses et de consommation irrationnelle d'électricité pour la climatisation afin d’atteindre le confort thermique agréable ce qui explique les fréquentes coupures d’électricité (Délestage d’électricité) depuis le début de l’été [SONELGAZ, 2011]. L'objectif principal de ce travail est le développement d’une approche de conception afin d’assister les architectes dans la conception des bâtiments performant sur le plan énergétique et confortable en terme thermique. Cette approche présente le savoir et le savoir-faire de la conception énergétique du bâtiment sous la forme d’une aide simple, ponctuel, et accessible aux architectes. Donc, elle peut fournir un document de travail à bord pour la conception des logements (HPE) qui immerge des paramètres globaux des bâtiments performants correspondant à usage d’habitat dans un environnement aride et semi-aride (le sud de l’Algérie) et identifier les solution optimales possibles. Ce document spécifique peut remplacer, finalement, la section de prescription fonctionnelle, architecturale et de performance énergétique existant dans les cahiers des charges d’étude de ce type de logement. Nous voulons que cette recherche contribue à la réussite des logements à haute performance énergétique (HPE) en Algérie. Concernant la méthodologie, dans la perspective d’aborder notre recherche et de cerner l’hypothèse concernant notre problématique, nous avons distingué deux champs d’études inhérents à notre travail (fig.1). 5 INTRODUCTION GENERALE Figure 1: Les deux champs d’études attenants à notre questionnement initial (Source auteur) Ces deux champs : L’état des connaissances et savoir-faire existants concernant logement (HPE) : en premier temps, on passera par la caractérisation et la compréhension des différents concepts et notions-clés liées aux bâtiments de logements à haute performance énergétique. La caractérisation du processus de projet : puis dans un second temps, nous aborderons la conception architecturale de ce type de bâtiment tout en intégrant la notion de l’efficacité énergétique (la composante énergétique) dans ses processus. Enfin, une fois les différentes connaissances sont déterminées, et la performance énergétique est intégré dans les processus de conception, nous développons une approche de conception architecturale des logements à haute performance énergétique (HPE) qui assiste l’architecte durant ces activités de conception. 6 INTRODUCTION GENERALE Donc, ce travail est décomposé en trois grandes parties (fig.2) : La première partie : Consommation énergétique et bâtiment à haute performance énergétique (HPE). Dans cette partie, nous tentons de situer le bâtiment à haute performance énergétique dans son contexte environnemental et énergétique. Elle comporte deux chapitres : Le premier chapitre (chapitre I) est consacré à l’élaboration d'un bilan de la politique énergétique au monde et particulièrement en Algérie. Nous présentons dans la 1ère phase la consommation énergétique mondiale puis nationale et son évolution. Dans la 2ème phase, nous présentons les stratégies avec les projets d'économie et de maitrise d'énergie. Le deuxième chapitre (chapitre II) représente un état de l’art du bâtiment performant. Nous tentons de définir et caractériser les différents concepts clés liés à la performance énergétique du bâtiment tels que : Les maisons écologiques, bioclimatiques, basse-énergie, passives, à zéro énergie et à énergie positive. Ces derniers sont encadrés par les différents labels de performance énergétique qui seront évoqués également. La deuxième partie : Conception architecturale et performance énergétique. Cette partie est découpée en deux chapitres : Dans le premier (chapitre III), nous décrirons succinctement le processus de projet en architecture. Nous focalisons notre étude sur le processus de conception architecturale afin d’identifier l’étape (ou les étapes) durant laquelle on doit intervenir pour atteindre l’efficacité énergétique du bâtiment. Ainsi, nous essayons de comprendre les différents modes de raisonnements utilisées par les concepteurs, afin de développer une approche en adéquation avec leurs besoins. Dans le deuxième (chapitre IV), nous présenterons quelques contributions d’intégration des préoccupations bioclimatique (composante énergétique) et du confort thermique dans la conception architecturale. toute en essayant de révéler leurs méthodes et outils d’aide à la conception utilisés. Cela, nous aide d’avoir les avantages de ces derniers pour les utiliser et les manques pour les compléter dans notre approche. La troisième partie : La conception des logements (HPE) dans les zones arides et semi-arides en Algérie. Nous décomposons cette partie, également, en deux chapitres : L’avant dernier chapitre (chapitre V) est dédié à l'élaboration d’une analyse climatique de la zone choisie afin de générer les recommandations adéquates pour assurer l’efficacité de la conception architecturale des bâtiments performants. Et le dernier chapitre (chapitre VI) qui a porté sur l’élaboration d’une approche de conception des logements (HPE) tout en basant sur la synthèse des connaissances, l’analyse bioclimatique, et le savoir-faire de 7 INTRODUCTION GENERALE conception énergétique du bâtiment. Ces derniers doivent être organisé et présenter d’une manière d’être accessibles aux architectes et cohérente avec leurs différents modes de raisonnements. Finalement, une conclusion générale synthétise les résultats de cette recherche, présente les limites de cette recherche et esquisse les perspectives possibles pour la poursuite de ce travail. 8 INTRODUCTION GENERALE Figure 2: Structure du mémoire (source auteur) 9 LA PREMIERE PARTIE Consommation énergétique et bâtiment HPE. PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation énergétique contexte et enjeux. CHAPITRE I : I- La consommation énergétique contexte et enjeux Nous consacrons ce chapitre à l’élaboration d'un bilan de la politique énergétique au monde et en Algérie, nous présentons donc, la consommation énergétique mondiale et nationale, les stratégies et les projets de maitrise d'énergie. PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. La consommation énergétique Contexte et enjeux I-1. Introduction : L’énergie est un facteur déterminant pour la survie des sociétés et elle est indispensable à la satisfaction des besoins quotidiens, parce qu’elle est exploitée presque par toutes les activités humaines pour assurer le développement économique et sociale. En effet, cette énergie est majoritairement basée sur les combustibles fossiles (gaz, pétrole et charbon), ces énergies ne sont pas renouvelables et sont appelées à s’épuiser à moyen terme. Ainsi, ces énergies fossiles émettent des gaz responsables de l’accroissement avéré de l’effet de serre et des changements climatiques qui représentent, sans aucun doute, les plus grands enjeux de l’humanité. Dans ce chapitre nous essayerons d’élaborer un bilan sur la consommation énergétique, sur les enjeux envisagées et sur les politiques abordées pour maitriser l’énergie. Le chapitre est structuré en deux parties : la première, est destinée à traiter la situation mondiale et la seconde, est portée sur le contexte Algérien. 10 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. I-2. La consommation énergétique au monde : I-2.1. Contexte : I-2.1.1. La consommation énergétique : Depuis toujours, l’homme a consommé de l’énergie. Cette consommation était relativement linéaire et d’origine presque exclusivement renouvelable (biomasse, énergie hydroélectrique, énergie animale, …) jusqu’à la révolution industrielle. C’est durant cette période, marquée par des développements industriels et économiques toujours plus énergivores et un accroissement de plus en plus important de la population mondiale. Depuis les années 1950, que l’essor des énergies fossiles (gaz, pétrole et charbon) a vu le jour, et leur consommation commença alors à augmenter de façon exponentielle. La consommation mondiale d’énergie est élevée de 42% entre 1990 et 2008 c’est à dire de 354 quadrillion Btu11 à 505 quadrillion Btu. Cette consommation augmente de 53% entre 2008 et 2035, du 505 quadrillion Btu en 2008 à 770 quadrillion Btu en 2035 (fig.I-1). Une grande partie de la croissance de la consommation d'énergie se produit dans les pays en dehors de l’OCDE12, due à la croissance économique. L’utilisation d'énergie dans des pays non-OCDE augmente de 85% par rapport à une augmentation de 18% pour les économies d’OCDE [EIA, 2011, p.9]. Figure I-1 : évolution de la consommation mondiale énergétique entre 1990 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source : The International Energy Outlook (EIA) 2011) Quadrillion Btu : quadrillion British thermal unit, est une unité d'énergie anglo-saxonne, 1 Btu = 2,52. 10-8 TEP. (TEP : Tonnes d’équivalent pétrole). 12 OCDE : Organisation pour la Coopération et le Développement Economiques (Organization for Economic Cooperation and Development (OECD)). 11 11 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. I-2.1.1.1. Par type d’énergie : La consommation mondiale est répartie par type d’énergie comme suite [EIA.2011] (fig.I-2) (voir annexe-I. A) : Produit pétrolières : La consommation mondiale des combustibles liquides se développe de 85.7 millions de barils par jour en 2008 à 97.6 millions de barils par jour en 2020 et 112.2 million de barils par jour en 2035. Le gaz naturel : La consommation mondiale du gaz naturel est élevée de 52%, de 111 trillion pieds cubes13 en 2008 à169 trillion pieds cubes en 2035. Le charbon : La consommation de charbon du monde est évoluée de 139 quadrillion Btu en 2008 à 209 quadrillion Btu en 2035 avec un taux annuel moyen de 1.5%. L’électricité : La consommation d’électricité du monde est augmentée de 84%, de 19.1 trillion kilowattheures en 2008 à 25.5 trillions kilowattheures en 2020 et 35.2 trillion kilowattheures en 2035. Figure I-2 : évolution de la consommation mondiale énergétique entre 1990 et 2035 par type d’énergie en quadrillion Btu (prévisions) (source : The International Energy Outlook (EIA) 2011) I-2.1.1.2. Par secteur d’activité : Cette consommation est répartie par secteur comme suite [EIA.2011] (voir annexe-I. A) : 13 Pieds Le secteur résidentiel : la consommation mondiale d’énergie est élevée de 1.1% par an, de 52 quadrillion Btu en 2008 à 69 quadrillion Btu en 2035 (fig.I-3). cubes : 1 pied cube = 0.028 m3. 12 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Le secteur commercial : ce secteur représente 7% de la consommation mondiale d’énergie en 2008. Cette consommation augmente de 1.5% par an de 2008 à 2035. En 2008 la consommation était environ 28.1 quadrillion Btu et elle augmente vers 42.1 quadrillion Btu en 2035 (fig.I-4). Figure I-3 : évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur résidentiel entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source : The International Energy Outlook (EIA) 2011) Figure I-4 : évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur commercial entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source : The International Energy Outlook (EIA) 2011) Le secteur de transport : le secteur de transport représente 27% de la consommation énergétique mondiale en 2008. Cette consommation augmente de 1.4% par an de 2008 à 2035, passant de 98.2 quadrillion Btu en 2008 à 142.1 quadrillions Btu en 2035 (fig.I-5). Le secteur industriel : l’énergie utilisée dans ce secteur évolue de 2% par an dans les pays non- OCDE comparées à 0.5% par an dans les pays d’OCDE, cette consommation augmente de 191 quadrillion Btu en 2008 à 288 quadrillion Btu en 2035 (fig.I-6). Figure I-5 : évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur de transport entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source : The International Energy Outlook (EIA) 2011) Figure I-6 : évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur industriel entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source : The International Energy Outlook (EIA) 2011) 13 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Les précédents résultats confirment que l’humanité consomme d’avantage d’énergie jour après jour. Mais cette consommation croissante pose aujourd’hui la question des réserves de ces métiers et l’épuisement de ces ressources. Cet épuisement des ressources n’est pas la seule raison de s’intéresser aux enjeux de l’énergie. Par ailleurs les combustibles fossiles participent effectivement à l’augmentation de l’effet de serre et au réchauffement climatique de la planète par Les rejets de gaz à effet de serre. I-2.1.2. Le réchauffement climatique : L’effet de serre est un phénomène naturel qui permet d’avoir une température viable à la surface de la Terre. Mais les émissions de gaz à effet de serre (GES) sont largement supérieures à ce que la planète peut absorber. Par conséquent, elles s’accumulent dans l’atmosphère et renforcent l’effet de serre naturel, ce qui réchauffe l’atmosphère et dérègle nos climats. Le réchauffement est caractérisé par une augmentation de la température de l’atmosphère et de l’océan, de la fonte largement répandue de la neige, de la glace et de la montée du niveau moyen mondial de la mer. D’après le rapport du GIEC14 (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) paru en 2 février 2007 : L’augmentation des températures moyennes de l’atmosphère : la température moyenne à la surface de la terre a augmenté de 0,74°C entre 1906 et 2005 ; les 11 dernières années figurent parmi les années les plus chaudes jamais enregistrées (depuis 1850) (fig.I-7). L’augmentation des températures moyennes de l’océan : l’océan a absorbé la plus grande partie de la chaleur ajoutée au système climatique ; l’océan s’est réchauffé jusqu’à une profondeur d’au moins 3000 m. L’augmentation du niveau de la mer : le niveau de la mer a augmenté de 1,8 mm/an en moyenne depuis 1961 ; ce taux a augmenté en fin de période (3,1 mm/an entre 1993 et 2003). le retrait des glaciers : les glaciers de montagne et la couverture neigeuse sont globalement en retrait (dans les deux hémisphères). Le GIEC a estimé que l’essentiel de la hausse des températures moyennes observées depuis 50 ans est très probablement dû à l’augmentation dans l’atmosphère des gaz à effet de serre engendrés par l’homme. 14 GIEC : Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat. Le terme original, anglais, est IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change. 14 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Figure I-7 : Variation de la température à la surface terrestre entre l’an 1000 et l’an 2100 (prévisions) (source : Agence canadienne d’évaluation environnementale) « Le CO2 est le principal gaz à effet de serre (GES) d’origine anthropique ; sa concentration dans l’atmosphère est passée de 280 ppm15 (conditions préindustrielles) à 379 ppm en 2005 ; les émissions de CO2 d’origine fossile se sont accrues sensiblement entre 1990 (6.4 GtC/an16) et la période 2000-2005 (7.2 GtC/an) » [GIEC, 2007, p.2] (fig.I8). En effet, l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère entraine l’accroissement avéré de l’effet de serre et de réchauffement climatique. Suivant le GIEC les émissions de gaz à effet de serre – sur base des scénarios sans atténuation - vont croitre de 25 à 90% en 2030 par rapport à 2000, la part de CO2 dans ces émissions provoquant une augmentation de 45 à 110% par rapport à 2000 (fig.I-9). Cette situation est alarmante, elle nous exige la prise de conscience sur le réchauffement climatique dans le plus tôt possible. Il faut lutter contre ce réchauffement planétaire par la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Pour cela, un certain nombre d’accords internationaux ont été établis pour traiter ces problèmes énergétiques. Ppm(v) : part par million (en volume). 280 ppm de CO2 représentent l’équivalent de 280 cm³ de CO2 pour un m³. 16 GtC/an : Gigatonne de carbone par an (109 tonnes de carbone par an). 15 15 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Figure I-8 : évolution des concentrations mondiale des principaux gaz à effet de serre en ppm (source : GIEC, 2007) Figure I-9 : évolution des émissions mondiale du carbone entre 1990 et 2035 en milliard de tonnes métriques (source : AIE. 2011) I-2.2. Enjeux : I-2.2.1. Le sommet de la terre à Rio : Dans le but de limiter l’élévation globale des températures et de traiter les problèmes énergétiques, la Convention Cadre des Nations Unies sur les Changements Climatiques (CCNUCC) est née en 1992 avec la convention internationale sur le Climat à Rio, signée par 175 états pour empêcher toute perturbation anthropique "dangereuse" du système climatique. Elle est la base de la coopération mondiale sur le climat, mais ne fixe pas d’objectif chiffré de réduction d’émissions, les pays devant simplement réaliser un bilan annuel de leurs rejets de gaz à effet de serre (GES) [RAC-F, s.d, p.8]. I-2.2.2. Le protocole de Kyoto : Pour renforcer la Convention de Rio, le protocole de Kyoto a été signé le 11 décembre 1997, L’objectif de ce protocole ratifié par de très nombreux pays (dont l’Union Européenne, la Russie, le Japon mais pas les Etats-Unis ni l’Australie) est de stabiliser la concentration de CO2 dans l’atmosphère au double de sa concentration « préindustrielle » (c’est à dire avant la première révolution industrielle). Pour l’atteindre, des quotas d’émissions de CO2 par pays sont attribués avec. Après 8 ans de négociations, il est entré en vigueur en 2005 avec un engagement des pays industrialisés (38 pays) de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre (GES) de manière absolue de 5,2% d’ici 2008-2012, par rapport à leur niveau de 1990, Cet objectif est réparti différemment pour chacun de ces pays [VAN DER PUTTEN Raymond, 2009, p.4]. 16 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. En janvier 2009, 184 pays du Nord comme du Sud l’ont ratifié avec l’élaboration d’Une proposition de réduction de 17% des émissions de CO2 par les élus démocrates de la Chambre des Représentants, sauf Les Etats-Unis qui refusent toujours jusqu’à présent de ratifier le traité. I-2.2.3. Le sommet de Copenhague : La quinzième « Conférence des Parties » a été tenu à Copenhague, au Danemark, du 7 au 18 décembre 2009. Les chefs d’Etat et représentants d’environ 192 pays ont réunis pour dégager un accord international de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) pour lutter contre le réchauffement climatique. Ce texte doit fixer de nouveaux engagements chiffrés de réduction des émissions de gaz à effet de serre pour la période 2013-2020 pour prolonger le protocole de Kyoto, qui prend fin en 2012. L’objectif chiffré de réduction des pays industrialisés est dans une fourchette de 25 à 40 % d’ici à 2020 par rapport 1990. Ce scénario donne la chance de ne pas dépasser les +2°C [VAN DER PUTTEN Raymond, 2009, p.11]. Ce sommet a connu un échec, les Nations Unies "prennent note" de l’accord de Copenhague, c’est-à-dire que le texte final n’est pas juridiquement contraignant pour les pays qui l’ont signé, donc pas de réductions d’émissions de gaz à effet de serre chiffrées, pas de calendrier ni de répartition du financement de l’aide aux pays en voie de développement, pas d’instance internationale pour vérifier les engagements en termes d’émissions, pas de poursuite du Protocole de Kyoto. I-3. La consommation énergétique en Algérie : La consommation énergétique finale en Algérie a enregistré un taux de croissance moyen annuel de l’ordre de 5.68% entre 2000 et 2005 [APRUE, 2007, p.4], ce taux de croissance a triplé entre 2005 et 2010 pour atteindre 17.23% ; du 17 million de TEP en 2005 à 31.65 million de TEP en 2010 [MEM17, 2011, p.21] (fig. I-10). La forte demande de consommation énergétique en Algérie est due principalement à l'augmentation du niveau de vie de la population et du confort qui en découle, ainsi qu'à la croissance des activités industrielles. 17 MEM : Ministère de l’Energie et des Mines. 17 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Figure I-10 : Synthèse des consommations énergétiques, an 2010 en 1000 TEP (Source : MEM, 2011) Cette grande consommation énergétique a généré des émissions des gaz à effet de serre (GES) qu’ont atteint 40 milliers de Teq CO218 en 2005. Le secteur d’industrie énergétique est le plus gros émetteur des gaz à effet de serre (GES) avec 47% des émissions globales, suivi du secteur du transport de 24% et en suite le secteur du bâtiment avec 16% (fig.I-11). Figure I-11 : Bilan des émissions de GES par secteur, an 2005 en Teq CO2 (source : APRUE, 2007) 18 Teq : Tonnes équivalent CO2. 18 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. I-3.1. La consommation énergétique par type d’énergie : La consommation finale par type d’énergie est répartie comme suit [APRUE, 2007] [MEM, 2011] (fig.I-12) (voir annexe-I. B) : I-3.1.1. Produit pétrolières : La consommation finale de ce produit a augmenté de 7.9 million de TEP en 2005 à 12.3 millions de TEP en 2010. Ce produit est utilisé dans des usages multiples et différents et presque dans tous les secteurs d’activités (la production de chaleur pour l’industrie, le chauffage pour les ménages, le tertiaire et le transport…). I-3.1.2. Gaz naturel : La consommation finale du gaz naturel a connu un taux de croissance annuel moyen (TCAM) de 6.14% entre 2000 et 2005, ce TCAM est élevé jusqu’à 12.42% entre 2005 et 2010 ce qui est exprimé par l’augmentation de 4.9 million de TEP en 2005 à 8 million de TEP en 2010. I-3.1.3. Electricité : La consommation finale d’électricité a augmenté de 2.1 million de TEP en 2005 à 8.6 millions de TEP en 2010. La consommation de l’électricité en Algérie a été en forte progression, notamment dans le secteur résidentiel, à cause de la croissance démographique élevée, l’amélioration du niveau de vie, et le phénomène de l’urbanisation qui est de plus en plus important. Figure I-12 : la consommation énergétique finale par type d'énergie en 2010 (source : MEM, 2011) I-3.2. La consommation énergétique par secteur : La consommation énergétique par secteur d’activité est donnée comme suite [APRUE, 2007] [MEM, 2011] (fig.I-13) (voir annexe-I. B) : 19 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. I-3.2.1. Le secteur industriel : La consommation énergétique de ce secteur a un taux de croissance annuel moyen de 5.86% entre 2000 et 2005 pour atteindre 3.2 million de TEP qui est augmenté à 8.0 million de TEP en 2010. I-3.2.2. Le secteur de transport : Le taux de croissance annuel moyen de la consommation finale de ce secteur entre 2000 et 2005 est de 4.49% pour atteindre 5.5 million TEP. En 2010 la consommation est élevée jusqu’à 11.2 million TEP. I-3.2.3. Le secteur ménages et autres : La consommation énergétique est augmentée de 31.4% entre 2000 et 2005 pour atteindre 7 million TEP. Cette consommation a atteint 12.4 million TEP en 2010. Ce qui est expliqué par les efforts d’électrification et amélioration du confort des ménages en matière d’équipement et d’appareils. Figure I-13 : la consommation énergétique finale par secteur d'activité en 2010 (source : MEM, 2011) En Algérie, La part la plus important de la consommation a été enregistrée dans le secteur des ménages et autre qui représente 40% de la consommation finale globale. Ainsi, la consommation électrique dans le secteur résidentiel a atteint 807 KTEP, elle représente 38% de la consommation totale d’électricité. En conséquent, ce secteur a un effet de 16% dans les émissions des gaz à effet de serre globale. Donc, le secteur des ménages et autres constitue une priorité dans l’élaboration de la stratégie et des programmes de maitrise d’énergie. La section suivante présente quelques pistes représentent un début de réflexion sur l’économie d’énergie en générale et dans le secteur du bâtiment en particulier. 20 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. I-3.3. La stratégie nationale de la maitrise d’énergie : L’Algérie dispose, sur le plan législatif et réglementaire, un arsenal juridique important en matière de rationalisation de l’utilisation de l’énergie : La loi N° 99-09 du 28 juillet 1999 relative à la maitrise de l’énergie (voir annexeI.C). La loi 04-09 du 14 Août 2004 relative à la promotion des énergies renouvelables dans le cadre du développement durable. Le décret exécutif 04-149 du 19 Mai 2004 fixant les modalités d’élaboration du programme national de maitrise de l’énergie. En effet, la maitrise d’énergie couvre l’ensemble des mesures et des actions mises en œuvre en point de vue utilisation rationnelle de l’énergie et du développement des énergies renouvelables. Elle répond aux soucis suivants [APRUE, 2005, p.7-8]: La préservation des ressources nationales d’hydrocarbures. La préservation des capacités de financement de pays utilisable dans d’autres domaines que le secteur énergétique. La protection de l’environnement. Pour maitre en œuvre cette nouvelle orientation et politique, le ministère de l’énergie et des mines (MEM) adopte les instruments suivants [APRUE, 2005] : I-3.3.1. L’Agence nationale pour la Promotion et la Rationalisation de l’Utilisation de l’Energie (APRUE) : L’APRUE représente l’élément central des instruments, elle est chargée de missions d’information, de communication et de formation en direction de tous les acteurs publics impliqués dans la maitrise de l’énergie. I-3.3.2. La Comité Sectoriel de la Maitrise de l’énergie (CIME) : La CIME est un organisme consultatif, elle est chargée d’organiser la concertation et le développement du partenariat public/privé. Aussi, elle émet des avis sur toutes les questions relatives aux domaines de la maitrise de l’énergie, sur les travaux d’élaboration, de mise en œuvre et de suivi du programme nationale de maitrise de l’énergie (PNME). I-3.3.3. Le Fond National de Maitrise de l’énergie (FNME) : Le FNME est un instrument public spécifique d’incitation financière de la politique de maitrise de l’énergie. Il doit favoriser la continuité des moyens de cette politique. I-3.3.4. Le Programme Nationale de Maitrise de l’Energie (PNME) : Le PNME constitue le cadre de mise en œuvre de la maitrise de l’énergie au niveau national. Il comprend : 21 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Le cadre et les perspectives de la maitrise de l’énergie. L’évaluation des potentiels et la définition des objectifs de la maitrise de l’énergie. Les moyens d’action existants et à mettre en œuvre pour atteindre les objectifs à long terme. Un programme d’action quinquennal. Ce dernier comprend les programmes suivants [BOUZERIBA M. S., 2009, p.5-6] : Industrie Ce programme a pour objectif d’identifier les gisements d’économie d’énergie et de proposer des actions appropriées de maîtrise des consommations d’énergie des industriels afin de réduire leurs coûts de production et d’améliorer leur compétitivité. La mise en œuvre de ce programme consiste à financer des projets porteurs d’efficacité énergétique exemplaires et à vulgariser les bonnes pratiques d’efficacité énergétique en vue de leur «réplicabilité» à grande échelle. Programme Prop-Air : Le programme Prop-Air a pour objectif d’apporter un appui au développement du GPL Carburant, afin de réduire l’impact de la pollution des transports dans les zones urbaines. Programme Eco-Lumière : Le programme Eco-Lumière a pour objectif d’introduire l’éclairage performant dans les ménages, de réduire leur facture d’électricité et de favoriser à terme l’émergence d’un marché national de lampes à basse consommation. Ce programme porte sur la diffusion d’un million de Lampes à basse consommation (Lampes économiques) dans les ménages. Ces lampes sont destinées à remplacer les lampes à incandescence. Elles seront diffusées sur l’ensemble du territoire national, en quatre tranches annuelles, correspondant aux quatre régions (Centre, Est, Ouest et Sud). Programme Alsol : Ce programme vise à promouvoir le chauffe-eau solaire et à mettre en place les conditions d’un marché durable du solaire thermique en Algérie. Il est prévu, dans ce cadre, la diffusion de 1 000 chauffe-eau solaires individuels dans le secteur des ménages et 1 000 autres dans le secteur du tertiaire. Le potentiel énergétique solaire en Algérie étant le plus important de tout le Bassin méditerranéen, cette initiative contribuera à réaliser des économies d’énergie primaire sur la durée de vie de l’équipement et de réduire l’émission de CO2 dans l’atmosphère. Programme Eco-Bât : Ce programme vise à apporter le soutien financier et technique nécessaire à la réalisation de logements assurant une optimisation du confort intérieur en réduisant la consommation énergétique liée au chauffage et à la climatisation. Dans ce cadre, il est prévu la réalisation de 600 logements à haute performance énergétique répartis sur l’ensemble des zones climatiques, dans le cadre d’un partenariat entre l’Aprue et onze Offices de gestion et de promotion immobilière (OPGI). 22 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. L’objectif est de réaliser une action démonstrative prouvant la faisabilité de l’introduction de l’efficacité énergétique en Algérie, de contribuer à la généralisation des bonnes pratiques dans la conception architecturale de l’habitat, et enfin, favoriser la mise en application des normes réglementaires. Contrairement au rôle complémentaire de la plus part des programmes précédents, le programme Eco-Bât à l’air important parce qu’il consiste à concevoir des bâtiments performant en matière d’énergie. Ainsi, Le secteur résidentiel apparaît donc bien comme une cible prioritaire pour la maîtrise de l’énergie parce qu’il est le plus consommateur. Figure I-14 : la priorité dans le choix des investissements d’efficacité énergétique. (Source : RUELLE, F., 2008) En effet, lors d’un choix d’investissement, il apparaît clairement sur cette figure (fig.I14) que le poste prioritaire doit être dédié à l’isolation (limitation des pertes de chaleur par transmission et les ponts thermiques). Viennent ensuite l’étanchéité (limitation des fuites d’air), le bénéfice des gains passifs et la ventilation (la conception architecturale adéquate du bâtiment). Les mesures d’efficacité suivantes concernent les appareils ménagers efficaces (ou « à haute performance énergétique ») et les énergies renouvelables. On peut considérer que les mesures 1 à 3 sont « le gâteau », tandis que les mesures 4 et 5 sont « la cerise sur le gâteau ». Les panneaux solaires thermiques, photovoltaïques et autres mesures de l’état visant à promouvoir les énergies alternatives sont donc des mesures intéressantes, mais elles demeurent des mesures « complémentaires » par rapport aux priorités auxquelles elles devraient céder leur place. 23 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre I : La consommation sommation énergétique contexte et enjeux. Donc, l’investissement la plus important doit être à la conception architecturale performante du bâtiment qui est inscrit harmonieusement dans son environnement (site, climat, matériaux,…). I-4. Conclusion : Dans le présent constat, l’Algérie ne fait pas exception à la situation mondiale en point de vue consommation énergétique et émissions des gaz à effet de serre (GES). Cette situation alarmante et monstrueuse a guidé le monde de l’énergie de confronter à une incertitude sans précédent, comment le monde vat confronter le double défi du changement climatique et de la sécurité énergétique ? Il faut cependant, savoir que le bâtiment et son usage peuvent présenter de nombreux inconvénients, particulièrement pour l’environnement. Le secteur du bâtiment (constitué par le résidentiel et le tertiaire) est l’un des principaux consommateurs d’énergie, et l’un des principaux émetteur des gaz à effet de serre (GES) au monde. A cet égard, il apparait bien que le secteur du bâtiment est l’un des acteurs majeurs de l’intégration du développement durable et présente un très fort potentiel d’amélioration d’efficacité énergétique. Pour cela, nous consacrons le chapitre suivant en abordant les bâtiments énergétiquement performants par la définition des différents concepts avec ses caractéristiques, et ses exigences afin de les concevoir et les réaliser adéquatement. 24 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. CHAPITRE II : II- Bâtiment à haute performance énergétique (HPE) ( ) Dans ce chapitre, nous tentons à définir et caractériser les déférents concepts clés liés à la performance énergétique du bâtiment tels que : Les maisons écologiques, bioclimatiques, basse-énergie, passives, à zéro énergie et à énergie positive. Ainsi, Les différents labels de performance énergétique qui englobent les concepts précédents. PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Bâtiment à haute performance énergétique (HPE) II-1. Introduction: Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédant, l’amélioration des pratiques dans le domaine du bâtiment constitue un gisement d’économie d’énergie important. Plusieurs recherches et travaux ont été poussés sur les bâtiments énergétiquement performants. Ces derniers connaissent actuellement un grand intérêt, grâce au rôle important qu’ils jouent : d’une part, leur contribution à la réduction des émissions des gaz à effet de serre par la réduction des besoins énergétiques, et d’autre part, leur garanti de bien être des occupants (notamment le confort thermique). Ce chapitre représente un état de l’art sur les bâtiments à haute performance énergétique, afin de faire un bilan de connaissances. Il présente un aperçu sur l’évolution des bâtiments performants, les définitions des concepts et leurs principaux caractéristiques, ainsi sur les principaux réglementations thermiques et les labels d’efficacités énergétiques, de fait que les différents concepts des bâtiments performants sont souvent accompagnés des règlements ou associées à des labels. 25 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. II-2. Evolution des bâtiments performants : Depuis quelques décennies, les questions de la protection de l’environnement, d’économie d’énergie et de développement durable prennent une place incontournable dans le domaine du bâtiment. Après le choc pétrolier de 1973 qui confirme notre dépendance énergétique, la maitrise des dépenses énergétique est devenue un enjeu majeur. Ce dernier a orienté les architectes à réfléchir autrement19, ce qui s’est traduit tout d’abord par une approche solaire en architecture. Elle visait une indépendance totale du bâtiment par rapport aux ressources traditionnelles d’énergie [FERNANDEZ P., LAVIGNE P., 2009] [ZAMBRANO L., 2008], elle consistait à concevoir un bâtiment afin qu’il présente des caractéristiques thermique performantes. Son orientation est déterminante pour une captation maximale de l’énergie solaire incidente et pour l’ajout des protections solaires efficaces. Le développement de cette approche (architecture solaire) dans les années quatre-vingts l’a rendu une approche bioclimatique (§.II-4.5) qui vise par la conception architecturale de réduire les besoins énergétiques et d’assurer le confort des occupants. Plus récemment (les années quatre-vingt-dix), une autre approche a établi sur le constat des problèmes environnementaux (une crise écologique) ; effet de serre, réchauffement de la planète, pollution, déforestation…. Cette approche dite environnementale, écologique ou verte (Green architecture) appliquée à l’architecture signifie la réalisation des bâtiments préservant les ressources naturelles en employant des matériaux sains et renouvelable toutes en contrôlant les dépenses d’énergies [HANNACHI-BELKADI N. K., 2008]. L’architecture environnementale « ne se réduit pas à la question du chauffage : elle touche aussi, plus largement, aux questions de l’énergie dépensée pour la fabrication et le transport des matériaux, à leur durée de vie et leur recyclage, à la préservation et au renouvellement des ressources, à la réduction et à la suppression, à terme, de l’usage de celles qui ne sont pas renouvelables, et enfin aux problèmes de pollution concernant les déchets ou l’air intérieur des logements » [ RANCK Louise, 2009, p.2]. Cette architecture environnementale a également connu une évolution au fur et à mesure que les nouvelles technologies liées à la production, à la transformation et à la distribution des énergies se sont développées. La figure ci-dessous (fig.II-1) illustre l’évolution des approches architecturales, de l’architecture vernaculaire jusqu’à l’architecturale durable. 19 Parce que l’architecture dite internationale (style international) a été imposée pendant grande partie du 20ème siècle. 26 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Figure II-1: l'évolution des approches architecturales des bâtiments performants (source : auteur) II-3. Les principaux réglementations et labels : Avant de définir et caractériser les différents bâtiments performants, on pense qu’il est primordiale de faire une petite aperçue sur quelques réglementations thermiques et labels qui leurs sont associé. Ces labels internationaux et réglementations présentés dans cette section sont utilisés comme cible pour définir les indicateurs et les exigences de performances énergétiques visées dans le cadre de cette recherche. II-3.1. Les règlementations thermiques : La réglementation thermique est un ensemble de lois visant à la maîtrise de l’énergie dans le bâtiment par la limitation de la consommation globale d’énergie des bâtiments et l’imposition des performance globales (un seuil réglementaire de performance), ceci pour assurer le confort des occupants du bâtiment, réduire les émissions de polluants et diminuer les charges d’exploitation des locaux (chauffage, climatisation…)[FOURA S., 2008, p.59]. II-3.1.1. La règlementation thermique française : II-3.1.1.1. La réglementation thermique 2005 (RT2005) : Qui fait suite à la règlementation 2000.Elle s’applique aux bâtiments neuves (ou extension de bâtiment) à vocation résidentiels et non résidentiels (tertiaires, bâtiments industriel…), elle est applicable à tous les permis de construire depuis 1er septembre 2006 (décret et arrêt de 24 mai 2006). 27 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Cette réglementation renforce les exigences de performance énergétique des bâtiments neufs, par rapport à la réglementation thermique précédente (RT 2000), de 15 %. Parmi ses exigences aussi : la consommation énergétique primaire pour les besoins de chauffage, rafraîchissement, ventilation, éclairage et production d’eau chaude sanitaire (ECS) d’un bâtiment doit être au maximum de 130 kWh/m².an contre 250 kWh/m².an en cas de chauffage électrique, tandis que le parc existant se situe à 400 kWh/m².an en moyenne [MAES P. 2010, p.19]. Les autres objectifs de la RT2005 sont [MAES P. 2010, p.20]: la valorisation de la construction bioclimatique, qui permet de diminuer les besoins de chauffage et d’assurer un meilleur confort d’été. un renforcement des exigences sur l’enveloppe ce qui implique un renforcement de l’isolation thermique (+ 10 % sur les déperditions par les parois opaques et les baies vitrées, + 20 % sur les déperditions par les ponts thermiques20). la valorisation des énergies renouvelables par une meilleure prise en compte des chaudières bois, capteurs solaires thermiques et photovoltaïques, pompes à chaleur. la prise en compte des consommations relatives à la climatisation (la limitation du recours à la climatisation mécanique). la prise en compte des consommations relatives à l’éclairage étendue au résidentiel. II-3.1.1.2. La réglementation thermique 2012 (RT2012) : La RT 2012 rentra en application à partir du 1er juillet 2011, pour tous les permis de construire déposés pour les bâtiments neufs du secteur tertiaire, et à partir du 1er janvier 2013, pour tous les permis de construire déposés pour tous les autres types de bâtiments neufs. Elle augmentera les exigences réglementaires de façon à pouvoir atteindre petit à petit l’objectif fixé à moins de 40 % de consommation d’énergie en 2020. Dans cette réglementation les besoins en énergie des bâtiments neufs sont divisés par 2 à 2,5 par rapport à la pratique actuelle de la RT 2005 et l’exigence de performance des systèmes de chauffage sera ainsi relevée de 10 à 20 % et l’éclairage sera lui réduit en puissance de 30 % [rt2005, 2011]. II-3.1.2. La réglementation algérienne : En Algérie, Le nouveau règlement thermique est porté par le décret exécutif n°200090 (voir annexe-II. A) qui est inclus dans la loi 99-90 relative à la maitrise de l’énergie dans le secteur du bâtiment. Celle-ci est pour introduire l’efficacité énergétique dans les bâtiments neuf à usage d’habitation et autres. La mise en application de cette réglementation permettra de porter le niveau d'économie d’énergie à plus de 40% pour les besoins en chauffage et en climatisation [DALI k. 2006, p.2]. 20 Ponts thermiques : endroits où l’isolation est interrompue, notamment aux jonctions mur/plancher, principales sources des déperditions de chaleur. Pour les éviter, l’isolation doit être posée en continu, sans rupture. 28 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Aux biais de cette réglementation, le centre national de la recherche de l’industrie du bâtiment (CNERIB) a préparé trois documents techniques réglementaires à l’usage des professionnels du bâtiment : Le DTR.C 3-2 qui établit les règles de calcul des déperditions calorifiques d’hiver pour les bâtiments à usage d’habitation ; Le DTR.C 3-4 relatif aux règles de calcul des apports calorifiques d’été pour les bâtiments ; Le DTR.C 3-31 relatif à la ventilation naturelle des locaux à usage d’habitation. Cette réglementation renforce de la performance énergétique globale du bâtiment et laisse ainsi de larges possibilités aux concepteurs et aux maîtres d’ouvrage de choisir entre les performances thermiques globales du bâtiment aussi bien dans le choix des matériaux que la conception du cadre bâti. La réglementation Algérienne s’inspire en grande partie de la réglementation française, notamment dans l’aspect d‘isolation thermique. II-3.2. Les labels de performance énergétique : Les labels sont des indicateurs en termes de confort, de performance énergétique et de respect de l’environnement, afin de réaliser des bâtiments à faibles consommation d’énergie, Ils s’appuient sur des référentiels et sont soumis à des procédures d’audit et d’évaluation. Les principaux labels -notamment européens- sont les suivants : II-3.2.1. PASSIVHAUSS (Allemagne) : Est un concept global de construction de bâtiments à très basse consommation d’énergie. Créé en 1996 créé par le Dr. Wolfgang Feist, Il évolue régulièrement en intégrant de nouvelles données fournies par le Passivhaus Institut (PHI). Le label Maison Passive/Passivhaus s’applique à tous les bâtiments neufs et à la rénovation, aux maisons individuelles, logements collectifs et individuels groupés, bâtiments d’enseignement, immeubles de bureaux, bâtiments publics, etc. Un bâtiment Passivhaus est caractérisé par trois principes de base [MAES P. 2010, p.44]: des besoins en chauffage minimisés à l’extrême (l’utilisation de l’énergie solaire passive), une enveloppe très étanche et une faible consommation en énergie primaire totale. Les principaux critères correspondant au label Passivhaus (Allemagne) sont les suivants [MAES P. 2010, p.45] [Passivhaus, 2012]: Consommation pour le chauffage en énergie finale inférieure à 15 kW.h/m².an 29 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Consommation totale du bâtiment (chauffage, eau chaude sanitaire (ECS), ventilation et électricité domestique) en énergie primaire inférieure à 120 kW.h/m².an. Puissance de chauffage maximale : 10 W/m². Etanchéité à l’air 0.6 vol/h pour une différence de pression de 50 Pa entre l’intérieur et l’extérieur. Ventilation double flux (récupérateur de chaleur avec rendement de plus de 75%). (fig.II-2). Figure II-2: Principes de la conception et techniques constructifs d’un bâtiment passif (d’après Wolfgang Feist) (source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005) II-3.2.2. MINERGIE® (Suisse) : Créé en 1998, Le label MINERGIE® est un label de qualité destiné aux bâtiments neuf ou rénovés, il peut s’appliquer à tout type de bâtiment : individuel, collectif, tertiaire, commercial, industriel ; hôpital école, hôtel-restaurant,….Ce label vise [MINERGIE, 2012] à promouvoir l’utilisation rationnelle de l’énergie et avec l’utilisation des énergies renouvelables pour assurer le confort des usagers du bâtiment. Afin d’obtenir le label Minergie, la consommation pour le chauffage, l’eau chaude sanitaire (ECS), la ventilation et la climatisation en énergie finale doit être inférieur à un seuil de référence en énergie primaire et le surcout de construction doit être limité par rapport à un bâtiment standard. 30 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Un bâtiment Minergie est caractérisé par trois principes de base [MAES P. 2010, p.35]: Une enveloppe à isolation thermique renforcée et étanche à l’air ; Une aération automatisée et économe en énergie ; Une production de chaleur à haut rendement et associée à l’utilisation d’énergies renouvelables (bois, solaire). Il existe quatre labels qui certifient l’efficacité énergétique dans les bâtiments: II-3.2.2.1. MINERGIE® standard : Les principales exigences à respectés sont les suivantes [MINERGIE®, 2012]: des exigences primaires pour l’enveloppe du bâtiment, un renouvellement de l’air au moyen d’une aération de type double flux, une valeur limite de consommation pondérée en fonction de la localisation (stations météo de référence) et de l’altitude, un justificatif du confort thermique d’été, des exigences supplémentaires suivant la catégorie de bâtiment (éclairage, froid industriel et production de chaleur). Dans ce label la consommation énergétique doit être inférieure à 42 kW.h/m².an et le Surcoût par rapport à un bâtiment standard équivalent inférieur à 10%. II-3.2.2.2. MINERGIE-P® (passif) : Crée en 2003. Le référentiel du label Minergie-P correspond au standard ‘’Passivhaus’’ parce qu’il intègre en grande partie les critères des constructions passives : sur isolation, étanchéité à l’air contrôlée, ventilation double flux à haut rendement. L’objectif premier est de réduire la consommation énergétique qui doit être inférieure à 30 kWh/m².an et les besoins en chauffage inférieurs à 15 kWh/m².an. Le dimensionnement de la puissance de chauffage doit être inférieur à 10 W/ m². Et le surcoût égal au maximum à 15% par rapport à un bâtiment standard [Fadi CHLELA, 2008, p.17] (fig.II-3). II-3.2.2.3. MINERGIE-Eco (écologique) : Crée en 2006. Les exigences liées au confort et de rendement énergétique sont identique à Minergie ou Minergie-P, mais les bâtiments certifiés Minergie Eco doivent répondent à des exigences supplémentaires ; sanitaires (lumière, bruit et air intérieur) et écologiques (matière première, fabrication et déconstruction) [MAES P. 2010, p.40]. II-3.2.2.4. MINERGIE P-Eco (passif et écologique): Il est le plus exigeant des labels proposés par Minergie, Minergie-P-ECO est un label qui combine les labels Minergie-P et Minergie-ECO, c’est-à-dire la combinaison des différents critères, ce qui fait que Minergie-P-ECO est un label extrêmement difficile à obtenir. 31 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Figure II-3:Exigences des standards Minergie® et Minergie®-P (Source : MINERGIE, 2012) II-3.2.3. ZERO ENERGY BUILDING (USA): Un bâtiment zéro énergie (ZEB) ou nette zéro énergie du bâtiment est un terme général appliqué à l’utilisation d’un bâtiment résidentiel ou commercial avec des besoins énergétiques considérablement réduits (consommation nulle d’énergie nette) et zéro émission de carbone par an. Les principes de ce label consistent à réduire au maximum les besoins en chauffage, de refroidissement et d’électricité, grâce à une enveloppe et des équipements performants et économes dont les besoins en énergie sont satisfaits par des gains d’efficacité tels que l’utilisation des technologies renouvelables (panneaux photovoltaïques, une turbine de vent, ou un générateur de biogaz…) [TORCELLINI P., PLESS S., and D. CRAWLEY M., 2006, p.1]. Parmi les principaux objectifs de ce label [HANNACHI-BELKADI N-K, 2008, p14]: La réalisation de bâtiments consommant 30 à 90% d’énergie en moins pour le neuf et 20 à 30% de moins pour l’existant. L’intégration de systèmes de production décentralisée afin d’arriver en 2020 à des bâtiments zéro énergie. Le développement des technologies qui réduisent les consommations d’énergie et de matière. 32 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Figure II-4:évolution des bâtiments Net-Zéro énergie aux Etats-Unis (source : LAUSTSEN.J., (IEA) 2008) Aux États-Unis, les maisons ne doivent consommer que 50% d’énergie en moins que la réglementation pour être considérées comme faisant partie du programme « Zero Energy Homes ». Elles devraient donc plutôt être classées dans les maisons à basse énergie [LAUSTENS J., 2008, p.72]. La figure ci-dessous (fig.II-4) illustre l’évolution des bâtiments à énergie zéro aux ÉtatsUnis, Le label « Energy Star » correspond à des bâtiments utilisant 15% moins d’énergie que les exigences d’efficacité énergétique pour les nouveaux bâtiments. II-3.2.4. Les labels français : II-3.2.4.1. Le label HPE 2005 (Haute Performance Énergétique): l’HPE associée à la réglementation thermique 2005, mais il est plus exigeants que ce dernier, ce label comporte deux niveau de performance [MAES P. 2010, p.22]: Le label HPE 2005 (Haute Performance Énergétique): concerne les bâtiments dont les consommations énergétiques conventionnelles sont au moins inférieures de 10 % à la consommation conventionnelle de référence dans la RT 2005. Le label THPE 2005 (Très Haute Performance Énergétique): concerne les bâtiments dont les consommations énergétiques conventionnelles sont au moins inférieures de 20 % à la consommation conventionnelle de référence dans la RT 2005. Le label HPE EnR 2005 (Haute Performance Energétique Energies Renouvelables 2005) : outre au respect des exigences du label HPE ce label exige le recours aux énergies renouvelables dont au moins 50 % de l’énergie employée pour le chauffage est issue d’une installation biomasse ou d’une 33 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. alimentation par un réseau de chaleur utilisant plus de 60 % d’énergies renouvelables. Le label THPE EnR 2005 (Très Haute Performance Energétique Energies Renouvelables) : concerne les bâtiments dont les consommations énergétiques conventionnelles sont au moins inférieures de 30 % à la consommation conventionnelle de référence dans la RT 2005. Les constructions concernées devront également utiliser des énergies renouvelables comme la biomasse, le solaire thermique ou photovoltaïque et les pompes à chaleur très performantes. Le label BBC 2005 (Bâtiment Basse Consommation) ou EFFINERGIE : le label BBC exige que la consommation énergétique des bâtiments résidentiels doit être au maximum 50 kWh/m².an en fonction de la zone climatique et de l'altitude. Mais pour les bâtiments non résidentiels la consommation conventionnelle d’énergie doit être inférieure d’au moins 50 % à la consommation conventionnelle de référence selon la RT 2005. II-3.2.4.2. EFFINERGIE : Il a été mis au point par l’association Effinergie pour promouvoir la construction et la réhabilitation à basse consommation d’énergie, Ce label correspond au label Bâtiment Basse Consommation, BBC 2005 et il est du même niveau que les labels suisse Minergie et allemand Passivhaus mais le label Effinergie tient compte des spécificités françaises en termes de réglementations et de normes, de zones climatiques, de modes de construction… Pour obtenir le label Effinergie, la consommation énergétique globale doit être inférieure à 50 kWh/m².an d’énergie primaire pour les constructions résidentielles neuves (Cette valeur est pondérée selon l’altitude et la zone climatique). Concernant les bâtiments tertiaires neufs, la consommation énergétique globale ne doit pas dépasser 50 % de la consommation conventionnelle de référence de la RT 2005 [MAES P. 2010, p.54]. Maintenant que la RT 2012 entre progressivement en application, Effinergie a travaillé à des nouveaux labels en adoptant une vision plus large de l'impact énergétique d'un bâtiment. Pour cela Effinergie lance : Le label Effinergie+, importante évolution de la certification des bâtiments efficaces en énergie. Une expérimentation pilote Effinergie+ vers l'énergie positive. Ces nouveaux labels ont vocation à relancer l'expérimentation et faire émerger des nouveaux équipements et des nouvelles techniques. [EFFINERGIE, 2012]. 34 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. En résumant, les labels peuvent être classés, suivant leurs exigences en termes de consommation d’énergie, en trois familles [CHLELA F. 2008, p.13] (fig. II-5): performants (Minergie, Minergie-Eco), très performants (Minergie-P, Passivhaus et Effinergie) et zéro énergie ou à énergie positive (Zero Energy Building). Figure II-5:Comparatif des consommations d'énergie des différents labels et du parc existant (Source : MINERGIE, 2012) Les labels de performance énergétique en générale reposent sur un même principe, à savoir, la réduction des besoins énergétiques et la production du complément des besoins via de systèmes efficaces utilisant diverses sources d’énergie, y compris des énergies renouvelables. Les besoins de chauffage sont réduits grâce à une amélioration de l’isolation thermique, la réduction des ponts thermique, et une bonne étanchéité à l’air. Ainsi, Le confort d’été est traité par des solutions passives, associées dans certains cas à des systèmes de rafraîchissement performants. II-3.2.5. Des labels globaux (plus larges) : D’autres labels et approches globales prennent en compte l’interaction du bâtiment avec son environnement selon un point de vue plus large, l’aspect énergétique ne forme qu’une partie de ces interactions, tel que : la méthode LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) [LEED, 2012] en États-Unis d’Amérique, CASBEE (Comprehensive Assesment System for Building Environmental Efficiency) [CASBEE 2012] au Japon, BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assesment Method) [BREEAM 2012] en Grande Bretagne et la démarche HQE (Haute Qualité Environnementale) [HQE,2012] en France. 35 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Ces méthodes permettent d’évaluer l’impact environnemental de différents types de bâtiments (immeubles de bureaux, logements, surfaces commerciales et bâtiments industriels). Ainsi, elles intègrent la dimension de performance énergétique comme exigence environnementale à satisfaire, sans fixent aucun objectif de performances, seulement les organismes certificateurs qui proposent des référentiels. Ces démarches sont volontaires, fondée sur la responsabilité des acteurs, et en premier lieu du maître d’ouvrage, elles proposent des critères de performances environnementales nombreux et variables selon la démarche, la HQE par exemple définit 14 critères (cibles) Chaque cible se décompose en cibles élémentaires, La quatrième cible concerne la gestion de l’énergie qui se décompose en quatre cibles élémentaires [assohqe, 2012]: Renforcement de la réduction de la demande et des besoins énergétiques. Renforcement du recours aux énergies environnementalement satisfaisantes. Renforcement de l’efficacité des équipements énergétiques. Utilisation de générateurs propres lorsqu’on a recours à des générateurs à combustion. II-4. Les bâtiments performants : Suite à la présentation des différents labels de performance énergétique, on peut présenter, maintenant, les divers concepts des bâtiments performants qui sont encadrés par ces labels. En effet, ces bâtiments sont classés en trois catégories de même que les labels qui leurs associent : bâtiments performants, bâtiments très performants, et bâtiments zéro énergie ou à énergie positive. II-4.1. Le bâtiment basse consommation (BBC) : En Anglais “low energy house”. Ce terme est généralement utilisé pour désigner des bâtiments dont des performances énergétiques sont supérieures à celles des bâtiments standards [LAUSTENS J. 2008, p.65]. Les bâtiments d’habitation sont BBC (selon le label Effinergie) lorsque la consommation d’énergie primaire est inférieure à 50 kWh/m²/an pour les postes suivants : Chauffage, Eau Chaude Sanitaire, Ventilation, Eclairage et Refroidissement. Cependant La consommation énergétique globale des bâtiments à usage autre que d’habitation (tertiaire,…) ne doit pas dépasser 50 % de la consommation conventionnelle de référence de la RT 2005. D’après l’association Effinergie, ce niveau de performance peut être atteint par l'optimisation de l'isolation, la réduction des ponts thermiques et l'accroissement des apports passifs. Ce concept ne comprend a priori aucun moyen de production local d'énergie, sans toutefois l’exclure. 36 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Figure II-6:Des logements sociaux BBC-Effinergie à la commune de La terrasse. (Source : MAES P. 2010) II-4.2. Le bâtiment passif : En anglais “Passive House”, en allemand “Passivhaus”. Le concept de bâtiment passif a été développé dans les années 1970 et formalisé en 1985 par le Pr. Bo Adamson de l’université de Lund (Suède) et Wolfgang Feist de l’institut de logement et de l’environnement (IWU) de Darmstadt (Allemagne). Figure II-7 : Ecole passive à Beernem,Buro II. (Source : Passiefhuis-Platform vzw, 2012) Figure II-8: Maison passive à Kalmthout, artmen. (Source : Passiefhuis-Platform vzw, 2012) Le bâtiment passif désigne [LAUSTENS J. 2008, p.66] un bâtiment garantissant un climat intérieur confortable aussi bien en été qu’en hiver sans recours aux systèmes de chauffage ou de refroidissements actifs ; c’est à dire les apports passifs solaires et internes et les systèmes de ventilation suffisent à maintenir une ambiance intérieure agréable toute l’année. 37 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Pour réaliser cela on prend en considération les principes suivants [PMP21, 2012]: le solaire passif : l’utilisation passive du rayonnement solaire. La sur-isolation : une isolation thermique particulièrement performante, une absence des ponts thermiques et une étanchéité à l’air très élevées. La récupération de la chaleur et le chauffage d’appoint : un système d’aération approvisionne constamment en air frais. L’efficacité électrique et énergies renouvelables : grâce à des appareils électroménagers performants et une installation solaire thermique. Ce bâtiment très faiblement consommateur d’énergie ; 80% de moins d’énergie de chauffage que les construction existants ou neuves traditionnelles (fig.II-9), il n’a pas besoin de plus de 15 kWh par m2 et par an de chauffage, que la consommation d’énergie primaire ne doit pas dépasser la valeur de 120 kWh par m2 et par an et que l’étanchéité à l’air soit efficace avec un paramètre n50 < 0,6 h-1. Figure II-9:Comparaison entre les indices de performance énergétique en kwh/m2.an (Source : Plate-forme Maison Passive, 2012) 21 PMP : La Plate-forme Maison Passive (www.maisonpassive.be), et son équivalent en Région Alamande, la Passiefhuis-Platform (PHP), sont des associations sans but lucratif, indépendantes et neutres. Leur objectif est de stimuler la réalisation de bâtiments à très faible besoin en énergie, basée sur le concept de la maison passive. Elles sont également les organismes certificateurs partenaires des régions, la certification étant nécessaire à l’obtention des primes et de la déduction fiscale. Cette démarche de certification est donc adoptée par le propriétaire sur une base volontaire (et motivée par la réception des avantages en découlant). 38 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. II-4.3. Le bâtiment zéro énergie : En anglais “zero energy house”. Le bâtiment zéro énergie combine de faibles besoins d’énergie à des moyens de production d’énergie locaux. Sa production énergétique équilibre sa consommation. Ce bâtiment est quasi autonome en énergie sur l'année (son bilan énergétique net annuel est donc nul), il obtient tous ses énergies requise par d’énergies solaire et d'autres sources d'énergie renouvelable et il présente des niveaux d’isolations supérieurs à la moyenne [LAUSTENS J. 2008, p.71]. Les maisons zéro énergie se chauffent en général par des panneaux solaires thermiques, avec l’appoint fourni par une pompe à chaleur alimentée en électricité. Les panneaux photovoltaïques sont donc dimensionnés par les besoins en électricité de la pompe à chaleur, additionnés par les autres besoins électriques. Le principe de la maison à énergie zéro est donc complètement différent de celui de la maison passive, puisqu’il consiste en une compensation de la consommation totale, quelle qu’elle soit, et non en une optimisation des conditions favorisant la sobriété énergétique de la maison. Le bilan de consommation de la maison à énergie zéro prend en considération 5 usages principaux que sont le chauffage, la climatisation éventuelle, la production d'eau chaude sanitaire, l'éclairage et les auxiliaires. Cette consommation doit tendre vers l'objectif [CLIMAMAISON., 2012] : Maison énergie zéro (5 usages) = consommation env. 0 à 15 kWh/m².an, en énergie primaire. Maison énergie zéro (tous les usages, compris appareils électriques, ...) = env. 100 kWh/m².an, en énergie primaire. Figure II-10: maison “zero energy” (source : RUELLE, F., 2008) 39 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. II-4.4. Le bâtiment à énergie positive (BEPOS): Le bâtiment à énergie positive est un bâtiment dont le bilan énergétique global est positif (il dépasse le niveau zéro énergie), c'est-à-dire qu’il produit plus d’énergie (thermique ou électrique) qu’il n’en consomme. L’énergie complémentaire peut être soit stockée afin d’être consommée ultérieurement, soit réinjectée au réseau de distribution d’électricité pour être revendue [THIERS S., 2008, p.15]. Pour qualifier un bâtiment qui serait à énergie positif [ADEME, 2009, p.2], deux indicateurs énergétiques sont retenue : Le bâtiment doit être sobre en énergie hors production locale et à faible contenu carbone. La consommation totale d’énergie primaire du bâtiment doit être compensée en moyenne par la production locale d’énergie. Figure II-11: logements collectif à énergie positive à Freiburg. Allemagne. (Source : THIERS Stéphane, 2008) Cela se traduit par de nombreux éléments à traiter : La définition du périmètre spatial de l’objet à énergie positive et la gestion des flux énergétiques : bâtiment, parcelle, groupe de bâtiments… ; L’optimisation de la conception bioclimatique du bâtiment ; La mise en œuvre d’une enveloppe multifonctionnelle (isolation, production, stockage…) ; La définition du périmètre des consommations à prendre en compte et la manière de les comptabiliser ; La prise en compte de la production d’énergie renouvelable ; Le contrôle systématique de l’étanchéité à l’air et des ponts thermiques à la fin des travaux ; 40 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Le renforcement des exigences sur le confort d’été ; Le suivi du bâtiment en exploitation avec l’introduction d’instruments de mesure permettant un suivi des consommations. En résumant, les différents concepts décrits dans cette partie convergent autour l’amélioration de l’efficacité énergétique du bâtiment et la valorisation des ressources énergétiques locales. Leurs caractéristiques principales sont : Le besoin énergétique annuel de chauffage, rapporté à une surface, généralement la surface chauffée. La consommation d’énergie, également par unité de surface, pouvant inclure le chauffage, mais aussi l’eau chaude sanitaire, l’éclairage, la ventilation, les auxiliaires, voire les autres usages de l’électricité, cet indicateur étant le plus souvent exprimé en énergie primaire. La production d’énergie à partir de ressources renouvelables. l’étanchéité du bâtiment à l’air les performances des équipements et des matériaux mis en œuvre. Les concepts diffèrent surtout par les niveaux d’exigence22 de chacun d’eux vis-à-vis de ces caractéristiques. Ces niveaux d’exigence constituent des critères permettant de vérifier si les objectifs du concept sont atteints. Par ailleurs, les bâtiments performants se basent, avant tout, sur une approche bioclimatique pour favoriser les apports solaires passifs nécessaires à la réduction des besoins de chauffage. Ainsi, La situation, l’orientation, la compacité du bâtiment, la position et la performance des vitrages doivent donc être optimisés. Pour cela, il est fondamentale d’évoquer ce concept qui est couramment rencontré : II-4.5. Les bâtiments bioclimatiques : L’architecture bioclimatique cherche de la meilleure adéquation entre le bâtiment, le climat et ses occupants pour réduire au maximum les besoins énergétique non renouvelable [LIEBARD A. et DE HERDE A., 2005, p.60]. Le bâtiment bioclimatique tire parti du climat (fig.II-12) afin de rapprocher au maximum ses occupants des conditions de confort avec des températures agréables, une humidité contrôlée, un éclairage naturel, et permet de réduire les besoins énergétique (chauffage ou climatisation). 22 Le niveau d'exigence et les spécificités géographiques locales expliquent la variété des critères considérés. 41 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Figure II-12: Illustration de quelques principes d’architecture bioclimatique (implantation et organisation spatial) (source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005) Ce type d’architecture consiste à (§.IV-3) : Utiliser la chaleur de soleil pour chauffer en hiver (stratégie du chaud) : le concepteur prend en compte l’orientation, la disposition des pièces, le positionnement des ouvertures afin de profiter au maximum de l’énergie du rayonnement solaire. Garder la fraicheur en été avec une bonne isolation, une protection solaire et une minimisation des apports (stratégie du froid) : le concepteur calcule et dispose des masques (avancées de toiture, brises soleils, végétation à feuilles caduques) qui viennent protéger les parties vitrées. Il étudie aussi les possibilités de ventilation naturelle afin de créer des circulations d’air frais dans les espaces intérieurs. Valoriser l’éclairage naturel (stratégie de l’éclairage naturel) : cette stratégie vise à mieux capter la lumière naturelle et faire la pénétrer, puis à mieux la répartir et la focaliser. Le concepteur veillera à contrôler la lumière pour éviter la gêne visuelle (éblouissement, fatigue). La conception bioclimatique d’un bâtiment permet de satisfaire les quatre fonctions principales : Capter le rayonnement solaire. Stocker l’énergie ainsi captée. Distribuer cette chaleur dans le bâtiment. Régulier cette chaleur. 42 PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Chapitre II: Bâtiment à Haute Performance Energétique HPE. Figure II-13: lotissement de maisons bioclimatiques jumelées à Kriens. (Source: Roberto GONZALO Karl J. HABERMANN, 2008) II-5. Conclusion : Les différents labels sont des indicateurs de performances énergétiques basées sur des référentiels (niveau de performance). En effet, ils représentent un levier très important pour le développement de technologies innovantes (pompes à chaleur, capteurs solaire, ventilation double flux,…). Mais, cela implique le domaine de l’ingénierie plus que le domaine d’architecture. Par ailleurs, les méthodes et les labels globaux visant à réduire l’impact des constructions sur l’environnement (en particulier : LEED, CASBEE, BREEAM, HQE) évaluent le bâtiment en tant que (construit) plutôt qu’en tant que (conçu), et qu’elles ne permettent pas d’orienter la conception en phase préliminaire. Les bâtiments performants ont tous un point commun : ils se veulent de garantir un confort plus important à leurs occupants et de réduire les besoins énergétiques par une conception architecturale bioclimatique et par l’usage de technologies plus efficaces. Ces concepts des bâtiments sont définis par un ensemble d’objectifs (niveau de performance à atteindre) et de solutions techniques destinés à guider le concepteur. Ce dernier, en s’appuyant sur divers outils d’aide à la conception, associe des techniques, matériaux, structures et équipements de manière à atteindre au mieux les objectifs fixés. Donc, afin de concevoir des bâtiments performants, il apparait plus efficace de prendre en considération l’aspect environnemental et la performance énergétique en particulier dans les phases amont de la conception. Pour cela, le prochain chapitre consiste à étudier les processus de la conception architecturale et la manière d’intégration de l’aspect de la performance énergétique dans ces processus pour avoir une méthode de conception des bâtiments à haute performance énergétique 43 CONCLUSION DE LA PREMIERE PARTIE PREMIERE PARTIE : Consommation énergétique et bâtiment HPE. Conclusion de la première partie partie. Conclusion de la première partie: Dans cette partie, nous avons présenté le contexte énergétique du monde et d’algérien. On a ciblé le secteur du bâtiment, parce que ce secteur et son usage présentent de nombreux inconvénients, et tout particulièrement pour l’environnement. En effet c’est le secteur le plus consommateur d’énergie et le plus émetteurs des gaz à effet de serres. Les chiffres parlent d’eux-mêmes. A cet égard, il apparait bien que le secteur du bâtiment est l’un des acteurs majeurs de l’intégration du développement durable et présente un très fort potentiel d’amélioration d’efficacité énergétique. Ensuite, nous avons dressé l’état de l’art des bâtiments performants en termes de réglementation thermique, de labels, de caractéristiques, d’applications et de technologies. Cet état de l’art montre que les démarches du bâtiments à basse consommation d’énergie, reposent sur un même principe, à savoir, la réduction des besoins énergétiques et la production du complément des besoins via de systèmes efficaces utilisant diverses sources d’énergie, y compris des énergies renouvelables. Cette réduction des besoins énergétiques est atteinte par une conception architecturale bioclimatique et par l’usage de technologies plus efficaces. Donc, le poste prioritaire d’investissement d’efficacité énergétique doit être dédie à la conception architecturale performante. Cette dernière doit prendre en considération l’aspect environnemental en générale et l’aspect énergétique en particulier dans les processus de conception architecturale du bâtiment. Donc, dans quelle étape de processus de conception architecturale du bâtiment doit-on intégrer l’aspect énergétique, comment l’intégrer, et quels sont leurs exigences ? Ces questions représentent les préoccupations de la prochaine partie (la deuxième partie). 44 LA DEUXIEME PARTIE Conception architecturale et performance énergétique. DEUXIEME PARTIE : Conception onception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. CHAPITRE III : III- La conception architecturale et ses es processus Dans ce chapitre, on décrit le processus de projet architectural. Nous focalisons notre recherche sur le processus de conception architecturale afin d’identifier l’étape (ou les étapes) durant laquelle on doit intervenir pour atteindre l’efficacité énergétique du bâtiment et la minière adéquate de cette intégration. Après la compréhension de ces modes de pensées utilisées par les concepteurs, nous proposons la nature de l’outil adéquat d’aide à la conception énergétique des bâtiments performants avec leurs besoins. DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. La conception architecturale et ses es processus III- 1. Introduction : La conception d’une manière générale et particulièrement en architecture représente un domaine vaste et complexe qui a fait l’objet des nombreux travaux de recherche et d’investigation, tel que ceux de Philipe Boudon, Michel Conan, Robert Prost, Jean Charles Lebahar, Pierre Fernandez, etc. La conception désigne un état (le projet) et un processus (le cheminement qui permet d’accéder au projet), ce dernier nécessite la manipulation des données nombreuses et hétérogènes. Donc, nous semble que la connaissance du processus de projet architecturale ainsi que les différentes phases opérationnelles qui le compose est primordiale. En effet, cela nous permet de comprendre les pratiques des concepteurs concernant l’intégration des aspects relatifs à la performance énergétique et au confort thermique dans le processus du projet architecturale. Pour cela, dans ce chapitre, notre objectif n’est pas de constituer une définition précise de la conception et n’est pas de faire une analyse comparée des théories du processus de conception en architecture, mais nous nous intéressons dans un premier temps au processus du projet qui englobe l’ensemble des étapes dans l’élaboration d’un projet architecturale. Dans un second temps, nous ciblons notre étude sur le processus de conception, phase décisive dans laquelle les choix et décisions pris par le concepteur. Nous terminerons par la présentation des méthodes et des outils d’aide à la conception architecturale disponibles, et l’approche utilisée dans ce travail. 45 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. III- 2. Le processus de projet architectural: D’prés Robert Prost (1992) la conception est une activité d’énonciation et de résolution de problème. L’énonciation du problème est une étape première qui guide la recherche de solution. La résolution du problème précise les solutions [SALLE Nadia, 2007, p.45]. III- 2.1. Les étapes de processus de projet architectural : Robert Prost décompose le processus du projet d’architecture en quatre étapes successives majeures [SALLE N., 2007, p.45] [FERNANDEZ P., 1996, p.19] [FERNANDEZ P., 2009, p.39]: La formulation de problème : posé par le projet architectural, cette étape a pour objectif de relever les contraintes et d’identifier les particularités de la situation concernée. La formulation de solution : qui équivaut à la résolution de problème, cette étape a pour visée de spécifier une solution. Ceci se fait notamment en résolvant des conflits entre contraintes. La concrétisation de solution : cette étape correspond à la matérialisation des solutions architecturales qui sont à la base des objectifs énoncés. L’appropriation de solution : cette dernière étape a pour marquer l’avènement de l’architecture en une œuvre. Parallèlement à ces quatre étapes importantes, il y a les quatre grandes étapes du projet d’architecture : la programmation, la conception, la réalisation du chantier et l’utilisation de l’équipement. Ces étapes « constituent le cœur de ce que nous appelons le processus de projet architectural et urbain, plus large que le processus de conception » [FERNANDEZ P., 2009, p.39].donc le processus de projet dans le domaine d’architecture est décrits selon le schéma suivant (fig.III-1) (ce modèle de processus est assimilé au modèle proposé par Pahl et Beitz (1984) et ce de Michel Conan (1990).cité par SALLE N. (2007), (voir Annexe-III. A)). Figure III-1 : Processus de projet architectural et urbain (source : FERNANDEZ P., 2009) 46 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. III- 2.2. Enjeux énergétique dans le processus du projet : Afin d’approcher au mieux les enjeux en question, il faut assurer la cohérence entre les quatre étapes du processus et de le mettre en parallèle avec l’intégration de l’aspect (composante) énergétique23, tout au long du processus du projet architecturale24, sous divers formes répondant aux attentes de chaque étape (fig.III-2) : La phase de programme (formulation du problème) : Elle fait suite à une décision politique. L’aspect de performance énergétique est abordé à travers les attentes et les objectifs souhaités et mis en avant par l’équipe de maitrise d’ouvrage25. Il devient essentiel d’établir un cahier des charges de performance énergétique qui vient enrichir les documents de programmation. Lors de ces phases opérationnelles (programmation, implantation), Ce cahier des charges va décrire clairement les caractéristiques de programme spécifique du site, et celles de l’opération mis en place avec ses exigences fonctionnels et techniques (exigences de confort thermique, de confort lumineux, d’efficacité énergétique, référence aux réglementations, solutions techniques souhaitées ou exigées, etc.). La phase de conception (formalisation de la solution) : Réalisée par les professionnels de la maitrise d’œuvre26. Ces derniers vont baser sur les exigences et les recommandations énergétiques définies dans le programme fourni par le maitre de l’ouvrage. Durant cette phase, la composante énergétique est intégré en fonction du dialogue quelle entretient avec les autres composantes du projet (la forme, orientation, dispositifs architecturaux,…). Elle est prise en compte dès les premières phases du processus de conception : Esquisse, Avant-Projet Sommaire (APS) ( à travers la réflexion sur la relation du bâtiment avec son environnement immédiat, sur l’esthétique et l’image du bâtiment sur l’aspect constructif retenu, exigences demandées, …) jusqu’aux phases de détail : Avant-Projet Détaillé (APD), Etude de Projet et Dossier de Consultation des Entreprises (PRO / DCE) et Assistance aux Contrats de Travaux (ACT) (où les détails techniques sont approfondis afin de répondre aux attentes architecturales des dispositifs mis en place). Qui a une relation judicieuse avec le confort notamment thermique. Selon FERNANDEZ P. (2009), toute tentative d’intégration des enjeux énergétiques et environnementaux dans la seule phase de conception est nécessaire mais non pas suffisante. 25 Le maitre d’ouvrage Est la personne morale (l’Etat et son établissement publics, les collectivités locales…), pour laquelle l’ouvrage est construit. Il est le responsable principale de l’ouvrage. 26 Le maitre d’œuvre est une personne physique ou morale (architecte, bureau d’étude spécialisé ou pluridisciplinaire,…) qui réunit les conditions de qualifications professionnelles et les compétences techniques à l’exécution des opérations de maitre d’œuvre en bâtiment pour le compte de maitre de l’ouvrage. 23 24 47 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. La phase de réalisation (concrétisation de la solution) : La mise en œuvre de la solution (exigences énergétiques, dispositifs architecturaux,…) doit être organisé, contrôler et évaluer l’état final de l’opération. Au cours de cette phase que les mesures de performance énergétique sont relevés à travers : la qualité de mise en œuvre de l’enveloppe (garantir une étanchéité suffisante à l’air, assurer une bonne isolation thermique, éviter soigneusement les ponts thermiques …), des dispositifs architecturaux et des matériaux de construction choisis (tout en prenant en considération leurs bilans carbone, leurs inertie thermique, leurs recyclabilité…). La phase d’utilisation (appropriation de solution) : Le comportement des usagers dans la phase d’appropriation des lieux est déterminant sur les enjeux énergétiques et environnementaux du projet : citons par exemple son influence sur le confort et les performances énergétiques (l’énergie primaire utilisée pour la construction des bâtiments varie entre 20 et 30% du total, tandis que l’énergie consommée pendant l’utilisation des bâtiments varie entre 70 et 80% de ce même total) [HAUGLUSTAINE JeanMarie et al. 2006, p.10]. Pour cela, les maitres d’ouvrages, les maitres d’ouvres et les techniciens27 ont à tenir un rôle pédagogique afin de concerter et expliquer aux usagers comment utiliser au mieux et durablement le bâtiment qui devient le leur. Figure III-2 :L’intégration de l'aspect de performance énergétique dans le processus de projet, d’après le schéma de Fernandez P. (2009) 27 Les techniciens participent sur des aspects restreints. 48 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Dans notre recherche, et parmi les différentes étapes de processus de projet architectural, nous allons préoccuper par la phase de conception où les choix et les décisions importantes sont pris. Ces décisions vont influencer profondément le comportement du bâtiment en termes de consommation énergétique et de confort notamment thermique. III- 3. La phase de la conception architecturale (étape décisive) : Avant de décrire les phases de la conception architecturale, il est primordial de comprendre l’activité de conception et les raisonnements du concepteur lors de l’élaboration du projet architecturale. III- 3.1. La conception : III- 3.1.1. Généralité : La conception est définit comme une activité visant à imaginer (activités mentales et cognitifs) et à réaliser (relève également de l’action) en temps fini des produits appelés « artefact28 », dont la finalité est de satisfaire les besoins de l’Homme [LAAROUSSI A., 2007, p.16]. En effet, elle est une action humaine qui correspond à une création originale de quelque chose de nouveau suivant à un processus. La conception est une activité complexe, cette complexité est due à ses propriétés dialogiques parce qu’elle est à la fois [LAAROUSSI A., 2007, p.17] : 28 Contrainte (le concepteur doit répondre à un besoins qui s’exprime par un ensemble de contraintes qui sont généralement réunies dans un cahier des charges) et créative (on ne peut prédire son résultat et son cheminement malgré les nombreuses contraintes qui pèsent sur elle. Cette créativité nous montre la différence des propositions conçus par des différents concepteurs, malgré les cahiers des charges fournis sont identiques. cognitive (pour la résolution du problème de la conception, le concepteur procéde à les activités suivantes : la construction d’une représentation mentale de problème, développement de la solution et évaluation de cette solution) et productive (puisque le concepteur ne peut concevoir sans produire des supports et des environnements externes, appelés « objets intermédiaires ») individuelle (l’activité de la conception est attachée à un acteur central : l’architecte dans la construction ou plus généralement l’inventeur ou l’artiste) et collective (mais aussi, elle est une situation d’interaction entre plusieurs concepteurs guidées par : la coordination et la communication). L’artefact peut être un objet technique, un service ou un environnement. 49 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. coopérative (les concepteurs travaillent simultanément, non conjointement, mais en parallèle, sur un projet de conception. Chacun accomplit une des différentes tâches dans lesquelles le projet a été décomposé préalablement et qui lui a été allouée. Chacun a ses propres sous-buts, tout en connaissant le but commun final) et collaborative (les concepteurs travaillent conjointement sur le projet de conception. Ils partagent un but commun identique, à l’atteinte duquel chacun contribue selon ses compétences spécifiques). III- 3.1.2. La conception en architecture : ADOLPHE, L. (1991) souligne que « La conception architecturale est un acte complexe qui exige la transformation d'un corps initial d’information insuffisant (problème mal défini), en un corps final qui permettra de communiquer formes et dimensions de l'édifice à un chantier » [BARROSO-KRAUSE C., 1995, p.12]. C’est l'acte de transformer un brouillard consistant d’intuitions, d'acquis et de désirs en une forme concrète à bâtir. La conception en architecture constitue un cas particulier de conception, avec des caractéristiques spécifiques par rapport à d’autres formes de conceptions (musicale, littéraire, sculpturale,…), Parmi ses caractéristiques [SILVESTRI C., 2009, p.29] : Matérialité : son objectif est la conception d’un ou plusieurs objets physiques (artefacts) à réaliser matériellement, grâce à une certaine technologie. Qualités formelles et spatiales : Le processus de conception en architecture concerne essentiellement des qualités formelles. Il s’agit de l’élaboration d’une certaine forme (à être réalisée matériellement) qui doit répondre à l’ensemble des besoins et des contraintes. En même temps, évidemment la conception en architecture partage aussi des caractéristiques avec les autres formes de conception dans les aspects plus générales. III- 3.2. Le processus de la conception architecturale : Beaucoup sont les auteurs qui ont développé des études qui cherchent à comprendre et discuter Le processus de la conception architecturale (théories, mode de résolution des problèmes, modelés,…). Ces études sont un peu loin de notre objectif qui vise essentiellement de définir les étapes primordiales pour intégrer la question de performance énergétique et de confort thermique dans les processus de la conception architecturale. Ainsi, la manière et la forme de cette intégration. Cependant, on verra brièvement le rôle des données dans l’activité de conception, les types de raisonnement utilisé par les architectes pendant les différentes étapes de son travail créatif et quelques modèles du processus de la conception architecturale (la métaphore de la spirale). 50 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. III- 3.2.1. Les Connaissances, les données, les exigences et les contraintes dans le processus de la conception architecturale : Le travail de conception architecturale est considéré comme un processus29 créatif, basé sur la connaissance. Ce que affirmé par plusieurs auteurs [SALLE N., 2007, p.45] : Jean Charles Lebahar a considéré la conception comme une construction cognitive basée sur des connaissances en vue de produire des informations qui définissent les attributs du nouvel artefact. Cette définition met l’accent sur la relation qui s’opère entre l’exploitation des connaissances qui produisent des informations avec l’élaboration des caractéristiques de l’artefact. Hatchuel et Weil ont considéré la conception comme une activité consiste à spécifier progressivement un concept en le validant et en lui ajoutant des propriétés issues de l’espace des connaissances. Robert Prost a considéré la conception comme une activité d’énonciation et de résolution de problèmes. Cette définition met l’accent sur la posture intellectuelle qui vise à questionner une situation, un contexte, voire des connaissances, dans le but de satisfaire à un objectif préalablement identifié. Ainsi, il a défini cette activité par « L’acte de conception relie la connaissance à l'action, la création à l'invention » [HALIN G., 2004, p.13]. Donc, ces connaissances et données manipulées lors de l’activité de conception sont nécessaires pour conduire le processus de conception. Celles-ci sont nombreuses et hétérogènes et peuvent être de plusieurs types [KACHER S., 2005, p.15]; certaines sont issues du programme donné par le maître d’ouvrage (les données programmatiques), d’autres proviennent de contexte de conception et de contexte de production (les données contextuelles) ou encore qui appartiennent à la culture propre du concepteur (les données référentielles) (fig.III-3). En résume, et selon un autre point de vue, les données manipulées pour l’élaboration du projet architecturale peuvent être regroupées en deux catégories ; la premières est spécifique au contexte (objectives) et la deuxième est spécifique au concepteur (subjectives) : A. Les données objectives : telles que le lieu, le site, le climat, le programme (quantitative et fonctionnelle), la réglementation, les exigences attendues, etc. Selon CHUPIN (2002) cité par [HALIN G., 2004] et JONES (1980) cité par [BEN ABDELFATAH M., 2010, p.63], Ce type de données peut être symbolisé par la boite de verre qui caractérise la dimension rationnelle. Cette dimension prend en compte les données fournies, les analyse, les synthétise et les évalue afin d’obtenir la solution optimale. 29 C’est-à-dire l’ensemble des actions menant un architecte à la constitution du projet. 51 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. B. Les données subjectives : qui correspondent aux choix des concepteurs, aux concepts, aux références et à la façon de les analyser. D’après CHUPIN (2002), ce type de données peut être symbolisé par la boite noire qui caractérise la dimension irrationnelle, la face cachée et obscure de la conception. Cette dimension dépend de l’être humain, de ce qu’il comprend, de son mode de raisonnement, de ses références, etc. L’architecte commence à organiser cette masse d'informations selon son style et en utilisant des images mentales retenues dans le cadre de ses choix culturels, budgétaires, etc. (fig.III-3). Figure III-3 : les données et les informations organisées par le processus mental du concepteur dans la phase de la conception Cette activité mentale est nommée « le raisonnement » qui connait quatre types [IORDANOVA I., 2008, p.18] : Le raisonnement à partir d'activité inférentielle30 (déduction, induction), Le raisonnement à partir d’activités de jugement31 (évaluation, prédiction), le raisonnement par analogie32 (transfert entre source et cible) et Le raisonnement à partir d’activités de diagnostic33 (analyse, planification de l'action). 30 Élaboration par le concepteur, à partir d’informations de départ, d’informations nouvelles sur une thématique donnée. Ces activités sont intériorisées et permettent d’accumuler des connaissances. 31 Évaluation des informations par le concepteur qui exprimera alors ses préférences : choix d’options, hiérarchisation et classement des options, pondérations,… ou des prévisions : estimation de probabilités. 32 Transfert des connaissances et informations d’une "situation source" qui est maitrisée par le concepteur à une "situation cible" qui a pour principale caractéristique d’être une situation analogue à la "situation source". 33 Analyse des données afin de valider des solutions : "de la détection à l’action". 52 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Pierre Fernandez souligne que les architectes auront recours à l’ensemble de ces raisonnements à un moment donné du projet, même si leur sensibilité les amène à privilégier naturellement l’un ou l’autre d’entre eux [FERNANDEZ L., 2010, p.63]. Donc, afin de proposer des outils pertinents d’aides à la conception, nous devons tenir compte de ces 4 types, notamment les raisonnements à partir d’activités inférentielles et par analogie. III- 3.2.2. L’analyse et le diagnostic antérieur à la conception : Les données mentionnées précédemment, constituent le point de départ du travail de conception. Elles sont insuffisantes, parfois incertaines et inexploitable directement. Donc ces données nécessitent du concepteur une interprétation (analyse et diagnostic) dont le résultat guidera le projet. Cet analyse consister à étudier d’un climat34(le comportement des éléments climatiques,…), d’un site (les potentialités locales, les sensibilités, les contraintes,…) et d’un cahier des charges (objectifs, désirs, exigences,…). Dans ce contexte, et pour avoir une vision globale dans l’élaboration du projet architecturale, on abordera une phase précédente à la phase de la conception (fig.III-4) : celle qu’on appelle la phase d’analyse et diagnostique antérieur à la conception. L’addition de cette dernière a une importance pour le bon développement du projet. L’objectif de cette phase est d’établir et de hiérarchiser les partis (en d'autres termes, les concepts du projet), les meilleurs axes de conception à suivre et les stratégies les plus réussies. Les éléments repérés pendant cette phase, seront considérés comme des contraintes ou atouts dans le processus de conception. L'architecte est alors en train de minimiser les inconvénients rencontrés (voire de les annuler), et d'utiliser les atouts. Pour cette composition optimale, il a besoin d'un va et vient continu entre la phase d’analyse et de diagnostic et les phases de la conception architecturale qui la suivent (telle que illustre la figure au-dessous (fig.III-4)). Figure III-4 : l'addition de la phase d'analyse dans les processus du projet. D’après le schéma de Fernandez P. (2009) 34 Qui n’est pas accessible par la majorité des architectes. 53 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Il est observé qu'en fait, l'Étape d'Analyse, elle exerce une grande influence sur les étapes subséquentes, en définissant l'orientation générale du projet, et par conséquent, influencer de façon décisive la qualité de la construction. III- 3.2.3. Les différentes étapes du processus de la conception architecturale : Le processus de la conception architecturale représente la façon dont l'architecte synthétise toutes les données (§ III-3.2.1) issues d'une part du potentiel du site, et d'autre part du cahier des charges, synthèse effectuée selon son expérience et son style personnel. Ce processus et sa modélisation fait l’objet de nombreuses études, initiées par H.A. SIMON et ont été synthétisés par Michel CONAN. Elle a toujours été considérée comme un processus complexe de par leurs itérations35 et leur difficile modélisation, parce que la variation dans le processus créatif d’un architecte à un autre provoque une variété dans les modèles illustrés de diverses façons (voir annexe-III. A). Dans notre recherche, nous nous basons sur le processus de la conception architecturale définit par la loi MPO36 (France) et l’arrêt interministériel du 15 mai 1988 portant les modalités d’exercice et de rémunération de la maitrise d’œuvre en bâtiment (Algérie). Ce processus est découpé dans un but de Contractualisation, en diverses phases (fig.III-5), caractérisées surtout par le niveau de détail atteint [MOP, 2011, p.64]. ESQuisse / DIAGnostic : proposition d’une ou plusieurs solutions traduisant les éléments majeurs du programme ; indication des délais de réalisation ; vérification de la faisabilité de l'opération. Avant-Projet Sommaire (APS) : composition générale en plan et en volume ; appréciation des volumes intérieurs et de l'aspect extérieur de l'ouvrage ; proposition de dispositions techniques ; précision du calendrier de réalisation. Avant-Projet Détaillé (APD) : détermination des surfaces détaillées de tous les éléments de programme, plans, coupes et façades ; principe constructif, matériaux et installations techniques ; estimation définitive du coût prévisionnel des travaux en lots séparés. PROjet (PRO) : spécifications des formes des différents éléments de la construction, la nature des matériaux et leur mise en œuvre ; coordination des informations nécessaires à l'organisation spatiale des ouvrages ; établissement du coût prévisionnel et du délai global des travaux. 35 La série d’allers et retours existante entre la définition de l’espace problématique et la définition de l’espace de solution. 36 Loi MOP : Loi sur la Maîtrise d’Ouvrage Public. 54 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Assistance pour la passation des Contrats de Travaux (ACT) : préparation de la sélection des candidats et consultation des entreprises, analyse des offres et préparation des mises au point nécessaires à la passation des contrats de travaux. Projet d'EXEcution (EXE) (mission complémentaire à la mission de base) : établissement de tous les plans d'exécution ; spécifications à l'usage du chantier, réalisation des plans de synthèse, élaboration d'un devis quantitatif et d'un calendrier par lot ou corps d'état. Figure III-5 : Les étapes du processus de la conception architecturale selon la loi MOP, 2011 Ces différentes étapes consistent à la mise en place de concepts architecturaux ainsi que leur formalisation et leur étude technique. Chacune de ces phases aboutit à un ensemble de documents graphiques et administratifs. La dernière phase de cette étape se finalise par un dossier d’exécution complet et détaillé nécessaire à la réalisation du projet. III- 3.2.4. Etapes décisives du processus de conception architecturale : (et leurs impact sur la performance du bâtiment) Afin de concevoir de meilleurs bâtiment (plus confortable de point de vu thermique et à moindre consommation énergétique), les choix réalisées tout au long du processus conception doivent être pertinentes et de qualité. Telle que le schématise la figure ci-dessous (fig.III-6) [BARROSO-KRAUSE C., 1995, p.14] [MOUGENOT C., 2008, p.41] [HANNACHI-BELKADI N-K., 2008, p.28], qui illustre les niveaux de La liberté de conception (la possibilité de modification) et de connaissance du problème de conception, en fonction des phases du processus de conception. Cette figure exprime que la liberté de conception du projet architectural diminue au fur et à mesure qu’il avance dans le temps (l’évolution du processus de conception), alors que la densité d’informations disponibles augmente. Dans les phases amont, le concepteur va manquer d’informations pour traiter un problème ou apporter une modification effective et définitive. Plus le projet avance, plus l’information est disponible, par contre celui-ci va manquer de liberté d’action, et le traitement des problèmes en sera plus coûteux. 55 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Figure III-6 : étapes décisives de conception, d’après le schéma de DIAB Y. (2000) (Possibilités de modifications d’un projet dans le temps) (source : HANNACHI-BELKADI N-K., 2008) On constate donc que la latitude de conception (choix conceptuels) est à son maximum en début de processus de conception, cependant le manque de liberté37 dans les phases avales de ces processus. Ainsi le rôle des informations et de la connaissance (§ III-3.2.1) est déterminant dans les phases amont (esquisse et prémices de l’avant-projet sommaire) de la conception. Celle-ci nous montre clairement que les phases amont sont des étapes décisives (que nous les visons dans notre recherche) pour la conception concernant les questions relatives à la performance énergétique, et les informations utilisées dans ces phases ont donc une importance majeure. Donc, durant ces phases décisives (esquisse et avant-projet sommaire) de conception architecturale, en devant viser la question de performance énergétique et de confort thermique. Dans lesquelles l’architecte doit occuper par les caractéristiques physiques du site et de l’enveloppe du bâtiment. On peut, en effet, disposer des conditions environnementales du lieu où l’immeuble sera construit et des aspects généraux externes de la construction, qui interagisse avec l’environnement. Les conditions environnementales considérées pendant les phases amont peuvent être énumérés [CASTRO E.B.P., 2005, p.11] : La situation géographique du terrain (altitude, latitude, longitude, topographie). L’orientation du terrain les interférences du site (autres constructions, végétation). Les conditions climatiques. La direction et vitesse des vents dominants. La direction de la construction (orientation des façades). Les ombres extérieures liées à l’enveloppe. La difficulté de corriger les dérivés du mauvais choix qui ont un impact négatif sur la performance du bâtiment. 37 56 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Et comme aspects généraux de la construction, disponibles dans ces étapes : La volumétrie externe. L’orientation des façades concernant le terrain et les points cardinaux. Les surfaces externes opaques et vitrées exposée à la radiation solaire. Les surfaces externes ouvertes à la ventilation. Le niveau de masque sur les façades dû à des dispositifs intégrés (dispositifs architecturaux). Les matériaux de construction basiques. Ce sont seulement ces paramètres avec lesquels on peut travailler dans les phases initiales (esquisse et avant-projet sommaire) et qui sont possibles d’être utilisés dans l’analyse des solutions de projet afin de le faire performant énergétiquement. En effet, et d’après Adolphe (1991) cité par [FERNANDEZ L., 2010, p.61], Il est essentiel de viser les premières phases du processus de conception afin d’apporter les données essentielles pour l’élaboration d’un projet de qualité. Mais le concepteur en architecture a besoin de soutien, de méthodes, d’outils d’aide à la conception dans les phases au cours desquelles il n’a pas accès aux diverses informations nécessaires pour faire ces choix. Donc, les outils d’aide à la conception pourraient appuyer et aider à offrir des solutions adéquates et à réaliser des choix judicieux. III- 4. Les outils d’aide à la conception : Les démarches environnementales dans la conception architecturale intègrent de plus en plus souvent à leur méthode de travail des approches et des outils d’aide au projet. Ces outils prennent plusieurs façons telles que les méthodes qualitatives, méthodes globales ou disciplinaires, abaques, évaluations par indices croisés, logiciels simplifiés, outils de simulation physiques complexe, etc. Dans notre recherche, nous présentons l’intérêt et le rôle des différents types d’outils d’aides existant. Ainsi leurs possibilités à s’intégrer au processus de conception, afin de choisir une de ces outils. En termes de classement des outils d’aide au projet, on distingue deux grandes familles selon DEPECKER P. (1985) [FERNANDEZ L., 2010, p.70] : III- 4.1. Les Outils d’aide à la conception : Les outils d’aide à la conception sont nommés aussi règles expertes (savoir-faire) d’après DEPECKER P. et al (2000) cité par [CASTRO E.B.P., 2005, p.12]. Ces outils bordent un problème, une question à un niveau de globalité compatible avec l’objet architectural en cours d’élaboration, en transmettant des savoirs synthétisés. Donc ils sont des connaissances soit générales (relatives au site, à l’enveloppe du bâtiment et au climat) ou locales (composante de l’immeuble) élaborées par des chercheurs, 57 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. professionnels ou des spécialistes, sur un sujet déterminé. Ces connaissances prennent la forme de règles formulées de manière simplifiée38, comme des règles de choix ou bien des règles de tendance de comportement. Celles-ci permettent d’orienter les choix, de donner des orientations, d’indiquer des tendances, de comparer des solutions, de guider le concepteur en architecture. Les outils d’aide à la conception interviennent dans les phases amont du processus de conception (fig.III-7), Ils sont utilisés dans une phase importante : celle où le projet n’est pas encore figé où des modifications sont encore possibles, mais au cours de laquelle les choix primordiaux s’opèrent. En effet, ils représentent une aide pour les choix importants réalisés dans la phase d’esquisse. Ainsi, Ils aident à mieux comprendre et permettent d’échanger avec les différents spécialistes (acteurs) pouvant intervenir dans le projet architectural et urbain. Malgré l’intérêt de ces outils, ils ne sont quasiment pas utilisés par les concepteurs en architecture (à l’exception de certaines agences d’architecture environnementale). Figure III-7 : Phase d’intégration des outils d’aide à la conception dans le processus de conception architectural d’après le schéma de FERNANDEZ L., (2010) III- 4.2. Les Outils d’aide à la décision : Les outils d’aide à la décision sont des codes de calcul permettant de vérifier et de valider des solutions. Ces outils peuvent être considérer comme des outils d’évaluation qui permettent de comparer des solutions et ils représentent une aide à la décision entre plusieurs alternatives. Les outils d’aide à la décision sont déclenchables dans les phases avancées du processus de conception (fig.III-8) lorsque l’état d’avancement du projet est suffisamment important pour offrir l’ensemble des données nécessaires à leur bon fonctionnement. Ils ne sont pas des instruments d’évaluation. Ainsi Ils n’ont pas vocation à remplacer les instruments de calcul. 38 58 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Figure III-8 : Phase d’intégration des outils d’aide à la décision dans le processus de conception architectural d’après le schéma de FERNANDEZ L., (2010) Ils intègrent un grand nombre de données techniques afin de dimensionner et déterminer la nature des éléments architecturaux (systèmes constructifs, ventilation, etc.). Ainsi, ils permettent de quantifier des phénomènes, d’indiquer de la performance, de tester et d’évaluer une proposition. Il y a deux types basiques des outils d’aides à la décision (DEPECKER P. et al ,2000) qui se différent selon le niveau de complexité comme suivant : Codes simplifiés : ce sont des codes de calcul basés à partir de modèles physiques, mathématiques et numériques simplifiés, mais capable de fournir des résultats avec une précision satisfaisante. Se prêtent très bien pour des études de sensibilité et modification de solutions de projet, grâce à un processus de conception interactif (choix – évaluation – modification = nouveau choix), dû à la conception des calculs de performance et des interfaces simplifiées. Codes spécialisés : ce sont des codes de calcul basés à partir de modèles physiques, mathématiques et numériques sophistiqués et très précis, provenant de la recherche universitaire. Pour être utilisés correctement, Ils nécessitent et exigent une grande connaissance des phénomènes thermique, lumineux et de la dynamique des fluides. Ils ne possèdent pas une interface conviviale, et ils présentent une courbe d’apprentissage lente. Il est important de souligner que les outils d’aide à la conception et à la décision (évaluation) sont complémentaires à la fois dans leur approche, leur vision du projet architectural ainsi que dans leur phase d’intégration au cours du processus de conception (fig.III-9). 59 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Figure III-9 : Les phases de la conception architecturale, les outils d’aide corresponds et les Acteurs impliqué. Adapté de QUEIROZ (2002). (Source : [CASTRO E.B.P., 2005]) Les outils d’informatiques de simulation du comportement des bâtiments (thermique, lumineux, ventilation,…) existant actuellement font généralement partie des outils d’aide à la décision et plus précisément des codes spécialisés. Ces outils ne sont pas employés couramment39 par les concepteurs en architecture grâce aux difficultés rencontré qui dû à [CASTRO E.B.P., 2005, p.14] : La forte hétérogénéité des logiques professionnelles et des caractéristiques de la formation constitue un fossé culturel entre l’architecte et le chercheur-scientifique, notamment dans les domaines de la physique et de la thermodynamique. Celle-ci rend la communication entre les deux champs difficile. Le caractère spécialisé des outils informatique et la complexité de leurs interfaces qui est peu conviviale par à rapport à la formation de l’architecte. Les outils informatiques existants exigent un apprentissage plus ou moins long. Ceci représente un inconvénient majeur pour les professionnels du secteur privé qui ont souvent un manque du temps. Et la raison la plus importante est la croyance des architectes que la résolution des problèmes thermique, lumineux, acoustique ou de la ventilation soie facile par un arsenal technologique (climatisation, chauffage, lumière artificiel, ventilation Leur emploi se fait principalement par les assistants à maîtrise d’œuvre ou d’ouvrage et les bureaux d’études afin d’optimiser le projet étudié dans un domaine précis tel que la thermique, l’acoustique…, dans des phases avancées du processus de conception. 39 60 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. mécanique,…). Ainsi, la dimension énergétique du projet n’est pas toujours prise en considération parmi les différents paramètres de la conception. Devant cette situation constatée, notamment les difficultés énoncées précédemment pour l’utilisation des outils spécialisés, on voit la nécessité de développement d’outils utilisés usuellement dans la pratique quotidienne de la conception des bâtiments. Tout en intégrant à cette pratique des dimensions énergétiques liées au confort thermique. Ces outils développés doivent être basés soit sur des règles expertes soit sur des codes simplifiés. Notre recherche entraine de développer un outil d’aide à la conception qui s’insère dans la catégorie des règles expertes qui ont été élaborés par des professionnels ou des chercheurs spécialisés. Cet outil peut générer rapidement les meilleurs solutions architecturales, limiter le nombre d’essais de choix et les interactions, avec l’aide adapté à la simulation. Ces caractéristiques marquent généralement Les guidelines40 et Les guides (ou manuels)41 qui sont mentionnés par leur facilité d’exploitation et de leur capacité à mener le concepteur à une solution. Cela est confirmé par Janin M. (2000) qui illustre le classement42 des outils d’éco-conception dans la figure suivante [LE POCHAT, S. 2005, p.88] (fig.III-10) Figure III-10 : Classement des outils d'éco-conception d'après Janin (source : LE POCHAT, Stéphane 2005) 40 Les guidelines sont les outils de base. Ils constituent le recueil des lignes directrices, règles générales et « universelles ». 41 Les guides regroupent les principes généraux et les règles de base pour mener à bien un projet de développement de produit intégrant des contraintes environnementales. Ces manuels sont des référentiels de bonnes pratiques établies sur des règles de l’art. 42 Proposent des typologies comprenant les deux classes d’outils liées à l’évaluation environnementale et à l’amélioration. 61 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre III : La conception architecturale et ses es processus. Son classement montre que, d’une manière générale, les outils d’évaluation sont complexes et coûteux en temps, tandis que les outils pour l’amélioration environnementale sont simples et d’utilisation rapide. III- 5. Conclusion : Nous concluions dans ce chapitre que les tentatives d’intégration des enjeux énergétiques et environnementaux doivent être introduites tout au long du processus de projet architectural ; dès la phase de programmation jusqu’à la phase d’utilisation. Parmi ces étapes, La phase de la conception architecturale qui représente la phase fondamentale, puisque c’est au cours de cette dernière que sont mis en place les concepts, les choix et les stratégies retenus dans le projet. Lorsqu’on approfondit dans le processus de conception architecturale, on a constaté que les phases amont (esquisse et avant-projet sommaire) sont des phases primordiales et décisives dans la conception. Pendant ces deux phases, les aspects généraux de dimension, orientation et construction du bâtiment sont définis. En outre, toutes les décisions ultérieurs et les calculs relatifs au projet seront basés sur ces caractéristiques. Donc, il est de plus en plus difficile et onéreux de modifier le projet au fur et à mesure qu’il se développe. Les décisions prises dans ces étapes initiales auront un effet direct sur le comportement et la performance énergétique du bâtiment. Au cours des phases d’esquisse et d’avant-projet sommaire, le concepteur il n’a pas accès aux diverses informations nécessaires pour faire ces choix adéquates entre plusieurs alternatives. Dans telle situation, le rôle des outils d’aide à la conception est révélé clairement, afin d’offrir des choix judicieux et des solutions adéquates relatives à l’efficacité énergétique et le confort thermique du bâtiment. Notre approche de conception s’inscrit dans la catégorie des règles expertes qui ont élaborés par des professionnels ou des chercheurs spécialisé. Elle prend la forme d’un document de travail à bord pour la conception énergétique des bâtiments performants (manuels pratiques) qui sera accessibles aux architectes, faciles à exploiter, générés des solutions pertinentes toute en réduisant le chevauchement entre les choix multiples. Mais, avant le développement de cette approche, on va présenter, dans le chapitre suivant, quelques contributions d’intégration des préoccupations bioclimatique (composante énergétique) et du confort thermique dans la conception architecturale. De ce fait, en essayant de révéler leurs méthodes et outils d’aide à la conception utilisés. Cela, nous aide d’avoir les avantages de ces derniers pour les utiliser et les manques pour les compléter. 62 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) CHAPITRE IV : IV- Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) des Bâtiments. Dans ce chapitre, on présente quelques contributions d’intégration des préoccupations bioclimatiques (composante énergétique) et du confort thermique dans la conception architecturale, notamment ses outils d’aide à la conception utilisés (ne sont pas des outils d’aide à la conception architecturale en générale, mais, bien précisé au domaine bioclimatique et énergétique). Cela, nous aide d’avoir les avantages de ces outils et ces méthodes pour les utiliser et les manque pour les compléter. DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV- 1. Introduction : L’architecture a toujours eu pour vocation de produire un dessin élégant intégrant de manière optimale l’ensemble des contraintes existantes. La dimension énergétique est un élément parmi d’autres. L’architecture « climatique » rappelle seulement cette dimension. Beaucoup d’architectes et chercheurs sont préoccupés par l’intégration de savoir climatique43 dans le processus de conception architecturale, offrant dans la littérature une description d’expérimentations diverses ainsi que des solutions pratiques détaillées. Parmi ces chercheurs on cite : V. Olgyay (1963)44, B. Givoni (1978)45, Koenigsberger et al. (1974)46, G. Lippsmeier (1980)47, M. Evens (1980)48, T. Markus et E. Morris (1980)49, S. Szokolay (1985)50, A. Liébard et A. De Herde (2005)51, P. Fernandez et P. Lavigne (2009)52, etc. Ces études sont matérialisées soit par la production de manuels standards, livres, normes, chartes, etc. ou également par des études menées sur des constructions expérimentales. Ils proposent chaque fois des méthodes et des outils d’aide à la conception architecturale, qu’elles interviennent dans le processus de génération du projet architecturale afin de le rendre performant de point de vue confort thermique et efficacité énergétique. Dans ce chapitre, on présentera d’une part quelques méthodes et outils d’aide à la conception bioclimatique qui prennent en charge l’aspect climatique dans le cadre de la stratégie globale de conception architecturale et d’autre part des notions, des systèmes bioclimatiques et des connaissances relatifs aux exigences humaines en matière de confort thermique et de comportement du bâtiment sous l’effet des facteurs climatiques. Ces connaissances sont exigées par ces outils d’aide à la conception afin de donner des solutions pertinentes. Pour assurer le confort thermique à l’intérieur du bâtiment avec la performance énergétique optimale. Par son ouvrage « Design with climates » qui résume un certain nombre de disciplines tel que la biologie, la météorologie et l’engineering. Il souligne également l’importance de l’intégration de procédés traditionnels dans des solutions modernes. 45 Par son ouvrage « L’homme, l’architecture et le climat » qui traite du climat, de confort, des matériaux de construction, d’orientation, d’isolation, de ventilation, de refroidissement…. 46 Par leur ouvrage « The manual of Tropical Housing and Building - Part1 : climatic design » qui traite du climat, du confort, des aspects thermiques dans la conception, de la lumière et du bruit.il traite aussi 43 44 des applications au niveau urbanistique jusqu’au détail architectural sont présentés sur quatre types de climat. 47 Par son ouvrage « Tropenbau-Building in the tropics » qui traite des caractéristiques climatiques des régions tropicales, matériaux, stratégie d’architecture climatique, infrastructures et planifications. 48 Par son ouvrage «Housing, Climate and Comfort, Architectural» qui traite du climat, du confort, du site, des propriétés thermiques et de conception bioclimatique stable. 49 Par leur ouvrage «Building Climate and Energy» qui traite le confort et le climat par un certain nombre de formules, diagrammes et de manière très théorique. 50 Par son ouvrage « Passive and low energy design for thermal and visual comfort ». 51 Par leur ouvrage « Traité d’architecture et d’urbanisme bioclimatique ». 52 Par leur ouvrage « concevoir des batiments bioclimatiques ». 63 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV- 2. Les outils d’aide à la conception bioclimatique : Les outils d’aide à la conception environnementale du projet architecturale ont été développés dans le temps afin de chercher des réponses aux problèmes environnementales rencontrés. Pour voir cette évolution, nous présenterons un bref historique. IV- 2.1. Aperçu historique : Les outils d’aide à la conception environnementale du projet architecturale disponibles actuellement font partie du résultat d’un chemin de plus de 50 ans, cela est commencé par les recherches d’Olgyay qui propose le diagramme bioclimatique (§ IV2.2). Approximativement de 20 ans plus tard (en autre terme les années 70) des initiatives précurseurs d’Olgyay, des outils d’aide ont paru pour objectif de réduire la consommation énergétique en réponse à la crise du pétrole existant dans ce moment. Ils ont été cherchés à explorer l’énergie solaire comme ressource principale du chauffage pour les bâtiments. Ils ont été traités principalement des outils graphiques (représentation de la course solaire,…). La décennie 80 a été marquée par le développement des outils d’aide à la conception bioclimatique basés sur le diagramme d’Olgyay. Ils ont exploités les données climatiques disponibles (température, humidité, vent, précipitations,…) afin de générer des directives du projet que représentent le support de modélisation et du calcul des plusieurs élément architecturales qui participent au confort intérieur du bâtiment. Dans les années 90 et suite à la crise environnementale, les outils d’aide à la conception environnementale du bâtiment ont paru pour objectif de concevoir et de réaliser des bâtiments saints tout en préservant l’environnement. Ces outils ont consacrés également à l’évaluation des paramétré de l’environnement du bâtiment. Ceux-ci ont été identifiés dans le milieu académique et dans le marché de plusieurs façons: Outils pour Green) Buildings, système de classification de Bâtiments Verts, Méthodes d'Évaluation De l'environnement de bâtiments, etc. A partir des années 2000, les outils d’aide à la conception et l’évaluation ont commencé à assumer l’inclusion du thème plus large du développement durable. Aujourd'hui, ils existent et ils sont adoptés des instruments innombrables dans les projets architecturale: des outils consacré à modeler et à aider dans la résolution de problèmes spécifiques, comme les outils informatisés de simulation thermique,… Dans notre recherche, nous présenterons les outils d’aide à la conception bioclimatique les plus connus et les plus utilisés dans le domaine d’architecture, nous citons celles de d’Olgyay, Givoni, Szokolay, Koenigsberger, et Mahoney. Ces outils existants ont été effectués généralement pour combiner les facteurs environnementaux (température, humidité, vent,…) sous forme d’outils graphiques (diagrammes bioclimatiques). Ces diagrammes facilitent l’analyse des caractéristiques de climat et 64 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) peuvent également générer des recommandations de la conception du bâtiment pour maximiser les conditions de confort intérieur. Tous les diagrammes sont structurés autour d’une zone dite « zone de confort » qui est définit comme gamme des conditions climatiques dans lesquelles la majorité de personnes se sentirait thermiquement confortable. IV- 2.2. Diagrammes bioclimatiques : IV- 2.2.1. Diagramme bioclimatique d’Olgyay : Le diagramme bioclimatique d’Olgyay était l’un des premières tentatives d’intégration du savoir climatique dans le processus de conception architecturale du bâtiment. Ce diagramme indique les zones du confort humain par rapport à la température d’air ambiant et l’humidité, la température radiante moyenne, l’éclairement solaire, la vitesse de l’air et la perte de chaleur évaporative [Givoni, 1978,p.324] (fig. IV-1). Figure IV-1 : le diagramme bioclimatique d'Olgyay (1963) (source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005) Ces zones [OLGYAY V., 2007] [SAYIGH. A.A.M., 1998, p.9] est tracés dans le centre du diagramme avec des gammes d’hiver et d’été indiquées séparément (prise en considération l’adaptation saisonnière). La température au-dessous de la limite inferieur de la zone de confort est définit comme zone de « sous chauffe » où le chauffage est nécessaire. Cependant, la zone de « surchauffe » est définit par la température audessus de la limite supérieure de la zone de confort, où la vitesse de vent requis pour reconstituer le confort en relation bien sûr avec l’humidité. Le diagramme indique aussi que là où les conditions ambiantes sont chaudes et sèches, le refroidissement par évaporation est nécessaire pour le confort. 65 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV-2.2.1.1. Commentaires sur le diagramme d’Olgyay : Le diagramme d’Olgyay a été basé sur les conditions climatiques extérieures53. Ceci a résulté dans quelques limitations en analysant les conditions physiologiques de l'environnement d'intérieur du bâtiment. Par conséquent le diagramme est applicable à un climat chaud et humide, parce que dans tel climat il n’y a pas une grande variation entre les conditions d’intérieurs et d’extérieurs. En plus de ça, selon Izard (1979) cité par [KHELIFI L., 2006, p.72]: L’humidité absolue constitue un critère plus pertinent pour le confort thermique que l’humidité relative. Il manque à la méthode les moyens de déterminer soi-même les limites de la zone de confort. Cette méthode apporte les corrections en terme de stratégies uniquement (ventilation, humidification,…), et elle ne génère pas les solutions en terme de conception architecturale (des dispositifs architecturaux), sauf l’occultation. Donc cet outil est considéré comme un outil d’évaluation de confort thermique. Pour cela elle ne peut pas assister l’architecte lors des phases amont de la conception architecturale du projet. IV- 2.2.2. Le diagramme bioclimatique de Givoni : Le diagramme bioclimatique de Givoni (The Building Bioclimatique Chart (BBCC)) [Givoni B., 1998, p.36] s’a été adressé aux problèmes associés au diagramme d’Olgyay discutés précédemment. En effet Il a été basé sur la température intérieure au lieu de la température extérieure. Ainsi il a été dessiné sur un diagramme psychométrique conventionnel comme le diagramme d’ASHRAE54. A l'intérieur, et autour d'une zone considérée confortable pour un homme "prédéfini", cet architecte et médecin a créé d'autres zones « zones d’influences », dans des conditions thermo-hygrométriques défavorables à l'homme, chacune liée à une méthode thermique constructive (paramètre de conception) permettant de rétablir la situation de confort. Ces zones se décomposent de la façon suivante [IZARD J.L., 1979] (fig.IV-2): 53 54 La zone de confort en air calme (C), elle correspond aux conditions de confort. La zone d’influence de la vitesse d’air (V). Elle indique l’effet bénéfique de la vitesse de l’air sur l’évaporation cutanée, les échanges par convection, et le retardement de l’apparition de condensations. La zone d’influence des inerties (par absorption et transmission) (I) et (Í). Elle se décompose en température élevées et basse température, indique la nécessité d’utiliser l’inertie du bâtiment qui lors des périodes chaudes ou froides, réduit les variations de température intérieure de telle sorte que les conditions de confort à l’intérieure de la construction se rapprochent de la zone (C), ou de la zone (V). La zone d’influence d’une ventilation nocturne importante associée à une forte inertie par absorption (IVN). Elle concerne les caractéristiques d’inertie du Selon Olgyay, la température intérieur est très près du niveau extérieur. Cité par Givoni (1998). ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. 66 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) bâtiment et sa capacité à générer un renouvellement d’air important, durant la période où celui-ci est plus froid à l’extérieur qu’l’intérieure. La zone d’influence d’un refroidissement par évaporation (RE). Elle concerne exclusivement la nécessité d’intervenir sur l’état hygrométrique de l’air, dans la mesure où il est sec et peu absorber suffisamment de vapeur d’eau. La zone d’influence de la gaine interne (captage solaire) (GI). Elle indique la nécessité de captage d’énergie par les vitrages (gaine direct) afin d’obtenir les conditions de confort, malgré une température extérieure moyenne inferieur à celles-ci. Des zones qui indiquent que le confort thermique ne pourra être obtenu par les seuls moyens passifs, et qu’une climatisation artificielle sera nécessaire. (DH) indique une zone de déshumidification conventionnelle, (AC) une zone de refroidissement (air conditionné), (CSA) une zone de chauffage solaire active, et (CC) une zone de chauffage conventionnel. Figure IV-2 : le diagramme bioclimatique de Givoni (source: Givoni B., 1978. et adapté par auteur) IV-2.2.2.1. Limites d’utilisation du diagramme de Givoni et commentaires: L’analyse bioclimatique par l’utilisation du diagramme de Givoni est conditionnée et limitée comme suite [FERNANDEZ P., 1996] [SAYIGH. A.A.M., 1998] : 55 Le diagramme est établi pour des sujets acclimatés, au repos ou engagés dans une activité sédentaire, avec une tenue vestimentaire adaptée55 (de l’ordre de 1Clo pour les températures les plus basses, et ½ Clo pour les plus élevées). Il est supposé d’une manière générale que les apports solaires à travers les ouvertures et les parties opaques d’enveloppe sont négligeables, c’est-à-dire que les protections sont adaptées (ce qui n’est pas toujours crédible…). Conditions liées aux occupants. 67 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) La frontière supérieure de la zone de ventilation est fondée sur l’hypothèse que la température radiante moyenne et la pression de vapeur intérieure sont presque identiques à ceux de l’environnement externe. Cela, nécessite un bâtiment de masse basse et une structure extérieure de moyenne à haute résistance thermique. En plus, L'efficacité de masse thermique est fondée sur l'hypothèse que toutes les fenêtres sont fermées pendant la journée (ce qui n’est pas toujours le cas). Le diagramme s’applique principalement aux bâtiments résidentiels qui sont exemptes de gains internes de la chaleur. Ainsi, il peut être appliqué à des bâtiments en « évolution libre », c’est-à-dire non encore chauffés ou climatisés artificiellement. Compte tenu de toutes ces limites et conditions, on constate que l’application de cette méthode a une marge de doute plus large parce que ces conditions ne sont pas toujours concrétisées, à cause de l’incohérence entre les résultats du confort thermique calculé et le confort réel perçu par les sujets. En plus, cette méthode aboutit à des recommandations d’ordre général en termes de stratégies à suivre lors de la conception architecturale et qui reste très partielles. IV- 2.2.3. Le diagramme bioclimatique de Szokolay : Szokolay a apporté une nouvelle méthode un peu différente aux méthodes précédentes. Il a développé un concept indépendant de l’endroit et ses occupants. Figure IV-3 : zones de contrôle potentiel selon Szokolay à la ville de Guelma (Source : MEDJELEKH D., 2006) 68 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Cette méthode [Szokolay S.V., 1979, p.263] consiste à établir la zone neutre de confort ainsi que les différentes zones de contrôle potentiel avec plus d’exactitude (parraport à la méthode de Givoni) selon les données climatiques propres à la région concernée (fig.IV3). Ces zones élaborées par Szokolay ne sont pas fixes contrairement à celles de Givoni. Elles sont positionnées sur le diagramme psychométrique à travers la température neutre (Tn), qui est en relation avec la température moyenne extérieure (Tm) par l’équation suivante : Tn = 17,6 + ( 0.31 xTm) IV- 2.2.4. Le diagramme de triangles de confort d’Evans : Le diagramme de triangles de confort est développé afin de suggérer des stratégies qui consistent à fournir le confort thermique. Il est basé sur deux variables [Evans J.M. 2007, p.103] : la moyenne de température mensuelle (Tm)56 , et l’amplitude thermique (At)57 pour tracer 12 points qui représentent les 12 mois de l’année. Ce diagramme comporte quatre Zones (triangles) (fig.IV-4). Chaque triangle défini une zone de confort correspondante à une situation (activité) particulière : A : zone de confort pour les activités sédentaires (les espaces de séjour). B : zone de confort pour dormir (confort de la nuit). C : zone de confort pour le mouvement intérieur (les espaces de circulation intérieurs). D : zone de confort pour le mouvement extérieur (les espaces de circulation extérieure comme les passages, des corridors, les escaliers, les galeries et les patios). Le diagramme de triangles est utilisé de la même manière comme le diagramme d’Olgyay (1963) et de Givoni (1976) pour comparer les conditions extérieurs avec les conditions intérieurs désirables et sélectionner les stratégies de contrôle adéquates. Ces stratégies bioclimatiques sont appliquées pour atteindre le confort quand les conditions extérieures sont en dehors les zones du confort. Le diagramme inclut les stratégies suivantes: 56 57 Mouvement de l’air sensible : le mouvement de l’aire qui conserve la sensation dû à l’effet de refroidissement. L’inertie thermique. La radiation solaire (les gains solaires). L’utilisation de l’isolation thermique pour conserver les gains internes. La ventilation sélective : l’utilisation de ventilation intermittente pour refroidir au chauffer l’intérieur. Tm= (Tmax + Tmin)/2. At= Tmax – Tmin. 69 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Figure IV-4 : Le diagramme de triangles de confort d'Evans (source: Evans, 2007) On peut classer ces stratégies selon la manière d’améliorer ou de maintenir le confort thermique (la réduction ou l’augmentation Tm et At) comme suite [Evans J.M. 2007, p.131] : Réduction de (Tm) intérieur (aire mouvement, ventilation sélective). Eviter de l’augmentation de (Tm) (protection solaire, ventilation sélective, contrôle des gains interne). Eviter la réduction de (Tm) (ventilation, réduction de la perte de chaleur). Augmentation de (Tm) (gains solaires, conservation des gaines internes). Réduction de (At) intérieur (inertie thermique intérieur ou extérieur, ventilation sélective et contrôle de la ventilation). Eviter de l’augmentation de (At) (protection solaire, contrôle de ventilation). IV- 2.2.5. Commentaires sur les diagrammes bioclimatiques : L’utilisation des diagrammes bioclimatiques a connu plusieurs problèmes. Ces problèmes et manques minimisent leur efficacité et exactitude qui affectent sur les recommandations à fournir. Parmi ces problèmes on cite : Les moyens mensuels du vent, d’humidité et de la température sont une représentation insuffisante des évènements coïncidents largement variables. Les résultats des méthodes graphiques ne sont pas des quantités mesurables. Les diagrammes n’expliquent pas l’acclimatation. L’effet d’acclimatation et les attentes de confort devraient être prise en considération, notamment quand les diagrammes de confort et les directives de la conception du bâtiment sont constitués et appliqués dans les pays chauds [SAYIGH. A.A.M., 1998]. Ces diagrammes donnent des stratégies générales qui orientent un peu la conception architecturale. Ils ne donnent pas les corrections pertinentes en termes des dispositifs architecturaux convenables. 70 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV- 2.3. Autres outils : IV- 2.3.1. Les tables de Mahoney : Les tables de Mahoney constituent une méthode mise au point par Carl Mahoney vers pour la conception de l'habitat en pays tropical. Une série de tableaux réunissant des données climatiques d'un terrain donné fournissent d'une façon assez rapide, des choix parmi des recommandations traditionnelles de conception en climatisation naturelle. La méthode couvre des éléments architecturaux du plan de masse (compacité, espacement entre bâtiments,...), un diagnostic sur le stress thermique attendu et des détails de construction des ouvrages. La méthode se fait en quatre étapes: d'abord, une étude (en moyenne mensuelle) sur la température extérieure, l'humidité relative, la pluie et la direction du vent dominant et secondaire (voir annexe IV-B.2); ces informations sont ensuite réunies sur un tableau qui réalise un diagnostic relatif au stress thermique du lieu (voir annexe IV-B.2); Ce diagnostic aboutit à des indicateurs de "contre-mesures" aux symptômes de stress climatiques rencontrés (voir annexe IV-B.2); finalement un dernier tableau (celui du tableau suivant ( tableau IV-1 et IV2)) qui est divisé en deux : le premier apporte des options des recommandations architecturales pour huit sujets importants pour la conception en climatisation naturelle (recommandation conceptuel spécifiques), et le deuxième apporte des recommandations d’éléments de conception pour six sujets (recommandations détaillées). Dans chaque sujet traité dans la table finale, on transfère les résultats préalablement obtenus dans les tables précédentes à des indicateurs de climat humide e/ou aride [SAYIGH. A.A.M., 1998]: Les indicateurs d’humidité : H1 : Indique que le mouvement d'air est essentiel (climat chaud et humide). H2 : indique la ventilation est souhaitée (climat chaud et sec). H3 : indique la protection de la pluie est nécessaire (climat tropical et tempéré). Les indicateurs d’aridité : A1 : indique le besoin de l’inertie thermique. (climat à grand écart diurne de température). A2 : indique la désirabilité de l’espace extérieure de sommeil. (climat chaud en été). A3 : indique la protection du froid. Selon l'importance du chiffre rencontrée, la table nous amène à des recommandations à l'intérieur de chaque sujet. Sauf pour deux sujets traités – Protection des ouvertures et Espaces extérieurs - il n'y a qu'un choix à faire, parfois par exclusion d'autres recommandations rencontrées. 71 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Tableau IV-1 : Tableau final des tables de Mahoney (recommandations conceptuelles) (source: OULD-HENIA A., 2003), réadapté par auteur. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) 72 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Tableau IV-2: Tableau final des tables de Mahoney (recommandations d'éléments de conception) (source : OULD- OULD-HENIA A., 2003), réadapté par auteur. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) 73 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) On s'aperçoit à travers le tableau ci-dessus, que la méthode de Mahoney aboutit à des indicateurs plutôt qualitatifs que quantitatifs et toujours à un seul modèle de résolution pour chaque problème climatique étudié (représente une approche de la recette des climats typique). IV- 2.3.2. La méthode « Forward Analysis » de Koenigsberger et al. : Forward analysis veut dire le travail d’analyse préalable à la formulation d’une solution architecturale [Koenigsberger et al. 1983]. Elle est basée sur les tables de Mahoney, cette méthode suit quatre étapes lors de prise de décision de la conception climatique : Forward analysis (analyse préalable) ; Skech designe (esquisse) ; Plan developpement (développement d’esquisse) ; Element design (conception des éléments). En effet, elle est caractérisée58 par l’incorporation de la conception climatique dans la totalité du processus de conception architecturale du bâtiment (d’esquisse jusqu’ au détail), mêmes les espaces extérieurs autour de l’édifice sont pris en considération. Mais, cette méthode se base - Comme les outils d’aide à la conception bioclimatique précédents - sur des recommandations de conception (table finale de Mahoney), le plus souvent des informations et des stratégies d’ordre général pour le refroidissement ou le chauffage passif, afin d’atteindre le confort thermique adéquat. La traduction et la concrétisation architecturale de ces recommandations et stratégies nécessite des connaissances sur les différentes notions, systèmes, stratégies et éléments bioclimatiques. Ce qu’on va voir après. IV- 3. Stratégies et système bioclimatique : Pour prendre une décision pertinente (de point de vue performance énergétique et confort thermique du bâtiment) dans les phases amont du projet où l’architecte peut être seul à intervenir, ainsi pour rendre son dialogue avec les autres intervenants (les ingénieurs) plus fructueux dès que ce dernier impliqué, l’architecte se doit posséder [FERNANDEZ P., 1996] une « culture technique minimale » basée sur la connaissance des phénomènes physique en jeu. IV- 3.1. Phénomènes de base : Pour l’architecte, cette culture technique se traduit par une connaissance de la composante énergétique à travers ses manifestations (transferts d’énergie et de masse,…), et ses répercussions sur l’occupant (confort thermique). Donc, Tous les systèmes bioclimatiques et les stratégies conceptuels se basent sur les phénomènes physiques suivants: 58 Par rapport aux autres méthodes discutées précédemment. 74 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV- 3.1.1. La conduction : La conduction est le mode de propagation de l’énergie thermique dans les solides, il y a conduction lorsqu’il existe un gradient de température non nul à l’intérieur de solide. Concernant les bâtiments, la chaleur reçue par la face extérieure59 de l’enveloppe plus chaude que sa face intérieure est transférée vers cette dernière par la matière60 qui constitue l’enveloppe. Lorsque les molécules s’échauffent à la surface sous l’effet du rayonnement solaire, elles transmettent cette chaleur aux molécules voisines, et de proche en proche, la chaleur capté se répartit dans toute la masse, jusqu’à atteindre l’uniformité des températures. IV- 3.1.2. La convection : La convection est la mode de transfert de la chaleur qui se produit uniquement au sein des milieux fluides lorsque ceux-ci sont en mouvement, et présentent des hétérogénéités de température. Concernant les bâtiments, l’air extérieur, avec le déplacement de gaz le long de la paroi plus froide de l’enveloppe lui fournit de la chaleur alors que la surface intérieure de cette paroi donne de la chaleur à l’air ambiant intérieur plus froid. Dans le processus de convection la chaleur se déplace comme toujours des zones chaudes vers les zones froides. IV- 3.1.3. Le rayonnement : Le rayonnement est un mode de transfert d’énergie à distance entre surfaces solides séparées par un milieu transparent. Le flux radiatif échangé dépond, entre autres, des températures des surfaces, de leurs propriétés radiatives, de leurs géométries et de leurs positions relatives. Concernant les bâtiments, toutes les parois internes des pièces et tous les corps qu’elle contient, plus chauds que la surface intérieure de l’enveloppe, lui fournisse de la chaleur, sans que ce transfert fasse intervenir de la matière. De même, la surface extérieure de l’enveloppe perd par rayonnement, de la chaleur vers tout ce qui constitue l’ambiance matérielle extérieure. Ces trois modes de transfert thermiques sont liés aux deux paramètres ; la quantité de chaleur qui pénètre ou sort d’un édifice sous l’action de température61. Pour cela, il est important de connaitre quelque définitions concernant la température et la chaleur tel que : la température « T », la quantité de chaleur « Q », la puissance thermique « P », la chaleur sensible, la chaleur latente « L »,… (Voir annexe IV-2). Ces notions et connaissances ne consiste pas de rendre l’architecte un thermicien, un climatologue, et/ou un biologiste de confort. Mais, ils lui offrir la capacité de communiquer avec les autre acteurs du bâtiment (thermiciens,…) et de produire des bâtiments performants. Qui absorbe les rayonnements solaires. L’énergie absorbée se distribue et se déplace par conduction de molécule à molécule de la matière. 61 Cette température exprime un état lié à une capacité à provoquer un transfert de quantité lorsqu’il y a différence de potentiel. D’après [FERNANDEZ P., 2009]. 59 60 75 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV- 3.2. Stratégies du chaud (confort d’hiver): Cette stratégie est mise en place pour le chauffage passif, où l’énergie du Soleil [LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005] pénètre à l’intérieur des pièces par les fenêtres (capter) et elle est absorbée par les murs, les planchers et les meubles (stocker), puis, elle est conservée par l’isolation. Une fois que la chaleur stockée et conservée dans le bâtiment, plusieurs techniques sont utilisées pour la distribuer (fig.IV-5). Capter : Capter la chaleur consiste à recueillir l'énergie solaire et à la transformer en chaleur. Le rayonnement solaire reçu par un bâtiment dépend du climat et de ses variations journalières et saisonnières, mais aussi de l'orientation du bâtiment, de la nature de ses surfaces et de ses matériaux, de la topographie du lieu, de l'ombrage, etc. Le rayonnement solaire n'est pratiquement utilisable qu'au droit des surfaces vitrées, où il est partiellement transmis à l'ambiance intérieure et fournit un gain direct de chaleur. Stocker : Le rayonnement solaire produit souvent de la chaleur au moment où elle n'est pas nécessaire. Il est alors intéressant de pouvoir stocker cette énergie jusqu'au moment où ce besoin se fait sentir. Ce stockage a lieu au sein de chaque matériau suivant sa capacité d'accumulation et permet ainsi d'absorber la chaleur et d'atténuer les fluctuations de température dans le bâtiment en tirant parti de son inertie. Conserver : En climat froid ou frais, on s'efforcera de conserver toute chaleur, qu'elle découle de l’ensoleillement, d'apports internes ou du système de chauffage. C'est essentiellement la forme et l'étanchéité de l'enveloppe ainsi que les vertus isolantes de ses parois qui limiteront les déperditions thermiques du bâtiment. Cloisonner les espaces en différentes zones permettant de créer des ambiances thermiques différenciées (températures de consignes différentes ou zones tampons), orientées suivant leur utilisation, permet aussi de répartir au mieux la charge de chauffage. Distribuer : Distribuer la chaleur dans le bâtiment tout en la régulant consiste à la conduire dans les différents lieux de vie où elle est souhaitable. Cette distribution peut s'effectuer naturellement lorsque la chaleur accumulée dans un matériau durant la période d'ensoleillement est restituée à l'air ambiant par rayonnement et convection. Un autre mode de distribution de la chaleur est celui de la thermocirculation de l'air (migration naturelle des masses d'air chaud vers le haut). Enfin, cette distribution peut être assurée par un circuit de ventilation forcée. La chaleur doit également être régulée en fonction des différentes pièces de l’habitation et de leur utilisation. 76 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Figure IV-5 : stratégie du chaud. (Source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005) Cette stratégie se traduit au plusieurs configurations (dispositifs architecturaux et/ou techniques) selon leur application dans les différents régions climatiques, parmi ces dispositifs [GIVONI B. 1998]: IV- 3.2.1. Gains directs : Dans les bâtiments du gain directs le soleil est admis directement dans les espaces habités à travers les fenêtres, lucarnes, etc. ce système Implique la mise en place d’une surface importante au sud et d’une masse thermique suffisante à l’intérieur pour y absorber et stocker la chaleur (fig.IV-6). Figure IV-6 : système à gain direct. (Source : CCAA, 2007) La radiation peut être captée par les éléments de masse directement ou après sa réflexion sur d'autres surfaces irradiées directement. La performance de ce système dépendu de : 77 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) L’orientation et la localisation du vitrage. Le dimensionnement et le type de vitrage. Quantité de la masse nécessaire pour le stockage thermique. Le coefficient de perte de chaleur du bâtiment. La disposition des espaces intérieurs dans le bâtiment. L’option de contrôle des gains et des pertes de chaleur à travers les vitrages. IV- 3.2.2. Gains indirects : Les Murs capteurs (le mur trombe) : Les murs capteurs (ou les murs Trombe, du nom de l’un de ses concepteurs, Michel Trombe)62 combinent dans un seul élément de construction les fonctions du captage d'énergie solaire, du stockage de chaleur, et du transfert thermique à l'intérieur. En effet, ce système reprend le principe d’un effet de serre : un vitrage capte la chaleur, derrière ce vitrage se trouve un mur accumulateur (suffisamment épais et isolant) : l’air chauffé monte et pénètre vers le haut, l’air refroidi dans la pièce ressort vers le bas (fig.IV7). Figure IV-7 : fonctionnement d'un mur capteur. (Source : VU BRIGITTE, 2009) La performance des murs capteurs est liée à latitude du lieu, au site, à l’orientation du mur (sud, l’inclinaison tend vers la verticale plus la latitude augmente). Le rendement des murs capteurs dépendra également de la nature des vitrages et des absorbeurs utilisés. Les capteurs à air : Les capteurs à air en façade travaillent par le même principe des murs capteurs, ces systèmes doivent être orientés au sud à ± 30°. Le transport de la chaleur est assuré par l’air. On distingue parmi ces systèmes : Ce système a été développé la première fois par Felix Trombe et Jacques Michel (France), et il est référé généralement comme « mur Trombe (ou Trombe-Michel) ». 62 78 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Le système Steve Baer à boucle de convection : pour les bâtiments ayant une seul orientation sud. Le capteur à air et la masse de stockage sont situés au-dessous du niveau de rez-de-chaussée. Le flux d'air est conduit complètement par des différences de la température. Le système Barra63 : comporte un mur sud isolé qui fonctionne comme capteur solaire d’aire par thermocirculation. La performance thermique de ce système dépend, pour une grande part, des courants de la convection naturels où l’air en mouvement doit entrer en contact avec autant de superficie que possible du mur accumulateur et la masse dans le plafond. En période froide, les capteurs à air assurent un bon confort (effet régulateur des températures et capacité de stockage)64. En été, le risque de surchauffe peut être important en l’absence de protection solaire efficace. Les serres et vérandas: Les serres et vérandas, représentent des espaces (surfaces) tampons vitrées, situées en parois sud (± 30°) du bâtiment. Cet espace favorise le captage du rayonnement solaire, ce rayonnement est transformé en chaleur par effet de serre (fig.IV8). Figure IV-8 : fonctionnement d'une serre en hiver et en été. (Source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005) En fonction du climat et de la façon dont la serre est utilisée, il peut exister un mur de stockage thermique séparant la serre du bâtiment, ou tout autre système de stockage relie la serre au reste du bâtiment. Les serres peuvent prendre une grande variété de configurations géométriques, soit simplement ajoutées à la façade sud, partiellement ou totalement intégrées au bâtiment, Conçu par Horazio Berra (1987) en Italie cité par Givoni (1998). Selon LIEBARD A. et DE HERDE A. (2005), ces système à inertie thermique élevé ée assurent aux apports solaires un déphasage de plusieurs heures et peuvent servir de système de chauffage de base pour couvrir des périodes de 3 à 4 jours de mauvais temps. 63 64 79 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) couvrant partiellement ou complètement toute la largeur du bâtiment, sur un étage, un étage et demi, deux étages ou plus. IV- 3.3. Stratégie du froid (confort d’été): Cette stratégie est mise en place Pour La climatisation (refroidissement) passive qui consiste à minimiser les risques de surchauffe par diverses techniques [LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005]: Se protéger du rayonnement solaire et des apports de chaleur, minimiser les apports internes, dissiper la chaleur en excès et refroidir naturellement (fig.IV-9). Protéger : Protéger le bâtiment, et particulièrement ses ouvertures, de l'ensoleillement direct afin de limiter les gains directs revient à ériger des écrans, extérieurs si possible, qui le mette à l’ombre. Ces écrans peuvent être permanents, amovibles ou saisonniers (végétation). Par ailleurs, afin d'éviter réchauffement du bâtiment au droit des parois opaques, un niveau d'isolation suffisant doit empêcher la chaleur de s'accumuler dans la masse. En climat chaud, il faut particulièrement veiller à éviter les apports de chaleur provenant des parois et des toitures échauffées par le soleil. On y parvient en accroissant leur isolation ou leur inertie, en offrant des surfaces réfléchissantes au soleil ou encore en limitant les infiltrations d'air chaud dans le bâtiment. Minimiser les apports internes : Minimiser les apports internes vise à éviter une surchauffe des locaux due aux occupants et aux équipements : l'éclairage artificiel, l'équipement électrique, la densité d'occupation des locaux, etc. Certains apports peuvent être facilement minimisés en favorisant, par exemple, l'éclairage naturel. Dissiper les surchauffes : La dissipation des surchauffes peut être réalisée grâce à la ventilation naturelle, en exploitant les gradients de température par le biais d'exutoires produisant un "effet de cheminée". La pression du vent et la canalisation des flux d'air peuvent également être mises à profit pour évacuer l'air surchauffé du bâtiment. Refroidir les locaux : Le refroidissement des locaux peut facilement être assuré par des moyens naturels. Une première solution consiste à favoriser la ventilation (surtout nocturne, afin de déstocker la chaleur emmagasinée la journée) ou à augmenter la vitesse de l'air (effet Venturi, tour à vent. etc.). Un autre moyen consiste à refroidir l’air par des dispositifs naturels tels que des plans d'eau, des fontaines, de la végétation, des conduites enterrées, etc. 80 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Figure IV-9 : stratégie du chaud. (Source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005) Le refroidissement passif des bâtiments peut être fournit à travers : l’air ambiant, l’atmosphère supérieur, et l’inertie du sol inferieur (sous-surface). Les systèmes de refroidissements passifs incluent [GIVONI B. 1998]: IV- 3.3.1. Le refroidissement par ventilation naturelle: Les mouvements d'air induits par des forces naturelles, vent et tirage thermique, permettent le renouvellement de l’air des bâtiments et le rafraichissement en évacuant la chaleur du corps humain. Le refroidissement par ventilation diurne: Fournir le confort humain direct par ventilation naturel, principalement pendant les heures de la journée. Ce type de ventilation peut extraire les gains internes ou solaires. Figure IV-10 : la ventilation traversante. (Source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005 81 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) Selon l’emplacement et le nombre d’ouvertures et les débits du vent, On distingue plusieurs stratégies [FLORY C. –CELINI, p.328] [MANSOURI Y., 2003, p.45] (fig.IV-10): La stratégie simple exposition : elle est appliquée dans les bâtiments qui disposent d’ouvertures que sur une façade. La ventilation traversante : elle est appliquée dans le cas où les ouvertures sont situées sur des façades opposées. Cette stratégie constitue une technique de rafraichissement passive fréquemment employée en climat chaud de façon traditionnelle. Le refroidissement par ventilation nocturne : Fournir le bâtiment en air frais pendant la nuit, quand l'air extérieur est moins chaud que celui situe à l'intérieure du bâtiment. Elle s’appelle la ventilation naturelle par tirage thermique. Cette stratégie est due à la différence de pression engendrée par la différence de densité entre l’air chaud et l’air froid : si l’air chauffe, une dépression se créera dans les zones basses d’un espace et une surpression dans les zones hautes. Si des ouvrants sont places dans ces deux zones, les ouvrants bas aspireront de l’air extérieur plus frais et les ouvrants hauts expulseront vers l’extérieur de l’air intérieur plus chaud (fig.IV-11). Figure IV-11 : la ventilation nocturne. (Source : Ministère de la Région Wallonne, 2004) IV- 3.3.2. Le refroidissement par évaporation : Le refroidissement par évaporation est basé sur les molécules de vapeur qui contiennent d’énergie beaucoup plus que les mêmes molécules dans un état liquide. La quantité de la chaleur requise pour changer l'eau en vapeur est la chaleur latente de l'évaporation. Cette chaleur est enlevée de l'eau et transféré à la vapeur. Ainsi, évaporation fait refroidir des surfaces. Cette stratégie peut être : Directe : par les tours de refroidissement passives par évaporation, ou bien elle est produit si l'air entrant à un bâtiment passe au-dessus d'une surface amortie, 82 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) ou par un pulvérisateur ou un matériel humide (l’air traverse le feuillage des arbres, fontaines et à travers des piscines) à travers des fenêtres. Indirecte : par la possibilité de refroidir par évaporation le toit ou un mur du bâtiment, en ayant un étang ombragé au-dessus du toit ou en mouillant les murs imperméables par circulation de l'eau sur leur surface extérieure IV- 3.3.3. Le refroidissement par radiation : Chaque surface exposée au ciel perd de la chaleur par émission des radiations de grande longueur d’onde. Les toitures sont généralement isolé es pour minimiser les pertes de chaleur en hiver et les gains de chaleur en été. IV- 3.3.4. Le refroidissement par l’inertie thermique du sol : Dans les régions chauds, où le refroidissement est primordiale l’air destiné à la ventilation par l’exploitation de l’inertie du sol (fig.IV-12), le (puits canadien) permet de réchauffer l’air de la maison en hiver (on parle alors de puits canadien) et de le refroidir en été (puits provençal) et ainsi permettre l’amélioration du confort thermique sans machine thermodynamique active. Cette technique, qui revient au gout du jour avec une touche moderne (associée à des matériaux récents (PVC) ou ventilateurs par exemple). D’après [FLORY C. –CELINI, 2008] que le terme de "puits" (canadien ou provençal) n'est pas le plus adapte. Il serait préférable, surtout dans une approche thermique, de parler d'échangeur air / sol horizontal enterre qui amortit les oscillations de températures d'air extérieur. Figure IV-12 : le refroidissement par inertie thermique du sol (échangeur air/sol). Ces stratégies et systèmes constituent les bases de la conception climatique des projets architecturale. Cette conception consiste d’assure le confort thermique des occupant et la performance énergétique. Ces stratégies peuvent être développées et combiner entre eux par le concepteur (architectes,…) selon la vocation du projet et son environnement (le site d’intervention, le climat,…). 83 DEUXIEME PARTIE : conception architecturale et performance énergétique. Chapitre IV : Méthodes et Outils d'Aide à la Conception bioclimatique (énergétique) IV- 4. Conclusion : Après la présentation de différentes contributions à la conception bioclimatique des bâtiments (Ces tentatives sont mentionnées comme des méthodes et outils d’aides à la conception) et leurs exigences, nous constatons que : Les outils d’aide à la conception bioclimatique précités sont des méthodes systématiques pour adapter un bâtiment aux conditions humains et conditions climatiques. Elles présentent une structure linéaire : analyse – synthèse – évaluation, cette structure les rend incapables d’adapter avec l’aspect itératif complexe du processus de conception, ainsi, la multiplicité des choix dans les phases amonts. Ces outils et méthodes sont simples et permettent de réaliser rapidement une interprétation des données climatique et de générer des conseils et déterminer les lignes directrices du contrôle énergétique du projet. Elles génèrent, en effet, les solutions comme des stratégies, des principes et des recommandations d’ordre générales. Elles ne participent pas à la créativité architecturale, la génération de la forme architecturale et l’évaluation de performance des dispositifs architecturaux. Ces outils et méthodes exigent une culture minimum concernant les phénomènes qui se passent dans un bâtiment, afin de traduire les recommandations généré en dispositifs architecturaux et techniques performants. Ainsi, pour que les architectes fassent le lien avec les ingénieurs, que ces derniers ne soient plus uniquement des calculateurs, et que les architectes aient un minimum de connaissances du fonctionnement des bâtiments, de façon à véritablement concevoir performant. Donc, il est souhaitable de maitriser et utiliser ces outils, car les informations qu’ils fournissent sont en effet utilisables, soit pour enrichir l’analyse du contexte en amont, soit pour infléchir des décisions à posteriori. Les manques remarqués dans ces outils résident dans le manque de savoir-faire chez les architectes pour concrétiser architecturalement les stratégies et les principes générés par ces outils. Par conséquent, les connaissances de base, associées à une bonne maitrise des outils d’analyse, et d’évaluation ne soient pas suffisantes sans le savoir-faire. Ce que nous essayons de fournir dans les chapitres suivants. 84 CONCLUSION DE LA DEUXIEME PARTIE DEUXIEME PARTIE : Conception architecturale et performance énergétique. Conclusion de la deuxième partie Conclusion de la deuxième partie: En récapitulant les différentes pistes et investigation pour l’intégration de la notion de performance énergétique dans le projet d’architecture et le développement des méthodes et des outil d’aide à la conception des bâtiments performants de point de vue consommation énergétique et confort thermique. Donc, on peut retenir les observations essentielles suivantes: L’intégration des enjeux énergétiques et environnementaux doivent être introduites tout au long du processus de projet architectural ; dès la phase de programmation jusqu’à la phase d’utilisation. Mais la phase fondamentale pour cette bonne intégration est la phase de la conception architecturale (phases décisives) parce que les différentes décisions prises dans cette phase auront un effet direct sur le comportement et la performance énergétique du bâtiment. Le projet d’architecture nait de la rencontre entre les données subjectives et objectives, le contexte et les éléments extérieurs au contexte qui caractérisent le processus de conception. Les modes de raisonnement impliqués dans ce processus sont différents mais restent complémentaires dans la mise en place du projet par le concepteur. Comprendre et tenir compte des modes de raisonnement, des différents éléments qui composent le processus de conception et des pratiques professionnelles des concepteurs en architecture est essentiel afin de proposer des outils et méthodes efficaces. L’investigation menée sur les méthodes et les outils disponibles d’aide à la conception énergétique (bioclimatique) des bâtiments montre leurs limites. Parmi ces limites : le manque de traduction de leurs stratégies en dispositifs architecturaux et techniques. Ainsi, la non-assistance de l’architecte (le concepteur) pondant la création et l’élaboration de son projet architecturale (ne participent pas à la conception architecturale). En outre, elles nécessitent une possession des connaissances de base concernant le comportement du bâtiment (transfert énergétique et le confort thermique), ce que n’est pas le cas chez la plus parts des architectes selon Pierre Lavigne (2007). Sans le savoir-faire (la traduction des différentes stratégies et principes aux dispositifs architecturaux et techniques), les connaissances de base, associées à une bonne maitrise des outils d’analyse, d’évaluation et de simulation ne soient pas suffisantes, pour permettre une intégration adéquate de la notion de performance énergétique - liée au confort thermique - dans la pratique de la conception architecturale. On se basant sur la démarche proposé par Evans et les résultats précités, notre suggestion pour concevoir un bâtiment HPE comprend les étapes indiquées dans la figure ci-dessous (fig.IV-13). Cette figure présente, également, la manière d’intégration de l’approche proposée. Ainsi, elle exprime le rôle de cette dernière dans les processus de conception. 85 DEUXIEME PARTIE : Conception architecturale et performance énergétique. Conclusion de la deuxième partie Figure IV-13 : Démarche proposée d'intégration d'une "approche de conception des logements HPE" dans le processus du projet. (Source : auteur) 86 DEUXIEME PARTIE : Conception architecturale et performance énergétique. Conclusion de la deuxième partie Il est utile de noter que les quatre premières étapes sont entreprises avant les phases initiales de la conception architecturale pour assurer une compréhension correcte de la situation envisagé (environnement, exigences,…). Le rôle de l’approche de conception proposé est l’interprétation des stratégies conceptuelles aux dispositifs architecturaux. Ces dispositifs sont réalisés pour améliorer le confort thermique et assurer l’efficacité énergétique du bâtiment. Donc, l’approche à développer prend la forme d’un document de travail à bord qui s’inscrit dans la catégorie des règles expertes qui sont élaborées par des professionnels ou des chercheurs spécialisés. Cette approche pourra stimuler la créativité de l’architecte, et contenir des connaissances (informations, systèmes, stratégies,…) suffisante, pour que l’architecte respecte le milieu physique naturel dans lequel il agit (économie d’énergie, protection de l’environnement,…), tout en utilisant au mieux ses lois (tirant les meilleures parties des conditions naturelles). Ainsi, il respecte le milieu humain afin de le servir (assurer le confort thermique). Egalement, Cette approche pourra diriger rapidement les meilleures solutions architecturales et limiter le nombre d’essais de choix (minimiser la perturbation de l’architecte entre l’infinité des choix et des alternances). 87 LA TROISIEME PARTIE La conception des logements HPE dans les zones arides et semi-arides en Algérie. TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V : Climat, confort et analyse bioclimatique CHAPITRE V : V- Climat, confort et analyse bioclimatique. Dans ce chapitre, on élabore une analyse climatique et bioclimatique de la zone choisie (aride et semi-aride en Algérie « cas de Bechar ») afin de générer les recommandations adéquates pour assurer la performance des bâtiments conçus. TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Climat, confort et analyse bioclimatique. V-1. Introduction : Selon Joseph BELMONT « L’architecture est déterminée par une série de facteurs dont un seul ne varie jamais, le climat ». Donc, «Tout concepteur a besoin de connaître le climat du lieu où il doit construire. C'est-à-dire le régime de la température et de l’humidité de l’air, le régime et la nature des précipitations, l’ensoleillement, le régime et la nature des vents durant le cycle annuel complet» [FERNANDEZ P.et LAVIGNE P. 2009, p.101]. Dans cette perspective, on affirme que la connaissance de ses variables et leurs différentes combinaisons représente un principe essentiel dans la conception et le confort dans l’habitat. Dans ce chapitre, par conséquent, on abordera (selon la démarche ci-dessous (fig.V-1)) une étude climatique et bioclimatique de la région choisie (Bechar) 65 qui représente le contexte aride et semi-aride en Algérie. Cette analyse est élaborée pour définir la zone de confort, de même que ses limites et les différents éléments de conception architecturale influant sur le confort à travers les différentes stratégies générées. Figure V-1: Les étapes de l'analyse bioclimatique (source : auteur) En outre, elle a été choisie pour la réalisation de 30 logements (HPE) au sein du programme ECOBAT. 65 88 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-2. Climat et données climatiques : V-2.1. Caractéristiques climatiques des zones arides et semiarides : V-2.1.1. Le climat Aride : On retrouve ce type de climat dans les versants Ouest des continents entre les latitudes suivantes 20-25°N et S (extrêmes 15-30° N et S) (fig.V-2).Végétation éparse, un type très limité de végétation peut survivre (cactus…), le reste attend sous terre la venue d’une averse. Deux saisons caractérisent ce type de climat : une chaude et une deuxième plus fraîche. Figure V-2: les climats du monde. (Source : AUSTERVEIL T., 2009) V-2.1.2. Le climat semi-aride : Steppes aux latitudes basses, qu’on retrouve dans les zones équatoriales du désert (fig.V-2). La végétation est également éparse, mais un peu plus abondante que dans le premier type. Ressemble au niveau du climat au type aride avec une période sèche assez 89 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique longue et une courte période de pluie durant l’été. Comme les précipitations ont lieu en période chaude (quantité annuelle variable, mais toujours inférieure à 500 mm) lorsque l’évaporation est à son maximum, elles ne sont pas très efficaces pour la végétation [OULD-HENIA A. 2003, p.16]. Intensité élevée du rayonnement solaire direct et réfléchi par le sol. Températures diurnes élevées, avec des écarts entre le jour et la nuit très élevés. Humidité relative basse avec de rares précipitations. Environnement aride, avec des tempêtes de sable. V-2.2. Le Climat en Algérie : V-2.2.1. Données géographiques : D’une superficie de 2.381.741 Km2, l’Algérie présente une diversité de zones climatiques qu’on peut classer en trois catégories (fig.V-3) : Le Tell : climat tempéré humide de type méditerranéen Les Hautes Pleines : Climat de type continental Le Sahara : climat aride et sec. Elle est comprise entre les latitudes 18° et 38° Nord, et entre 9° de longitude Ouest, et 12° de longitude Est, le méridien international 0° Greenwich passant prés de Mostaganem. Les distances entre le Nord et le Sud, l’Est et l’Ouest varient de 1500 à 2000 Km. Figure V-3: coupe transversale Nord- Sud du relief (source : OULD-HENIA A. 2003) 90 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Plus de 4/5 de sa superficie est désertique. D’où une large variété géographique et climatique allant du littoral au désert. La classification climatique en Algérie permet de distinguer deux grandes catégories : V-2.2.2. Les zones climatiques en Algérie : V-2.2.2.1. Les zones climatiques d’hiver : La zone H1 subit l’influence de la mer ; La zone H2 subit l’influence de l’altitude ; La zone H3 subit l’influence de la latitude. Ces trois zones sont classées en fonction de l’altitude en sept sous-zones comme suit (fig. V-4) : sous-zone H1a : littoral mer, altitude<500m : caractérisée par des hivers doux avec des amplitudes faibles ; sous-zone H1b : arrière littoral montagne, altitude >500m : caractérisée par des hivers plus froids et plus longs ; sous-zone H2a : atlas tellien- montagne, 1000m< altitude < 1500m : caractérisée par des hivers froids et un écart de température diurne important ; sous-zone H2b : atlas saharien-montagne, altitude > 1500m : caractérisée par des hivers encore plus froids ; Bechar Figure V-4: les zones climatiques d'hiver en Algérie. (Source : OULD-HENIA A. 2003) 91 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique sous-zone H3a : présaharien, 500m< altitude < 1000m : caractérisée par des hivers très froids la nuit par rapport au jour. Les écarts de température entre le jour et la nuit sont importants ; sous-zone H3b : Sahara, 200m < altitude < 500m : caractérisée par des hivers moins froids que la zone H3a avec des écarts de température diurne ; sous-zone H3c : Hoggar, altitude > 500m : caractérisée par des hivers très froids analogues à la zone H3a, mais qui persistent même durant la journée. V-2.2.2.2. Les zones climatiques d’été : La zone E1 subit l’influence de la mer ; La zone E2 subit l’influence de l’altitude ; La zone E3, E4 et E5 subissent l’influence de la latitude. Les caractéristiques de ces zones sont définies comme suite (fig.V-5) : la zone E1 : littoral, caractérisée par des étés chauds et moins humides. L’écart de température diurne est faible ; la zone E2 : hauts plateaux- montagne, caractérisée par des étés plus chauds et moins humides avec des écarts de température diurne importants ; Bechar Figure V-5: les zones climatiques d'été en Algérie. (Source : OULD-HENIA A. 2003) 92 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique la zone E3 : pré-Sahara – tassili, caractérisée par des étés très chauds et secs, mais moins pénibles qu’en zone E4 ; la zone E4 : Sahara, caractérisée par des étés secs, mais plus chauds et plus secs qu’en zone E3 ; la zone E5 : Tanezrouft, caractérisée par des étés chauds et secs et extrêmement pénibles par rapport aux zones E3 et E4, c’est la zone la plus chaude de l’Algérie. V-2.3. Le climat de la région de Bechar : V-2.3.1. Situation : La ville de Bechar se trouve à la latitude 31.6° N et -2.2° de longitude est (fig.V-6). Elle a une altitude de 772 m. Suivant la classification précédente, La ville de Bechar appartient à la zone climatique d’hiver H3a et celle d’été E3 avec deux saisons principales (été et hiver)66. Figure V-6: la situation de la région de Bechar 66 Voir supra, pp.89-90. 93 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-2.3.2. Données climatiques : Insolation Vent Préc Humidité Température Température moyenne Max (c°) Température moyenne Min (c°) Température moyenne mensuelle (c°) Humidité relative moyenne Max (%) Humidité relative moyenne Min (%) Humidité relative moyenne (%) précipitation moyenne (mm) Vitesse moyenne du vent (m/S) Insolation (Wh/m2) Déc. Nov. Oct. Sep Aout Juil. Juin Mai Avr. Mars Fév. Jan Dans le but de mieux définir les caractéristiques du climat de Bechar, il est utile de se baser sur des données météorologiques mensuelles relevées à la station météorologique de cette dernière sur la période 2007-2011 (Tableau V-1) (voir annexe IVA) et d’élaborer son diagramme solaire. 14,7 19,6 22,6 26,8 30,2 35,8 40,2 39,8 34,4 27,2 19,8 17,6 4 7 10,4 14,8 18 23,6 29,6 27,2 22,6 15,8 9,2 5,2 10,6 13,8 16,4 20,6 23,8 29,4 35 33,2 28,2 21,4 15 11 78,62 75,46 58,33 54,62 46,68 41,28 30,78 35,58 55,24 71,36 74,02 79,46 32,24 29,44 22,53 20,54 16,84 14,72 12,08 14,36 24,02 31,92 34,76 36,1 54,66 50,4 39,26 35,34 29,42 25,72 19,58 23,34 37,86 49,7 53,32 58,04 10 8 6 9 7 2 1 2 7 10 11 9 1,92 2,76 3,68 4,48 4,62 3,82 3,88 3,62 3,58 2,8 2,56 1,96 3380 4240 5480 6590 7090 7440 7620 6930 5480 4570 3570 3090 Tableau V- 1: Données météorologique mensuelles de Bechar (2007-2011) Relevées de la station météorologique de Bechar. (Source : Wunderground, 2012) V-2.3.3. Interprétation des données climatiques : L’interprétation des données météorologiques de Bechar, période 2007-2011 (Tableau V-1) fait ressortir que : V-2.3.3.1. La température : La température moyenne passe d’un minimum de 10.6°C en janvier (le mois le plus froid) à un maximum de 35°C en juillet (le mois le plus chaud) (fig. V-7). En été, la température extrême enregistrée peut dépasser les 50 °C à l'ombre. En hiver la 94 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique température extrême extérieure peut descendre à -5 °C la nuit [MOKHTARI A. 2008, p.311]67. Température moyenne monsuelle 45 Température (C°) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Jan Fév. Mars Avr Mai Juin Juil. Mois T Moy Max (c°) Aout T Moy Min (c°) Sep Oct. Nov. Déc. T Moy monsuelle (c°) Figure V- 7: Variation des Températures de l’air extérieur (Période : 2007-2011). (Source : auteur) V-2.3.3.2. L’humidité relative : La faible humidité de l’air, surtout en été, engendre des amplitudes thermiques importantes de 24.4°C en moyenne. Elle ne dépasse pas 58.04% comme une moyenne maximale en décembre, et une moyenne minimale de 19.58% en juillet (fig.V-8). Les moyennes mensuelles ne dépassent pas 58% pour les périodes humides, ce qui laisse penser à un climat hivernal froid et sec. Humidité relative moyenne 90 80 Humidité (%) 70 60 50 40 30 20 10 0 Jan Fév. Mars Avr HR Moy Max (%) Mai Juin Juil. Mois HR Moy Min (%) Aout Sep Oct. Nov. Déc. HR Moy monsuelle (%) Figure V- 8: Variation de l’Humidité relative (période : 2007-2011). (Source : auteur) 67 MOKHTARI A., BRAHIMI K. et BENZIADA R., 2008, « Architecture et confort thermique dans les zones arides Application au cas de la ville de Béchar », Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N°2, CDER, Alger, p.311. 95 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-2.3.3.3. L’insolation : L’insolation totale mensuelle est considérable. Elle a un maximum de 7620 Wh/m2 enregistrée en juillet et un minimum de 3090 Wh/m2 en décembre (fig. V-9). Le nombre d’heures d’ensoleillement pour les périodes chaudes dépasse 14 heures par jour. En hiver, il est de l’ordre de 10 heures [WeatherSpark, 2012]. Insolation 8000 insolation (wh/m2) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Jan Fév. Mars Avr Mai Juin Juil. Aout Sep Oct. Nov. Déc. Mois Insolation (Wh/m2) Figure V- 9: L'insolation moyenne (période : 2007-2011). (Source : auteur) V-2.3.3.4. La précipitation : Les précipitations sont rares et irrégulières présentent une moyenne minimale de 1 mm au mois de juillet (le mois le plus sec) durant lequel, les précipitations sont très faibles et tombent sous forme d’orage. La moyenne maximale est de 11 mm au mois de novembre (le mois le plus pluvieux) (fig.V-10). Donc, la répartition annuelle des précipitations est marquée par une importante période de sécheresse. En outre, Les précipitations moyennes annuelles ne dépassent pas les 82 mm/an. Précipitation précpitation (mm) 12 10 10 9 8 8 4 2 2 0 Jan Fév. Mars Avr 11 9 7 7 6 6 10 Mai Juin 2 1 Juil. Aout Sep Oct. Nov. Déc. Mois précipitation (mm) Figure V- 10: La précipitation mensuelle (période : 2007-2011). (Source : auteur) 96 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-2.3.3.5. Les vents : La vitesse (m/s) Les vents qui prédominent à Bechar sont variables (voir annexe IV-A), assez faibles présentent une vitesse moyenne de 3.3 m/s avec une valeur minimale correspondant au mois de Janvier atteignant 1.92 m/s (brise légère) et une valeur maximale de 4.62 m/s (brise douce) enregistrée au mois de mai (fig.V-11). Il parait claire dans cette figure que la vitesse des vents est plus élevées durant la période estivale (été) que la période hivernale (hiver). 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Vitess moyenne du vent Jan Fév. Mars Avr Mai Juin Mois Juil. Aout Sep Oct. Nov. Déc. Vitess moyenne du vent (m/S) Figure V-11: La variation de la vitesse des vents (période : 2007-2011). (Source : auteur) La direction des vents est variable également (fig.V-12). Les vents proviennent le plus souvent [WeatherSpark, 2012] de l'est (11% du temps), du sud (10% du temps), et du nord (10% du temps). Les vents mineurs proviennent souvent de l'ouest (4% du temps) et du nord-ouest (4% du temps). Figure V-12: les directions principales et les fréquences des vents annuels. (Source : auteur d’après Weather tool. Partie d’Ecotect 2011) 97 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-2.3.4. Classification du climat de Bechar : Selon Evans (2007), la détermination des types de climats et des zones représentatives de chaque type se base d’abord sur les dispositifs et les données météorologiques. Ces données nous permettent de calculer les différents indices climatiques, parmi ces derniers nous utilisons l’indice d’aridité qui est défini comme le rapport entre la moyenne des précipitations annuelles et la moyenne des températures annuelles selon la formule suivantes : Ia = P/T + 10 Avec : Ia : est l’indice d’aridité. P : est les précipitations moyenne annuelles (pour Bechar P = 6.83mm). T : est la température moyenne annuelle (pour Bechar T= 21.53°c). De. Martonne a proposé ainsi la classification des climats en fonction des valeurs de l’indice données au tableau ci-dessous (Tableau V-2) : Valeur de l’indice Type de climat 0 < IDM < 5 Hyper aride 5 < IDM < 10 Aride 10 < IDM < 20 Semi-aride 20 < IDM < 30 Semi-humide 30 < IDM < 55 Humide Tableau V-2: Indices de Martonne (source : BERGHOUT B., 2012) Pour la région de Bechar on obtient : Ia = 6.83/21.53+10 = 10,31. Donc, le climat de Bechar est SEMI-ARIDE. Ainsi, le diagramme ombrothermique68 de Bechar (fig.V-13) confirme l’aridité de ce climat où la période sèche69 est longue (la zone sèche est grande). La zone sèche Figure V-13: Le diagramme ombrothermique de Bechar. (Source : auteur) Il a été proposé par Henri GAUSSEN en 1952. Ce diagramme exprime les mois secs à partir des précipitations « si P<2T le climat est sec » 68 Lorsque le graphe de la température -dans l’obrothermique- se situe au-dessus de celui de la précipitation, cette période est considéré sèche. 69 98 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Après cette petite interprétation des donnés climatique, on a aperçu les conditions extérieurs auxquelles la région de Bechar est soumises. Cette dernière présente un climat semi-aride qui est définit par deux saisons seulement : un été chaud et sec (la température dépasse facilement les 45°C à l’ombre et l’humidité relative reste faible autour de 22%), un hiver très froid (notamment la nuit par rapport au jour, elle peut descendre à -5°C) avec des précipitations rares et irrégulières. En plus de ces caractéristiques défavorables, Le climat de Bechar présente un régime thermique très contrasté avec une forte insolation, dépassant les 5400 Wh/m2/Jour (la moyenne annuelle), et une durée d’insolation qui peut atteindre 3500 h/an. Ces conditions climatiques rigoureuses provoquent une grande consommation énergétique aux seuls fins de la climatisation, afin de maintenir les occupants des bâtiments dans le confort pendant les périodes chaudes qui occupent une grande partie de l’année. Pour une meilleure gestion des exigences de confort intérieur dans le bâtiment par des techniques de contrôle microclimatique et de conception architecturale, une étude bioclimatique de la région choisie est jugée nécessaire. V-3. Analyse bioclimatique et confort : Avant d’élaborer l’étude bioclimatique, la détermination des conditions de confort thermique intérieur est primordiale (l’objectif de cette sous-section). Ces conditions de confort doivent être comparées avec les conditions extérieures de la zone d’étude qui ont été déterminées précédemment. Cette comparaison consiste à définir les exigences de conception architecturale qui assurent le maintien des conditions favorables et la protection contre les conditions défavorables. Par conséquent, cela nous conduit aux choix pertinents entre les stratégies conceptuelles. V-3.1. Le confort thermique dans le bâtiment : Dans les milieux bâtis, le confort thermique constitue une exigence essentielle à laquelle le concepteur doit apporter les réponses nécessaires. Cette importance n’est pas seulement pour la qualité des ambiances intérieures, mais aussi pour la quantité d’énergie à fournir par les équipements d’ambiance (la climatisation et le chauffage). V-3.1.1. Le confort thermique : Le confort thermique est assez difficile à définir de façon précise car elle est très subjective. Selon [ASHRAE, 2004], le confort thermique est définit comme suite : « Thermal Comfort is that condition of mind that expresses satisfaction with the thermal environment. » [OLESEN, B. W. and BRAGER G.S., 2004, p.24], c’est-à-dire le confort thermique est la sensation de satisfaction exprimée par l’individu à l’égard de l’ambiance thermique du milieu environnant. 99 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique L’environnement thermique est caractérisé par quatre grandeurs physiques : la température de l’air, la température de rayonnement, l’humidité et la vitesse de l’air. Ces variables réagissent avec l’activité (Métabolisme) et la vêture (habillement) du corps humain pour établir son état thermique et constituent ensemble les six paramètres de base des échanges thermiques entre l’homme et son environnement. . Mais au-delà de ces variables, la perception thermique d’un environnement peut être influencée par des variables physiologiques, psychologiques [MOUJALLED B. 2007, p.23]. Donc, la réponse de l’individu dans un environnement résulte de l’interaction entre ces différents mécanismes. V-3.1.2. Les conditions environnementales de confort thermique : Les conditions d’un environnement thermique acceptable sont définies à partir de deux approches principales basées sur plusieurs modèles. La première étudie le confort thermique d’une façon analytique et la deuxième approche est adaptative, elle représente la réalité du confort thermique dans les bâtiments. V-3.1.2.1. L’approche analytique : L’approche analytique du confort thermique est basée sur le calcul du bilan thermique du corps humain, par des modèles physiques et physiologiques essentiellement. Ces modèles [CANTIN R. et al. 2005, p.03]70 utilisent comme variables d’entrée les grandeurs physiques de l’ambiance thermique (température d’air, température de rayonnement, humidité d’air et vitesse d’air), ainsi que les caractéristiques de l’individu (taille et poids de l’individu, production de chaleur métabolique, caractéristiques des vêtements…). En sortie sont proposés des nombreux indices qui prévoient la sensation thermique des occupants afin d’identifier les conditions de confort thermique. Dans les bâtiments, les modèles du confort thermique les plus couramment utilisés sont celui de Fanger (1982), le PMV (vote moyen prévisible), et celui de Gagge, le SET (température effective standard). Le modèle de Fanger (PMV et PPD) : Dans les années 70, Fanger a adopté une équation thermique qui permet d’analyser et d’évaluer l’ambiance thermique en vue de déterminer les conditions de confort thermique. Elle a servi pour développer la norme française et internationale NF EN ISO 7730. Cette équation a établi une relation entre les variables environnementales, le niveau d’habillement et le type d’activité. Par conséquent, elle représente l’équilibre thermique du corps humain en termes d’échange de chaleur avec l’environnement. Puis en fonction de l’écart entre la chaleur produite et la chaleur dissipée (bilan thermique) par le corps humain vêtu, supposé être aux valeurs de confort du débit sudoral et de température cutanée, il a établi [ ROULET A-C. 2008, p.6] l’indice de vote moyen prévisible «PMV» (Predicted Mean Vote), qui est l’appréciation moyenne CANTIN R., MOUJALLED B., GUARRACINO HDR G., 2005, « Complexité du confort thermique dans les bâtiments », 6ème Congrès Européen de Science des Systèmes, Paris, p.03. 70 100 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique d’une population dans un environnement donnée sur l’échelle de sensation thermique de l’ASHRAE (-3 à +3) (Tableau V-3). Une valeur de PMV de zéro exprime une sensation de confort thermique optimale. Une valeur de PMV négative signifie que la température est jugée plus basse que la température idéale. Réciproquement, une valeur positive signale que la température de l’air est plus élevée que celle qui correspondrait au confort. On considère que la zone de confort thermique s'étale de la sensation de légère fraîcheur à la sensation de légère chaleur, soit de -1 à +1. Tableau V-3: Echelle de sensation thermique de l’ASHRAE. (Source : ROULET C-A., 2008) La sensation thermique n’étant pas suffisante pour exprimer le confort, Fanger a proposé un autre indice qui complète le PMV, Le pourcentage prévisible d'insatisfaits «PPD» (Predicted Percentage Dissatisfied) donne, en fonction de l'indice PMV d'une situation thermique précise, le pourcentage de personnes insatisfaites. Il s'agit donc d'une autre façon d'exprimer le même résultat. Connaissant le PMV, la figure ci-après (fig.V-14) permet d'évaluer directement le PPD. Si par exemple le PMV est de -1 ou +1, l'indice PPD montre que près de 25% de la population ne serait sans doutes pas satisfaite. Pour ramener le PPD à une valeur maximale par exemple de 10%, le PMV doit se situer entre -0,5 et +0,5. Enfin, on voit que pour une valeur 0 de l'indice PMV, soit un état de confort thermique optimal, il y a encore 4% d'insatisfaits. Figure V-14: la relation entre le PMV et le PPD, selon ISO 7738 (source : Evans, 2007) 101 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Le modèle de Gagge : Contrairement au modèle statique de Fanger, Gagge a développé un modèle dynamique71 simplifié qui permet de prévoir les variables physiologique sous des conditions instationnaires. Ce modèle a servi de base pour la norme américaine ASHRAE standard 55. La température cutanée, la mouillure cutanée et le flux de chaleur cutané sont utilisés pour le calcul de l’indice de température effective standard «SET» (standar effective temperature).Cet indice représente la température équivalente d’une enceinte isotherme à 50 % d’humidité relative, dans laquelle un sujet portant une vêture standard échangerait la même quantité de chaleur et aurait la même réponse physiologique que dans l’enceinte réelle dans laquelle il se trouve. Le SET est un indice de confort thermique intégrant l’effet des six paramètres de base, et applicable dans des conditions transitoires chaudes, modérées ou froides. Les sensations thermiques peuvent être déduites des différentes valeurs de SET à partir du Tableau ci-dessous (Tableau V-4). Tableau V-4: La relation entre le "SET" et la sensation thermique. (Source : MOUJALLED B., 2007) V-3.1.2.2. L’approche adaptative : L’approche adaptative du confort thermique a commencé tout en considérant l’homme comme un élément actif qui réagit avec les variations de son environnement afin de garantir son confort. Elle met l’accent sur l’incapacité des indices rationnels (les indices de l’approche analytique), développés dans les chambres climatiques sous des conditions stationnaires [MOUJALLED B. 2007, p.49]. Cette approche est basée sur les constations des investigations menées dans des bâtiments in situ. Il s’agit de construire une large base de données sur les conditions thermiques qui règnent dans différents types de bâtiment, pour différents climats et régions, par la mesure des grandeurs physiques de l’ambiance thermique. 71 Le corps humain a été représenté en deux nœuds concentriques représentant le centre du corps et la peau. Les échanges entre les deux compartiments considérés isothermes sont modélisés sous forme de conduction tissulaire et convection sanguine. 102 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Dans cette approche, il existe plusieurs modèles qui prennent la forme des normes [MOUJALLED B. 2007] : Le modèle adaptative de Humphreys : A partir l’analyse d’un grand nombre d’études in situ réalisées à travers le monde (pour différents climats, saisons et cultures), Humphreys a essayé d’exprimer la température de confort en fonction du climat extérieur, Puisque la température intérieure dépend de la température extérieure. Il a proposé une régression linéaire (fig.V-15) pour calculer la température de confort (Tc) en fonction de la moyenne mensuelle de la température extérieure (To) suivant la formule : Tc = 11.9 + 0.534×To. Cette formule concerne particulièrement les bâtiments non climatisés (à ventilation naturelle). En outre, Humphreys a établis une formule pour les bâtiments climatisés où la corrélation entre la température de confort et la température extérieure n’est pas linéaire, néanmoins elle reste significative (ce type de bâtiment ne nous intéresse pas). Figure V-15: La corrélation entre la température de confort et la température extérieure moyenne (source : MOUJALLED B. 2007) Le modèle adaptative de RP-884 : Le projet de recherche RP-884, mis en place par l’ASHRAE en 1995, avait pour objectif de développer un modèle adaptatif du confort thermique pour compléter la norme américaine ASHRAE-standard 5572. Ce projet a assemblé les différentes études in situ sur le confort thermique menées par les différentes équipes de recherche à travers le monde. La méthode développée permet de calculer la température de confort (Tconf) dans les bâtiments à ventilation naturelle en fonction de la moyenne mensuelle de la température extérieure (Ta, out) suivant la formule : Tconf = 0.31×Ta, out + 17.8 Ce standard précise les conditions du confort thermique à travers un modèle rationnel basé sur le bilan thermique du corps humain. 72 103 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Cette relation est exprimée dans la figure suivante (fig.V-16). Figure V-16: Modèle adaptatif proposé par le projet RP-884 pour les bâtiments à ventilation naturelle. (Source : MOUJALLED B. 2007) De Dear (2001) a défini une bande de 5 °C de largeur autour la température de confort pour 90 % d’acceptabilité, et de 7 °C de largeur pour 80 % d’acceptabilité. L’ASHRAE standard 55 (ASHRAE 2004) recommande d’utiliser cette méthode uniquement pour les bâtiments à ventilation naturelle. Cette méthode doit également être utilisée pour une température extérieure comprise entre 10 °C et 33 °C, cela nous donne une limite minimum et maximum de 21ºC et de 27ºC pour le centre de la zone de confort [DE DEAR R., s.d. p.3] (fig.V-17). Figure V-17: gammes de confort adaptatif selon la température moyenne extérieure mensuelle (source : ASHARAE standard 55-2004) 104 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-3.1.2.3. Utilité des modèles de confort thermique : En résumant, les modèles exposés ci-dessus permettent donc de prédire, déjà au niveau de l’avant-projet, les conditions de confort qui prédomineront dans un bâtiment. Ceci permet d’imaginer une architecture réfléchi tout en apportant certaines garanties quant au confort obtenu. L'étude et la prédiction du confort thermique permettent donc : La conception d'habitations offrant déjà un bon confort sans l'intervention des habitants, et permettant aux occupants d'agir à bon escient pour améliorer leur confort. Le calcul des températures minima et maxima acceptables permettant de diminuer les besoins en énergie. V-3.1.2.4. Application des modèles adaptatifs dans la région de Bechar : Pour déterminer la température de confort (la température neutre) qui délimite la gamme de confort adaptatif dans la région de Bechar, on a Basé sur les modèles adaptatifs (les équations) précédentes. Donc, la température de confort (les conditions de confort thermique intérieur) pour cette région durant les différents mois de l’année sont indiqués dans le tableau suivant (Tableau V-5). Tableau V-5: Les limites de la température de confort adaptatif de la région de Bechar (source: auteur) Ces résultats indiquent que Humphreys surestime la température de confort pour les mois d’été, tandis que, le standard-55 (2004) d’ASHARAE fait la même chose pour les mois d’hiver. Sur la base d’une évaluation préliminaire du tableau ci-dessus, la température de confort adaptatif (la température neutre) avec une 90% d’acceptabilité pour la région de Bechar est entre 18.5°c et 23.5°c en hiver, alors que elle situe entre 24.5°c et 29.5°c en été. Par conséquent, les températures moyennes extérieures des mois d’hiver de même que les mois d’été se situent en dehors les limites thermiques d’acceptabilité (gamme de confort). Cela exige une conception architecturale performante des bâtiments pour atteindre le confort thermique acceptable des occupants. Cet objectif nécessite des stratégies conceptuelles pertinentes, ceci représente la préoccupation de la sous-section suivant. 105 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique V-3.2. L’analyse bioclimatique de la région de Bechar : En se basant sur l’application du diagramme psychométrique de Szokolay, le diagramme des triangles de confort d’Evans et les tables de Mahoney (§. IV-2) : V-3.2.1. Application du diagramme psychométrique (Szokolay): Le diagramme appliqué au Bechar est présenté dans la figure suivante (fig.V-18). Ce diagramme indique que la majeure partie de l’année se situe en dehors de la zone de confort. Figure V-18: Le diagramme psychométrique de Bechar de toute l’année, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur) V-3.2.1.1. Interprétation : On procède à la lecture du diagramme : Durant les 3 mois d'hiver (Décembre, Janvier et Février) avec les mois de Novembre (nuit) et mars (nuit), un chauffage solaire passif est nécessaire (favoriser le chauffage par l'ensoleillement, une bonne pénétration du soleil en hiver, utiliser les matériaux appropriés, agir sur les parois...). La chaleur captée le jour peut être aussi restituée la nuit grâce à la masse thermique, car, durant cette saison, les températures nocturnes sont très froides (fig.V-19). Cependant, il y a une petite partie de la saison d’hiver nécessite un chauffage actif (Ce chauffage peut être de type actif, capteurs solaires ou de type conventionnel (chauffage courant à gaz, mazout...)). 106 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Figure V-19: Le diagramme psychométrique de Bechar des mois d’hiver, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur) Durant les 3 mois d’été (juin, juillet et août) avec les mois de mai (jour) et septembre (jour) ; on peut réduire la plus part de surchauffe par un refroidissement passif : ventilation naturelle, effet de masse thermique, effet de masse avec ventilation nocturne, refroidissement évaporatif direct et indirect (fig.V-20). Une petite partie de juillet et d’août (les plus chauds de l'année) se situe dans la zone de refroidissement actif et nécessite donc une climatisation. Figure V-20: Le diagramme psychométrique de Bechar des mois d’été, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur) 107 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Concernant les mois d’avril, octobre, Novembre (mi - journée), mars (mi - journée) qui sont proche de la zone de confort, on peut atteindre le confort thermique par un chauffage solaire passif, ventilation naturelle et l’effet de masse (pour restituer la chaleur capté pendant le jour) avec ventilation nocturne (voir annexe IV-B.1). Pour les mois de septembre (nuit) et mai (nuit), Le confort thermique peut être atteindre par l’effet de masse (l'épaisseur des murs et les matériaux utilisés peuvent donner un grand temps de déphasage qui aide à garder la fraîcheur nocturne à l'intérieur des constructions et à ralentir la chaleur du jour) avec ventilation nocturne (voir annexe IV-B.1). V-3.2.2. Application du diagramme de triangles de confort d’Evans : Dans cet étude, La zone de confort concernée est la zone « A », parce que le type de bâtiment qui nous intéresse c’est l’habitat (activité sédentaires) (§. IV-2.2.4). Les données de mois de l’année pour la région de Bechar sont montrées sur la figure cidessous (fig.V-21). Figure V-21: Le diagramme des triangles de confort d’Evans pour la région de Bechar. (Source : auteur) V-3.2.2.1. Interprétation : Et après avoir reporté les différents mois, nous observons sur le diagramme les résultats suivant : Les mois de décembre, janvier, février, mars et novembre (la tache gauche sur la figure) représente la période d’hiver qui exige, pour atteindre le confort thermique, une radiation solaire (chauffage solaire passif), une forte isolation thermique 108 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique pour conserver les gains interne et une ventilation sélective pour chauffer l’intérieur. Les mois avril, mai et octobre (la tache au centre de la figure) nécessite uniquement une forte inertie thermique des matériaux pour atteindre le confort thermique intérieur. Les mois juin, juillet, aout et septembre (la tache droite) représentent la période d’été. Afin d’atteindre le confort thermique intérieur, on besoin une inertie thermique associe à une ventilation sélective pour refroidir l’intérieur (ventilation nocturne), ainsi, le mouvement d’aire sensible et nécessaire. V-3.2.3. Application des tables de Mahoney : À partir l’application de la méthode de Mahoney (annexe IV-B.2), nous arrivons à un certain nombre de recommandations nécessaires à la réalisation du confort hygrothermique dans un bâtiment à la région de Bechar. Ces recommandations vont de l'aspect général de la construction, l’orientation, la protection contre la pluie ou le soleil, jusqu'à la dimension des ouvertures, l'isolation et d'autres détails de la construction. V-3.2.3.1. Recommandations : Les recommandations nécessaires déduites pour cette région sont résumées comme suit : Organisation d’une cour intérieure compacte. compacité du plan de masse et du volume avec la présence de ruelles étroites et ombragées. ouverture moyenne de 20% à 40%. Toiture ainsi que murs extérieurs et intérieurs doivent être épais, avec un temps de déphasage de 8 heures pour la toiture, afin de profiter de la fraîcheur apportée par la nuit pendant la période chaude. espace extérieur pour dormir la nuit (Terrasse) est exigé. Le mouvement de l’air n’est pas nécessaire pour le confort, il serait néanmoins judicieux de le faire circuler à travers les murs. L’utilisation de points d’eau pour le rafraîchissement et l’humidification de l’air par évaporation, contribue considérablement au confort intérieur des étages inférieurs. En rajoutant sur l’ensemble des stratégies générées par les différentes méthodes d’analyse précédentes, la protection solaire. Le diagramme stéréographique de la région de Bechar met en évidence la zone de surchauffe (fig.V-22) durant laquelle l’occultation est nécessaire. Cette occultation permettra de se protéger du soleil par une mise à l'ombre de la construction et éviter ainsi la surchauffe de l'été grâce à l'ombrage des ouvertures ou des façades. Elle sera également utile pour dimensionner les protections solaires. 109 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre V: Climat, confort et analyse bioclimatique Figure V-22: la zone de surchauffe sur le diagramme stéréographique de Bechar, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur) V-4. Conclusion : La ville de Béchar, zone retenue dans cette recherche, est caractérisée par de longues périodes de surchauffe où l’inconfort est fortement ressenti. Les bâtiments doivent, donc, être conçus selon les exigences d’été ; celles de l’hiver seront satisfaites en conséquence. Il est donc plus approprié de viser la période de surchauffe pour déterminer les techniques de refroidissement passif qui aident à réduire les températures internes pour atteindre des ambiances confortables. Les diagrammes bioclimatiques (Szokolay et Evans) et les tables de Mahoney indiquent que la majeure partie de l’année se situe en dehors de la zone de confort. Donc, en été ; un plan compact, inertie thermique et effet de masse avec ventilation nocturne et refroidissement par évaporation ainsi que une intégration des espaces pour dormir à l’extérieur (terrasse) sont nécessaires pour atteindre le confort thermique intérieur. D’ailleurs, pendant l’hiver, le chauffage solaire passif est recommandé avec l’effet de masse thermique pour reconstituer le confort thermique. Ces stratégies ne sont pas exploitables directement à la conception architecturale sans interprétation (le grand défis qui est affronté les architectes, parce que l’intégration de ces stratégies dans les phases de conception est difficile). Cette dernière constitue l’objectif du prochain chapitre. 110 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE CHAPITRE VI : VI- Développement d’une approche de conception des logements logement HPE. Dans ce chapitre, on propose de faire percevoir comment à travers les connaissances et le savoir-faire on peut générer une démarche destinée à servir une conception architecturale bioclimatique et énergétique performante. Nous présentons cette démarche comme un document de travail à bord pour la conception des logements HPE dans les zones arides et semi-aride d’Algérie. TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Développement d’une approche de conception des logements logement HPE VI-1. Introduction : A travers le monde, de nombreux travaux théoriques et expérimentaux établis par Koenigsberger et al (1970,1977), Evans (1980,2007), Lloyd Jones (1998), Liebard A. (2005), Givoni B. (1998), Fernandez (2009), et plusieurs autres auteurs qui utilisent la classification des climats pour élaborer des directives conceptuelles et constructives de différentes régions. Ces approches de la recette des régions des climats typiques avec leurs directives de conception sont faciles à appliquer, mais elles ont souvent deux inconvénients majeurs : Elles ne fournissent pas des conseils utiles pour les nombreux climats intermédiaires. les conditions et les caractéristiques de ces climats (intermédiaires) se trouvent en dehors de celles des climats typiques, mais restent prés de les leurs [Evans, 2007]. Les solutions (stratégies) sont souvent présentées sans explication73 ; indiquant quoi faire (l’objectif) plutôt que comment (le processus et le savoir-faire). Ce qui rend ces principes et ces stratégies difficiles à exploiter et concrétiser par les architectes qui ont des méconnaissances sur le domaine de la conception bioclimatique et la maitrise de la performance énergétique du bâtiment. Compte tenu de ces lacunes, les résultats de l’analyse bioclimatique élaborée dans le chapitre précédent (les différents stratégies) ne sont pas exploitables directement par les concepteurs du bâtiment sans interprétation architecturale. Pour cela, dans ce dernier chapitre, on se propose à travers nos analyses et nos résultats une approche destinée à servir une conception architecturale bioclimatique et énergétique performante. Cette approche est présentée comme un document de travail à bord de recommandations et d’aide à la conception des logements HPE. Ce document est basé sur le rapport entre les paramètres de climats, les éléments de bâtiment et l’intégration des systèmes passifs (principalement) et actifs (supplémentairement). 73 Telles que les recommandations citées dans le cahier des charges destiné à la conception de ce type de logement en Algérie (voir annexe-V : la section de prescriptions fonctionnelles, techniques et performance énergétique exigées). 111 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-2. Les bases et les attendus de l’approche proposée : D’après notre investigation et les nombreuses études faites sur le processus de conception architecturale en général et spécifiquement sur la conception bioclimatique avec ses méthodes et outils d’aide à la conception, nous concluons que les architectes ne peuvent pas concevoir des bâtiments à haute performance énergétique (HPE) avec des solutions adéquates et des choix judicieux sans le soutien des méthodes et outils d’aide efficace. Le but d'une approche de conception architecturale en phase d'esquisse et d’avantprojet sommaire est d'orienter le concepteur (l’architecte) sur certaines voies, et non d'évaluer ce qu'il a déjà décidé. Donc, quelles sont les caractéristiques qui rendent telle approche performantes et efficaces pour les architectes ? VI-2.1. Les caractéristiques de base : On développe ici une approche de conception des logements HPE. Cette approche rassemble les choix les plus performants pour une zone climatique spécifique (notre cas la zone aride et semi-aride en Algérie). Pour la construction de cette approche, on pose des prémisses, requis nécessaires pour son usage par les architectes. En effet, il se base sur les caractéristiques suivantes: VI-2.1.1. Le fondement sur une analyse bioclimatique correcte : Toutes les informations, les stratégies et les solutions exprimées dans notre document représentent l’interprétation architecturale des résultats générés par l’analyse bioclimatique. Ce dernier précède la phase de la conception architecturale (§.III-3.2.2). Il suit les étapes suivantes (voir fig.V-1) : 1. L’architecte détermine au premier temps les conditions extérieurs (particulièrement les données climatiques de l’endroit) qui affectent le bâtiment (§.V-2.3.2). 2. Définir les conditions de confort intérieur (la température neutre) selon les activités qui se passent dans le bâtiment (§.V-3.1.2). 3. Faire une comparaison entre les conditions extérieures (étape 1) et celles de confort intérieur (étape 2) afin de déterminer les besoins de confort des occupants. 4. Déterminer les besoins et les exigences de protections et de conservations qui indiquent les stratégies de conception bioclimatiques convenables. VI-2.1.2. L’accessibilité aux concepteurs : L’approche de conception proposée s’adapte aux différents modes de raisonnement du concepteur (l’architecte) notamment (§.III-3.2.1) (fig.VI-1) : 112 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Le raisonnement à partir des activités inférentielles (déduction, induction) : ce guide offre des informations et des connaissances concernent les solutions adéquates au départ de la conception (sur les différents phénomènes physiques, climatiques et sur le rôle des dispositifs architecturaux et techniques,..). A partir de ces informations de départ, Les architectes élaborent des informations nouvelles par déduction et induction. Le raisonnement par analogie (transfert entre source et cible) : Cette approche présente les différents paramètres et dispositifs concernés par les phases préliminaires de la conception architecturale. Les informations et les connaissances qui caractérisent ces paramètres et dispositifs représente « une situation source » qui va transférer par l’architecte à « une situation cible »74 (cas envisagé). Ces analogies sont majoritairement spontanées et elles s’appuient à la fois sur les connaissances tacites de l’architecte et sur des documents visualisés juste avant le raisonnement créatif. En outre, les architectes sont capables, consciemment ou non, d’extraire des images des détails qui sont utiles à la construction d’une analogie [MOUGENOT C. 2008, p.74]. En effet, les architectes utilisent Images et mots-clés comme support essentiel à l’inspiration et à la créativité car elles favorisent le raisonnement par analogie. Donc, l’approche proposée est basée principalement sur les images et les schémas, parce que L’information transmise par l’image est plus facile à comprendre que celle transmise par le texte. Ceci résulte probablement du fait que l’image nécessite moins d’interprétations que le texte. L’image présente aussi des informations qui peuvent être directement intégrées dans le corpus des idées, des contraintes ou encore des solutions d’un projet. Notre réflexion à propos de l’approche envisagée, peut s’articuler ainsi sur le raisonnement à partir d’activités de jugements : Le raisonnement à partir d’activités de jugement (évaluation, prédiction) : Notre proposition essaye de donner les solutions les plus pertinentes selon lesquelles l’architecte va exprimer ses préférences (cela stimule ce type de raisonnement chez l’architecte) : choix des solutions, hiérarchisation et classement de stratégies et de solutions, pondération, etc. VI-2.1.3. L’assistance efficace de l’architecte dès l’esquisse : La plus-value potentielle des méthodes et outils d’aide à la conception se situe en phase esquisse et avant-projet sommaire (fig.VI-1), au moment où il a peu d’informations mais au cours de laquelle les décisions les plus importantes sont prises. La vise des phases amonts rend les choix des concepteurs plus efficaces. Cela permettrait de rester sur des solutions plus faciles à optimiser aux phases ultérieures du processus de projet. 74 Elle a pour principale caractéristique d’être une situation analogue à la "situation source". 113 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Figure VI-1: L’intégration et le rôle de l’approche de conception des logements HPE" dans le processus de la conception architecturale. (Source : auteur) Par conséquent, notre approche englobe uniquement les paramètres considérés dans les phases amont de la conception architecturale (§.III-3.2.4) : Conditions environnementales : - La situation géographique du terrain (altitude, latitude, longitude, topographie). L’orientation du terrain les interférences du site (autres constructions, végétation). Les conditions climatiques. La direction et vitesse des vents dominants. La direction de la construction (orientation des façades). Les ombres extérieures liées à l’enveloppe. 114 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Aspects généraux du bâtiment : - La volumétrie externe. L’orientation des façades concernant le terrain et les points cardinaux. Les surfaces externes opaques et vitrées exposée à la radiation solaire. Les surfaces externes ouvertes à la ventilation. Le niveau de masque sur les façades dû à des dispositifs intégrés (dispositifs architecturaux). Les matériaux de construction basiques. Ce sont seulement ces paramètres lesquels on va manipuler pour interpréter et concrétiser les stratégies générées par l’analyse bioclimatique de la zone d’étude dans le chapitre précédent. Ainsi, elles sont utilisés dans l’analyse des solutions de projet afin de le faire performant énergétiquement et confortable thermiquement (fig.VI-2). VI-2.1.4. Le fondement sur les règles expertes : Cette approche vise d’aider les concepteurs pendant les phases précoces de la conception architecturale. Donc, Le besoin des règles expertes et de savoir-faire de conception bioclimatique et de performance énergétique s’avère indispensable (§.III-4.1). Ces règles sont des connaissances soit générales (relatives au site, à l’enveloppe du bâtiment et au climat) ou locales (composante de l’immeuble) élaborées par des chercheurs, professionnels ou des spécialistes, sur un sujet déterminé. Celles-ci permettent d’orienter des choix, d’indiquer des tendances, de comparer des solutions et de guider le concepteur en architecture. Par ailleurs, les chercheurs étudient souvent les solutions et les dispositifs architecturaux et techniques séparément (ex : enveloppe, cour, patio, atrium, orientation, brise soleil, etc.), ce qui perturbe l’architecte et rend sa tâche plus difficiles. A cet égard, notre document de travail à bord va les regrouper d’une manière synergique et complémentaire afin de garantir l’harmonie entre les stratégies de chauffage et de refroidissement d’une part et les stratégies passives et actives d’autre part (fig.VI-2). Ainsi, la figure ci-dessous (fig.VI-2) montre la relation entre les stratégies conceptuelles (résultat de l’analyse bioclimatique) et les dispositifs (éléments) architecturaux manipulés par l’architecte durant les phases initiales de la conception architecturale. On constate également que la concrétisation de chaque stratégie peut être obtenue par plusieurs dispositifs architecturaux au même temps. Cette situation rend la mission de l’architecte plus difficile à cause des choix multiples qui sont parfois en contradiction. Pour cela, on va suivre le sens inverse dont l’architecte prend en considération les dispositifs architecturaux au premier lieu, parce que chaque dispositif peut solutionner plusieurs stratégies conceptuelles au même temps, d’une manière synergique et complémentaire. Donc, on va présenter le savoir-faire conceptuel de chaque dispositif afin d’assurer les différents stratégies. Chaque dispositif représente une planche de notre approche. 115 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Figure VI-2: Relations entre les aspects généraux du bâtiment et les stratégies conceptuelles durant les phases initiales de la conception architecturale (esquisse et avant-projet sommaire) (Source : auteur) 116 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-2.1.5. La quantification des solutions : C’est sous forme de recommandations qualitatives (descriptives) et quantitatives (dimensionnelles et proportionnelles), que cette approche va regrouper toutes les solutions architecturales adoptées (concernant les différents dispositifs architecturaux et techniques) pour cette région climatique (la région de Bechar). Ainsi, dans cette approche, on va détailler les différentes stratégies conceptuelles. VI-2.2. La forme de document de travail de l’approche proposée : On essaye de présenter notre approche sous la forme des tableaux. Chaque tableau décortique un aspect ou un dispositif architectural bien définit. Ces aspect et dispositifs représentent les principaux objets de la conception architecturale comptant pour la performance thermique et par conséquent la performance énergétique d’un bâtiment. Les tableaux se composent en trois sections (fig.VI.3) : La première section du tableau représente le titre correspond à l’aspect ou le dispositif architectural à analyser (à gauche) avec les données de la région ciblée (à droite). La deuxième section se réfère aux stratégies conceptuelles générées par l’analyse bioclimatique (quoi faire ?). Ces stratégies sélectionnées relative au aspect (ou dispositif) considéré. La troisième section comporte l’explication et l’interprétation des stratégies sélectionnées en dispositifs architecturaux (comment ?) afin d’être exploitables par les architectes. Figure VI-3 : La forme de document de travail à bord de l’approche proposé (source : auteur) 117 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3. Stratégies conceptuelles, dispositifs architecturaux et recommandations : Dans cette sous-section, on va étudier les différents dispositifs architecturaux et techniques qui sont en relation avec les stratégies conceptuelles générés par l’analyse bioclimatiques élaborée dans le chapitre précédent. Sachant que, « Une implantation réfléchie, une orientation optimale, un choix pertinent des matériaux, une isolation performante, le recours aux énergies renouvelables sont autant de solutions à prendre en compte pour réaliser des économies d’énergie et, par la même occasion, minimiser l’impact sur l’environnement d’un projet » [BEGUIN D., 2011]. VI-3.1. Implantation et orientation : L’implantation a une influence important sur les besoins calorifiques et par conséquent sur le confort thermique intérieur du bâtiment. Plus les apports solaires sont importants, plus l'ensemble des apports thermiques gratuits du bâtiment augmente, plus les besoins thermiques pour le chauffage sont réduits en hiver, tout en évitant le risque d’échauffement excessif en été. Elle doit être choisie en fonction les informations climatiques que l’on possède (ensoleillement et vents). L’implantation et l’orientation comportent : VI-3.1.1. Orientation des voies : Selon [KITOUS S. et al. 2006, p.169] l’orientation des voies est déterminée : VI-3.1.1.1. Par rapport au vent : L’orientation des rues doit être perpendiculaire à la direction des vents dominants75. Dans ces conditions, une orientation oblique de 20 à 40° par rapport à la perpendiculaire à l’axe de la rue peut constituer une alternative aux deux exigences conflictuelles que sont la protection contre les vents violents d’une part et la ventilation des espaces extérieurs d’autre part. A Bechar, Les vents d’été sont secs et chauds de direction préférentielle NE et NNE. Concernant les vents d’hiver sont froids de direction préférentielle SO et SSO. Donc, L’orientation favorable des axes du voies est NO et NOO avec une marge de 20°jusqu’à 40° vers les deux côtés (voir le Tableau.VI-1). VI-3.1.1.2. Par rapport à l’ensoleillement : Les rues Nord-sud offrent de meilleures conditions de confort en été76. En hiver en revanche, pour un meilleur accès au soleil, il faut privilégier une orientation Est-ouest [KITOUS S. et al. 2006, p.] (voir le Tableau.VI-1). 75 Une direction parallèle à l’axe des vents est à éviter eu égard aux phénomènes de canalisation induits. 76 L’orientation Est-ouest est à éviter pour le confort d’été en raison des surchauffes observées dans les températures de surfaces horizontales. 118 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3.1.2. Orientation des bâtiments : L’orientation optimale d’un bâtiment est celle qui permet un meilleur ensoleillement en hiver et une réduction des apports solaires en été. Selon le diagramme de « l’orientation optimale » (voir le Tableau.VI-1), on constate que : La façade sud (4.4 kWh/m2) d’un bâtiment reçoit, en hiver, près de trois fois plus de soleil que les façades Est (1.4 kWh/m2) et ouest (1.25 kWh/m2). Ces proportions s’inversent en été et la façade sud (0.7 kWh/m2) reçoit alors beaucoup moins de soleil que les façades (2.1 kWh/m2) est et ouest (1.8 kWh/m2). Pour cela, L’orientation la plus favorable pour la région de Bechar est celle où les bâtiments seraient exposés suivant l’axe Nord-Sud. VI-3.1.3. Synthèse : Entre se protéger de la radiation solaire d’été et assurer un bon ensoleillement en hiver, l’alternative optimale (qui regroupe l’orientation des voies avec celle des bâtiments) peut consister à: privilégier l’orientation des axes piétons principalement dans l’axe Nord-sud, en multipliant les protections horizontales : passages couverts, pergolas recouvertes de plantes grimpantes (vignes, chèvrefeuille, lierre, etc., …). Les prospects de ces passages pourront être relativement profonds. orienter les axes mécaniques selon un axe Est-ouest. Les prospects de ces rues seront plus larges, les façades sud bordant ces rues pourront profiter de la sorte du rayonnement d’hiver. 119 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Tableau VI-1 : Implantation et orientation (source : auteur) 120 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3.2. Forme, plan et organisation intérieur : VI-3.2.1. Forme : La forme architecturale et la volumétrie du bâtiment conditionnent les déperditions globales d'énergie, et aussi les apports solaires. Dans les climats chauds et arides (le cas de Bechar), il est préférable, en été, de diminuer la température pendant les heures de la journée. A cet effet, la forme du bâtiment doit être compacte (§.V-3.2.3). VI-3.2.1.1. Le coefficient de la forme : La compacité d’un bâtiment, ou bien le coefficient de la forme (CF), permet de qualifier les volumes construits en indiquant leur degré d’exposition aux conditions climatiques ambiantes. Elle s’exprime comme le rapport de la surface d’enveloppe extérieure de déperdition (S en m²) au volume habitable (V en m³) [LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005, p.83a] (voir le Tableau.VI-2) : CF=S/V. Mais cette formule présente des inconvénients : elle peut affirmer qu’un grand bâtiment biscornu semble, avec un tel coefficient, meilleur qu’un bâtiment performant. En outre, ce coefficient présente une unité (m-1). Donc, la bonne formule à utiliser [DUTREIX A., 2010, p.55] doit donner un coefficient sans unité, indépendant de l’échelle du bâtiment, et devrait en conséquence élever la surface déperditive à la puissance 3/2. Un tel coefficient permet dans ce cas de comparer directement tous les bâtiments entre eux, indépendant de leur taille globale. CF=(S) 3/2/10 V. La forme idéale de la sphère vaut ainsi 6√Л, soit environ 10 (plus précisément 10,63). Afin de simplifier les comparaisons, nous pouvons diviser la valeur obtenue par la valeur arrondie 10 : le coefficient de la forme idéale vaut ainsi quasiment 1. A partir de cette référence, toutes les formes peuvent être évaluer de façons simple par rapport à cette valeur idéale du coefficient de forme de la sphère. En hiver : Plus ce coefficient est petit, plus les déperditions énergétiques durant l'hiver sont faibles, plus la consommation de chauffage est réduite. De ce point de vue, une maison à étage obtient de meilleurs résultats qu'une maison avec uniquement un rez-de-chaussée. Ainsi, pour augmenter la compacité et réduire les pertes d'énergie l'hiver, on peut également envisager des constructions qui profitent, dans la limite du possible, du jumelage avec les voisins. En été : Durant les journées d'été, l'enveloppe du bâtiment tend à faire pénétrer de la chaleur à l'intérieur. Dans ce cas, un coefficient de forme faible est favorable comme pour l'hiver. Mais durant les nuits d'été, les parois permettent l'évacuation de la chaleur vers l'ambiance extérieure. En effet par les nuits claires d'été, dans un climat semi-aride, la température du ciel est très basse et le rayonnement nocturne des parois 121 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE vers le ciel les refroidit très efficacement. Dans ce cas, un coefficient de forme élevé (grande surface d'enveloppe pour un volume donné) est très intéressant (on peut .établir cela par l’introduction des cours et des patios)137. VI-3.2.1.2. Les cours : Les cours sont souvent utilisées pour protéger contre la surchauffe, vents secs et combinés avec les plantes et l'eau qui réduisent la radiation et créent un microclimat agréable. Selon Piras E. (1998) cité par [BENLATRECHE T. 2006, p.104], Le comportement étudié en été sur les 24 heures pour la cour haute est : Le jour : Pendant les premières heures de la matinée la cour aura une température inférieure à la température extérieure à cause du refroidissement gagné pendant la nuit, durant la demi-journée ou le soleil est haut, la cour commence à emmagasiner et cumulée la chaleur par le phénomène des échanges entre les parois. La nuit : La température à intérieur de la cour qui a accumulée de la chaleur pendant toute la journée, est supérieur à la température extérieure (Ti > Te). Dans ce cas, l’air à l’extérieur représente un puits de fraîcheur : pendant la nuit, les murs de la cour ; exposés à l’air frais ; cèdent la chaleur accumulée pendant le jour, cette différence de température permet à l’air frais qui pénètre par les étages inférieurs fait monter l’air chaud plus léger se trouvant dans la cour, et le cycle se répète jusqu’au refroidissement. A partir les recommandations de [BENLATRECHE T. 2006], et pour assurer le confort d’été dans un climat chaud et aride (Le cas de Bechar), on introduit des cours (ainsi, les patios) caractérisées par (voir le Tableau.VI-2) : Une forme allongée (Langueur/Largeur est 1/3) suivant l’axe Est-Ouest (recommandée en été), Ou bien une forme carrée (3/3) qui est recommandée dans l’ensemble (assure le confort d’été et de l’hiver). Une disposition centrale de La végétation (doit être au centre de la cour), avec le choix des arbres de type caduc. VI-3.2.1.3. Intérêt des voûtes et coupoles : Ces toitures ont de très bonnes performances thermiques en saison chaude. En effet, en milieu de journée, quand le soleil est intense et haut à l'horizon, elles ne reçoivent guère plus d'irradiation solaire qu'une toiture-terrasse. En revanche, pendant la nuit, elles offrent une surface extérieure beaucoup plus importante 137 C'est l'une des raisons pour lesquelles les maisons à patio sont fraîches l'été : elles ont une grande surface d'enveloppe, dont une bonne partie est ombragée durant la journée (ombre mutuelle des ailes du patio). 122 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE (coefficient de forme élevé), ce qui leur permet une meilleure évacuation de la chaleur par convection et surtout par rayonnement vers la voûte céleste (voir le Tableau.VI-2). VI-3.2.2. Plan et aménagement intérieur : Pour optimaliser l’approche thermique d’un bâtiment, l’idéal est d’organiser, dès la première formulation spatiale du bâtiment, les locaux suivant leurs besoins. Cette première esquisse naît d’une réponse au programme mis en situation et souvent d’une approche solaire passive (la quantité d’énergie solaire totale et les horaires d’ensoleillement direct sont deux paramètres à prendre en compte). A cet effet on établit trois types des zones (voir le Tableau.VI-2) : VI-3.2.2.1. Les zones de jour : Elles vont prendre naturellement une part primordiale vers le sud. Parce que La façade Sud étant la plus agréable du point de vue thermique (chaude en hiver, fraîche en été) et la plus éclairée. Ces zones (telles que le salon, les chambres principales) seront protégées du nord par des espaces de service et des espaces de nuit qui serviront d'espaces tampons. Les chambres principales peuvent également être orientées au Sud-Est et à l'Est, afin de profiter du lever du soleil tout en restant fraîches en fin de journée. VI-3.2.2.2. Les zones de services : Il n'est pas nécessaire d'avoir une température confortable (Les salles de bain, entrée, garage, atelier, débarras..). Elles seront situées de préférence du côté opposé aux espaces de vie (vers le nord), de façon à les “protéger” des nuisances extérieures telles que, entre autres, le froid et le bruit. Ces espaces peu ou non chauffés, appelés espaces tampons, se comporteront comme des isolants thermiques et diminueront les pertes de chaleur et donc la dépense énergétique durant l'hiver. Durant l'été, ils se comporteront aussi comme des isolants thermiques, puisqu'ils atténuent les rayons solaires le jour et favorisent l'évacuation de chaleur le soir. VI-3.2.2.3. Les zones de nuit : Elles seront des zones de repli et de protection sur les côtés les moins ensoleillés. Ces zones serviront d’accumulation de chaleur mais d’une façon modérée pour assurer au logement, par leur inertie, une température peu changeante. On outre, durant l’aménagement du plan et son zonage dans tel climat, on doit prévoir des terrasses (espace extérieurs de sommeil pendant la nuit). 123 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Tableau VI-2 : Forme, plan et organisation intérieure (source : auteur) 124 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3.3. Ouvertures (taille et position) et protection solaire : VI-3.3.1. Ouvertures : Les ouvertures assurant plusieurs fonctions dans un bâtiment, qui sont souvent en désaccord voire en contradiction, la forme, la taille, et l'endroit des ouvertures peuvent changer selon la façon dont elles affectent enveloppe de bâtiment. Les ouvertures influent sur la consommation d'énergie, à travers quatre aspects : C'est par elles que pénètre la majeure partie du rayonnement solaire. Elles doivent être conçues de manière à profiter au maximum de ce rayonnement l'hiver, mais en évitant les surchauffes l'été. A cause de leur résistance thermique plus faible que celle des parois, elles engendrent des pertes thermiques importantes. Elles doivent donc être conçues de manière à minimiser ces pertes durant l'hiver. Elles seules assurent un renouvellement de l'air du logement, elles doivent donc être pensées de façon à permettre une bonne ventilation tout en rejetant les infiltrations (pollution, bruit…) qui les accompagnent. Elles constituent une source de lumière, qui devrait être suffisante pour limiter l'éclairage artificiel durant la journée. Une bonne conception des ouvertures doit donc tenir compte de tous ces paramètres. VI-3.3.1.1. Ensoleillement : Concernant le cas de Becher (climat chaud et aride), les ouvertures doivent présenter les caractéristiques suivantes [Givoni. 1998, p.352] (voir le Tableau.VI-3) : une dimension doit être aussi réduite que possible à l'Est, à l'Ouest et au nord, car ces ouvertures, particulièrement côté Nord, laissent peu ou mal pénétrer le rayonnement solaire. En outre, il est préférable de disposer des fenêtres à faible coefficient de déperdition thermique. En revanche, il est conseillé de placer de grandes fenêtres au Sud, car ces vitrages capteront plus d'énergie durant l'hiver qu'ils n'en feront perdre. La surface des ouvertures138 de référence est de l’ordre 1/5 de la surface plancher (selon Mazria.2005), ainsi, la profondeur de la pièce ne doit pas dépasser 2.5 la hauteur comptée à partir de la plancher139. Par ailleurs, selon Mahoney, la surface des ouvertures est comprise entre 25% et 40% de la surface totale de la façade dans telle climat (§.V-3.2.3). Les ouvertures doivent positionner verticalement afin d’assurer le confort d’hiver sans exhorter le surchauffe en été (voir annexe VI-A, qui présente une petite simulation sur la position des ouvertures). Le calcule qui autorise la décision consiste à faire un bilan thermique des ouvertures durant toute la saison de chauffe afin de déterminer la surface optimale de vitrage telle que, durant cette saison, le besoin soit minimale toute en ne créant pas de problèmes d’inconfort en été. (Selon Fernandez P.2009 et Lavigne P.2006). 139 Pour que le soleil pénètre dans toute la surface habitable. 138 125 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3.3.1.2. Ventilation : Contrairement aux climats humides qui se basent sur la vitesse du vent (la ventilation traversante), le climat de Bechar (climat chaud et aride)140 se base sur le tirage thermique (principalement la ventilation nocturne). Pendant la nuit les températures extérieures (ex. les cours) (§.VI-3.2.1.2) sont généralement inférieures à celles de l’intérieur. Il est donc possible d'aérer le bâtiment en permettant à l'air extérieur d’entrer dans les pièces et d’enlever la chaleur qui a été stockée de jour. Le mouvement d'air augmente la dissipation thermique des matériaux de construction et l'air plus chaud est alors évacue dans l’atmosphère de basse température. Ce processus continu pendant la nuit et, la température de l'air et la masse intérieure du bâtiment sont ainsi à des niveaux plus bas quand le cycle d'augmentation de la température recommence le jour suivant. Par conséquent, le matin, les occupants entrent dans un environnement plus frais, ce qui signifie que même pour les bâtiments climatises de jour, une réduction substantielle d'énergie est possible [FLORY-CELINI C. 2008, p.341]. Cette ventilation est assurée par (voir le Tableau.VI-3) : Un écart plus important des températures entre l'intérieur et l'extérieur. Des bâtiments massifs (§.VI-3.4). L’ouverture des fenêtres ou par des orifices de ventilation placés à cet effet, ces orifices placés dans la partie haute du bâtiment (notamment dans le côté nord). La conception d’un tour à vent localisé au centre de l’appartement de façon à créer une dépression qui aspirera l'air vers le haut de la cheminée (canalise l’air chaud de l'intérieur à l'extérieur). Ainsi, La cage d’escalier assure ce type de ventilation pour tout le block. VI-3.3.2. Protection solaire : Un facteur essentiel du confort d'été est d'avoir des ouvertures permettant de profiter de l'ombre. Pour ombrer les ouvertures, des protections solaires s'imposent. Elles empêchent l'insolation directe des ouvertures tout en laissant passer la lumière. La protection solaire des baies doit être conçue en fonction de leur orientation et peut être du type fixe ou mobile, extérieur ou intérieur. La combinaison de ces différents types sera recherchée pour une efficacité maximum. Mais dans notre recherche, on entame Les protections solaires fixes qui ont un impact architectural important. Ainsi, On les dessine donc dès les premières esquisses. En climat chaud et sec (désertique), il faut pouvoir se protéger de l’air trop chaud, source d’inconfort, mais également des poussières et du sable qu’il peut transporter. 140 126 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3.3.2.1. Dimensionner la protection solaire fixe : Protection horizontale (surplomb) : « Le surplomb » est constitué d’une avancée au-dessus de la surface réceptrice : auvent, débord de toiture, balcon, etc. L’occultation au rayonnement direct est bonne l’été, de l’orientation Sud-Est à l’orientation Sud-Ouest. Elle est très faible à l’Est et à l’Ouest. L’hiver, la casquette laisse passer le soleil quelle que soit l’orientation de la façade. Une ouverture de dimension (cₓe) surplomb (auvent,…) avec une longueur égale à (c+2g) et une largeur (f), à une distance (e) au-dessus de l’ouverture. Le diagramme de projection donne les dimensions minimales pour ombrager complètement une ouverture pour une hauteur solaire (α), un angle solaire (ɣ) et un azimut (ψ). Le point (E) est au bord extérieur du surplomb et sa projection est le point (O) sur le plan de l’ouverture (voir le Tableau.VI-3). Les auteurs montrent que les dimensions géométriques du surplomb pour satisfaire les contraintes qui sont données par (selon Athienitis et al, 2002 cité par [FLORY-CELINI C. 2008, p.287]): f = [(a + e).cos ɣ/tan α]-b et g = f . tan ɣ Protection verticale (flanc) : « Le flanc » est constitué par des plans verticaux placés à côté de la surface réceptrice. L’occultation est quasiment constante (mais faible) toute l’année en orientation Sud. Elle est assez forte à l’Est et à l’Ouest en hiver, ce qui n’est généralement pas souhaité, et quasi nulle en été. Pour un flanc de largeur (D), la partie ombragée (h) d’une ouverture peut être estimée par la relation suivante (selon Athienitis et al, 2002 cité par [FLORY-CELINI C. 2008, p.287]) : h = D . (Azimut solaire – azimut fenêtre) La loggia : La “loggia” combine les pare-soleil horizontaux et verticaux. La protection solaire est bonne l’été, du Sud-Est au Sud-Ouest. Elle est moyenne toute l’année à l’Est et à l’Ouest. Ils doivent être complétés par des protections mobiles en septembre car les apports solaires n’y sont généralement pas souhaités alors qu’ils le sont en mars. 127 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Tableau VI-3 : Ouvertures et protection solaire (source : auteur) 128 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-3.4. Matériaux et enveloppe thermique : Les bâtiments traditionnels dans les zones chaudes (la zone de Bechar) sont construits d’haut-masse, des murs épais faits de matériaux lourds, tels que la pierre, briques, adobe, et boue. Toits voutés, avec la finition externe imperméable couverte de terre, fournissent également la masse élevée au bâtiment. La masse des matériaux permet de maintenir la fraîcheur le jour en été, et de restituer de la chaleur la nuit en hiver. VI-3.4.1. La masse thermique : La masse thermique est un terme utilisé pour décrire la faculté des matériaux de construction à stocker la chaleur Cette propriété caractéristique des matériaux est d'absorber la chaleur, la stocker et la restituer par la suite [Tareb.2004, p.61]. Les matériaux de construction les plus lourds peuvent stocker des quantités de chaleur importantes et sont réputés pour avoir une masse thermique importante. Les matériaux légers stockent peu de chaleur et sont dits à masse thermique faibles. La masse thermique est particulièrement importante pour le confort, elle agit comme un accumulateur thermique : par : Pendant l’été : La masse thermique absorbe de la chaleur qui entre à l'intérieur des bâtiments. Par temps chaud, la masse thermique a une température plus basse que l'air environnant et elle joue le rôle de puits de chaleur. En absorbant une partie de la chaleur, elle permet d'avoir des températures intérieures plus modérées durant le jour en améliorant ainsi le confort sans avoir recours à aucun système de refroidissement. Pendant la nuit, la chaleur est restituée lentement à l'air et extrait du bâtiment par ventilation naturelle ou mécanique. Les températures intérieures durant la nuit seront ainsi légèrement supérieures à celles de l'environnement extérieur mais demeureront confortable du fait du rafraîchissement nocturne. Pendant l’hiver : La masse thermique dans les planchers ou les murs peut absorber directement la chaleur provenant de l'ensoleillement direct à travers les ouvertures situées au sud, mais aussi à l'est et à l'ouest. Pendant la nuit, la chaleur est restituée à la pièce dès que sa température diminue. Cela permet de maintenir des conditions de confort pendant un certain temps en réduisant par la même les besoins de chauffage en début de soirée. Pour obtenir de bonnes performances en hiver, la masse thermique doit être exposée au soleil, elle est ainsi mieux appropriée aux zones ayant des ouvertures non obstruées vers le sud. Concernant notre zone d’étude (climat chaud et aride « Bechar ») qui a caractérisée Les écarts de températures diurnes sont en général important s et peuvent devenir extrêmes. Cela, exige Des constructions massives avec une bonne isolation. 129 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Le chauffage en hiver et le refroidissement en été sont tous deux très importants. Donc, Les constructions lourdes combinées avec des systèmes passifs de chauffage et de rafraîchissement sont les plus efficaces, et le moyen le plus économique de maintenir des conditions de confort intérieur tout au long de l'année. VI-3.4.2. Choix du matériaux et positionnement de la masse thermique : VI-3.4.2.1. Choix des matériaux : Afin de choisir les matériaux de construction adéquats, on doit connaitre leurs caractéristiques thermiques qui peuvent être utilisées plus ou moins judicieusement. Ces caractéristiques sont les suivantes (voir annexe VI-B) : La conductivité thermique (facilité de transmission de la chaleur par conduction) ; La capacité thermique (aptitude à stocker de la chaleur) ; La diffusivité thermique (rapidité à transmettre la chaleur) ; L’effusivité thermique (rapidité à absorber la chaleur) ; Le coefficient de réflexion et, pour les vitrages, facteur solaire (capacité de transmission énergétique) ; le coefficient de transmission (capacité de transmission lumineuse) ; le coefficient de transmission thermique (U : capacité à s’opposer à la fuite des calories). Généralement, pour qualifier la résistance thermique d’une paroi, on utilise le coefficient de transmission thermique surfacique (U). Ce dernier dépend de la conductivité thermique (λ) et de l’épaisseur des différents composants de la paroi. Plus (U) est faible plus la paroi est isolante. Par ailleurs, la durée de déphasage des matériaux permettra de définir l’épaisseur optimale des parois. Pour cela, on doit déterminer les périodes les plus chauds et les plus fraiches (fig.VI-4A, fig.VI-4B) : Figure VI-4A: Le temps de déphasage pour le confort d'été (Source : auteur D’après Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011) 130 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE En été : la température maximale est à 14h00, et la température la plus fraiche est 5h00 de matin (le moment où la chaleur doit arriver à l’intérieur). Donc, le déphasage est de 15 heures. Figure VI VI-4: 4: Le temps de déphasage pour le confort d’hiver (Source : auteur D’après Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011) En hiver : la température maximale est à 14h00, et la température qui représente le début de la chute est à 22h00 de soir (le moment où la chaleur doit arriver à l’intérieur). Donc, le déphasage est de 8 heures. Par conséquent, le temps de déphasage des parois doit situer entre les limites de 8 et 15 heures (8 heures < déphasage [h] < 15 heures) pour assurer le confort optimale d’été et d’hiver. VI-3.4.2.2. Emplacement de la masse thermique : Les murs extérieurs (voir le tableau. VI-4) : Pour une efficacité maximale, la masse thermique doit être découplée de la température extérieure, c'est à dire qu'elle doit être placée à l'intérieur de l'enveloppe isolante [Tareb.2004, p.65]. Par conséquent, les avantages de la masse thermique sont considérablement réduits si l'enveloppe extérieure n'est pas isolée. Ainsi, les murs en brique apparente offre peu d'intérêt pour leur masse thermique du fait que les briques se trouvent à l'extérieur du volume isolé. En outre, Pour le cas de Bechar le déphasage doit être 15 heures afin d’assurer le confort d’été. Un revêtement de couleur sombre favorise l'absorption du rayonnement solaire, une couleur claire réfléchira les rayons solaires les empêchant d'entrer dans le bâtiment. Des murs sombres peuvent sembler bénéfiques pour l'hiver, mais ils seront très pénalisants en saison chaude (notamment dans les zones chaudes et arides). Si l'on se rappelle le principe suivant lequel on doit pouvoir contrôler l'admission du rayonnement solaire dans le logement, on comprend très vite que le bon choix est celui d'un revêtement extérieur blanc pour les murs (pour 131 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE assurer le confort d’été). C'est d'ailleurs le choix de l'architecture traditionnelle dans tout le bassin méditerranéen. Les cloisons intérieurs et planchers (voir le tableau. VI-4) : L'utilisation de masse thermique dans les pièces exposées au sud à l'est et à l'ouest doit être une priorité du concepteur, particulièrement pour les murs recevant le soleil direct en hiver. Plus la surface des fenêtres exposées au sud augmente, plus on doit mettre de masse pour maintenir une température stable. La protection solaire de ces pièces est aussi un facteur important (pendant l’été). Ainsi, Pour le cas de Bechar le déphasage doit être 8 heures afin d’assurer le confort d’hiver. La toiture en double peau offre l’avantage d’une double couche en toiture espacées entre elles d’une certaine distance. La première couche (en haut) protège la deuxième (en bas) des rayonnements solaires. Par ailleurs, la deuxième couche transmet par radiation sa chaleur à la couche d’air entre les deux toitures. Cet air joue un rôle de tampon et limite la transmission de chaleur à la deuxième couche qui est protégé du rayonnement solaire direct. Compte tenu de tous les facteurs précédents, on propose les parois suivantes pour notre zone d’étude et leurs emplacements convenables (voir tableau.VI-4) : 132 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Tableau VI-4A : Matériaux et enveloppe thermique. (Source : auteur). Les parois Tirées de « Choix des MATÉRIAUX. ÉCOBILAN de parois » 133 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE Tableau VI-4B : Matériaux et enveloppe thermique. (Source : auteur). Les parois Tirées de « Choix des MATÉRIAUX. ÉCOBILAN de parois » 134 TROISIEME PARTIE : La conception des logements HPE dans les zones arides et semi semi-arides arides en Algérie Algérie. Chapitre VI : Développement d’une approche de conception des logement logements HPE VI-4. Conclusion : Dans ce chapitre, on a développé une approche de conception architecturale des bâtiments résidentiels à haute performance énergétique. Cette proposition est basé sur les différents aspects et dispositifs architecturaux/techniques considérés dans les phases initiales de la conception architecturale. Selon les aspects et les dispositifs architecturaux, on a travaillé de telles sortes en expliquant les effets de chacun sur les stratégies conceptuelles (résultats de l’analyse bioclimatique). Ainsi, on a les regroupées d’une manière synergique et complémentaire (sans contradiction entre les différentes stratégies), tous cela par rapport à un contexte climatique spécifique (climat chaud et aride « cas de Bechar »). Par ailleurs, la présentation des différentes solutions et orientations était faite d’une façon schématique, simple, compréhensible et accessible aux architectes. En outre, elle est dotée par des ratios et quelques calculs simples accessibles à tout concepteur. Finalement, on pense que le présent travail permet la conception d’un type de forme architecturale performante (confort thermique et efficacité énergétique) relative à une telle zone. 135 CONCLUSION GENERALE CONCLUSION GENERALE CONCLUSION GENERALE : Dans cette conclusion, on synthétise les résultats de cette recherche, on présente les limites de cette étude et on esquisse les perspectives possibles pour la poursuite de ce travail. CONCLUSION GENERALE Conclusion générale La réalisation des objectifs d’économie d’énergie et de réduction des gaz à effet de serre passe par la conception, la réalisation de bâtiments à haute performance énergétique et le maintien de cette performance dans le temps (la gestion). Ce travail est préoccupé par la phase de conception, pour les trois raisons suivantes : Couramment les concepteurs -sans en faire la critique- pensent d'abord à ajouter à une "ancienne" forme architecturale (male conçu) des éléments capteurs "modernes" (panneaux solaires, photovoltaïque, systèmes conventionnels de refroidissement ou de chauffage performant, …) évidemment ne participant pas à une véritable conception architecturale en n'étant qu'un ajout technique. La phase de la conception architecturale représente la phase fondamentale, puisque c’est au cours de cette dernière que sont mis en place les concepts, les choix et les stratégies retenus dans le projet. le poste prioritaire d’investissement d’efficacité énergétique est dédié à la conception architecturale. L'objectif principal de ce travail est le développement d’une approche de conception afin d’assister les architectes dans la conception des bâtiments performant sur le plan énergétique et confortable en terme thermique. Pour que cette conception devienne utile, elle doit prendre en considération l’aspect environnemental en générale et l’aspect énergétique en particulier dans les processus de conception architecturale du bâtiment. L'étude faite sur la conception architecturale et ses processus a révélé : les activités mentales du concepteur (l’architecte), les paramètres qui influencent les comportements du bâtiment et les critères qui peuvent être utilisés pour une évaluation de sa performance. Par conséquent, on a retenu les résultats suivants : La conception architecturale est considérée comme un processus créatif, basé sur la connaissance : données subjectives (choix des concepteurs, aux concepts, aux références) et objectives (le lieu, le site, le climat, le programme la réglementation, les exigences attendues). Le concepteur (L’architecte) organise et manipule les connaissances et informations par ces activités mentales (les raisonnements à partir d’activités : inférentielle, de jugements, de diagnostic et par analogie). les phases amont (esquisse et avant-projet sommaire) sont des étapes décisives (que nous sommes visés dans notre recherche) pour la conception concernant les questions relatives à la performance énergétique et au confort thermique. Ainsi, les informations utilisées dans ces étapes ont une importance majeure. les méthodes et les outils d’aide à la conception ont un rôle déterminant pendants ces phases (les phases amont) au cours desquelles l’architecte n’a pas accès aux diverses informations nécessaires pour faire ces choix 136 CONCLUSION GENERALE .Elles peuvent appuyer et aider à offrir des solutions adéquates et à réaliser des choix judicieux. Par ailleurs, l’investigation menée sur les méthodes et les outils disponibles d’aide à la conception énergétique (bioclimatique) des bâtiments montre leurs limites. Parmi ces limites : le manque de traduction de leurs stratégies en dispositifs architecturaux et techniques. Ainsi, la non-assistance de l’architecte (le concepteur) pondant la création et l’élaboration de son projet architecturale (ne participent pas à la conception architecturale). En outre, elles nécessitent une possession des connaissances de base concernant le comportement du bâtiment (transfert énergétique et le confort thermique), ce que n’est pas le cas chez la plus parts des architectes. A cet égard, on a essayé de développer une approche d’aide à la conception architecturale des logements à haute performance énergétique caractérisé par : Le fondement sur une analyse bioclimatique correcte. L’accessibilité par l’architecte (s’adapte aux ses différents modes de raisonnement). L’assistance efficace de l’architecte dès la phase d’esquisse par La considération des aspects, des éléments et des dispositifs architecturaux/techniques manipulés durant les phases amont (esquisse et avant-projet). Le fondement sur les règles expertes (élaborées et validées par des chercheurs, professionnels ou des spécialistes). La quantification des solutions (des solutions dotées par des ratios et quelques calculs simples accès à tout concepteur). Après l’élaboration de l’analyse bioclimatique et la génération des différentes stratégies conceptuelles bioclimatiques, on a examiné chaque dispositif (élément) architectural, afin de déterminer les stratégies sur lesquelles il influence profondément. Puis, on a le caractérisé pour répondre efficacement aux exigences de toutes les stratégies concernés d’une façon synergique et complémentaire. Cette approche, à travers les recommandations de principes et de dispositifs architecturaux énoncés sous forme qualitative et quantitative (le savoir-faire), permet aux architectes d’éviter au départ certaines erreurs conceptuelles architecturales et constructives qui aggravent les conditions environnantes au lieu de les résoudre. L’approche qui inventorie tous les principes à prendre en considération schématiquement, serait en soi comme un document de base de conception générale tenant compte du climat. Ils ont permis d’identifier, de manière simple et rapide, des solutions permettant de concevoir des bâtiments à haute performance énergétique en Algérie. Cette recherche n’est qu’une contribution au développement d’une approche de conception architecturale des logements à haute performance énergétique (HPE) dans le contexte aride et semi-aride d’Algérie. Elle regroupe et combine harmonieusement les solutions conceptuelles qui ont, déjà, validées séparément par les chercheurs. 137 CONCLUSION GENERALE Notre proposition représente un document de travail à bord qui assiste l’architecte et stimule son imagination et sa créativité dans le domaine énergétique du bâtiment. Il est proposé suivant un raisonnement logique et adapté au processus de conception architecturale, ce qui lui offre la possibilité d’être utilisé dans la conception de n’importe quel type de bâtiment. Notre approche se focalise à la conception architecturale passive afin d’optimiser la consommation énergétique dès le début du cycle de vie du bâtiment (l’étape de la sobriété énergétique selon le scénario « Néga Watt ». cela assure l’utilité et la performance de les deux étapes qui viennent après (l’efficacité et le renouvelables). En ayant esquissé ce que pourrait être un guide à l’usage de l’architecte, plusieurs Perspectives et voies de recherches restent à approfondir. En ce qui concerne l’approche de conception proposée (les solutions optimales regroupées), elle serait d’une part intéressant d’évaluer la performance des solutions proposées par la simulation dynamique, afin de les compléter et de les enrichir. D’autre part, ayant évalué l’utilisation de cette approche par des étudiants d’architecture et architectes, afin de la valider sur terrain. Au même titre que la zone climatique considérée (aride et semi-aride), les autres zones climatiques en Algérie mériteraient d’être étudier. Afin de donner les solutions conceptuelles adéquates (concernant les bâtiments (HPE)) et spécifiques à chaque zone climatique. Toute en respectant les aspects, les dispositifs architecturaux et techniques classés dans notre approche. A une échelle un peu plus grande, il nous semble très intéressant de se pencher à développer un outil d’aide à la décision pour assister et aider le concepteur d’un bâtiment à haute performance énergétique en Algérie dans le cadre du régionalisme climatique. Cela, pourrait se réaliser en se basant sur une base de données qui va délimiter les paramètres essentiels pour le calage du modèle (paramètres citées dans le guide proposé précédemment). Cette base de données comprend des recommandations conceptuelles, des exigences techniques des bâtiments HPE et des règles générales de comportement thermique issues des performances vécues et/ou simulées. Cela, nous mène à offrir un outil d’aide informatisé aux architectes pour les aider et assister le long du processus de conception d’un bâtiment HPE en Algérie. 138 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES REFERANCES BIBLIOGRAPHIQUES Références bibliographiques ADEME, 2009, Objectif 2020 : bâtiments a énergie positive. note de cadrage et perspective, ADEME-Département Bâtiment et Urbanisme, Paris, 08p. APRUE, 2005, « Maitrise d’énergie. ses principaux acteurs et instruments », La Lettre de l’Aprue, Bulletin trimestriel n° 08 Mai 2005, APRUE, Alger, 11p. APRUE, 2007, consommation énergétique finale de l’Algérie. Chiffres clés année 2005. Donnée et indicateurs, APRUE, Alger, 11p. AUSTERVEIL T., 2009, Defining the “Ideal Construction Methods and Conditions” (I.C.M.C.) in Srby, Czech Republic, Temperate to Continental European climate, for integrated environmental respect and optimized energie consumption in residential buildings. Ecole Polytechnique de Lausanne (EPFL), Lausanne, 100p. 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ZAMBRANO Letícia Maria de Araújo, 2008, Integração dos Princípios da Sustentabilidade ao Projeto de Arquitetura (l’intégration les principes de la durabilité dans le projet architecturale), Thèse de doctorat, université fédérale de Rio de Janeiro (Brasille), Rio de Janeiro, 380p. 145 LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX : LISTE DES FIGURES Liste des figures : Figure 1: les deux champs d’études attenants à notre questionnement initial (Source auteur)……..….p06 Figure 2: Structure du mémoire………………………………………………………………………..….p09 Figure I-1: évolution de la consommation mondiale énergétique entre 1990 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source: The International Energy Outlook (EIA) 2011) ………………………………….…..P11 Figure I-2:évolution de la consommation mondiale énergétique entre 1990 et 2035 par type d’énergie en quadrillion Btu (prévisions) (source: The International Energy Outlook (EIA) 2011)……………….…....P12 Figure I-3: évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur résidentiel entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source: The International Energy Outlook (EIA) 2011)……….…..P13 Figure I-4: évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur commercial entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source: The International Energy Outlook (EIA) 2011)……….…..P13 Figure I-5:évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur de transport entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source: The International Energy Outlook (EIA) 2011)………...…P13 Figure I-6: évolution de la consommation énergétique mondiale du secteur industriel entre 2008 et 2035 en quadrillion Btu (prévisions) (source: The International Energy Outlook (EIA) 2011)………….…..….P13 Figure I-7:Variation de la température à la surface terrestre entre l’an 1000 et l’an 2100 (prévisions) (source : Agence canadienne d’évaluation environnementale – www.ceaa-acee.gc.ca).................................P15 Figure I-8 : évolution des concentrations mondiale des principaux gaz à effet de serre en ppm (source: GIEC, 2007) ……………...……………………………………………………………………………….....P16 Figure I-9: évolution des émissions mondiale du carbone entre 1990 et 2035 en milliard de tonnes métriques (source: AIE. 2011) ……………………………………………………………………...…..…..P16 Figure I-10:Synthèse des consommations énergétiques, an 2010 en 1000 TEP (source: MEM, 2011) ………………………………………………………………………..……………………………………....P18 Figure I-11: Bilan des émissions de GES par secteur, an 2005 en Teq CO2 (source: APRUE, 2007)….P18 Figure I-12: la consommation énergétique finale par type d'énergie en 2010 (source: MEM, 2011) ………………………………………………………………………………………..……………..………..P19 Figure I-13: la consommation énergétique finale par secteur d'activité en 2010 (source: MEM, 2011) ………………………………………………………………………….……………………………….……P20 Figure I-14:la priorité dans le choix des investissements d’efficacité énergétique. (Source : PassiefhuisPlatform vzw) ……………………………...……………………………………………….......……………P23 Figure II-1: l'évolution des approches architecturale des bâtiments performants (source : auteur)...…P27 Figure II-2: Principes de la conception et techniques constructifs d’un bâtiment passif (d’après Wolfgang Feist) (source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)………………………………………….P30 Figure II-3:Exigences des standards Minergie® et Minergie®-P (Source : MINERGIE, 2012)…....…..P32 146 LISTE DES FIGURES Figure II-4:évolution des bâtiments Net-Zéro énergie aux Etats-Unis (source : LAUSTSEN.J., (IEA) 2008)………………………………………………………………...…………………………………….… P33 Figure II-5:Comparatif des consommations d'énergie des différents labels et du parc existant (Source : Passivhaus, 2012)………………………………………………………………………………………………………...P35 Figure II-6:Des logements sociaux BBC-Effinergie à la commune de La terrasse. (Source : MAES P.2010)……………………...………………………………………………………………………………..P37 Figure II-7: Ecole passive à Beernem,Buro II. (Source : Passiefhuis-Platform vzw)………..…………...P37 Figure II-8: Maison passive à Kalmthout, artmen. (Source : Passiefhuis-Platform vzw)………...……...P37 Figure II-9:Comparaison entre les indices de performance énergétique en kwh/m2.an (Source : Plateforme Maison Passive, 2012)…………...…………………………………………………………….……...P38 Figure II-10: maison “zero energy” (source : CSTB-Grenoble Département Enveloppes et Revêtements, présentation du 20/10/2005)……………………………………………………………………...……..……P39 Figure II-11: logements collectif à énergie positive à Freiburg. Allemagne. (Source : THIERS Stéphane, 2008) ………………...………………………………………………………………………………..……...P40 Figure II-12: Illustration de quelques principes d’architecture bioclimatique (implantation et organisation spatial) (source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)……………………..…….…..……P42 Figure II-13: lotissement de maisons bioclimatiques jumelées à Kriens. (Source: Roberto GONZALO Karl J. ABERMANN)……….………………………………………………………………………..…...…P43 Figure III-1: Processus de projet architectural et urbain (source : FERNANDEZ P., 2009)……...……P46 Figure III-2:L’intégration de l'aspect de performance énergétique dans le processus de projet, d’après le schéma de Fernandez P. (2009)…………………………………………………………………………....P48 Figure III-3: les données et les informations organisées par le processus mental du concepteur dans la phase de la conception (source : auteur)……………………………………………………………………P52 Figure III-4: l'addition de la phase d'analyse dans les processus du projet. D’après le schéma de Fernandez P. (2009)…………………………………………………………….………………..………..…P53 Figure III-5: Les étapes du processus de la conception architecturale selon la loi MOP………....……P55 Figure III-6: étapes décisives de conception, d’après le schéma de DIAB Y. (2000) (Possibilités de modifications d’un projet dans le temps) (source : HANNACHI-BELKADI N-K., 2008)……...……….P56 Figure III-7: Phase d’intégration des outils d’aide à la conception dans le processus de conception architectural d’après le schéma de FERNANDEZ L., (2010)……………………….…..……….…..……P58 Figure III-8: Phase d’intégration des outils d’aide à la décision dans le processus de conception architectural d’après le schéma de FERNANDEZ L., (2010)………………………..………….…..…….P59 Figure III-9: Les phases de la conception architecturale, les outils d’aide corresponds et les Acteurs impliqué. Adapté de QUEIROZ (2002).source : [CASTRO E.B.P., 2005]……………..…….…...….…..P60 Figure III-10 : Classement des outils d'éco-conception d'après Janin (source : LE POCHAT, Stéphane 2005)………………………..…………………………………………………………………………….…..P61 147 LISTE DES FIGURES Figure IV-1: le diagramme bioclimatique d'Olgyay (1963) (source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)………………...………………………………………………………………………………………..P65 Figure IV-2:le diagramme bioclimatique de Givoni (source: Givoni B., 1978. et réadapté par auteur).....P67 Figure IV-3: zones de contrôle potentiel selon Szokolay à la ville de Guelma (Source : MEDJELEKH D., 2006)……………………………………………………………………………………………..…………...P68 Figure IV-4: Le diagramme de triangles de confort d'Evans (source: Evans, 2007)…………...……….P70 Figure IV-5: stratégie du chaud. (Source: LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)…..……………...……P77 Figure IV-6: système à gain direct. (Source: CCAA, 2007)………………………...……………………..P77 Figure IV-7: fonctionnement d'un mur capteur. (Source: VU BRIGITTE, 2009)…………………...…..P78 Figure IV-8: fonctionnement d'une serre en hiver et en été. (Source : LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)……………...…………………………………………………………………………………………..P79 Figure IV-9: stratégie du chaud. (Source: LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)……..……………..….P81 Figure IV-10: la ventilation traversante. (Source: LIEBARD A. et DE HERDE A. 2005)……......……..P81 Figure IV-11: la ventilation nocturne. (Source: Ministère de la Région Wallonne, 2004)……............…..P82 Figure IV-12: le refroidissement par inertie thermique du sol (échangeur air/sol)……….……………P83 Figure IV-13: Démarche proposée d'intégration d'un "outil d'aide à la conception des logements HPE" dans le processus du projet. (Source : auteur)……………………………………………………….……..p86 Figure V-1: Les étapes de l'analyse bioclimatique (source : auteur)…………………………………………p89 Figure V-2: les climats du monde. (Source : AUSTERVEIL T., 2009)…………...………………………P90 Figure V-3: coupe transversale Nord- Sud du relief (source : OULD-HENIA A. 2003)……….……..…P91 Figure V-4: les zones climatiques d'hiver en Algérie. (Source: ENAG, 1993)………...………………....P92 Figure V-5: les zones climatiques d'été en Algérie. (Source: ENAG, 1993)………………...…………....P93 Figure V-6: la situation de la région de Bechar………………..………………………………………….P94 Figure V-7:Variation des Températures de l’air extérieur (Période : 2007-2011). (Source : auteur)…P96 Figure V-8: Variation de l’Humidité relative (période : 2007-2011). (Source : auteur).…………...……P96 Figure V-9: L'insolation moyenne (période : 2007-2011). (Source : auteur)....…………………………..P97 Figure V-10: La précipitation mensuelle (période : 2007-2011). (Source : auteur).....……………..……P97 Figure V-11: La variation de la vitesse des vents (période : 2007-2011). (Source : auteur)…..................P98 Figure V-12: les directions principales et les durées des vents annuels. (Source : auteur d’après Weather tool. Partie d’Ecotect 2011)……….………………………………………………………………………….P98 Figure V-13: Le diagramme ombrothermique de Bechar. (Source : auteur)………..………….………..P99 Figure V-14: la relation entre le PMV et le PPD, selon ISO 7738 (source : Evans, 2007)…..…………P102 148 LISTE DES FIGURES Figure V-15: La corrélation entre la température de confort et la température extérieure moyenne (source : MOUJALLED B. 2007)……………………………………….………………………………….P104 Figure V-16: Modèle adaptatif proposé par le projet RP-884 pour les bâtiments à ventilation naturelle. (Source : MOUJALLED B. 2007)…………………………………………………………………….……P105 Figure V-17: gammes de confort adaptatif selon la température moyenne extérieure mensuelle (source : ASHARAE standard 55-2004)…………………………………………………………..………………….P105 Figure V-18: Le diagramme psychométrique de Bechar de toute l’année, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur)……………………………………………………………………..……P107 Figure V-19:Le diagramme psychométrique de Bechar des mois d’hiver, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur)……………………………………………………………………….….P108 Figure V-20:Le diagramme psychométrique de Bechar des mois d’été, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur)…………………………………………………………………………..P108 Figure V-21: Le diagramme des triangles de confort d’Evans pour la région de Bechar. (Source : auteur)……………………………………………………………………………………………………….P109 Figure V-22: la zone de surchauffe sur le diagramme stéréographique de Bechar, tiré de Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011. (Source : auteur)…………………………………………………………………..P111 Figure VI-1: L’intégration et le rôle de l’outil d'aide à la conception des logements HPE" dans le processus de la conception architecturale. (Source : auteur)…………………………………………….p114 Figure VI-2: Relations entre les dispositifs bioclimatiques et les stratégies conceptuelles durant les phases initiales de la conception architecturale (esquisse et avant-projet sommaire) (source : auteur) …………………………………………………………………………………………...……………...…..p116 Figure VI-3: La forme de l'outil proposé (source : auteur)………………………………..…………..…p117 Figure VI-4A: Le temps de déphasage pour le confort d'été (Source : auteur D’après Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011)………………………………………………………………..……………………...…….p130 Figure VI-4B: Le temps de déphasage pour le confort d'hiver (Source : auteur D’après Weather Tool. Partie d’Ecotect 2011)………………………………………………………………..……..………...…….p131 149 LISTE DES TABLEAUX Liste des tableaux : Tableau IV-1:Tableau final des tables de Mahoney (recommandations conceptuelles) (source: OULDHENIA A., 2003), réadapté par auteur. ……………………………………………………………………...P72 Tableau IV-2: Tableau final des tables de Mahoney (recommandations d'éléments de conception) (source: OULD- OULD-HENIA A., 2003), réadapté par auteur……………………………………...………………P73 Tableau V- 1:Données météorologique mensuelles de Bechar (2007-2011) Relevées de la station météorologique de Bechar. (Source : Wunderground, 2012)………………………………………………P94 Tableau V-2: Indices de Martonne (source : Gérard Guyot, 1999)…………………………………..……P98 Tableau V-3: Echelle de sensation thermique de l’ASHRAE. (Source : ROULET C-A., 2008)…...…..P101 Tableau V-4: La relation entre le "SET" et la sensation thermique. (Source : MOUJALLED B., 2007) …….………………….…………………………………………………..………………………………....P102 Tableau V-5: Les limites de la température de confort adaptatif de la région de Bechar (source: auteur) ……..………………………………………………...…………………………………………………..….P105 Tableau VI-1: Implantation et orientation (source auteur)………………..……………...…….……….p120 Tableau VI-2: Forme, plan et organisation intérieure (source auteur)………..…………..…....……….p124 Tableau VI-3: Ouverture (taille et position) et protection solaire (source auteur)………….....……….p128 Tableau VI-4A: Matériaux et enveloppe thermique (source auteur) Les parois Tirées de « Choix des MATÉRIAUX. ÉCOBILAN de parois » [Trachte S.et De Herde A., 2010]…………………........……….p133 Tableau VI-4B: Matériaux et enveloppe thermique (source auteur) Les parois Tirées de « Choix des MATÉRIAUX. ÉCOBILAN de parois » [Trachte S.et De Herde A., 2010]…………………........……….p134 150 LES ANNEXES ANNEXE I : Les chiffres de la consommation énergétique ANNEXES Annexe-I. A : Annexe I: L Les chiffres de la a consommation énergétique. La consommation énergétique totale du monde par secteur d’activité et par type d’énergie (2008-2035) (Quadrillion Btu) (EIA. 2011). ANNEXES Annexe I: L Les chiffres de la a consommation énergétique. La consommation énergétique totale des pays non-OCDE par secteur d’activité et par type d’énergie (2008-2035) (Quadrillion Btu) (EIA. 2011). ANNEXES Annexe I: L Les chiffres de la a consommation énergétique. La consommation énergétique totale des pays OCDE par secteur d’activité et par type d’énergie (2008-2035) (Quadrillion Btu) (EIA. 2011). ANNEXES Annexe I: L Les chiffres de la a consommation énergétique. Les émissions mondiales de CO2 par région (2006 – 2035) (Million Tons métriques de dioxyde de carbone) ((EIA. 2011). ANNEXES Annexe I: L Les chiffres de la a consommation énergétique. Annexe-I. B : La consommation énergétique en Algérie par produit et par secteur (MEM. 2011) ANNEXE II : Lois et décrets législatifs ANNEXES Annexe II : Lois et décrets législatifs Annexe-II. A : Le décret exécutif n° 2000-90 portant réglementation thermique dans les bâtiments neufs. Décret exécutif n° 2000-90 du 19 Moharram 1421 correspondant au 24 avril 2000 portant réglementation thermique dans les bâtiments neufs. Le Chef du Gouvernement, Sur le rapport conjoint du ministre de l'habitat et du ministre de l'énergie et des mines; Vu la Constitution, notamment ses articles 85-4° et 125 (alinéa 2) ؛ Vu la loi n° 83-03 du 5 février 1983 relative à la protection de l'environnement; Vu la loi n° 90-29 du 1er décembre 1990 relative à l'aménagement et à l'urbanisme; Vu la loi n° 99-09 du 15 Rabie Ethani 1420 correspondant au 28 juillet 1999 relative à la maîtrise de l'énergie, notamment ses articles 11 et 12; Vu le décret présidentiel n° 99-299 du 15 Ramadhan 1420 correspondant au 23 décembre 1999 portant nomination du Chef du Gouvernement ; Vu le décret présidentiel n° 99-300 du 16 Ramadhan 1420 correspondant au 24 décembre 1999 portant nomination des membres du Gouvernement ; Décrète : Article 1er. — En application des dispositions des articles 11 et 12 de la loi n° 99-09 du 15 Rabie Ethani 1420 correspondant au 28 juillet 1999 susvisée, le présent décret a pour objet de fixer la réglementation thermique dans les bâtiments neufs. Art. 2. — Pour l'application des dispositions du présent décret, il est entendu par bâtiments neufs : bâtiments neufs — Les d'habitation; l'habitation; à usage — Les bâtiments neufs à un usage autre que l'habitation; — — La partie de construction réalisée comme extension du bâtiment existant. Art. 3. — Pour l'application des dispositions du présent décret, il est entendu par bâtiments individuels, les bâtiments neufs individuels à usage d'habitation. Art. 4. — Le ma!tre d'ouvrage est tenu de s'assurer que la conception et la construction des bâtiments neufs obéissent aux principes suivants : — Les caractéristiques thermiques des bâtiments neufs doivent être telles que les transferts de chaleur par transmission thermique, à travers les parois constituant l'enveloppe de ces bâtiments, soient en adéquation avec les niveaux de transfert de chaleur requis؛ — Les systèmes de ventilation dans les bâtiments neufs doivent être tels que le renouvellement d'air soit en adéquation avec le niveau de renouvellement d'air requis; — Les systèmes de chauffage d'hiver et de climatisation d'été dans les bâtiments doivent compter des dispositifs automatiques de régulation. Art. 5. — Les caractéristiques d'isolation thermique dans les bâtiments neufs doivent répondre à l'une au moins des deux conditions ci-après: — Les déperditions calorifiques calculées pour la période d'hiver doivent être inférieures à une limite appelée "déperdition de référence"; — Les apports calorifiques calculés pour la période d'été doivent être inférieurs à une limite appelée "apport de référence". — Art. 6. — Les valeurs de référence relatives aux déperditions et aux apports calorifiques concernant les bâtiments neufs à usage d'habitation sont fixés dans des documents techniques réglementaires (D.T.R) approuvés par arrêté du ministre chargé de l'habitat. ANNEXES Art. 7. — Les valeurs de références relatives aux déperditions et aux apports calorifiques concernant les bâtiments neufs à un usage autre que d'habitation sont fixées dans des documents techniques réglementaires (D.T.R) approuvés par arrêté conjoint du ministre chargé de l'habitat, du ministre chargé de l'énergie et des ministres concernés. Art. 8. — Sont également définies dans les documents techniques réglementaires (D.T.R.) visés dans les articles 6 et 7 cidessus: — les méthodes relatives au calcul des déperditions et des apports calorifiques; — les zones climatiques correspondant aux périodes d'hiver et d'été ainsi que les valeurs des paramètres du climat extérieur associés aux zones climatiques; — les valeurs limites pour le climat intérieur des locaux. Art. 8. — le débit de renouvellement d'air induit par le système de ventilation doit être : — inférieur à une limite appelée débit d'air neuf de référence; — supérieur ou égal à un débit minimal d'air neuf. Art. 10. — Le débit minimal d'air neuf et le débit d'air neuf de référence des bâtiments neufs à usage d'habitation sont définis dans des documents techniques réglementaires (D.T.R) approuvés par arrêté du ministre chargé de l'habitat. — Art. 11. — Le débit minimal d'air neuf et débit d'air neuf de références des bâtiments neufs à usage autre que d'habitation sont définis dans des documents techniques réglementaires (D.T.R) approuvés par arrêté conjoint du ministre chargé de l'habitat, du ministre chargé de l'énergie et des ministres concernés. — Art. 12. — Sont également défîmes dans les documents techniques réglementaires visés dans les articles 10 et 11 ci-dessus, les méthodes relatives au calcul du débit de renouvellement d'air. Annexe II : Lois et décrets législatifs Art. 13. — Les ouvrants, entre un local climatisé et l'espace extérieur ou entre un local climatisé et un local non climatisé, doivent avoir une perméabilité à l'air inférieure à la valeur de référence définie dans des documents techniques réglementaires (D.T.R) approuvés par arrêté du ministre chargé de l'habitat. Art. 14. — Les systèmes de chauffage d'hiver, à l'exception des installations individuelles dont le principe de fonctionnement n'autorise que le réglage manuel, doivent comporter des dispositifs automatiques qui régulent la fourniture de chaleur en fonction, soit du climat intérieur, soit du climat extérieur. Art. 15. — Les systèmes de climatisation d'été doivent comporter des dispositifs automatiques qui régulent la fourniture du froid en fonction, soit du climat intérieur, soit du climat extérieur. Art. 16. — Les modalités d'application des articles 14 et 15 ci-dessus sont précisées par arrêté conjoint du ministre chargé de l'habitat, du ministre chargé de l'énergie et des ministres concernés. Art. 17. — La période transitoire pendant laquelle le caractère obligatoire de l'isolation thermique ne s'applique pas aux bâtiments neufs individuels est fixée à cinq (5) ans à compter de la date de publication du présent décret au Journal officiel de la République algérienne démocratique et populaire. Art. 18. — Le présent décret sera publié au Journal officiel de la République algérienne démocratique et populaire. 19 Moharram 1421 correspondant au 24 Ahmed BENBITOUR ANNEXE III : Les modèles du processus de la conception ANNEXES Annexe IIII: Les modèles du processus de la conception. Annexe-III. A : Modélisation des processus de conception Modèles linéaires : Selon Michel CONAN (1990) : Michel Conan dans son ouvrage intitulé Concevoir un projet d’architecture explore la nature des opérations effectuées par la pensée architecturale à l’occasion de l’élaboration d’un projet, entre les arts et l’ingénierie. Il propose un modèle de démarche heuristique issu du modèle de production des connaissances selon Popper, exprimé de la manière suivante : Le processus de conception architecturale (Conan ,1990) (source : SALLE N., 2007) « Le problème Pn amène le chercheur à proposer une hypothèse Hn, et à créer un dispositif de vérification de l’Ecart Expérimental Een, entre la prévision autorisée par l’hypothèse et la réalité observée, d’où le chercheur tire un nouvel énoncé de problème Pn+1 ». (Conan 1990). Sa réflexion sur la créativité le conduit à approfondir le rôle du dessin dans la pratique de l’architecte et les modes de circulation de l’information au cours d’un projet. Selon Pahl et Beitz (1984): Pahl et Beitz fait se succéder quatre phases pour aboutir à l’artefact (figure suivante). Ce model sert de référence à bon nombre de bureaux d’études chargés de la conception de produit. Les phases de conception selon Pahl et Beitz (1984) (source : SALLE N., 2007) ANNEXES Annexe IIII: Les modèles du processus de la conception. Modelés dynamiques : Plusieurs auteurs se sont penchés sur l’aspect temporaire du processus de conception et de communication. La métaphore de la spirale est omniprésente dans leurs schémas de présentation. Parmi ces auteurs, on site par exemple : Asimov ; Acher ; Zeisel 1981 ; Tidafi 1996 ; Chupin 1998 (figure suivante) : La spirale dans les modèles d’Asimov signifie l’évolution du travail conceptuel vers la solution architecturale. Le modèle de zeisel représente une spirale en plusieurs cycles (processus de conception) regroupe les différents éléments de la conception à savoir la répétition d’actions, le retour en arrière possible, les "éclairs conceptuels" (initial image formation, conceptual shifts, consecutive image-present-test cycles) le tout dans une direction : la résolution du problème. La solution finale retenue (decision to build) se trouve au point de rencontre entre le processus de conception et le domaine des réponses acceptables (domain of acceptable reponses). Le modèle de la communication pendant la conception architecturale de Tidafi définit 5 types de communications qui évoluent par rapport au contenu, participants et moyens de réalisation avec l’avancement du projet. Travaillant sur le projet analogique, Chupin définit un modèle de la conception comme « mouvement hélicoïdal à trois temps ». Modèles de la conception architecturale : la métaphore de la spirale (source : Ivanka Iordanova 2008) ANNEXE IV : Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques Annexe-IV. A : les données climatique d’après Weather Tool. (Ecotect 2011). Les données mensuelles de la région de Bechar Les données horaires de la région de Bechar ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques Les données horaires d’hiver de la région de Bechar Les données horaires d’été de la région de Bechar ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques La direction des principaux vents courants à chaque mois (saison) ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques Les principaux vents courants chauds et froids à chaque mois (saison) ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques Annexe-IV. B : les résultats de l’analyse bioclimatique B1-le diagramme psychométrique de Bechar de chaque mois: ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques B1-Les tables de Mahoney de Bechar: Tableau 1: Situation Localisation Latitude Longitude Altitude sud ouest Algérien 31,6° N 2,2 O 772 m Tableau 2: Température de l'air Température T Moy Max (c°) T Moy Min (c°) T Moy monsuelle (c°) Jan Fév. Mars Avr Mai 17,4 19,6 22,6 26,8 30,2 4 7 10,4 14,8 18 10,6 13,8 16,4 20,6 23,8 Juin Juil. Aout Sep Oct. Nov. Déc. 35,8 40,2 39,8 34,4 27,2 19,8 17,6 23,6 29,6 27,2 22,6 15,8 9,2 5,2 AMR (Tmax-Tmin) 36,2 29,4 35 33,2 28,2 21,4 15 11 AMT (Tmax+Tmin)/2 22,1 Tableau 3: Groupes d'humidité Groupe d’humidité Humidité relative 1 H < 30 % 2 H : 30-50% 3 H : 50-70% 4 H > 70% Tableau 4: Humidité relative, précipitation et vent Humidite relative Jan Fév. Mars Avr HR Moy Max (%) 78,62 75,46 58,33 54,62 HR Moy Min (%) 32,24 29,44 22,53 20,54 HR Moy monsuelle (%) 54,66 50,4 39,26 35,34 Groupe d'humidité 3 3 2 2 précipitation (mm) 10 8 6 9 Vitess moyenne du vent (m/S) 1,92 2,76 3,68 4,48 Mai 46,68 16,84 29,42 1 7 4,62 Juin 41,28 14,72 25,72 1 2 3,82 Juil. 30,78 12,08 19,58 1 1 3,88 Aout 35,58 14,36 23,34 1 2 3,62 Sep 55,24 24,02 37,86 2 7 3,58 Oct. 71,36 31,92 49,7 2 10 2,8 Nov. 74,02 34,76 53,32 3 11 2,56 Déc. 79,46 36,1 58,04 3 Total 9 82 1,96 Tableau 5: Limites de confort Groupe d’humidité 1 2 3 4 AMT > 20°C jour nuit 26_34 17_25 25_31 17_24 23_29 17_23 22_27 17_21 Tableau 6: Diagnostic Groupe d'humidité Température (c°) monsuelle moy max AMT : 15- 20 °C jour nuit 23_32 14_23 22_30 14_22 21_28 14_21 20_25 14_21 AMT > 15 °C jour nuit 21_30 12_21 20_27 12_20 19_26 12_19 18_24 12_18 Jan Fév. Mars Avr Mai Juin Juil. Aout Sep Oct. Nov. Déc. 3 3 2 2 1 1 1 1 2 2 3 3 17 19,6 22,6 27 30 35,8 40 39,8 34 max 29 29 31 31 34 34 34 34 31 confort diurne min 23 23 25 25 26 26 26 26 25 monsuelle moy min 4 7 10,4 15 18 23,6 30 27,2 23 max 23 23 24 24 25 25 25 25 24 confort nocturne min 17 17 17 17 17 17 17 17 17 jour C C C O O H H H H Thermal stress nuit C C C C O O H H O 27 19,8 17,6 31 29 29 25 23 23 16 9,2 5,2 24 23 23 17 17 17 O C C C C C Tableau 7: Indicateurs H1 Humidité H2 H3 A1 Aridité A2 A3 mouvement d'aire (essentielle) mouvement d'aire (désirable) Protection contre la plui Stockage thermique Outdoor sleeping saisons froides Jan Fév. Mars Avr Mai Juin Juil. Aout Sep Oct. Nov. Déc. Total 0 0 0 * * * * * * * * * * * * 12 * * * * 4 * * * * * 5 Tableau 8: Recommandations conceptuelles ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques Tableau 9: Recommandations d'éléments de conception ANNEXES Annexe IIV: Données climatiques et résultats d’analyse bioclimatiques ANNEXE V : La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et performance énergétique exigées (sectio3 du cahier des charges fourni par le ministère de l’habitat et de l'urbanisme). ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXES Annexe V: La section de prescriptions fonctionnelles, techniques et perfor performances énergétique énergétiques exigées exigées. ANNEXE VI : Dispositifs positifs architecturaux / techniques et ses propriétés ANNEXES Annexe VI: Dispositifs architecturaux/techniques et ses propriétés Annexe-VI. A : simulation de quelques dispositifs architecturaux : Avant de présenter les résultats de simulation il faut, d’abord, présenté le logiciel utilisé pour établir cette simulation (Ecotect analysis) : Ecotect : Ecotect, Building Performance Modeling, est un outil d’analyse solaire, thermique, acoustique et économique développé par Andrew Marsh pour des architectes. Sa particularité est l’association d’un modeleur 3D avec diverses analyses : solaires, thermiques, acoustique, de coût. Le principe à la base de cet outil est que : « la conception environnementale la plus efficace est à valider pendant les étapes conceptuelles du projet » (ECOTECT). Ecotect analyse et évalue différents domaines : l’analyse solaire (éblouissement à l’intérieur d’une pièce, les ombres sur les façades, les ombres de l’environnement alentour, conception de protection solaire), la conception de l’éclairage (calcul de l’éclairage intérieur naturel, éclairage artificiel), performances thermiques, acoustiques et coût et impacts sur l’environnement (coût des matériaux et émissions des gaz à effet de serre des composants). Résultats : Les faiblesses de l’outil concernent principalement le temps nécessaire à l’intégration du projet dans l’outil. Ecotect permet d’importer des fichiers DXF (Autocad) pour l’importation d’objet. Seule la géométrie 2D est reconnue dans l’outil. L’utilisateur doit par la suite modéliser en 3D l’ensemble de son projet. Il doit également définir un ensemble de zones en fonction de l’étude menée : zone thermique, zone acoustique etc. qui peut varier selon la thématique abordée. Les données d’entrées sont fastidieuses à mettre en place. Elles nécessitent d’y accorder un temps non négligeable. L’outil a pour objectif d’être utilisé dans les premières phases du processus de conception. Au vu des données à intégrer, il nous semble illusoire de pouvoir utiliser cet outil dès la phase esquisse. L’emploi d’Ecotect demande du temps. Ce n’est pas en adéquation avec les pratiques et les modes de fonctionnement des concepteurs en phase amont du processus. Il nous semble également indispensable de suivre une formation afin d’utiliser correctement cet outil (voir la figure au-dessous). Les atouts principaux d’Ecotect sont : - l’interface de l’outil. Sa similitude avec les outils de dessins informatiques utilisés par les concepteurs en architecture, lui confère une utilisation plus aisée, - l’approche plus globale de l’outil qui propose différents domaines d’études, - l’expression graphique et visuelle des résultats ANNEXES Annexe VI: Dispositifs architecturaux/techniques et ses propriétés Impressions écrans de l’outil Ecotect (manuel, démonstration, aide) ANNEXES Annexe VI: Dispositifs architecturaux/techniques et ses propriétés 1. La position des fenêtres : Pour voir la position adéquate (Horizontale ou verticale) des fenêtres dans un climat chaud et aride (Bechar), on a exécuté la simulation sur un séjour de 20m2 de surface (5*4) qui a une fenêtre (1.2*1.6) sur le côté sud. On a comparé entre les deux positions pendant l’hiver et l’été, via a l’insolation obtenue. Les résultats sont montrés dans les figures suivantes : Position horizontale : Pendant l'été Position verticale : Pendant l'été hiver) Pendant l'hiver Pendant l'hiver On observe que la position verticale est la meilleure pour les deux saisons (Eté et ANNEXES Annexe VI: Dispositifs architecturaux/techniques et ses propriétés Annexe-VI. B : Les propriétés thermique des matériaux 1. La conductivité thermique : La conductivité thermique (λ) [W/mK] est une caractéristique propre à chaque matériau. Elle indique la quantité de chaleur qui se propage par conduction thermique : en 1 seconde, à travers 1 m² d'un matériau, épais d'un 1 m, Lorsque la différence de température entre les deux faces est de 1 K (1 K = 1 °C). Plus la conductivité thermique est élevée, plus le matériau est conducteur de chaleur. Plus elle est faible, plus le produit est isolant (voir la figure suivante). La conductivité thermique des matériaux 2. Résistance thermique : La résistance thermique (Rt) [m²K/W] indique la propriété d'une paroi à s'opposer à l'écoulement de la chaleur. La résistance thermique est obtenue par le rapport entre l'épaisseur (d) (en m) et la conductivité thermique de la couche du matériau (λ) (en Rt = d / λ W/m.K) : C'est la mesure de performance isolante de la couche de matériau. Plus la résistance thermique est élevée, plus la couche est isolante. 3. Coefficient de transmission thermique : Le coefficient de transmission thermique (U) [W/m²K] d'une paroi est la quantité de chaleur traversant cette paroi en régime permanent, par unité de temps, par unité de surface et par unité de différence de température entre les ambiances situées de part et d'autre de la paroi. ANNEXES Annexe VI: Dispositifs architecturaux/techniques et ses propriétés Le coefficient de transmission thermique est l'inverse de la résistance thermique totale (Rt) de la paroi : U = 1 / Rt Plus sa valeur est faible et plus la construction sera isolée. Ainsi, le flux de chaleur passant par une paroi plane en régime stationnaire est donné par: q = U (Ti - Te) En d'autres termes, le coefficient U donne le flux de chaleur au travers de la paroi pour une différence de température de 1 Kelvin entre les deux environnements. Ce coefficient était anciennement appelé coefficient k ou valeur k. 4. La capacité calorifique : La capacité calorifique d’un matériau (Cv) [Wh/m3k] désigne la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une unité de volume de mur (capacité thermique volumique de 1°. Plus la capacité thermique est élevée, plus le matériau pourra stocker une quantité de chaleur importante. 5. La diffusivité thermique : La diffusivité thermique d’un matériau (a) [m2/h] exprime la capacité d’un matériau à transmettre une variation de température. C’est la vitesse à laquelle la chaleur se propage par conduction dans un corps : a = λ /Cv Plus la valeur de la diffusivité thermique est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l’épaisseur du matériau (temps de déphasage important). 6. L’effusivité thermique : L’effusivité thermique d’un matériau (E) représente la rapidité avec laquelle la température superficielle d’un matériau se réchauffe. Plus le coefficient (E) est bas, plus le matériau se réchauffe vite (le cas des isolants). 7. Inertie thermique : L'inertie thermique (ou la masse thermique) est le potentiel de stockage thermique d'un local ou d'une maison. L'ensemble des masses réparties à l'intérieur de l'enveloppe isolante d'une construction constituent l'inertie thermique intérieure : les parois en maçonnerie pleine, les dalles de plancher, etc. 8. Le déphasage : Le déphasage est un facteur d'amplitude en température, c'est-à-dire l'amplitude des variations de température entre l’intérieur et l’extérieur ou encore la durée de passage de l'onde de chaleur (ou de froid) à travers une paroi extérieure, entre le moment de son absorption sur la face externe et l'instant de sa restitution par la face interne.
