Evaluation climatique préliminaire à la position des problèmes de

Evaluation climatique préliminaire à la
position des problèmes de transferts de
chaleur et de masse rencontrés dans le
bâtiment
Dalel MEJELEKH1, Mohammed EL GANAOUI2
1
Université Mentouri, Ecole d’Architecture, A.B.E Constantine, 25000, Algérie/
Université de Limoges, GEMH, ENSCI, Egletons, 19300. [email protected]
2
Université Henri Poincaré Nancy 1, IUT-HP, Lermab-Institut Carnot, France
RÉSUMÉ. La réduction des besoins de chauffage et de climatisation dans les bâtiments due
à l’adaptation au climat local, rend de plus en plus judicieux l'utilisation des énergies
renouvelables et la présence complémentaire d'une régulation fine. La compréhension des
phénomènes liés aux transferts de chaleur et de masse est une piste sérieuse dans l’approche
énergétique du bâtiment. Mais il est important de mener la réflexion très en amont la
conception thermique du bâtit qui vise à minimiser les besoins, à tirer le meilleur parti de la
situation existante et des simulations numériques précisément. Sans perte de généralité, trois
analyses distinctes climatique, microclimatique et bioclimatique ont été effectuées pour une
région test (Annaba, Algérie) afin de déceler une fiche technique à utiliser en amont du
projet architectural. Les recommandations quantifiées à l’échelle urbaine comme à l’échelle
du bâtiment concernent l’introduction des paramètres: soleil, vent et végétation pour un
confort hygrothermique optimal de l’usager et une consommation réduite de l’énergie.
ABSTRACT. Reduction of heating and air conditioning in buildings due to adapt to the local
climate needs makes more judicious use of renewable energy sources and the additional
presence of a fine regulation. Understanding heat and mass transfers is a serious way in the
building energy approach. However the most important is to conduct thinking very upstream
thermal design of builds that aims to minimize needs to take the best advantage of the existing
situation and numerical simulations precisely. Without loss of generality, three distinct
analyses: climate, microclimatic and bioclimatic were conducted in a test area (Annaba,
Algeria) to dress a sheet to be used upstream of the architectural project. Quantified urban
scale as the building scale recommendations relate to the introduction of the parameters:
Sun, wind and vegetation to hygrothermal optimal user comfort and reduced energy
consumption.
MOTS-CLÉS: évaluation climatique -transfert de chaleur et de masse– bâtiment- énergie.
KEY WORDS: climatic evaluation – heat and mass transfer- building - energy.
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
1.
2
Introduction
L’importation de modèles d’urbanisme et d’architecture internationaux qui se
servent de matériaux et de prototypes préétablis avec l’usage répandu des vitrages
dans les façades ne s’accompagne pas systématiquement de bon comportement
énergétique. Elle peut entraîner d’une part des problèmes de surchauffe en été et
d’autre part, la structure de faible poids réduit la protection du froid en hiver. Ces
comportements font appel à l’utilisation intense de moyens mécaniques de
régulation thermique: chauffage et climatisation, conduisant à l’abus des énergies
fossiles et à l’atteinte à l’environnement. Aujourd’hui nos bâtiments consomment
plus de 46% d’énergie fossile et sont responsables de plus de 25% des émissions de
CO2.
En termes de besoins énergétiques, une maison de 100 m² pour 4 personnes
nécessite 320 kWh/m² pour le chauffage; 60 kWh/m² pour les usages électriques;
1000 kWh par personne pour l’eau chaude sanitaire. Il nous faut donc 42000 kWh
par année [WUR 10]. Si on opte pour la solution panneaux solaires ou le
photovoltaïque qui produisent respectivement d’électricité en une année de 16000
kWh par m² de PS et 200 kWh par m² de PV, alors il me faut 2,625m² de PS et 210
m² de PV s’avèrent utiles (à poser de préférence dans le jardin). Si la solution du PS
solaire peut marcher, le problème avec le PV c’est qu’on aurait plus de jardin : perte
du foncier et c’est un investissement cher pour l’énergie dans les deux cas. Quelles
sont alors les clés pour limiter les consommations énergétiques dans le bâtiment
avec un faible impact sur l’environnement?
L’énergie la moins chère est celle qui n’est pas consommée, c’est le concept de
l’architecture bioclimatique passive. Cette démarche vise la recherche de l'efficacité
énergétique optimale des bâtiments et de leurs équipements pour satisfaire les
besoins de confort des occupants, en utilisant au mieux les ressources énergétiques
en vue de la meilleure adéquation entre le bâtiment, le climat et l'occupant. Si elle
est bien conçue, elle assure de 60 à 70% d’énergie utile [MAZ 75]. Mais avec
l’architecture bioclimatique passive, le plus important est de mener la réflexion très
en amont de la conception thermique du bâtit qui vise à minimiser les besoins, à tirer
le meilleur parti de la situation existante et à la calculer précisément. A cet effet trois
analyses distinctes, ont été effectuées dans la région d’étude Annaba dans le but de
déterminer une fiche technique à utiliser en amont du projet architectural avec des
recommandations quantifiées à l’échelle urbaine comme à l’échelle du bâtiment.
2.
Matériel et méthode
2.1. Présentation de la région test
Annaba est située au nord-est algérien, entre 36°54’ de latitude N et 7° 45’ de
longitude Est, au pied du massif de l'Edough, à proximité de l'embouchure de l'oued
Seybouse, sur la Méditerranée. Elle est limitrophe de quatre wilayates (Figure1).
C’est l’une des principaux centres industriels du pays.
Evaluation climatique préliminaire à la position des problèmes de transfert de chaleur et masse
rencontrés dans le bâtiment
3
N
Figure1. Situation de la ville de Annaba (Source : Google Earth, 2010)
2.2. Analyse climatique
Le climat d’Annaba est un climat doux, pluvieux en hiver, chaud et subhumide
en été avec une moyenne maximale de 32°C en août et une moyenne minimale de
6,58°C en janvier. Le taux d’humidité est élevé l’hiver comme l’été, la moyenne
maximale est de 93% en décembre et la moyenne minimale de 46,4 % en juillet.
L’insolation est considérable en été avec un maximum de 356 h en juillet et un
minimum de 98,9 h en décembre. Les précipitations sont rares en été et sont
importantes en hiver avec un maximum de 136,16 mm en décembre et un minimum
de 4,22 mm en juillet (Figure 2).
Figure 3. Interprétation des données météorologiques de la région Annaba
(Source: Auteurs)
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
4
2.3. Analyse microclimatique
N
Le terrain, Tamzali (aire d’étude) destiné à recevoir un projet d’habitat, se situe
dans la partie ouest de la ville d’Annaba. La présence de la forêt d’Eucalyptus,
l’olivier, la broussaille, les oueds: Boudjemaa, Dheb et la zone marécageuse influent
sur le micro climat du terrain et participent à l’élévation du taux d’humidité. Le
versant sud de Tamzali profite d’un bon ensoleillement. Les brises de mer sont du
côté nord–nord-est soufflent le jour, et les brises de terre du sud-sud-ouest nocturnes
viennent du coté du massif Edough (Figure 3).
Figure 3. Paramètres agissant sur le micro climat de l’aire d’étude (S: Auteurs)
2.3. Analyse bioclimatique :
Les directives déduites du diagramme psychrométrique S. Szokolay [SZO 80]
Figure 4 appliqué à la région d’Annaba pour l’étude bioclimatique, se résument en:
- Effet de masse thermique avec ventilation naturelle et nocturne pour la saison
d’été et un contrôle solaire à partir du mois de juin;
- Le chauffage passif pour les mois assez froids comme octobre, mars; et le
chauffage d’appoint pour les mois les plus froids tel que janvier;
Le calcul de Tn la température neutre mensuelle pour Annaba, employant
l'équation empirique d’Auliciems [AUL 97]: Tn = 17,6 + (0.31×T moyenne)°C
donne les températures ambiantes de confort entre 19,78 °C l’hiver à 27,10 °C l’été.
Les zones de confort peuvent être prolongées par +/-2 °C ce qui donne une gamme
adaptative de confort entre 18 à 29°C au-dessus du cycle annuel.
Evaluation climatique préliminaire à la position des problèmes de transfert de chaleur et masse
rencontrés dans le bâtiment
5
Figure 4. Diagramme psychrométrique de Annaba (Source: Auteurs)
Les tables de Mahoney présentent l’avantage d’intégrer certaines variables
sociales et fonctionnelles en fonction des variations climatiques, ont été aussi
utilisées pour déterminer les recommandations utiles à la réalisation du confort
thermique dans le bâtiment à Annaba [ONU 70]. Pour déterminer les profils
d’ombres et dimensionner les brise-soleil, la méthode de surchauffe [OLG 76] a été
choisie pour la région d’étude (Figure 5).
Figure 5. Calcul des protections solaires (Source: Auteurs)
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
6
3. Résultats et discussion :
De nombreuses études et retours d’expériences sur les bâtiments les plus
performants Goulding, 1993, Sidler, 2000, PREBAT, 2007, EFFINERGIE, 2008,
THIERS, 2008 [THI 08] montrent que la diminution des consommations
énergétiques passe par une conception architecturale prenant en compte la compacité
du bâtiment et la gestion des apports solaires passifs. Les résultats tirés des deux
analyses précédentes concernent à la fois l’échelle urbaine et celle du bâtiment :
3.1. Recommandations à l’échelle urbaine
- Plan de masse allongé le long de l’axe est-ouest pour profiter d’une large façade
donnant sur le sud : prospect ensoleillement L = 0,75H Figure 4;
- Grand espacement entre bâtiments permettant la pénétration de brises afin de
chasser l’humidité, avec protection contre vents chaud et froid : prospect
ventilation L = 0,65H;
- Végétation à feuillage caduc au sud et à l’est;
- Végétation à feuillage persistant au nord et à l’ouest.
N
Figure 6. Forme du plan de masse et espacement entre bâtiments (S: Auteurs)
3.2. Recommandations à l’échelle du bâtiment
- Toiture légère avec isolation et un drainage adéquat des eaux de pluies;
- Fenêtres 20 à 40% de la surface du mur, placées au nord et au sud de la paroi face
au vent, dotées d’une protection contre la pluie;
- Murs extérieurs épais (8 h temps de déphasage);
- Un masque solaire horizontal (auvent) de 1 m pour occulter la fenêtre au sud;
- Un brise-soleil vertical (décrochement de façade) de 2,4m pour la fenêtre à l’est;
- Un pare-soleil combiné entre éléments vertical et horizontal (loggia) pour occulter
la fenêtre au sud-ouest: l’élément vertical de 2,4m et l’élément horizontal de 1,7 m;
- Un pare-soleil combiné entre éléments vertical et horizontal (loggia) pour occulter
la fenêtre au sud-est : l’élément vertical de 1,7 m et l’élément horizontal de 69 cm;
Evaluation climatique préliminaire à la position des problèmes de transfert de chaleur et masse
rencontrés dans le bâtiment
7
- Le pare-soleil calculé pour la fenêtre à l’ouest est de dimension très importante 6,8
m, donc il faut éviter l’ouverture dans cette orientation et prévoir la végétation
grimpante pour protéger la façade (mur).
La Figure 7 montre l’application des recommandations sur une résidence type:
N
Figure7. Plan R-D-C de la résidence (Source: Auteurs)
La protection solaire pour atteindre le confort thermique l’été est assurée par la
végétation et le pare-soleil horizontal au sud, vertical à l’est et l’ouest (Figure 8).
Figure 8. Confort d’été: protection solaire (Source: Auteurs)
Le renouvellement d’air dépend de plusieurs paramètres, certains découlent des
choix architecturaux du bâtiment (ventilation transversale et exposition au vent du
site, etc.) d’autres seront directement liés aux phénomènes moteurs de la ventilation
naturelle (différence de température entre l’intérieur et l’extérieur, vitesse et
orientation du vent) [TRO 09]. Le choix de la ventilation transversale et par effet de
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
8
tirage thermique pour le cas d’étude sera utilisé en été profitant des brises de terre du
sud-sud-ouest la nuit, et des brises de mer du nord-nord-est la matinée (Figure 9).
Figure 9. Système de ventilation transversale et par effet de tirage thermique
(Source: Auteurs)
Le confort d’hiver consiste à orienter les espaces de vie comme le séjour, salle à
manger et chambres à coucher au sud pour profiter au maximum des apports solaires
(gratuits). Les espaces de service par contre constituent des espaces tampons, seront
orientés à l’ouest (garage, cage d’escalier, etc.) [ADE 00] (Figure 10).
Figure 10. Confort d’hiver: captage solaire (serre) (Source: Auteurs)
Le panneau photovoltaïque déposé sur la toiture avec une inclinaison de 30°
[LIN 10] sera utilisé pour assurer les 30% ou les 40% de l’énergie restant du profit
passif Figure 11. Il permettra la production de l’électricité sous l’effet de la chaleur
(rayonnement solaire) avec la génération de courant électrique continu. Notant que
le solaire photovoltaïque permet la conversion du rayonnement solaire en électricité
avec un rendement de 10 à 12% [LIE 2005]. Actuellement, la priorité est donnée par
l’ADEME au photovoltaïque intégré au bâtiment en favorisant les solutions
architecturales et esthétiques les plus accomplies. Tous systèmes photovoltaïques
installés sur un bâtiment assurant le clos et le couvert, ayant l’une des fonctions
suivantes : allège, bardage, brise-soleil, garde-corps, mur-rideau [PAR 10].
Evaluation climatique préliminaire à la position des problèmes de transfert de chaleur et masse
rencontrés dans le bâtiment
9
Figure 11. Production de l’électricité (Source: Auteurs)
Températures (°C)
Pour ce qui est l’usage de matériaux et pour un bon transfert de chaleur et de
masse l’hiver comme l’été, on doit opter pour l’enveloppe dite ‘respirante’:
matériaux hygroscopiques, avec effet de l’inertie thermique [MED 10] (Figure 12).
Enduit de ciment
e1=1.5cm
R1=0.01m²°C/W
Mortier de chaux
e2=2cm
R2=0.02m²°C/W
72.1
Moellon de
travertin
e3=23cm
R3=0.27m²°C/W
Vide d'air
e4=3cm
R4=0.12m²°C/W
Moellon de
travertin
e5=23cm
R5=0.27m²°C/W
30,9
Mortier de chaux
e6=2cm
R6=0.02m²°C/W
16cm
Enduit de plâtre
e7=1.5cm
R7=0.04m²°C/W
R1R2
R3
R4
R5 R6 R7
Résistance (m²°C/W)
e1e2
e3 e4
e5e6 e7
Epaisseur (cm)
Paroi extérieure
56
cm
Figure 12. Effet d’inertie thermique: épaisseur du mur externe et amortissement de
l’onde thermique montré à travers le tracé du gradient thermique (S: Auteurs)
L’usage de l’isolation thermique dans les parois externes offre aussi de
meilleures performances thermiques même en climat chaud. L’étude montre que le
système composite avec le feutre (comme isolant) forme un siège de transfert de
chaleur inhomogène et permet un ajustement de la température intérieure meilleur
qu’avec la lame d’air. L’emplacement idéal de l’isolant dans la paroi est celui du
coté externe. L’épaisseur recommandée de l’isolant et
pour des raisons
économiques, serait de 5cm, d’autant que la variation de la température intérieure
demeure faible au delà de cette valeur [MED 10].
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
10
CONCLUSION
L’objet de cette étude est d’attirer l’attention sur les gains énergétiques rendus
possibles grâce à l’intégration judicieuse du solaire au bâtiment. Elle passe par
l’orientation, l’isolation et l’usage des matériaux. En effet, le meilleur capteur
solaire est la fenêtre si elle est bien orientée au Sud. L’isolation, la compacité,
l’inertie avec le bon choix des matériaux sont incontournables pour optimiser les
gains solaires. Par ailleurs, le choix approprié des espèces végétales pour chaque
orientation permet un système de régulation du confort, et un moyen pour réduire la
consommation énergétique. La prise en compte des ces éléments d’orientation offre
en soi un gain d’énergie considérable et permet de bien poser les problèmes à
simuler. Ces problèmes sont en général exprimés par des bilans de transferts de
chaleur et de masse et nécessitent des conditions initiales et aux limites inspirées du
contexte (tel que dans cette étude) pour qu’ils soient bien posés. Leur résolution
permet de quantifier les consommations et orienter les améliorations.
Bibliographie
[ADE 00] ADEME Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie; Paris; 2000.
[AUL 11] AULICIEMS. A & SZOKOLAY. S; Thermal Comfort, PLEA Note 2, Passive and
Low Energy Architecture; 1997.
[LIE 05] LIEBARD. A, DE HERDE. A ; Traité d'architecture et d'urbanisme bioclimatiques;
Le Moniteur, Paris, p 2a; 2005.
[LIN 00] LINCOT. D; Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire (I) Ressource,
production, acteurs, filières; Deuxième Ecole de Physique Avancée au Maghreb (EPAM),
El Marsa Sidi-Fredj (Alger); du 29 Mai au 7 Juin 2010.
[MAZ 75] MAZRIA. E, Le Guide de l’énergie passive solaire passive ; Parenthèse, Paris,
p239; 1975.
[MED 10] MEDJELEKH. D, ABDOU. S, EL GANAOUI. M; Impact of the thermal inertia of
material on the hygrothermal comfort of building, IRECHE International Review of
Chemical Engineering, Vol. 2 N. 3, pp: 391-397; May 2010.
[MED 10] MEDJELEKH. D, Modélisation de l’impact de l’isolation thermique sur la
température intérieure, Rev des Energies Renouvelables, vol 13 n°2, pp265-273, mai 2010.
[OLG 76] OLGAY. A and OLGAY. V; Solar control and shading devices; New Jersey:
Princeton University Press Princeton; 1976.
[ONU 70] ONU, Climate and House Design, United Nations, New York; 1970.
[PAR 10] PARROUFFE J.M, ADEME ; Contexte global, enjeux et stratégies de
développement des EnR et du Photovoltaïque; 4ème Forum Technique Photovoltaïque,
Valpré Lyon (Ecully); Mardi 26 Janvier 2010.
[SZO 80] SZOCOLAY S.V, Environmental science handbook for architects and builders,
Lacastre, London, New York: The Construction Press; 1980.
[THI 08] THIERS. S, Bilans énergétiques et environnementaux de bâtiments à énergie
positive, Thèse de doctorat, Ecole nationale supérieure des mines de Paris, 2008.
[TRO 09] TROCME. M, Aide aux choix de conception de bâtiments économes en énergie,
Thèse de doctorat, Ecole nationale supérieure des mines, Paris; novembre 2009.
[WUR 10] WURTZ. E, Une plate-forme d'expérimentation de bâtiments 0-énergie à l'INES,
Journée thématique Efficacité Énergétique dans l’Habitat et les Transports, Toulouse ;
24-25mars 2010.