Lernzettel: Stratégies bioclimatiques et inertie thermique

📋 Plan du Cours

1. Objectifs thermiques et confort dans les bâtiments
2. Notions d'inertie thermique : absorption, transmission, déphasage et amortissement
3. Calculs de déphasage thermique et capacité thermique selon la norme ISO 13786
4. Méthodes simplifiées pour évaluer l'inertie par absorption dans les parois
5. Critères de conception des parois pour optimiser isolation, accumulation et déphasage hiver/été
6. Ventilation nocturne pour restitution de la chaleur accumulée par inertie
7. Ventilation naturelle et rafraîchissement par évapotranspiration au niveau de la peau
8. Physique, effets et configurations de la ventilation naturelle
9. Exemples architecturaux de stratégies bioclimatiques et protections solaires

📖 1. Objectifs thermiques et confort dans les bâtiments

🔑 Notions clés & Définitions

• Tertiaire : Catégorie de bâtiments comprenant les bureaux, les bâtiments commerciaux et industriels, où le conditionnement de l’air est souvent nécessaire pour le confort ou le fonctionnement.
• Enveloppe étanche à l’air : Enveloppe du bâtiment conçue pour limiter les infiltrations d’air afin d’améliorer le confort thermique en hiver en réduisant les pertes de chaleur.
• Compacité du bâti : Caractéristique architecturale visant à réduire la surface de l’enveloppe extérieure par rapport au volume intérieur, ce qui contribue à améliorer le confort thermique en hiver et en été.
• Charges thermiques : Quantité de chaleur apportée ou perdue par un bâtiment, provenant de sources externes comme le rayonnement solaire et la température extérieure, ou internes comme les occupants et les équipements.

📝 Points essentiels

• Un bâtiment doit maintenir un environnement confortable vis-à-vis des conditions extérieures incluant thermique, hydrique, acoustique, visuel et qualité de l’air.
• En hiver, les trois grands principes pour le confort thermique sont : isoler, faire une enveloppe étanche à l’air, et ventiler.
• Maximiser les apports solaires gratuits et augmenter la compacité du bâti contribuent à améliorer le confort d’hiver.

💡 À retenir

Le confort thermique dans un bâtiment repose sur une combinaison d’isolation, étanchéité, ventilation et exploitation des apports solaires pour répondre aux variations climatiques.

📖 2. Notions d'inertie thermique : absorption, transmission, déphasage et amortissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Inertie thermique par absorption : Capacité d’un bâtiment à s’opposer aux variations rapides du confort intérieur dues aux apports externes ou internes, en absorbant la chaleur grâce aux matériaux en contact avec l’ambiance intérieure, fonctionnant comme une éponge thermique lors de variations importantes de température.
• Déphasage thermique : * 2 T   
• Inertie par transmission : Capacité d’un bâtiment à retarder la transmission des variations de température extérieure à l’intérieur via la paroi, caractérisée par la diffusivité thermique des matériaux, ce qui induit un déphasage temporel en heures.
• Déphasage et d’amortissement : Le déphasage correspond au délai en heures entre le maximum de température extérieure et celui intérieur, tandis que l’amortissement désigne la réduction de l’amplitude des variations de température intérieure par rapport à celles de l’extérieur.

📝 Points essentiels

• L’inertie par absorption agit contre les variations rapides du confort intérieur dues aux apports internes ou externes.
• Inertie par absorption Inertie par transmission paroi s’oppose aux variations rapides du confort intérieur dues aux apports extérieurs ou intérieurs paroi s’oppose aux transmissions des variations du climat extérieur s’oppose aux variations de t°int => éponge thermique fonctionne lors de variations de température importantes (ex: été) action est effective que lorsque la température intérieure commence à varier ralentissement tel que la chaleur arrive à l’intérieur bien après que la paroi n’ait été soumise à l’ensoleillement maximal Amortissement [K] des variations de température intérieure d’où que provienne la source d’énergie décalage temporel = Déphasage [h] Déphasage et d’amortissement été 2002 dans un logement présentant des murs à fort déphasage, situé en vallée du Rhône.
• Cette inertie dépend de plusieurs caractéristiques : o capacité d’accumulation de chaleur des matériaux en contact avec l’ambiance intérieure o capacité d’échange thermique de ces matériaux avec cette ambiance intérieure o Et donc, du type d’isolation thermique du bâtiment (ITE, ITI ou ITR) Paramètres caractéristiques des matériaux en relation avec l’inertie thermique : o conductivité thermique  [W/m.K] o chaleur spécifique cp [J/kg.K] o masse volumique  [kg/m3] NOTION D’INERTIE THERMIQUE TEMPS DE DÉPHASAGE THERMIQUE Inertie par transmission NOTION D’EFFUSIVITÉ Pour qu’un matériau accumule beaucoup de chaleur, il se devra d’avoir : o une conductivité thermique élevée pour que sa chaleur puisse facilement pénétrer dans le matériau o une chaleur spécifique et une masse volumique élevées, pour accumuler la chaleur Capacité d’accumulation de chaleur d’un matériau lorsqu’on chauffe sa surface est fonction de son effusivité : b = .

💡 À retenir

L’inertie thermique, via absorption et transmission, module la stabilité thermique intérieure en retardant et atténuant les variations de température.

📖 3. Calculs de déphasage thermique et capacité thermique selon la norme ISO 13786

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusivité thermique : Grandeur physique qui détermine la vitesse à laquelle la chaleur se transmet à travers un matériau en régime de température variable, calculée par le rapport de la conductivité thermique à la capacité thermique volumique (a = λ / (Cp * ρ)).
• Capacité thermique d’un élément de construction : Propriété dynamique d'un élément de construction qui quantifie la quantité de chaleur qu'il peut stocker, dépendant de sa masse volumique, de sa chaleur spécifique et de sa conductivité thermique, et variant selon la période d'étude (1 heure, 1 jour, 1 semaine, 1 an).
• Norme ISO 13786 : Norme internationale qui définit des méthodes pour calculer le déphasage thermique et la capacité thermique des parois en conditions dynamiques, notamment en prenant en compte la période du cycle thermique et les propriétés thermiques des matériaux.

📝 Points essentiels

• Le déphasage thermique se calcule comme le rapport entre l’épaisseur d’un matériau et la vitesse de l’onde thermique pour un cycle de 24 heures.
• La capacité thermique d’un élément dépend de sa masse volumique, chaleur spécifique et conductivité thermique, et varie selon la période étudiée (1h, 1 jour, 1 semaine, 1 an).
• La profondeur de pénétration thermique (δ) est calculée par δ = a * sqrt(T / 2π), où a est la diffusivité thermique et T la période en secondes.
• La norme ISO 13786 fournit des méthodes pour calculer le déphasage et la capacité thermique des parois en conditions dynamiques.

💡 À retenir

La norme ISO 13786 fournit des méthodes pour calculer le déphasage et la capacité thermique des parois en conditions dynamiques.

📖 4. Méthodes simplifiées pour évaluer l'inertie par absorption dans les parois

🔑 Notions clés & Définitions

• Méthode de l’épaisseur efficace : Procédé de calcul de la capacité thermique d'une paroi en ne considérant que la profondeur de pénétration thermique dans la première couche ou l'épaisseur totale de la couche si cette profondeur est supérieure à l'épaisseur.
• Inertie par absorption : Capacité thermique d'une paroi liée à l'absorption de chaleur, caractérisée par l'effusivité, et calculée en sommant les capacités thermiques des couches jusqu'à une couche isolante ou jusqu'à ce que l'onde thermique soit amortie.
• Dans l’inertie : Expression utilisée pour désigner la contribution d'une couche spécifique à la capacité thermique totale d'une paroi, prise en compte selon la profondeur de pénétration thermique et la nature des couches adjacentes.

📝 Points essentiels

• La méthode de l’épaisseur efficace consiste à calculer la capacité thermique en ne considérant que la profondeur de pénétration thermique ou l’épaisseur totale si δ > d.
• Si la couche suivante est isolante, le calcul de l’inertie s’arrête à la couche précédente.
• L’inertie de la paroi est la somme des inerties calculées couche par couche jusqu’à l’isolant ou jusqu’à ce que l’onde thermique soit amortie.
• On refait alors les mêmes étapes, et l’inertie de la paroi est la somme des inerties calculées jusqu’à l’isolant ou que l’onde de chaleur se soit tassée (plus d’épaisseur efficace).

💡 À retenir

Utiliser des méthodes simplifiées comme l’épaisseur efficace permet d’estimer pragmatiquement l’inertie thermique par absorption dans les parois complexes.

📖 5. Critères de conception des parois pour optimiser isolation, accumulation et déphasage hiver/été

🔑 Notions clés & Définitions

• Remarque : Il faut trouver un compromis entre confort d’été (peu compact) et confort d’hiver (très compact).
• Hiver pour : Expression indiquant que la conception ou la caractéristique d'une paroi doit répondre à des critères spécifiques en hiver, notamment pour réduire les pertes thermiques et la consommation de chauffage.

📝 Points essentiels

• Il est essentiel d'isoler en hiver pour diminuer la consommation de chauffage, car l'isolation réduit les pertes thermiques.
• Accumuler la chaleur en hiver permet de capter et restituer la chaleur solaire, limitant ainsi l'appel de puissance de chauffage.
• En été, le déphasage doit être d'au moins 8 heures, idéalement 12 heures, pour réduire les effets des fortes variations de température extérieure et limiter la surchauffe.
• Accumuler la fraîcheur nocturne en été permet de la restituer le jour, contribuant à la régulation thermique.

💡 À retenir

Il est essentiel d'isoler en hiver pour diminuer la consommation de chauffage, car l'isolation réduit les pertes thermiques.

📖 6. Ventilation nocturne pour restitution de la chaleur accumulée par inertie

🔑 Notions clés & Définitions

• Restituer la chaleur accumulée par inertie : Action de libérer la chaleur stockée dans les matériaux du bâtiment grâce à leur inertie thermique, notamment par ventilation naturelle nocturne.

📝 Points essentiels

• La ventilation nocturne permet de restituer la chaleur accumulée dans les parois par inertie thermique.
• Cette restitution se fait via des ouvertures dans l’enveloppe du bâtiment, activées la nuit.
• La ventilation nocturne contribue à rafraîchir le bâtiment en évacuant la chaleur stockée durant la journée.

💡 À retenir

Exploiter la ventilation nocturne est une stratégie clé pour utiliser l’inertie thermique comme tampon thermique et améliorer le confort estival.

📖 7. Ventilation naturelle et rafraîchissement par évapotranspiration au niveau de la peau

🔑 Notions clés & Définitions

• Ventilation naturelle : Diagramme de Givoni extrait de Pléiades La présence d’une vitesse d’air permet d’élargir la zone de confort Remarque importante : d’un point de vue général, de nombreuses études montrent que les occupants supportent mieux les fortes températures/humidités en v
• Latents : Composante d’apport d’humidité dans l’air qui influence le confort thermique et intervient dans le processus de rafraîchissement par évapotranspiration au niveau de la peau.

📝 Points essentiels

• La ventilation naturelle permet un taux de renouvellement d’air plus élevé que la ventilation mécanique, variable selon les ouvertures.
• Le rafraîchissement de l’occupant s’effectue par évapotranspiration au niveau de la peau, favorisé par la ventilation de confort.

💡 À retenir

La ventilation naturelle favorise le rafraîchissement humain par évapotranspiration, améliorant le confort sans recours à la climatisation.

📖 8. Physique, effets et configurations de la ventilation naturelle

🔑 Notions clés & Définitions

• PEB2 – Physique et Energétique : Ensemble des principes physiques et énergétiques appliqués à la conception, à la construction et à l’exploitation du bâtiment, visant à optimiser ses performances énergétiques et son confort thermique en intégrant notamment la gestion de la ventilation.

• Physique et Energétique du Bâtiment : Domaine qui étudie les échanges thermiques, la circulation de l’air, et les phénomènes physiques liés à la conception et à l’exploitation du bâtiment, afin d’améliorer ses performances énergétiques et son confort intérieur.

• PEB2 – Physique : Partie spécifique de la physique appliquée au bâtiment, qui concerne principalement les phénomènes liés à la thermique, à la circulation de l’air, et à la transmission de chaleur, dans le but d’optimiser la performance énergétique et le confort.

• Physique et Energétique : Ensemble des phénomènes physiques (thermiques, fluidiques, acoustiques) et énergétiques qui interviennent dans le bâtiment, notamment ceux liés à la ventilation, à l’isolation, et à la gestion de l’énergie pour assurer un environnement intérieur sain et économe en énergie.

📝 Points essentiels

• La ventilation naturelle repose sur des effets physiques qui provoquent le mouvement de l’air à l’intérieur du bâtiment sans recours à des systèmes mécaniques. Parmi ces effets, le tirage thermique joue un rôle central : il désigne le déplacement de l’air induit par la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment. Lorsque l’air extérieur est plus froid que l’air intérieur, la différence de température crée un flux d’air ascendant ou descendant selon la configuration des ouvrants, permettant de renouveler l’air intérieur. Ce phénomène peut être positif, favorisant un flux entrant, ou négatif, entraînant un flux sortant ou une stagnation, selon les conditions thermiques et la configuration des ouvertures.

• Les configurations d’ouvrants influencent directement l’efficacité de la ventilation naturelle. Une configuration mono-façade, où l’air entre et sort par la même façade, limite souvent la circulation d’air efficace, tandis qu’une configuration traversante, avec des ouvrants situés sur des façades opposées, facilite un flux d’air plus dynamique et renouvelé. La disposition et la taille des ouvrants, ainsi que leur position par rapport aux sources de chaleur ou aux vents dominants, déterminent la capacité du système à assurer un renouvellement d’air optimal.

• Le tirage thermique peut être positif ou négatif en fonction des conditions environnementales et de la configuration du bâtiment. Un tirage thermique positif se produit lorsque la différence de température favorise l’entrée d’air neuf, améliorant la ventilation. À l’inverse, un tirage négatif peut entraîner une stagnation ou un reflux d’air, réduisant l’efficacité du renouvellement. La compréhension de ces effets physiques et de leur interaction avec la configuration des ouvrants est essentielle pour concevoir une ventilation naturelle efficace, permettant de réduire ou d’éviter le recours à des systèmes de ventilation active.

💡 À retenir

La maîtrise des effets physiques liés à la différence de température et à la configuration des ouvrants est fondamentale pour concevoir une ventilation naturelle performante, permettant d’assurer un renouvellement d’air efficace tout en limitant l’usage de systèmes mécaniques.

📖 9. Exemples architecturaux de stratégies bioclimatiques et protections solaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Protections Mobiles : Dispositifs pouvant être déplacés ou orientés pour moduler l'apport solaire, incluant voiles, volets roulants, brises soleils orientables, stores intégrés, volets battants, persiennes et autres éléments similaires.
• Façade à double peau : Système architectural constitué de deux couches de façade séparées par un espace ventilé, conçu pour améliorer la gestion thermique et favoriser la ventilation naturelle du bâtiment.
• Construction en pisé : Technique traditionnelle utilisant des murs en terre compactée qui exploitent la masse thermique pour stocker la chaleur ou le froid, combinée à une ventilation naturelle pour assurer le rafraîchissement.
• Protections solaires : Dispositifs ou aménagements fixes ou mobiles, ainsi que protections végétales, destinés à limiter les apports solaires excessifs afin d'améliorer le confort thermique en été.

📝 Points essentiels

• Les façades à double peau améliorent la gestion thermique et la ventilation naturelle des bâtiments.
• Le mur Trombe stocke la chaleur solaire et la restitue progressivement à l’intérieur.

💡 À retenir

Les exemples architecturaux illustrent comment intégrer des stratégies bioclimatiques et protections solaires pour optimiser le confort et la performance énergétique.

📊 Tableaux de Synthèse

Comparatif des stratégies de déphasage

Objectif	Méthode	Critère
Réduction de la surchauffe estivale	Délai de déphasage ≥ 8h	Optimisation pour été
Amélioration du confort hivernal	Accumulation de chaleur	Optimisation pour hiver

Inertie thermique : absorption vs transmission

Type d'inertie	Principe	Effet principal
Absorption	Capacité d'absorber la chaleur	Atténuation des variations rapides
Transmission	Retarder la transmission thermique	Stabilisation thermique

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confusion entre déphasage et capacité thermique.
2. Sous-estimer l'importance de la diffusivité thermique dans le calcul.
3. Mélanger inertie par absorption et inertie par transmission.
4. Utiliser des méthodes simplifiées sans vérifier leur validité pour certains matériaux.
5. Ignorer l'impact de la configuration architecturale sur la ventilation naturelle.
6. Confondre déphasage thermique et inertie thermique.
7. Négliger l'effet de l'humidité sur la performance thermique.

✅ Checklist Examen

1. Vérifier la conformité des calculs de déphasage avec la norme ISO 13786.
2. Évaluer la diffusivité thermique des matériaux utilisés.
3. Considérer l'effet de la masse thermique dans la conception.
4. Optimiser la configuration des ouvertures pour la ventilation naturelle.
5. Intégrer des protections solaires mobiles ou fixes.
6. Utiliser la double peau pour la gestion thermique.
7. Prendre en compte l'influence de l'humidité sur la ventilation.
8. Privilégier la simplicité dans l'évaluation de l'inertie.
9. Intégrer la stratégie de ventilation nocturne dans le design.
10. Utiliser des matériaux à haute capacité thermique pour l'inertie.
11. Analyser l'effet de la compacité du bâti sur le confort thermique.