Lernzettel: Climat, Architecture et Énergie

📋 Plan du Cours

1. Physique du climat et architecture
2. Climat global et dérèglements
3. Mécanismes du changement climatique
4. Évolution climatique et année sans été
5. Transmission thermique des parois
6. Inertie thermique et déphasage
7. Énergie grise et déchets de chantier
8. Analyse du cycle de vie et RE2020
9. Béton, ciment et sable
10. Territoires de l’énergie
11. Puissance, densité et architectures de l’énergie

📖 1. Physique du climat et architecture

🔑 Notions clés & Définitions

• Climat local : Le climat local regroupe les paramètres extérieurs comme précipitations, humidités, températures, ensoleillement et variations saisonnières qui pilotent le confort.
• Climat artificiel : Le climat artificiel désigne les conditions créées par le bâtiment, notamment température de l’air et des parois, humidités et vitesse de l’air.
• Transparence des parois : La transparence des parois correspond à la capacité des éléments vitrées à laisser passer le rayonnement tout en évitant les pertes liées aux phénomènes de surface.
• Contrôle solaire : Le contrôle solaire vise à limiter les effets du soleil sur le bâtiment grâce à des protections et des stratégies de façades adaptées.

📝 Points essentiels

• L’architecture sert d’abord à se protéger du climat, ce que montrent des façades épaisses et complexes au Palazzo Vidoni Caffarelli (Rome, 1515-1536) face à de grandes façades vitrées au ministère de la santé à Rio (1939-1943).
• L’ouvrage Solar Control and Shading Devices (1957) relie des solutions d’architecture à la réduction de l’effet du soleil sur le confort.
• Les vitrages anciens provoquaient des parois froides, avec condensation puis perte de transparence, créant des problèmes de santé et de moisissure.
• Dans le bâtiment, les propriétés thermiques des matériaux, l’étanchéité à l’air et à l’eau, la transparence et les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation conditionnent le climat intérieur.

💡 Astuce mémo

Rome 1515-1536 = murs épais et ombres; Rio 1939-1943 = vitres larges : même objectif, façades opposées.

📖 2. Climat global et dérèglements

🔑 Notions clés & Définitions

• Météo : La météo décrit des phénomènes atmosphériques à très court terme à partir de valeurs instantanées et locales.
• Climat : Le climat résulte de statistiques de variables atmosphériques sur une longue période, classiquement 30 ans.
• Classification de Köppen : La classification de Köppen regroupe les régions par type de climat à partir de critères comme température et cycle annuel.
• Année sans été 1816 : L’année sans été 1816 désigne un dérèglement climatique majeur attribué à l’éruption du volcan Tambora.

📝 Points essentiels

• Un climat est défini à partir d’observations répétées sur une longue durée, avec une convention de 30 ans pour caractériser une zone.
• La météo correspond au « temps qu’il fait » à l’échelle locale et immédiate via des mesures comme température, précipitations, pression et vent.
• Le refroidissement débute à partir du 16ème siècle, puis un réchauffement apparaît à partir du 20ème siècle selon le cours.
• Les scientifiques relient l’effet de serre à la hausse des températures à partir d’environ 1900.
• En 1816, l’éruption du Tambora libère beaucoup de SO2 qui se transforme en sulfates formant un voile plus opaque et réduisant le rayonnement solaire reçu.
• Le dérèglement de 1816 provoque des impacts sociaux majeurs, avec une inflation du prix du blé en France et des récoltes de riz quasi nulles en Asie menant à des famines.

💡 Astuce mémo

Météo = instantané et local ; Climat = statistiques sur longue durée (≈30 ans).

📖 3. Mécanismes du changement climatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement solaire : Le rayonnement solaire est l’énergie émise par le Soleil, issue de la fusion nucléaire, qui se propage sous forme d’ondes électromagnétiques.
• Albédo : L’albédo mesure la part du rayonnement solaire à la fois absorbée et réfléchie par la surface terrestre.
• Forçage radiatif : Le forçage radiatif correspond au déséquilibre entre l’énergie reçue par la Terre et celle qui repart, ce qui déclenche un réchauffement.
• Courbe de Keeling : La courbe de Keeling suit, à partir des années 50, l’évolution annuelle de la concentration de CO2 mesurée dans l’air.
• Gaz à effet de serre : Les gaz à effet de serre sont des constituants atmosphériques qui modifient le bilan radiatif et réchauffent le système climatique.

📝 Points essentiels

• La température de surface sans effet de serre est d’environ -20°C et la température préindustrielle est d’environ 15°C.
• Le CO2 dépasse aujourd’hui 422 ppm, et provient surtout de la combustion du charbon, du pétrole et du gaz.
• Le forçage radiatif est présent quand le rayonnement entrant est supérieur à celui qui sort, ce qui fait monter la température de l’atmosphère.
• Les durées de vie indiquées sont : CH4 ~12 ans, CO2 <100 ans, N2O ~120 ans, CFC jusqu’à 50 000 ans, et le CO2 émis reste des centaines à milliers d’années.
• La courbe de Keeling montre une hausse du CO2 associée aux sociétés industrielles, avec une variation saisonnière liée à l’absorption par la végétation au Nord.
• Dans un scénario de réchauffement de +2°C (vs 1850-1900), la hausse moyenne peut atteindre 7°C ou plus au pôle Nord, et 1 tonne de CO2 émise est associée à la fonte d’environ 15 tonnes de glace de glacier.

💡 Astuce mémo

CH4 ~12y ; CO2 <100y ; N2O 120y ; CFC jusqu’à 50 000y. (CH-12, CO-<100, N-120, CFC-50k)

📖 4. Évolution climatique et année sans été

🔑 Notions clés & Définitions

• Anthropocène : Terme qui désigne une période où les actions humaines deviennent un moteur majeur des cycles de la Terre, surtout depuis le milieu du XXe siècle.
• Grande accélération : Période à partir de 1950 où l’accélération des activités humaines intensifie les impacts sur la biosphère et les cycles biogéochimiques.
• Urbanisation : Processus d’augmentation de la part des populations en ville, qui renforce la demande énergétique et pèse sur le climat via la construction et les transports.
• Canicules : Périodes de fortes chaleurs qui augmentent les besoins de refroidissement et rendent plus fréquentes les demandes en climatisation.

📝 Points essentiels

• La grande accélération, décrite par McNeil, démarre à partir de 1950 et correspond à une intensification des impacts humains sur les cycles du carbone, du soufre et de l’azote.
• L’urbanisation augmente les pressions climatiques via le bâtiment (17% pour le résidentiel, 11% pour le non-résidentiel, 11% pour l’industrie de la construction) et les transports (28%).
• D’après une étude au Royaume-Uni, la température moyenne en hiver dans les pièces passe d’environ 15°C en 1980 à environ 21°C en 2010.
• Dans le monde, les climatisations sont passées à 16 milliards d’unités fin 2016, dont plus de la moitié en Chine (570 millions) et aux États-Unis (375 millions).
• La demande mondiale d’énergie liée aux climatiseurs devrait tripler d’ici 2050, nécessitant une capacité électrique de niveau comparable à celle des États-Unis, de l’Union européenne et du Japon réunis aujourd’hui.
• L’augmentation attendue du parc de climatiseurs passe de 1,6 milliard aujourd’hui à 5,6 milliards d’ici 2050 dans le bâtiment.

💡 Astuce mémo

Grande accélération (McNeil) : dès 1950, les humains pilotent Carbone–Soufre–Azote.

📖 5. Transmission thermique des parois

🔑 Notions clés & Définitions

• Convection : La convection est un transfert de chaleur entre un fluide et une paroi, avec déplacement de matière à l’état liquide ou gazeux.
• Conduction : La conduction est le passage de la chaleur à travers un corps entre deux points soumis à une différence de température.
• Rayonnement thermique : Le rayonnement thermique correspond aux échanges d’énergie par ondes électromagnétiques, sans contact direct avec l’air.
• Évaporation et sudation : L’évaporation (dont la sudation) refroidit le corps quand l’eau de la peau passe à l’état de vapeur.
• Confort thermique : Le confort thermique est l’état de ressenti global, influencé notamment par la température et les échanges avec les parois, mais pas uniquement par la température de l’air.

📝 Points essentiels

• Les déperditions de chaleur sont environ 35% par convection, 35% par rayonnement, 24% par évaporation et sudation, moins de 1% par conduction, le reste par ingestion de nourriture.
• La chaleur d’un corps vers l’extérieur peut se faire par conduction via l’air au contact et par convection quand l’air se déplace, ce qui accélère le transfert.
• Une humidité relative très élevée (exemple 24°C et 82% après une pluie) crée une forte moiteur car la peau évapore moins et se rafraîchit moins.
• À 24°C avec une humidité relative de 18%, l’évaporation de la transpiration refroidit davantage la peau et le ressenti devient plus supportable.
• La température ressentie dépend aussi des parois et le confort thermique dépend en plus de la vitesse de l’air, de l’activité et des vêtements.

💡 Astuce mémo

82% = peau qui n’évapore plus (moiteur) ; 18% = évaporation efficace (refroidissement).

📖 6. Inertie thermique et déphasage

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet de déphasage : Phénomène d’amortissement de la variation de température où la chaleur stockée et restituée décale le moment du pic thermique dans le bâtiment.
• Inertie thermique : Propriété des matériaux qui stockent la chaleur puis la restituent progressivement plutôt que de laisser la température varier instantanément.
• Diffusivité thermique : Paramètre qui décrit la rapidité avec laquelle la température d’un matériau évolue sous une sollicitation thermique extérieure.
• Effusivité thermique : Paramètre qui caractérise la capacité d’un matériau à échanger de l’énergie thermique avec son environnement.

📝 Points essentiels

• Sans inertie thermique (ex. type tente), le bâtiment perd ou gagne la température très vite quand les conditions extérieures changent.
• Dans un bâtiment à forte inertie, la chaleur est stockée la journée puis baisse/restitue plus tard, ce qui réduit l’appel énergétique.
• L’inertie thermique provient du stockage à partir du rayonnement solaire incident ou par conduction au contact d’air chaud, puis de la restitution quand l’air environnant est plus froid.
• La restitution de chaleur par convection se fait quand l’air est plus froid que la surface, et par rayonnement quand la température de surface devient inférieure à celle des objets voisins.
• L’inertie thermique est caractérisée par deux paramètres physiques distincts : la diffusivité (vitesse de variation) et l’effusivité (capacité d’échange).

💡 Astuce mémo

Déphasage = décaler le pic de chaleur : l’inertie stocke, puis relâche plus tard.

📖 7. Énergie grise et déchets de chantier

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitrage isolant : Assemblage de vitrage conçu pour réduire les pertes thermiques tout en améliorant la durabilité du système.
• Double vitrage : Vitrage constitué de deux parois vitrées séparées, visant à diminuer les déperditions de chaleur vers l’extérieur.
• Chauffage au fuel : Mode de chauffage utilisant le combustible fuel, développé dans des contextes de disponibilité énergétique comme le Havre.

📝 Points essentiels

• Dans la reconstruction du Havre par Auguste Perret, le chauffage au fuel sert à produire plus de 4 000 000 de calories pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire.
• Entre le charbon et le pétrole, la transition s’accélère pendant les Trente Glorieuses : en environ 10 ans, les chauffages passent du charbon au pétrole.
• Le recours au nucléaire civil s’inscrit comme réponse à la chute du pétrole, avec en France 54 réacteurs construits entre 1970 et 1980 pour une puissance cumulée supérieure à 55 000 MW.
• L’invention du vitrage isolant entraîne l’apparition de nouveaux déchets, associés à la forte durabilité du verre.

💡 Astuce mémo

Repère la chaîne : Havre (fuel, 4 000 000 cal) → pétrole en ~10 ans → nucléaire (1970-1980, 54 réacteurs) → vitrage isolant (nouveaux déchets).

📖 8. Analyse du cycle de vie et RE2020

🔑 Notions clés & Définitions

• Durabilité du vitrage : La durabilité du vitrage désigne sa capacité à rester en service longtemps, ce qui influence à la fois l’usage énergétique et les impacts environnementaux à long terme.
• Architecture saisonnière : L’architecture saisonnière est une façon de concevoir les espaces pour exploiter le confort d’hiver et de l’été grâce à une organisation et une ventilation adaptées.

📝 Points essentiels

• La fabrication et l’usage du vitrage isolant peuvent générer de nouveaux types de déchets, notamment liés à la forte durabilité de ce verre.
• L’architecture saisonnière vise un confort thermique annuel en concentrant la chaleur dans une partie bien isolée pour l’hiver et en ouvrant/ventilant davantage pour l’été.
• Dans le projet décrit, l’organisation en « maison d’hiver » et « maison d’été » réduit les pertes et évite de recourir à des systèmes énergivores.

📖 9. Béton, ciment et sable

🔑 Notions clés & Définitions

• Ciment : Le ciment est un matériau de construction qui a remplacé des techniques traditionnelles grâce à sa résistance et sa finition facile, mais qui peut retenir l’eau sans bien l’évacuer.
• Enduits traditionnels : Les enduits traditionnels (terre, chaux, plâtre, crottins) constituent des couches historiques dont le comportement d’humidité diffère de celui des enduits ciment.
• Pare-vapeur : Le pare-vapeur est un dispositif apparu avec l’isolation pour maîtriser le passage de vapeur d’eau et limiter les désordres liés à l’humidité.

📝 Points essentiels

• Depuis la fin du XIXe et une grande partie du XXe, le ciment s’est imposé car il résiste à l’abrasion, se peint facilement et offre une imperméabilité supérieure aux enduits traditionnels.
• Le ciment reste toutefois problématique pour l’humidité car il absorbe l’eau sans parvenir à l’évacuer.
• Depuis les années 1980, le développement des pare-vapeur accompagne l’isolation en réaction aux chocs pétroliers.
• La performance des dispositifs d’étanchéité/pare-vapeur dépend fortement de la qualité de mise en œuvre et de la coordination des lots pour éviter les percements.

💡 Astuce mémo

Imperméable en surface, mais pas “déshumidificateur” : le ciment stoppe l’eau, puis la garde (il absorbe sans bien l’évacuer).

📖 10. Territoires de l’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Empreinte territoriale des énergies : L’empreinte territoriale des énergies décrit l’endroit où se trouvent les ressources, la production et les transformations qui rendent une énergie disponible.
• Stock fossile et fissile : Un stock fossile et fissile regroupe les énergies tirées de ressources anciennes (charbon, pétrole, gaz, uranium) plutôt que de flux renouvelables actuels.
• Flux de puissance solaire : Le flux de puissance solaire est la puissance reçue par unité de surface, variant entre le Soleil et la Terre puis selon la latitude.

📝 Points essentiels

• À l’échelle mondiale, 85% de l’énergie provient des stocks fossiles et fissiles, décrits comme un “vieux” soleil et le nucléaire.
• Le flux de puissance à la surface du Soleil vaut 63 MW/m2, et sur Terre il est d’environ 169 W/m2.
• Le flux solaire varie avec la latitude : environ 80 W/m2 aux pôles et près de 250 W/m2 à l’équateur.
• Les métaux nécessaires aux énergies renouvelables sont principalement extraits en Chine, en RDC et en Australie, puis transformés le plus souvent dans des usines en Chine.

💡 Astuce mémo

Soleil 63 MW/m² → Terre 169 W/m² → Pôles 80 W/m² / Équateur 250 W/m² ; + 85% fossiles/fissiles.

📖 11. Puissance, densité et architectures de l’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Densité de puissance solaire : Quantité d’énergie solaire par unité de surface et de temps qui varie selon la latitude, avec des valeurs différentes aux pôles et à l’équateur.

📝 Points essentiels

• À la surface du Soleil, le flux de puissance vaut 63 MW/m², correspondant à l’énergie utilisée par environ 30 000 personnes pour 1 m².
• À la surface de la Terre, l’énergie solaire disponible est d’environ 169 W/m².
• Le flux solaire varie avec la latitude, d’environ 80 W/m² aux pôles à près de 250 W/m² à l’équateur.
• L’énergie “nouvelle” issue du soleil peut être captée via des villes, des plantes, ou des bassins versants énergétiques en milieu rural.

💡 Astuce mémo

Repère latitude : pôles ~80 W/m², équateur ~250 W/m² (près de 3×).

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Météo vs climat

Gaz à effet de serre : ordre de grandeur des durées de vie

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre météo (valeurs instantanées, local, très court terme) et climat (statistiques sur longue durée, convention ≈30 ans).
2. Croire que la “crise” du CO2 est terminée vite : le CO2 reste des centaines à milliers d’années dans l’atmosphère.
3. Mélanger inertie thermique et effet de déphasage : l’inertie stocke/restitue, le déphasage décale le pic de chaleur.
4. Confondre Sd et U : Sd concerne la diffusion de vapeur d’eau (Sd, résistance à la diffusion), alors que U caractérise la transmission thermique de paroi.
5. Interpréter l’humidité relative à tort : moiteur à 24°C/82% (évaporation freinée), meilleure évaporation et ressenti plus supportable à 24°C/18%.
6. Penser que le pare-vapeur remplace l’étanchéité à l’air : le pare-vapeur régule la vapeur, l’étanchéité à l’air réduit les fuites d’air (débit de fuite à 4 Pa).
7. Réduire l’ACV à “empreinte carbone” : l’ACV intègre plusieurs impacts (énergie, eau, déchets, eutrophisation, etc.) et la RE2020 utilise des indicateurs ICe et ICc.

✅ Checklist Examen

1. Expliquer la différence entre climat local et climat artificiel, et citer les familles de paramètres de chaque (extérieurs vs air/parois).
2. Relier l’architecture au contrôle du soleil et donner au moins deux exemples du cours (Palazzo Vidoni Caffarelli et ministère de la santé à Rio).
3. Définir météo et climat, et rappeler la convention de 30 ans pour le climat.
4. Présenter le rôle du forçage radiatif (rayonnement entrant > rayonnement sortant) et l’ordre de grandeur des températures sans effet de serre et préindustrielles.
5. Donner le principe de l’albédo, puis expliquer pourquoi l’éruption de 1816 (Tambora) a réduit le rayonnement reçu via des sulfates.
6. Distinguer rayonnement thermique, conduction et convection, et relier ces mécanismes aux échanges avec le corps humain.
7. Calculer/reconnaître les déperditions principales (≈35% convection, ≈35% rayonnement, ≈24% évaporation/sudation, <1% conduction) et ce qui influence la température ressentie (parois, vitesse de l’air, activité, vêtements).
8. Définir inertie thermique et effet de déphasage, puis rappeler les deux paramètres (diffusivité et effusivité) qui caractérisent l’inertie.
9. Expliquer pourquoi l’isolation, la transparence (vitrages) et l’ajout de couches à basse émissivité visent à limiter les pertes, et rappeler l’exemple du mur Trombe.
10. Comparer les logiques énergie-grise / empreinte carbone / déchets : cycle de vie, équivalents CO2 eq, et rôle de la durée de vie du bâtiment.
11. Connaître la logique de la RE2020 et les deux indicateurs ACV : ICe (sur 50 ans, consommation énergétique) et ICc (composants et chantier), ainsi que la FDES (2006).
12. Citer au moins deux leviers pour réduire les émissions liées au ciment (réduction du ciment, réduction de la teneur en clinker, amélioration du recyclage) et rappeler les deux postes d’émissions (décarbonation chimique et consommation énergétique).