Lernzettel: Introduction à la conception bioclimatique

📋 Plan du Cours

1. Plan masse et insertion dans le site
2. Morphologie bioclimatique du bâtiment
3. Organisation des espaces intérieurs
4. Enveloppe et confort thermique
5. Simulation thermique dynamique
6. Stratégies d’hiver et d’été
7. Serres bioclimatiques
8. Murs capteurs et mur Trombe

📖 1. Plan masse et insertion dans le site

🔑 Notions clés & Définitions

• Plan masse : Le plan masse organise l’aménagement extérieur et la position du bâtiment pour tirer parti du contexte morphologique et climatique.
• Îlots de fraîcheur : Les îlots de fraîcheur sont des zones extérieures conçues pour limiter la surchauffe grâce à la végétalisation et à l’eau.
• Orientation du bâtiment : L’orientation du bâtiment consiste à choisir l’exposition des façades par rapport aux ensoleillements d’été et aux vents dominants, avec arbitrage hiver/été.
• Sun earth tool : Sun earth tool est un outil d’analyse de l’ensoleillement pour aider à décider l’implantation et l’orientation du bâti.
• CBE Clima Tool : CBE Clima Tool est un outil servant à analyser le climat afin d’orienter les choix du plan masse.

📝 Points essentiels

• Le plan masse démarre par l’analyse du contexte morphologique et climatique du site.
• Il faut travailler les aménagements extérieurs pour créer des îlots de fraîcheur et favoriser des apports gratuits en hiver (arbres, pergolas, plans d’eau).
• Le choix des orientations se fait en visant les directions les moins ensoleillées en été ou en fonction des vents dominants d’été, avec un arbitrage été/hiver.
• La végétalisation des abords efficaces se fait sur les abords immédiats jusqu’à 3 m et avec au moins 2 strates arbustives (couvrantes au sol + arborée).
• La surface d’eau contribue à l’évapotranspiration, améliore l’évacuation de la surchauffe et dépend du tissu urbain.
• L’effet d’îlot de chaleur urbain se réduit par des revêtements d’albédo élevé et d’émissivité faible, tout en contrôlant le risque d’inconfort lumineux lié aux surfaces très réfléchissantes.

💡 Astuce mémo

3m + 2 strates + eau = fraîcheur ; orientations = soleil d’été/vents d’été, arbitrer été-hiver.

📖 2. Morphologie bioclimatique du bâtiment

🔑 Notions clés & Définitions

• Ouvertures en façade : Les ouvertures en façade sont les percements qui déterminent à la fois l’ombre et les échanges d’air, donc l’efficacité de la ventilation naturelle.
• Épaisseur du bâtiment : L’épaisseur du bâtiment caractérise la masse et la dimension des parois, ce qui influence le confort thermique et la ventilation naturelle.
• Hauteurs du bâtiment : Les hauteurs du bâtiment modulent les échanges d’air et le fonctionnement thermique/visuel, en lien avec les masses et le cadre construit.
• Ventilation naturelle : La ventilation naturelle correspond au renouvellement d’air obtenu par le fonctionnement du bâtiment avec l’air extérieur, notamment via le positionnement des ouvertures.

📝 Points essentiels

• La morphologie bioclimatique agit sur le confort via l’aménagement fonctionnel lié à l’orientation et aux activités, l’épaisseur et les hauteurs du bâtiment, ainsi que la conception des ouvertures.
• La succession des locaux peut suivre les vents dominants : les pièces principales sont placées avant les pièces humides dans l’axe des flux attendus.
• Les effets de trous et pilotis créent une zone partiellement exposée s’étendant sur une aire de 2×H de chaque côté de la forme.
• Les effets de trous et pilotis peuvent exister si H < 25 m et si la longueur L > 8×H.
• La ventilation naturelle dépend du positionnement des ouvertures, du cloisonnement, ainsi que de la forme des toitures et des pare-soleil.

💡 Astuce mémo

Ouvertures bien placées → ventilation naturelle optimisée.

📖 3. Organisation des espaces intérieurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Localisation fonctionnelle : Notion d’organisation qui consiste à placer chaque local en fonction de l’orientation, du contexte extérieur et des activités prévues.
• Besoins d’usage : Notion regroupant les exigences d’un espace pour ses usages, notamment thermiques, lumière et acoustique.
• Risque de surchauffe : Notion liée aux surchauffes possibles quand les charges internes et les apports sont importants.
• Espaces tampons : Notion d’espaces intermédiaires utilisés pour créer des conditions plus stables en hiver et en été.
• Zonage : Notion de découpage du bâtiment en zones ayant des logiques d’usage et de traitement différentes, pour mieux gérer le confort.

📝 Points essentiels

• L’organisation intérieure doit suivre l’orientation et le contexte extérieur, tout en restant adaptée aux activités réelles du bâtiment.
• Le choix des locaux doit intégrer à la fois les besoins thermiques, la disponibilité de lumière et les exigences acoustiques.
• La conception doit anticiper les surchauffes liées aux charges internes et aux apports, surtout dans les périodes chaudes.
• Les espaces tampons peuvent être traités via des patios plantés, des jardins d’hiver et d’autres solutions intermédiaires.
• Le zonage sert à organiser les usages et les conditions intérieures afin de mieux répondre aux contraintes du confort.

💡 Astuce mémo

Localiser → Programmer → Tamponner → Zoner (LPTZ)

📖 4. Enveloppe et confort thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Isolation par l’intérieur : Isolation par l’intérieur : configuration où l’isolant en contact avec l’air intérieur réduit fortement la capacité de stockage et amortit peu les variations de température.
• Isolation par l’extérieur : Isolation par l’extérieur : configuration où l’isolant permet à l’inertie lourde de la paroi d’agir, avec une restitution de chaleur plus lente et déphasée.
• Pont thermique : Pont thermique : zone ponctuelle ou linéaire à rupture ou affaiblissement d’isolation qui crée des flux de chaleur accrus par la géométrie ou une matière très conductrice.
• Étanchéité à l’air : Étanchéité à l’air : qualité de l’enveloppe qui limite les entrées d’air froides et les courants d’air tout en améliorant l’économie d’énergie et le confort.
• Surventilation nocturne : Surventilation nocturne : ventilation réalisée la nuit pour évacuer la chaleur accumulée dans l’inertie pendant la journée et limiter les surchauffes.

📝 Points essentiels

• Un niveau d’isolation élevé associé à une ventilation nocturne manuelle à 4 V/h et un ombrage sud/est-ouest aide à stabiliser les températures moyennes sur 48 h.
• Avec une isolation par l’intérieur ou répartie, l’isolant absorbe et stocke faiblement (faible diffusivité/effusivité), rendant l’air intérieur plus sensible aux variations de température.
• Avec une isolation par l’extérieur sur paroi à inertie lourde, la paroi contribue davantage au confort via une capacité de stockage et une restitution lente et déphasée, nécessitant un réglage du chauffage.
• Les ponts thermiques entraînent typiquement surconsommations d’énergie, inconfort local et risques de désordres liés à l’humidité, et peuvent être atténués par rupteurs ou isolation extérieure.
• Une enveloppe bien étanche à l’air passe par la continuité de l’isolant, la simplification des détails, une pose soignée et un pare-vapeur côté intérieur.
• Le renouvellement d’air et la surventilation nocturne doivent être couplés : 20 à 40 m³/h et par personne soutiennent une qualité d’air acceptable à très confortable.

💡 Astuce mémo

Ambiance d’enveloppe : Isoler pour l’hiver, Protéger/évacuer pour l’été — Inertie + nuit = surchauffe amortie.

📖 5. Simulation thermique dynamique

📖 6. Stratégies d’hiver et d’été

🔑 Notions clés & Définitions

• Sur-ventilation nocturne : La sur-ventilation nocturne consiste à ventiler fortement pendant la nuit pour évacuer la chaleur accumulée dans l’inertie de la journée.
• Sur-ventilation diurne : La sur-ventilation diurne vise à évacuer les apports dus aux occupants et au rayonnement solaire pendant la journée.
• Brasseurs d’air : Les brasseurs d’air sont des équipements qui augmentent la vitesse d’air sur les occupants sans diminuer la température de l’air ni accroître forcément les débits de ventilation naturelle.
• Ventilation traversante : La ventilation traversante est une stratégie estivale qui met en communication des zones du bâtiment pour favoriser l’évacuation de l’air chaud vers l’extérieur.

📝 Points essentiels

• Le renouvellement d’air cible 20 à 40 m3 par heure et par personne pour une qualité de l’air acceptable à très confortable malgré une enveloppe étanche à l’air.
• Les solutions d’hiver couplent inertie thermique et ventilation nocturne pour activer la masse des matériaux et restituer la chaleur cumulée le jour.
• En été, des casquettes solaires et une végétation au sud (arbres à feuilles caduques) limitent le rayonnement direct et la surchauffe.
• La sur-ventilation nocturne cherche à temporiser les surchauffes car l’inertie est prête le matin à amortir la chaleur de la journée.
• La sur-ventilation peut être gérée avec des ouvrants automatisés ou manuels, mais elle requiert l’orientation face aux vents dominants et évite la mono-orientation peu performante.
• La densité recommandée pour les brasseurs d’air est d’environ 1 brasseur pour 10 à 15 m² au sol.

💡 Astuce mémo

Hiver : on charge la masse (inertie + nuit) ; été : on vide la masse (nuit + surventilation, souvent traversante).

📖 7. Serres bioclimatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Serre bioclimatique : Une serre bioclimatique est une serre intégrée au bâtiment pour contribuer au chauffage en période froide et à la gestion des surchauffes en période chaude via des échanges d’air et de l’ensoleillement.
• Serre en applique : Une serre en applique est une configuration où la serre est peu intégrée au volume bâti, ce qui limite les échanges avec l’espace intérieur et augmente les déperditions.
• Serre encastrée : Une serre encastrée est une configuration où la façade de captage est optimisée et où les surfaces de contact avec l’espace habité sont maximisées pour améliorer les performances.
• Serre en angle ou semi-encastrée : Une serre en angle ou semi-encastrée est une typologie intermédiaire entre la serre en applique et la serre encastrée, avec un compromis thermique.
• Serres à stockage activé : Les serres à stockage activé sont des serres où l’air chauffé est envoyé dans un stockage thermique (souvent des galets) pour restituer des calories lorsque nécessaire, notamment quand le local n’est pas contigu.

📝 Points essentiels

• Le type de serre est influencé par le climat : zones tempérées à faible ensoleillement, zones tempérées à fort ensoleillement, zones continentales ou montagneuses, zones méditerranéenne.
• La serre en applique est la moins performante thermiquement car elle présente trop de déperdition côté serre et manque de surface d’échange avec l’intérieur.
• La serre encastrée est la plus performante : la façade de captage est optimisée au sud et les surfaces de contact serre/espace habité sont maximales.
• En période de chauffe, l’air neuf traverse la serre pour être préchauffé puis est insufflé dans l’intérieur via ventilation double flux ou insufflation.
• En été, toutes les communications serre–espace de vie sont fermées et la ventilation de la serre doit être très importante (5 à 10 volumes par heure) pour maintenir une température proche de l’air extérieur.
• En surchauffe nocturne estivale, le bâtiment est surventilé pour tempérer la structure avec de l’air plus frais, en recherchant une ventilation traversante et la ventilation naturelle via la cheminée thermique de la…

📖 8. Murs capteurs et mur Trombe

🔑 Notions clés & Définitions

• Mur capteur accumulateur : Un mur capteur accumulateur est un dispositif solaire composé d’un vitrage devant une paroi en maçonnerie lourde qui emmagasine la chaleur puis la restitue vers l’intérieur avec déphasage.
• Lame d’air du mur capteur : La lame d’air correspond à l’espace derrière le vitrage où le rayonnement chauffe l’air, puis la chaleur migre vers la paroi massive par conduction.
• Mur Trombe : Un mur Trombe est une variante de mur capteur à maçonnerie lourde intégrant des orifices et clapets pour échanger l’air entre l’espace habité et la lame d’air selon les périodes.
• Clapets anti-retour : Des clapets munis d’une butée anti-retour empêchent l’inversion de la convection lorsque l’échauffement de la lame d’air cesse.

📝 Points essentiels

• Le mur capteur accumulateur chauffe la masse arrière de la lame d’air par le rayonnement transmis à travers le vitrage, puis la chaleur se diffuse vers l’intérieur avec un temps de déphasage.
• Le temps de déphasage dépend notamment de l’épaisseur des matériaux et fournit à la fois un déphasage défini et la quantité de chaleur stockée.
• Pour une paroi orientée Sud avec un coef d’absorption de 0,7 sur la façade vitrée, un mur en briques de 20 cm donne un déphasage de 6h et 84 Wh/m².K stockés.
• Pour obtenir un déphasage de 8h avec un mur en terre crue, il faut 27 cm d’épaisseur et la chaleur accumulée atteint 105 Wh/m².K.
• Le mur Trombe permet une convection jour/nuit via des orifices : les clapets se ferment automatiquement quand l’échauffement qui lance la convection s’arrête, et une butée anti-retour évite la convection inversée…

💡 Astuce mémo

Vitrage → lame d’air chaude → mur massif (déphasage) ; pour Trombe : clapets se ferment dès que la convection s’arrête, anti-retour empêche le “retour froid”.

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
1994	Casa Marika-Alderton (Glenn Murcutt)
2017	Référence pour la morphologie (Thierry Joffroy, 2017)
2025-2026	Année du cours ENSAPVDS / Programme S4 (Cours 8)

📊 Tableaux de synthèse

Isolation par l’intérieur vs par l’extérieur

Choix	Effet sur l’inertie/confort	Conséquence opérationnelle
Isolation par l’intérieur ou répartie	Isolation en contact avec l’air intérieur : absorption/stockage faibles (faible diffusivité et faible effusivité)	Confort via chauffage à faible puissance et régulation très réactive
Isolation par l’extérieur sur paroi à inertie lourde	La paroi conserve une forte capacité de stockage : déphasage et restitution lents (confort accru par la paroi)	Chauffage plus puissant avec réglage à établir (restitution différée)

Stratégie hiver vs stratégie été

Période	Objectif du système	Leviers cités
Hiver	Charger/maintenir la chaleur	Isolation ; CAPTER–STOCKER–DISTRIBUER–CONSERVER ; surfaçages/ombrage favorables via apports solaires et inertie
Été	Éviter/s’arracher aux surchauffes et rafraîchir	PROTEGER–EVITER–DISSIPER–REFRAICHIR–MINIMISER ; protection solaire (casquettes/stores/végétation) ; sur-ventilation…

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre l’isolation par l’intérieur (faible stockage donc air très réactif) avec l’isolation par l’extérieur sur inertie lourde (déphasage/restitution lents via la paroi).
2. Penser que les surfaces vitrées sont toujours à maximiser : en hiver elles aident par apports solaires, mais augmentent fortement les déperditions et exigent une approche multicritère.
3. Croire que la ventilation nocturne remplace l’isolation : dans le cours, elle sert à évacuer la chaleur accumulée dans l’inertie et doit être couplée à un bon niveau d’isolation et à l’ombrage.
4. Intervertir les objectifs : en hiver il faut capter/stocker/conserver, alors qu’en été il faut protéger/éviter/dissiper/rafraîchir/minimiser.
5. Mal utiliser les sur-ventilations : la sur-ventilation diurne vise surtout les apports occupants/solaires (efficace si occupation forte et/ou inertie faible), la nocturne vise l’évacuation avant que l’inertie amortisse.
6. Rater la logique « zonage » : le zonage ne sert pas qu’à l’usage, il sert aussi à organiser des conditions de confort (et intégrer le risque de surchauffe).
7. Rassembler les règles géométriques des trous/pilotis sans les contraintes : l’effet existe seulement si H < 25 m et si L > 8×H, avec une zone partiellement exposée de 2×H de chaque côté.

✅ Checklist Examen

1. Analyser le site pour le plan masse : morphologie, climat, et expliquer le rôle des îlots de fraîcheur et des apports gratuits en hiver.
2. Citer les prescriptions végétalisation : abords immédiats sur 3 m et au moins 2 strates arbustives (couvrantes au sol + arborée).
3. Justifier le choix des orientations : viser les directions les moins ensoleillées en été ou les vents dominants d’été, avec arbitrage hiver/été.
4. Expliquer la ventilation naturelle en morphologie : rôle des ouvertures en façade, du cloisonnement, et de la forme des toitures/pare-soleil.
5. Décrire l’ordre de succession des locaux dans l’axe des vents dominants : pièces principales avant pièces humides.
6. Maîtriser l’effet des trous et pilotis : zone partiellement exposée sur 2×H et conditions H < 25 m puis L > 8×H.
7. Présenter l’organisation des espaces intérieurs : localisation fonctionnelle, besoins d’usage (thermique/lumière/acoustique), risque de surchauffe, espaces tampons et exemples (patios plantés/jardins d’hiver).
8. Expliquer le zonage : découper le bâtiment en zones avec logiques d’usage et de traitement différentes pour mieux gérer le confort.
9. Comparer isolation par l’intérieur/repartie vs isolation par l’extérieur sur inertie lourde, en termes de stockage/déphasage et de réglage du chauffage.
10. Rappeler les ponts thermiques : définition, impacts typiques (énergie/inconfort/désordres humidité) et moyens d’atténuation (rupteurs ou isolation extérieure).
11. Décrire la démarche qualité d’enveloppe : continuité de l’isolant, simplification des détails, pose soignée, pare-vapeur côté intérieur, puis renouvellement d’air 20 à 40 m³/h et par personne.
12. Expliquer Simulation Thermique Dynamique : prise en compte du temps (pas de temps adapté), notion de zone thermique et capteur, et lister entrées/sorties d’une zone.
13. Traiter les stratégies hiver/été : CAPTER-STOCKER-DISTRIBUER-CONSERVER vs PROTEGER-EVITER-DISSIPER-REFRAICHIR-MINIMISER, et citer sur-ventilation nocturne/diurne, casquettes/stores/végétation et principe des brasseurs…
14. Exposer serres bioclimatiques : typologies (applique/encastrée/angle-semi-encastrée), principes de fonctionnement (chauffe par air neuf préchauffé en hiver, communications fermées et 5 à 10 volumes/h en été,…