Fiche de révision : Conception Bioclimatique et Thermique

📋 Plan du Cours

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

📖 1. Plan masse et insertion dans le site

🔑 Notions clés & Définitions

• Îlots de fraîcheur : Ensemble de dispositifs extérieurs (végétation, eau, ombrage) visant à limiter la surchauffe et à améliorer le ressenti thermique en été.
• Sun earth tool : Outil de simulation d’ensoleillement utilisé pour analyser la course du soleil et l’impact des orientations sur le site.
• CBE Clima Tool : Outil d’analyse climatique qui aide à caractériser les conditions du site pour guider les choix de plan masse.

📝 Points essentiels

• Un plan masse bioclimatique commence par l’analyse du contexte morphologique et climatique (terrain, expositions, vents).
• Les aménagements extérieurs doivent viser des îlots de fraîcheur et des apports gratuits en hiver avec des plantations d’arbres, pergolas et plans d’eau.
• Le choix des orientations arbitre hiver/été en tenant compte des directions les moins ensoleillées et des vents dominants d’été.
• La végétalisation efficace des abords immédiats se fait sur environ 3 m avec au moins deux strates arbustives (couvrante au sol et arborée).
• Les surfaces d’eau contribuent par évapotranspiration à favoriser l’évacuation de la surchauffe et l’action dépend du tissu urbain et de l’accès aux vents.
• L’îlot de chaleur urbain peut être réduit par revêtements à albédo élevé et émissivité faible, mais cela peut créer un inconfort lumineux.

📖 2. Morphologie bioclimatique

🔑 Notions clés & Définitions

• Ventilation naturelle : Mécanisme de rafraîchissement basé sur le mouvement d’air créé par les différences de pression entre ouvertures.
• Ouvertures en façade : Éléments vitrés ou ajourés qui commandent lumière, déperditions et aussi l’efficacité de la ventilation naturelle.
• Effets de trous et pilotis : Phénomène de morphologie où une forme crée une zone partiellement exposée favorable aux échanges d’air et de microclimat.
• Positionnement des pare-soleil : Choix de l’emplacement et du type d’écrans solaires qui influence l’ensoleillement et donc les conditions thermiques liées à la ventilation.

📝 Points essentiels

• La morphologie bioclimatique agit via l’organisation des locaux selon l’orientation, le contexte extérieur et les activités, puis via l’épaisseur et les hauteurs pour viser confort thermique et ventilation naturelle.
• Les ouvertures augmentent la lumière mais aussi les pertes et les apports, donc elles pilotent directement le bilan thermique.
• La succession des pièces principales vers les pièces humides doit se faire dans le prolongement des vents dominants pour soutenir les échanges d’air.
• L’effet de trous et pilotis crée une zone partiellement exposée qui s’étend sur une aire de 2×H de chaque côté de la forme.
• L’effet de trous et pilotis est conditionné par H<25 m et L>8×H.
• La ventilation naturelle dépend du positionnement des ouvertures, du cloisonnement, et aussi des pare-soleil ainsi que de la forme des toitures.

💡 Astuce mémo

Ouvertures → Air, Cloisons → Chemins, Toiture/Pare-soleil → Moteur solaire (OCTM) ; Tròus/Pilotis : zone 2×H (conditions H<25, L>8×H).

📖 3. Organisation des espaces intérieurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Localisation fonctionnelle : Mode d’organisation qui place chaque local selon l’orientation, le contexte extérieur et les activités afin de répondre à ses besoins spécifiques.
• Espaces tampons : Espaces intermédiaires pensés pour limiter les variations entre extérieur et intérieur, utile en hiver comme en été.
• Patios plantés : Cour intérieure végétalisée utilisée comme espace intermédiaire pour améliorer le confort en jouant sur le microclimat.
• Jardins d’hiver : Espace vitré et végétalisé servant d’interface thermique pour participer au confort sur la période considérée.

📝 Points essentiels

• L’organisation intérieure doit placer les fonctions selon l’orientation, le contexte extérieur et les activités pour maîtriser les besoins thermiques, lumineux et acoustiques.
• Le zonage doit tenir compte du risque de surchauffe lié aux charges internes et aux apports importants.
• Des espaces tampons sont créés pour réduire les écarts en hiver et en été.
• Les patios plantés et jardins d’hiver fonctionnent comme espaces intermédiaires afin d’aider au confort global.
• Le choix de l’organisation intérieure s’appuie sur le besoin d’usage de chaque local (thermique, lumière, acoustique) et sur les conditions d’usage prévisibles.

📖 4. Enveloppe et confort thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Inertie thermique : L’inertie thermique est la capacité d’une paroi à absorber la chaleur pendant la journée et à la restituer progressivement la nuit.
• Pont thermique : Un pont thermique est une zone où l’isolation est interrompue ou affaiblie, créant des flux de chaleur supplémentaires dus à la géométrie ou à une matière plus conductrice.
• Étanchéité à l’air : L’étanchéité à l’air désigne la capacité de l’enveloppe à limiter les entrées d’air parasites et donc les courants d’air froids et les pertes.
• Surfaces vitrées : Les surfaces vitrées rassemblent les vitrages et leurs protections, qui conditionnent fortement les déperditions en hiver et les apports/entrées de chaleur en été.

📝 Points essentiels

• En été, une forte isolation rend le bâtiment plus sensible au surchauffe car les parois évacuent moins la chaleur accumulée.
• Pour un mur massif : le chargement thermique se fait pendant la journée, puis le déchargement thermique se produit pendant la nuit.
• Pour une configuration sur 48 h en canicule, le confort dépend d’un niveau d’isolation élevé, d’un ombrage (auvents sud, stores est/ouest) et d’une ventilation nocturne manuelle de 4 V/h.
• L’isolation par l’intérieur ou l’isolation répartie donnent de faibles effets d’absorption/stockage (faible diffusivité et faible effusivité), alors que l’isolation par l’extérieur sur paroi à inertie lourde augmente le…
• La ventilation nocturne et l’étanchéité doivent être conciliées : un renouvellement d’air de 20 à 40 m³/h et par personne vise une qualité d’air acceptable à très confortable.
• En hiver, une paroi très bien isolée présente des déperditions < 0,10–0,20 W/(m²K) contre environ 1,1 à 1,6 W/(m²K) pour un double vitrage, soit ~10 fois plus de pertes.

💡 Astuce mémo

Intérieur = peu d’inertie (air réactif) ; Extérieur sur lourd = inertie utile (stockage puis restitution).

📖 5. Simulation thermique dynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Déphasage de l’enveloppe : Le déphasage de l’enveloppe décrit le retard avec lequel la chaleur traversant le bâtiment se manifeste à l’intérieur, grâce à l’inertie des matériaux.
• Effusivité des matériaux : L’effusivité caractérise la capacité d’un matériau à échanger rapidement de la chaleur avec son environnement, influençant la sensation de confort.
• Coefficient de déperdition vitrage : Le coefficient de déperdition d’un vitrage quantifie la perte thermique par mètre carré et par degré, permettant de comparer vitrages et parois opaques.

📝 Points essentiels

• Les surfaces très bien isolées peuvent limiter la déperdition à environ 0,10–0,20 W/(m²·K), alors que des vitrages double vitrage sont autour de 1,1–1,6 W/(m²·K), soit ~10× plus de pertes.
• Une approche de simulation doit traiter le déphasage de l’enveloppe, car la masse et l’enchaînement des parois modifient le moment où la chaleur apparaît dans les locaux.
• Exemple de déphasage en simulation pour une paroi sud (absorption façade vitrée 0,7) : mur en briques 20 cm → déphasage 6 h et chaleur accumulée 84 Wh/m²·K.
• Pour obtenir un déphasage 8 h avec un mur en terre crue, il faut environ 27 cm d’épaisseur, avec une chaleur accumulée d’environ 105 Wh/m²·K.
• Le renouvellement d’air pris en compte peut viser 20 à 40 m³/h par personne pour atteindre une qualité d’air acceptable à très confortable.
• La surventilation nocturne est simulée en couplant inertie et ventilation : la structure est refroidie la nuit pour amortir les surchauffes de la journée.

💡 Astuce mémo

Déphasage = “combien d’heures la chaleur attend” (6 h avec briques 20 cm, 8 h avec terre crue ~27 cm).

📖 6. Serres bioclimatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Serre en applique : Serre adossée où l’espace serre est plus dissocié du volume habité, ce qui entraîne de fortes pertes et peu de surface d’échange.
• Serre encastrée : Serre intégrée au bâti avec une façade de captage optimisée et de grandes surfaces de contact avec l’espace habité, donc très performante.
• Serre en angle ou semi-encastrée : Serre hybride entre la serre en applique et la serre encastrée, offrant un compromis de performance thermique.
• Cheminée thermique de la serre : Conduit/volume de tirage utilisant la convection pour mettre en mouvement l’air et favoriser la ventilation naturelle via la serre.
• Serre à stockage activé : Serre où la chaleur est propagée par ventilation vers un stockage thermique (souvent des galets) pour restituer ensuite les calories.

📝 Points essentiels

• Les influences climatiques structurent la typologie des serres : zones tempérées à faible ensoleillement, zones tempérées à fort ensoleillement, zones continentales ou montagneuses, zones méditerranéenne.
• En été comme en hiver, la serre en applique est la moins performante car les déperditions de l’espace serre sont élevées et l’échange avec l’intérieur est limité.
• La serre encastrée est la plus performante grâce à une façade de captage optimisée (surface en contact au sud) et des surfaces de contact serre/espace habité maximales.
• Trois parois mitoyennes/protections sont envisagées : opaque en maçonnerie lourde (déphasage, fonctionnement mur capteur), paroi mixte maçonnerie lourde + grande surface vitrée (priorité à la convection de jour), paroi…
• En période de chauffe, l’air neuf traverse la serre pour être préchauffé puis est insufflé dans le logement (ventilation double flux ou insufflation).
• En été à risque de surchauffes, toutes les communications serre↔habitat sont fermées et la ventilation de la serre doit être élevée (5 à 10 volumes par heure) pour garder une température proche de l’air extérieur ;…

💡 Astuce mémo

Applique = pertes + peu d’échange ; Encastrée = sud + contact max ; Nuits d’été = surventiler via cheminée et viser 5–10 vol/h en serre.

📖 7. Murs capteurs et mur Trombe

🔑 Notions clés & Définitions

• Mur capteur accumulateur : Un mur capteur accumulateur est un dispositif avec vitrage devant une maçonnerie lourde où la chaleur solaire traverse, s’accumule puis se restitue à l’intérieur avec un déphasage.
• Temps de déphasage : Le temps de déphasage est le délai entre le moment où la paroi reçoit la chaleur solaire et celui où elle la restitue vers l’espace intérieur.
• Chaleur accumulée : La chaleur accumulée correspond à la quantité de chaleur que la maçonnerie peut stocker, souvent exprimée en Wh/m²·K dans les résultats de simulation.
• Mur Trombe : Un mur Trombe est un mur en maçonnerie lourde derrière une paroi vitrée, avec orifices et clapets pour créer une convection contrôlée jour/nuit selon les saisons.

📝 Points essentiels

• Le mur capteur accumulateur restitue la chaleur vers l’intérieur par rayonnement après conduction à travers la lame d’air et la maçonnerie, avec un déphasage déterminé par l’épaisseur des matériaux.
• Exemple simulation façade Sud (absorption façade vitrée 0,7) : mur en briques 20 cm avec déphasage 6 h et chaleur accumulée 84 Wh/m²·K.
• Pour obtenir un déphasage 8 h avec de la terre crue, il faut 27 cm d’épaisseur, pour une chaleur accumulée de 105 Wh/m²·K.
• Le mur Trombe fonctionne par convection : le solaire réchauffe l’air dans la lame, des clapets contrôlent l’échange avec l’espace de vie, et des clapets se ferment quand la convection s’arrête.
• La butée anti-retour empêche l’inversion de la convection pendant la nuit.
• Une variante de mur Trombe peut ajouter un volant roulant à l’extérieur et de petits volets basculants ; les clapets se ferment automatiquement et les volets contribuent au pilotage jour/nuit et hiver/été.

💡 Astuce mémo

Mur capteur = Soleil dans le mur, chaleur après retard (déphasage). Mur Trombe = Ventiler par convection seulement quand le soleil chauffe, puis fermer pour la nuit.

📅 Repères chronologiques

📊 Tableaux de synthèse

Stratégies chaud (hiver) vs froid (été)

Typologies de serres : performance relative

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre la stratégie du chaud (hiver) CAPTER–STOCKER–DISTRIBUER–CONSERVER avec la stratégie du froid (été) PROTEGER–EVITER–DISSIPER–REFRAICHIR–MINIMISER.
2. Croire que plus d’isolation rend toujours le confort d’été meilleur : le cours rappelle que les bâtiments fortement isolés deviennent plus sensibles à l’inconfort d’été.
3. Interpréter l’isolation par l’intérieur/répartie comme équivalente à l’isolation extérieure sur paroi à inertie lourde : dans le premier cas l’absorption/stockage est faible, dans le second il y a stockage et déphasage.
4. Confondre déphasage (retard de restitution) et chaleur accumulée (quantité stockée) dans les murs capteurs/Trombe : le cours les relie mais ce sont deux grandeurs.
5. Penser que la surventilation nocturne sert à “chauffer” : elle sert à évacuer la chaleur accumulée et tempérer la structure avec la fraîcheur nocturne.
6. Oublier que l’îlot de chaleur urbain réduit par albédo/émissivité peut créer un inconfort lumineux : le cours le mentionne comme risque.
7. Mélanger brasseur d’air et ventilation : le brasseur augmente la sensation de confort sans diminuer la température ni augmenter les débits de ventilation naturelle.

✅ Checklist Examen

1. Maîtriser les leviers de conception bioclimatique à toute échelle : plan masse, morphologie, organisation des espaces, enveloppe.
2. Savoir analyser le contexte morphologique et climatique au plan masse : terrain, expositions, vents dominants, et arbitrage orientations hiver/été.
3. Être capable de justifier les îlots de fraîcheur au plan masse : végétalisation des abords sur ~3 m avec au moins deux strates arbustives, et plans d’eau via évapotranspiration/ventilation.
4. Expliquer l’effet de trous et pilotis : zone partiellement exposée sur une aire de 2×H de chaque côté, avec conditions H<25 m et L>8×H.
5. Savoir décrire comment la ventilation naturelle dépend des ouvertures, du cloisonnement, et aussi du positionnement des pare-soleil et de la forme de toiture.
6. Connaître l’organisation intérieure : localisation fonctionnelle selon orientation/activités, succession pièces principales → pièces humides dans le prolongement des vents dominants, et gestion du risque de surchauffe…
7. Savoir définir et mobiliser les espaces tampons (hiver et été) et leurs exemples : patios plantés et jardins d’hiver.
8. Connaître les différences de comportement selon l’enveloppe : isolation par l’intérieur/répartie (faible inertie) vs isolation par l’extérieur sur paroi à inertie lourde (stockage et restitution lente/déphasée).
9. Maîtriser les exigences “confort d’été/hiver” via enveloppe : stratégie d’été = protection/évacuation + surventilation nocturne ; stratégie d’hiver = isolation + apports solaires, et paramètres cités (ventilation…
10. Savoir traiter les ponts thermiques et leur impact (surconsommations, inconfort local, désordres humidité) et les solutions citées (rupteurs, isolation par l’extérieure).
11. Être capable d’expliquer la simulation thermique dynamique : pas de temps adapté, zone thermique (espace homogène) et capteur donnant bilans thermique (températures/apports/déperditions/demande/consommations).
12. Pouvoir relier les technologies passives au principe physique : serres (en applique/encastrée/angle), murs capteurs accumulateurs et mur Trombe (convection jour/nuit, clapets, butée anti-retour) et les ordres de…