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29 juin 2018

L’architecture bioclimatique

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Le terme bioclimatique, lorsqu’il est associé à un type d’architecture, fait référence à la fois à la vie et à l’environnement par le préfixe « bio » et aux conditions climatiques du lieu de construction. L’architecture bioclimatique pourrait donc être définie comme l’art de bâtir des édifices en adaptant la construction aux conditions climatiques de l’endroit et à son environnement.

Objectif de l’architecture bioclimatique

Ce type d’architecture permet d’assurer le confort des utilisateurs de l’édifice, tout en mettant au point un bâtiment qui respecte son environnement et en tire le meilleur parti. Pour ce faire, la

construction devra utiliser les énergies renouvelables du site telles que l’énergie solaire, éolienne ou géothermique. L’édification respectera les mêmes règles en utilisant les énergies extérieures au site de manière très limitée. Les énergies fossiles et l’électricité seront donc utilisées de manière raisonnée.

L’architecte bioclimatique cherche durant tout le processus de conception à voir l’environnement comme une source de confort et cherche à entrer en symbiose avec celui-ci dans un souci de préservation. La conception bioclimatique est la phase stratégique ou l’architecte définira les objectifs du projet, les différentes contraintes environnementales à respecter et les solutions architecturales qui y seront apportées. Ainsi, il s’assure que son édifice ait peu d’impact sur l’environnement tout comme l’environnement aura peu d’impact sur son édifice.

Principes de l’architecture bioclimatique

L’architecture bioclimatique possède des principes équivalents à ceux du développement durable. Elle s’inscrit dans une démarche de respect de la biosphère. C’est une pratique écologique qui utilise les matériaux et les systèmes les plus simples possible pour apporter à l’édifice tout le confort moderne : chauffage, ventilation, évacuation des eaux, etc. La construction solaire qui met à profit l’énergie solaire et la construction passive qui tire toute son énergie de l’environnement sont des types d’architectures bioclimatiques.

Les 5 principes majeurs du bioclimatisme sont les suivants :
– Principe 1 : L’édifice doit être parfaitement intégré dans le site.
– Principe 2 : Les matériaux de construction doivent être le plus possible tirés de l’environnement.
– Principe 3 : Le chantier doit être mené dans des conditions qui respectent la nature.
– Principe 4 : La construction doit assurer le confort et la santé de ses utilisateurs.
– Principe 5 : Elle doit encourager les économies d’énergie et l’usage énergétique raisonné.

Ces 5 principes permettent de garantir que le produit final évoluera en symbiose avec son environnement tout en assurant le confort de son utilisateur et en ayant des coûts énergétique réguliers très réduits. Une conception de projet rigoureuse devra être mise en place pour respecter ces grands principes.

Conception du projet architectural

Pour réussir le respect des 5 grands principes de l’architecture bioclimatique, la personne chargée du projet devra réaliser une étude minutieuse du site de construction afin d’en déterminer le climat, les risques liés aux conditions climatiques, le relief ainsi que la faune et la flore qui l’occupent. Lorsqu’il a réalisé cette étude, il devra définir clairement les objectifs énergétiques globaux de la construction. Cette phase passe par une expression claire des attentes en matière de conforts pour les futurs utilisateurs de l’édifice et de l’impact environnemental acceptable.
Toutes les contraintes définies préalablement par l’architecte bioclimatique sont destinées à clarifier la vision de tous les participants au projet afin de garantir sa bonne exécution. C’est pourquoi, la rédaction d’un planning précis et d’une charte qui définit les objectifs de la construction sera impérativement mise en place avant le début du chantier. Ce programme présentera aussi bien les techniques, les énergies, et les matériaux disponibles que les contraintes environnementales possibles.

Touts ces contraintes serviront également à définir clairement le lieu d’édification afin de tirer profit de l’environnement de manière optimisé. Les constructions voisines, les commerces, les transports en commun et les services de proximité seront aussi à prendre en compte pour limiter les dépenses énergétiques des utilisateurs de la future construction afin d’éviter de générer des déplacements inutiles. Cette phase de conception donnera la possibilité aux participants du chantier de respecter totalement les 5 grands principes de l’architecture bioclimatique.

Principe 1 : Intégration au site

Ce principe sera respecté si les besoins en infrastructures de l’édifice sont limités au maximum. Pour ce faire, l’édifice doit être implanté dans un endroit qui limite les déplacements de son utilisateur et qui réduit l’impact de celui-ci sur l’environnement. Les centres-villes, les agglomérations périphériques et les friches seront donc à privilégier dans une démarche bioclimatique. De cette façon, l’installation de bâtiments dans des paysages naturels est limitée.

Principe 2 : Choix des matériaux

Pour une construction bioclimatique, les matériaux à faible empreinte écologique sont préférés aux matériaux de construction classiques. L’architecte veillera à ce que ce principe n’entre pas en contradiction avec le dernier principe en ne choisissant pas des matériaux qui peuvent avoir des conséquences néfastes sur la santé. Il réfléchira pour cela à l’ensemble du cycle de vie du matériau et se posera les questions suivantes :
– Quel impact sur l’environnement a eu la fabrication de ces matériaux ?
– Ce matériau pollue-t-il l’environnement ?
– L’installation de ce matériau à l’intérieur de l’édifice est-il nocif à la santé ou au confort des utilisateurs ?
– Ce matériau est-il recyclable ?
– Quelle est la durée de vie des matériaux utilisés ?
– Quelle est l’énergie grise de chaque matériau ?

L’énergie grise associée à un matériau définit son empreinte écologique. Plus l’énergie grise d’un élément de construction est élevée, plus son impact sur l’environnement sera important. Cette valeur est donc à prendre sérieusement en compte par la personne chargée du choix des matériaux. En effet, l’énergie grise informe sur le bilan énergétique du matériau durant tout son cycle de vie, de sa fabrication à son recyclage.

L’architecte portera son choix sur des matériaux sains et naturels. On parle de matériaux naturels pour définir des matériaux qui proviennent de sources renouvelables. Des efforts devront être fournis pour préférer les matériaux naturels locaux aux matériaux naturels importés.

Principe 3 : Mise en œuvre du chantier

L’utilisation d’engins et de moyens mécaniques qui consomment une grande quantité d’énergie et qui peuvent avoir un impact sur l’environnement est à éviter dans une démarche d’édification bioclimatique. Des moyens de constructions simples et naturels seront donc préférés aux techniques classiques de construction. Les déchets et le bruit produits durant le chantier devront être limités au possible afin de ne pas perturber l’environnement de celui-ci.

Principe 4 : Le confort des utilisateurs

L’apport d’un niveau de confort intéressant pour les futurs utilisateurs de la construction passe par le choix de matériaux et de techniques de construction qui permettront d’assurer de bonnes conditions thermiques et hygrométriques à l’intérieur de l’édifice. La capacité du bâtiment à capter et à redistribuer l’énergie solaire influe donc directement sur le confort de vie des utilisateurs du bâtiment. L’apport en lumière, l’absence d’odeurs des matériaux, la facilité d’entretien, l’aspect visuel et la qualité de l’air sont des points que l’architecture doit absolument prendre en compte pour que le confort à l’intérieur de son édifice soit de haut niveau.

Principe 5 : Les dépenses énergétiques

L’architecture bioclimatique doit viser un niveau de consommation passif, rendant l’édifice totalement indépendant des sources d’énergie non-renouvelables. Même si elle n’atteint pas ce niveau, elle doit veiller à respecter la réglementation thermique en vigueur et assurer une performance de consommation supérieure à celle attendue par la norme. Si toutes les consommations sont visées par ce procédé (eau, gaz, énergies fossiles, etc.), c’est surtout l’énergie solaire et l’air qui doivent être bien gérés dans un but écologique.

Gestion de l’air

L’air intérieur d’un bâtiment doit être systématiquement renouvelé afin d’assurer une bonne qualité d’air à ses utilisateurs et une répartition homogène de la température. Si dans les bâtiments classiques, la gestion de l’air est assurée par un système de ventilation mécanique fonctionnant à l’énergie électrique, une gestion plus naturelle est préférée dans les bâtiments conçus de façon bioclimatique.

Cet aménagement demande une certaine logique de conception afin de ne pas avoir à contrôler le système de ventilation naturelle par la suite. L’autonomie de l’édifice peut alors être conservée. Les solutions les plus simples consistent à mettre en place un système de ventilation par mouvement d’air traversant ou par appel d’air. Pour appliquer de telles réponses écologiques, il suffit de créer un nombre important d’entrées d’air opposées dans l’habitation. Il faudra penser à regrouper les pièces qui produisent des pollutions aériennes et à ne pas placer les entrées d’air à proximité des sources de pollutions extérieures. Le renouvellement de l’air sera alors efficace et totalement naturel, sans avoir besoin de recourir à un système de VMC électrique.

Gestion de l’eau

De nombreuses constructions bioclimatiques sont équipées d’un système de récupération des eaux de pluie afin de bénéficier d’un circuit d’eau naturel pour l’alimentation des WC, des appareils électroménagers, des tuyaux d’arrosage, etc. Toutefois, l’alimentation en eau par le réseau municipal est obligatoire afin de disposer d’une eau potable pour l’utilisation courante. Les systèmes de récupération de l’eau de pluie sont conçus pour être enterrés afin d’éviter le gel durant la période hivernale. Le chauffage de l’eau sanitaire pourra également être assuré par un chauffe-eau solaire.

Gestion de l’énergie solaire

La bonne gestion des apports solaires est l’un des facteurs clé de la démarche de sobriété énergétique des constructions bioclimatiques. En effet, l’édifice doit tirer profit au maximum des apports solaires durant les saisons froides afin de limiter ses besoins en énergies fossiles pour se chauffer. Toutefois, il doit également limiter les effets de la chaleur du soleil en saison chaude afin d’éviter d’avoir à climatiser le bâtiment.

La gestion de l’énergie solaire au sein d’une construction bioclimatique se base sur plusieurs objectifs :
– L’énergie solaire doit être facilement captée par l’installation en hiver.
– L’installation doit être protégée convenablement de la chaleur du soleil en été.
– L’énergie solaire doit être diffusée efficacement.
– La température intérieure doit pouvoir être conservée facilement.

  1. Capter l’énergie solaire

L’axe de rotation incliné de la terre a des conséquences sur le trajet de celle-ci autour du soleil. L’hémisphère Nord verra donc la course du soleil s’effectuer du Sud-est au Sud-ouest durant l’hiver et du Nord-est au Nord-ouest pendant l’été. Pour tirer profit de ces changements naturels, une construction solaire passive devra posséder ses plus grandes ouvertures et surfaces vitrées au Sud. Ainsi, durant toute la saison hivernale, le soleil vient chauffer la maison par effet de serre sur les surfaces vitrées tandis qu’en saison estivale, l’habitation est protégée de la chaleur du soleil. Bien sûr, ce principe demande quelques adaptations en fonction du milieu de vie, de l’environnement et du type de climat.

L’implantation d’arbres résineux au Nord de la maison permettra de protéger du vent cette façade plus fraîche durant l’hiver. De cette manière, la face Sud capte le soleil tandis que la face Nord est protégée contre les brises glaciales.

  1. Se protéger de la chaleur du soleil

C’est surtout en pensant aux températures d’été que l’architecte doit veiller à assurer une bonne protection contre la chaleur du soleil afin d’éviter que la maison n’ait pas à être climatisée, ce qui impliquerait une dépense d’énergie supplémentaire. Pour ce faire, le concepteur du bâtiment veillera à mettre peu d’ouvertures au Nord, à l’Est et à l’Ouest. Les quelques ouvertures qui s’y trouveront pourront même être équipées d’un dispositif bloquant le rayonnement solaire direct afin de limiter la diffusion de chaleur par ces surfaces vitrées.

La végétation qui entoure l’édifice pourra également être choisie pour optimiser la protection contre le soleil en été. En plaçant des arbres feuillus au Sud de celui-ci, la chaleur du soleil atteindra la maison en hiver, mais sera bloquée en été.

 

  1. La diffusion de la chaleur solaire

La lumière solaire captée par les surfaces vitrées d’une habitation doit pouvoir être transformée et diffusée de façon efficace dans un bâtiment à l’architecture bioclimatique.

La diffusion efficace de la chaleur solaire passe par le choix des bonnes couleurs. Grâce à ces quelques précautions, l’équilibre thermique de l’édifice peut être assuré. En effet, l’air chaud ayant tendance à monter dans une pièce, il est essentiel que celui-ci soit formé en bas de la pièce afin d’assurer une température uniforme dans le bâtiment. Choisir un sol aux couleurs sombres permettra de capter plus de lumière et de transformer celle-ci en chaleur. Lorsque la capture d’énergie se fait à ce niveau, elle peut être diffusée plus facilement par réflexion. Les plafonds devront être très clairs pour limiter l’éblouissement par la lumière et les murs pourront avoir des couleurs variables selon la diffusion de la chaleur souhaitée.

Une bonne association des couleurs sombres, qui convertissent la lumière en chaleur, et des couleurs claires, qui réfléchissent la lumière et la chaleur, permettra à l’habitation de se dispenser d’un système de chauffage et d’une climatisation. Lorsque tous les principes bioclimatiques sont appliqués, il est possible, à condition de disposer d’une bonne isolation, de maintenir une température de 20 à 25 °C dans l’ensemble de la construction, en été comme en hiver.

  1. Conservation de la température

Lorsque l’énergie solaire a été captée et qu’elle a été correctement diffusée à l’intérieur de l’habitation, il est important de pouvoir la conserver afin de ne pas faire baisser la température de nuit. Pour ce faire, une isolation de l’extérieur est la méthode la plus efficace. En appliquant des isolants sur l’extérieur de la construction, l’énergie solaire qui entre à l’intérieur de celle-ci est ensuite stockée dans les matériaux lourds de construction des murs et des parois. Elle est ensuite naturellement diffusée de nuit vers l’intérieur de la maison. Ce stockage de l’énergie est bivalent, il permet la diffusion naturelle de chaleur en hiver et de fraîcheur en été. Pour réussir la conservation des la température, l’architecte bioclimatique doit bien connaître les caractéristiques énergétiques des matériaux. Les principales caractéristiques à connaître sont :

– La densité : Il s’agit du rapport entre la masse et le volume d’un matériau, comparée à celle de l’eau. Plus la valeur de la densité d’un matériau est élevée, plus celui-ci possède une masse concentrée dans un petit volume. La densité est très utile pour calculer d’autres paramètres thermiques. Elle est issue de la masse volumique du matériau qui est le rapport entre la masse et le volume de celui-ci.

– La chaleur volumique : Cette caractéristique correspond au produit de la chaleur massique d’un matériau, sa capacité à stocker de la chaleur sans la transmettre à son environnement, par la masse volumique de celui-ci. Le calcul de la chaleur volumique (ou inertie thermique) d’un matériau est très utile dans un projet bioclimatique. En choisissant des matériaux possédant une chaleur volumique élevée, l’architecte s’assure du bon stockage de l’énergie solaire.

– L’amortissement thermique : Cette caractéristique technique définit la capacité d’un matériau à emmagasiner de l’énergie lorsque l’apport en chaleur est surabondant et à diffuser cette chaleur stockée lorsque l’apport thermique disparaît. Concrètement, plus un matériau aura un amortissement thermique élevé, plus il sera utile dans une construction bioclimatique. Il permettra de stocker de grandes quantités d’énergie solaire durant la journée pour la restituer la nuit. Le matériau emmagasine la chaleur inutilisée durant la journée et la retransmet durant la nuit. Cette technique d’utilisation des matériaux à haute inertie thermique permet de réduire fortement les fluctuations de températures à l’intérieur d’un édifice. Elle est essentielle pour réguler les apports solaires et optimiser le confort thermique de l’édifice. Cet amortissement se caractérise par deux valeurs essentielles : la diffusivité et l’effusivité.

– La diffusivité et l’effusivité : La diffusivité définit la capacité d’un matériau à absorber la chaleur et à la propager à l’intérieur de lui-même. Lorsqu’un matériau à forte diffusivité est chauffé à une de ses extrémités, sa chaleur se propagera plus rapidement dans l’ensemble du matériau que dans un matériau à faible diffusivité. L’effusivité est plutôt la capacité de diffusion de la chaleur d’un matériau vers son environnement. Plus un matériau possédera une forte effusivité, plus vite il transmettra la chaleur qu’il accumule à l’air qui l’entoure. Pour la construction de murs capteurs qui restituent efficacement l’énergie qu’ils accumulent, le choix de matériaux à haute effusivité et à haute diffusivité est primordial. Le béton cellulaire, la pierre, le bois et toutes les fibres végétales sont les matériaux idéals pour garantir le bon amortissement thermique de la construction.

Lors d’une construction bioclimatique, les architectes chargés du projet prennent également en compte le phénomène de déphasage thermique. Celui-ci permet de faire cas du temps nécessaire pour qu’un matériau qui a emmagasiné une certaine quantité de chaleur, commence à la restituer. C’est particulièrement le cas des matériaux lourds, les constituants principaux des murs, du plancher et du plafond. Lorsqu’ils stockent de la chaleur, ils ne la restituent pas tout de suite. Un temps, proportionnel au volume du matériau, est nécessaire pour que la diffusion de l’énergie thermique commence. Cette restitution est linéaire pour des matériaux de faible épaisseur, mais devient difficile à calculer pour des matériaux très épais ou massifs.

Réglementation du bioclimatisme

Le concept d’architecture bioclimatique est relativement récent. Il est apparu en même temps que celui du développement durable. Son application est aujourd’hui limitée à de petites constructions telles que l’implantation de serres, de maisons individuelles, de caves à vins, etc. Le concept de besoin bioclimatique du bâtiment à cependant été introduit en France en 2012 par une réglementation thermique qui définit la nécessité de prendre en compte l’environnement dans la phase de conception d’un projet architectural. C’est cette normalisation RT 2012 qui a donné naissance à trois exigences :

– Le Bbio est calculé à partir des besoins en chauffage, en refroidissement et en éclairage d’une habitation. Il permet de connaître l’efficacité énergétique minimale que doit atteindre le bâti afin de valoriser le niveau d’isolation de celui-ci.

– Le Tic est une exigence de confort pour les utilisateurs. Elle impose une température intérieure inférieure à la température de référence des 5 jours les plus chauds de l’année. Cet indice permet de normaliser les températures des habitations bioclimatiques d’une même région. Les dépenses énergétiques sont ainsi diminuées

  • Le Cep est une exigence de consommation maximale d’énergie. Elle est de 50 kWh/m²/an et peut varier selon le milieu d’implantation, la taille du bâtiment et les émissions de gaz à effet de serre des énergies

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