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L'architecture participe à la juste captation des apports solaires, plus recherchés pour leur lumière que pour leur chaleur dans un immeuble tertiaire.
Avertissement Il est extrêmement difficile de réaliser une synthèse sur les surfaces vitrées dans l'immeuble tertiaire aujourd'hui. Les attentes sont multiples et souvent contradictoires : apports solaires de chauffage en hiver, protection solaire en été, apports de lumière naturelle, de limitation de l'éblouissement des occupants, ventilation des locaux, ...
Il nous est dès lors difficile de proposer une réponse précise pour les différentes fonctions (bureaux, écoles, hébergement, ...). Dans le futur, nous espérons pouvoir étudier cette question et, sur base de nombreuses simulations, guider davantage le concepteur dans une prochaine version d'Energie+.
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L'immeuble tertiaire se distingue de l'immeuble domestique |
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Les besoins thermiques d'un immeuble tertiaire (bureaux, écoles, ...) sont très différents de ceux d'un bâtiment domestique.
Bâtiment tertiaire | Bâtiment domestique |
En hiver | |
Des apports internes élevés sont apportés par les occupants, par l'éclairage et les appareils de bureautique. | Les apports internes sont limités, exceptés dans la cuisine. |
Le profil de demande de chaleur est essentiellement concentré sur la relance du matin, avant l'arrivée des occupants. Lorsque le soleil arrive, le bâtiment est déjà chaud, particulièrement pour les locaux orientés à l'Ouest (soleil l'après-midi). Dans une classe d'école par exemple, il n'est plus nécessaire de chauffer lorsque les élèves sont présents (nous parlons bien ici d'un nouveau bâtiment bien isolé). | Le profil de demande de chaleur est variable suivant l'occupation, mais il est marqué par une demande qui se prolonge en soirée, après le coucher du soleil. Un des objectifs sera de stocker la chaleur solaire de la journée dans les parois, pour lisser la pointe de température en journée et libérer la chaleur en soirée. |
En été | |
L'exigence de confort est importante afin d'améliorer la productivité des occupants. | L'occupant accepte plus facilement un inconfort temporaire et attend la fraîcheur de la soirée. Il peut facilement adapter sa tenue vestimentaire et son activité. |
L'environnement extérieur ne permet pas toujours une ouverture des fenêtres (bruit, air pollué, ...) | Généralement, l'environnement permet plus facilement l'ouverture des fenêtres. |
En hiver, le profil de demande thermique d'un immeuble tertiaire est peu en coïncidence avec le profil de l'apport solaire, surtout pour les immeubles de bureaux dont les apports internes sont élevés.
En été, la sensibilité du bâtiment et des occupants au risque de surchauffe est élevée.
Le profil de demande de chaleur est essentiellement concentré sur la relance du matin, avant l'arrivée des occupants.
Quelle place pour les apports solaires de chauffage ? |
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De ce qui est dit ci-dessus, et des conséquences de l'isolation des bâtiments sur le profil de demande, on déduit que les apports solaires sont peu recherchés pour leur appoint en chauffage dans un nouveau bâtiment bien isolé et avec des apports internes moyens ou élevés (immeubles de bureaux, par exemple).
Concrétisons par un exemple Voici les résultats d'une simulation réalisée sur un immeuble de bureau-type. Ramenons à 100 la demande en chaud et en froid de l'immeuble dans sa version de base (50 % de vitrage) et analysons l'impact d'une modification de la surface vitrée :
Il apparaît :
A noter que cette évolution est identique quelle que soit l'orientation du local :
La valeur 100 correspond à la demande moyenne des locaux, avec 50 % de vitrages. A noter :
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| L'idéal thermique restera toujours le vitrage clair équipé d'un store extérieur mobile : la chaleur solaire est captée si nécessaire et le store est abaissé le reste du temps. Toutefois, la convivialité intérieure et l'apport lumineux lorsque les stores sont abaissés laissent à désirer... |
| Dans un bâtiment tertiaire vérifiant .la réglementation thermique en matière d'isolation et disposant d'apports internes normaux (> 25 W/m²), il y a peu intérêt à capter l'énergie solaire pour diminuer les besoins de chauffage et beaucoup de risque de surchauffe et d'éblouissement. |
| Par réalisme, le critère thermique impose une limitation des espaces vitrés dans un bâtiment tertiaire, quelle que soit son orientation; ouvrir la façade "du sol au plafond", c'est créer un problème et devoir user d'artifices coûteux pour gérer l'excédent solaire. Et finalement, c'est nier toute architecture d'une façade, comme succession de pleins et de vides... |
| Le pourcentage de vitrage à choisir est essentiellement fonction des besoins d'éclairage naturel et de convivialité recherchée dans le bâtiment. |
| Idéalement, les surfaces vitrées seront choisies avec un faible coefficient de transmission thermique pour limiter les pertes en hiver et équipées d'une protection solaire en été. Toutefois, vu la difficulté d'une bonne gestion des protections solaires et le coût des protections automatisées, il est possible également de sélectionner des vitrages avec un faible facteur solaire (FS = 0,4 au maximum) et un bon rendu lumineux (FL = 0,7). |
Si l'on ne prend en compte que le seul critère thermique, et si une protection solaire très efficace n'est pas prévue, une limitation des espaces vitrés s'impose dans un bâtiment tertiaire bien isolé, quelle que soit son orientation.
Le pourcentage de vitrage à choisir est donc essentiellement fonction :
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Voici deux couloirs du même bâtiment, avec les mêmes orientations.
Simplement, dans le premier cas, l'architecte a introduit une ouverture vers l'extérieur pour introduire de la lumière naturelle...
C'est ce qui fait la qualité de l'ambiance intérieure.
A la limite, on peut comprendre une compagnie d'assurance anglaise, qui, vu les apports internes très élevés, a décidé de s'ouvrir principalement au Nord, réservant au Sud l'emplacement de la cafétéria.
Vue des espaces vitrés côté nord. |
Remarque importante.
Dans nos conclusions, le vitrage apparaît mal adapté comme capteur d'énergie solaire dans les bâtiments tertiaires. Par contre, et tout particulièrement lorsque le bâtiment présente des besoins d'air neuf élevés (laboratoires, salles de conférence, salles de réunion,...), il est utile d'étudier la valorisation de l'apport solaire pour le préchauffage de l'air neuf. Le principe est alors de placer la prise d'air neuf dans un espace qui par lui-même récupère la chaleur solaire ou la chaleur du bâtiment. On pense tout particulièrement ici à un système de type "double-peaux", mais l'atrium ou le puits canadien sont d'autres manières d'appliquer ce principe.
Une très grande sensibilité aux apports internes |
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Le résultat des simulations thermiques est très variable en fonction d'un paramètre : la charge interne.
Un bâtiment actuel est souvent à l'équilibre entre ses pertes thermiques et ses apports internes. S'il faut chauffer par période de gel, et refroidir en période de canicule, entre ces 2 extrêmes il existe une large plage où le bâtiment est proche de l'équilibre thermique : les résultats seront alors fonction des hypothèses choisies.
Exemple. Reprenons l'analyse d'un immeuble de bureau-type. Si 100 est la demande en chaud et en froid de l'immeuble dans sa version de base (50 % de vitrage-apports internes moyens), analysons l'impact d'une modification des apports internes :
Exemple de diagramme énergétique établi pour cet immeuble de bureaux :
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Face à une telle sensibilité, il apparaît
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Une grande baie vitrée orientée au sud, une faible inertie (tapis et plafond acoustique)... | ... et la présence de nombreux PC génère de la surchauffe en été. |
Une sensibilité aux masques solaires |
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Toutes les conclusions tirées ci-dessus sont en partie dépendantes de la présence d'un masque solaire éventuellement créé par les bâtiments voisins.
Par exemple, le bilan énergétique du dernier étage est sensiblement différent de celui du rez-de-chaussée.
On peut donc imaginer que le choix du vitrage puisse évoluer en fonction de l'étage.
L'influence de l'orientation de la façade |
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Lorsque l'apport solaire est recherché (bâtiment avec faibles apports internes), il est important de sélectionner une surface vitrée dont l'efficacité est maximale : capter un maximum d'énergie en hiver et un minimum en été.
Gains solaires par ciel serein en Belgique,
à travers un double vitrage.
(La lettre indique l'orientation et le nombre est l'inclinaison. Les orientations ouest et sud-ouest correspondent approximativement aux orientations est et sud-est.)
À première vue, la surface vitrée verticale orientée au sud (= S 90) paraît très intéressante, puisque plus d'apports en mi-saison qu'en été.
À l'opposé, on trouve la surface horizontale (coupole en toiture) dont la spécificité est de capter très peu d'énergie en hiver et de provoquer de la surchauffe en été.
Les surfaces à l'est et à l'ouest (= E 90) présentent également un bilan contraire à l'évolution des besoins du bâtiment.
Par contre, si la façade ne comporte pas de masques, un bâtiment de bureaux avec des apports internes moyens ou élevés sera en surchauffe très rapidement, dès l'arrivée du soleil.
Dans ce cas, l'apport solaire total étant plus important au Sud, c'est cette orientation qui sera la plus défavorable en matière de refroidissement annuel (malgré une légère diminution des consommations d'hiver).
C'est ce que montre notre exemple de bureau-type :
La valeur 100 correspond à la demande moyenne des locaux, avec 50 % de vitrages. | |||||||||||||||
| Mais l'avantage de la façade au Sud est de profiter d'un soleil très haut sur l'horizon. Les auvents créés par l'architecture de la façade formeront une protection solaire efficace. Au contraire, les protections architecturales ne sont pas efficaces à l'Est et à l'Ouest : le soleil est trop bas sur l'horizon pour être arrêté par le masque architectural. Un éblouissement important en résulte. Seuls des stores sont possibles, mais le coût et la maintenance en sont élevés. Exemple de protection architecturale très efficace sur une façade Sud... et qui participe à l'architecture de la façade ! |
Partons d'un bâtiment rectangulaire dont on se poserait la question : quelles orientations des façades des grands côtés du rectangle ?
1° Sans protections solaires, le choix de l'orientation d'un bâtiment est à faible impact énergétique : la consommation totale (chaud + froid) plus importante au Sud est compensée par une consommation totale plus faible au Nord.
Il est préférable :
2° Si des protections solaires sont prévues, les grands côtés Nord et Sud sont plus faciles à gérer : une protection architecturale fixe est très efficace au Sud et ne nécessite que peu d'entretien.
Par contre, les grands côtés est et ouest demanderaient des protections mobiles pour limiter les apports de chaleur et l'éblouissement des occupants. C'est plus coûteux, mais cela peut induire plus de vie dans le bâtiment, car la lumière est toujours présente dans les locaux.
En simplifiant, on pourrait dire que dans des locaux d'hébergement, on privilégierait les côtés est et ouest avec protections solaires, et que dans les immeubles de bureaux, on choisirait les façades nord et sud, avec avancées architecturales.
L'influence de l'inclinaison du vitrage |
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Ce diagramme montre évolution de l'énergie captée par une surface orientée au Sud en fonction de l'inclinaison.
On limitera les surfaces vitrées horizontales (coupole, toiture d'atrium, ...) aux seuls besoins d'éclairage naturel des locaux situés au dessous.
Dans l'immeuble ci-contre, il paraît énergétiquement peu opportun de créer une telle surface de captation. Elle risque d'entraîner soit une surchauffe élevée, soit une consommation d'énergie frigorifique importante
| Pour plus d'informations sur le choix des vitrages, cliquez ici ! |
Quelle protection contre les apports solaires d'été ? |
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Dans un bâtiment bien isolé et avec des apports internes élevés, la limitation des surchauffes devient une priorité du concepteur, dès le stade de l'esquisse.
La meilleure protection solaire... c'est une surface de vitrage limitée !
La façade est aujourd'hui libérée de la fonction de portance. Elle ne doit plus remplir qu'une fonction d'enveloppe. La mode est à "la transparence", à l'ouverture des façades du sol au plafond... Or la zone inférieure d'une fenêtre est très peu efficace en matière d'éclairage naturel. La présence d'une allège opaque est donc thermiquement préférable (présence d'une isolation pour diminuer les pertes en hiver et opacité vis-à-vis des apports solaires en été).
Cette transparence totale de la façade va générer une sensibilité très forte à la surchauffe (les agriculteurs en sont bien conscients dans leur serre...). D'où la mise en place de doubles façades coûteuses, ... pour gérer le problème que l'on a créé !
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Double peau globale. | Double peau par étage. |
En hiver, l'intérêt est réel grâce au préchauffage possible de l'air neuf et à la diminution des déperditions de la paroi vitrée. Mais en période de refroidissement, un store doit être placé dans la lame d'air et la double peau peut devenir alors une contrainte pour éliminer la chaleur emprisonnée (par rapport à un simple store extérieur).
Cette technique semble à réserver aux bâtiments nécessitant un apport d'air neuf fort élevé, pour lesquels la double-peau constitue un moyen de préchauffer l'air.
Les surcoûts sont importants et, sans vouloir tirer ici des conclusions trop rapides, on est en droit de se poser la question si ce budget ne serait pas mieux utilisé dans d'autres améliorations énergétiques, plus efficaces et plus simples à gérer dans le temps ? À titre d'exemple, un récupérateur de chaleur sur l'air extrait apporte lui aussi une possibilité de préchauffer l'air neuf, mais avec un coût d'installation incomparable...
Aula Magna de Louvain La Neuve.
Détail de la double peau,
qui n'est pas en communication avec l'ambiance intérieure.
| On ne peut imaginer la conception d'un immeuble, climatisé ou non, sans l'organisation d'une protection solaire efficace. Dans un bâtiment climatisé, elle permet une diminution drastique des coûts d'exploitation. Dans les autres, elle limite le risque de surchauffe. Dans les deux cas, elle permet de gérer l'éblouissement, tout particulièrement pour faciliter le travail sur ordinateur. Des stores intérieurs compléteront utilement le dispositif. |
Les éléments architecturaux (balcons, débords de toiture, décrochements, ...) sont particulièrement efficaces au Sud puisque le soleil est alors haut sur l'horizon.
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Eté. | Hiver. |
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Stores verticaux,
simultanément capteurs solaires photovoltaïques.
| Bâtiment Sedilec à LLN. |
| Certaines protections architecturales tentent de stopper le soleil, tout en privilégiant la réflexion du rayonnement lumineux vers le plafond ("light-shelves"). |
Les stores mobiles extérieurs sont les plus efficaces pour contrôler le flux solaire en fonction du besoin réel. Mais ils sont délicats en terme de maintenance et nécessitent un contrôle automatique pour être relevés en cas de vent. La réduction du champ visuel de l'occupant en est un autre inconvénient.
Se croirait-on sur la Poztdammer Platz de Berlin ?
Panneaux de bois coulissants.
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| Pour plus d'informations sur la mise en place de protections solaires, cliquez ici ! |
| Des végétations plantées à proximité du bâtiment peuvent participer à la gestion des apports solaires. Les arbres à feuilles caduques ont l'avantage de perdre leurs feuilles et de permettre ainsi l'exposition au soleil en hiver. Mais il s'agit là d'un appoint, plutôt à vocation domestique, et non d'une solution complète, ne fut-ce que pour les étages supérieurs. |
Annexe : les paramètres du bureau-type |
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L'immeuble de bureaux-type utilisé ci-dessus présente les caractéristiques suivantes :
Dimensions extérieures : 60 x 18 m, sur 3 plateaux, soit un total de 3 240 m²
Dans la version dite "de base" :
