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Choix du statut de l'atrium |
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De la double définition d'un atrium, on déduit deux visions, deux stratégies différentes :
| [1] Un atrium est créé "en recouvrant d'une verrière l'espace séparant 2 bâtiments". C'est donc un espace protégé, tampon thermique par rapport à l'extérieur. |
| [2] Un atrium est créé "en ouvrant le coeur d'un large bâtiment". Sous ce regard, c'est un puits de lumière qui est recherché. |
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Galeries, halls d'hôtel, centres commerciaux ou lieu d'exposition, les atriums permettent d'apporter l'agrément des conditions extérieures (lumière naturelle, végétation) sans leurs désavantages. Ils ménagent l'utilisateur au niveau sensoriel (température contrôlée, bruit modéré, effet de vent nul). En raison de ses dimensions et particularités, l'atrium est l'espace-référence de la composition architecturale autour duquel s'articulent les autres parties du bâtiment. |
Ensuite un outil de climatisation passive | |
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Assurément, les déperditions du bâtiment sont diminuées en hiver (si l'atrium n'est pas chauffé) mais, simultanément, différents équilibres sont modifiés : la ventilation des locaux adjacents est perturbée, la charge de refroidissement d'été de ces locaux augmente puisqu'un effet de serre est créé dans le patio, ... si bien qu'une évaluation plus fine doit être réalisée pour déduire si le bilan énergétique annuel global est positif ou non. |
Enfin un gouffre énergétique, s'il est conditionné ! | |
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Il est donc indispensable d'établir clairement, dès l'avant-projet, le statut de l'atrium : confort souhaité pour les occupants ? présence de plantations ? lieu de conférence (critères acoustiques) ? |
Dans tous les cas, un comportement thermique complexe | |
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Mais c'est le cauchemar de l'ingénieur ... Il lui est en effet difficile de prédire le comportement thermique du lieu. Celui-ci dépend du taux de surface vitrée, de la configuration de l'atrium par rapport au bâti, de son orientation, du nombre d'étages, de l'existence de protections solaires, du taux de ventilation du volume ,... A défaut de disposer de résultat de simulation spécifique, il aura logiquement tendance à surdimensionner l'installation pour couvrir sa responsabilité... |
Choix de la configuration |
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Un atrium central ou linéaire est à recommander.
Par contre, les atrium "adjacent" ou "enveloppe" sont à éviter, leur comportement étant celui d'une serre, càd d'un espace en déséquilibre thermique suite à l'excès de surfaces vitrées par rapport aux masses thermiques de stockage. Il y fait trop froid en hiver et trop chaud en été.
Dans le cas de grandes constructions, la priorité est généralement donnée à l'éclairage naturel, dans ce cas l'atrium sera largement ouvert vers le ciel (afin de maximiser l'éclairage zénithal) et son axe principal sera Nord-Sud. On limitera d'autre part les surfaces Est et Ouest afin de réduire les surchauffes estivales.
Pour de plus petits bâtiments, des surfaces Sud vitrées peuvent contribuer au chauffage de l'atrium en hiver. Remarquons que dans tout type d'atrium, il est intéressant d'accepter un peu de rayonnement direct, afin d'une part d'accentuer les contrastes (amélioration de la perception de l'espace) et d'autre part d'apporter un supplément de lumière aux plantes qui ornent l'atrium. Ce supplément est souvent décisif puisqu'il permet alors d'éviter un appoint d'éclairage artificiel.
Sans connaître ce bâtiment ni sa fonction, une telle configuration ne nous paraît énergétiquement pas adéquate.
Des surchauffes importantes doivent probablement se produire en période ensoleillée.
Choix de la ventilation |
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La présence de l'atrium modifie l'organisation de la ventilation du bâtiment. Les mouvements d'air dépendront de la saison et de l'effet recherché.
En hiver, l'air de l'atrium est sensiblement plus chaud que l'air extérieur. Si la prise d'air est réalisée dans l'atrium, un préchauffage de l'air neuf hygiénique des locaux est réalisé. En quelque sorte, c'est la chaleur du bâtiment lui-même qui est recyclée.
L'intérêt est renforcé en période ensoleillée puisque tout l'atrium sert alors de capteur solaire. Une économie d'énergie importante a lieu sur le préchauffage de l'air neuf.
Mais deux inconvénients apparaissent :
Malgré tout, le placement de la prise d'air neuf dans l'atrium mérite d'être étudié, tout particulièrement dans les bâtiments où les taux de renouvellement d'air souhaités sont très élevés (laboratoires, salles de spectacles, ...). Cette technique influence le concept architectural et doit être prise en compte dès l'esquisse, en étroite collaboration avec le bureau d'études.
En été, on peut tirer profit de l'effet de cheminée afin de créer un mouvement d'air traversant, de l'extérieur vers l'atrium. Lorsqu'il fait très chaud cette thermo-circulation peut être maintenue de nuit afin de refroidir les structures comprises dans l'atrium. Une ventilation efficace pourra s'établir à condition de disposer d'ouvrants au niveau du sol et de la toiture (afin de tirer profit de l'effet de cheminée) :
Une partie verticale de l'atrium peut être ouvrante...
L'air de l'atrium peut être extrait des locaux adjacents, directement ou via le passage dans un caisson de traitement d'air complémentaire (pour le refroidir en été par exemple).
L'air de l'atrium peut également être pulsé dans les garages du bâtiment.
La ventilation peut exploiter la présence des extracteurs de fumées. Ceux-ci sont prévus pour un débit d'air impressionnant, mais ils peuvent être fractionnés en plus petites unités. Une ou deux de ces unités peut être valorisée, pour activer un free-cooling de nuit par exemple. Généralement, il faudra soigner l'acoustique de ces unités car les extracteurs de désenfumage sont très bruyants. Il faut également vérifier qu'il y ait bien apport d'air de compensation.
Choix du chauffage |
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En principe, un atrium ne doit pas être chauffé, sa température doit être "flottante". Même si la température intérieure d'un atrium est souvent inférieure à 20°C en hiver, elle est toutefois largement suffisante pour certaines activités (circulations, loisirs). D'autre part, dès qu'un peu de soleil pénètre dans l'atrium l'occupant a très rapidement une sensation de confort quand bien même la température de l'air y est inférieure à 20°C. On isolera donc les parois communes au bâtiment principal.
Mais le maître de l'ouvrage souhaite souvent "valoriser" un tel espace (accueil, cafétéria, hall d'exposition, ...) et le maintien d'une température de consigne est alors recherché. Les déperditions par le vitrage seront importantes et cet espace devient générateur d'une consommation non négligeable. Un double vitrage à basse émissivité est recommandé. Par contre, l'isolation thermique des parois communes perd de son sens.
| Privilégier le chauffage par rayonnement Tout chauffage à air chaud va générer une stratification des températures dans le hall : l'air chaud montera, augmentant encore les pertes thermiques, tandis que les occupants auront froid au niveau du sol. Sans hésitation, un mode de chauffage par rayonnement doit être choisi. Par exemple sous forme d'un chauffage par rayonnement dans le sol. S'il s'agit simplement d'un comptoir d'accueil pour une hôtesse, une solution peut consister à l'entourer de parois vitrées chauffantes (chauffage électrique des vitres). Elle gardera tout son sourire ! |
Une autre manière de gérer le chauffage du lieu consiste à combattre le froid à sa source. Les grandes surfaces vitrées vont créer des coulées d'air froid désagréables pour l'occupant. Un rideau de chaleur peut combattre localement cet effet : placement de convecteurs statiques au pied de la vitre, jet d'air chaud dynamique, ...
Choix de l'éclairage |
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Le niveau de lumière naturelle dans l'espace vitré peut être maximalisé par l'utilisation de revêtements réfléchissants ou de vitrages clairs. De cette façon, la lumière naturelle est fournie aux pièces adjacentes et il n'est pas nécessaire d'éclairer artificiellement l'atrium durant la journée.
L'inclinaison des murs de l'atrium (par exemple de 10°) permet un accroissement important de lumière, car la composante directe augmente.
Cependant, le coût, la possibilité d'éblouissement et les pertes énergétiques à travers la toiture s'accroissent également...
La pénétration en profondeur de la lumière naturelle est privilégiée par des surfaces de parois claires et réfléchissantes.
Dans cette logique, on peut imaginer des vitrages réfléchissants pour les étages supérieurs.
Pour favoriser la pénétration de lumière dans les étages inférieurs, on peut adopter un pourcentage de vitrage différent suivant les étages.
Le gain est double :
Gestion de la surchauffe d'été |
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| Les apports solaires sont très importants en été et le bilan annuel risque d'être négatif si un refroidissement mécanique est réalisé dans l'atrium, ou si le refroidissement des locaux adjacents doit être renforcé suite à la présence de l'atrium. |
Des dispositifs d'ombrage amovibles sont essentiels en été pour éviter les surchauffes.
Rappelons ici que des vitrages horizontaux captent 2 fois plus d'énergie solaire que des vitrages verticaux orientés vers le sud. On privilégiera donc un apport de lumière par des ouvertures vitrées verticales, Nord ou Sud suivant le désir d'un rayonnement direct.
Voilage intérieur d'un atrium près de la PostdammerPlatz à Berlin.
Il est utile d'analyser la distribution du rayonnement solaire direct sur les parois intérieures de l'atrium. Si le sol n'est pas "atteint", les parois verticales chauffées vont échanger leur chaleur par convection avec l'air ambiant. Un "bouchon d'air chaud" va se former en partie supérieure de l'atrium. Ce n'est pas grave (puisque l'occupant vit sur le sol de l'atrium) pour autant que l'excédent puisse être évacué par ventilation.
Deux difficultés apparaissent :
[1] Concilier protections solaires et ventilation.
[2] Apporter l'air en partie inférieure. A défaut, on tentera la ventilation transversale.
En quelque sorte, c'est le principe de la voiture décapotable qui doit être adopté !
Un exemple d'atrium "décapotable" Il s'agit d'une galerie commerciale, protégeant les clients des rigueurs de l'hiver...
... mais dont la toiture vitrée s'ouvre automatiquement (vérins) en été pour éviter toute surchauffe intérieure.
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Des études ont pu montrer toute l'importance de l'inertie des parois.
Si l'atrium n'est pas climatisé, la masse thermique des murs et du sol absorbe les excès de chaleur, ce qui permet de réduire la pointe de température du lieu.
Par exemple, la simulation d'un atrium constitué de murs lourds (béton lourd de 20 cm + 2 cm de gypse, soit 520 kg/m²) montre une diminution de 6°C de la gamme de température en été par rapport à des parois légères (châssis de 80 kg/m²). Cet impact est similaire à celui de la réduction de la surface vitrée de 50 %.
Si l'atrium est climatisé, la consommation énergétique est moins sensible à l'inertie des parois, puisque toute chaleur entrée doit être évacuée. La puissance frigorifique de dimensionnement sera cependant plus faible.
Il est possible d'éviter la climatisation du hall de l'atrium si tous les locaux refroidis qui donnent sur l'atrium sont mis en surpression. Une surchauffe temporaire dans celui-ci ne les perturbera pas.
| Si la climatisation est organisée, l'utilisation de bouches à déplacement est fortement recommandée. Le principe consiste à diffuser à l'horizontale de l'air frais (donc plus lourd que l'air ambiant) à basse vitesse. Cet air froid se réchauffera au contact des occupants (ce qui est bien l'objectif) puis montera pour être alors extrait par une grille de reprise en hauteur. |
Atrium Beaulieu à Bruxelles... |
...refroidi avec des bouches à déplacement |
Cette technique est parfaite sur le plan énergétique puisqu'elle évite de refroidir l'ensemble du hall. Elle est couramment appliquée dans les aéroports, si bien que des modèles nettement plus esthétiques que celui de notre photo ont été mis au point par les fabricants !
Lorsqu'un atrium est créé, il est essentiel de pouvoir le délimiter pour en gérer le comportement thermique. Un exemple classique de ce problème est donné par une cage d'escalier ou une zone de circulation, séparant deux bâtiments. Il est fréquent de la concevoir totalement vitrée, comme rupture visuelle entre les deux entités.
Il est clair qu'une surchauffe apparaîtra dans cet espace en plein été. Pour la gérer au mieux (ou pour limiter les consommations de climatisation), des portes doivent limiter cette zone, et une ventilation doit pouvoir être organisée par ouverture (automatique ou manuelle) de fenêtres en partie supérieure et inférieure du volume.
Atrium et sécurité incendie |
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Sans pouvoir donner ici une information complète sur ce domaine complexe, il apparaît que l'atrium peut être en conflit avec le principe de base dans la lutte contre l'incendie : le compartimentage des espaces.
A ce titre, les pompiers imposent parfois que l'atrium soit un compartiment à part entière, empêchant tout accès libre entre les étages et l'atrium (portes coupe-feu, parois vitrées RF, ...).
Un compromis est possible si l'atrium est traité comme la galerie d'un centre commercial. Dans ce cas, un sprinklage sera installé dans les bureaux et des écrans de fumée seront prévus entre atrium et étages. Des extracteurs de fumées très puissants seront installés au sommet de l'atrium.
Au démarrage du feu, une couche de fumées se répand sous le plafond d'un hall non ventilé, entraînant un appel d'air latéral.
Si le lieu est clos, les fumées redescendront en piégeant les occupants encore présents.
Si le lieu est partiellement ouvert, l'appel d'air exercé par le feu va générer un retour de fumées mélangées à l'air, empêchant toute visibilité à l'occupant qui est désorienté.
La stratégie d'intervention consiste à circonscrire la zone (appelée "canton") par des écrans de fumées, à en ouvrir la partie supérieure et à y forcer un débit d'extraction important, un débit d'air dit de compensation étant assuré latéralement.
Un incendie est normalisé comme une source de fumées et de chaleur dont l'importance est liée aux combustibles présents dans le bâtiment. Le débit d'air nécessaire lui sera lié. Par exemple, dans un bureau, un incendie est normalisé comme une source théorique de 6 Méga Watts sur 47 m². Le débit de désenfumage sera de l'ordre de 300 000 m³/h ! Mais dans un bureau sprinklé, la puissance considérée est ramenée à 1 MW.
Un canton ne peut dépasser 2 000 m² ou 60 m de largeur.
Le bureau d'études calculera le débit d'air sur base d'une température de fumées ne dépassant pas 300°C, rendant impossible le "flash over", càd l'auto-inflammation des matériaux du bâtiment et l'embrasement général (600°C). Le calcul est complexe parce que si les fumées sont trop fortement refroidies, la force ascensionnelle diminue et les fumées s'évacuent moins bien.
Les écrans de fumée, fixes ou amovibles, doivent descendre au minimum 50 cm plus bas que la couche de fumée dont l'épaisseur est calculée par le bureau d'études. Parfois, c'est l'architecture même du bâtiment qui fait office d'écran (Centre commercial Belle Ile à Liège).
Si le désenfumage est réalisé en ventilation naturelle, les exutoires statiques de fumées doivent s'ouvrir largement. Une ouverture de ventilation classique ne peut être adoptée.
Exutoires naturels non admis.
Exutoires naturels admis par la NBN S 21-208.
Ces ouvrants doivent s'ouvrir automatiquement en cas de coupure du courant : si le vérin qui maintient l'ouvrant fermé n'est plus alimenté en électricité, il libère un ressort qui ouvre l'exutoire.
Il ne faut pas oublier l'apport d'air de compensation au bas de l'atrium, les 300 000 m³/h devant être apportés au local.
L'ensemble de ces équipements alourdit fortement le budget de l'atrium.
Le désenfumage fait l'objet de nouveaux développements réglementaires :
Au niveau belge, on consultera :
Atrium et acoustique |
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En milieu urbain, l'atrium isole de façon remarquable des bruits extérieurs.
Un traitement acoustique doit toutefois être mis en oeuvre afin de réduire la résonance des bruits intérieurs. En effet, le grand volume de l'atrium, ainsi que la présence de parois dures, engendre des temps de réverbération acoustique élevés. Ceci peut conduire à des réflexions gênantes dans l'atrium, et vers les locaux adjacents. Pour réduire le temps de réverbération, on intègre des éléments absorbants en façade, ainsi que des protections solaires au niveau du toit.
Le niveau sonore recommandé est fonction de l'occupation, mais se situe entre 40 et 50 dB(A) (à comparer aux 35 à 40 dB(A) demandés dans les bureaux).
Exemple d'absorbeurs acoustiques intégrés sur les parois d'un atrium.
Quelques exemples de réalisation |
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Un exemple positif Exemple d'un atrium bien dimensionné. Au Lycée Vinci de Calais, une dynamique est donnée par les 3 ouvertures : bandeau lumineux sur toute la longueur, coupole en toiture, pignons vitrés aux deux extrémités. Aucun traitement d'air n'est organisé. Si toute la toiture avait été ouverte, l'énergie incidente aurait entraîné des surchauffes en été.
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Un exemple ... qui nous semble moins positif Il s'agit d'un atrium central, inséré au cœur d'un immeuble de bureaux.
Jusqu'ici aucun problème, nous direz-vous... Sauf que pour chauffer l'atrium, il a été prévu un chauffage à air, en "tout air neuf". Un groupe de traitement d'air prend 4 000 m³/h d'air extérieur, le chauffe à 26°C et le pulse via 4 bouches intégrées dans le sol, aux 4 coins de l'atrium. Cet air chaud monte sous le vitrage... où il est directement extrait par des groupes d'extractions posés sur le toit ! Aucun recyclage n'est prévu. En hiver, les occupants se plaignent (à juste titre) d'inconfort, notamment suite à la turbulence de l'air près du sol, si bien que le groupe n'est jamais arrêté, ni la nuit ni le WE, malgré un usage effectif comme réfectoire limité à 2 heures par jour. Le chauffage de cet espace a été estimé à 18 000 litres de fuel par an, soit l'équivalent de 9 habitations individuelles.
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Un exemple ... discutable
Cet atrium est inséré entre des locaux de bureaux non climatisés. Or ceux-ci sont plutôt en excédent de chaleur suite à leurs apports internes. Dès lors, le fait de les "priver" du contact direct avec l'air extérieur ne facilite pas leur refroidissement naturel et crée un sentiment d'étouffement à l'étage supérieur... Finalement, un résultat mitigé... pour un budget qui lui ne l'est pas ! |
L'atrium de HEC (Hautes Etudes Commerciales) à Liège est également un exemple très intéressant à visiter. Bien qu'extrêmement étroit, il est l'âme du bâtiment, lieu de communication entre tous les étages...
Voici deux exemples de bâtiments en Angleterre dans lesquels les concepteurs ont réalisé une ventilation naturelle du bâtiment en été (sans climatisation). L'atrium est alors un outil de cette stratégie.
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