Bioclimatisme : comprendre la pergola, la véranda et l’architecture bioclimatique en général

L’Architecture bioclimatique

L’architecture bioclimatique (ou bioclimatisme) est une branche de l’architecture qui consiste à concevoir et construire des édifices dans le respect de l’environnement spécifique dans lesquels ils se trouvent implantés, ainsi que dans une optique d’optimisation des besoins énergétiques nécessaires aux occupants, grâce à l’utilisation des ressources naturelles disponibles sur le site.

Véritable savoir-faire, pleinement orienté vers la préservation de l’environnement et le rétablissement du lien de l’Homme avec la nature orienté confort et bien-être, l’architecture bioclimatique connaît un essor d’autant plus considérable ces derniers années, que la Réglementation Thermique 2012 oblige toute nouvelle construction neuve à se conformer à des standards de limitations de consommations énergétiques plus élevés que jamais. Cette réglementation encourage clairement à l’utilisation d’énergies renouvelables autant que faire se peut.

cuisine orientation maisonLe bioclimatisme s’applique à tous types de constructions : bâtiments d’entreprises, de services publics, collectifs, habitations individuelles ; mais aussi serres agricoles ou caves à vin par exemple, qui nécessitent des conditions intérieures (températures, taux d’humidité …) très spécifiques.

La conception en architecture bioclimatique répond à une méthodologie complexe et complète qui consiste dans un premier temps à observer et analyser en profondeur et avec rigueur le site d’implantation prévu du bâtiment, afin, dans un deuxième temps, d’identifier et de définir les techniques appropriées au respect des principes suivants :

  • Une bonne insertion dans le territoire [ et dans une optique de solidité et de durabilité du bâtiment lui-même ]
  • Une utilisation des matériaux les plus appropriés au respect de l’environnement direct et aux conditions climatiques [ et avec une énergie grise, c’est à dire une production de déchets limitée au maximum lors de la construction – chantier – et de la fin de vie du bâtiment]
  • Un recours aux énergies non-renouvelables limité voire supprimé (principe de “sobriété d’usage”)
  • La valorisation d’une santé et d’un confort optimums pour les occupants des lieux

Une bonne insertion dans le territoire

Ne pas l’abîmer

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, s’installer à la campagne n’est pas forcément synonyme de comportement éco-responsable. Si une habitation est construite dans un environnement isolé, nécessitant de la part de ses occupants d’effectuer de très fréquents et longs déplacements en voiture, le gain obtenu par la nature bioclimatique de cette habitation en terme de respect de l’environnement, sera aussitôt perdu.

Une conception bioclimatique s’attachera donc à éviter le processus de mitage du territoire rural, c’est à dire du grignotage de ce dernier, en se dispensant si possible de s’installer dans des zones périurbaines, nécessitant des raccordements de réseaux et de services coûteux pour la collectivité et des déplacements sources de pollution.
Enfin, dans tous les cas, l’architecte étudiera la géographie des lieux et la biodiversité afin de les respecter et s’y insérer au mieux.

Le valoriser

Certains emplacements comportent des atouts particulièrement bénéfiques à l’installation d’une maison bioclimatique. Tirer profit de forêts environnantes pour se protéger du vent ou d’un soleil trop agressif, ou encore bénéficier de quelques degrés de rafraîchissement en été grâce à un point d’eau à proximité (lac, rivière), représentent des solutions idéales pour optimiser son habitation éco-responsable. Apparaissent alors le plaisir et le sentiment d’accomplissement pour l’habitant d’une telle maison, grâce à ce lien direct avec la nature environnante, qui n’est plus perçue comme un obstacle au confort à abattre, mais au contraire comme le meilleur ami d’une qualité de vie retrouvée, économique et source de bien-être.

ombre en terrasseUne utilisation des matériaux les plus appropriés au respect de l’environnement direct et aux conditions climatiques

Parce-que l’architecture bioclimatique place au coeur de sa vision une logique de réinsertion respectueuse de l’Homme dans l’environnement, les concepteurs d’une habitation bioclimatique veilleront à inscrire leur construction dans une démarche locale, bâtie à partir d’une majorité de matériaux régionaux ne nécessitant pas d’importation lointaine et adaptés aux conditions climatiques. Les matériaux privilégiés seront les plus naturels possibles (pierre, bois, terre …). Régulièrement, des concepteurs aiment utiliser des matériaux recyclés, composites, dans une optique de lutte contre le gaspillage. C’est ainsi que l’on trouve des bâtiments construits à partir de bouteilles en verres ou en plastique, ou encore en pneus de voiture ! Toute la question est alors de s’assurer que ces matériaux ne comportent pas de danger pour l’Homme et ne dégagent pas de substances toxiques par exemple.

Tout comme les régions subissant de fortes chutes de neige hivernale ont développé des bâtiments aux toits extrêmement pentus, les régions soumises aux pluies et vents violents comme certaines aires bretonnes, ont construit des maisons aux murs épais et aux fenêtres minuscules. Suivant ce même principe, un architecte bioclimatique concevra des surfaces plus ou moins pentues, exposées ou protégées, en fonction de la quantité d’ensoleillement et des aléas climatiques de la région.

Gestion de l’énergie solaire

Le défi central pour les habitations bioclimatiques concerne en premier lieu la gestion de l’énergie solaire. L’énergie solaire est en effet un point clef en matière écologique, compte-tenu de toutes les ressources qu’elle permet de développer : alimentation des appareils électriques de la maison, chauffage, mais aussi luminosité générale nécessaire au bien-être des habitants.

Ainsi, dans l’hémisphère nord où le soleil et la chaleur viennent à manquer en général l’hiver, seront privilégiées sur les façades sud des maisons, des grandes baies vitrées et des installations type serres. Le verre de ces surfaces étendues est idéal pour laisser passer la lumière et la transformer en chaleur avec l’aide des murs, des sols et des plafonds.
Les autres façades des maisons en revanche seront beaucoup moins ouvertes pour préserver la chaleur accumulée par le sud, mais resteront à adapter en fonction des spécificités de l’environnement et du type de pièces aménagées aux différents points cardinaux.
Pour absorber la chaleur en été et la diffuser ensuite en hiver pour un chauffage naturel, les surfaces naturelles granuleuses mates seront privilégiées ainsi que de manière générale des teintes sombres au sol.

Sous les climats tempérés, une conception bioclimatique aboutie, entraîne l’inutilité totale ou quasi-totale de systèmes de chauffage. Le processus naturel suffit. On parle alors de construction solaire passive, l’énergie utilisée étant le soleil, et le système se suffisant à lui-même, sans action nécessaire.

En zone chaude en revanche, comme sous un climat méditerranéen ou désertique, la réflexion se portera sur l’isolation de l’habitation par rapport au soleil et l’évacuation souhaitée de la chaleur. La fraîcheur peut être captée puis restituée au moment opportun via un système d’absorption par les matériaux de construction lourds de la maison et une isolation exclusivement extérieure ou éventuellement répartie. Pour se préserver du soleil et de la chaleur, des systèmes de pare-soleil comme des volets opaques, ou des projets de végétalisation devront être mis en place. Recouvrir une habitation de végétation, en plus de proposer un aspect esthétique éventuellement plaisant, possède l’avantage de garder la fraîcheur en été et de protéger des vents froids en hiver. Isolation idéale et naturelle en toutes saisons donc.

Les architectes bioclimatiques connaissent les lois de la physique régissant les matériaux, leurs volumes et autres caractéristiques, qui permettent d’optimiser la régulation de la fraîcheur. Ils sont également à même d’identifier les techniques servant à une ventilation idéale d’une habitation, améliorant la répartition de la fraîcheur pour ses habitants et la qualité de l’air.

Notions sur les processus de propagation de la chaleur

Pour comprendre plus en profondeur le principe de fonctionnement de captation et de diffusion de la chaleur ou de la fraîcheur par les matériaux, voici quelques éclaircissements.

Potentiel énergétique des matériaux

N’importe quel matériau peut se définir par trois caractéristiques physiques principales concernant son potentiel énergétique :

  • Sa masse volumique : il s’agit de la grandeur physique dont la masse est caractérisée par unité de volume. On utilise le terme de densité lorsqu’on la compare à celle de l’eau.
  • Sa chaleur massique : ou capacité thermique massique est la capacité variable d’un matériau à absorber la chaleur, sans excès.
  • Sa conductivité thermique : concerne sa propension à laisser la chaleur circuler, se diffuser en son sein.

Inertie thermique

Lorsque l’on multiplie la masse volumique avec la chaleur massique, on obtient en produit un nouvel élément : la chaleur volumique. Cette chaleur volumique du matériau est également connue sous le nom d’inertie ou inertie thermique.
C’est selon ce principe d’inertie que les concepteurs en architecture bioclimatique basent leurs réalisations, car c’est lui qui détermine la possibilité pour une construction de stocker plus ou moins l’énergie du soleil, dans les proportions nécessaires au confort intérieur. L’emmagasinement de la chaleur ne doit en effet se faire ni en excès, ni ne se perdre de trop par la suite.

La diffusivité : la répartition de la chaleur dans le matériau

La diffusivité est proportionnelle à la conductivité thermique du matériau et inversement proportionnelle à son inertie. Elle concerne la rapidité à laquelle la chaleur se transfère à travers toute la masse du matériau et décrit la capacité de ce dernier à transmettre une information de température d’un point à un autre en son sein.
Concrètement, lorsque l’on chauffe fortement l’extrémité d’un matériau, on peut constater après un certain temps que l’ensemble de ce matériau devient plus chaud même s’il n’atteint pas les niveaux de température de la partie chauffée directement. L’énergie thermique s’est répandue à travers tout son corps, s’est diffusée dans sa matière.

L’effusivité : les échanges de chaleur d’un matériau avec son environnement

Lorsque l’on place différents matériaux dans une pièce chauffée, au toucher, certains nous paraîtront plus froids que d’autres. C’est le cas du fer par rapport au bois par exemple. Pourtant dans les faits, les deux seront à la même température. La différence de perception provient d’un phénomène que l’on appelle l’effusivité.

La peau humaine possède une effusivité à 400, tout comme le bois. Ainsi, lorsque l’on touche un bout de bois qui atteint la température de 15°C et que notre peau est à 25°C, la moyenne des deux températures sera établie lors du contact entre les deux. C’est à dire ici, 20°C.
Le fer en revanche possède une effusivité supérieure de 35 fois par rapport à la peau : son effusivité est à 14000. Il va donc perdre 35 fois plus de chaleur que ce qu’il ne prendra à la peau, ce qui établira un contact à seulement 15,3°C. Petit à petit la main réchauffera le fer, mais d’ici là, ce dernier semblera froid !

L’effusivité est proportionnelle à la racine carrée de l’inertie du matériau et de sa conductivité thermique. Elle concerne la rapidité pour un matériau à absorber ou céder la chaleur. Des matériaux très effusifs comme le métal ou la pierre, cèdent énormément de chaleur et semblent donc froids. Ils sont naturellement privilégiés sous les climats chauds. A contrario, les matériaux à faible effusivité comme le bois et les fibres végétales en général, gardent la chaleur et sont donc appréciés sous les climats froids. C’est pour cela qu’on les retrouve tant en pays scandinaves et au Canada par exemple.

bois et verre

L’architecte en bioclimatique choisira donc les matériaux en fonction du climat environnant, de l’ambiance thermique désirée mais aussi de la réactivité thermique attendue selon que l’on souhaite voir une pièce se réchauffer rapidement en surface ou plus lentement.

Diffusivité et effusivité sont très liées et interdépendantes. Vitesse de propagation de la chaleur dans le corps du matériau (diffusivité) et capacité du matériau à procéder à des échanges de chaleur avec son environnement (effusivité) sont les éléments clefs recherchés par les architectes bioclimatiques. Les grandeurs de ces phénomènes d’effusivité et de diffusivité se définissent selon les trois caractéristiques énergétiques des matériaux et déterminent ensemble la caractéristique fondamentale qui est recherchée en bioclimatisme : l’inertie thermique.

L’amortissement thermique : combinaison des phénomènes d’effusivité et de diffusivité

Un matériau peut recevoir à sa surface des apports de chaleur de manière variable, non homogène. La diffusivité permet alors de diminuer les fluctuations thermiques au sein de ce matériau, en fonction du point d’injection de l’énergie produisant la chaleur et de l’éloignement par rapport à celui-ci. Ce phénomène permet donc d’homogénéiser l’apport de chaleur dans toute la matière et se fait de manière exponentielle. Par exemple, un mur massif en béton recevant une bonne dose d’ensoleillement quotidienne, produit un phénomène d’amortissement thermique tel, qu’à une profondeur dans le sol d’environ 40 centimètres, on ne mesure quasiment plus de différence, de fluctuation thermique.
D’ailleurs, à l’échelle de la planète, la fluctuation thermique qui existe entre l’été et l’hiver est presque totalement amortie lorsque l’on atteint une profondeur dans le sol d’un peu plus de 4 mètres seulement : à cette profondeur la Terre rejoint la température moyenne de la planète des latitudes où elle se trouve.

L’amortissement thermique est l’aptitude des matériaux à capter et conserver l’énergie lors d’un apport thermique supplémentaire comme le soleil en journée, et à diffuser ensuite cette énergie dans l’environnement lors de l’arrêt de cet apport, comme la nuit. Son utilisation est donc indispensable et idéale en architecture bioclimatique puisqu’il permet de réguler la quantité d’énergie reçue et ses échanges effectués avec son environnement direct. Une bonne maîtrise de ce phénomène d’amortissement apporte un confort thermique optimum en toutes saisons.

Le déphasage thermique : délai entre l’absorption de la chaleur par un matériau et sa restitution dans l’environnement

Lorsqu’un matériau reçoit de l’énergie, il faut du temps avant qu’il ne la cède à l’extérieur de lui-même.
Ainsi à l’échelle planétaire, les taux d’ensoleillement et donc d’injection d’énergie thermique dans les matières terrestres ont beau être les plus élevés au solstice d’été du 21 juin, ce n’est que début août que nous en ressentons la chaleur dégagée. Les glaces arctiques fondent le plus à la mi-septembre, soit presque à l’automne, et non en plein été, à cause de ce même phénomène de délai entre stockage de la chaleur et restitution que nous appelons déphasage thermique.

Cela fonctionne de la même manière au niveau d’un bâtiment. La chaleur solaire reçue par un matériau lourd du bâtiment (sol, mur, toit …) ne sera restituée dans l’environnement direct et donc dans la maison, que quelques temps plus tard, dans un délai lié à ses propres caractéristiques de déphasage thermique.
Un concepteur en bioclimatisme utilisera des calculs mathématiques pour identifier la vitesse de transfert de la chaleur selon le type de matériau. Il sera capable de déduire le temps nécessaire au stockage et à la restitution de la chaleur. Cependant, plus l’épaisseur du matériau est importante, moins le résultat obtenu est précis car le processus de diffusion ne se fait plus de manière linéaire.

Un recours aux énergies non-renouvelables limité voire supprimé (principe de “sobriété d’usage”)

veranda toit vitréLes concepteurs d’habitations bioclimatiques ont en tête l’indépendance énergétique et l’arrêt de l’utilisation des énergies non-renouvelables, telles que les énergies fossiles ou nucléaires.
Ils utilisent donc toutes leurs connaissances et les ressources naturelles environnantes pour mettre en place des systèmes d’énergie renouvelables entraînant une amélioration de l’autonomie, y compris financière des habitants, ainsi qu’une planète préservée.

L’énergie principale nécessaire à une habitation au 21ème siècle étant l’électricité, les architectes proposent donc des dispositifs en la matière : panneaux solaires, éoliennes, géothermie. Plus rarement, l’énergie hydraulique peut parfois être utilisée. L’alimentation des appareils électriques et électroménagers peut ainsi s’effectuer de manière naturelle. Le chauffage quant à lui, gros poste de dépense tant économique qu’énergétique est généralement déjà comblé comme nous l’avons vu, grâce au processus de construction de l’habitation en lui-même.

Quant à la gestion de l’eau, des systèmes de récupération d’eau de pluie peuvent être mis en place. L’eau sera ensuite filtrée puis stockée dans une citerne, amenée et redistribuée via des tuyaux de canalisation dédiés.

La valorisation d’une santé et d’un confort optimums pour les occupants des lieux

Parce-que le but de l’architecture bioclimatique n’est pas de préserver l’environnement naturel au détriment de l’humain, les concepteurs ont développé au fil des ans des techniques qui permettent non seulement à l’occupant d’une habitation bioclimatique de faire des économies d’énergie, mais aussi de vivre dans un confort et un bien-être augmentés.
Tout d’abord, en amont même du projet, les architectes étudient avec attention les risques naturels du site afin d’empêcher tout danger et toute mauvaise surprise au propriétaire (glissement de terrain, inondation, chute d’arbres, humidité surabondante …).

Ils veillent ensuite à utiliser des matériaux sains, exempts de matières toxiques qui pourraient se diffuser et altérer la santé des habitants.
Enfin, ils pourvoient aux différents besoins et plaisirs nécessaires à l’être humain pour qu’il se sente bien, à travers la construction de maisons lumineuses, aux volumes agréables et chaleureux, aux variations thermiques limitées et optimisées, au renouvellement de l’air et au contrôle de l’humidité assurés, et au confort olfactif assuré par un choix éclairé du lieu et des matériaux utilisés.

La vie dans une maison bioclimatique

Vivre dans une maison bioclimatique c’est avoir la satisfaction d’évoluer en un lieu ou les éléments naturels que sont l’air, l’eau, le soleil et la terre apportent comme ils l’ont toujours fait, tout le nécessaire à la vie, mais toujours dans le respect de ces derniers et en accord avec nos besoins et exigences modernes de confort, de bien-être, voire de luxe.