ns le débat sur le réchauffement climatique et l’effet de serre, l’évolution du secteur du bâtiment est un enjeu majeur. Ainsi, le thème de l’architecture bioclimatique est souvent abordé dans les médias, avec parfois des contresens. Des ouvrages récents ou plus anciens détaillent les principes et les techniques du bioclimatisme. La lecture des publications des années 70 et des publications plus récentes montrent l’évolution de ce domaine en recherche. Depuis les maisons solaires qui ont suivi le premier choc pétrolier aux maisons passives d’aujourd’hui, il y a 30 ans d’expériences et de perfectionnement des outils de conception et de construction. Si les premières réalisations répondaient au souci de réduire les consommations d’énergies, celles d’aujourd’hui s’inscrivent dans le contexte plus large du développement durable. Le bioclimatisme pourrait être appliqué à un grand nombre de constructions suivant des principes simples mais c’est à l’échelle d’un quartier, d’un village ou d’une ville qu’il devrait être appliqué pour une plus grande efficacité.
Antériorités de l’approche bioclimatique
L’adaptation au climat est une donnée essentielle des constructions traditionnelles. Les exemples sont innombrables : mur nord épais, fenêtres étroites au sud, grenier à foin au dessus de l’habitation, façade sud privilégiée dans les régions aux hivers rigoureux, ruelles non rectilignes pour casser le vent dans les villages de bord de mer, exposition est et mur épais en terre dans l'espace méditerranéen, rues étroites et haute où le soleil ne pénètre pas avec ventilation naturelle à travers les appartements dans les quartiers anciens de Marseille, fermettes sur cour carrée protectrice des vents dominants en Flandres .
L’architecture savante présente aussi quelques exemples (rares) d’adaptation au climat : l’architecte Philibert Delorme a conçu pour le château de St Maur le nomadisme suivant les saisons avec des espaces pour l’été et des espaces pour l’hiver. La progression de l’architecture savante entre le XVI et le XIXe siècle montre une recherche toujours plus grande de la lumière (manifestation profane du mur lumière des cathédrales gothiques). L’industrialisation des techniques, l’apparat et la recherche de la lumière ont modifié la conception des maisons les plus modestes : l’adaptation au climat a été délaissée au profit de la lumière, de l’espace et de l’aspect esthétique.
Le mouvement social et hygiéniste apporta une nouvelle approche de l’habitation avec la recherche d’un confort minimal pour tous intégrant les nouvelles relations sociales. Ainsi le Familistère de Godin à Guise préfigure les cités jardins du début du XXe en répondant à des objectifs sociaux (relations sociales mais aussi qualité et hygiène de vie). La cour centrale vitrée et un poêle dans chaque appartement contribuent à un plus grand confort thermique. La verrière de la cour centrale crée un espace tempéré à l’abri de la pluie et propice à la vie communautaire. Les cités-jardins de Howard qui inspireront des réalisations en France (cité jardin de Stains par exemple) proposent une alternative au modèle urbain, une ville-campagne où la nature tient une place prépondérante. Elles peuvent encore être une source d’inspiration pour un urbanisme alliant relations sociales, adaptation au climat et proximité des éléments naturels.
La cité idéale de Le Corbusier reprend ces thèmes : les appartements de la cité radieuse ont une double orientation Est et Ouest permettant un apport permanent de lumière solaire directe. Cependant, cet éclairement n’est pas suffisant pour créer les conditions d’une construction bioclimatique.
La maison Jacobs réalisée par WL Wright aux Etats-Unis préfigure les expériences des années 70. C’est une architecture « solaire » en ce qu’elle est conçue suivant la course du soleil : elle s’incurve afin de recevoir les rayons solaires toute la journée ; elle est protégée au nord par une butte de terre en croissant de lune. Il y a dans les constructions solaires à la fois une ouverture et une protection : l’ouverture permet de bénéficier d’apports solaires gratuits, la protection permet de maintenir ces apports. L’inertie des matériaux utilisés permet en plus de stocker la chaleur.
La véritable architecture bioclimatique, celle qui utilise activement le climat extérieur pour la régulation du climat intérieur sans chauffage ni ventilation, apparaît dans les années 60 avec les premières constructions solaires réalisées sur le modèle de la maison Jacobs. Ceci est permis par quelques innovations techniques (le double vitrage et l’amélioration de l’étanchéité des maisons ainsi que l’isolation) et des outils de calcul thermique qui vont se généraliser. Les méthodes de calcul thermique et les connaissances techniques des matériaux vont permettre d’évaluer les déperditions d’une construction en fonction des matériaux composant les parois, les sols et les toits ainsi que les apports solaires et internes. Dès les années 70, il est possible de réaliser des constructions passives qui sans chauffage (idéalement) peuvent être confortables en été comme en hiver. La crise de l’énergie et des initiatives gouvernementales vont lancer l’architecture bioclimatique qui va se développer parmi les tenants des énergies douces et le mouvement antinucléaire.
Parce qu’elle est la synthèse d’une adaptation aux besoins du corps humain, d’une connaissance approfondie des qualités des matériaux et de la maîtrise des ambiances, l’approche bioclimatique est une des plus importantes innovations de l’architecture de ces dernières décennies. Le développement des méthodes alternatives de construction et des énergies renouvelables sera cependant entravé par les intérêts commerciaux des producteurs d’énergies et certains principes majeurs de la conception bioclimatique telle que l’inertie thermique vont tarder à être prise en compte dans les projets courants. Dans ce domaine, l’Allemagne, la Suisse et l’Autriche sont devenus pionniers (Fribourg, programme Passiv Haus, label Minergie en Suisse). En France, il faut attendre la réglementation thermique 2005 pour que l’inertie thermique entre en considération dans les bilans thermiques. et celle de 2012 pour les apports solaires !
Principes de la conception bioclimatique
Dans l’approche bioclimatique, l’architecture est l’enveloppe de l’espace de vie de l’être humain, les parois sont l’interface du corps humain et du climat. Elle assure une adaptation de la construction aux besoins physiologiques de l’habitant. L’architecture bioclimatique est la recherche d’une maîtrise des ambiances intérieures par l’adaptation au climat. Cette maîtrise est rendue possible par des approches complémentaires : la compréhension des besoins physiologiques, la maîtrise des flux de chaleur et de l’hygrométrie entre l’intérieur et l’extérieur, l’utilisation des données du climat et le choix d’un mode de chauffage en relation avec ce climat.
Les besoins physiologiques sont variables suivant les individus mais certains critères communs entrent en compte dans la sensation de confort : la sensation à la surface de la peau, la respiration, la production de vapeur d’eau et l’activité (production de chaleur par le corps).
Les conditions du confort sont données par la qualité du climat intérieur qui résulte de la température des parois et des masses, de la température de l’air, de l’hygrométrie ainsi que du mode de chauffage et du renouvellement de l’air. Ainsi la différence de température entre l’air et les masses peut créer des sensations d’inconfort. L’hygrométrie de l’air a aussi une forte incidence sur la sensation de confort : plus l’air est humide et plus la température de l’air doit être élevée pour une sensation de confort équivalente. Le chauffage doit permettre de maintenir une température des masses proche de la température ambiante : le chauffage par rayonnement (rayonnement d’un corps chaud) sera donc préféré à un chauffage de l’air, il contribue aussi à une hygrométrie faible. Mais les constructions se refroidissent aussi par le renouvellement de l’air : la maîtrise des flux d’air à l’intérieur et une mise à température de l’air neuf par double flux et puits canadien peuvent limiter fortement les besoins en chauffage.
Compréhension du fonctionnement du climat extérieur et intérieur.
Le soleil est la source de la plupart des énergies : mouvements des masses d’air et d’eau en suspension, végétation, énergies fossiles, température de la surface de la terre mais aussi nucléaire ! Seules les énergies utilisant la chaleur de la terre à grande profondeur ont une autre source. L’architecture solaire puise donc l’énergie à sa source principale !
Le climat fait partie intégrante de l’architecture bioclimatique. Les qualités du climat sont des données primordiales de la conception bioclimatique : la construction sera conçue différemment suivant que le climat est océanique, continental, intermédiaire ou de montagne, suivant les variations de l’ensoleillement sur l’année, suivant les courbes de températures moyennes, la latitude, le régime des pluies, la rose des vents. Pour un même climat, ces données changent suivant le site, son orientation, sa situation sur le relief, la présence de végétation et les effets de masques (ombres produites par les masses autour du site) . Parce qu’elle tient compte des apports solaires et des expositions de la construction, l’étude thermique solaire est faite au cas par cas. Une construction bioclimatique est donc conçue et adaptée pour un site donné.
Certaines caractéristiques du climat sont devenues des mécanismes de l’architecture bioclimatique : l’effet de serre, l’inertie thermique des masses, les mouvements entre des couches d’air de température et d’hygrométrie différente. L’effet de serre est utilisé pour capter l’énergie solaire dans la construction et la conserver par l’intermédiaire d’un volume vitré orienté suivant l’ensoleillement. La qualité d’inertie thermique de certains matériaux permet de stocker la chaleur captée afin de la restituer doucement. Enfin pour une bonne diffusion de la chaleur, les masses d’air doivent circuler du haut vers le bas, la ventilation est provoquée par des différences de température entre l’entrée de l’air et la sortie.
Sans les détailler, voici quelques procédés de l’architecture bioclimatique :
espaces tampons au sud (effet de serre), verrière, serre, galerie vitrée
espaces tampons au nord (protection thermique), garage, annexes
espaces tampons au dessus (limiter les pertes), grenier, combles perdus
masse thermique du sol et des murs (inertie thermique)
murs sud capteurs d’énergies, murs sombres stockant la chaleur, diffusion de l’air chauffé (mur Tromb), ou rayonnement de la masse chauffée (mur capteur fermé)
maîtrise de la ventilation, préchauffage ou rafraîchissement de l’air neuf (puits provençal ou canadien, ventilation double flux)
procédés de chauffage utilisant l’énergie du soleil de l’eau ou du sol (capteurs solaires, pompes à chaleur)
Approche bioclimatique pour l'urbanisme
Afin de contribuer à intégrer l’approche bioclimatique dans les constructions, il est nécessaire que certains principes deviennent des automatismes de l’urbanisme. Ainsi dans la conception d’un plan de masse d’un ensemble de constructions ou d’un immeuble, il conviendrait de privilégier les orientations sud et permettre à tous les logements d’avoir des expositions sud pour le confort thermique d’hiver mais aussi de réaliser des masses protectrices au nord (levée de terre, végétation). La végétation ou l’utilisation de l’eau participent aussi au rafraîchissement naturel en été. Les constructions seront protégées des vents dominants par des aménagements paysagers ou bien par la disposition les unes par rapport aux autres. Le regroupement des constructions est préférable à leur dispersion, de même que les espaces extérieurs communs sont préférables à de grands espaces privatifs. La création de rues intérieures dans les immeubles collectifs peut aussi contribuer à limiter les besoins thermiques tout en apportant de la convivialité. Dans la plupart des cas, une réflexion commune sur les ensembles de constructions apportera plus de cohérence, une meilleure exposition pour chacune en même temps que la préservation de l’intimité.
On le voit, l’approche bioclimatique est complexe par la diversité des données qui la compose et par l’incidence sociale des espaces créés. Les expériences isolées de constructions et d’urbanismes solaires préfigurent-elles une conception intégrée de l’architecture ? Il est permis d’en douter en voyant l’excès des constructions de verre sans inertie et la multiplication des climatiseurs qui font les beaux jours des fournisseurs d’électricité.
Coopération des acteurs
L’incidence économique à la construction n’est pas négligeable, elle conduit bien souvent les maîtres d’ouvrages à opter pour des approches conventionnelles. Alors sur un coût global intégrant la construction et la vie du bâtiment, l’approche bioclimatique est aussi économique. Aussi chaque acteur doit-il évoluer dans ses pratiques, le concepteur dans ses outils de conception pour la prise en compte du site et des constructions passives, le maître d’ouvrage dans les moyens qu’il met en œuvre (règlement d’urbanisme, prise en compte du coût global) et les entreprises pour l’optimisation des techniques. Les utilisateurs en seront les principaux bénéficiaires grâce à un meilleur confort, de besoins énergétiques réduits mais aussi une plus grande convivialité. En effet, l’approche bioclimatique est complémentaire d’une approche sociale : chacun doit pouvoir bénéficier d’une qualité de vie égale, qualité qui passe par la conception d’un logement sain, confortable, économe et accessible à tous. Elle ne se limite donc pas à la construction, elle touche également le domaine de la réhabilitation. En même temps que fleurissaient les premières maisons solaires, les grues levaient les tunnels des immeubles en série. Certains ont été transformés en immeubles solaires à échelle humaine, souhaitons qu’ils se multiplient.
English Version
Architecture and Climate-Friendly/Passive Town-Planning
Building Construction which integrates Climatic Conditions at the Conception Stage
The future development of the Building Sector, in relation to Climate Change and the Green-House Effect is of major concern. Thus, the subject of climate friendly architecture is often brought up by the media, but regrettably, it is often misinterpreted and ill informed.
Recent projects and equally older projects, detail the principles and techniques of climate friendly construction. The difference between more recent and older publications on this subject highlight the progress made in knowledge and research in this area. Following the first petrol crises more than 30 years ago, the first solar heated houses were constructed; since then there has been enormous progress and improvement in the tools used in climate friendly/passive construction. Given that these first attempts successfully addressed the need for reduced energy consumption, we can see the progress made, in that today’s climate friendly construction also fulfils the need for sustainability. Following simple principles, climate friendly construction could be applied to a broad range of projects, but to be at its most effective it should ideally be used in larger areas of habitation; in large areas of cities, in villages and towns.
Preceding: Climate –Friendly/Passive Construction
Adapting to climatic conditions forms a basic part of traditional construction. There are innumerable examples, thick north facing walls; south facing windows; straw roofs; in areas with bad winters priority is given to south facing homes; construction facing away from the wind direction; in areas facing the sea, thick walls and small windows in Spain and Portugal; narrow streets in Marseille to avoid the heat of the sun; natural ventilation across several apartments and enclosed courtyards in Flanders to provide protection against the wind. There are also (rare) examples for enlightened architecture in previous centuries: Philibert Delorme, used different areas of habitation for winter and summer for St. Maur Château. From the XVI century to the XIX century, there is an increase in the use of light (found in Gothic Cathedrals). However, new industrial techniques appeared and affected the use of light in the least expensive housing: adaptation to climate needs was abandoned for light, space and aesthetic demands.
Social change and an expectation of access to minimum standards of hygiene resulted in a new approach to housing. With Godin’s ‘familistère’ in Guise, we see the precursor to the garden cities of the 20th century in response to new social objectives (social interaction and quality of life and minimum standards of hygiene) A windowed central court and a burner in each apartment contributed to an improved level of heating. A temperate central court sheltered from the rain contributed to community life. These garden cities by Howard inspired similar projects in France (for example, Stains garden city), bringing an alternative urban existence into being, allowing nature to have a casting role in these new country towns. We can still be inspired by these efforts and examples of urbanism, which allied social interaction with climatic conditions and proximity to nature.
Le Corbusier, an ‘ideal city’ realized these themes: buildings face both the east and west allowing continuous access to direct sunlight. However, these elements alone are not sufficient to create climate friendly (passive energy) conditions.
The Jacobs House designed by WL Wright in the United States of America, foreshadows the achievements of the 1970’s. It was ‘solar’ architecture in that it used the orientation of buildings towards the sun, curved buildings towards the sun: protection from the north was achieved by a bank of land in the shape of a half-moon. In these solar constructions, there is a marriage of protection and openness: openness allows free exploitation of heat and protection allows the containment of this heat. The use of inert materials also aides heat retention.
True climate-friendly/passive architecture appears in the 1960’s with the first implemented solar constructions, based on the Jacobs House, which actively uses outside climatic conditions to regulate internal climatic conditions without the aide of heating or ventilation. This was achieved using some technical innovations, (double glazing, improving water-tightness, as well as water-proofness) and accurate tools for thermal measurements. Thermal calculation methods and technical knowledge of materials improves the evaluation of heat loss in relation to materials used for walls, floors and roofs as well as solar and interior considerations. Since the 1970’s it has been possible to build passive housing without heating (ideally) which are as comfortable in winter as in the summer. With the energy crises and government initiatives climate friendly architecture has been launched and will develop along side positive energy and the anti-nuclear movement. Because it is a synthesis of, on the one hand, the needs of the human body and on the other hand, a deeper knowledge of available materials and atmospheric management, climate-friendly architecture is one of the most important innovations in the recent past. The development of alternative methods of construction and of renewable energy are however, hindered by the commercial concerns of current energy producers and some major principles of the concept of climate – friendly/passive construction, causing a delay in the take up of passive heating. Germany, Switzerland and Austria have become pioneers in this area (Fribourg, passive program Haus, Minergie in Switzerland) In France, the use of inert materials in thermal assessments has had to wait for the approval of the thermal regulations of 2005. For the regulation of passive temperature control techniques, we must wait for 2010!
Principle concepts of Climate – Friendly/Passive Architecture
In the concept of Climate-Friendly architecture there is a marriage of human needs and the climatic conditions, building an interface between the two. It promises the adaptation of the construction to the physiological needs of human beings. This principle seeks to master internal conditions by adapting to climatic constraints. This control is rendered possible by the use of alternative approaches: an understanding of physiological needs, controlling fluctuations in heat, and the hygrometry between internal and external conditions, using climatic advantages and the choice of heating in relation to the climate. Physiological needs vary according to the individual but certain criteria are commonly applicable in order to insure an acceptable level of comfort: sensation on the surface of the skin, breathing, condensation and physical activity (heat production by the body).
Comfortable conditions depend upon the quality of the internal environment, resulting from the surface temperature, air temperature, the hygrometry as well as the method of heating and air circulation. In opposition, the difference in temperature between air and surfaces can create feelings of discomfort. The hygrometry of air can have an important impact on the feeling of comfort: the more damp the air is the more the temperature of the air needs to be raised in order to achieve the same feeling of comfort. The heating system should result in a consistent surface temperature, close to the ideal temperature to insure comfort. Radiant heating is therefore preferable to air heating; air heating also contributes to a weak hygrometry. However, buildings can also be cooled down with the circulation of air: controlling internal fluctuations in air-temperature, and regulating the temperature of new air with the use of double glazing and ventilation shafts both reduce enormously the need for heating.
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Understanding the function of internal and external climates
The sun is our main source of energy: in the movement of air in the atmosphere and stagnant water, vegetation, fossil energy, the surface temperature of the world but also nuclear energy! The only other source is the heat energy found at the centre of the earth. Climate plays a major role in climate – friendly/passive architecture. The characteristics of the climate forms the most important role in the concept of Climate-friendly architecture: Constructions vary depending on if the climate is oceanic, continental, temperate or mountainous, also on, the changes in the strength of the sun throughout the year, also on, the average temperature over time, latitude, rainfall, wind strength and direction. Within the same climate the requirements change according to the characteristics of the site, its orientation, the relief, the vegetation present, hidden effects (shadow produced by large obstacles in the vicinity). Thermal Solar studies are made case by case according to the solar availability and the exposure of each site. Therefore, each climate-friendly construction is unique to its conditions. Certain climate characteristics have become part of the techniques behind climate-friendly construction: green-house effect, inert surface thermals, the movement between different layers of hot to cold air, and different hygrometers. The greenhouse effect is used to capture solar energy in the building, using windows orientated towards the sun. The thermal quality of certain materials, are used to capture heat and to release it gradually. To achieve a good circulation of heat, air needs to circulate from high to low. Ventilation is realized by the difference in air temperature causing the movement of air in and out of the construction.
Please find some examples of climate friendly procedures below (more details can be found in the list of references found at the end of this article):
South facing (greenhouse effect) glass, windows
North facing (thermal protection) garage, annexes
Upper floors (control heat loss) attic, inconvertible attic
Thermal quality of walls and floors
South facing walls that capture heat, overshadowed walls which retain heat, hollow walls to circulate hot air, or radiant heat from a heated surface (enclosed heat retaining wall)
Controlled ventilation, pre-heating air or cooling air (ventilation shafts or double glazing)
Processes involving using, sun energy in water or the floor (solar panels, heat pumps)
In order that climate-friendly methods of construction become the norm, certain principals must become an automatic part of urbanization. Therefore, south-facing orientation must become a minimum requirement and protections from the north (raised soil barriers or vegetation) must be implemented in all cases. The use of vegetation and/or water should also contribute to the natural regulation of temperature during the summer. Landscaping should be used to provide protection from dominant winds as well as using the relationship between different obstacles (manmade or otherwise). It is preferable to group buildings together as opposed to dispersing them, just as, the use of communal open spaces are preferable to large private spaces. The creation of internal streets in multi-occupancy buildings can also reduce thermal demand, as well as being convivial. In the majority of cases, a tendency towards communal constructions results in improved coherence, a better physical exposure or orientation for each dwelling and at the same time would preserve privacy.
One can see, a climate-friendly approach to architecture is complicated by diverse considerations and by the social implications complicit in its principles. One must ask if isolated buildings and solar dwellings could be considered as concepts that integrate into this architecture. It is called into doubt when one sees the number of buildings using glass with air conditioning and not inert surfaces, which of course contributes to the success of electricity suppliers. The economic effect of this passive construction cannot be ignored and often project managers are encouraged to use conventional methods. However, given the global cost passive construction is a good return on investment. At each stage of a project every participant needs to consider their actions and tools at their disposal, as well as regulations governing construction. The users of such buildings will be the main beneficiaries of this type of building thanks to a greater comfort, reduced energy consumption and also an improved conviviality. In fact climate-friendly, passive architecture can also be seen as having a social role to play, in that everyone can benefit from an equal quality of life, a healthy environment in which to live, comfort, economical heating/cooling system and broadly accessible cost of housing. This concept is not just limited to new builds but also includes the rehabilitation of buildings. While the reconditioning of existing houses continues to flourish one can hope that future new builds using passive temperature control techniques, will also begin to multiply and grow.
©vivarchi
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