Apparition des enveloppes adaptatives

Fig. 06: Les éléments affectants l'enveloppe d'un bâtiment.

Source : Auteur.

I.4. Apparition des enveloppes adaptatives

Au cours des dernières décennies, des enveloppes de bâtiment sont apparues avec de

nouvelles formes interactives au climat.

La façade du Buckminster Fuller, du pavillon des Etats Unis construit pour l’Expo 1967

de Montréal fut l’une des premières enveloppes climatiques adaptatives automatisées (Fig. 07),

qui utilise des matériaux développés, l’automatisation dynamique avec microprocesseurs

embraqués, capteurs sans fil et actionneurs et de nouvelles techniques de conception pour la

fabrication dont le but est d’avoir une enveloppe à haute performance(Trubiano, 2012).

Toiture: représente la partie supérieure d’un

édifice, qui joue un rôle protecteurdu l’intérieur

contre les intempéries et l’humidité.

Fenêtre: Une baie, ouverture pratiquée dans un

mur ou une façade, avec ou sans vitre pour

permettre la pénétration de la lumière, la vision

vers l’extérieur et habituellement l’aération ….

Façade: La façade est un concept qui désigne la

surface extérieure d’un bâtiment.

Verrière: vitrage de grande dimmension faisant

partie du toit ou d'une grande baie vitrée.

Dalles et murs du sous sol: plaque horizontale ou

verticale sert à la couverture du bâtiment.

10

Fig. 07 :Le Pavillon des Etats-Unis.

Source:https://www.wikiwand.com/fr/Exposition_universelle_de_1967 (Consulté le 01/03/2020)

L’architecture adaptative se base sur une nouvelle définition du confort thermique, qui

intègre la question du dynamisme de l’architecture et la participation des occupants (Cole et al,

2008), dans cette optique, cette architecture améliore le confort de l’occupant et les

performances énergétiques du bâtiment en proposant des opportunités d’adaptation.

L’enveloppe adaptative pourrait être expliquée comme une enveloppe qui possède des

capacités de changer ou d’adapter son comportement et de contrôler avec souplesse les

paramètres d’une enveloppe de bâtiment, pour répondre à un changement climatique, afin

d’améliorer le confort intérieur.

II. La façade adaptative

II.1. Définition

Les pratiques architecturales ont pris un nouveau chemin vers de nouvelles conceptions

des façades, qui utilisent de nouvelles technologies et des composants réactifs, pour faire face

aux conditions météorologiques inconstantes.

La façade adaptative est considérée comme l’une de ces nouvelles conceptions qui

recouvrent plusieurs définitions. Nous allons citer ici les définitions les plus utilisées dans la

description de cette dernière.

Selon Loonen, R. (2010), le mot « adaptatif » dans le contexte des façades de bâtiments

est souvent associé dans la littérature à une longue liste de termes similaires (Fig. 08).

11

Fig. 08 : Concept de l’adaptative en littérature.

Source: Loonen, R. (2010).

D’après, Loonen et al. (2015): « cette prochaine génération de façade se compose de

systèmes multifonctionnels et hautement adaptatifs, où le séparateur physique entre

l’environnement intérieur et extérieur est en mesure de modifier ses fonctions, ses

caractéristiques ou son comportement au fil du temps en fonction des exigences de performance

transitoire et des conditions limites, dans le but d’améliorer la performance globale du

bâtiment. »

Ce type de façade, d’après Premier (2013), est basé principalement sur l’utilisation de

systèmes d’ombrage solaire associés à des matériaux et des technologies intelligents. Les

façades adaptatives appartiennent à la catégorie des « interfaces dynamiques » et sont capables

de réagir activement avec l’environnement extérieur, afin d’assurer une optimisation du confort

intérieur du bâtiment.

De plus, les façades adaptatives appelées aussi « CABS», représentent un concept

d’architecture adaptative, où l’adaptation se déroule spécifiquement au niveau de la coquille du

bâtiment (Loonen, R. et al., 2013).

12

On peut dire aussi qu’elle est intelligente et dynamique, capable d’ajuster sa forme, son

orientation ou son ouverture en temps réel selon les conditions externes, internes et les besoins

des occupants dont l’objectif est d’assurer le confort des utilisateurs et améliorer la performance

globale du bâtiment (Ghaffarian-Hoseini et al. 2012).

D’après les différentes définitions, nous pourront définir la façade adaptative comme

une peau de construction capable d’ajuster son comportement, afin de répondre

automatiquement aux paramètres climatiques extérieurs et les besoins dynamiques des

occupants, en influant directement l’environnement intérieur du bâtiment. Cette technologie

active vise également à améliorer la durabilité des constructions en perfectionnant le

fonctionnement de l’enveloppe, afin de répondre d’une manière adéquate aux exigences

thermiques, lumineuses, acoustiques, aérauliques, énergétiques et esthétiques.

II.2. Mouvement en façade adaptative

II.2.1 Echelles de l’adaptation

On distingue deux classes du mécanisme adaptatif de ces façades, une classe entraîne

des changements de propriétés au niveau macro-échelle et l’autre au niveau micro-échelle,

comme décrit dans la (Fig. 09) et la (Fig. 10).

Fig. 09: Les différents types de changements des deux échelles.

Source:Loonen, R. et al. (2013), traitée par l’auteur.

Les différents changements

Changements dans la

configuration de la coque

du batiment

Biais de

composants

complétés à

l'extèrieur de

la coquille

sous

systèmes de

la coquille

Mouvement

de toute la

façde

Changements dans la

structure interne d'un

matériau

dans les

propriétés

thermophysiques

Echange

d'énergie

d'une forme

à l'autre

13

II.3. Classification et propriétés des dispositifs de la façade adaptative

Les dispositifs adaptatifs sont divers et variés. Selon Schumacher, le mouvement

est « résultant du passage d’une position stationnaire à une nouvelle position stationnaire »

(Schumacher et al. 2010).

D’après Schumacher et al., (2010) et Moloney (2011), on distingue deux grandes

familles de mouvements de plans, qui forment les différentes typologies de mouvement des

dispositifs.

II.3.1. Panneaux rigides mobiles

Dans cette catégorie, on peut classer trois types de mouvement des dispositifs :

 Les panneaux coulissants: Ce type de panneaux (Fig. 11) se coulisse, d’une façon

générale, dans un axe parallèle à la façade pour laisser apparaitre l’ouverture. Son rôle est de

réguler l’énergie solaire par sa capacité d’occultation, créer de l’intimité et favoriser la

conservation thermique. Il ne fait que dégager une partie de la façade. (Fig. 12)

Fig. 10: Types des échelles du mouvement de la façade adaptative.

Source:Loonen, R. et al. (2013), traitée par l’auteur.

Les échelles

d'adaptation

Macro-échelle

Changements dans la configuration de la coque du batiment Micro-échelle Changements dans la structure interne d'un matériau

14

Fig. 12: Exemples de bâtiments en panneau coulissant.

Source : Du Montier, C., (2013).

 Les panneaux pivotants :Le panneau pivotant (Fig.13) offre une grande diversité

de mouvements et de fonctions. Il peut se déployer perpendiculairement à l’enveloppe en

pivotant sur un axe horizontal ou vertical. Il a un rôle efficace pour réfléchir le rayonnement

solaire et contrôler l’apport de lumière. (Fig.14)

Fig. 11: Les panneaux coulissants.

Source: Schumacher et al. (2010).

Fig. 13: Les panneaux pivotants.

15

Fig. 14: Exemples de bâtiments en panneau pivotant.

Source: Du Montier, C., (2013).

 Les panneaux pliants: Cette catégorie (Fig. 15) est similaire aux panneaux

pivotants, ce qui les diffère est que ses quatre points d’attache assurent une grande rigidité face

au vent, consomme moins d’espace quand il est ouvert (Fig. 16).

Fig. 15: les panneaux pliants.

Source: Schumacher et al. (2010).

Fig. 16 Exemple de bâtiments en panneau pivotant.

16

II.3.2. Panneaux isolants mobiles

Le principe de ces panneaux est d’inclure une isolation thermique dans les panneaux

précédents. Les dispositifs des panneaux isolants mobiles (Fig. 17) peuvent être flexibles ou

rigides en fonction principalement de leur utilisation et de leur emplacement.

Des auteurs comme Brown et al. (2000) et Zaheer-Uddin (1990) considèrent ce type de

panneau comme un système ayant un fort potentiel dans la réduction des déperditions

thermiques des fenêtres, la surchauffe et l’inconfort visuel potentiel que génère la transparence.

Langdon )0891(affirme que Le PIM permet de réduire les déperditions thermiques de

40% à 60%.

Fig. 17: Un type de panneau isolant mobile.

Source: https://www.20min.ch/fr/story/un-panneau-solaire-mobile-plus-performant-et-isolant-606963122885, (Consulté le 22-04-2020).

17

II.4. Types de contrôle des systèmes de la façade adaptative

II.4.1. Le contrôle extrinsèque

Les façades adaptatives avec ce type ont une capacité de bénéficier de la rétroaction, car

la rétroaction implique que les effets de la configuration actuelle (d’action) peuvent être

comparés à l’état désiré (point de consigne), si nécessaire le comportement de l’enveloppe du

bâtiment peut être ajusté activement (Teuffel, 2004). (Fig.18)

II.4.2. Le contrôle intrinsèque

Les façades adaptatives avec un contrôle intrinsèque s’auto-ajustent grâce au

comportement adaptif qui se déclenche automatiquement par des stimuli environnementaux

comme la température, l’humidité relative, les précipitations, vitesse et direction du vent, le

rayonnement solaire, la couverture nuageuse ou niveau de CO². (Fig. 19)

Fig. 19: Système du controle intrinsèque.

Source: Loonen, R., (2010), traitée par l’auteur.

II.5. Emplacement structural de la façade adaptative

Comme le représente la figure ci-dessous, il y’a trois possibilité d’emplacement de la

façade adaptative (Fig. 20):

Le cas le plus utilisé est de placer la façade adaptative en face de la peau extérieure du

bâtiment (système mur rideau) (Fig. 20(c)). Ce type est très avantageux pour la protection

Fig. 18: Système du contrôle extrinsèque.

Source: Loonen, R., (2010), traitée par l’auteur.

Entrée

Données

Signal de

Commande

Actions

Capteur

FA

Processeur Actionneur

Contrôleur

Entrée Actions

FA

18

solaire. Cependant, cette position entraine une plus grande usure, ce qui engendre une durée de

vie plus courte et des risques de dysfonctionnement du système.

La deuxième option consiste à intégrer le système adaptatif dans la structure primaire

(Fig. 20(b)). Elle permet une démarcation de la surface en verre, son impact est moindre sur

l’effet visuel de la façade et permet aussi une protection du système contre les particules de

poussière.

La dernière possibilité est de placer la façade derrière la structure principale, ce qui

offre la possibilité d’éliminer complètement le risque d’endommagement (Fig. 20(a)).

II.6. La performance des façades adaptatives

Les enveloppes des constructions, en général, ont des aspects de performances qui

doivent être pris en considération dans le processus de leur conception, tels que :

 Contrôler le flux de chaleur.

 Etre esthétiquement agréable.

 Contrôler le débit de vapeur d’eau.

 Contrôler la lumière et le rayonnement solaire.

 Etre économique.

De ce fait, la façade adaptative se diffère des systèmes statiques par des moyens de

flexibilité pour soutenir plusieurs performances.

(a) (b) (c)

Fig. 20: Coupe schématique : Position de la façade: (a) devant, (b) dans la peau, (c)derrière. Source: Sommer, (2010).

19

II.6.1. Robustesse et flexibilité

D’après Saleh et al. (2009), la robustesse et la souplesse sont les deux stratégies de

conception qui font référence à la capacité d’un système de gestion du changement, c’est-à-dire

la résistance du système face aux changements environnementaux. Ce concept vise à réduire

les conséquences négatives dues aux changements externes, mais n’a pas la capacité d’éliminer

les causes de celui-ci.

D’autre part, la flexibilité est définie comme des systèmes conçus pour maintenir un

niveau élevé de performance en temps réel lorsque l’environnement d’exploitation ou les

exigences du système changent d’une façon prévisible ou imprévisible (Olewnik et al. 2004).

II.6.2. L’adaptabilité

Elle est considérée comme un système caractérisé par la capacité à fournir les

fonctionnalités prévues, en tenant compte de plusieurs critères, dans des conditions variables

grâce aux variables de conception qui modifient leurs valeurs physiques au fil du temps

(Ferguson et al. 2007).

D’après Hoes et al. (2011), l’adaptabilité des CABS contribue également à créer des

gains grâce à la technologie de la capacité de stockage thermique dans les constructions, ce qui

peut aider à atténuer les problèmes de confort et aussi limiter la redondance dans la capacité

installée de chauffage et de refroidissement.

C’est pour cette propriété que les façades adaptatives offrent un potentiel d’économies

d’énergies par rapport aux bâtiments conventionnels, car les précieuses ressources énergétiques

de notre environnement peuvent être exploitées activement, mais seulement à des moments où

ces effets sont jugés favorablement.

II.6.3. La multi-capacité

Selon Ferguson et al. (2007), ce concept provient de l’existence des exigences de

performance non simultanées, ou de la nécessité de remplir de nouveaux rôles au fil du temps.

La multi-capacité offre la possibilité de différencier les propriétés et le comportement de

l’enveloppe pour différentes positions de la coque du bâtiment au même temps.

II.6.4. L’évoluabilité

Les besoins et les circonstances futurs du bâtiment ne sont pas toujours connus avant sa

conception. L’évoluabilité est une propriété de flexibilité qui gère, à long terme, les

20

changements de conditions venant de l’extérieur (climatiques, de l’environnement urbain…),

ou de l’intérieur (changement de fonction organisationnelle du bâtiment, nouvelle disposition

de l’espace…).

II.7. Effet de la façade adaptative sur la durée de vie du bâtiment

Comme l’enveloppe du bâtiment forme la division entre les zones intérieures et

l’environnement ambiant, elle est inévitablement affectée par les fluctuations climatiques qui

changent avec le temps. La plupart des systèmes de façade adaptative sont conçus pour réduire

l’impact de ces changements sur le bâtiment et augmenter le confort des occupants (Loonen et

al. 2013).

II.7.1. Physique pertinente

Tableau 01:Les différents domaines physiques du changement de la façade adaptative.

Thermique

L’adaptation provoque des changements dans l’équilibre énergétique du

bâtiment par conduction, convection, rayonnement et stockage de l’énergie

thermique.

Optique

Le comportement adaptatif influence la perception visuelle des occupants par

des changements dans les surfaces transparentes de la coque du bâtiment.

Flux d’air

un flux d’air à travers la limite de la façade est présent, le comportement

adaptatif est influencé par la direction et la vitesse de l’air.

Electrique

L’énergie est convertie en électricité dans la zone périphérique du bâtiment,

ou la consommation d’électricité est un élément essentiel du principe de

fonctionnement.

21

II.7.2. Les échelles temporelles

Fig.21: Les échelles temporelles du mouvement de la façade adaptative.

Source: Loonen et al. (2013), traitée par l’auteur.

•Les changements par secondes sont provoqués par les variations rapides de

la vitesse et de la direction du vent.

Secondes

•La couverture nuageuse et la disponibilité en plein jour sont nécessaires

pour que les façades adaptatives modifient leur degré de transparence dans

l'ordre de minute.

Minutes

•les façades adaptatives s'ajustent dans l'ordre des heures en suivant la

trajictoire du soleil.

Heures

•La présence des occupants dans le batiment, l'air ambiant et la disponibilité

du rayonnement solaire suit un schéma diurne qui pousse les façades à se

changer au niveau de cette échelle.

Diurnes

•La façade s'adapte à travers les différents conditions au cours des saisons.

22

Conclusion

Avec les changements climatiques et le réchauffement de la planète et tant que

l’enveloppe du bâtiment représente la frontière entre le climat et l’intérieur, la conception

réussie de cette dernière devienne une tache de plus en plus complexe, en raison d’une demande

croissante pour satisfaire les exigences de performance environnementales, sociétales et

économiques. Pour cela l’architecte doit se tenir à jour dans ce monde dynamique et mettre

l’enveloppe des constructions en relation plus proche des conditions climatiques

La façade adaptative appartient aux nouveaux techniques. Comparativement à la façade

ordinaire, elle contribue à l’amélioration de l’environnement intérieur, vue leur adaptabilité

climatique aux conditions environnementales extérieures en fonction de la trajectoire solaire,

dont elle s’ajuste aux rayonnements solaires directs.

Donc cette génération, avec ses mécanismes développés, ses fonctions, ses

caractéristiques, doit être prise en considération par l’état et les architectes, non seulement

puisqu’elle est un thème de tendance mais aussi sa capacité d’agir aux fluctuations

environnementales, en changeant leurs comportements et propriétés, dans le but est d’améliorer

le confort intérieur et la performance des bâtiments et satisfaire les occupants.

CHAPITRE II : ISOLATION

THERMIQUE ET CONFORT

23

Introduction

Pour l’être humain, dans son habitation ou dans son lieu de travail, le confort et la

satisfaction ont toujours été un but à atteindre.

Le confort thermique est probablement l’un des éléments essentiels dans la conception

des bâtiments, dont l’objectif est d’assurer une sensation de chaleur en hiver et de préserver des

non surchauffes en été.

Cette thématique importante est générée par la combinaison de plusieurs facteurs et

paramètres liés au bâtiment, au climat et aux utilisateurs. Donc l’isolation thermique des

constructions joue un grand rôle dans l’obtention du confort intérieur.

De ce fait, nous avons jugé utile de répertorier certaines de ces notions et d’en donner

la définition. Les concepts sont, certes, nombreux et divers, mais nous avons retenu ceux qui

répondent le plus à nos besoins immédiats.

I. Confort intérieur

I.1. Définition

Selon LAROUSSE, le confort est un ensemble de commodités, des agréments qui

produit le bien-être matériel ; bien-être en résultant : qui a tout le confort.

Selon Desmons, J. (2009) : «Le confort est une notion subjective, une ambiance donnée

qui peut satisfaire un individu et pas un autre. »

Nous pouvons le définir aussi comme un degré de désagrément ou de satisfaction

produit par l’environnement ambiant intérieur d’un bâtiment.

I.2. Types de confort

24

Fig. 22 : Types de confort

Source: Editée par l’auteur

II. Isolation thermique

II.1. Définition

Isoler un bâtiment thermiquement c’est de le protéger contre la chaleur, dont l’objectif

est de minimiser les transferts de chaleur.

C’est la propriété que possède un matériau de construction pour diminuer le transfert de

chaleur entre deux ambiances. Elle permet à la fois de réduire les consommations d’énergie, de

chauffage ou de climatisation et d’accroitre le confort (Mazari, 2012).

Selon Dr. Mohammed (2005), l’isolation thermique est une technique ou un moyen

matériel pour limiter le transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement entre

l’extérieur et l’intérieur d’un logement. Il retarde le flux de chaleur à l’intérieur ou à l’extérieur

d’un bâtiment en raison de sa haute résistance thermique.

II.2. But de l’isolation thermique

 Augmenter le niveau du confort thermique.

 Protéger la construction contre les pervers des chocs thermiques successifs et

d’autres.

25

III. Confort thermique en architecture

III.1. Notion du confort thermique

Le confort thermique est une notion très complexe, difficile de lui donner une définition

précise. De la part de Givoni (1978), le confort thermique ne peut être établi que si les

mécanismes d’autorégulation du corps humain soient à un niveau minimum d’activités.

Plusieurs définitions sont établies pour clarifier le terme du confort thermique (Tableau

02).

Tableau 02:Les différentes définitions du confort thermique.

D’après Liébard et De Herde

(2005)

la définition de Moser cité

par Khadraoui, (2019)

Sassine (2013)

« le confort thermique est défini

comme un état de satisfaction

vis-à-vis de l’environnement

thermique. Il est déterminé par

l’équilibre dynamique établi par

échange thermique entre le corps

et son environnement »

« le confort est lié aux

sentiments, à la perception, à

l’humeur et à la situation. Sa

définition fait à la fois appel

à une approche négative

(absence de confort, qui se

caractérise par exemple par

l’absence de douleur…) et à

une approche positive

(bien-être, satisfaction) ».

Le confort est notion

subjective varie d’un

individu à un autre,

selon plusieurs

facteurs.

III.2. Facteurs affectant le confort thermique

Il dépend de six paramètres de différentes nature : physiologiques, comportementaux et

environnementaux, liés à l’individu et à l’environnement (Cantin, R. et al, 2005) (Fig. 23).

26

Fig. 23: Les paramètres influant sur le confort thermique.

Source: Khadraoui, M. (2019).

III.2.1. Paramètres liés à l’individu

 Le métabolisme : C’est la production de chaleur interne du corps humain

permettant de maintenir celui-ci autour de 37,6 C°. Ce paramètre varie en fonction de l’activité

qui influe directement sur la température du confort (Liébard et De Herde, 2005). (Fig. 24)

Fig. 24: L'impact de l'activité et du métabolisme sur la température du confort.

27

 L’habillement : Représente une résistance thermique aux échanges de chaleur

entre la surface de la peau et l’environnement. La vêture joue le rôle d’isolant thermique, surtout

en période hivernal.

III.2.2. Paramètres liés à l’ambiance extérieure

 La température de l’air (Ta): Un paramètre très important qui influe sur la

température du confort. Elle intervient dans l’évaluation du bilan thermique de l’individu au

niveau des échanges convectifs, conductifs et respiratoires. Dans un local, la température de

l’air n’est pas uniforme, des différences de températures d’air se représentent également en plan

Dans le document L’effet de la façade adaptative sur le confort thermique intérieur dans les équipements publics en Algérie. (Page 24-58)