Effet de l’orientation du bâtiment

Dans la phase d’Esquisse, une des premières décisions à prendre dans la conception d’un bâtiment est son orientation par rapport au sud. Ce choix de conception, apparemment simple, a un rôle déterminant dans la performance énergétique du bâtiment, notamment dans la répartition des apports solaires incidents sur les façades (Liébard et al., 2005).

L’orientation du bâtiment, aussi appelé azimut ( ), est généralement donnée en termes de la différence angulaire entre la perpendiculaire d’une des façades principales et la direction sud ou nord, selon l’hémisphère. Par exemple, un bâtiment dans l’hémisphère nord dont une des façades principales est orientée plein sud est associé à un angle d’orientation égal à zéro degré, comme montré sur la figure 4.1.

Figure 4.1. L’angle d’orientation du bâtiment par rapport au sud.

Comme présenté dans la figure 4.2, le choix de l’orientation selon la logique de progression des décisions ici proposée est à effectuer tout au début du processus de conception, dans la sous-phase

« Géométrie » de la phase d’Esquisse. En fonction des contraintes du site d’implantation, le concepteur peut orienter le bâtiment avec n’importe quelle valeur d’azimut comprise entre -90° et 90°, avec la façade principale orientée à l’ouest et à l’est respectivement. Comme montré dans le tableau 4.1, l’angle d’orientation de la configuration de référence est considéré égal à 0°, c’est-à-dire avec une des façades principales orientée plein sud.

Figure 4.2. Positionnement du choix de l’orientation du bâtiment selon la logique de progression de décisions proposée.

Dans un premier temps, une étude paramétrique sur tout l’espace de décision a été faite pour identifier les tendances générales des indicateurs de performance. Les résultats, présentés en termes de la variation en pourcentage par rapport à la configuration de bâtiment de base, sont montrés sur la figure 4.3.

Figure 4.3. Variation en pourcentage de tous les indicateurs de performance pour la configuration de bâtiment de base en fonction de l’angle d’orientation.

Lors de cette première analyse de l’espace complet de décision, un intervalle de variation minimale des indicateurs est identifié de manière assez symétrique entre les valeurs d’azimut -30° et 30° (entouré en rouge dans la figure 4.3). La performance énergétique du bâtiment n’est pas considérablement impactée dans cet intervalle, à part une légère diminution d’une partie des indicateurs près des extrêmes. Par contre, au-delà de cette zone une augmentation importante de la majorité des indicateurs environnementaux et économiques peut être observée.

L’importance de l’effet du choix de l’orientation du bâtiment dans sa performance énergétique varie d’un indicateur à l’autre. Cette influence sur la performance résultante est caractérisée par la sensibilité de chaque indicateur à la variation de la variable de conception en question. D’un côté, une partie des indicateurs environnementaux et économiques présentent un comportement très sensible à la variation de l’angle d’orientation. Ces indicateurs sont, en ordre décroissant de degré de sensibilité :

Destruction de la couche d’ozone stratosphérique Déchets radioactifs éliminés

Consommation d’eau

Utilisation d’énergie primaire non renouvelable Déchets non dangereux éliminés

D’autres indicateurs sont également affectés par la variation de cette variable de conception, mais à un degré moins prononcé. C’est le cas des indicateurs suivants, encore une fois nommés en ordre décroissant de degré de sensibilité :

Coût d’exploitation

Potentiel d’acidification du sol et de l’eau Potentiel de réchauffement climatique

Potentiel de formation d’oxydants photochimiques de l’ozone troposphérique Coût global

D’autre part, trois indicateurs présentent un degré minimum de sensibilité par rapport à la variation de l’azimut : les déchets dangereux éliminés, le coût de construction et le pourcentage de temps de confort thermique. Finalement, le reste des indicateurs de confort des usagers (visuel, acoustique et de qualité de l’air) n’ont pas montré des effets à cause de la variation de l’orientation du bâtiment.

Vis-à-vis de ces observations sur la sensibilité des indicateurs, l’orientation du bâtiment joue un rôle très important dans la performance énergétique du bâtiment. Le choix de l’angle d’orientation a des effets considérables sur la majorité des indicateurs, en fonction du degré de sensibilité de chacun par rapport à cette décision de conception.

Afin d’identifier les valeurs d’azimut du bâtiment avec des effets désirables dans sa performance, une visualisation par type de critère de performance sera présentée en se limitant à l’intervalle d’intérêt compris entre -30° et 30°.

Figure 4.4. Variation en pourcentage des indicateurs environnementaux pour la configuration de bâtiment de base en fonction de l’angle d’orientation pour valeurs entre -30° et 30°.

En ce qui concerne la dimension environnementale, représentée dans la figure 4.4, une légère réduction de la valeur de la totalité de ces indicateurs peut être observée autour des azimuts -18° et 18°. Ceci est dû notamment à, respectivement, une diminution de l’ordre de 2% et 1.5% des besoins annuels de refroidissement par rapport à l’orientation plein sud. Les indicateurs les plus affectés dans ce cas sont alors ceux associés à la consommation d’énergie électrique du fait de l’utilisation d’une pompe à chaleur dans la configuration de base.

Une légère asymétrie peut être observée dans les courbes d’évolution des indicateurs autour de l’orientation sud. Ce comportement peut être expliqué par la combinaison de deux facteurs : la disponibilité irrégulière du rayonnement solaire et les différences entre zones thermiques en termes des besoins en confort thermique et des scénarios d’occupation. Dans le présent cas d’étude, les zones thermiques sont réparties de manière homogène entre les deux façades (comme montré dans la figure 2.5), ce qui limite l’amplitude de cette asymétrie. Néanmoins, ce phénomène pourrait être utilisé de manière positive dans la conception du bâtiment, en adaptant l’orientation du bâtiment en fonction de la répartition d’espaces intérieurs au long des façades, ce qui représenterait un élément de décision utile pour le concepteur.

Figure 4.5. Variation en pourcentage des indicateurs économiques pour la configuration de bâtiment de base en fonction de l’angle d’orientation pour valeurs entre -30° et 30°.

La diminution des besoins de refroidissement commenté précédemment entraîne logiquement une réduction du coût d’exploitation autour des mêmes valeurs de l’azimut, comme montré sur la figure 4.5. En outre, une légère augmentation du coût de construction peut être observée à mesure qu’on s’éloigne d’une orientation plein sud. Ceci s’explique par une augmentation dans le dimensionnement du système de chauffage, en raison de la réduction des apports solaires récupérés en hiver par le bâtiment. La variation du coût global reste ainsi intermédiaire entre les tendances des coûts d’exploitation et de construction.

En ce qui concerne les indicateurs de confort des occupants, la variation de l’orientation du bâtiment a un effet limité sur la performance de la configuration de base. D’une part, les indicateurs de performance acoustique et de qualité de l’air intérieur ne sont pas évidemment affectés par le changement d’orientation. D’autre part, le temps d’autonomie en éclairage naturel n’a pas été impacté non plus, en raison d’un taux de vitrage suffisant pour les façades principales, égal à 40% de leurs surfaces dans la configuration de base. Par contre, une légère diminution du pourcentage de temps de confort thermique peut être observée dans la figure 4.6 à partir de valeurs d’azimut supérieures à -55° et 60° Ceci est dû à l’apparition de surchauffes dans les zones thermiques en période estivale.

Figure 4.6. Variation en pourcentage des indicateurs de confort des usagers pour la configuration de bâtiment de base en fonction de l’angle d’orientation.

Deux conclusions peuvent être tirées de ce premier cas d’étude. D’une part, des valeurs d’orientation du bâtiment ont été identifiées qui permettent de minimiser les impacts environnementaux et économiques sans affecter de manière défavorable les conditions de confort des occupants. D’autre part, le choix de l’orientation peut être effectué en fonction de la répartition des espaces au long des façades, en tenant compte de leurs besoins en confort thermique et leurs scénarios d’occupation. Ces deux conclusions représentent des éléments de décision importants dans le choix de l’angle d’orientation du bâtiment.