Forme et Orientation du bâtiment

Un matériau de construction à faible transmission de chaleur permet de réduire de façon significative les besoins énergétiques des constructions. Il existe cependant d’autres facteurs (orientation, paramètres géométriques et rapport de certaines propriétés telles que la surface et le volume) qui influent sur les performances énergétiques de ces constructions.

Les besoins énergétiques d’un bâtiment dépendent de la forme et l’orientation de ce dernier. En effet l’orientation du bâtiment permet d’indiquer les surfaces exposées au rayonnement solaire (chauffage passif) et celles exposées au vent [115].

Parmi les critères utilisés pour caractériser un bâtiment le rapport de compacité qui permet d’indiquer la manière avec laquelle le bâtiment se réchauffe au cours de la journée et se refroidit pendant la nuit. Ce dernier est le rapport entre le volume du bâtiment et la surface extérieur. Le volume du bâtiment indique le stockage de la chaleur tandis que la surface est liée au gain ou perte de la chaleur [8].

Plusieurs rapports existent dans la littérature pour caractériser la proportion entre les éléments de la structure. Le tableau II.7 présente d’autres rapports utilisés dans la littérature [115].

Nom Définition Unité

Rapport d’aspect Rapport de compacité Facteur de forme

Rapport de la surface d’enveloppe transparente

Rapport de la surface d’enveloppe transparente sur le plancher Rapport de la surface d’enveloppe transparente sur les murs Rapport de la surface d’enveloppe transparente sur le volume Rapport de surface transparente sud sur le mur sud

Rapport de surface transparente sud sur la surface du plancher Rapport de surface transparente sud sur le volume du bâtiment Rapport de surface transparente sud sur la surface transparente totale w/l Aen/Vcn AE/Acn Atr/Aen Atr/Acn Atr/Acn Atr/Vcn Astr/Asw Astr/Acn Astr/Vcn Astr/Atr - m²/m³ - - - - m²/m³ - - m²/m³ -

Indice: w: largeur; l: longueur, A: surface, V: volume.

Sous indices : en : enveloppe, cn : conditionné, tr : transparent (vitrage), w : mur, s : Sud

Tableau II.7. Rapports utilisés pour l’optimisation des bâtiments [115] Avec :

Aen : Surface de l'enveloppe thermique. V_b : Volume du bâtiment.

ACn : Surface du plancher du bâtiment climatisé.

P. Depecke et al. [181] ont étudié l’influence de la forme sur la consommation du chauffage des bâtiments. Quatorze bâtiments représentés sur la figure II.9 ont été

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choisis en fonction de leur forme et de leur représentativité dans les constructions actuelles. Les résultats montrent qu’une diminution de la compacité du bâtiment augmente la consommation énergétique pour un hiver rigoureux et peu ensoleillé. Cependant pour un climat doux, aucune recommandation de la compacité n’est donnée.

Figue II.9. Formes des bâtiments étudiés par P Depecke [181]. II.5. Autres solutions passives

Les éléments de l’enveloppe exposés précédemment (paragraphe II.4.1.1, 2, 3 et II.4.2) constituent des solutions passives qui permettent de réduire les besoins énergétiques des bâtiments. Edwin Rodriguez-Ubinas et al. ont proposé d’autres solutions passives (figure II.10)[115].

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Figure II.10. Solutions passives et hybrides pour les bâtiments [115]. II.5.1 Mur trombe

Ce type de murs (figure II.11) a été développé par E.S. Morse au 19ème siècle et redessiné plus tard par l’architecte Trombe. Il est composé d’une paroi en béton de 12 pouces d'épaisseur (30.48 cm) peinte en noir, orientée vers le Sud et couverte par une surface vitrée pour favoriser l’effet de serre et réduire les pertes de chaleur par convection et rayonnement thermique [169]. La chaleur est absorbée et stockée partiellement par le mur en béton, peint en noir, pour augmenter son absorption. Une quantité de la chaleur absorbée est transmise à l’intérieur du local par conduction à travers le mur. Lorsque l’air s’échauffe dans l’espace entre le mur et le vitrage, un mouvement se produit. La densité de l’air froid entrant dans la cavité en provenance de la chambre diminue avec l’augmentation de sa température. L’air chauffé augmente et entre dans la chambre par l’orifice supérieur. L’air froid de la chambre remplace l’air chauffé par l’orifice inférieur et le processus continu.

La contribution de ce système dans le chauffage des locaux est appréciable mais certains inconvénients peuvent se présenter [182]:

 Une résistance thermique faible.

 En hiver, des phénomènes de thermosiphon inverses peuvent se produire pendant la nuit ou les jours non ensoleillés (nécessité de fermer les orifices).

 L'intensité solaire étant variable conduit à des incertitudes du transfert de chaleur et cause des fluctuations de la température de la paroi et du local.

 La convection naturelle et le rendement global de chauffage peuvent être influencés par la géométrie du mur trombe (la largeur du canal et les dimensions des ouvertures d'entrée et de sortie).

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Figure II.11. Schéma descriptif d’un mur trombe [182]

Afin de réduire les pertes de chaleur de l’intérieur vers l’extérieur, la paroi composite Trombe-Michel a été envisagée. Un mur isolé est ajouté à l’arrière du mur massif (figure II.12). Le rayonnement solaire est absorbé par le mur massif. La chaleur est ensuite transmise par conduction à la couche de l’air entre les murs massifs et l’isolant qui circule par différence de densité. Des orifices haut et bas permettent d’échanger l’air avec la chambre. Cette configuration permet de réduire les déperditions de la chaleur vers l’extérieur [182].

Figure II.12. Schéma du mur Trombe-Michel [182]

De nombreuses études ont été menées afin d’optimiser le fonctionnement et la conception du mur Trombe.

Ji Jie et al. [183] ont étudié expérimentalement et numériquement un mur Trombe équipé de cellules PV collées sur la face extérieure du vitrage. Un ventilateur

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fonctionnant en courant direct est utilisé pour assurer la circulation de l’air dans le canal. Les résultats expérimentaux montrent que la température des cellules photovoltaïques diminue de 1.28 °C et la température moyenne intérieure augmente de 0.50 °C (la circulation de l’air par un ventilateur permet d’augmenter la température de l’air intérieur de la chambre et d’abaisser la température des cellules PV).

Une autre conception innovante du mur Trombe est l’utilisation des matériaux à changement de phase dans le mur de maçonnerie pour stocker la chaleur latente. Le mur de stockage est moins épais dans ce cas [184]. Nwachukwu et Okonkwo [185] ont montré qu'un revêtement hautement absorbant sur la paroi du mur avec une faible émissivité permet l’augmentation de la quantité d’énergie thermique transmise au local.

Une autre configuration proposée est le mur trombe fluidisé représenté sur la figure II.13. Le principe de fonctionnement est similaire à un mur trombe avec un remplissage de la cavité d’air par des particules hautement absorbantes. L’air chauffé est filtré par des filtres afin d’empêcher les particules de pénétrer dans le local ensuite injecté dans le local par des ventilateurs [169].

Murat Tunç et Mithat Uysal [186] ont modélisé mathématiquement et expérimentalement ce mur. Une comparaison des résultats obtenus pour le système du mur Trombe fluidisé avec ceux d'un mur Trombe classique montre que le premier présente une efficacité globale plus élevée.

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