TECHNIQUE
Dimension 46 – novembre 2017
Comment éviter la surchauffe dans les écoles et optimiser le climat intérieur ?
Pour les élèves comme les enseignants, l’arrivée de l’été peut être à l’origine de bien des soupirs. Car qui dit temps chaud et ensoleillé dit aussi augmentation de la température intérieure... Et diminution proportionnelle de la concentration. Sans oublier qu’une atmosphère intérieure médiocre peut causer maux de têtes et fatigue.
Bien souvent, les façades des écoles sont généreusement vitrées pour exploiter au maximum la lumière naturelle. Par ailleurs, les établissements scolaires sont densément peuplés. Ces deux caractéristiques entraînent une charge thermique relativement élevée, avec un risque de surchauffe qui impacte la demande de rafraîchissement à la mi-saison et en été. Lorsque les utilisateurs se plaignent d’une surchauffe, le besoin d’un système de rafraîchissement actif augmente. Voici quelques mesures d’économie d’énergie qui contribueront à éviter la surchauffe et à instaurer un climat intérieur à la fois confortable dans les bâtiments scolaires, tout en économisant l’énergie.
Un concept abouti
Éviter la surchauffe, c’est surtout empêcher le bâtiment de trop se réchauffer pendant la journée. Une bonne étanchéité à l’air d’un bâtiment bien isolé y contribuera, mais sera pas suffisante. Il sera tout aussi important de limiter l’apport thermique du soleil entrant et la production thermique interne. En effet, plus l’enveloppe du bâtiment est performante, plus les apports solaires et internes augmentent; c’est ainsi que l’effet de serre fait son apparition.
Dans ce cadre, l’orientation du bâtiment a son importance, au même titre que des choix judicieux en matière de pare-soleil, de vitrage, d’éclairage et autres dispositifs. Il ne faudra pas non plus oublier de prévoir des solutions de rafraîchissement économes en énergie pour la chaleur qui aura tout de même réussi à s’infiltrer.
Un concept mûrement réfléchi permet d’éviter bien des problèmes. Les avantages, tant pour l’environnement que pour la facture énergétique, sont évidents.
Construction compacte
Pour les bâtiments compacts, la zone de perte est minimisée, ce qui permet de contenir la chaleur qui s’échappe ou qui entre.
Orientation
Mieux vaut limiter la superficie des vitrages qui donnent sur l’est, le sud et l’ouest, sans pour autant perdre de vue l’éclairage naturel. L’orientation du vitrage, mais aussi son degré d’inclinaison, sont importants pour l’ensoleillement : plus la vitre est horizontale, plus elle laisse passer la chaleur du rayonnement solaire. C’est pourquoi mieux vaut éviter, dans la mesure du possible, les vitrages inclinés ou horizontaux.
Choix du vitrage
La facteur g, qui mesure la pénétration solaire du vitrage est important. Il indique dans quelle proportion une vitre laisse passer la chaleur solaire. Plus ce facteur est élevé, autrement dit plus le verre est clair, et plus il la laisse pénétrer, ce qui accroît le risque de surchauffe en période ensoleillée. Un vitrage pare-soleil peut être intéressant pour les baies vitrées orientées au sud, au sud-ouest ou au sud-est.
Ombre
En concevant le bâtiment, on pourra veiller à ce que les grandes surfaces vitrées soient ombragées par des bâtiments voisins ou des parties de bâtiments proches. Des structures fixes, comme par exemple des murs ou d’autres éléments faisant saille, des auvents et des corniches sont autant de moyens de réduire le rayonnement solaire, et donc l’exposition de la vitre à l’énergie solaire. Les arbres peuvent eux aussi intercepter la lumière solaire. Dans la mesure du possible, on prévoira de l’ombre pour les surfaces orientées à l’est, au sud et à l’ouest.
Pare-soleil
Manuels ou automatiques, fixes mobiles, horizontaux ou verticaux... Les systèmes sont multiples. Les pare-soleil limitent la quantité de rayonnement solaire entrant, ce qui ralentit le réchauffement de l’espace. Les modèles extérieurs sont les plus efficaces, dans la mesure où ils interceptent les rayons du soleil avant qu’ils ne traversent la vitre. Les pare-soleil intérieurs peuvent quant à eux offrir une alternative relativement peu coûteuse, mais une bonne partie de la chaleur sera déjà entrée.
En automatisant le pare-soleil, il est possible de l’utiliser de manière plus efficace. On passe alors d’un système passif à un système actif. Le pare-soleil est relié à des capteurs de lumière et de température sans fil qui réagissent à l’intensité lumineuse et aux augmentations de température, et activent ou désactivent le pare-soleil au bon moment. Un pare-soleil actif réagit lorsque c’est nécessaire, et pas uniquement à la demande de l’utilisateur.
Choix du pare-soleil
Le choix d’un pare-soleil dépend à la fois de la fonction de la pièce et de son orientation. La couleur et le matériau jouent également un rôle déterminant. Les écrans sombres filtrent davantage de rayons ultraviolets.
Dans une salle de cours (ou d’informatique), il est important d’éviter l’éblouissement quand le soleil est bas. Des écrans, des lamelles verticales ou des panneaux coulissants pourront apporter une réponse.
Dans une cantine ou une salle des professeurs donnant sur une cour de récréation, on installera de préférence un pare-soleil préservant la vue sur l’extérieur, par exemple un auvent au-dessus de la fenêtre ou un écran à dérouler, qui permettent de conserver une certaine visibilité.
Les fenêtres orientées du sud-est au sud-ouest doivent être équipées d’un pare-soleil (extérieur). Pour celles qui sont orientées du sud-est au sud, le soleil sera toujours haut en été, et il n’y aura donc aucun risque d’éblouissement. En revanche quelle que soit la saison, le soleil est bas sur l’horizon tant à l’est qu’à l’ouest. Les fenêtres qui s’ouvrent sur ces directions demandent donc un autre type de pare-soleil que celles qui donnent au sud.
Pour les orientations sud-est à sud, il se peut qu’un auvent constitue la meilleure solution. Mais en hiver, il ne suffira pas pour éviter une exposition directe au soleil; mieux vaudra alors opter pour les panneaux coulissants. Pour les fenêtres qui donnent au sud-ouest et à l’ouest, on choisira de préférence des écrans, des lamelles d’aluminium, ou encore des panneaux coulissants à écrans intégrés ou à lamelles (d’aluminium ou de bois).
Stockage de l’énergie thermique
Il existe plusieurs méthodes permettant de stocker l’énergie thermique dans un bâtiment, de manière à limiter les besoins énergétiques liés au rafraîchissement (ou au chauffage).
La masse thermique d’un matériau est sa capacité à stocker et à retenir l’énergie thermique. En été, la masse thermique absorbe la chaleur durant la journée. La température augmentera donc plus lentement dans une pièce quand la masse thermique d’un bâtiment est plus élevée. De ce fait, les pièces d’un bâtiment relativement léger dont la masse thermique est moins élevée risqueront de chauffer plus rapidement,
à condition toutefois que cette masse thermique soit disponible. Concrètement, cela signifie qu’il faut éviter de recourir à des matériaux de finition isolants et à des faux plafonds. En effet, les matériaux massifs, comme le béton et la maçonnerie pour les murs intérieurs, les plafonds et les sols, sont susceptibles d’absorber la chaleur.
Le stockage d’énergie latent est une autre forme de stockage d’énergie thermique : ici, le stockage ou la libération de l’énergie résultent d’un changement de phase du matériau. Les paraffines, entre autres, sont un matériau qui subit un changement de phase (de liquide à solide, par exemple) en emmagasinant ou en libérant de l’énergie (matériaux à changement de phase ou MCP). Intégrer des MCP dans les plafonnages, les plaques de plâtre et les matériaux d’isolation permet de stabiliser temporairement la température d’un local, car ils absorbent la chaleur quand la température commence à augmenter sensiblement pour la restituer dès qu’elle baisse suffisamment. À ce jour, les MCP sont surtout utilisés dans les bâtiments dont la masse thermique est peu importante ou difficilement accessible.
Pour garantir un bon fonctionnement des deux méthodes de stockage énergétique, il faut aussi que les structures puissent se décharger au maximum grâce à une stratégie de ventilation nocturne intensive.
Toitures
Les toits de type « cool roof » ou végétalisés permettent de réduire la surchauffe dans les pièces situées sous des structures de toit légères. Dans le premier cas, la superficie du toit est recouverte d’un matériau réfléchissant ou de couleur claire. Dans le second, des mousses et/ou des plantes sont utilisées.
Étanchéité à l’air
En pratique, la bonne étanchéité à l’air d’un bâtiment permettra de réduire les quantités d’air (chaud) indésirable entrant et sortant ainsi que les problèmes de condensation, tout en améliorant l’efficacité de la ventilation.
Techniques
Ventilation
Un système de ventilation bien installé est indispensable. Il permettra d’évacuer la chaleur excédentaire qui est entrée dans le bâtiment. Pendant la nuit, la masse thermique du bâtiment libère la chaleur qu’elle a stockée, et il est nécessaire d’ouvrir les fenêtres pour ventiler le bâtiment et rafraîchir la masse thermique. Ce principe est connu sous le nom de ventilation nocturne intensive, ou « free cooling ». Pour les écoles, il est intéressant car elles sont inoccupées en soirée. L’ouverture (automatique) des fenêtres ou des grilles de ventilation permet de créer une ventilation naturelle intensive. Ce processus, qui ne consomme pas d’énergie, dépend cependant de la direction du vent et est parfois inapplicable (par exemple pour des raisons de protection anti-intrusion ou anti-incendie, ou du fait de la qualité de l’air).
Avec les systèmes de ventilation mécanique de type D, l’alimentation et l’évacuation mécaniques de l’air permettent d’éliminer efficacement la chaleur excédentaire. La plupart des systèmes D ils incluent un récupérateur de chaleur. Il est recommander de le contourner partiellement ou totalement pour qu’en été, l’air frais puisse entrer sans se réchauffer au passage.
Production interne de chaleur
La charge thermique interne dépend des occupants et de leur activité (par exemple salle de sport), des appareils (ordinateurs) et de l’éclairage. Elle varie dans le temps, en fonction des périodes d’occupation des lieux.
La quantité de chaleur émise par l’éclairage varie selon de plusieurs facteurs : méthode de montage, circulation d’air autour de l’éclairage, type de lampe et masse de la structure. Un luminaire intégré va surtout transférer la chaleur vers la structure, tandis qu’une suspension réchauffera principalement l’air ambiant par convection. En ce qui concerne les appareils, mieux vaut estimer à l’avance en quelle quantité ils seront présents dans une pièce.
L’idéal est de recourir à des logiciels de simulation pour évaluer au préalable la consommation énergétique du bâtiment et des installations dans des conditions climatiques typiques et avec une utilisation typique du bâtiment scolaire, afin de calculer correctement la charge de rafraîchissement. La diminution de la charge thermique pour les personnes et les appareils, ainsi qu’une baisse significative de l’utilisation de l’éclairage, peuvent entraîner une forte baisse des gains thermiques internes.
Conclusion
Il est plus probable qu’une combinaison des mesures évoquées ci-dessus améliorera la probabilité d’éviter la surchauffe due au rayonnement solaire et à la production thermique interne.
Un bâtiment bien isolé et étanche à l’air équipé d’un vitrage et de pare-soleil adéquats au-dessus des fenêtres réduit considérablement le risque de surchauffe. Une bonne ventilation, ainsi que le stockage de l’énergie thermique de la structure, renforceront également l’efficacité des mesures anti-surchauffe.
Le concepteur pourra intégrer les suggestions ci-dessus à son projet, ou les mettre en application afin d’améliorer des bâtiments existants. Mais elles ne constituent pas une panacée. D’autres facteurs jouent eux aussi un rôle, notamment le comportement des utilisateurs. L’architecte ne peut qu’attirer l’attention du maître d’ouvrage quant à l’impact de son comportement sur une éventuelle surchauffe.
Par Jo Weltens
