Impact du ratio d’ouverture des murs de façade sur la performance lumineuse, thermique et énergétique d’un bâtiment. Cas des régions chaudes et arides

Abstract

Dans les bâtiments scolaires, en particulier les salles de classe, il est impératif d’assurer un confort à la fois lumineux et thermique pour promouvoir le processus éducatif. En effet, si les conditions de confort sont insatisfaisantes, cela peut réduire considérablement les performances physiques et intellectuelles des enseignants et des apprenants. La fenêtre est un élément de l’enveloppe qui joue un rôle majeur dans le transfert de chaleur entre l’extérieur et l’intérieur ; le ratio d’ouverture des fenêtres de la façade, en particulier, a un impact significatif sur la consommation énergétique du bâtiment et la qualité des ambiances intérieures. Le maintien d'un environnement intérieur confortable et sain avec un minimum de consommation d'énergie est un défi pour les architectes surtout dans les régions où prédomine un climat chaud et sec. Dans ces régions en effet, concevoir des bâtiments naturellement éclairés, thermiquement confortables tout en consommant le moins d’énergie possible relève presque du paradoxe. Or, la conception de la façade et surtout le choix approprié de la surface transparente semble être décisif pour relever un tel défi. Le problème est encore plus complexe dans les bâtiments scolaires où il est impératif d’assurer le juste équilibre entre la lumière naturelle, le confort thermique et la consommation d'énergie, ce qui est particulièrement difficile pour les climats chauds et secs. Résoudre ce problème nécessite le développement d’une approche multicritère qui intègre les données climatiques, formelles et fonctionnelles. L'objectif principal de cette étude est d'initier une telle approche qui mettre en exergue l'impact du ratio d’ouverture des fenêtres de la façade sur la performance lumineuse, thermique, et énergétique dans les salles de classe, en prenant comme cas d’étude la ville de Biskra. La méthode proposée repose sur trois approches: conceptuelle, empirique et numérique/paramétrique. L’approche conceptuelle a permis de construire les connaissances théoriques sur le sujet, et de positionner l'étude par rapport à la littérature existante. Pour sa part, l'approche empirique a été basée sur une étude in situ dans laquelle des mesures de niveaux d’éclairement et des températures intérieures ont été effectuées pendant la période la plus froide et la période la plus chaude de l'année scolaire. Le but était d'évaluer les performances lumineuses et les conditions de confort thermiques réalisées dans les salles de classe avec des ratios d'ouvertures différents. Enfin, l’approche numérique basée sur la simulation par le logiciel évolutionnaire Rhino/Grasshopper a permis d’entreprendre une étude paramétrique visant à optimiser les paramètres de conception des fenêtres des salles de classe relativement aux conditions climatiques chaudes et arides. Le processus a commencé d’abord par la II validation du modèle numérique. Ensuite, les premiers tests de simulation consistaient à analyser l'impact combiné du ratio d’ouverture des fenêtres de la salle de classe considérant quatre paramètres clés susceptibles de l’affecter à savoir : orientation, type de vitrage, dispositif d'ombrage, composant des parois. L’évaluation de la performance du modèle s’est faite en termes de niveau d’éclairement, conditions de confort thermique, et consommation énergétique annuelle. Finalement, une méthode d’optimisation a été appliquée à l'aide d'une approche paramétrique et d'un calcul multi-objectifs évolutif via le plug-in Octopus pour Grasshopper. En variant l’orientation de la salle de classe, divers rapports fenêtres/mur, types de verre et dispositifs d'ombrage ont été combinés, pour dériver des solutions potentielles qui permettraient d'obtenir un bon équilibre entre la lumière du jour et le confort thermique, tout en assurant une faible consommation d'énergie. Les résultats donnent un aperçu de l'interaction entre les différents paramètres de l'enveloppe du bâtiment dans les climats chauds et secs, ainsi que des indications pour explorer différentes combinaisons et choix possibles en vue d’optimiser la conception de la façade et choisir les caractéristiques de la surface transparente les plus appropriées pour le contexte climatique considéré. Lorsqu'ils sont intégrés à une simulation plus détaillée ou à d'autres objectifs de performance qui font généralement partie des bonnes pratiques de conception, ces paramètres peuvent être un outil utile pour réussir une conception climatique et améliorer les performances du bâtiment. Dans le cadre de la présente recherche, des solutions potentielles pour différentes orientations ont été explorées, fournissant des recommandations pour les ratios fenêtre/mur dans les bâtiments scolaires dans un climat chaud et sec. Les résultats montrent, également, comment une méthodologie d'optimisation peut être utilisée dans les premières étapes du processus de conception du bâtiment pour déterminer les paramètres architecturaux propres à l'enveloppe pouvant assurer la performance environnementale du bâtiment, à la fois en termes de confort et d’efficacité énergétique