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L’importance de l’architecture bioclimatique dans la construction

Guide de l’architecture bioclimatique : de quoi s’agit-il et pourquoi est-elle si importante à l’ère des changements climatiques et de la construction durable

L’architecture bioclimatique est une réponse verte novatrice et consciente aux problèmes liés à l’urbanisation. À une époque marquée par des préoccupations croissantes concernant le changement climatique, la disponibilité limitée des ressources naturelles et la pollution environnementale, l’architecture bioclimatique émerge comme une ressource précieuse pour réduire l’impact négatif des activités humaines sur l’écosystème.

Elle vise non seulement à atténuer les dommages environnementaux causés par les constructions, mais aspire également à promouvoir une relation harmonieuse et régénérative entre l’homme et la nature.

Que signifie l’architecture bioclimatique ?

L’architecture bioclimatique est un type d’architecture où la durabilité est maîtresse : elle imprègne tous les aspects, de la conception à la construction des bâtiments. L’approche bioclimatique utilise comme ressources les caractéristiques morphologiques et le climat du lieu, en utilisant des matériaux locaux. Pour son bon fonctionnement, elle exploite les sources d’énergie renouvelables (rayonnement solaire, vent, flore, cours d’eau, etc.).

On peut dire ainsi que l’architecture bioclimatique repose sur une approche écologiquement correcte envers l’écosystème anthropique-environnemental, cherchant à intégrer les activités humaines aux phénomènes naturels pour améliorer la qualité de vie.

Les 3 principes les plus importants sur lesquels repose l’architecture bioclimatique sont : 

  • la qualité de vie ;
  • les économies d’énergie ;
  • la durabilité environnementale.

Architecture bioclimatique : quelques exemples

En Italie et dans le monde, il existe de nombreux exemples d’ architecture bioclimatique qui démontrent l’efficacité de cette approche. Voici quelques exemples : 

  • la maison sur la cascade de Frank Lloyd Wright ;
  • la California Academy of Sciences à San Francisco ;
  • le the Edge à Amsterdam
  • l’Energy Box (L’Aquila) ;
  • le château de la Zisa à Palerme ;
  • le toit-jardin de Le Corbusier ;
  • les façades vertes.

Architecture bioclimatique : projets dans le monde

La Maison sur la cascade de Frank Lloyd Wright est considérée comme l’un des premiers exemples de bioarchitecture, caractérisée par une structure organique qui s’intègre harmonieusement avec le paysage environnant. D’autres exemples comprennent : la California Academy of Sciences à San Francisco, caractérisée par un toit entièrement recouvert de végétation favorisant l’économie d’eau et d’énergie, et The Edge à Amsterdam, reconnu comme le bureau le plus durable au monde pour ses solutions innovantes en matière d’économie d’énergie et de production d’énergie renouvelable.

Pour donner d’autres exemples d’architecture bioclimatique, on peut citer le toit-jardin de Le Corbusier et les façades vertes.

Le concept de toit-jardin a été introduit par Le Corbusier, célèbre architecte moderne, comme élément intégrant de ses œuvres. Cet élément architectural consiste à ajouter une couche de végétation sur le toit des bâtiments, créant ainsi une extension verte au-dessus de la structure. Le Corbusier a adopté le toit-jardin pour plusieurs raisons. Tout d’abord, il favorise l’intégration du bâtiment avec le paysage environnant, réduisant l’impact visuel de l’architecture sur l’environnement naturel. De plus, il fournit une isolation thermique et acoustique au bâtiment, contribuant à maintenir une température confortable à l’intérieur et à atténuer les bruits extérieurs.

D’un point de vue environnemental, les toits verts absorbent une partie de l’eau de pluie, réduisant le risque d’inondations et aidant à atténuer l’imperméabilisation des sols urbains. De plus, ils contribuent à réduire l’effet d’îlot de chaleur urbain et améliorent la qualité de l’air grâce au processus de photosynthèse des plantes.

L’un des projets les plus célèbres de Le Corbusier qui comporte un toit-jardin est la Villa Savoye, l’une de ses œuvres emblématiques achevée en 1931 à Poissy, en France. Aujourd’hui, grâce aux logiciels de conception de bâtiments, il est possible de recréer la Villa et d’autres bâtiments écologiques en quelques étapes simples.

Architecture bioclimatique : projets en Italie

En ce qui concerne l’Italie, on peut citer l’Energy Box (L’Aquila) : un bâtiment qui se distingue non seulement par ses normes écologiques et durables élevées, mais aussi par sa nature humanitaire, surtout dans des contextes de grand besoin. Il a été conçu comme un symbole de la renaissance de la région après le terrible tremblement de terre qui a frappé la zone. Le projet a été conçu par Pierluigi Bonomo, jeune ingénieur local spécialisé dans la sécurité sismique et l’efficacité énergétique, avec une attention particulière à l’intégration de sources d’énergie renouvelables dans l’architecture.

Ensuite, le château de la Zisa à Palerme représente un exemple remarquable d’architecture bioclimatique low tech, qui utilise des principes thermo techniques naturels pour assurer le rafraîchissement et la ventilation du bâtiment, incarné il y a plus de 1000 ans.

Et puis, on ne peut pas oublier les façades vertes qui améliorent l’efficacité énergétique des bâtiments et contribuent à la durabilité environnementale. Non seulement ce sont des solutions esthétiquement belles, mais elles offrent également une série d’avantages et de bénéfices:

  • isolation thermique : les plantes sur la façade agissent comme un isolant naturel, réduisant les pertes de chaleur en hiver et les gains de chaleur en été. Cela aide à maintenir une température interne plus stable et confortable sans dépendre excessivement de systèmes de chauffage ou de refroidissement mécaniques;
  • réduction de l’effet d’îlot de chaleur urbain : les façades vertes absorbent une partie de la chaleur solaire et de l’énergie thermique de l’environnement environnant, contribuant à réduire l’effet d’îlot de chaleur urbain dans les zones urbaines densément peuplées. Ce phénomène est particulièrement pertinent pendant les périodes estivales et peut aider à atténuer les effets des vagues de chaleur;
  • amélioration de la qualité de l’air : les plantes absorbent le dioxyde de carbone et d’autres polluants atmosphériques, contribuant à améliorer la qualité de l’air environnant. Ceci est particulièrement important dans les zones urbaines, où la pollution de l’air peut être significative et avoir de graves conséquences sur la santé humaine;
  • gestion des eaux de pluie : les façades vertes peuvent absorber une partie de l’eau de pluie, réduisant le risque d’inondations et aidant à gérer l’écoulement des eaux de surface. Cela est important pour réduire la charge sur les systèmes de drainage urbain et prévenir les inondations des routes et des zones urbaines;
  • réduction de l’impact environnemental : les façades vertes contribuent à la biodiversité urbaine en fournissant un habitat pour les insectes, les oiseaux et d’autres formes de vie sauvage. De plus, elles réduisent l’impact environnemental des bâtiments en réduisant les consommations énergétiques et en absorbant le dioxyde de carbone de l’atmosphère.
Architecture bioclimatique - projet Edificius

Architecture bioclimatique – projet Edificius

L’architecture bioclimatique et le design durable

Le concept de conception bioclimatique est né avec Victor Olgyay, en particulier avec Design with climate (1962), un livre qui a jeté les bases théoriques et techniques d’une méthodologie de conception basée sur la relation entre bâtiment et climat. Elle vient de : 

  • «bios» : vie ;
  • «klima» : littéralement « inclinaison de la terre de l’équateur aux pôles » et dans le sens actuel, cela signifie «l’ensemble des conditions météorologiques d’une zone donnée».

Concevoir selon les principes bioclimatiques signifie créer des bâtiments durables et confortables, orientés vers l’auto-suffisance énergétique. Cette discipline, faisant partie de la construction biologique, considère l’ensemble de la structure comme un organisme unique, intégrant les conditions climatiques et les besoins humains. L’objectif est de créer des bâtiments durables à court et à long terme, capables de s’adapter même aux climats les plus extrêmes. Les caractéristiques principales incluent l’étude et l’utilisation des conditions climatiques locales, la recherche de l’efficacité énergétique optimale et la promotion d’environnements sains.

La conception orientée vers l’économie d’énergie et la durabilité doit être une conception attentive aux conditions environnantes et capable de « exploiter » les ressources offertes par l’environnement. Une conception attentive à la réduction des consommations énergétiques et au confort résidentiel, capable d’utiliser les ressources naturelles locales et le climat, repose généralement sur une approche bioclimatique, visant à contrôler simultanément trois niveaux : climatique-environnemental, typologique et technique-constructif.

La connaissance du comportement des structures et des installations dans différentes conditions climatiques et de rayonnement solaire, en particulier des quantités d’énergie réellement incidentes sur le système, ainsi que des conditions météorologiques effectives dans lesquelles le dispositif opère, devient donc fondamentale.

Une conception efficace du point de vue énergétique devrait inclure les étapes suivantes:

  1. analyse du climat et évaluation des effets, mettant en évidence l’importance des différents éléments climatiques et des éventuelles critiques ;
  2. identification des solutions techniques applicables ;
  3. combinaison de ces solutions avec la définition conceptuelle de l’installation.
Bâtiments durables architecture bioclimatique

Bâtiments durables architecture bioclimatique

La définition du climat et des paramètres météorologiques

Les éléments caractérisant la météo et le climat sont les mêmes, mais tandis que la météo représente une combinaison locale et momentanée des facteurs météorologiques, le climat correspond à l’ensemble des types de temps atmosphérique qui se succèdent habituellement au cours de l’année dans une région donnée.

Pour déterminer le climat d’une région ou d’un lieu, il est en effet nécessaire de disposer d’observations météorologiques prolongées sur une longue période. À partir de cette longue série de données, il est possible d’obtenir la série de conditions météorologiques qui se produisent le plus souvent au cours des différentes périodes de l’année, fournissant ainsi le climat de cette région ou de ce lieu.

Les informations sur le climat peuvent être évaluées aux trois niveaux différents, en utilisant l’extension de la zone considérée comme échelle climatique. Par conséquent, on parle de

  • macroclimat ;
  • méso climat ;
  • climat local ;
  • microclimat.

En général, on définit le macroclimat comme le climat correspondant à de vastes régions (par exemple, le macroclimat pour le bassin méditerranéen, etc.), en se référant aux valeurs moyennes des paramètres géographiques et météorologiques qui leur correspondent. Une plus grande précision est possible en analysant des régions moins étendues, caractérisées donc par leur propre méso climat (par exemple, le méso climat caractérisant les zones côtières et montagneuses).

En descendant encore plus dans le détail, on parle de climat local et de microclimat : par exemple, la déforestation, l’urbanisation, le bétonnage du territoire ont un impact local non négligeable.

Les facteurs qui influent sur le climat

Les principaux facteurs de l’établissement d’un climat donné dans une région terrestre relèvent de l’astronomie et de la géographie. Ils sont également influencés par l’atmosphère terrestre avec les phénomènes qu’elle génère tels que les vents, les nuages, la diffusion du rayonnement, etc.

Les facteurs astronomiques sont responsables de l’angle d’incidence différent du rayonnement solaire en différents endroits et à différentes périodes de l’année. Les mouvements terrestres combinés à la forme elliptique de l’orbite, l’inclinaison de l’axe et la forme sphérique de la planète ont pour conséquence une distribution différente de l’énergie solaire à la surface de la Terre, déterminant ainsi le changement de saisons, la variation de la durée du jour et de la nuit au fil de l’année.

La quantité d’énergie solaire incidente en un lieu donné dépend du moment de l’année et de la latitude.

La latitude est le paramètre fondamental qui décrit la disponibilité du rayonnement solaire, mais elle n’est pas suffisante pour caractériser le climat d’un site. Les facteurs géographiques locaux tels que la présence de masses d’eau, la présence de systèmes montagneux et leur orientation, l’exposition topographique du site (protection plus ou moins grande contre les vents ou les courants marins), la nature du terrain, etc., ont une influence considérable.

Ainsi, pour définir le climat d’un lieu, il faut prendre en compte les paramètres physiques qui permettent de déterminer les conditions atmosphériques à cet endroit. Les principaux paramètres utilisés sont la température et l’humidité relative de l’air, le niveau des précipitations, la vitesse et la direction du vent, l’intensité du rayonnement solaire. En raison de la variabilité des conditions météorologiques pour les différentes grandeurs, on utilise des valeurs moyennes sur une longue période afin d’obtenir une description statistiquement significative, c’est-à-dire effectivement représentative des conditions environnementales. La période de référence doit être suffisamment longue, de l’ordre de 20 à 30 ans.

Rayonnement solaire

La source primaire d’énergie pour la Terre est le rayonnement solaire qui atteint sa surface à la fois directement depuis le soleil et après avoir été diffusé par les particules (poussières, molécules gazeuses, aérosols) présentes dans l’atmosphère. On parle donc de rayonnement direct et de rayonnement diffus.

La composante directe arrive dans une direction bien définie, tandis que la composante diffusée est omnidirectionnelle. La somme des radiations directe et diffusée est indiquée comme rayonnement global.

Le rayonnement incident est exprimé en termes de puissance incidente par unité de surface (W/m²), ou d’énergie incidente par unité de surface dans un certain intervalle de temps (J/m² ou Wh/m²).

Il faut également rappeler que l’intensité du rayonnement dépend de l’angle d’incidence selon la loi du cosinus, c’est-à-dire que le rayonnement est plus important si la surface sur laquelle il tombe est perpendiculaire à la direction des rayons solaires. En général, les stations météorologiques mesurent l’intensité sur une surface horizontale.

Par conséquent, l’intensité du rayonnement dépend principalement de la latitude du lieu considéré : les intensités élevées sont présentes autour de l’équateur dans la bande comprise entre les tropiques où le soleil reste toujours proche du zénith. Avec l’augmentation de la latitude, l’intensité du rayonnement sera plus faible.

Le rayonnement en dehors de l’atmosphère ne varie pas dans le temps et vaut approximativement 1353 W/m² (constante solaire). Les valeurs de rayonnement à la surface de la Terre, en revanche, sont sensiblement plus faibles en raison de l’absorption et de la réflexion du rayonnement par l’atmosphère et, en particulier, plus le parcours des rayons solaires à travers l’atmosphère est long, plus l’intensité du rayonnement global qui atteint le sol est faible. La longueur de ce parcours varie en fonction de l’inclinaison des rayons, c’est-à-dire en fonction de la latitude, de la saison, de l’heure de la journée.

L’intensité du rayonnement dépend également de la turbidité de l’atmosphère, c’est-à-dire du contenu en vapeur d’eau, poussières, particules et gaz polluants qui composent l’atmosphère locale.

Température de l’air

La température est une grandeur fondamentale dans la définition de l’état thermodynamique de l’air atmosphérique.

Elle varie fortement dans l’espace et dans le temps. Dans un site donné, les variations caractéristiques de la température à l’échelle journalière et annuelle sont le résultat des variations des conditions d’insolation, bien qu’il y ait une dépendance directe avec la présence de vent et de pluie.

L’amplitude de la variation quotidienne de la température dépend des conditions de couverture du ciel. Par temps clair, la grande quantité de rayonnement disponible produit une variation quotidienne de la température considérable, tandis que par temps couvert, la variation est moindre.

Le maximum de température se produit généralement vers 14-15 heures, avec un retard par rapport au maximum d’insolation. En effet, l’air ne se réchauffe pas directement sous l’action du rayonnement, mais est réchauffé par échange convectif par le sol et les autres surfaces exposées au soleil.

Le minimum de température se produit plutôt pendant les dernières heures de la nuit et les premières heures du matin, après que la surface terrestre a atteint ses températures minimales en raison de son refroidissement par rayonnement vers le ciel et que les rayons solaires n’ont pas encore commencé à la réchauffer.

À l’échelle annuelle, la température présente un maximum environ 30 à 40 jours après la période de plus grande insolation correspondant au solstice d’été et un minimum environ 30 jours après le solstice d’hiver, en raison de l’inertie thermique du système, de sorte que l’air change de température après que la surface terrestre l’a changée. Par conséquent, la période la plus chaude de l’année est celle entre juillet et août tandis que les températures les plus basses sont atteintes en janvier.

La température varie également avec l’altitude, généralement avec une diminution d’environ 0,5 à 0,8 °C pour chaque augmentation de 100 mètres d’altitude. La description thermique d’un site est effectuée en utilisant des valeurs moyennes dans le temps afin de neutraliser les événements exceptionnels non représentatifs du climat local. On définit la température moyenne quotidienne, la température moyenne mensuelle, la température maximale et minimale quotidienne, la température maximale et minimale annuelle, selon l’intervalle de temps sur lequel les données sont moyennées.

La différence entre la température maximale et minimale enregistrées sur une certaine période est appelée amplitude thermique et, dans ce cas également, il est nécessaire de se référer à des valeurs moyennes.

Humidité relative

Lorsque l’on parle d’humidité atmosphérique, on fait référence à la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’air atmosphérique, résultant de l’évaporation des surfaces principalement des mers et des océans. Toutes les autres surfaces humides, la végétation et les plans d’eau plus petits tels que les lacs et les rivières, contribuent également à cela. La vapeur est ensuite distribuée à la surface de la Terre par les vents.

Une masse d’air ne peut pas contenir une quantité illimitée de vapeur d’eau, mais il existe une concentration limite fonction de la température et directement proportionnelle. Au-delà de cette concentration, appelée saturation, la vapeur commence à se condenser. Souvent, cette concentration limite est exprimée en termes de pression partielle de vapeur dans le mélange et on définit la pression partielle de saturation. Le contenu en humidité dans l’atmosphère est principalement exprimé comme suit : 

  • humidité absolue, définie comme le rapport entre la masse de vapeur contenue dans une masse d’air humide donnée et le volume occupé par cette masse d’air ; son unité de mesure est (g/m³) ;
  • humidité relative, c’est-à-dire le rapport en pourcentage entre la quantité de vapeur réellement présente dans l’air par rapport à la quantité maximale qui pourrait être présente, dans les mêmes conditions de pression atmosphérique et de température de l’air. Lorsque l’air contient la quantité maximale de vapeur, on dit qu’il est saturé et son humidité relative est de 100%.

D’un point de vue pratique, le paramètre le plus facilement mesurable est l’humidité relative et il est le plus utilisé pour indiquer le contenu de vapeur d’eau dans l’atmosphère.

Lorsque la température de l’air diminue, sa capacité à contenir de la vapeur diminue, tandis que son humidité relative augmente. La température à laquelle les conditions de saturation sont atteintes est appelée point ou température de rosée.

Nuages

Le couvert nuageux d’un site donné a des répercussions sensibles sur la quantité et la qualité du rayonnement thermique et lumineux du Soleil et du ciel. La présence de nuages peut être déduite de l’indice d’ensoleillement relatif, c’est-à-dire du rapport entre les heures d’ensoleillement et la durée du jour. Les heures d’ensoleillement sont indiquées par l’intervalle de temps dans la journée où le rayonnement solaire atteint une certaine valeur (généralement égale à 200 W/m²) qui peut être enregistrée par un instrument spécifique appelé héliographe. L’utilisation de l’indice d’ensoleillement relatif suppose cependant que la couverture nuageuse soit uniformément répartie tout au long de la journée et même tout au long du mois, car cet indice est généralement fourni comme une valeur moyenne mensuelle.

Précipitations

L’ampleur des précipitations, avec la température de l’air et l’intensité du rayonnement, constitue l’une des grandeurs fondamentales pour la météorologie. La quantité de précipitations sous différentes formes (pluie, neige, grêle) est exprimée en millimètres d’eau par unité de temps (heure, jour, année) ; 1 millimètre équivaut à un litre d’eau par m².

Outre les précipitations mensuelles ou annuelles globales, l’intensité des précipitations est également importante, c’est-à-dire la quantité d’eau tombée dans l’unité de temps (mm/h).

Vent

Par vent, on entend des déplacements de masses d’air causés par des différences de pression atmosphérique résultant d’un chauffage différent de la surface terrestre (gradient barométrique). Les paramètres qui caractérisent le régime des vents d’un site donné sont essentiellement deux : le module de la vitesse et sa direction. La direction est identifiée en se référant aux points cardinaux et peut être exprimée en degrés (entre 0° et 360°, avec 0° correspondant au Nord) ou en secteurs, généralement 8 ou 16 (rose des vents).

Pour des applications particulières, on peut également se référer à une vitesse moyenne du vent indépendamment de la direction. Il convient de noter que la vitesse du vent, tant en ce qui concerne le module que la direction, est très variable dans le temps. Il est donc toujours préférable de se référer à des valeurs moyennes sur des intervalles de temps appropriés.

Pour indiquer l’intensité du vent, on peut également se référer à l’échelle de Beaufort, mise au point en 1805 pour la mesure empirique de la vitesse du vent par l’amiral Beaufort et adoptée en 1874 par le Comité météorologique mondial.

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