Mur trombe : qu’est-ce que c’est et comment ça fonctionne

Les systèmes solaires passifs sont l’ensemble des technologies et des mesures constructives utiles pour absorber, maintenir et distribuer la chaleur à l’intérieur des bâtiments pendant la période hivernale et se protéger des radiations solaires, en augmentant la ventilation, pendant la période estivale. Ces systèmes sont divisés en 3 catégories : à gain direct, indirect et mixte.

Parmi les systèmes à gain indirect les plus répandus, on trouve le mur trombe, une solution qui utilise un mur massif associé à une surface vitrée pour accumuler la chaleur solaire et la libérer progressivement à l’intérieur des espaces. Un système à gain indirect est constitué d’un élément transparent et d’un élément captant d’accumulation. L’élément d’accumulation fait partie intégrante de l’enveloppe du bâtiment et ne permet pas aux radiations solaires d’atteindre directement l’espace intérieur. L’élément captant, en revanche, intercepte les radiations solaires avant qu’elles n’atteignent l’environnement intérieur, accumulant la chaleur et la restituant lentement.

Le mur trombe est principalement utilisé pour réduire les besoins énergétiques hivernaux grâce à l’énergie gratuite du soleil. S’il est optimisé, il peut donc contribuer de manière significative à l’économie d’énergie, allant même jusqu’à la conception de maisons passives dépourvues de systèmes de chauffage.

Qu’est-ce que le mur trombe et comment fonctionne-t-il ?

Le mur trombe est un système solaire passif à gain indirect conçu pour accumuler et libérer de la chaleur en exploitant les radiations solaires, faisant partie des principaux systèmes solaires passifs utilisés dans la conception bioclimatique. Il tire son nom de l’ingénieur français Félix Trombe, qui a diffusé son application dans les années 60, mais le principe physique sur lequel il repose est beaucoup plus ancien : l’accumulation thermique dans la maçonnerie exposée au soleil.

Le système est composé de trois éléments principaux : 

• un mur massif à haute inertie thermique (béton, brique pleine, pierre, adobe) ;
• une interstice d’air ;
• une surface vitrée externe ayant pour fonction de capter le soleil et de protéger du vent.

Le mur est généralement orienté au sud (dans l’hémisphère nord) et présente une finition de surface sombre pour maximiser l’absorption des radiations solaires. L’interstice, compris entre le verre et la maçonnerie, crée un effet de serre qui élève la température de l’air et de la surface accumulatrice.

Le fonctionnement combine trois phénomènes physiques : 

• irradiation, pour l’absorption de l’énergie solaire ;
• conduction, pour la transmission de la chaleur à l’intérieur de la masse ;
• convection naturelle, pour la circulation de l’air à travers des ouvertures réglables.

L’ensemble de ces mécanismes permet au mur de se comporter comme une véritable “batterie thermique”, capable d’emmagasiner de l’énergie pendant les heures d’irradiation et de la libérer progressivement lorsque les conditions extérieures deviennent moins favorables.

Fonctionnement hivernal : accumulation et libération contrôlée de la chaleur

Pendant la saison hivernale, les radiations solaires traversent le verre et sont absorbées par le mur massif, qui se réchauffe progressivement. L’air présent dans l’interstice augmente de température, générant un mouvement convectif naturel.

Avec l’ouverture des bouches supérieures et inférieures : 

• l’air chaud monte et entre dans l’environnement intérieur ;
• l’air plus frais de l’environnement est aspiré dans l’interstice ;
• le cycle s’auto-alimente jusqu’au coucher du soleil.

Parallèlement, la chaleur accumulée dans la maçonnerie est transmise vers l’intérieur par conduction, avec un retard temporel (décalage thermique) qui peut varier de 6 à 10 heures en fonction de l’épaisseur et du matériau.

Pendant la nuit, les ouvertures sont fermées. À ce stade, le système fonctionne exclusivement par irradiation et conduction, libérant progressivement la chaleur accumulée et contribuant à stabiliser la température intérieure.

Mur trombe : fonctionnement hivernal diurne et nocturne

Fonctionnement estival : stratégies de rafraîchissement passif

Pendant la période estivale, la gestion du mur trombe change de configuration pour éviter les phénomènes de surchauffe.

De jour : 

• un système d’ombrage est activé (brise-soleil, protections mobiles ou rideaux) ;
• les ouvertures supérieures du verre sont ouvertes pour favoriser l’expulsion de l’air chaud vers l’extérieur ;
• l’apport direct de radiation à la masse murale est limité.

La nuit, en revanche, il est possible de profiter du rafraîchissement naturel : 

• les bouches de la paroi massive sont ouvertes ;
• l’air chaud intérieur est expulsé ;
• l’air plus frais de la nuit traverse l’interstice en refroidissant la masse.

De cette manière, le système peut contribuer, s’il est correctement conçu, à la ventilation naturelle et à la réduction des charges de rafraîchissement.

Mur trombe : fonctionnement estival diurne et nocturne

Comment réaliser un mur trombe : techniques de construction et matériaux

La conception correcte d’un mur trombe nécessite une évaluation attentive de l’orientation, des matériaux, de l’épaisseur, de la ventilation et des caractéristiques du verre. Il ne s’agit pas simplement d’ajouter une vitre devant un mur existant, mais d’intégrer un système passif dans le projet architectural, en tenant compte du climat, de l’usage prévu et du comportement énergétique du bâtiment.

Une conception imprécise peut générer un surchauffe estivale, des pertes nocturnes ou des performances inférieures aux attentes. Au contraire, un système bien dimensionné peut contribuer de manière significative à la réduction des besoins énergétiques en hiver.

Épaisseur, inertie thermique et matériaux

L’élément central du système est le mur à haute inertie thermique, responsable de l’accumulation et du relâchement progressif de la chaleur.

Les matériaux les plus utilisés sont : 

• béton armé ;
• brique pleine ;
• pierre naturelle ;
• adobe ou terre crue ;
• panneaux préfabriqués avec des matériaux à changement de phase (PCM).

L’épaisseur varie généralement entre 30 et 40 cm pour des solutions en béton ou en maçonnerie pleine. Des épaisseurs inférieures réduisent la capacité d’accumulation et le déphasage thermique ; des épaisseurs excessives, en revanche, peuvent retarder trop le relâchement de la chaleur, compromettant le confort du soir.

Un paramètre clé est la capacité thermique volumique du matériau : plus la densité et la chaleur spécifique sont élevées, plus l’énergie stockable sera importante.

La surface extérieure du mur, orientée vers l’interstice, est généralement traitée avec : 

• finition sombre (noir ou couleurs à haute absorptivité) ;
• revêtements sélectifs à haute absorptivité solaire et faible émissivité (dans les solutions les plus évoluées).

Verre, interstice et ouvertures réglables

La surface vitrée remplit une double fonction : 

• captation solaire, grâce à l’effet de serre ;
• protection contre le vent, réduisant les pertes par convection.

Dans les applications contemporaines, on utilise : 

• verres doubles ou triples à faible émissivité ;
• châssis à rupture de pont thermique ;
• systèmes avec verre stratifié de sécurité.

La distance entre le verre et le mur (interstice) est généralement comprise entre 5 et 15 cm.

Un interstice trop étroit limite le mouvement convectif ; un interstice trop large peut disperser la chaleur ou générer une instabilité dans le flux d’air.

Les ouvertures de ventilation sont un élément déterminant. Normalement, on prévoit : 

• deux ouvertures inférieures ;
• deux ouvertures supérieures ;
• volets ou trappes réglables manuellement ou automatiquement.

Dans des configurations avancées, le contrôle peut être confié à : 

• capteurs de température ;
• systèmes domotiques ;
• actionneurs motorisés.

Orientation et intégration dans le projet architectural

L’orientation idéale est sud ±15° dans l’hémisphère nord, pour maximiser le rayonnement hivernal.

Il est fondamental de vérifier : 

• l’absence d’ombrages permanents ;
• la hauteur solaire saisonnière ;
• l’intégration avec des systèmes de protection estivale (brise-soleil, débords, rideaux extérieurs).

Du point de vue constructif, le mur trombe est plus efficace lorsqu’il est prévu dès la phase de conception initiale. L’insertion ultérieure sur des bâtiments existants pourrait, en effet, entraîner des difficultés structurelles, des problèmes de ponts thermiques et des coûts plus élevés. Pour cette raison, le système doit être évalué dans le cadre d’une stratégie de conception bioclimatique globale, en conjonction avec l’isolation, la ventilation naturelle et la distribution des espaces.

Schéma et détail constructif du mur trombe

Du point de vue de la conception, le mur trombe est un système stratifié dans lequel chaque élément influence les performances globales. Une section type, de l’intérieur vers l’extérieur, comprend : 

• finition intérieure ;
• mur massif à haute inertie thermique (25–45 cm) ;
• surface absorbante sombre côté interstice ;
• interstice d’air (5–15 cm) ;
• vitrage extérieur avec cadre à rupture de pont thermique ;
• éventuelle protection solaire.

Le mur massif constitue le cœur du système : des matériaux comme le béton, la brique pleine ou la pierre garantissent une grande capacité thermique et un déphasage utile pour la restitution nocturne de la chaleur.

L’interstice d’air doit être dimensionné de manière équilibrée : trop réduit limite le mouvement convectif, trop large en réduit l’efficacité. Dans la pratique de conception, des valeurs comprises entre 8 et 12 cm s’avèrent souvent optimales.

Les ouvertures de ventilation – généralement deux inférieures et deux supérieures – permettent la circulation naturelle de l’air en hiver et la gestion du refroidissement estival. Il est fondamental qu’elles soient équipées de volets étanches pour éviter les déperditions nocturnes.

Du point de vue exécutif, une attention particulière doit être portée à : 

• continuité de l’isolation sur les pignons ;
• étanchéité à l’air du nœud verre–cadre ;
• contrôle de la condensation dans l’interstice ;
• intégration avec des systèmes de protection extérieure.

Mur trombe : les configurations les plus innovantes

Depuis ses premières applications, ce système a été utilisé dans de nombreux bâtiments et a subi diverses expérimentations. Ces recherches et adaptations continues ont conduit, au fil du temps, à la création de configurations modernes et avancées, conçues pour améliorer son efficacité. Parmi les configurations les plus innovantes du mur trombe, qui concernent à la fois l’utilisation d’un design innovant sur la forme du système, ainsi que l’utilisation de matériaux et de technologies de nouvelle génération, on trouve : 

• en zig zag ;
• avec des matériaux à changement de phase ;
• avec isolation en aérogel.

Mur trombe en zig zag

Le mur trombe en zig zag, développé par l’équipe du « Center for Buildings and Thermal Systems » du NREL (National Renewable Energy Laboratory), a été conçu pour atténuer certains problèmes associés aux murs trombe traditionnels, tels que l’accumulation excessive de chaleur et l’éblouissement pendant les journées d’été.

Ce type de mur est composé de trois sections : une orientée au sud et les deux autres angulées vers l’intérieur, formant une structure en V.

La section orientée au sud-est comprend une fenêtre qui fournit lumière et chaleur lors des matins froids, lorsque une source de chaleur immédiate est nécessaire. La section opposée du mur en V est un mur trombe classique, destiné à l’accumulation de chaleur à redistribuer pendant la nuit.

Le design du mur trombe en zig zag exploite le mouvement du soleil, qui se lève à l’est et se couche à l’ouest. Les fenêtres orientées au sud-est captent la lumière solaire des premières heures du matin, offrant une illumination naturelle et un chauffage. Pendant l’après-midi, en plus du mur d’accumulation orienté au sud qui collecte la chaleur tout au long de la journée, le mur exposé au sud-ouest entre en fonction, absorbant la chaleur du soleil pour l’utiliser dans le chauffage nocturne.

Mur Trombe avec matériaux à changement de phase

Le mur Trombe avec matériaux à changement de phase (PCM) représente une innovation qui emploie des matériaux tels que sels eutectiques ou sels hydratés, au lieu des matériaux traditionnels comme le béton, la brique ou l’adobe.

L’utilisation de PCM permet d’augmenter l’efficacité du mur, car ces matériaux peuvent stocker plus d’énergie dans un volume plus petit et léger par rapport aux matériaux traditionnels.

Un exemple de mur Trombe avec matériaux à changement de phase se trouve dans la SimbCity House, construite à Versailles par l’équipe des Universités d’Alcalá et de Castilla la Mancha pour le Solar Decathlon Europe 2014.

Pour maintenir une masse du mur de stockage contenue mais avec une grande inertie thermique, les concepteurs espagnols ont créé un panneau préfabriqué adaptable à la structure en bois du bâtiment. La finition intérieure du panneau inclut un mélange d’argile naturelle et d’un matériau à changement de phase, composé de microcapsules avec un noyau en cire, qui servent d’accumulateur latent de chaleur.

Mur Trombe avec isolation en aerogel

Un autre système innovant prévoit l’utilisation de matériaux translucides, comme l’aerogel, insérés entre deux plaques de verre protectrices. Ce matériau a la capacité de stocker de la chaleur jusqu’à quatre fois plus que les matériaux isolants conventionnels, tout en maintenant une grande translucidité.

L’isolation translucide constituée d’aerogel de silice s’applique directement sur l’enduit noir du mur massif.

Pour éviter la surchauffe estivale du mur, il est nécessaire d’ombrager extérieurement le matériau transparent. Cela peut être obtenu en insérant un rideau enroulable entre le verre et la couche d’isolant thermique, ou en installant un système d’ombrage externe au verre. De nombreuses études ont montré que l’incorporation d’une isolation translucide (TIM) dans un système de mur Trombe offre des économies d’énergie significatives.

Le plus grand mur Trombe avec isolation en aerogel au monde se trouve à Glasgow, en Écosse, à l’Université de Strathclyde. Ici, il y a 1040 m² d’isolation translucide appliquée aux vitrages et le mur Trombe est installé dans quatre bâtiments qui abritent un total de 376 étudiants.

Cas d’étude : mur à eau / systèmes hybrides FV-TW

Une variante moins répandue mais techniquement intéressante est le mur de Trombe à eau, dans lequel la masse murale est remplacée ou intégrée par des conteneurs remplis d’eau.

L’eau possède une capacité thermique supérieure par rapport à la plupart des matériaux de construction, permettant : 

• un stockage élevé avec des épaisseurs réduites ;
• un relâchement plus uniforme de la chaleur ;
• une plus grande rapidité de réponse thermique.

Les principales limites concernent : 

• la complexité de construction ;
• la nécessité d’une étanchéité parfaite ;
• l’intégration architecturale pas toujours simple.

Néanmoins, dans des contextes expérimentaux ou dans des bâtiments à faible consommation, cela représente une solution à haute performance.

Schéma du mur Trombe

Avantages et inconvénients d’un mur Trombe : avantages et désavantages pour une conception énergétiquement efficace

Le mur Trombe est l’un des systèmes solaires passifs les plus étudiés et expérimentés. Cependant, comme toute solution technologique, il présente des avantages significatifs mais aussi des limites de conception à évaluer attentivement.

Avantages

Parmi les principaux points forts, on peut souligner : 

• réduction des consommations énergétiques hivernales, grâce à la contribution solaire passive ;
• stabilité thermique interne, favorisée par la grande inertie de la masse murale ;
• simplicité d’installation, étant un système principalement passif ;
• durabilité dans le temps, avec un entretien limité par rapport aux systèmes mécaniques ;
• intégration cohérente dans les projets d’architecture bioclimatique.

Désavantages et critiques

À côté des bénéfices, il faut considérer certaines critiques : 

• risque de surchauffe estivale si elle n’est pas correctement ombragée ;
• dépendance des conditions climatiques et de l’irradiation effective ;
• nécessité d’une conception précise des détails constructifs ;
• efficacité limitée dans les climats chauds-humides ou dans des contextes ombragés ;
• augmentation possible des coûts si intégrée dans des bâtiments existants.

Un autre aspect souvent sous-estimé concerne la gestion par l’utilisateur : dans les configurations manuelles, l’ouverture ou la fermeture incorrecte des bouches peut réduire l’efficacité du système.

Dans une approche plus large orientée vers la maison passive et la conception écoresponsable, le mur Trombe représente l’une des stratégies les plus établies pour réduire les consommations énergétiques.

Le mur Trombe représente encore aujourd’hui une solution efficace de conception solaire passive, capable d’améliorer le confort intérieur et de réduire les consommations énergétiques s’il est correctement dimensionné et intégré dans l’enveloppe du bâtiment.

Comme toute stratégie bioclimatique, elle nécessite une analyse attentive du contexte climatique, des matériaux et du comportement saisonnier du bâtiment.

Pour évaluer de manière précise la contribution énergétique des systèmes passifs et vérifier les performances de l’enveloppe, il est fondamental de se fier à des outils de calcul dédiés.

• conception et vérification des performances énergétiques des bâtiments,
• certification énergétique APE,
• diagnostic énergétique,
• interventions de réhabilitation et d’efficacité.

FAQ – Mur Trombe

Qu’est-ce que le mur Trombe et à quoi sert-il ?

Le mur Trombe est un système solaire passif à gain indirect qui utilise un mur massif et une surface vitrée pour accumuler la chaleur solaire et la libérer progressivement à l’intérieur des bâtiments. Il est principalement utilisé pour réduire les besoins énergétiques en hiver en exploitant l’énergie gratuite du soleil.

Comment fonctionne le mur Trombe ?

Le système exploite trois phénomènes physiques : irradiation, conduction et convection naturelle. La radiation solaire traverse le verre et est absorbée par le mur massif, qui accumule de la chaleur. Celle-ci est ensuite libérée lentement vers l’intérieur, à la fois par conduction à travers le mur et par le mouvement de l’air dans l’interstice.

Quels sont les principaux éléments qui composent un mur Trombe ?

Un mur Trombe est composé de trois éléments principaux : 

• un mur massif à haute inertie thermique ;
• un interstice d’air ;
• une surface vitrée extérieure.

Ces éléments travaillent ensemble pour capter, accumuler et distribuer la chaleur à l’intérieur du bâtiment.

Comment le fonctionnement change-t-il entre l’hiver et l’été ?

En hiver, le système accumule la chaleur solaire pendant la journée et la libère progressivement pendant les heures du soir et de la nuit. En été, en revanche, il est géré pour éviter la surchauffe, en utilisant des protections solaires et en favorisant la ventilation naturelle pour expulser l’air chaud.

Quels matériaux sont utilisés pour réaliser un mur Trombe ?

Les matériaux les plus utilisés sont ceux à haute inertie thermique, comme le béton, la brique pleine, la pierre et l’adobe. Dans des solutions plus avancées, des matériaux à changement de phase (PCM) peuvent également être utilisés, capables d’augmenter la capacité d’accumulation thermique.

Quel est l’orientation idéale pour un mur Trombe ?

L’orientation optimale est vers le sud (±15°) dans l’hémisphère nord, pour maximiser l’irradiation solaire hivernale. Il est important d’éviter les ombrages permanents et d’intégrer des systèmes de protection pour la période estivale.

Quels sont les avantages du mur Trombe ?

Les principaux avantages sont : 

• réduction des consommations énergétiques pour le chauffage ;
• meilleure stabilité thermique intérieure ;
• simplicité d’installation ;
• longue durée et faible entretien ;
• intégration dans les projets d’architecture bioclimatique.

Quels sont les inconvénients ou les limites du système ?

Parmi les principales critiques, on note : 

• risque de surchauffe estivale si mal protégé ;
• dépendance aux conditions climatiques ;
• nécessité d’une conception précise ;
• moindre efficacité dans les climats chauds-humides ou en présence d’ombrages ;
• possible augmentation des coûts lors d’interventions sur des bâtiments existants.

Le mur Trombe peut-il contribuer à la conception de bâtiments passifs ?

S’il est correctement conçu et dimensionné, le mur Trombe peut contribuer de manière significative à la réduction des besoins énergétiques, jusqu’à être intégré dans des bâtiments à faible consommation ou dans des stratégies de conception bioclimatique avancée.