Soutenance mémoire
L‟Habitat est un besoin vital pour l‟Homme, lui permettant de vivre en toute sérénité et dans le confort dans son milieu et son environnement. En général, l‟objectif principal de l‟Homme est de se protéger contre les effets négatifs du climat et obtenir une ambiance intérieure confortable. De ce fait, l‟orientation optimale d‟un bâtiment à usage d‟habitation tient compte des conséquences causées par le rayonnement solaire, des effets du vent et des influences directes du site de construction. Plaçons face au rayonnement solaire les chambres et salonséjour afin de capter le maximum de lumière et de chaleur provenant du Soleil .
CONTEXTE DE L’ETUDE
Cette première partie développera en quatre chapitres les généralités, la problématique de la thermique de l‟habitat, les réflexions sur le système solaire, ainsi que l‟ensoleillement et l‟orientation des maisons d‟habitation construites dans les zones tropicales. En effet, seront développés dans cette rubrique les problèmes du BEPOS , du BEPAS et du BBC , ainsi que les causes et effets qui en découlent. Ces notions seront suivies de la notion de besoins en énergétique en vue d‟obtenir le confort de l‟habitat, des relations existantes dans le système « Soleil-Terre » selon les références sur internet [105][106], ainsi que l‟ensoleillement, lequel nous permettra de déterminer l‟orientation de la construction de bâtiment en fonction de la connaissance scientifique de la trajectoire du Soleil pendant une période donnée et de l‟emplacement de l‟Observateur qui n‟est autre que le corps céleste « maison d‟habitation » édifiée dans les hauts plateaux de Madagascar . Toutefois, nous devons attirer notre attention sur les effets néfastes du rayonnement solaire, raison pour laquelle nous devons ne pas négliger l‟orientation de notre bâtiment pour gérer l‟éclairage et le réchauffement suite à l‟accumulation successive de l‟énergie, phénomène qu‟il faut maîtriser par application de l‟isolation de notre maison, contrairement à la pratique traditionnelle malagasy « orientation vers l‟ouest de la porte principale d‟entrée ou façade principale » sans se soucier des éventuels impacts négatifs qui pourraient en découler.
Ainsi, nous exposerons sur cette rubrique que c‟est le Soleil qui est notre principale source d‟énergie inépuisable méritant d‟être exploitée au maximum possible tout en bien maîtrisant les caractéristiques mécaniques et thermiques des matériaux de construction qui vont servir d‟enveloppes des maisons d‟habitation en vue de respecter la technique de confort des futurs occupants des pièces.
GENERALITES
Bâtiment passif
L’habitat passif est une notion désignant un bâtiment dont la consommation énergétique au m² est très basse, voire entièrement compensée par les apports solaires ou par les calories émises par les apports internes (matériel électrique et habitants). Un exemple de bâtiment passif est montré sur les figures I.1 et I.2, lequel est exposé au Soleil par son orientation bien étudiée. Les grands principes de la maison passive sont :
❖ Isolation thermique renforcée, fenêtres de grande qualité ;
❖ Suppression des ponts thermiques ;
❖ Excellente étanchéité à l’air ;
❖ Ventilation double flux (avec récupération de chaleur) ;
❖ Captation optimale, mais passive de l’énergie solaire et des calories du sol ;
❖ Limitation des consommations d’énergie des appareils ménagers.
L’isolation thermique est le principe de base de la maison passive. Elle doit être hautement performante et appliquée sur toute l’enveloppe extérieure du bâtiment, sans interruption ni brèche afin de limiter les ponts thermiques.
Toutes les parties opaques du bâtiment sont à isoler de façon optimale, afin de limiter au maximum les ponts thermiques (cf. Chapitre V.1.1, réf. [98]). .Les déperditions par une mauvaise étanchéité à l’air peuvent être très préjudiciables au rendement énergétique et l‟attention particulière doit être portée aux liaisons entre les éléments, aux encadrements de baies, aux pénétrations (conduits de cheminée, canalisations) et aux qualités des isolants. L‟étanchéité du bâtiment est vérifiée par un test d’infiltrométrie. Un système de ventilation à double-flux avec récupération de chaleur installée dans la maison passive permet de gérer les flux d’air et de chauffer ou rafraîchir l’air intérieur. En outre, une bonne ventilation permet de limiter le contact avec les produits toxiques générés dans l’habitat et ainsi de mieux préserver la santé. Les échanges d’air recommandés sont 0,3ACH , au-delà desquels l’air est considéré comme trop sec en hiver.
Pour valoriser le potentiel fourni par le soleil en hiver, au printemps et en automne, il est nécessaire de capter sa chaleur par les parties vitrées du bâtiment, la stocker et la restituer . Dans notre cas de maison d‟habitation édifiée dans l‟hémisphère sud du globe terrestre, ces vitrages sont dimensionnés selon l’orientation du bâtiment : 40 à 60 % de surface vitrée sur la façade nord, 10 à 15 % au sud, et moins de 20 % sur les façades est et ouest. L’énergie solaire, pénétrant via les fenêtres, est stockée à l’intérieur par des matériaux à forte inertie.
La chaleur accumulée (cf. Chapitre IX, Figure IX.4.2) dans le bâtiment doit être restituée dans la pièce par convection et rayonnement, avec un étalement dans le temps. Afin d’éviter l’inconfort occasionné par les surchauffes en été, l’ensoleillement direct des façades est à maîtriser grâce à des protections solaires constructives (auvent, pare-soleil, persienne). Ces mesures constructives peuvent être complétées par des stores et une protection végétale. Concernant l‟utilisation des appareils ménagers économes, ils aident à augmenter aussi le chauffage dans les pièces (four à gaz par exemple dans la cuisine) et peut éviter l‟intervention du système de chauffage parallèle. La cheminée est utilisée dans le cas extrême, quand ses sources d‟énergie ne sont pas suffisantes : elle n‟est qu‟une question d‟esthétique chez nous.
BEPAS
Une isolation et une ventilation performantes procurent une température homogène dans toutes les pièces ainsi qu‟un air sain, en évitant une trop grande humidité .
L‟architecture du bâtiment et son orientation au soleil sont également prises en compte, afin de bénéficier au maximum de la chaleur et de la luminosité naturelles.
BEPOS
C‟est un bâtiment qui produit plus d‟énergie (électricité, chaleur) qu’il n‟en consomme pour son fonctionnement. Cette différence de consommation est généralement considérée sur une période lissée d’un an. Si la période est très courte, on parle plutôt de bâtiment autonome. Les toits, murs, les fenêtres ou les fondations peuvent être mis à profit pour accumuler et restituer de la chaleur ou produire de l‟électricité. Le caractère excédentaire en énergie (« positif ») est permis par des principes constructifs et bioclimatiques, mais aussi par le comportement des usagers. La quantité d’énergie produite doit au moins compenser la somme des consommations énergétiques moyennes annuelles. La conception d’un habitat à énergie positive reprend généralement les grands principes de la maison passive, en y ajoutant des éléments de productions d’énergie :
❖ Isolation thermique renforcée, fenêtres de grande qualité ;
❖ Suppression des ponts thermiques et isolation par l’extérieur ;
❖ Excellente étanchéité à l‟air ;
❖ Forte limitation des déperditions thermiques par renouvellement d’air via une ventilation double flux avec récupération de chaleur sur air vicié ;
❖ Captation optimale de l‟énergie solaire de manière passive ;
❖ Protections solaires et dispositifs de rafraîchissement passifs ;
❖ Limitation des consommations d‟énergie des appareils ménagers ;
❖ Équipement en moyens de captage ou production d’énergie (capteur photovoltaïque, capteur solaire thermique, aérogénérateur, pompe à chaleur sur nappe, freecooling par plancher rayonnant, rafraîchissement adiabatique, sondes géothermiques verticales, etc.) ;
❖ Récupération et utilisation optimales des eaux pluviales ;
❖ Épuration naturelle par lagunage.
Ainsi le BEPOS est avant tout un BEPAS qui va encore plus loin dans la performance énergétique en utilisant de surcroit les énergies gratuites et renouvelables.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : CONTEXTE DE L‟ETUDE
INTRODUCTION I
CHAPITRE I : GENERALITES
CHAPITRE II : PROBLEMATIQUE DE LA THERMIQUE DE L‟HABITAT
CHAPITRE III : REFLEXIONS SUR LE SYSTEME SOLAIRE
CHAPITRE IV : ENSOLEILLEMENT ET ORIENTATION
SECTION 1 : SIMULATION DU POSITIONNEMENT DU SOLEIL
SECTION 2 : RESULTATS OBTENUS
SECTION 3 : MODELES CONCEPTUELS
SECTION 4 : TRAITEMENT DES RESULTATS OBTENUS
CONCLUSION PARTIELLE I
PARTIE II : THEORIE GENERALE DE LA THERMIQUE DE L‟HABITAT
INTRODUCTION II
CHAPITRE V : NOTIONS D‟ISOLATION ET DE PONT THERMIQUE
CHAPITRE VI : NOTIONS DE VIDE SANITAIRE ET DE COMBLE
CHAPITRE VII : NOTIONS DE CONFORT
CHAPITRE VIII : LES MODES DE TRANSFERT THERMIQUE DANS UN BATIMENT
CHAPITRE IX : COMPORTEMENT THERMIQUE DU MATERIAU ET RESULTATS
SECTION 1 : COMPORTEMENT THERMIQUE DU MATERIAU
SECTION 2 : COMPORTEMENT THERMIQUE D‟UN MUR TRICOUCHE
SECTION 3 : TECHNIQUE THEORIQUE DE FABRICATION DES BRIQUES
CONCLUSION PARTIELLE II
PARTIE III : MODELES CONCEPTUELS
INTRODUCTION III
CHAPITRE X : EQUATION DE LA CHALEUR
CHAPITRE XI : TRANSFERT DE CAHLEUR
CHAPITRE XII : TRANSFERT DE CHALEUR ET DE MASSE
RESULTATS DE LA SIMULATION
CONCLUSION PARTIELLE III
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXE-I : GLOSSAIRE SUR LE SYSTEME « SOLEIL-TERRE-LUNE »
ANNEXE II : EXPERIMENTATION AU LABORATOIRE DE MATERIAUX DE L‟IST-T
ANNEXE III : LIGNES DE PROGRAMMES « MATLAB »
ANNEXE-IV : THEOREMES DE CALCUL ET DEMONSTRATION »
TABLE DES MATIERES
