EGC

Étude de l’Impact de l’Orientation d’un Bâtiment

Thermique du Bâtiment : Impact de l'Orientation

Étude de l'Impact de l'Orientation d'un Bâtiment sur ses Besoins Énergétiques

Contexte : L'optimisation énergétique des bâtiments.

Dans un contexte de transition énergétique et de lutte contre le changement climatique, la performance thermique des bâtiments est un enjeu majeur. L'un des leviers les plus efficaces et les moins coûteux pour réduire la consommation d'énergie d'un bâtiment est d'optimiser son orientation dès la conception. Cet exercice vise à quantifier l'impact de l'orientation des surfaces vitrées sur les apports solairesÉnergie thermique gratuite fournie par le rayonnement solaire qui pénètre à travers les fenêtres, contribuant à chauffer l'espace intérieur en hiver. et les déperditions thermiquesFlux de chaleur qui s'échappe de l'intérieur chauffé d'un bâtiment vers l'extérieur plus froid à travers l'enveloppe (murs, toit, fenêtres)., et par conséquent sur les besoins de chauffage en hiver.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à réaliser un bilan thermique simplifié pour comparer deux scénarios. Il met en lumière l'importance de la conception bioclimatique pour créer des bâtiments plus performants et plus confortables.

Objectifs Pédagogiques

  • Calculer les déperditions thermiques d'une enveloppe de bâtiment simple.
  • Quantifier les apports solaires passifs à travers les vitrages.
  • Comparer les besoins de chauffage pour différentes orientations.
  • Comprendre l'interaction entre les gains et les pertes énergétiques.

Données de l'étude

On étudie une maison individuelle de forme rectangulaire simple, située dans la région de Lyon (France). Nous allons comparer ses besoins de chauffage pour une journée type d'hiver selon deux orientations : une façade principale vitrée orientée plein Sud, puis plein Ouest.

Fiche Technique de la Maison
Caractéristique Valeur
Dimensions au sol 12 m x 8 m
Hauteur sous plafond 2.5 m
Localisation Lyon (Zone climatique H2b)
Température intérieure de consigne 20 °C
Température extérieure de base (hiver) -5 °C
Plan et Orientations de la Maison
N S E O 12 m 8 m Scénario 1 : 16 m² de vitrage au Sud Scénario 2 : 16 m² de vitrage à l'Ouest
Élément de l'Enveloppe Coefficient de Transmission (U) Surface / Caractéristiques
Murs extérieurs 0.25 W/(m².K) Surface à calculer
Toiture (plafond) 0.20 W/(m².K) 96 m²
Plancher bas (sol) 0.30 W/(m².K) 96 m²
Vitrages U_w = 1.4 W/(m².K) Surface totale = 16 m²
Facteur Solaire (g) g = 0.60 Pour tous les vitrages

Questions à traiter

  1. Calculer les déperditions thermiques totales de la maison (hors renouvellement d'air).
  2. Calculer les apports solaires moyens sur une journée d'hiver pour le Scénario 1 (vitrages au Sud).
  3. Calculer les apports solaires moyens sur une journée d'hiver pour le Scénario 2 (vitrages à l'Ouest).
  4. Déterminer le besoin de chauffage net pour chaque scénario.
  5. Comparer les deux scénarios et conclure sur l'importance de l'orientation.

Les bases de la thermique du bâtiment

Pour résoudre cet exercice, nous utiliserons deux concepts fondamentaux : les déperditions thermiques par transmission et les apports solaires.

1. Déperditions par Transmission (\(\Phi_{\text{tr}}\))
Les déperditions représentent la chaleur qui s'échappe à travers l'enveloppe du bâtiment. Elles se calculent pour chaque paroi (murs, toit, sol, fenêtres) et s'additionnent. La formule est : \[ \Phi_{\text{tr}} = U \times A \times (T_i - T_e) \] Où \(U\) est le coefficient de transmission thermique [W/(m².K)], \(A\) est la surface de la paroi [m²], \(T_i\) la température intérieure [°C] et \(T_e\) la température extérieure [°C].

2. Apports Solaires (\(\Phi_{\text{sol}}\))
Les apports solaires représentent l'énergie gratuite du soleil qui entre par les vitrages et chauffe l'intérieur. La formule est : \[ \Phi_{\text{sol}} = I_{\text{sol}} \times g \times A_{\text{vitrage}} \] Où \(I_{\text{sol}}\) est l'irradiance solaire moyenne reçue par la surface vitrée [W/m²], \(g\) est le facteur solaire du vitrage (sans unité), et \(A_{\text{vitrage}}\) est la surface du vitrage [m²].

Correction : Étude de l'Impact de l'Orientation d'un Bâtiment

Question 1 : Calculer les déperditions thermiques totales de la maison.

Principe

L'objectif est de calculer la quantité totale de chaleur perdue à travers l'enveloppe du bâtiment (murs, sol, toit, fenêtres) lorsque la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur est maximale. On additionne les pertes de chaque paroi pour obtenir le total.

Mini-Cours

La chaleur se déplace toujours du chaud vers le froid, un principe fondamental de la thermodynamique. Les déperditions thermiques quantifient ce flux de chaleur à travers l'enveloppe. Chaque matériau a une résistance thermique. Le coefficient U est l'inverse de cette résistance : plus U est faible, plus le matériau est isolant.

Remarque Pédagogique

Pensez aux déperditions comme à des fuites dans un bateau. Chaque paroi est une fuite potentielle. Sa taille dépend de la surface (A) et de l'épaisseur de la coque (l'isolation, représentée par U). Notre travail est de "colmater" ces fuites en choisissant de bons isolants.

Normes

En France, le calcul des performances thermiques est encadré par la réglementation environnementale RE2020. Cette norme ne se contente pas de limiter les déperditions (via l'indicateur Bbio), mais prend aussi en compte l'impact carbone de la construction et le confort d'été.

Formule(s)

Déperditions d'une paroi

\[ \Phi = U \times A \times \Delta T \]

Déperditions totales

\[ \Phi_{\text{total}} = \sum (U_i \times A_i) \times \Delta T \]
Hypothèses

On se place en régime stationnaire, avec les températures de base, ce qui représente le cas le plus défavorable. Le \(\Delta T\) est constant pour toutes les parois.

  • Température intérieure (\(T_i\)): 20 °C
  • Température extérieure (\(T_e\)): -5 °C
  • Le \(\Delta T\) est donc de \(20 - (-5) = 25\) °C (ou 25 K).
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
PérimètreP40m
Hauteurh2.5m
Surface Vitrée\(A_v\)16m²
Coefficients U\(U_i\)Voir énoncéW/(m².K)
Astuces

Pour vérifier l'ordre de grandeur, on peut utiliser un ratio. Pour une maison neuve performante, on vise souvent moins de 30 W de déperditions par m² habitable (pour ce \(\Delta T\)). Ici, 2285 W / 96 m² ≈ 23.8 W/m², ce qui est un résultat très cohérent.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma illustre le principe des déperditions : la chaleur (flèches rouges) s'échappe de l'intérieur chauffé vers l'extérieur froid à travers toutes les surfaces de l'enveloppe.

Flux de chaleur à travers l'enveloppe
-5°CExtérieur20°CIntérieurMur Extérieur(Coupe transversale)Flux de chaleur (Φ)Déperditions thermiques
Calcul(s)

Calcul de la surface des murs

\[ \begin{aligned} A_{\text{murs}} &= (2 \times (12+8) \times 2.5) - 16 \\ &= (40 \times 2.5) - 16 \\ &= 100 - 16 \\ &= 84 \text{ m²} \end{aligned} \]

Déperditions par les murs

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{murs}} &= 0.25 \frac{\text{W}}{\text{m²}\cdot\text{K}} \times 84 \text{ m²} \times 25 \text{ K} \\ &= 525 \text{ W} \end{aligned} \]

Déperditions par la toiture

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{toiture}} &= 0.20 \frac{\text{W}}{\text{m²}\cdot\text{K}} \times 96 \text{ m²} \times 25 \text{ K} \\ &= 480 \text{ W} \end{aligned} \]

Déperditions par le plancher

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{plancher}} &= 0.30 \frac{\text{W}}{\text{m²}\cdot\text{K}} \times 96 \text{ m²} \times 25 \text{ K} \\ &= 720 \text{ W} \end{aligned} \]

Déperditions par les vitrages

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{vitrages}} &= 1.4 \frac{\text{W}}{\text{m²}\cdot\text{K}} \times 16 \text{ m²} \times 25 \text{ K} \\ &= 560 \text{ W} \end{aligned} \]

Déperditions totales

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{total}} &= 525 + 480 + 720 + 560 \\ &= 2285 \text{ W} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Ce graphique montre la répartition des déperditions. On voit que le plancher bas est le plus grand contributeur aux pertes, suivi de près par les vitrages, qui sont le "point faible" de l'enveloppe malgré leur surface plus faible.

Réflexions

La maison perd 2285 Watts. C'est la puissance que le système de chauffage doit fournir en permanence pour maintenir 20°C à l'intérieur par -5°C, avant de prendre en compte les apports gratuits. Ce chiffre est la "carte d'identité" de la performance de l'enveloppe.

Points de vigilance

Unités : Toujours vérifier la cohérence des unités. Les coefficients U sont en W/(m².K), les surfaces en m², les températures en °C ou K.
Surfaces : Ne pas oublier de déduire la surface des menuiseries (fenêtres) de celle des murs. C'est une erreur fréquente !

Points à retenir

Pour calculer les déperditions d'un bâtiment :
1. Lister toutes les parois en contact avec l'extérieur.
2. Pour chaque paroi, trouver sa surface (A) et son coefficient de transmission (U).
3. Calculer \(\Phi = U \times A \times \Delta T\) pour chaque paroi.
4. Additionner toutes les déperditions.

Le saviez-vous ?

Le concept de "Maison Passive" (Passivhaus), originaire d'Allemagne, pousse cette logique à l'extrême. Pour être certifiée, une maison passive doit avoir des besoins de chauffage si faibles (< 15 kWh/m²/an) qu'un système de chauffage conventionnel n'est plus nécessaire. La chaleur des occupants et des appareils suffit presque !

FAQ

Voici quelques questions fréquentes sur ce calcul.

Pourquoi utilise-t-on le Kelvin (K) si les températures sont en Celsius (°C) ?

Pour un calcul de différence de température (\(\Delta T\)), un écart de 1°C est égal à un écart de 1 K. Les deux unités sont donc interchangeables dans cette formule. On utilise le Kelvin par convention scientifique.

Ce calcul inclut-il les pertes par renouvellement d'air (VMC) ?

Non. Ce bilan ne concerne que les déperditions par transmission à travers l'enveloppe. Un bilan thermique complet doit y ajouter les pertes par renouvellement d'air, qui peuvent représenter 15% à 25% des déperditions totales.

Résultat Final
Les déperditions thermiques totales de la maison sont de 2285 W.
A vous de jouer

Si la température extérieure descendait à -10°C, quelles seraient les nouvelles déperditions totales ?

Question 2 : Calculer les apports solaires (Scénario 1 : vitrages Sud).

Principe

On calcule l'énergie solaire moyenne qui entre dans la maison via les 16 m² de vitrages orientés au Sud pendant une journée d'hiver. C'est un gain d'énergie "gratuit" qui vient réduire le besoin de chauffage.

Mini-Cours

L'irradiance solaire (\(I_{\text{sol}}\)) est la puissance du rayonnement solaire reçue par unité de surface (en W/m²). Le facteur solaire (\(g\)) est une propriété du vitrage qui indique quelle proportion de cette énergie est réellement transmise à l'intérieur. Un vitrage de contrôle solaire aura un \(g\) faible, tandis qu'un vitrage conçu pour les apports passifs aura un \(g\) élevé.

Remarque Pédagogique

En hiver, le soleil est bas sur l'horizon. Une façade Sud reçoit donc les rayons de manière quasi-perpendiculaire, maximisant l'énergie captée. C'est la clé de la conception solaire passive : capter le maximum d'énergie quand on en a besoin (l'hiver).

Normes

Les caractéristiques des vitrages (facteur solaire \(g\) et coefficient \(U_w\)) sont des valeurs certifiées, mesurées selon des protocoles standardisés européens (comme la norme EN 410) pour garantir la fiabilité des données fournies par les fabricants.

Formule(s)

Formule des apports solaires

\[ \Phi_{\text{sol}} = I_{\text{sol}} \times g \times A_{\text{vitrage}} \]
Hypothèses

On utilise une valeur moyenne d'ensoleillement pour une journée type. En réalité, cette valeur varie constamment en fonction de la météo (nuages) et de l'heure.

Donnée(s)

Pour une journée d'hiver typique à Lyon, on considère une irradiance solaire moyenne sur une façade Sud.

ParamètreSymboleValeurUnité
Irradiance solaire moyenne (Sud)\(I_{\text{sud}}\)200W/m²
Facteur solaire\(g\)0.60-
Surface vitrée\(A_{\text{vitrage}}\)16m²
Astuces

Pour une estimation rapide, on peut parfois considérer qu'un vitrage performant orienté Sud apporte, en moyenne sur la saison de chauffe, autant d'énergie qu'il en perd. Notre calcul le confirmera plus tard.

Schéma (Avant les calculs)

Le soleil d'hiver, bas sur l'horizon, frappe directement la façade Sud et pénètre par les vitrages, apportant de la chaleur gratuite.

Apports Solaires sur Façade Sud
Façade SudSoleil d'hiver (bas)
Calcul(s)

Calcul des apports solaires (Sud)

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{sol, sud}} &= I_{\text{sud}} \times g \times A_{\text{vitrage}} \\ &= 200 \frac{\text{W}}{\text{m²}} \times 0.60 \times 16 \text{ m²} \\ &= 1920 \text{ W} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Ce schéma illustre le bilan énergétique pour l'orientation Sud. La flèche des apports solaires compense presque entièrement la flèche des déperditions, laissant un faible besoin de chauffage.

Bilan Énergétique (Sud)
Déperditions (2285 W)Apports Solaires (1920 W)Chauffage (365 W)
Réflexions

L'apport solaire de 1920 W est considérable. Il est du même ordre de grandeur que les déperditions totales (2285 W), ce qui suggère que par une journée d'hiver ensoleillée, le chauffage d'appoint nécessaire sera très faible.

Points de vigilance

Ne pas confondre le facteur solaire \(g\) (pour les gains) et le coefficient de transmission \(U_w\) (pour les pertes). Un bon vitrage d'hiver combine un \(U_w\) faible et un \(g\) élevé.

Points à retenir

Les apports solaires sont une source d'énergie passive majeure en hiver. Ils dépendent crucialement de l'orientation (Sud > Est/Ouest > Nord), de la surface vitrée, du facteur solaire \(g\) et de l'ensoleillement.

Le saviez-vous ?

Les thermes romains utilisaient déjà le principe des apports solaires passifs ! Ils étaient souvent dotés de grandes ouvertures vitrées (avec du verre peu transparent) orientées au Sud pour capter la chaleur du soleil et chauffer naturellement les pièces et l'eau des bains.

FAQ

Les questions les plus fréquentes sur les apports solaires.

Cette valeur de 200 W/m² est-elle réaliste ?

C'est une valeur moyenne simplifiée pour l'exercice. En réalité, l'irradiance peut dépasser 800 W/m² au zénith d'une journée claire, mais elle est nulle la nuit. 200 W/m² est un ordre de grandeur plausible pour la moyenne sur 24h d'une journée d'hiver ensoleillée.

Résultat Final
Les apports solaires moyens pour le scénario 1 (Sud) sont de 1920 W.
A vous de jouer

Si on utilisait un vitrage plus performant avec un facteur solaire g = 0.70, quels seraient les nouveaux apports solaires (en W) ?

Question 3 : Calculer les apports solaires (Scénario 2 : vitrages Ouest).

Principe

On refait le même calcul, mais pour une orientation Ouest. Cela permet de quantifier l'impact direct du changement d'orientation, toutes choses étant égales par ailleurs.

Mini-Cours

La trajectoire du soleil dans le ciel varie selon les saisons. En hiver, le soleil se lève au Sud-Est, reste bas au Sud à midi, et se couche au Sud-Ouest. Une façade Ouest ne reçoit donc que très peu de soleil direct, et seulement en fin de journée lorsque celui-ci est très bas et peu puissant.

Remarque Pédagogique

Si l'orientation Ouest est mauvaise en hiver pour les gains solaires, elle est particulièrement problématique en été car elle reçoit le soleil rasant de l'après-midi au moment le plus chaud de la journée, créant des risques importants de surchauffe. Il faut donc la protéger avec des volets, des brise-soleil ou de la végétation.

Normes

La RE2020 calcule les besoins énergétiques sur une base horaire pour toute l'année, en utilisant des fichiers météo standardisés pour chaque zone climatique. Cela permet de simuler précisément les apports solaires pour chaque orientation et chaque heure de l'année.

Formule(s)

Formule des apports solaires

\[ \Phi_{\text{sol}} = I_{\text{sol}} \times g \times A_{\text{vitrage}} \]
Hypothèses

Seule la valeur de l'irradiance change par rapport à la question précédente. Tous les autres paramètres (g, A) restent identiques.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Irradiance solaire moyenne (Ouest)\(I_{\text{ouest}}\)90W/m²
Facteur solaire\(g\)0.60-
Surface vitrée\(A_{\text{vitrage}}\)16m²
Astuces

En conception, une règle simple est de maximiser les ouvertures au Sud, de les modérer à l'Est et à l'Ouest, et de les minimiser au Nord. C'est le principe de base de la "maison bioclimatique".

Schéma (Avant les calculs)

En hiver, le soleil se couche au Sud-Ouest. Ses rayons sont rasants sur la façade Ouest, ce qui diminue fortement l'énergie reçue par m² par rapport à la façade Sud.

Incidence Solaire sur Façade Ouest (Hiver)
Façade OuestSoleil couchant (rasant)
Calcul(s)

Calcul des apports solaires (Ouest)

\[ \begin{aligned} \Phi_{\text{sol, ouest}} &= I_{\text{ouest}} \times g \times A_{\text{vitrage}} \\ &= 90 \frac{\text{W}}{\text{m²}} \times 0.60 \times 16 \text{ m²} \\ &= 864 \text{ W} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le bilan pour l'orientation Ouest montre des apports solaires bien plus faibles, laissant un besoin de chauffage beaucoup plus important à combler.

Bilan Énergétique (Ouest)
Déperditions (2285 W)Apports (864 W)Chauffage (1421 W)
Réflexions

Les apports solaires sont réduits de plus de 50% par rapport à l'orientation Sud (\(1920 \text{ W} \rightarrow 864 \text{ W}\)). Ce simple changement d'orientation annule une grande partie des bénéfices des gains solaires passifs en hiver.

Points de vigilance

Attention à ne pas appliquer les mêmes raisonnements pour l'hiver et l'été. Une orientation peut être excellente pour une saison (Sud en hiver) et problématique pour une autre (Sud en été sans protection solaire).

Points à retenir

L'orientation a un impact majeur sur la quantité d'énergie solaire reçue. En hiver en Europe, le classement est : Sud (très bon) > Est/Ouest (médiocre) > Nord (très faible).

Le saviez-vous ?

L'architecture traditionnelle des pays froids a intuitivement intégré ces principes. Les fermes alpines, par exemple, ont souvent leur façade principale avec un grand balcon en bois orientée au Sud pour capter le soleil, tandis que le mur Nord, exposé au froid, est quasi-aveugle.

FAQ

Une question fréquente sur les orientations.

Et l'orientation Est ?

En hiver, l'orientation Est est généralement un peu meilleure que l'Ouest. Elle capte le soleil du matin qui aide à réchauffer la maison après la nuit froide. Cependant, elle reste bien moins performante que l'orientation Sud.

Résultat Final
Les apports solaires moyens pour le scénario 2 (Ouest) sont de 864 W.
A vous de jouer

Si la maison était située dans l'hémisphère sud (ex: en Argentine), quelle serait la meilleure orientation pour les apports solaires en hiver ?

Question 4 : Déterminer le besoin de chauffage net pour chaque scénario.

Principe

Le besoin de chauffage "net" est la puissance que le système de chauffage doit réellement fournir. Il est égal aux pertes totales (déperditions) desquelles on soustrait les gains gratuits (apports solaires). C'est le bilan énergétique du bâtiment.

Mini-Cours

Le bilan thermique d'un bâtiment est comme un bilan comptable : Débits = Déperditions, Crédits = Apports gratuits. Si les crédits sont inférieurs aux débits, il faut un apport complémentaire : c'est le chauffage. Si les crédits sont supérieurs, il y a un risque de surchauffe.

Remarque Pédagogique

Le but ultime d'une bonne conception thermique n'est pas d'avoir zéro déperdition (c'est impossible), mais d'arriver à un équilibre où les apports gratuits compensent la majeure partie des pertes inévitables.

Normes

Dans la RE2020, ce concept est au cœur de l'indicateur Bbio (Besoin Bioclimatique). Il représente le besoin intrinsèque du bâtiment en énergie (chauffage, refroidissement, éclairage), en valorisant les apports gratuits et une bonne isolation, indépendamment du système de chauffage utilisé.

Formule(s)

Formule du besoin de chauffage

\[ \text{Besoin de Chauffage} = \Phi_{\text{total}} - \Phi_{\text{sol}} \]
Hypothèses

On suppose que 100% des apports solaires sont "utiles", c'est-à-dire qu'ils servent à compenser des déperditions. En réalité, une partie peut arriver alors que la maison est déjà à température et créer de la surchauffe, même en hiver.

Donnée(s)

On reprend les résultats des questions précédentes.

  • \(\Phi_{\text{total}} = 2285 \text{ W}\)
  • \(\Phi_{\text{sol, sud}} = 1920 \text{ W}\)
  • \(\Phi_{\text{sol, ouest}} = 864 \text{ W}\)
Astuces

Quand le besoin de chauffage est négatif, cela signifie qu'il y a un surplus d'énergie. Dans ce cas, le besoin de chauffage est nul. C'est souvent le cas en mi-saison dans les bâtiments bien conçus.

Schéma (Avant les calculs)

On peut visualiser le bilan comme une balance : d'un côté le poids des déperditions, de l'autre celui des apports. Le chauffage est le poids qu'on doit ajouter pour atteindre l'équilibre.

Balance Énergétique
PertesGains?Chauffage
Calcul(s)

Calcul du besoin net (Scénario 1 - Sud)

\[ \begin{aligned} \text{Besoin}_{\text{sud}} &= 2285 \text{ W} - 1920 \text{ W} \\ &= 365 \text{ W} \end{aligned} \]

Calcul du besoin net (Scénario 2 - Ouest)

\[ \begin{aligned} \text{Besoin}_{\text{ouest}} &= 2285 \text{ W} - 864 \text{ W} \\ &= 1421 \text{ W} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le graphique compare les trois composantes (déperditions, apports, besoin net) pour les deux scénarios. L'impact de l'orientation est visuellement évident.

Réflexions

Pour l'orientation Sud, les apports solaires compensent 84% des déperditions (\(1920 / 2285\)). Pour l'orientation Ouest, ils n'en compensent que 38% (\(864 / 2285\)). C'est cette différence qui explique l'écart colossal de besoin de chauffage.

Points de vigilance

Ce calcul ne tient pas compte des apports internes (chaleur dégagée par les occupants, l'éclairage, les appareils électroménagers) qui contribuent aussi à réduire le besoin de chauffage net. Dans une étude complète, on les ajoute aux apports solaires.

Points à retenir

Le besoin de chauffage est la différence entre les pertes et les gains. Pour le réduire, on peut soit diminuer les pertes (meilleure isolation), soit augmenter les gains (meilleure orientation, vitrages plus performants).

Le saviez-vous ?

Le premier bâtiment à avoir consciemment théorisé et utilisé les principes du bilan thermique est la "Maison Trombe-Michel" construite en 1967 à Odeillo, dans les Pyrénées. Elle utilisait un mur de béton sombre derrière un vitrage pour stocker la chaleur solaire la journée et la restituer la nuit.

FAQ

Une question fréquente sur le bilan.

Pourquoi le besoin de chauffage est une puissance (W) et non une énergie (kWh) ?

Ici, nous calculons la puissance nécessaire à un instant T dans les conditions les plus froides. C'est ce qui sert à dimensionner le système de chauffage (ex: un radiateur de 1500 W). Pour calculer la consommation annuelle (en kWh), il faudrait faire ce bilan pour chaque heure de l'année et sommer les résultats.

Résultat Final
Le besoin de chauffage net est de 365 W pour l'orientation Sud et de 1421 W pour l'orientation Ouest.
A vous de jouer

Si on ajoute 300 W d'apports internes (occupants, appareils), quel devient le besoin de chauffage net pour le scénario Sud (en W) ?

Question 5 : Comparer les deux scénarios et conclure.

Principe

C'est la synthèse finale. On compare numériquement les résultats des deux scénarios pour quantifier l'impact du choix de conception et formuler une conclusion claire sur les bonnes pratiques.

Mini-Cours

Cette démarche comparative est au cœur du métier de l'ingénieur thermicien. On ne se contente pas de calculer un état, on simule des variantes (changement d'isolant, d'orientation, de vitrage...) pour trouver le meilleur compromis technique et économique. C'est ce qu'on appelle l'Aide à la Décision.

Remarque Pédagogique

Un bon ingénieur ne se contente pas de donner un chiffre, il l'explique. Le rapport de 3.89 est plus parlant que de simples valeurs en Watts. Il transforme un calcul complexe en un message simple et percutant : "l'orientation est presque 4 fois plus performante".

Normes

La RE2020 encourage cette approche en imposant, en plus des calculs réglementaires, une Analyse de Cycle de Vie (ACV) du bâtiment. Cette analyse compare l'impact environnemental de différents choix de matériaux et de conception sur toute la durée de vie du bâtiment.

Formule(s)

Formule du rapport de performance

\[ \text{Rapport} = \frac{\text{Besoin le plus élevé}}{\text{Besoin le plus faible}} \]
Hypothèses

La comparaison est valide car un seul paramètre a été changé entre les deux scénarios : l'orientation des vitrages (et donc l'irradiance reçue). Toutes les autres données sont identiques.

Donnée(s)

On utilise les besoins de chauffage nets calculés à la question précédente.

  • \(\text{Besoin}_{\text{sud}} = 365 \text{ W}\)
  • \(\text{Besoin}_{\text{ouest}} = 1421 \text{ W}\)
Astuces

Lorsque vous présentez des résultats, utilisez des graphiques. Un simple diagramme en barres est souvent plus efficace pour montrer une différence qu'un long tableau de chiffres.

Schéma (Avant les calculs)

Ce schéma compare visuellement les besoins de chauffage des deux scénarios. La différence de hauteur des barres illustre directement l'impact de l'orientation.

Comparaison des Besoins de Chauffage
Scénario SudScénario Ouest365 W1421 W
Calcul(s)

Calcul du rapport des besoins de chauffage

\[ \begin{aligned} \text{Rapport} &= \frac{\text{Besoin}_{\text{ouest}}}{\text{Besoin}_{\text{sud}}} \\ &= \frac{1421}{365} \\ &\approx 3.89 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le graphique du bilan énergétique est la meilleure illustration de cette comparaison, montrant l'équilibre des flux pour chaque cas.

Réflexions

Le besoin de chauffage est presque 4 fois plus élevé lorsque les fenêtres sont orientées à l'Ouest par rapport à une orientation Sud. Cela démontre de manière spectaculaire l'efficacité d'une orientation Sud pour capter les apports solaires gratuits en hiver et réduire drastiquement la facture de chauffage.

Conclusion : L'orientation est un paramètre de conception primordial en thermique du bâtiment. Une orientation Sud des surfaces vitrées est une stratégie de base de la conception bioclimatique pour minimiser les besoins énergétiques en climat tempéré. Ce choix de conception, qui ne coûte rien à la construction, a un impact financier et environnemental majeur sur toute la durée de vie du bâtiment.

Points de vigilance

Attention à ne pas généraliser abusivement. Si cet exemple est très parlant, le gain réel dépend de nombreux facteurs : le climat local, les masques solaires (autres bâtiments, arbres), le type de vitrage, etc. Une simulation thermique dynamique (STD) est nécessaire pour une analyse précise.

Points à retenir

L'orientation est l'un des outils les plus puissants et les moins chers pour la performance énergétique. Un bon architecte et un bon ingénieur doivent travailler ensemble dès le début d'un projet pour optimiser l'implantation et l'orientation du bâtiment sur son terrain.

Le saviez-vous ?

Le cadastre solaire est un outil de plus en plus répandu. Il s'agit d'une cartographie, souvent disponible en ligne pour une ville ou une région, qui montre le potentiel d'ensoleillement de chaque toiture. C'est très utile pour estimer le potentiel de production d'une installation de panneaux solaires photovoltaïques ou thermiques.

FAQ

La question finale.

Alors, il ne faut jamais mettre de fenêtre à l'Ouest ?

Non, ce n'est pas si simple. Les fenêtres à l'Ouest peuvent offrir de belles vues et de la lumière en fin de journée. L'enjeu est de trouver un équilibre : on peut en prévoir, mais de taille modérée, et surtout, il est impératif de les équiper de protections solaires extérieures très efficaces (volets, brise-soleil orientables) pour gérer la surchauffe d'été.

Résultat Final
Orienter les vitrages à l'Ouest plutôt qu'au Sud multiplie les besoins de chauffage par un facteur de 3.89 dans cet exemple.
A vous de jouer

Si le besoin de chauffage annuel est de 1000 kWh pour le scénario Sud, quelle serait une estimation du besoin annuel pour le scénario Ouest (en kWh) ?

Outil Interactif : Simulateur de Performance Thermique

Utilisez cet outil pour voir comment la surface vitrée et la température extérieure influencent les besoins de chauffage pour une orientation Sud.

Paramètres d'Entrée
16 m²
-5 °C
Résultats Clés (Orientation Sud)
Déperditions Totales (W) -
Besoin de Chauffage Net (W) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. En hiver, quelle orientation est généralement la plus favorable pour maximiser les apports solaires passifs ?

2. Si on augmente le coefficient U d'un mur, ses déperditions thermiques...

3. Le "facteur solaire g" d'un vitrage représente :

4. Le besoin de chauffage net est calculé par :

5. Dans cet exercice, pourquoi l'orientation Ouest est-elle moins performante que le Sud en hiver ?

Apports Solaires
Énergie thermique gratuite fournie par le rayonnement solaire qui pénètre à travers les fenêtres, contribuant à chauffer l'espace intérieur en hiver.
Déperditions Thermiques
Flux de chaleur qui s'échappe de l'intérieur chauffé d'un bâtiment vers l'extérieur plus froid à travers l'enveloppe (murs, toit, fenêtres).
Coefficient U [W/(m².K)]
Coefficient de transmission thermique. Il mesure la quantité de chaleur qui traverse une paroi par unité de surface et par degré de différence de température. Plus U est faible, plus la paroi est isolante.
Facteur Solaire (g)
Aussi appelé SHGC (Solar Heat Gain Coefficient), c'est un nombre sans dimension entre 0 et 1 qui indique la fraction du rayonnement solaire incident qui entre dans une pièce à travers une fenêtre. Plus g est élevé, plus les apports solaires sont importants.
Conception Bioclimatique
Approche de conception architecturale qui tire le meilleur parti des conditions climatiques et de l'environnement pour améliorer l'efficacité énergétique et le confort, notamment en optimisant l'orientation, la protection solaire et la ventilation naturelle.
Thermique du Bâtiment : Impact de l'Orientation

D’autres exercices de thermique des batiments:

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *