Architecture et confort thermique dans les zones arides
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1. 450 g 400 i Be 350 i 300 250 200 150 100 Temp rature c TextBecha 8 TAIRBecha Rayonnement Glob Horiz amp TOPB char 1200 1100 0 i 1000 900 9f 34 5 E 800 32 700 zf 600 O gf z 500 bas 400 ES 7 400 300 a 200 22 100 0 0 2 Bi 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Temps hr Fig 6 Evolution de la temp rature pour paroi en brique rouge en t E TextBecha TAIRbrique 40 Rayonnement Glob Horiz amp TAIRparpai 1100 38 1000 900 800 700 600 ka 500 400 300 200 100 22 0 o 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Temps hr Fig 7 Evolution de la temp rature pour types de parois en t o o pan o E 3 pos O a E o F 24 Architecture et confort thermique dans les zones arides 315 TextBecha 8 T air fen sud 40 Rayonnement Glob Horiz d Tair fen nord 1100 1000 900 800 700 600 500 o9 L E S S Q S f 400 300 200 100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Fig 8 Evolution de la temp rature en fonction de l orientation du vitrage en t 5 CONCLUSION Les r sultats de la simulation sugg rent que le confort thermique peut tre atteint par une combinaison de param tres qu il faut int grer dans la conception du b timent projet L am lioration de la performance thermique peut se faire par la suppression des paro2. aux besoins saisonniers chaleur en hiver fra cheur en t et favoriser au maximum l apport solaire passif et minimiser les d perditions Dans ce cadre nous dirons que l architecture bioclimatique doit prendre en compte les principes suivants Utiliser des mat riaux massifs pour augmenter l inertie thermique Supprimer les points faibles tels que les ponts thermiques ou les balcons qui font corps avec le reste du b timent et agissent comme ailettes de refroidissement Pr voir des vitrages isolants par exemple double vitrage qu il faut prot ger par des volets des stores et des casquettes tout en privil giant l clairage naturel des espaces Eviter les surchauffes estivales en prot geant le b timent par une v g tation appropri e Utiliser des dispositifs architecturaux de protection tels que toiture opaque casquette etc Ainsi la performance thermique du b timent peut tre am lior e par diverses m thodes de refroidissement passif ind pendamment des appareils de conditionnement d air D autre part l usage d une seule technique pour la pr vention des surchauffes en t ne peut tre efficace En fait une combinaison judicieuse des diff rentes techniques la mani re de l architecture traditionnelle peut donner des ambiances de vie favorables sans recourir aux dispositifs d appoints 3 APPLICATION CAS DE LA VILLE DE BECHAR L Alg rie maghr bine au Nord appar
3. aux vents aliz s Le rayonnement solaire direct est tr s intense et peut atteindre 800 W m sur une surface horizontale La faible humidit relative 4 20 coupl e l absence de nuages provoque de larges amplitudes de temp ratures pouvant varier de 70 C le jour 15 C la nuit en t Dans ces r gions les vents sont chauds et sont fr quemment accompagn s de tourbillons de sable et de poussi re Les pr cipitations sont rares et interviennent souvent sous forme d averses ou de pluies orageuses La temp rature du corps augmente avec l activit physique et pour qu elle reste voisine de 37 C le corps doit perdre la chaleur la m me vitesse qu elle a t produite en l changeant avec l environnement c est la thermor gulation Cet change se produit approximativement pour 1 3 par convection 1 3 par rayonnement 1 4 par sudation et le reste par ingestion de nourriture 2 Le confort thermique est estim essentiellement en fonction des param tres climatiques ext rieurs Dans les zones arides les besoins de chauffage en hiver sont faibles bien que r els mais les besoins de refroidissement en t sont beaucoup plus importants Dans cet article nous Architecture et confort thermique dans les zones arides 309 nous int ressons uniquement au confort en p riode de surchauffe car une frigorie co te beaucoup plus ch re qu une calorie Par ailleurs l investissement suppl mentaire pou
4. 3 La zone ES du Tanezrouft est la plus chaude en Alg rie La zone H3a Pr saharien d altitude comprise entre 500 et 1000 m tres est caract ris e par des hivers tr s froids la nuit par rapport au jour La zone H3b Sahara d altitude comprise entre 200 et 500 m tres les hivers y sont moins froids que ceux de la zone H3a La zone H3c Hoggar d altitude sup rieure 500 m tres avec des hivers rigoureux analogues ceux de la zone H3a mais qui persistent m me durant le jour CE umoo FE Em PT Re EEA sono EE E5 Tonegrout Fig 2 Zonage climatique en Alg rie 3 La ville de B char zone retenue dans cette tude est caract ris e par de longues p riodes de surchauffe o l inconfort est fortement ressenti L analyse de la distribution mensuelle de la temp rature et de l humidit relative de la ville de B char 1 indique que la majeure partie de l ann e se situe en dehors de la zone de confort Les b timents doivent donc tre con us selon les exigences d t celles de l hiver seront satisfaites en cons quence Il est donc plus appropri de viser la p riode de surchauffe pour d terminer les techniques de refroidissement passif qui aident r duire les temp ratures internes pour atteindre des ambiances confortables La ville appartient la zone climatique d t E3 et celle d hiver H3a avec deux saisons principales t et hiver Avec une forte insolatio
5. Revue des Energies Renouvelables Vol 11 N 2 2008 307 315 Architecture et confort thermique dans les zones arides Application au cas de la ville de B char A Mokhtari K Brahimi et R Benziada i Universit des Sciences et de la Technologie Mohamed Boudiaf B P 1505 El M Naouar Oran Centre Universitaire de B char re u le 22 Avril 2008 accept le 30 Juin 2008 R sum Cet article traite de la relation entre conception architecturale et confort climatique des usagers sans recours total ou partiel au conditionnement m canique des locaux Y sont pr sent s les principes de base de l architecture bioclimatique et de l art de construire ainsi que des donn es relatives au climat saharien avec focalisation sur la ville de B char La comparaison entre les valeurs simul es et les observations en Janvier et Juillet dans une maison individuelle de type F3 dans la zone sud ouest de B char montre que l on peut presque atteindre le niveau de confort thermique requis par un choix judicieux des mat riaux de construction de la forme du b timent de l orientation et les dimensions des ouvertures L investissement suppl mentaire n cessaire est rapidement amorti par les gains r alis s sur la facture nerg tique Abstract This paper deals with the relationship between architectural design and users thermal comfort without using air conditioning means In the paper are presented the basic principles of architect
6. ad quat La morphologie et la pente du terrain l exposition au soleil les masques de protection contre les vents dominants sont autant d l ments prendre en compte Dans l architecture traditionnelle des milieux arides le confort de l usager tait assur par une combinaison de plusieurs strat gies passives de contr le thermique qui sont le r sultat d une connaissance approfondie des conditions climatiques A nsi la r duction des temp ratures internes pouvait tre r alis e au moyen de concepts de refroidissement passifs tels que vaporation convection rayonnement nocturne ventilation absorption de l humidit en climat chaud et humide radiation vers la vo te c leste b timent enterr Un choix judicieux des mat riaux de construction participe la r duction des temp ratures de l air ambiant l int rieur des locaux Leurs effets thermiques d pendent de deux qualit s principales la r sistance thermique et la capacit calorifique Les parois et le renouvellement de l air sont les principales sources de d perditions thermiques dans une construction Il faut donc r duire les besoins en assurant une bonne tanch it l air isolation et une bonne a ration en privil giant la ventilation naturelle La conception du b timent doit mettre en uvre des principes simples bas s sur le bon sens et qui ont prouv leur efficacit dans les constructions anciennes Elle doit tre adapt e
7. asse vitesse de refroidissement des masses de b ton qui en raison de leur haute inertie thermique restituent la nuit la chaleur accumul e pendant le jour Le degr hygrom trique le rayonnement solaire qui d pend surtout de l alb do des surfaces urbaines les couleurs et la couverture v g tale influent sur l l vation de la temp rature et la r duction du taux d humidit relative Pour les zones arides le climat et l environnement doivent tre d terminant et non facultatifs dans toute tude de b timent Le mode de construire ancien adaptait l architecture aux facteurs sociaux culturels et climatiques pour pouvoir supporter des conditions de vie parfois difficiles que cela soit au sud ou au nord Le besoin de construire beaucoup vite et pas cher a entra n une rupture entre l architecture et le climat ce qui n cessite le recours abusif des syst mes m caniques de conditionnement d air nergivores pour atteindre le confort thermique requis dans les locaux Le choix du site d implantation est le premier facteur garantissant une conception architecturale thermiquement performante bien qu il n affecte ni les temp ratures ni les humidit s mais il a un effet non n gligeable sur le vent la pluie et le rayonnement solaire 310 A Mokhtari et al En effet l observation des choix effectu s depuis l antiquit en mati re de zones constructibles doit orienter le processus de recherche du terrain
8. conditions d t Juillet et d hiver Janvier ainsi que l influence de l orientation du vitrage sur l volution de la temp rature int rieure du local consid r Les r sultats sont pr sent s sur les figures 3 8 ci apr s Le local t moin choisi pour comparer les r sultats de la simulation aux relev s in situ fait partie d un programme de 200 logements individuels F2 et F3 LSP situ au sud ouest de la ville de B char proximit de la zone industrielle au bord de la route qui m ne Kenadsa La maison tudi e est de forme rectangulaire dont la longueur est de direction nord sud Le syst me constructif est un syst me poteaux poutres autostable avec un plancher en corps creux 16 4 La ma onnerie est en parpaings et les murs ext rieurs sont en doubles parois de 10 cm avec lame d air de 5 cm et des enduits de ciment de 2 cm ext rieur et int rieur De la lecture de ces graphes on d duit que i Le choix des mat riaux de construction joue un r le important dans le confort des locaux En effet l inertie d un b timent r duit et retarde l effet des conditions ext rieures d phasage et d calage et est particuli rement adapt e au climat o la diff rence de temp rature entre le jour et la nuit est importante Ceci est clairement tabli partir des r sultats obtenus pour les deux types Architecture et confort thermique dans les zones arides 313 de paroi parpaing et brique rou
9. ge qui montrent un cart de 7 C ce qui n est pas n gligeable et confirme que le parpaing est un mauvais isolant qu il faut viter dans les constructions en zones sahariennes Par contre la brique rouge est un bon isolant thermique qui ne transmet l int rieur qu une faible partie de la quantit de chaleur absorb e ii L paisseur des parois contribue au confort climatique des b timents En effet une paroi simple est moins performante qu une double paroi et en am nageant une lame d air la performance en est augment e iii Les r sultats sugg rent que la masse thermique est plus efficace lorsqu elle comporte une isolation thermique ce qui stabilise les temp ratures et en r duit les fluctuations De plus l effet d un mat riau isolant augmente avec son paisseur TextBechar TAIRBechar Ensoleillement Glob Horiz amp TOPB char z o o F Temp rature c Fig 3 Evolution de la temp rature pour paroi simple en parpaing en hiver E TextBecha 6 TAIRBecha 40 Rayonnement Glob hORIZ amp TOPB char 1200 38 1100 00 M 10 900 sl 800 Lf r EZ 700 5 F1 E 600 z 28 500 dE 400 300 200 22 100 20 0 Fig 4 Evolution de la temp rature pour paroi simple en parpaing en t 314 A Mokhtari et al Rayonnement Glob Horiz TextBecha TAIRBecha 550 24 ES TOPB char 500
10. is simples et l utilisation de mat riau de bonne isolation thermique comme la brique rouge l usage d isolants et l augmentation du d bit de ventilation pour mieux refroidir la structure en t Bien qu il y ait des principes de base chaque b timent est un cas particulier et doit tre tudi en fonction de l emploi auquel il est destin bureaux coles habitat On retiendra tout de m me que sans protection du soleil le choix de l orientation d un b timent a un faible impact nerg tique car la consommation totale chaud froid plus importante l Est et l Ouest est compens e par une consommation totale plus faible au Nord et au Sud Par ailleurs si des protections solaires sont pr vues les grands cot s Nord et Sud sont plus faciles g rer une protection architecturale fixe est tr s efficace au Sud et ne n cessite que peu d entretien I faut privil gier les ouvertures au Nord pour favoriser l clairage et la ventilation naturels On peut r aliser une construction adapt e au climat au moyen de techniques passives de contr le solaire et de refroidissement par ventilation et vaporation REFERENCES 1 R Benziada Etude du Conditionnement Climatique des Locaux dans le Contexte Saharien M moire de Magister C U B char 144 p 2006 2 S V Szokolay Environment Science Handbook the Construction Press Lancaster England 1980 3 Ouvrage Recommandations Architect
11. li s Il convient parfaitement aux analyses d taill es de tout syst me dont le comportement d pend de la variable temps Ce logiciel est devenu une r f rence pour les applications consid rant le syst me solaire thermique solaire et syst mes photovolta ques les syst mes d nergie renouvelables etc Avec son environnement graphique 11SiBat il permet de simuler le comportement dynamique d un syst me complexe tel un b timent de fa on tr s fine On rappelle que le logiciel TRNSYS a t choisi comme code de simulation dans diff rents th mes de recherches d velopp s au laboratoire thermique de b timent la Facult d architecture et de g nie civil de USTO d Oran 5 6 Le b timent simul est un mono zone de 16 m de surface habitable et de hauteur 3 m construit sur terre plein avec une fen tre en bois dans la fa ade sud de dimensions 1 2 x 1 4 m Le vitrage simple a une paisseur de 4 mm et une conductance hors r sistance superficielle de 5 8 W m et un facteur solaire K 0 85 La lame d air est de 0 044 m C W de r sistance Pour les 4 murs et le toit le coefficient d absorption int rieur et ext rieur 0 7 et les coefficients de convection int rieur et ext rieur sont 11 W m C et 64 W m C respectivement Aucun espace ne b n ficie de la ventilation transversale puisqu il n y a qu une seule ouverture Nous avons tudi l influence du type de mat riau parpaing ou brique dans les
12. n d passant les 3500 h an et un intense rayonnement solaire direct qui peut atteindre 800 W m sur un plan horizontal le climat de B char pr sente un r gime thermique tr s contrast En t la temp rature d passe facilement les 50 C l ombre et l humidit relative reste faible autour de 27 Par ailleurs en hiver la temp rature ext rieure peut descendre 5 C la nuit avec des pr cipitations rares et irr guli res En plus de ces caract ristiques d favorables on assiste pendant les demi saisons de violents vents de sables qui peuvent atteindre 100 km h De l analyse climatique de la ville de B char il appara t que la plus grande partie de l ann e pr sente des conditions de vie inconfortables un t long chaud et sec un hiver mod r par moments 4 SIMULATION ET EXPLOITATION DES RESULTATS Un b timent quel qu en soit l usage est un environnement complexe et est le si ge de multiples transferts de masse et de chaleur Sauf exception chaque b timent est un prototype unique dont les performances d pendent de ph nom nes physiques 312 A Mokhtari et al Le comportement thermique d un b timent est complexe et d pend des sollicitations auxquelles il est soumis telles que la temp rature de l air ext rieur l change radiatif avec son environnement le transfert de masse les divers flux de chaleur qui r gnent l int rieur Un b timent est compos d l ments li s e
13. ntre eux et les transferts thermiques se font simultan ment par conduction convection et rayonnement L tude d un tel syst me complexe n cessite un travail de mod lisation dont la finesse d pend du degr souhait L analyse thermique par simulation permet d analyser et d interpr ter les ph nom nes thermiques qui se d veloppent simultan ment travers l enveloppe en influant sur l ambiance int rieure et au cours desquels surviennent des v nements thermiques volution rapide r gime variable Elle permet de r unir les crit res d valuation potentiels pouvant am liorer le confort thermique De nombreux logiciels d aide la conception des b timents ont t d velopp s pour simuler le comportement thermique de ces derniers en vue d une meilleure efficacit nerg tique L utilisation de ces outils a permis des progr s importants en mati re de r duction des consommations nerg tiques pour le chauffage et ou la climatisation des b timents TRNSYS 4 est un de ces logiciels phares qui a occup et occupe encore une large place dans le paysage des outils de simulation thermique du b timent C est un programme de simulation structure modulaire permettant d inclure d autres mod les math matiques que ceux de la biblioth que standard Le menu interactif permet une utilisation facile par l usager pour la description des composants qui constituent le syst me et la fa on dont ils sont re
14. o ts des investissements nerg tiques notamment en mati re de chauffage et de climatisation R duire l impact des nergies fossiles sur l environnement Avec la rar faction des ressources d nergies fossiles et leurs co ts qui prennent l ascenseur en plus des effets n gatifs des missions qui en r sultent sur le r chauffement de la plan te on commence prendre conscience des biens faits d int grer le climat dans le mode de construire et d en faire un facteur important pour ne pas dire pr pond rant dans la recherche architecturale pour adapter les constructions aux conditions climatiques de la r gion d implantation afin d atteindre le niveau de confort thermique requis moindre consommation d nergie La figure 1 montre si besoin tait l augmentation de la temp rature dans une ville du Sud alg rien B char entre les p riodes 1965 1984 et 2001 2005 1 ce qui doit interpeller les consciences sur les risques du r chauffement de la plan te 450 1965 1984 2001 200 400 Pa A i NI Temp rature C jan Fev Mar Avr Mai Jun Jui Tenis Sep Oct Nov Dec Fig 1 Temp rature ext rieure B char pour les p riodes 1965 1984 et 2001 2005 1 Le climat chaud et sec est caract ristique des r gions subtropicales d Afrique d Asie d Australie et d Am rique dont l aridit est due
15. r une construction bioclimatique est tr s limit et peut tre rapidement amorti par les conomies r alis es jusqu 40 sur la facture nerg tique L objectif de cet article m tant pas de d tailler les propri t s des param tres d une architecture qui satisfasse les conditions de confort sans recourir de fa on inconsid r e aux syst mes m caniques de conditionnement des locaux nous nous limitons l vocation des grands principes qui doivent guider les concepteurs 2 CLIMAT SAHARIEN ET CONCEPTION ARCHITECTURALE L homme est capable de maintenir sa temp rature plus ou moins constante dans une fourchette de conditions environnementales donn es soit par des m canismes physiologiques involontaires soit avec un usage judicieux de tenue vestimentaire ou avec la variation de l activit physique Ceci ne peut pas tre suffisant sous des conditions climatiques difficiles comme c est le cas dans les zones arides du Sahara climat tr s rude Dans ce cas c est le b timent qui doit assurer la fonction de confort de l usager pour qu il puisse pratiquer ses activit s normalement Pour atteindre un tel objectif le concepteur est appel r unir les conditions favorables la majorit des personnes occupant un espace donn par une analyse bioclimatique d taill e qui lui permet d estimer le confort thermique en fonction des param tres climatiques externes et faire le choix des techniques architec
16. solidarit solidarit entre les peuples et solidarit entre les g n rations Chaque acteur de chaque secteur de la vie conomique est donc confront la responsabilit qui lui incombe dans la gestion globale des ressources et de l environnement Pour le secteur du BTP tr s nergivore avec 30 40 de la consommation d nergie totale selon les pays le concepteur doit donc continuer assurer l abri et le confort de l utilisateur mais devra de plus faire en sorte que l impact du b timent sur l environnement soit minimis am_mokhtari yahoo fr _ kbrahimi univ usto dz _ brahimiusto yahoo fr 307 308 A Mokhtari et al L essor de l architecture solaire puis bioclimatique permet la fois la th orisation et la concr tisation de cette r flexion dans la production normale du cadre b ti Cette expression vise principalement l am lioration du confort qu un espace b ti peut induire de mani re naturelle c est dire en minimisant le recours aux nergies non renouvelables les effets pervers sur le milieu naturel et les co ts d investissement et de fonctionnement L int r t du bioclimatique va donc du plaisir d habiter ou d utiliser un espace l conomie de la construction ce qui en fait un facteur fondamental de l art de construire Pour cela il faut veiller Pr server les ressources nerg tiques conventionnelles R duire les c
17. tient la zone bioclimatique m diterran enne et est expos e aux variations du front polaire masse d air froid en hiver et influence de l air saharien en t ce qui explique l aridit estivale en opposition une saison fra che relativement pluvieuse proximit de la c te automne et printemps dans les zones voisines de l Atlas saharien Le relief contribuant au trac de la carte climatique l Alg rie septentrionale r gion d altitude conna t des hivers relativement froids contrastant violemment avec des t s torrides En outre dispos parall lement la c te l Atlas Tellien interpose un cran entre la mer et les r gions int rieures et donne lieu un certain cloisonnement climatique le climat m diterran en ne caract risant que la bande littorale tandis que l influence saharienne et le souffle du sirocco se manifestent plus intens ment au sud de ce massif Plus de 85 de la surface totale de l Alg rie est caract ris e par un climat chaud et sec subdivis e en trois zones climatiques d t E3 E4 et ES et une zone climatique d hiver divis e Architecture et confort thermique dans les zones arides 311 son tour en trois sous zones H3a H3b et H3c Toutes ces r gions subissent l influence de l altitude Fig 2 La zone E3 Pr saharien et Tassili les t s y sont tr s chauds et tr s secs La zone F4 du Sahara correspondant des t s plus p nibles que ceux de E
18. turales les mieux appropri es au cas tudi L appr ciation du confort thermique d pend des personnes Cependant en jouant sur des param tres essentiels comme la temp rature les mouvements d air et l humidit un quilibre satisfaisant peut tre trouv L ajustement de ces param tres s obtient en isolant thermiquement le logement en am liorant les performances des fen tres en choisissant des syst mes de chauffage et d a ration adapt s au b timent et au mode d occupation en installant une r gulation On peut se prot ger des surchauffes l t en cr ant des courants d air en quipant les portes et les fen tres de protections solaires adapt es ventuellement en installant un climatiseur Dans les milieux arides ce ne sont pas les temp ratures moyennes journali res qui sont inconfortables mais plut t la fluctuation qui est la base de l inconfort Pour att nuer cet effet on r alise des parois de grande inertie thermique qui ont la capacit de stocker la chaleur pendant la journ e pour la restituer la nuit au moment o les usagers ouvrent leurs fen tres pour ventiler et rafra chir les espaces internes D une fa on g n rale la temp rature de lair dans la ville est toujours sup rieure celle de son environnement Cette diff rence est due d une part la chaleur g n r e par les moyens de transport le chauffage le conditionnement d air les usines et d autre part par la b
19. urales ENAG Edition Alger 4 Logiciel TRNSYS A Transient System Simulation Program Manuel d Utilisation Laboratoire d Energie Solaire Universit de Wisconsin Madison USA 1996 5 M Annabi Calcul des Besoins Energ tiques du B timent dans le Contexte Maghr bin M moire de Magister USTO MB 140 p 2005 6 H Maadan Efficacit Energ tique des Murs Rideaux dans les Constructions M moire de Magister USTO MB 131 p 2006
20. ure and the art of building together with data relating to Sahara climate with a more focus on B char city The comparison between simulated data and observed data during January and July in a F3 type house located in the southwest of B char indicates that one may almost attain the required thermal comfort level through a judicious choice of building materials building forms direction and dimensions of windows The extra investment required should be compensated by the gains on energy bills Mots cl s Confort thermique Climat Architecture bioclimatique Conditionnement d air Zones arides 1 INTRODUCTION D s la fin des ann es 60 l humanit a pris conscience de la tendance vers l puisement des ressources et la premi re conf rence internationale sur l environnement de Stockholm en 1972 en est le symbole Un an plus tard le premier choc p trolier illustrait la fragilit des syst mes d pendant des nergies fossiles Ainsi est apparue la n cessit de mettre en uvre une gestion globale de la plan te et de ses cosyst mes En 1988 PONU adopte la notion de d veloppement durable qui signifie un d veloppement social conomique et politique r pondant aux besoins pr sents sans hypoth quer ou compromettre la capacit des g n rations futures satisfaire leur propre d veloppement Cette notion fait appara tre la n cessit tout fait nouvelle dans son affirmation internationale officielle d une double
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