ANNEXES : LES SOLUTIONS BIOCLIMATIQUES - BHEE

ANNEXES : LES SOLUTIONS 

BIOCLIMATIQUES 

Annexes 

Ces solutions climatiques découlent des stratégies bioclimatiques présentées dans 

l’introduction. Celles retenues sont utilisées dans les applications de la méthode 

MEXPER développée dans le corps de thèse permettant de déterminer les priorités de 

rénovation d’un bâtiment existant. 

L’objet de cette annexe est de décrire les points essentiels du fonctionnement de ces 

solutions techniques puis de détailler la modélisation numérique du composant 

correspondant dans TRNSYS. Pour chacune des solutions, les possibilités 

d’intégration sur un bâtiment existant sont également étudiées. Toutes les 

recommandations pourront être exploitées par la suite : le descriptif détaillé des 

solutions, permettra à l’homme d’études d’étoffer son panel de choix. 

Certaines préconisations telles que la cheminée solaire, les isolants sous vide ou 

encore la tour à vent sont présentées dans l’objectif de servir de base de travail pour 

l’amélioration de l’outil. 

Thèse de doctorat - C. FLORY-CELINI 211 

Université Claude Bernard

Sommaire 

Annexes 

NOMENCLATURE DE L’ANNEXE……………………………………………………………………………..215 

A1. LA FENETRE.................................................................................................................................................... 219 

A1.1. Introduction ....................................................................................................................................... 219 

A1.2. Le vitrage............................................................................................................................................ 220 

A1.2.1. Transferts de chaleur à travers un vitrage ....................................................................... 220 

A1.2.2. Propriétés d’un vitrage ....................................................................................................... 221 

A1.2.3. Les différents types de vitrage........................................................................................... 222 

A1.2.4. Choix des vitrages en fonction de l’orientation............................................................... 229 

A1.2.5. Conclusions : Influence du choix du vitrage sur les économies d’énergie .................. 229 

A1.3. L’intercalaire ...................................................................................................................................... 230 

A1.4. Le cadre............................................................................................................................................... 231 

A1.5. Bilan thermique de la fenêtre et modélisation dans TRNSYS ..................................................... 233 

A1.6. La fenêtre et la lumière ..................................................................................................................... 236 

A1.7. La fenêtre et la rénovation................................................................................................................ 236 

A1.8. Conclusions sur la fenêtre ................................................................................................................ 237 

A2. LA SERRE......................................................................................................................................................... 239 


A2.2. Utilisation de la serre ........................................................................................................................ 240 

A2.3. Échanges thermiques dans la serre................................................................................................. 241 

A2.4. Fonctionnement d’une serre ............................................................................................................ 244 

A2.4.1. Variations journalières........................................................................................................ 244 

A2.4.2. Variations saisonnières ....................................................................................................... 244 

A2.4.3. La ventilation de la serre .................................................................................................... 245 

A2.4.4. L’inertie de la serre.............................................................................................................. 247 

A2.4.5. Angle d’inclinaison de la serre .......................................................................................... 247 

A2.4.6. La protection de la serre ..................................................................................................... 248 

A2.5. Les différents types de serres........................................................................................................... 250 

A2.6. La serre et la rénovation ................................................................................................................... 251 

A2.7. Conclusions ........................................................................................................................................ 253 

A3. LES MURS CAPTEUR ACCUMULATEUR............................................................................................... 255 


A3.2. Utilisation du mur capteur -accumulateur .................................................................................... 256 



Annexes 

A3.3. Echanges thermiques dans le mur capteur - accumulateur......................................................... 257 

A3.3.1. Le mur capteur..................................................................................................................... 258 

A3.3.2. Le mur Trombe-Michel....................................................................................................... 259 

A3.4. Conception et dimensionnement du mur capteur accumulateur (Courgey et al, 2006).......... 261 

A3.5. La modélisation du mur stockeur dans TRNSYS (Trnsys, 2004) ................................................ 263 

A3.6. Le mur capteur - accumulateur et la rénovation........................................................................... 265 

A3.7. Conclusions ........................................................................................................................................ 267 

A4. MATERIAUX D’ISOLATION TRANSPARENTS ................................................................................... 269 

A4.1. Les différents types de matériaux d’isolation transparents......................................................... 270 

A4.1.1. Aérogel / Xérogels .............................................................................................................. 270 

A4.1.2. Matériaux à isolation transparente capillaires................................................................. 271 

A4.2. L’intégration des matériaux transparents dans le cadre d’une rénovation............................... 273 

A4.2.1. Application des TIM dans les systèmes de fenêtres ....................................................... 273 

A4.2.2. Application des TIM aux murs d’un édifice .................................................................... 273 

A4.2.3. Système de couverture de toit en nid d’abeille ............................................................... 274 

A4.3. Modélisation des matériaux d’isolation transparents sous TRNSYS ......................................... 274 

A4.4. Conclusions sur l’isolation transparente........................................................................................ 275 

A5. LES PROTECTIONS SOLAIRES................................................................................................................. 277 


A5.2. Orientation et géométrie des ouvertures ....................................................................................... 277 

A5.3. Les dispositifs de protection solaire................................................................................................ 278 

A5.4. Typologies des protections solaires ................................................................................................ 280 

A5.4.1. Protections intérieures ........................................................................................................ 280 

A5.4.2. Protections extérieures........................................................................................................ 281 

A5.4.3. Les protections fixes ............................................................................................................ 282 

A5.4.4. Les protections mobiles ...................................................................................................... 283 

A5.4.5. Combinaison de protections solaires ................................................................................ 285 

A5.4.6. Conclusion sur la typologie des protections solaires...................................................... 285 

A5.5. Conception des dispositifs de protection solaire .......................................................................... 287 

A5.5.1. Technique géométrique donnant la surface d’un surplomb ......................................... 287 

A5.5.2. Méthode simplifiée déterminant l’ombre portée par un « flanc » ................................ 288 

A5.5.3. Les outils informatiques et graphiques ............................................................................ 288 

A5.5.4. Ombres portées par des bâtiments voisins ...................................................................... 290 

A5.6. Modélisation des protections solaires sous TRNSYS ................................................................... 290 

A5.6.1. Modélisation du store extérieur dans TRNBuild ............................................................ 290 

A5.6.2. Modélisation du surplomb dans TRNSYS ....................................................................... 291 

A5.7. Contrôle solaire et rénovation ......................................................................................................... 292 

A5.8. Conclusions sur le contrôle solaire ................................................................................................. 293 

A6. LES MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE.................................................................................. 295 


A6.2. Principe de fonctionnement............................................................................................................. 296 

A6.3. Choix du MCP ................................................................................................................................... 297 

A6.4. Conditionnement du MCP............................................................................................................... 298 

A6.5. Descriptif du MCP retenu dans cette étude................................................................................... 298 

A6.6. MCP et confort thermique................................................................................................................ 299 

A6.7. Applications particulières : Couplage de MCP à d’autres dispositifs bioclimatiques............. 300 

A6.7.1. Chauffage des serres avec stockage d’énergie à MCP.................................................... 300 

A6.7.2. Façade couplant effet de serre et MCP ............................................................................. 300 

A6.7.3. Fenêtres à MCP .................................................................................................................... 300 

A6.8. Modélisation des MCP...................................................................................................................... 301 



Annexes 

A6.8.1. Les échanges thermiques dans les MCP........................................................................... 301 

A6.8.2. Présentation du Type exploité pour modéliser les MCP dans TRNSYS...................... 301 

A6.9. Les MCP en rénovation .................................................................................................................... 303 

A6.10. Conclusions ...................................................................................................................................... 305 

A7. VENT ET VENTILATION NATURELLE................................................................................................... 307 


A7.2. La modélisation aéraulique.............................................................................................................. 309 

A7.3. Régime des vents dominants ........................................................................................................... 310 

A7.3.1. Données du site.................................................................................................................... 310 

A7.3.2. Topographie ......................................................................................................................... 312 

A7.3.3. Vent et Géométrie de l’habitat ........................................................................................... 314 

A7.4. Action du vent et du tirage thermique sur les débits d’air entrant dans un bâtiment ............ 320 

A7.4.1. Pressions induites par l’action du vent............................................................................. 320 

A7.4.2. Pressions induites par le tirage thermique....................................................................... 322 

A7.4.3. Calcul des débits internes résultants de l’action du vent et du tirage thermique ...... 323 

A7.5. Stratégies de ventilation naturelle dans un bâtiment en été........................................................ 328 

A7.5.1. Effets du vent sur la ventilation naturelle........................................................................ 329 

A7.5.2. Ventilation naturelle due au tirage thermique ................................................................ 334 

A7.5.3. Effets combinés du vent et du tirage thermique sur la ventilation naturelle.............. 336 

A7.5.4. La sur ventilation nocturne en période chaude............................................................... 340 

A7.5.5. Les stratégies de ventilation naturelle et la rénovation.................................................. 342 

A7.6. Conclusions sur le vent et la ventilation naturelle........................................................................ 345 

A8. ECHANGEUR AIR / SOL.............................................................................................................................. 347 


A8.2. Utilisation de l’échangeur thermique enterré................................................................................ 348 

A8.3. Fonctionnement de l’échangeur thermique enterré ..................................................................... 349 

A8.4. Comportement thermique de l’échangeur enterré ....................................................................... 350 

A8.4.1. Echange convectif dans l’échangeur thermique enterré ................................................ 350 

A8.4.2. Echange diffusif dans l’échangeur thermique enterré ................................................... 351 

A8.4.2.1.Géométrie en tubes profonds/écartés.......................................................................... 351 

A8.4.2.2.Géométrie en nappe de tubes superficiels/serrés ...................................................... 352 

A8.5. Les différents types d’échangeurs thermiques enterrés............................................................... 354 

A8.5.1. Préchauffage......................................................................................................................... 354 

A8.5.2. Rafraîchissement.................................................................................................................. 355 

A8.5.3. Dimensionnement ............................................................................................................... 356 

A8.6. Modélisation de l’échangeur air / sol enterré ............................................................................... 359 

A8.6.1. Outil de simulation simplifié ............................................................................................. 360 

A8.6.2. Outil de simulation détaillé................................................................................................ 360 

A8.7. L’échangeur thermique air/sol enterré et la rénovation.............................................................. 362 

A8.8. Conclusions ........................................................................................................................................ 364 



NOMENCLATURE DE 

L’ANNEXE 

Annexes 

Symbole Définition Unité 

A Surface m² 

a Coefficient de tirage thermique m 6 h -2 cm -4 K -1 

b Coefficient du vent m 6 s -2 h -2 cm -4 

Act Activité des occupants met 

Ag Surface du vitrage m² 

Ag, Af, Aw aires respectivement du vitrage, du châssis et de la fenêtre m² 

Ci Capacité thermique de la zone i J/kg.K 

cp Chaleur spécifique J/kg K 

c1 Coefficient de perte de pression du ventilateur - 

c2 

Coefficient de perte de pression de l’espace entre la surface 

vitrée et le mur capteur accumulateur 

C1 Coefficient adimensionnel dépendant du type d’ouvrant - 

C2 Constante de condition aux limites - 

C3 

Constante équivalente à la pression de turbulence effective 

provoquée par la ventilation en absence de tirage thermique ou 

de vent régulier 

Cd Coefficient de décharge - 

cpa Chaleur spécifique de l’air J/kg.K 

cp Chaleur spécifique du mur J/kg.K 

Coefficient de pression du vent - 

d Diamètre hydraulique du conduit M 

Dr Distance entre l’ouverture et le mur opposé M 

g Accélération de la gravité m/s² 

Gr Nombre de Grashoff - 

h0 Hauteur de référence du bâtiment m 

hb Hauteur de la couche limite m 

hc Coefficient de transfert de chaleur surfacique dans la lame d’air W/m².K 

he Coefficient de transfert de chaleur surfacique extérieure W/m².K 

hm Hauteur du mât à la station météo m 

Chaleur latente de vaporisation kJ/kg 


Université Claude Bernard 

- 

-

Annexes 


H Hauteur m 

K (ou Cs sous Trnflow). Coefficient de perméabilité de l’air - 

l Longueur du conduit m 

lg Périmètre du vitrage en mètre M 

L Longueur m 

m • 

Pression locale ou réelle du vent Pa 

Pression due au tirage thermique Pa 

Débit aéraulique m 3/h 

Débit massique dû au vent kg/s 

Débit massique perdu par la zone à travers l’orifice i kg/s 

n exposant de l’écoulement d’air - 

Ni 

noccupants 

Nombre total de liaisons aérauliques de la pièce avec les 

environnements voisins 

Nombre d’occupants du bâtiment - 

P Pression du fluide Pa 

Pdyn Pression dynamique Pa 

PL1 et PL2 Pressions de l’air dans chaque milieu Pa 

pref Pression de référence Pa 

∆P Différence de pression de part et d’autre de la fissure Pa 

Qr Flux de chaleur à travers le vitrage W 

Energie latente prélevée (positive pour la déshumidification et 

négative pour l’humidification) 

Flux de chaleur perdue vers l’extérieur dans la serre W 

Flux de chaleur de la pièce adjacente par conduction à travers 

le mur dans la serre 

Flux de chaleur perdue par l’extérieur par les infiltrations dans 

la serre 

Flux de chaleur perdue par conduction à travers les vitrages 

dans la serre 

Flux total de chaleur gagnée de la pièce adjacente dans la serre W 

Flux de chaleur gagnée par le jet d’écoulement ventilé dans la 

serre 

Gain de chaleur net W 

Re Nombre de Reynolds - 

Ri et Re 

Résistances thermiques respectivement de la lame d'air et du 

vitrage dans le mur capteur accumulateur 

S Surface m² 

Tai Température d’air intérieur K 

Tair ou Tae Température de l’air extérieur K 



- 

J 

W 

W 

W 

W 

m².K/W

Annexes 


Tfsky Température du ciel K 

TGL ou Tg Température du vitrage K 

TGR Température du sol K 

Ti Température initiale dans les MCP K 

TF Température de fusion dans les MCP K 

T0 et Ti Températures de l’air dans chaque milieu K 

TR Température de la pièce adjacente K 

TSS Température de la serre K 

Toutside Température extérieure K 

Tvent Température de l’air provenant des équipements de ventilation K 

Tzone,i Température de la zone i K 

Température de la zone i au début du pas de temps K 

Température de la surface intérieure K 

Température de la surface extérieure K 

Tb,S Température imposée en condition aux limites K 

U Vitesse du vent incident m/s 

UH 

Vitesse moyenne du vent non perturbée par la présence du 

bâtiment à une hauteur de référence spécifiée (généralement la 

hauteur du bâtiment) 

Uw Coefficient total de déperditions de chaleur W/m².K 



m/s 

Cœfficient de transmission du vitrage en partie courante W/m².K 

Débit volumique m 3/s 

V Volume m 3 

v0 

Vitesse de référence du vent au niveau du bâtiment et à la 

hauteur de référence 

vm Vitesse du vent à la station météo à la hauteur du mât m/s 

vb0 et vbm 

Vitesse du vent au niveau du bâtiment (0) à la station météo 

(m) à la hauteur de la couche limite 

w(z) Largeur de l’ouverture à la hauteur z m 

z Hauteur m 

α Facteur d'absorption solaire de la surface extérieure - 

α0 et αm 

Exposant du profil de vitesse de vent au niveau du bâtiment (0) 

et de la station météo (m) 

ε Facteur de rugosité absolue du matériau m 

m/s 

m/s 

Enthalpie spécifique de fusion dans les MCP J/kg 

Différence de température entre l’intérieur et l’extérieur K 

∆t Pas de temps de la simulation s 

∆z Variation d’altitude m 

--

κi 

Annexes 


Pente de l’isotherme de sorption du matériau dans le modèle 

d’humidité 

Fonction de contrôle du ventilateur dans la serre - 

γ Fonction de contrôle du mur capteur accumulateur - 

λ Facteur de frottement - 

λi,sol Conductivité thermique du MCP solide (0,23 W/m.K) 

λi,liq Conductivité thermique du MCP liquide (0,17 W/m.K) 

ξ Coefficient de pertes dynamiques - 

Coefficient de déperdition linéique W/m.K 

τ Taux de renouvellement d’air Vol/h 

ρ Masse volumique de l’air kg/m 3 

Densité moyenne de l’air dans la lame - 

Vitesse de référence du vent au niveau du bâtiment et à la 

hauteur de référence 

12 Direction de l’écoulement de la zone 1 vers la zone 2 - 



- 

m/s

A1. LA FENETRE 

Figure A 1. Citadelle verte de Magdebourg (Wikipedia, 2007) 

Annexes 

Certains disent que les maisons sont faites de murs. Je dis qu'elles sont faites de 

« fenêtres. 

» 

A1.1. Introduction 

La fenêtre constitue l’élément essentiel de l’approche passive de la conception 

bioclimatique. Dans la construction classique, l’usage est d’installer le même type de 

fenêtre quelque soit l’orientation. Afin d’optimiser les apports solaires et s’en protéger 

quand cela s’avèrera nécessaire, il semble opportun de définir un choix de fenêtre selon 

l’orientation. Cette approche singulière s’explique par un constat simple développé par la 

suite : les contraintes varient suivant l’exposition des façades ! Par ailleurs, elle trouvera 

toute sa place dans la problématique de la rénovation qui nous préoccupe. 

La fenêtre joue un rôle déterminant que ce soit au niveau de l’énergie 1 que du confort 

visuel. Ces deux attentes peuvent paraître contradictoires : 

� Pour favoriser les apports passifs, en hiver notamment, l’installation de grandes 

surfaces vitrées peut sembler évidente. Certes en journée les gains sont favorisés, mais en 

soirée ces surfaces représentent des façades de déperditions. 

� La vue panoramique sur un paysage idyllique (confort visuel) peut vite devenir 

une source d’éblouissement si le sol a par exemple une valeur d’albédo élevée. 

1 Apports passifs, éclairage naturel, mais aussi déperditions 

Hundertwasser 

Thèse de doctorat - C. FLORY-CELINI Université Claude Bernard 

219

Annexes 

On voit déjà ici que l’on ne peut, dans une approche d’optimisation, concevoir l’élément 

Fenêtre sans l’adjonction d’autres éléments tels que les volets ou encore les protections 

solaires. L’étude des protections solaires sera traitée par la suite. 

Selon (Gay, 2001) 2, la fenêtre est un élément complexe a plus d’un titre. Elle est amenée à 

remplir différentes fonctions importantes et, à chacune de ces fonctions, est lié un effet 

indésirable comme le montre le tableau suivant : 

Tableau A 1. Les différentes fonctions de la fenêtre (Gay, 2001) 

Fonctions Buts recherchés Effets non souhaités 

Vue Contact avec l’extérieur Perte de privacité 

Fermeture / Ouverture Etanchéité + Résistance Agressions diverses 

Contrôle social Vue vers l’extérieur Vue vers l’intérieur 

Lumière Eclairage naturel Eblouissement 

Chaleur Gains solaires Surchauffes / Pertes excessives 

Aération Apport d’air neuf Pertes par ventilation 

La meilleure fenêtre étant, dans l’absolu, celle qui répondrait à toutes les fonctions! Selon 

(Brown et al, 1988), d'un point de vue historique, la fonction première d'une fenêtre est de 

permettre l'entrée de la lumière et la vision sur l'extérieur. Tous les autres critères de 

performance devraient être subordonnés à ces deux objectifs. Cette étude se focalise sur les 

trois dernières fonctions citées ci-dessus 3 (cf. Tableau A 1) : la chaleur, la lumière et 

l’aération. On entend par fenêtre l’association vitrage / châssis. Les principales 

caractéristiques de ces deux éléments sont décrites, suivies de l’étude de leur association et 

de l’identification des points faibles au niveau thermique. 

A1.2. Le vitrage 

Le constituant principal du vitrage est le verre qui a la particularité d’être transparent au 

rayonnement visible et « presque opaque » aux grandes longueurs d’onde. C’est cette 

caractéristique qui est la cause de l’effet de serre. 

A1.2.1. Transferts de chaleur à travers un vitrage 

Les résultats de la cellule de recherche « Architecture et Climat » de l’Université catholique 

de Louvain et du guide « Fenêtres » édité par la Région Wallonne (Simon et al, 1998) sont 

exploités pour décrire les propriétés de vitrages par rapport aux transferts énergétiques. 

La transmission de chaleur entre les 2 faces d’un vitrage s’effectue (cf. Figure A 2) : 

� par conduction s’il s’agit d’un simple vitrage opaque 

� par conduction et rayonnement pour un simple vitrage transparent 

2 (Gay, 2001) Fenêtres et protections solaires, Gay JB, Cours du Master en Architecture et Développement Durable de 

l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2001 

3 Toutefois, pour des habitations situées dans les lieux bruyants, il faudra porter une attention particulière sur l’isolation 

acoustique de la fenêtre. 


220

Annexes 

� par conduction et rayonnement dans le verre, par conduction dans le verre et par 

conduction, rayonnement et convection dans la lame d’air ou de gaz s’il s’agit d’un double 

vitrage : 

Figure A 2. Modes de transmission de chaleur à travers un vitrage lorsque Text4,5 µm, la transmission spéculaire est nulle ; par ailleurs, la réflexion d’une feuille 

de verre est faible (

Annexes 

masque, un rayon solaire à midi en hiver traversera directement le vitrage tandis qu’en été, 

vu la hauteur solaire, aura du mal à franchir le vitrage. 

Figure A 3. Influence de l’angle d’incidence sur les flux transmis et réfléchi (Architecture et Climat, 

2005) 

Pour améliorer la valeur du coefficient de déperdition du vitrage Ug, il est possible de : 

créer des vitrages multiples, augmenter l’épaisseur de la feuille de verre, augmenter 

l’épaisseur de la lame d’air ou de gaz ou encore limiter le transfert de chaleur dans la lame 

d’air. 

A1.2.3. Les différents types de vitrage 

Pour ce récapitulatif, les travaux suivants ont été retenus : (Joret et al, 1999), (Région 

Wallonne_V, 2003) et les résultats de la thèse de (Bodart, 2002). Dans l’étude des vitrages et 

des transferts de chaleur, nous avons annoncé qu’il était possible d’améliorer les 

performances des vitrages en jouant sur les différents coefficients qui les caractérisent : 

� le coefficient de réflexion, que l’on peut augmenter en ajoutant des couches 

métalliques, 

� le coefficient de transmission, qui peut être diminué en teintant le verre par 

exemple si l’on souhaite éviter l’éblouissement, 

� le coefficient d’absorption amélioré par l’ajout de produits chimiques, 

� l’émissivité qui est primordiale car caractérisant un transfert physique important, 

le rayonnement. Les vitrages standard ont une émissivité de 0,84 sur l’entièreté du spectre. 

Cela signifie qu’en ce qui concerne les rayonnements à grande longueur d’onde qui 

frappent la surface du verre, 84% est absorbé et 16% réfléchi. Par comparaison les couches 

basse émissivité ont une émissivité de 0,04. les vitrages sur lesquels on a déposé de telles 

couches émettront seulement 4% de l’énergie possible à cette température et réfléchiront 

96% du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde. Les vitrages possédant une 

couche à basse émissivité sont également appelés vitrages Low-E (Bodart, 2002). 

1.2.3.1. Verre nu ou simple vitrage (Région Wallonne_V, 2003) 

Il est constitué d’un verre clair ou coloré obtenu par coulage sur un bain d’étain en fusion. 

Il est le produit de base pour former les doubles vitrages, les vitrages thermiques, feuilletés, 

armés, durcis, trempés, etc. Pour une feuille de verre silicosodocalcique classique de 4 mm 


222

Annexes 

d’épaisseur, les pertes thermiques sont essentiellement dues à la convection de la paroi 

externe du vitrage. 

1.2.3.2. Double vitrage ((Simon et al, 1998), (Bodart, 2002)) 

Le double vitrage est composé de 2 feuilles de verre séparées par une lame de gaz de 

nature et d’épaisseur choisies 5 . Il permet de réduire les pertes par conduction. Le gaz utilisé 

devra donc présenter une conductivité thermique faible ainsi qu’une forte viscosité afin de 

limiter les phénomènes de convection dans la lame d’air. Le gaz le plus couramment utilisé 

est l’air. L’influence de l’épaisseur de la lame de verre sur le coefficient de déperditions est 

négligeable. L’amélioration de l’isolation thermique exige donc une autre approche. 

Une des manières de réduire le coefficient de conductivité thermique d'un double ou triple 

vitrage est de travailler sur l'espace interstitiel. On peut soit modifier le type de gaz qui 

remplit cet espace soit modifier son épaisseur. Ci-dessous(cf. Figure A 4), une 

représentation de l'évolution du coefficient Ug d'un double vitrage constitué de deux 

couches de verre de 4 mm en fonction de l'épaisseur de l'espace interstitiel. 

Les courbes sont tracées pour un double vitrage ordinaire (ε=0,84) et pour un double 

vitrage possédant une couche à basse émissivité sur la face 2 (ε =0,10). Le type de gaz 

remplissant l'espace interstitiel est soit de l'air, de l'argon (λ=0,017 W/mK) ou du krypton 

(λ=0,009 W/mK à 10°C). Le coefficient Ug diminue lorsque l'épaisseur de la cavité 

augmente. Il atteint ensuite une valeur minimum pour finalement se stabiliser ou remonter. 

Ce minimum est atteint aux alentours de 15 mm pour les espaces remplis d'air ou d'argon 

et 12 mm pour les espaces remplis de krypton. On constate également qu'au niveau de 

l'isolation du vitrage, il est moins intéressant de modifier le gaz remplissant l'espace 

interstitiel que d'ajouter une couche à basse émissivité. 

Figure A 4. Influence du remplissage de la lame, de son épaisseur et de l’émissivité des faces sur la valeur 

Ug du double vitrage (Architecture et Climat, 2005) 

5 Il est usuellement décrit par une séquence « X/d/Y gaz » avec : X et Y : épaisseurs des deux lames de verre, d : 

épaisseur de la lame de gaz et « gaz » : nature du gaz choisie. Conventionnellement, les faces d’un vitrage sont désignées 

à partir de l’extérieur du bâtiment. La surface intérieure d'un double vitrage porte donc le numéro 4. 


223

1.2.3.3. Vitrage peu émissif (Architecture et Climat, 2005) 

Annexes 

Le mécanisme principal de transfert de chaleur dans un double ou triple vitrage est le 

rayonnement thermique d'un verre chaud vers un verre plus froid. Placer une couche basse 

émissivité sur une des faces du vitrage attenante à la couche de gaz bloque une certaine 

partie de ce mode de transfert de chaleur, diminuant ainsi le flux total de chaleur au travers 

de la fenêtre. L'amélioration du coefficient Ug provenant de la couche à basse émissivité est 

grossièrement équivalente à l'amélioration qu'on aurait en ajoutant une couche 

supplémentaire de verre à la fenêtre, avec pour avantage un gain d’espace et de masse. Le 

coefficient de réflexion spectral de la couche à basse émissivité peut être déterminé de 

façon à laisser passer ou à rejeter des parties spécifiques du spectre d’où l'appellation 

"spectralement sélectif" qui signifie que certaines parties du spectre sont sélectionnées : le 

rayonnement d’une certaine longueur d'onde est réfléchi alors que le rayonnement ayant 

une autre longueur d'onde est transmis au travers du vitrage. 

Une fine couche d’oxyde métallique est déposée sur des verres float lors de leur fabrication 

qui permet de laisser entrer la lumière et la chaleur du soleil dans le bâtiment tout en 

retenant cette même chaleur à l’intérieur. Il existe deux types de couche à basse émissivité : 

les couches réalisées par pulvérisation cathodique ou les couches réalisées par pyrolyse : 

� Une couche réalisée par pulvérisation cathodique est une multicouches qui est 

déposée sur le verre ou le plastique dans une chambre sous vide. Elles ont en général une 

émissivité plus basse que celle des couches pyrolytiques. Elle varie entre 0,2 et 0,04. 

� Une couche pyrolytique est généralement formée d'un oxyde métallique, qui est 

déposée directement sur la surface du verre, lorsque celui-ci est encore chaud. Bien que 

leurs propriétés puissent varier grandement, ces couches ont un coefficient d'émissivité 

variant de 0,4 à 0,15. 

Les premiers vitrages à basse émissivité ont été conçus afin d’augmenter les gains solaires 

en hiver. Ils devaient donc avoir un grand facteur solaire et un coefficient de transmission 

lumineuse important afin de transmettre un maximum de gains solaires à l'intérieur du 

bâtiment ainsi qu'un coefficient Ug faible. Ces vitrages sont dits à basse émissivité et haute 

transmission et sont très intéressants pour les climats froids. 

Les nouvelles générations de verres bas émissifs, dit confort quatre saisons, sont également 

utilisés pour améliorer le confort d’été en empêchant de trop grands apports de chaleurs 

extérieurs. 

Un vitrage conçu pour minimiser les gains solaires en été mais autoriser un maximum 

d'éclairage naturel devrait favoriser au maximum la transmission de la partie visible du 

spectre solaire tout en bloquant les autres : les ultraviolets aussi bien que les infrarouges de 

courte longueur d'onde et les infrarouges de grande longueur d'onde qui pourraient être 

émis par les objets extérieurs tels que les bâtiments voisins ou le sol. Ces vitrages sont 

appelés vitrages à basse émissivité sélectifs. Ils permettent donc de limiter les gains solaires 

en été tout en garantissant une transmission visuelle élevée et un Ug faible, ce qui diminue 

les pertes thermiques en hiver. On peut obtenir le même effet en combinant un vitrage à 

basse émissivité et haute transmission (lumineuse et thermique) avec un vitrage teinté 

sélectif spectralement. En plaçant une couche basse émissivité sur un vitrage teinté foncé 

et/ou le coefficient de réflexion de la couche peut être augmenté : un produit ayant les 

propriétés isolantes d'un vitrage Low-E, conjugué à une limitation de l'éblouissement et un 

rejet des gains solaires est obtenu. Il est particulièrement adapté aux climats très chauds, 

profitant de beaucoup d'apports solaires et de lumière. 


224

1. Vitrage clair 

2. Vitrage Low-E à haute transmission 

3. Vitrage Low-E spectralement sélectif 

4. Vitrage Low-E spectralement sélectif à basse transmission 

Figure A 5. Transmission spectrale de plusieurs vitrages basse émissivité (Architecture et Climat, 2005) 

Annexes 

La position de la couche basse émissivité dans un double vitrage n'affecte en rien le facteur 

Ug de celui-ci. Par contre, le facteur solaire du vitrage est influencé par la position de la 

couche (Cf. Figure A 6). En effet, en plus de sa capacité à inhiber les transferts d'infrarouges 

à grande longueur d'onde, une couche basse émissivité absorbe aussi une certaine quantité 

de l'énergie solaire incidente. Cette énergie absorbée est transformée en chaleur, 

provoquant ainsi un échauffement du vitrage. Si la couche basse émissivité est placée en 

face 2, la chaleur absorbée par le vitrage et réémise sous forme d'infrarouge de grande 

longueur d'onde, le sera principalement vers l'extérieur. Le facteur solaire du vitrage est 

donc diminué et ce vitrage convient mieux aux climats chauds. Si la couche basse 

émissivité est placée en face 3, la majorité de la chaleur absorbée par le vitrage est réémise 

vers l'intérieur, augmentant ainsi le facteur solaire du vitrage. Ce vitrage est donc plus 

adapté aux climats froids. 

Extérieur Intérieur Extérieur Intérieur 

Figure A 6. Importance de la position de la couche basse émissivité 


225

1.2.3.4. Triple vitrage 

Annexes 

La valeur Ug du vitrage peut être améliorée par l’ajout d’une troisième, voire d’une 

quatrième plaque de verre. On obtient alors un meilleur pouvoir isolant, mais également 

une augmentation de l’épaisseur totale et du poids du vitrage. En outre les transmissions 

solaire et lumineuse diminuent. 

Dans son communiqué d’octobre 2007, (SNFA, 2007) compare les performances du double 

et triple vitrage, les performances des fenêtres équipées de ces vitrages et leurs 

contributions à la consommation des bâtiments. Les caractéristiques de ces vitrages sont 

décrites dans le Tableau A 2. (SNFA, 2007) montre que le coefficient de transmission 

thermique Ug est amélioré mais le facteur solaire g et le coefficient de transmission 

lumineuse Tl sont détériorés, et analyse les résultats de leurs simulations comme suit : 

« Les gains de consommation avec la fenêtre triple vitrages sont faibles voire très faibles 

voire même négatifs ! Alors que le U est abaissé de plus de 50% ! Ces résultats qui peuvent 

surprendre démontrent une nouvelle fois que si l’amélioration de l’isolation s’accompagne 

de la détérioration des apports solaires des fenêtres la performance énergétique pour la 

maison n’est pas au rendez-vous ! 

La forte dégradation du facteur solaire g du vitrage et l’augmentation des profilés des 

fenêtres triple vitrage pénalisent la partie positive de la contribution de la fenêtre : les 

apports solaires d’hiver. 

Les conditions météorologiques des 8 zones climatiques utilisées pour les calculs de 

consommation par la RT 2005 ne sont pas comparables avec celles de nos voisins du nord 

de l’Europe. Les gains en consommation d’énergie (au mieux 3% en zone climatique H1b 

soit 421,5KWh/an et 20€/an pour la maison étudiée !!) sont totalement disproportionnés 

avec l’augmentation des coûts et les surconsommations de matières premières. La 

pertinence des triples vitrages sur le territoire français n’est donc pas démontrée surtout au 

regard des coûts élevés, des contraintes techniques et de l’augmentation des matières 

consommées (+50% de float, +100% de barrière d’étanchéité, +100% de couche basse 

émissivité). 

Ces enseignements s’appliquent aussi bien au neuf qu’à la rénovation. L’importance d’un 

bon facteur solaire pour les fenêtres de rénovation est à souligner car on ne peut 

généralement jouer ni sur la surface ni sur l’orientation. ». 

Dans les bâtiments existants, il est difficile pour améliorer les performances, de changer 

leur orientation. Par contre le remplacement de vitrages présentant de nombreuses 

déperditions peut se faire aisément. C’est pour cette raison qu’il semble important 

d’insister sur les performances des vitrages. A ce titre, nous présenterons par la suite de 

vitrages qui sont encore au stade expérimental mais qui, vu leurs performances 

thermiques, risquent dans les années à venir d’être commercialisés. 


226

Tableau A 2. Caractéristiques des vitrages commercialisés (Simon et al, 1998) 

Type de vitrage 

Simple vitrage ordinaire ou 

trempé ou armé ou durci 

Simple 

vitrage 

réfléchissant 

Simple 

vitrage 

feuilleté 

Double 

vitrage 

Vitrage à 

basse 

émissivité (ou 

haut 

rendement) 

avec lame 

d’air 

Vitrage à 

basse 

émissivité (ou 

haut 

rendement) 

avec argon 

Vitrage 

Epaisseur 

[mm] 

Poids 

[kg/m²] 

Ug 

[W/m².K] 

Facteur 

solaire g 

Annexes 

Facteur 

lumineux 

2 5 5,9 0,88 0,91 

3 7,5 5,8 0,87 0,90 

4 10 5,8 0,85 0,90 

5 12,5 5,8 0,84 0,89 

6 15 5,7 0,82 0,89 

8 20 5,7 0,80 0,87 

10 25 5,6 0,78 0,86 

12 30 5,6 0,75 0,85 

15 37,5 5,5 0,72 0,84 

Clair 6 15 5,7 0,5 0,32 

Bronze 6 15 5,7 0,44 0,18 

Gris 6 15 5,7 0,42 0,15 

Rose 6 15 5,7 0,51 0,25 

Vert 6 15 5,7 0,36 0,26 

33.1 6 15,5 5,7 0,79 0,89 

44.1 8 20,5 5,7 0,77 0,87 

55.1 10 25,5 5,6 0,75 0,86 

66.1 12 30,5 5,6 0,73 0,85 

4/6/4 14 20 3,3 0,75 0,81 

4/8/4 16 20 3,1 0,75 0,81 

4/12/4 20 20 2,9 0,76 0,81 

6/12/6 24 30 2,8 0,72 0,79 

6/15/6 27 30 2,7 0,72 0,79 

8/12/8 28 40 2,8 0,68 0,77 

4/12/4 20 20 1,8 0,64 0,76 

4/15/4 23 20 1,5 0,63 0,76 

6/12/6 24 30 1,7 0,61 0,74 

6/15/6 27 30 1,5 0,61 0,74 

4/12/4 20 20 1,4 0,64 0,76 

4/15/4 23 20 1,3 0,63 0,76 

6/12/6 24 30 1,4 0,61 0,74 

6/15/6 27 30 1,3 0,61 0,74 

On 11 27,5 5,7 0,63 0,75 

chromogène Off 11 27,5 5,7 0,64 0,74 

Triple vitrage 4/8/4/8/4 28 30 2,1 0,67 0,73 

Vitrage 


6/12/6 24 30 2,8 0,4 0,7 

Double 

vitrage à 

isolation 

acoustique 

6/12/33.1 24 30,5 2,8 0,71 0,79 

8/6/33.1 20 35,5 3,2 0,68 0,78 

6/12/44.1 26 35,5 2,8 0,7 0,78 

8/6/44.1 22 40,5 3,2 0,67 0,77 

8/12/44.1 28 40,5 2,8 0,67 0,77 

renforcée 10/12/44.1 30 40,5 2,8 0,65 0,76 

1.2.3.5. Vitrage sous vide ((Martin, 1995), (Wouters et al, 1995)) 

En créant un vide entre deux couches de verre, on élimine totalement les phénomènes de 

conduction et de rayonnement. Il est nécessaire de prévoir des intercalaires entre les 

feuilles de verre. En effet, le vide (

Annexes 

une nouvelle perte de conductivité. Ce produit a été mis au moins à l’université de Sydney 

en Australie. Expérimentalement, les résultats annoncés sont les suivants : 

� Cœfficient de transfert thermique équivalent pour le rayonnement entre deux 

panneaux de verre : 0,63 W/m².K. 

� Cœfficient de transfert thermique équivalent entre les deux panneaux de verre dû 

aux appuis: 0,42 W/m².K. 

� Valeur Ug centrale : 0,9 W/m².K pour une épaisseur de verre de 8 mm. 

Bords de vitrage : il faut qu’ils soient assemblés avec coupure thermique effective. Pour le 

moment, selon (Wouters et al, 1995), il n’existe aucune solution satisfaisante. 

� Transmission solaire et lumineuse : par comparaison avec d’autres vitrages ayant 

une valeur Ug analogue, les facteurs de transmission solaire et de transmission lumineuse 

d’un vitrage sous vide sont très bons. 

Figure A 7. Schéma de principe du vitrage sous vide (Wouters et al, 1995) 

1.2.3.6. Conclusions sur les types de vitrage 

De nombreuses variétés de vitrage existent. Nous avons présenté quelques unes. Il en 

existe d’autres : le verre réfléchissant, le vitrage chromogène, le verre autonettoyant, le 

verre armé (Région Wallonne_V, 2003), le vitrage feuilleté ((Simon et al, 1998), (Verre, 

2005)), le verre trempé (Verre, 2005), le verre durci (Région Wallonne_V, 2003) ainsi que les 

verres teintés ((Région Wallonne_V, 2003), (Bodart, 2002)). Ces vitrages ont plutôt des 

caractéristiques structurelles ou pratiques. 

Aux vues des données des fabricants, les vitrages les plus intéressants pour limiter les 

apports solaires ainsi que les déperditions thermiques sont les fenêtres à rupture de pont 

thermique (cf. § A1.3 et A1.4) équipées de vitrages VIR qui bénéficient à la fois d’un bon 

coefficient d’isolation et d’un facteur solaire élevé, c’est cette combinaison qui optimise leur 

performance énergétique. Ils sont retenus dans le cadre des applications étudiées dans cette 

étude. 

Une solution qui mérite plus d’attention et qui a été exploitée dans une communication 

(Flory-Celini et al, 2006) est le choix des vitrages en fonction de l’orientation. 


228

Annexes 

A1.2.4. Choix des vitrages en fonction de 

l’orientation 

Pour les orientations Ouest et Est, il est souhaitable d’adopter les surfaces vitrées 

correspondant aux stricts besoins physiologiques de la lumière naturelle (Sidler, 2000). Une 

analyse qui semble pertinente consiste à déterminer la surface vitrée nécessaire pour d’une 

part éviter les surchauffes en été, et d’autre part tenter de couvrir le maximum de besoins 

en hiver. La proportion des surfaces vitrées devrait varier de 40 à 60% de la surface de la 

façade sud. Moins de surface ne mettent pas assez à profit l’énergie du soleil, plus 

provoque trop de déperditions. Au Nord, les surfaces vitrées ne devraient pas excéder 10%. 

Des préconisations de vitrage en fonction de l’orientation sont précisées dans le tableau 

suivant : 

Tableau A 3. Choix des vitrages en fonction de l’orientation 

Orientations Description Vitrage approprié et surface correspondante 

Nord 

Sud 

Est 

Ouest 

Les façades orientées Nord ne bénéficient 

pratiquement pas de Soleil. La qualité de la 

lumière y est constante (orientation 

recherchée par les artistes). 

Façades bénéficiant d’un ensoleillement 

maximal en hiver. Orientation favorisant les 

gains thermiques passifs durant la saison 

froide. En été, façades facilement 

protégeables. 

L’éclairement y est important et cette façade 

présente donc un risque d’éblouissement. 

Gains solaires favorisés le matin avec peu de 

risque de surchauffe. Par contre, un risque 

d’éblouissement est possible avec les rayons 

solaires directs du matin. 

Orientations qui reçoivent le maximum 

d’énergie en été. 

Gains solaires favorisés en fin de journée. 

Cette orientation doit être particulièrement 

protégée car, le soleil étant bas sur l’horizon, 

les risques de surchauffes (la température 

étant plus élevée l’après-midi) et 

d’éblouissement y sont importants 

Ouvertures minima pour assurer un 

éclairage naturel suffisant. 

Vitrage à isolation thermique renforcée à 

basse émissivité avec argon. 

L’installation d’un vitrage classique peut 

être possible en veillant à le compléter par 

des volets évitant les déperditions de chaleur 

la nuit. 

Pour les climats méditerranéens, préférer 

des vitrages évitant les gains solaires trop 

importants : Ug moyen. 

Cette orientation sera favorable à 

l’installation de grandes surfaces vitrées. 

Il est intéressant de profiter des rayons 

solaires du matin quand la température n’est 

pas encore trop élevée. On favorisera des 

vitrages avec une bonne transmission 

lumineuse, correctement isolés néanmoins. 

De plus grandes surfaces vitrées qu’à l’ouest 

sont admissibles. 

Vitrage à haute réflectivité : vitrage 

réfléchissant. 

Trop de vitrage à l’ouest conduit à une 

surchauffe en été, il faudra donc limiter les 

surfaces vitrées à l’ouest. 

A1.2.5. Conclusions : Influence du choix du 

vitrage sur les économies d’énergie 

Les influences du choix des vitrages sur les économies d’énergie sont résumées dans le 

Tableau A 4. Malgré les forts progrès techniques réalisés, les vitrages commercialisés 

présentent des déperditions bien supérieures à celles des parties opaques. Les pertes par 

transmission sont en plus croissantes avec l’augmentation de la surface vitrée à moins de 


229

Annexes 

placer des dispositifs de protection adéquats comme étudiés par la suite. Si ces dispositifs 

ne sont pas appliqués, le solde des gains solaires et des pertes par transmission de la 

maison peut être légèrement négatif à moins d’associer aux vitrages des éléments de bord 

performants. 

Tableau A 4. Influence du choix du vitrage sur les économies d’énergie (Simon et al, 1998) 

Augmentation de lumière naturelle Eclairage artificiel Diminue 

Renforcement de l’isolation du 

vitrage 

Augmentation du contrôle du 

rayonnement solaire entrant 

A1.3. L’intercalaire 

Déperditions thermiques Diminuent 

Confort intérieur Augmente 

Température de la face intérieure Augmente 

Température de l’air intérieur Augmente 

Risques de surchauffe Diminuent 

Apport d’énergie en hiver Augmente 

Besoin d’un conditionnement d’air Diminue 

Les valeurs indiquées précédemment ne concernent que les vitrages et non la partie 

périphérique. Au pourtour du vitrage, des intercalaires sont nécessaires pour maintenir le 

gaz à l’intérieur des feuilles de verre et rendre étanche le vitrage. En raison du pont 

thermique créé par l’intercalaire, la valeur U totale de la fenêtre va augmenter. 

Globalement, l’effet de ce pont thermique sera d’autant plus important que la surface vitrée 

sera plus petite. Pour cette raison, il faudra éviter de faire trop découper une surface vitrée, 

en particulier, les éléments longs et étroits sont à proscrire. En s’inspirant des travaux de 

(Denance, 2004), on peut écrire l’expression du coefficient de transmission résultant du 

vitrage : 

Équation A 1 

A l’analyse de cette expression, on réalise que si H et L tendent vers zéro (petite surface 

vitrée), le rôle de la déperdition linéique augmente. Selon le même auteur, les déperditions 

des intercalaires métalliques peuvent représenter plus de 15% de la déperdition en partie 

courante. Il reste donc des progrès à réaliser sur ce point. 

Le premier intercalaire n’est pas toujours présent, dans ce cas l’entretoise est en contact 

direct avec le verre (intercalaire simple barrière). Dans le cas du vitrage à double barrière, 

le premier intercalaire sert de lien chimique à la surface du verre pour une connexion stable 

et élastique. Le deuxième, permet de retenir le gaz à l’intérieur des deux feuilles de verre et 

est une barrière contre la diffusion de vapeur d’eau. Les intercalaires en acier et en 

aluminium sont fournis par un grand nombre de fabricants. Des matériaux alternatifs non 

métalliques sont développés et tentent d’améliorer la résistance thermique du périmètre du 

vitrage. Il est important qu’ils fournissent la même étanchéité que les jointures 

conventionnelles. Les mastics à rupture thermique « bords chauds » permettent 

aujourd’hui d’éliminer presque totalement le pont thermique autour du vitrage. Ils 

améliorent considérablement les performances thermiques des vitrages. En réduisant la 

condensation les intercalaires isolants améliorent la transparence des fenêtres. 


230

A1.4. Le cadre 

Annexes 

La déperdition thermique d’une fenêtre est la résultante de la déperdition du vitrage, mais 

aussi du châssis, qui elle même est due à l’épaisseur du châssis et à la nature du matériau 

qui détermine le coefficient de transmission thermique. 

Les châssis de fenêtre peuvent être en bois, en PVC (chlorure de polyvinyle), en acier, en 

aluminium ou encore en matériaux composites. A l’origine c’est le bois qui était le plus 

utilisé et qui disposait de bonnes performances thermiques. L’évolution la plus marquante 

s’est produite dans la conception des profilés en PVC et en aluminium. L’utilisation des 

profilés multi chambres et des coupures thermiques pour l’aluminium ont permis une 

nette amélioration du coefficient de transmission thermique des châssis. Les principales 

caractéristiques des châssis utilisés usuellement dans l’habitat sont présentées dans le 

Tableau A 5. 

Dans la réglementation thermique RT 2005, des valeurs sont déterminées par des 

procédures de calcul simplifiées : pour les menuiseries métalliques à rupture de pont 

thermique, trois valeurs du coefficient Uf de menuiserie sont envisagées : 3– 4 et 5 

W/(m².K). Pour les menuiseries PVC trois valeurs du coefficient Uf de menuiserie sont 

envisagées : 1,5 – 1,8 et 2,5 W/(m².K) et pour les menuiseries bois deux essences sont 

envisagées correspondant à deux conductivités thermiques utiles : 0,13 et 0,18 W/(m.K). 

Par rapport aux valeurs de déperditions pour les vitrages performants, les châssis peuvent 

fortement dégrader les déperditions de la fenêtre. Les nouveaux vitrages requièrent une 

amélioration des types de châssis. Les travaux de (Peuportier et al, 2000) illustrent les 

évolutions possibles pour les cadres : 

� L’utilisation du moulage par réaction injectée des châssis 6 

� Des châssis composites, combinant l’utilisation de plusieurs matériaux, tels que le 

bois et le plastique ou encore le bois et l’aluminium sont 

� Le pultrudé, châssis en fibres de verre, présente des performances intrinsèques 

intéressantes. 

Selon (Peuportier et al, 2000), un noyau dense de fibre de verre agit en tant qu'isolateur 

avec une valeur de U de 1,41 W/(m².K). Les auteurs montrent également comment la 

valeur de U au centre du vitrage, Ug, est dégradée par la présence de l’intercalaire UIg et du 

châssis UW (Cf. Tableau A 6). Il faudra éviter l’installation de menuiseries métalliques, en 

particulier l’aluminium qui est un matériau très conducteur et qui par ailleurs est onéreux. 

Ces données montrent que l’intercalaire en fibre de verre et les châssis en bois et en PVC 

sont les plus performants au niveau des déperditions thermiques. Le plus efficace 

thermiquement étant celui en PVC avec un intercalaire en fibre de verre. Néanmoins, il est 

nécessaire de tenir compte d’autres caractéristiques notamment l’humidité des locaux et le 

risque de condensation. Par ailleurs, les châssis en PVC ne sont pas stables thermiquement. 

Au niveau lumineux, il faut également intégrer les dimensions du châssis qui influencent le 

rendement lumineux. A ce titre d’exemple, les profilés en PVC sont plus larges que les 

profilés en bois. 

6 En cours de commercialisation 


231

Avantages 

Inconvénients 

Double 

vitrage 

3-12-3 

Double 

vitrage à 

argon, 

basse 

Triple 

vitrage à 

krypton, 

basse 

Tableau A 5. Avantages et inconvénients des châssis (Région Wallonne_C, 2003) 

CHASSIS EN BOIS CHASSIS EN PVC 

Valeur d’isolation 

thermique supérieure 

à celle de l’aluminium 

Moins sensible aux 

fluctuations de 

température 

Plus souple à 

découper, davantage 

de formes sont 

possibles 

Produit naturel, 

recyclable et isolant 

Relativement bon 

marché 

Régénération des 

forêts 

Stockage de CO2 

La masse volumique 

du bois est importante 

Produit naturel donc 

risque accru 

d’imperfections 

Entretien important 

Appréciation de la 

qualité de 

conservation et de 

traitement du bois pas 

toujours accessible 

Présente une bonne 

résistance thermique 

Durable et recyclable 

Plus souple à 

découper, davantage 

de formes sont 

possibles 

Nombreux tons 

possibles 

Légèrement plus cher 

que le bois 

Production en usine 

Entretien facile 

Coefficient de dilation 

thermique élevé, sujet 

aux fluctuations de 

température (des 

renforcements en 

acier galvanisé sont 

conseillés) 

Formes courbées pas 

aussi faciles à usiner 

qu’avec le bois 

Difficile à combiner 

avec un revêtement 

structuré 

Profilés plus larges 

que ceux en bois 

(lourdeur esthétique 

et perte d’éclairage 

naturel) 

CHASSIS EN 

ALUMINIUM 

Présente une bonne 

résistance thermique 

Durable et recyclable 

Profilés plus minces 

que ceux en bois 

Convient parfaitement 

aux bâtiments 

contemporains (arêtes 

vives et profilés fins) 

Production en usine 


Faible résistance 

thermique, mais la 

coupure thermique 

résout le problème 

Convient moins aux 

bâtiments rustiques 

Moins souple que le 

bois au niveau du 

travail de la forme 

Fabrication 

gourmande en énergie 

Coefficient de 

dilatation assez élevé 

Tableau A 6. Effets de bord sur la valeur Uw en W/ (m².K) pour un vitrage de 1 m² 

Intercalaire 

Aluminium 

Châssis 

Aluminium avec 

rupture thermique 

Bois PVC 

Annexes 

CHASSIS EN 

POLYURETHANE 

Très bonnes isolations 

thermique et acoustique 

Faible coefficient de 

dilatation thermique 

Se prête bien aux 

formes courbes 


Plus cher que 

l’aluminium 

Profilés plus larges que 

ceux du bois 

Verre avec 

intercalaire 


232 

UIg 

Centre du 

vitrage 

Fibre de verre 4,55 3,45 2,69 2,54 2,84 2,81 

Verre 4,63 3,53 2,77 2,62 2,94 2,81 

Butyle / métal 4,60 3,49 2,73 2,59 2,89 2,81 

Aluminium 4,65 3,55 2,79 2,64 2,96 2,81 

Fibre de verre 3,50 2,4 1,70 1,55 1,50 1,43 

Verre 3,57 2,47 1,77 1,62 1,59 1,43 

Butyle / métal 3,57 2,47 1,77 1,62 1,59 1,43 

Aluminium 3,69 2,59 1,89 1,74 1,75 1,43 

Fibre de verre 2,89 1,79 1,13 0,98 0,73 0,65 

Verre 2,91 1,81 1,14 0,99 0,75 0,65 

Butyle / métal 3,02 1,92 1,25 1,11 0,9 0,65 

Aluminium 3,20 2,09 1,42 1,27 1,12 0,65 

Ug

Annexes 

A1.5. Bilan thermique de la fenêtre et 

modélisation dans TRNSYS 

((Peuportier et al, 2000), (TRNSYS, 2004) et 

(Wouters et al, 1995)) 

Une description quantitative d’une fenêtre doit déterminer les grandeurs physiques 

caractérisant les gains solaires dans différentes bandes de longueur d’onde et le flux de 

chaleur traversant la fenêtre. Le flux de chaleur dû à la différence de température entre les 

faces de la fenêtre possède plusieurs composantes : le rayonnement thermique, la 

conduction et la convection dans la lame de gaz aussi bien que sur les faces extérieur et 

intérieur Figure A 8. 

Comme montré dans l’étude des vitrages, le bilan radiatif entre les deux panneaux de verre 

est influencé par l’émissivité des deux surfaces adjacentes au gaz. Plus les émissivités sont 

basses, moins il y a d’échange thermique par rayonnement. La seconde partie des transferts 

s’effectue par conduction et convection dans la lame de gaz. Ces transferts dépendent des 

propriétés du gaz notamment sa conductivité et sa viscosité, de la distance entre les 

panneaux de verre et de la différence de température. Enfin, et c’est ce point que nous 

allons mettre en exergue, un transfert par conduction dans les bords du vitrage, où les 

matériaux d’entretoise représentent des ponts thermiques. 

Le flux total échangé dans une fenêtre est caractérisé par le coefficient total de transfert de 

chaleur Uw et est défini comme suit : 

Figure A 8. Transferts thermiques dans une fenêtre 

Équation A 2 


233

Annexes 

Comme le montre l’expression du flux radiatif, le bilan thermique est caractérisé par les 

paramètres suivants : 

� Les pertes thermiques à travers la fenêtre déterminées par la valeur centrale de Ug 

au sein du vitrage, la valeur linéaire au bord du vitrage, la valeur Uf de la menuiserie 

et les dimensions relatives du verre et de la menuiserie (Denance, 2004) : 

Équation A 3 

� Les gains solaires à travers la fenêtre, calculés à partir de g et du pourcentage vitré 

des fenêtres 

� Les pertes par ventilation à travers la fenêtre, déterminées par l’étanchéité à l’air 

de la menuiserie et ses raccords. 

Dans TRNSYS, le bilan thermique de la fenêtre s’associe à celui du bâtiment. Tous les 

échanges sont ici précisés car ils conditionnent la modélisation des autres dispositifs traités 

dans cette partie. Le captage de l’énergie s’effectue dans TRNSYS via le Type 56 qui 

représente le modèle de bâtiment, mais également par le biais de modules spécifiques sous 

l’interface IISIBAT qui modélisent les sollicitations appliquées au bâtiment tels que le 

module météorologique, le processeur solaire ou encore la température de ciel. La 

modélisation thermique du bâtiment est effectuée sous le Type 56 qui permet de modéliser 

l’édifice étudié par les caractéristiques thermo physiques des parois et des ouvertures. L’un 

des avantages de TRNSYS est la richesse de sa bibliothèque de matériaux d’une part et 

d’autre part de permettre à l’utilisateur de définir des matériaux non disponibles. Par 

contre, la caractérisation d’un nouveau type de vitrage est moins aisée, mais néanmoins 

possible en rentrant dans le cœur du programme. Le modèle aéraulique est présenté dans 

la partie traitant du « Vent et de la ventilation naturelle ». Cette partie s’attachera à 

développer la modélisation thermique du Type 56. 

Figure A 9. Caractérisation des données décrivant une zone dans le Type 56 

Le bâtiment est vu comme une association de zones dont le volume est spécifié au 

préalable. Chaque zone est décrite de la façon suivante : 

� Les murs qui peuvent être intérieurs, extérieurs, adjacents ou frontière (avec la 

définition de conditions aux limites particulières). La première étape est la définition de la 

composition des parois : matériaux, épaisseur, paramètres physiques, puis la catégorie du 

mur, son orientation (mur extérieur). Des paramètres spécifiques tels que l’ensoleillement 

reçu par les façades intérieures (fonction Geosurf) peuvent également être renseignés 


234

Annexes 

� Les ouvertures sur les murs : les murs extérieurs, peuvent intégrer des ouvertures 

qui sont définies par la surface ainsi que les paramètres physiques caractérisant le cadre et 

le vitrage 

� Les infiltrations, le type de chauffage, le mode de ventilation, la climatisation, les 

gains, l’humidité et le confort. 

Le module Type 56 restitue les températures de zones et les besoins énergétiques dans 

chaque zone. En évolution libre, la variation d’énergie interne s’exprime : 

Équation A 4 

Qi est une fonction de Ti et des températures de toutes les zones adjacentes à la zone i. 

Pour simplifier la résolution de ces équations, Qi est considéré constant durant le pas de 

temps, évalué aux valeurs moyennes des températures de zone. Dans ce cas, la solution de 

l’équation différentielle pour la température finale dans un intervalle de temps donné 

s’exprime : 

La variation de température est linéaire et la moyenne est : 

Équation A 5 

Équation A 6 

Afin de déterminer la demande énergétique dans une zone, le gain de chaleur d’une zone i 

du bâtiment est défini par les gains de chaleur Qi en [W]. Pour le détail de la méthode de 

calcul, le lecteur pourra se référer au manuel de TRNSYS. En revanche, la philosophie de la 

méthode est résumée. Notons qu’une fenêtre est considérée comme un mur extérieur sans 

masse thermique. La modélisation des murs est basée sur la relation de Mitalas (Mitalas, 

1970) définie de surface à surface (cf. § 6). 

Les coefficients des séries en temps (a, b, c et d) sont déterminés dans le programme 

TRNBUILD utilisant la transformée de transfert en z (cf. Equation 25). Rappelons que la 

fenêtre est considérée comme un mur extérieur sans masse thermique, partiellement 

transparent au rayonnement solaire, mais opaque aux gains internes de grandes longueurs 

d’onde. L’absorption grande longueur d’onde est considérée seulement de façon 

surfacique. Dans le bilan thermique, la fenêtre est modélisée par deux nœuds reliés par une 

conductance Ug,s, et on a pour cet élément : 

et pour k>0 

Équation A 7 


235

Annexes 

A1.6. La fenêtre et la lumière ((Dumortier 7, 2004), 

(Bodart, 2002)) 

Le choix d’un vitrage ne s’effectue pas uniquement pour ses propriétés thermiques. Un 

autre aspect que nous avons énoncé en introduction consiste à considérer le confort visuel 

donné par cette ouverture, et d’autre part les économies électriques engendrées par une 

réduction de la consommation en éclairage artificiel. 

Le concepteur de bâtiments va influer sur les quantités de lumière naturelle, source de 

lumière de référence, qui rentreront dans l’habitat en dimensionnant des ouvertures, leur 

inclinaison et leur orientation. Le choix des vitrages conditionnant l’atténuation, voire la 

coloration de la lumière transmise. 

En revanche, TRNSYS ne dispose pas de module d’éclairage naturel. 

A1.7. La fenêtre et la rénovation 

Dans les anciennes bâtisses, selon l’époque de construction, la proportion de vitrage est très 

variable. La fenêtre servait à capter l’énergie solaire, à améliorer le confort visuel, mais 

tenait place dans ces anciennes bâtisses, d’élément favorisant la ventilation naturelle. Ainsi, 

lors d’une réfection, il sera nécessaire d’installer parallèlement aux fenêtres performantes 

un système de ventilation adéquat ou encore des grilles de ventilation internes aux 

fenêtres. Plusieurs réfections sont possibles (Hauglustaine et al, 2002) : 

� l’entretien ou les petites réparations : pour tous types de fenêtres encore 

performantes, il y a nécessité d’apporter un entretien minimal afin d’assurer un 

fonctionnement correct de la fenêtre 

� le remplacement ou la transformation : il faudra veiller à ne pas perturber 

l’équilibre hygrothermique du local. Plusieurs remplacements sont envisageables : 

remplacement du vitrage en place (simple) par un vitrage thermiquement plus isolant 

(double), remplacement du vitrage en place (double mais défectueux ou peu performant) 

par un vitrage thermiquement plus performant, le remplacement total de la fenêtre par un 

châssis et un vitrage thermiquement performants, le remplacement ou l’intervention sur 

une partie de châssis ou encore le remplacement des ouvrants du châssis avec conservation 

du dormant 

� la modification : par la pose d’un survitrage mobile ou fixe ou d’un double châssis 

(du côté extérieur ou intérieur). 

Le remplacement total de la fenêtre s’avère généralement être la solution la plus efficace et 

la plus avantageuse lorsque les performances thermiques, acoustiques, voire fonctionnelles 

(même obtenues par des réparations coûteuses ou techniquement difficiles) ne peuvent être 

garanties 8. Les rénovations possibles sont résumées dans les tableaux suivants : 

7 (Dumortier, 2004) Cours d’éclairagisme – 5ème année – Option bâtiment – Département Génie Civil et Urbanisme de 

l’Institut Supérieur de Sciences Appliquées de Lyon (INSA de LYON / UCBL) – 2004-2005 

8 Dans le cas d’une habitation à caractère architectural prononcé, la technique du doublage de la fenêtre pourra offrir 

une solution intéressante. 


236

Annexes 

Tableau A 7. Rénovation d’une maison pour améliorer le captage (les cases grises 

correspondent aux rénovations possibles) 

Fenêtre 

Eléments 

Plus de fenêtres / Fenêtres plus grandes 

Nouveau type de fenêtre ou de vitrage 


237 

Toit 

Espace sous le 

toit 

Tableau A 8. Rénovation d’appartements pour améliorer le captage 

Fenêtre 

Eléments 

Plus de fenêtres / Fenêtres plus grandes 

Nouveau type de fenêtre ou de vitrage 

Toit 


toit 

Façade 

Façade 

Fenêtres 

Fenêtres 

Etendre 

l’espace 

Etendre 

l’espace 

Améliorer la 

performance 

thermique 

Améliorer la 

performance 

thermique 

Améliorer 

l’éclairage 

naturel 

Améliorer 


naturel 

Cette étude porte sur le remplacement des fenêtres : le double vitrage LowE+Argon avec 

menuiserie en bois avec rupture de pont thermique se substitue au simple vitrage et 

menuiserie en bois classique. Les infiltrations par les fenêtres sont également réduites en 

considérant dans la modélisation des fissures induites par ces éléments avec les valeurs 

correspondantes (Cf. partie sur le vent et la ventilation naturelle). 

A1.8. Conclusions sur la fenêtre 

Elément essentiel de la conception bioclimatique, la fenêtre s’associe à plusieurs stratégies : 

la captation de l’énergie solaire, la ventilation, l’éclairage naturel mais également le 

contrôle du rayonnement solaire. Nous avons réalisé une synthèse bibliographique qui 

intègre des aspects architecturaux et thermiques. La fenêtre apparaît comme un élément 

important dans la démarche d’optimisation bioclimatique d’autant plus qu’elle est 

intégrable dans une maison déjà construite. Le remplacement des fenêtres peut alors 

diminuer les besoins de chauffage, mais il peut aussi améliorer le confort visuel. 

Sur le plan thermique les fenêtres constituent une des sources principales de déperditions 

du bâtiment. Il s’agit ici de maximiser le coefficient de gain solaire total et la résistance 

thermique de l’assemblage cadre - verre. Dans nos applications nous avons considéré le 

remplacement du vitrage en place (simple vitrage) par des fenêtres à rupture de pont 

thermique équipées de vitrages VIR bénéficient à la fois d’un bon coefficient d’isolation et 

d’un facteur solaire élevé, c’est cette combinaison qui optimise leur performance 

énergétique. Cette solution est récurrente dans les plans d’expériences que ce soit pour le 

logement collectif ou la maison individuelle et la zone géographique considérée. 

Le dégagement des abords, l’accroissement ou l’amélioration de la surface de captage 

existante (fenêtre) et l’installation de nouvelles infrastructures destinées à tirer parti 

d’apports solaires (mur solaire, nouvel espace vitré, etc.), contribueront à réduire la 

consommation énergétique du bâtiment. Ces dispositifs sont traités dans les prochains 

chapitres.

Annexes 


238

« 

A2. LA SERRE 

Figure A 10. Illustration de la serre (Wright, 1979) 


La serre est associée à plusieurs stratégies climatiques : 

� « Capter », par l’optimisation des apports solaires 

� « Se protéger du vent », en tant qu’espace tampon 

� « Conserver », en limitant les déperditions. 

Annexes 

La serre étant un système passif de chauffage solaire, c’est-à-dire un élément 

architectural du bâtiment et non pas une machine rapportée au bâti, sa relation avec 

l’espace intérieur chauffer ne pourra pas résulter d’une improvisation. 

(Courgey et al, 2006) 

Comment de part sa construction et son fonctionnement il est possible de satisfaire ces 

stratégies ? Voici l’objet de cette partie. 

La serre est un espace vitré qui constitue un volume intermédiaire à climat intérieur 

variable. Une serre est très souvent utilisée pour le préchauffage de l'air de ventilation du 

bâtiment en hiver. La température basse de la serre n'est généralement pas régulée par un 

système de chauffage. De quoi parle-t-on ? Reprenons quelques définitions tirées du Robert 

cité par (Courgey et al, 2006) : 

� Serre : Construction vitrée, parfois chauffée artificiellement, où l’on met les 

plantes pour les protéger du froid pendant l’hiver 

� Véranda : Désigne une construction à base de perches. Galerie légère en bois, 

vitrée et adossée à une maison 

� Oriel : Fenêtre faisant saillie sur un mur de façade. 


239 

»

Annexes 

« La serre bioclimatique ou solaire est un volume vitré capteur. Séparée du logement 

proprement dit par une paroi, elle peut au choix communiquer avec lui par des fenêtres, 

portes-fenêtres, vitrages coulissants, etc. La serre bioclimatique est un espace tampon 

occultable. C’est un espace chauffant et non chauffable » (Courgey et al, 2006). 

Les bases étant posées, reprenons une introduction plus classique… 

Un grand nombre de paramètres s’intègrent dans l’analyse de la serre : orientation, forme, 

dimensions, propriétés thermiques, degré de contact avec le bâtiment principal, moyens de 

contrôle solaire, de stockage thermique et de diffusion de la chaleur. 

Le principe du chauffage (ou préchauffage) avec une serre repose sur le même que celui de 

la fenêtre déjà analysé. Ici, le rayonnement piégé cèdera une partie de son énergie aux murs 

en contact avec la maison, qui la restitueront à leur tour à l’air ambiant des pièces 

adjacentes. Le stockage de l’énergie récupérée peut se faire soit dans une maçonnerie 

lourde capable de garder l’énergie calorifique pour la restituer un certain temps plus tard, 

soit dans d’autres matériaux qui peuvent jouer ce rôle d’éléments stockeurs déphaseurs. 

La serre, comme la fenêtre, est un dispositif facilement intégrable en terme de 

réhabilitation. Elle peut par exemple s’accommoder avec la réfection d’un balcon (si tant est 

qu’au niveau mécanique cela n’impose pas trop de contraintes, mais nous ne nous 

intéressons pas à cet aspect dans notre étude). L’utilisation de la serre est présentée au 

préalable. Par la suite sa modélisation sous TRNSYS est décrite. En terme de conception, 

différents modèles de serres sont illustrés. Enfin, l’intégration de la serre dans le cadre de la 

rénovation d’un bâtiment est étudiée. 

A2.2. Utilisation de la serre 

L’énergie solaire peut être récupérée de deux manières par la serre : 

� Serre non chauffée : la masse thermique est intégrée à la serre (à l'intérieur du mur 

de séparation ou du plancher, en maçonnerie ou en eau). Une isolation mobile peut 

également être installée 

� Collecteur solaire : l’extraction de l’air chaud permet d’alimenter un stockage 

éloigné situé à l’intérieur ou sous le bâtiment 

La température à l'intérieur d'une serre varie de façon importante, et ces espaces peuvent 

ne pas être adéquats pour y vivre ou faire pousser des plantes si on ne contrôle pas 

strictement les apports solaires. La température y étant généralement plus importante qu'à 

l'extérieur, il peut être avantageux de prendre tout ou partie de l'air de ventilation du 

bâtiment dans cette dernière. Ceci doit être réalisé en utilisant des systèmes contrôlables 

plutôt que par ouverture des portes ou fenêtres. Ainsi, on note une réduction de l'énergie 

utilisée pour le chauffage, du fait que l'air pris directement à l'extérieur le serait à une 

température plus basse et demanderait donc davantage de chaleur pour l'amener à la 

température intérieure de consigne. En revanche, il est nécessaire de tenir compte du fait 

que l’extraction de l’air de la serre pour le préchauffage des locaux diminuera sa 

température intérieure et par conséquent son effet tampon et son habitabilité en hiver 

(Tareb, 2004). 


240

Annexes 

A2.3. Échanges thermiques dans la serre 

La température d'une serre dépend de plusieurs paramètres : des gains solaires, des pertes 

thermiques vers l’extérieur, des échanges thermiques avec les locaux adjacents, de sa 

capacité de stockage thermique. Les pertes thermiques peuvent être dues également à la 

présence de pièces adjacentes plus froides ou encore à des bouches de ventilation. 

Selon (Tareb, 2004), les pertes de chaleur de la serre peuvent être contrôlées en : 

� limitant la surface de son enveloppe en contact avec l'extérieur par l'utilisation de 

formes géométriques simples, et en concevant une partie du toit comme une structure 

opaque isolée, 

� utilisant des vitrages doubles, peu émissifs ou des volets isolés durant la nuit, 

� utilisant des volets contrôlables en partie basse et haute de la serre pour évacuer 

l'excès de chaleur quand cela est nécessaire. 

Les échanges thermiques avec les locaux adjacents s’effectuent par rayonnement à travers 

des parois transparentes de séparation et par conduction à travers les éléments opaques ou 

transparents. Ils sont fortement dépendants de la température de la serre et de celle des 

espaces adjacents. 

En période froide et non ensoleillée le sens du flux de chaleur va des locaux chauffés vers 

la serre : la serre gagne de la chaleur dans ses échanges avec les locaux adjacents et son rôle 

est celui d'un espace tampon alimenté par ces flux et par le rayonnement solaire. 

Cependant, si les fenêtres et les portes de liaison sont laissées ouvertes un certain temps, la 

température des locaux adjacents va baisser et leur demande énergétique de chauffage peut 

augmenter (Tareb, 2004). Les jours ensoleillés de printemps ou d'automne, la température 

de la serre peut dépasser celle des locaux chauffés et contribue au chauffage du bâtiment 

(cf. Tableau A 9). En outre, plus la surface de contact entre la serre et les locaux adjacents 

est importante, plus l'effet de tampon thermique est important. Les pièces dont des fenêtres 

et des portes communiquent avec une serre bénéficient davantage de l'effet tampon. Ces 

ouvertures adjacentes doivent rester closes tant que la température de la serre est inférieure 

à la température des pièces chauffées. 

Les gains, les pertes et les échanges avec les zones adjacentes peuvent être modélisés sous 

TRNSYS. Cette modélisation va dépendre de la typologie de la serre (cf. § A2.5 ). Si c’est 

une serre encastrée, on peut considérée une grande surface vitrée dans le modèle de 

bâtiment. Pour une serre accolée, il existe un Type spécifique. La serre accolée est 

modélisée dans TRNSYS par le TYPE 37 (Trnsys, 2004) : « Attached Sunspace ». TRNSYS 

offre la possibilité d’adjoindre à la serre une masse thermique supplémentaire. L’utilisateur 

a donc le choix entre deux modèles de serre : un avec dispositifs thermiques additionnels 

de stockage de masse (TYPE 37 a), l’autre sans masse thermique (TYPE 37 b). La serre est 

considérée comme un grand capteur solaire où l’espace entre le vitrage et la surface 

absorbante est suffisamment grand pour être employé comme espace habitable 

additionnel. 

Après avoir traversé le vitrage, le rayonnement solaire est absorbé par le mur et le plancher 

de la serre. Il atteint le bâtiment adjacent par conduction à travers le mur commun. De plus, 

les ouvertures optionnelles de mur permettent le transfert par convection de l’air chauffé 

par la serre vers le bâtiment. La serre perd de l’énergie par le sol par conduction à travers le 

plancher et avec l’extérieur par conduction, convection, rayonnement et infiltration d’air à 

travers les surfaces vitrées. Les pertes par les vitrages peuvent être réduites en employant 

l'isolation mobile. Une fonction de contrôle est disponible pour l’utilisateur qui veut gérer 


241

Annexes 

l'isolation. Quand l'isolation du vitrage est active, aucun rayonnement solaire ne traverse la 

serre. La ventilation de la serre est également contrôlée par les entrées renseignées par 

l’utilisateur. Une fonction de contrôle détermine l’air entrant de l’extérieur ou du bâtiment, 

et une entrée différente commande la proportion de l’écoulement de la masse d'air. Les 

murs peuvent être vitrés ou réfléchissants. Il n’est possible d’utiliser qu’un seul modèle de 

serre par simulation sous TRNSYS. Par ailleurs, La serre est supposée orientée plein sud. 

La géométrie de la serre considérée est illustrée sur le schéma suivant : 

Figure A 11. Géométrie de la serre (Trnsys, 2004) 

Les transferts de chaleur et les températures de la serre sont calculés à partir des bilans 

énergétiques nodaux. La Figure A 12 représente le réseau de conductances employé pour 

modéliser les transferts thermiques. 

Ces conductances sont calculées à partir de la géométrie fixée par l’utilisateur, des 

propriétés thermiques et des coefficients de transfert thermique. Les calculs de la 

conductance infrarouge à l’intérieur de la serre sont basés sur les facteurs d’échange 

(Beckman, 1971). L'entrée 1 est la fonction de contrôle de l’ouverture de la serre. Les 

équations suivantes décrivent les transferts de chaleur : 

Si 

Si 


242 

Si

Figure A 12. Réseau de conductances de la serre (Trnsys, 2004) 

Annexes 

Le traitement du rayonnement solaire est différent pour les flux direct et diffus. La fraction 

directe transmise est calculée pour chaque couche du vitrage et pour chaque incidence par 

un sous-programme de TRNSYS. Les projections verticale et horizontale du rayonnement 

direct pour chaque vitrage orienté sud sont évaluées en fonction de la géométrie de la serre 

pour déterminer les fractions du flux direct incident arrivant sur chaque surface. L'angle 

d'incidence du rayonnement diffus est supposé égal à 60°. Le rayonnement diffus est 

distribué sur les surfaces de la serre en utilisant les facteurs de forme de Hottel (Siegel et al, 

1981). Le rayonnement direct est distribué en projetant la géométrie solaire sur un plan 

vertical nord-sud. Le rayonnement solaire absorbé est calculé à partir du rayonnement 

incident et des facteurs d’échange similaires à ceux qui ont été utilisés pour les 

conductances infrarouges. Le plancher, le mur, et les noeuds de la masse supplémentaire 

ont la capacité de stocker l'énergie en tant que chaleur sensible et on suppose que le vitrage 

et les nœuds d'air ont une capacité thermique négligeable. Le composant serre utilise un 

sous-programme interne d'intégration pour permettre des pas de temps de simulation plus 

grands que le pas de temps critique de la serre. La description détaillée de ce modèle est 

donnée dans (Parsons, 1983). 

Ce modèle possède donc des fonctions de contrôle de la protection de la serre et du débit 

qui découlent des principes de fonctionnement d’une serre. 


243

A2.4. Fonctionnement d’une serre 

Hiver 

Eté 

Jour 

Figure A 13. Fonctionnements diurnes et saisonniers de la serre (Michel, 2004) 9 

Annexes 

La serre peut être conçue de façon à favoriser les gains en hiver et à éviter les surchauffes 

en été (cf. Figure A 13). Ce dispositif a donc un fonctionnement saisonnier, mais aussi 

journalier : 

A2.4.1. Variations journalières 

Les gains solaires sont favorisés en journée en périodes froides. La nuit, les pertes 

thermiques par échange avec la voûte céleste sont évitées par l’installation d’une protection 

adéquate. 

Il est crucial d’éviter les surchauffes provoquées en été dans la serre pour cela (Collard et 

al, 1996) précisent la façon de les réduire (même si ils notent que quelles que soient les 

dispositions prises, en été, le climat de la serre sera malgré tout plus inconfortable) : 

� la ventilation (cf. § A2.4.3) 

� les protections solaires (cf. § A2.4.6) : elles peuvent être intérieures (stores 

réfléchissants IR) ou extérieures (marquise oblique verticale, marquise à bras de projection, 

rouleaux de lattis, lamelles orientables ou non) ou directement dans le vitrage : verre 

antisolaire. 

A2.4.2. Variations saisonnières 

La température intérieure d'une serre peut monter de 5 à 20°C au dessus de celle de 

l'extérieur selon les conditions météorologiques (Tareb, 2004). Le comportement de la serre 

en fonction des saisons est décrit dans le Tableau suivant : 

9 (Michel, 2004) « Techniques passives », Michel P., Cours du Master MEGA, 2004 


244 

Nuit

Tableau A 9. Stratégies à adopter en fonction des variations saisonnières de la serre 

Périodes peu ensoleillées et de 

température basse 

La température intérieure de la 

serre deviendra plus 

importante que celle de 

l'extérieur mais sera inférieure 

à celle des locaux chauffés 

adjacents. 

Il est donc préférable de 

maintenir les portes et fenêtres 

des parois séparant la serre de 

ces locaux fermées. 

La serre aura un effet de 

tampon thermique vis à vis de 

ces locaux et de l'air neuf, 

provenant de la serre, peut 

contribuer à la ventilation du 

bâtiment en réduisant la 

consommation énergétique par 

rapport à de l'air pris à 

l'extérieur. 

Jours ensoleillés en inter-saison Jours chauds 

La température intérieure de la 

serre peut atteindre ou 

dépasser la température de 

consigne des locaux chauffés, 

pouvant ainsi contribuer au 

chauffage du bâtiment. 

Les transferts de chaleur entre 

la serre et les autres pièces 

doivent être facilités en 

ouvrant les portes et fenêtres 

de communication entre ces 

deux espaces. 

A2.4.3. La ventilation de la serre 

Annexes 

Les gains solaires importants 

peuvent rendre la serre 

inconfortable car trop chaude. 

Des mesures spécifiques pour 

contrôler les gains solaires et 

les transferts de chaleur 

intempestifs doivent être prises 

(Collard, 1996) : 

- par occultation des 

vitrages ou par ouverture 

de ceux-ci 

- par aération au 

moyen d’une surface 

d’ouvrants. Des 

ouvertures devront se 

situer en partie haute. 

La serre peut également 

contribuer à la sur ventilation 

nocturne en été. 

Les stratégies de ventilation sont décrites dans le Tableau A 9 précédent. Durant les 

périodes froides, la ventilation s’effectuera entre la serre et les locaux adjacents si la 

température de cette dernière est supérieure à celle du bâtiment. La nuit, on cherchera à 

isoler la serre du bâtiment. 

Figure A 14. Illustration de la ventilation naturelle de la serre (Courgey et al, 2006) 

Afin de réduire les surchauffes en période chaude, la chaleur peut être évacuée par 

ventilation naturelle en installant une entrée d’air frais dans la partie inférieure et en 

évacuant l’air chaud par les parties hautes (Figure A 14), c’est l’effet « cheminée » évoqué 

dans la partie traitant de la ventilation naturelle. Différents dispositifs d’aération sont 

disponibles : fenêtres/ portes ouvrantes, fenêtres et portes coulissantes, fenêtres et portes 


245

Annexes 

accordéon, clapets ou grilles de ventilation, ventilateur au plafond, ventilateur dans un 

élément de façade (Collard et al, 1996). Pour que la température de la serre reste proche de 

la température extérieure et diminue ainsi les risques de surchauffes, la ventilation de la 

serre doit être très importante (de 5 à 10 vol/h) (Courgey et al, 2006). 

Par ailleurs, la serre peut être associée à un puits canadien permettant ainsi de préchauffer 

l’air en période froide et de le rafraîchir en période chaude. 

Le tableau ci-dessous résume les différents principes de ventilation : 

Tableau A 10. Principes de ventilation de la serre suivant les saisons (inspiré de (Courgey et al, 2006)) 

Saison froide Saison chaude (journée) Nuits d’été 

L’air neuf est préchauffé par la 

serre 

Les communications entre la 

serre et les locaux adjacents sont 

fermées 

Le bâtiment entier est ventilé : sa 

structure est ainsi tempérée par la 

fraîcheur de l’air extérieur 

Généralement, le principe de ventilation dans les bâtiments anciens est la ventilation 

naturelle. La rénovation classique d’un bâtiment consiste à installer une ventilation 

mécanique (se référer au chapitre sur le vent et la ventilation naturelle). (IEA, 1997) apporte 

des informations sur la ventilation de la serre dans le cadre d’une rénovation notamment 

par les conduits dans les immeubles collectifs : l’air extérieur devrait entrer dans 

l’appartement par la serre et devrait être transporté dans tout l’appartement. Pour un effet 

optimum, l’air ventilé doit être régulé 10. 

Bâtiment non rénové : ventilation 

naturelle 

Rénovation standard de la 

ventilation 

Serre (ventilation mécanique, 

infiltrations passives à travers la serre) 

Figure A 15. Ventilation par la serre dans un bâtiment existant (inspiré de (IEA, 1997)) 

10 Une ventilation mécanique est généralement suffisante pour atteindre cet objectif. 


246

A2.4.4. L’inertie de la serre 

Annexes 

Le choix de l’inertie de la serre correspond à la façon dont on veut associer le logement 

proprement dit à ce dispositif (Courgey et al, 2006) : 

� une inertie légère favorisera le chauffage du bâtiment. L’ensemble des parements 

devrait alors être géré pour privilégier le rayonnement sur la paroi mitoyenne 

� une inertie lourde, améliorera l’habitabilité de la serre. L’inertie peut être 

augmentée par la mise en place d’accumulateurs annexes. 

(Guenoun et al, 1980) notent que le procédé Trombe est une illustration particulière du 

principe de fonctionnement de l’effet de serre et de l’inertie. Il se distingue du système 

utilisé pour la serre que par la distance qui sépare le vitrage du mur de stockage et le 

volume de stockage qu’il offre. En effet, grâce au sol et aux objets que peut contenir la pièce 

vitrée, la quantité d’énergie stockée est plus importante. 

A2.4.5. Angle d’inclinaison de la serre 

Une serre accolée au sud d’un bâtiment est considérée avec un mur de maçonnerie 

commun, les parois latérales de la serre étant isolées et non vitrées. A surface frontale 

équivalente, on regarde l’influence de l’angle d’inclinaison de la face (cf. Figure A 16) puis 

de la taille et de l’angle de la partie vitrée de la toiture de la serre 11 (cf. Figure A 17). Au 

Sud, les performances sont réduites de moins de 20% si l’ont considère une paroi vitrée 

verticale qui présente l’avantage de causer le moins de surchauffe en été. 

Figure A 16. Variation de l’angle d’inclinaison de la face avant d’une paroi orientée sud : les 

performances ne varient que de 20%. En été, les surchauffes sont moindres en rapprochant l’inclinaison 

de la verticale (Pacer, 2006) 

Figure A 17. Variation de la taille et de l’angle de la partie vitrée de la toiture de la serre : les 

performances ne varient que de 10 à 15%. En été, les surchauffes sont moindres en rapprochant 

l’inclinaison de la verticale (Pacer, 2006) 

11 (Pacer, 1996) 


247

A2.4.6. La protection de la serre 

Annexes 

La serre doit être protégée en hiver en soirée pour éviter les déperditions par échange des 

vitrages avec la voûte céleste et en été en journée pour minimiser les gains solaires. 

L’installation de végétation à feuilles caduques est tout à fait associable à ce dispositif, 

procurant ainsi une protection adéquate en été. Il n’empêche que la végétation dépend du 

milieu environnant et est surtout pertinente dans le cadre des maisons individuelles. 

D’autres dispositifs d’ombrage peuvent être installés et plus facilement généralisables : 

Tableau A 11. Serre : différents types de protection (Collard et al, 1996) 

Désignation 

Matériau 

Verre antisolaire Marquise 

oblique 

verticale 

Verre avec film 


Toile 

synthétique 

Extérieur Intérieur 

Marquise à 

bras de 

projection 

Toile 

synthétique 

Rouleaux de 

lattis 

Lamelles 

(orientables) 

Stores 

réfléchissants IR 

Bois Aluminium Feuille 

synthétique avec 

film réfléchissant 

Efficacité 

Faible - moyenne Moyenne 

élevée 

- Moyenne 

élevée 

- Moyenne 

élevée 

– Moyenne - élevée Moyenne 

- Largeur max Longueur Largeur : 90, 100, Largeur max des Largeur max du 

Dimensions 

du store : 350 max des 140, 160, 180, 200 lamelles : 150 – 170 rouleau : 160 

cm 

bras : 350 cm 

Coût12 Faible Elevé Faible Moyen Elevé Moyen 

Pente min. 5° 30° 5° 10° 0° 15° 

Avantages 

Inconvénients 

- pas de mesure 

technique 

- pas de 

manœuvre 

- atténuation de 

l’éblouissement 

- permanence de 

la protection (y 

compris pendant 

chauffage) 

- réflexion 

importante à 

l’extérieur 

combinaison 

d’une 

protection 

oblique et 

verticale 

avec un seul 

mécanisme 

- angle de 

pente à 

partir de 

30° 

- solution 

économiqu 

e 

- projection 

limitée 

- solution 

« naturelle » 

- manœuvre 

manuelle 

uniquement 

- risque de dommage en cas d’absence 

- automatisation uniquement moyennant une 

dépense importante 

- bonne dispersion 

de la lumière en 

position inclinée 

- orientation pour 

captage du 

rayonnement 

solaire 

- en position 

ouverte, ombrage 

par bandes 

parallèles 

- aucune 

exposition à 

l’influence des 

intempéries 

- atténuation de 

l’éblouissement 

- réflexion 

importante à 

l’extérieur 

Par ailleurs, (Courgey et al, 2006) précise que l’emplacement de la protection dépend de la 

position de la serre dans le projet, de sa forme et de l’usage qui est fait de l’espace serre et 

que la protection des parois verticales est plus facile à mettre en œuvre et à manipuler 

quotidiennement (cf. Tableau A 12). 

La partie traitant de la serre dans le cadre d’une rénovation de bâtiment donne des 

évaluations de besoins effectuées dans le cadre de travaux de l’Agence Internationale de 

l’Energie (IEA, 1996), pour deux positionnements différents de la protection de la serre. Il 

est aussi possible d’améliorer le coefficient de réflexion de la protection afin d’optimiser le 

captage passif de l’énergie solaire. 

12 Protection non automatisée. 


248

Tableau A 12. La protection des parois verticales (inspiré de (Courgey et al, 2006)) 

Isolation mobile contre la paroi 

mitoyenne 

Serre non habitable la nuit et la 

température peut y baisser fortement. 

Pertes de la paroi mitoyenne vers la 

serre : très faibles 

Isolation mobile derrière le 

vitrage extérieur 

Serre conservée dans l’espace 

principal : sa température baisse peu 

la nuit. Restitution d’une part des 

calories de la paroi mitoyenne vers la 

serre qui bénéficie également du 

rayonnement du sol 

Annexes 

Isolation mobile intermédiaire 

La partie interne de la serre reste 

incluse dans l’espace principal et 

bénéficie des restitutions de la paroi 

mitoyenne 

(Courgey et al, 2006) note que « les isolations mobiles prévus pour la nuit peuvent 

également servir à moduler les apports solaires pendant le jour, par exemple en 

privilégiant la réflexion vers l’intérieur le matin, et l’accumulation de la paroi mitoyenne 

lourde l’après-midi » : 

Figure A 18. Protections mobiles polyvalentes (Courgey et al, 2006) 


249

A2.5. Les différents types de serres 

Annexes 

Nombre de géométries de serres existent : simplement ajoutées à la façade, partiellement 

ou totalement intégrées au bâtiment, couvrant partiellement ou complètement toute la 

largeur du bâtiment, sur un étage, un étage et demi, deux étages ou plus (Figure A 19). 

Parfois même des serres isolées fournissent de l'air chaud à des appartements avec l'aide de 

conduits et de ventilateurs (Tareb, 2004). 

Serre intégrée Serre semi intégrée Serre attachée Serre sur toute la longueur 

Figure A 19. Modèles de serre (IEA, 1997) 

(IEA, 1997) note que les caractéristiques importantes d’une serre sont sa longueur et sa 

position sur le bâtiment et compare les économies d’énergie réalisées pour les typologies 

présentées ci-dessus : 

Figure A 20. Comparaison des consommations suivant le modèle de serre (IEA, 1997) 

La serre installée sur toute la longueur diminue au mieux les besoins. ((Courgey et al, 

2006), P. 150) obtiennent des conclusions similaires sans pour autant intégrer l’analyse de la 

serre sur toute la longueur : il note que la serre attachée (qu’ils appellent en applique ou 

accolée) procure les moindres performances que ce soit en thermique d’hiver ou d’été. La 

serre encastrée (intégrée sur la Figure A 19) représente pour eux le système le plus 

performant. L’influence de l’orientation est également étudiée en fonction du 

positionnement pour les serres ayant les meilleures performances (cf. Figure A 21). La serre 

installée au Sud (Figure A 21) procure les meilleures performances énergétiques en terme 

de réduction des besoins 13 . Cependant, l’orientation Nord réduit également la demande 

énergétique de part le fait que la serre constitue un espace tampon réduisant les pertes par 

transmission. 

13 Se reporter à la partie suivante pour la définition de la rénovation standard. 


250

Annexes 

Figure A 21. Demande de chauffage en fonction de l’orientation dans le cadre d’une rénovation (IEA, 

1997) 

A2.6. La serre et la rénovation 

L’utilisation de la serre dépend du type de construction. De nombreuses variations sont 

possibles suivant la typologie du bâtiment : la serre peut être intégrée, accolée, enveloppée 

ou encore sur un ou plusieurs niveaux. Le mur séparant l’habitation peut être vitré, 

composé ou plein. Il est nécessaire de s’assurer, avant l’installation d’une serre, que les 

différentes protections (notamment l’isolation) soient bien effectuées. En effet, de bons 

résultats bioclimatiques ne peuvent être obtenus sans que l’énergie emmagasinée soit 

utilisée entièrement et non dispersée par défaut d’isolation (Guenoun et al, 1980). (IEA, 

1997) souligne que l’installation d’une serre sur un balcon peut résoudre des problèmes 

notamment ceux des ponts thermiques (Figure A 22). Des exemples de balcons vitrés tirés 

de programmes de (IEA, 1997) sont illustrés sur la Figure A 23. 

L’approche standard de rénovation : protection de 

béton, isolation des ponts thermiques, 

maintenance ou remplacement des menuiseries, 

double vitrage et l’isolation du parapet 

Figure A 22. Vitrage d’un balcon (IEA, 1997) 

Bâtiment existant : présence de 

nombreux ponts thermiques et 

exposition des fenêtres aux conditions 

climatiques 

Les balcons vitrés peuvent protéger les 

façades existantes. Les températures 

modérées dans les serres peuvent résoudre 

les problèmes des ponts thermiques 


251

Figure A 23. Exemples de balcons vitrés installés dans le cadre d’une rénovation (IEA, 1997) 

Annexes 

Les choix et positionnement de ce dernier sont également importants. Une étude suisse 

citée par (IEA, 1997) montre que les meilleures performances sont obtenues avec le vitrage 

peu émissif (Figure A 24). 

Figure A 24. Effet du type de vitrage de la serre sur la demande énergétique (IEA, 1997) 

Cette étude montre également que si tous les paramètres sont optimisés, de plus grandes 

économies d’énergie peuvent être réalisées. Ainsi, conformément aux calculs danois, 

allemand et suisse, les besoins énergétiques passent de 105 kWh/m² (rénovation standard) 

à 40 avec le vitrage du balcon et l’installation de fenêtres peu émissives (Figure A 25). 

Par ailleurs, des demandes de chauffage similaires sont obtenues en plaçant le vitrage peu 

émissif à l’intérieur ou à l’extérieur de la façade (Figure A 26). 

Figure A 25. Effet du balcon vitré sur la demande en chauffage (IEA, 1997) 


252

Annexes 

Figure A 26. Effet du positionnement du vitrage sur la demande énergétique du bâtiment (IEA, 1997) 

Dans le cadre d’une rénovation (IEA, 1997) résume les principes de conception : le vitrage 

peu émissif devrait être utilisé soit à l’intérieur, soit sur la façade du balcon, les fenêtres 

devraient être ouvertes en été, l’air ventilé devrait être préchauffé en utilisant le système de 

ventilation, les éléments de la façade devraient être faits plus hermétiques et des 

protections adéquates devraient être installées. 

A2.7. Conclusions 

L’adjonction d’une serre à un bâtiment présente de nombreux avantages pour la saison 

froide : protection contre le vent, amélioration de l'ambiance intérieure, réduction des 

pertes thermiques par transmission et ventilation si elle couvre toute la hauteur et toute la 

largeur d'une façade, réduction des surfaces directement exposées au rayonnement solaire 

incident et aux conditions climatiques extérieures. Par contre leur installation n’est pas 

conseillée sous les basses latitudes où elles peuvent provoquer des surchauffes durant les 

périodes chaudes. La serre peut par ailleurs favoriser la sur ventilation nocturne durant ces 

périodes (cf. Tableau A 10). 

Comme pour un simple capteur solaire, il est donc possible de transférer une partie 

importante de l’énergie calorifique recueillie par une serre, vers les pièces d’habitation. Une 

masse de stockage thermique, placée entre la serre et les locaux habités, constitue une 

réserve efficace de chaleur, si des panneaux mobiles l’isolent pendant les heures sans soleil 

(Wright, 1979). 

Au niveau de la conception, la serre dispose, au-delà des aspects thermiques, d’une 

perception esthétique forte. Elle permet la création d’un espace pouvant s’utiliser pour des 

activités semi extérieures la plupart de l'année et sans apport d'énergie supplémentaire. 

Les économies d’énergie les plus importantes en période froide sont obtenues pour une 

orientation Sud (un léger écart vers l’est ou l’ouest ne contrarie que modérément la 

performance de captage (Courgey et al, 2006)). Ce résultat est arrangeant car la serre ne 

peut être modélisée que pour cette orientation dans TRNSYS. 

Par ailleurs, l’installation de vitrages peu émissifs améliore les performances de la serre et 

la position de ce vitrage ne semble pas influer énormément sur la demande énergétique en 

hiver. Si des protections adéquates sont installées et si la ventilation est strictement 

contrôlée, les surchauffes d’été dans la serre peuvent être évitées. 


253

Annexes 

Les performances des serres dépendent de nombreux paramètres. Leur comportement sera 

différent selon les saisons mais aussi, et c’est un paramètre important, de l’attitude de 

l’occupant. Ceci peut être repris sous la forme de 3H : Habitat, Habitant et Habitudes ! 

Rappelant ainsi le fait que l’utilisation des dispositifs bioclimatiques nécessite en effet une 

attention particulière de l’habitant. 

La serre, bien gérée, peut contribuer à la diminution des besoins en chauffage. Elle peut 

également participer à l’amélioration du confort. Ainsi, elle peut être occupée en hiver 

plusieurs heures après le coucher du soleil à condition qu’elle soit équipée d’une protection 

intérieure adéquate pour atténuer la sensation de froid. 

Une application d’un balcon vitré est illustrée dans les applications pour une maison 

individuelle en zone océanique et une réduction des besoins de chauffage ainsi qu’une 

amélioration de l’indice de confort d’été sont obtenus. 

La serre peut donc réduire les pertes par transmission et ventilation. Selon le climat, le 

mode de fonctionnement de la serre ou encore la typologie du bâtiment, il peut exister un 

mur de stockage thermique qui sépare la serre du bâtiment. On parle alors de mur capteur 

accumulateur traité dans la partie suivante. 


254

A3. LES MURS CAPTEUR 

ACCUMULATEUR 

Figure A 27. Configurations de chauffage solaire passif (European Commission, 1997) 

Annexes 


255


Annexes 

Si la serre favorise le captage du rayonnement solaire, autant l’ajout d’une masse 

thermique améliore le stockage de la chaleur et par conséquent un certain déphasage dans 

la restitution de cette dernière. Ce mur accumulateur constitue donc un système de captage 

et de stockage de la chaleur. Le dimensionnement et l’efficacité du mur capteur 

accumulateur dépendent de plusieurs facteurs tels que le climat, la latitude et également les 

besoins de chauffage. 

De nouveaux matériaux tels que l’isolation transparente peuvent être adjoints à la place des 

simples vitrages classiquement utilisés de façon à améliorer les performances de ce 

système. 

La simplicité de ce système invite à équiper ainsi certains murs bien exposés des bâtiments 

existants. 

L’analyse bibliographique réalisée apporte des éléments de dimensionnement et des 

données de performance qui se focalisent essentiellement sur la période froide. Qu’en est-il 

des périodes chaudes ? La simulation thermique dynamique étoffe la littérature existante 

en ajoutant des informations sur le comportement de ce système en période estivale. De 

nombreuses variantes de ces murs capteur accumulateur existent (cf. Figure A 27) telles 

que le mur Trombe, le mur rayonnant mixte, le mur d’eau intérieur, la toiture bassin. Seuls 

les murs capteurs et Trombe, présents dans la bibliothèque de TRNSYS, seront développés 

dans cette partie. 

A3.2. Utilisation du mur capteur - 

accumulateur 

Le mur capteur est, comme la serre, un espace tampon et en ce sens réduit de façon 

d’autant plus importante la conductance totale d’un espace habitable que la conductance 

de l’espace habitable est grande, c’est-à-dire thermiquement médiocre. Le mur capteur 

accumulateur permet, s’il est correctement dimensionné, de déphaser la restitution de la 

chaleur quand on en a besoin. En période estivale, il peut également favoriser la sur 

ventilation nocturne, et un stockage plus important de la fraîcheur. Il peut être intégrable 

dans le cadre d’une rénovation par l’adjonction de vitrage sur des murs anciens. Cette 

énergie stockée peut être distribuée dans l’habitation par simple transfert par conduction 

dans le mur, mais aussi par circulation d’air comme montré dans le tableau suivant 

représentant les alternatives du mur capteur accumulateur : 


256

Annexes 

Tableau A 13. Principes de fonctionnement du mur capteur accumulateur (inspiré de (EASE, 1994)) 

Pas de circulation d’air 

L’énergie collectée à travers le vitrage (1) est absorbée 

par la surface du mur (2) peinte en noire ou foncée. La 

chaleur produite est stockée dans la maçonnerie (3) et 

émise avec un certain déphasage à la pièce par 

rayonnement et convection. Une protection solaire (7) 

réduit le risque de surchauffes. 

Circulation d’air interne 

L’objectif est d’éviter l’utilisation de protection solaire 

externe pour simplifier la maintenance et réduire les 

coûts. Le contrôle des gains solaires est effectué par 

une circulation d’air réglable. En hiver, les deux 

ouvertures (6) sont ouvertes et laissent l’air, chauffé 

dans la lame (4), circuler dans la pièce. En été, les 

ouvertures sont fermées et l’isolant (5) réduit le 

transfert de chaleur. 

Circulation d’air externe (a) Eté : circulation d’air externe (b) 

L’isolation opaque n’est pas nécessaire dans ce cas, ce qui réduit l’épaisseur de mur et augmente ainsi 

l’efficacité énergétique. En revanche, la circulation d’air externe peut salir, par dépôt de poussières, le vitrage 

(1) qui devrait être accessible pour le nettoyage. La protection solaire peut être soit fournie par un dispositif 

d’ombrage (a) , soit par circulation de l’air pour rafraîchir le mur (b). Dans ce dernier cas, une ouverture 

supplémentaire (6) doit être intégrée dans la façade et devrait être fermée en hiver. 

1. Revêtement transparent 

2. Surface absorbante 

3. Masse thermique 

4. Lame d’air 

5. Couche isolante 

6. Ouverture 

7. Protection solaire 

A3.3. Echanges thermiques dans le mur 

capteur - accumulateur 

On différencie le fonctionnement saisonnier mais également diurne pour ce système. 

Suivant la période considérée, les échanges thermiques diffèrent. De plus, on distingue, 

selon la présence d’ouvertures ou non, deux grandes catégories de mur capteur 

accumulateur : le mur capteur et le mur Trombe. 


257

A3.3.1. Le mur capteur (Ademe, 2007) 

Annexes 

Le principe de fonctionnement du mur capteur est explicité sur la figure ci-dessous : le 

rayonnement solaire est valorisé par effet de serre en disposant un vitrage devant un mur 

en béton. L’énergie solaire est transmise par conduction à travers le mur puis par 

rayonnement à l’air de la pièce. Cette transmission se fait avec un déphasage pouvant 

atteindre 11 heures si l’épaisseur de béton est de 40 cm. Ce déphasage permet de chauffer 

la pièce au moment où il n’y a plus de soleil. 

Figure A 28. Principe de fonctionnement du mur capteur (Ademe, 2007) 

En raison des pertes, le mur capteur ne restitue pas la nuit toute l’énergie reçue durant la 

journée. Afin de limiter ces pertes, il faut prévoir une isolation nocturne ou mettre en 

œuvre un double vitrage (ou encore une isolation transparente). 

(Ademe (2), 2007) donne des éléments de calcul en considérant une paroi constituée d'une 

partie opaque intérieure, comme un mur en béton, d'un vitrage extérieur, et entre les deux 

d'une lame d'air non ventilée. Un facteur de transmission au rayonnement solaire du mur 

capteur est défini et s'exprime comme suit : 

Équation A 8 

Le facteur solaire S du vitrage varie de 0,64 dans le cas d'un vitrage simple avec une 

menuiserie bois à 0,60 dans le cas d'un double vitrage avec une menuiserie en métal. Le 

facteur d'absorption solaire α de la surface extérieure opaque varie de 0,9 si la teinte est 

noire ou sombre à 0,3 pour les teintes plus claires. Pour une bonne efficacité du mur 

capteur α doit être au minimum égal à 0,7. 1/Xe est la somme des résistances thermiques 

extérieures à la surface qui absorbe le rayonnement solaire, il s'exprime ainsi : 

Équation A 9 


258

Tableau A 14. Comparaison d’un mur classique et d’un mur capteur (ADEME, 2007) 

Mur 

classique 

Annexes 

Mur capteur (mur classique muni d'un vitrage 

ordinaire dans une menuiserie métallique) 

Coefficient de transmission de la paroi [W/m².°C] 0,85 0,75 

Facteur de transmission au rayonnement solaire 

du mur 

0,02 

A3.3.2. Le mur Trombe-Michel 

0,10 

(facteur d'absorption solaire du mur égal à 0,9) 

Deux personnages ont participé à son élaboration : le Professeur Félix Trombe, célèbre pour 

ses travaux sur les fours solaires, et l'architecte Jacques Michel. Souvent nommé mur 

Trombe, c’est un système directement incorporé au mur d'une maison : une des parties 

d'un mur extérieur est remplacée par un matériau translucide derrière lequel est située une 

lame d’air suivie d’un mur de stockage. 

La différence avec le mur capteur est qu’il se compose d’ouvertures hautes et basses qui 

créent une circulation d’air par thermosiphon entre la lame d’air et l’air de l’habitation. Le 

mur capte la chaleur et en utilise une partie pour chauffer l'air situé entre le mur de béton 

et le vitrage. L'air chaud étant moins dense que l'air froid, il monte. C'est cette circulation 

qui assure le chauffage de la maison (dans la pièce, l'air froid est chassé par l'air chaud 

entre le mur et le double vitrage). 

L'épaisseur du mur est telle qu'elle permet de conserver une partie de la chaleur absorbée 

durant le jour et de la restituer plus tard (la nuit par exemple). Donc le chauffage se fait : 

soit directement par l'air, soit par rayonnement lent (infrarouge) : le mur transmet luimême 

par rayonnement IR à l'air de la maison une partie de la chaleur qu'il a reçue du 

soleil. 

� En période froide 

Journée d’hiver 

- éclairage naturel par les fenêtres 

adjacentes 

- air chaud délivré par les ouvertures du 

mur 

- ajout de réflecteur pour augmenter le 

rayonnement incident 

- les murs capteurs peuvent également 

être utilisés, les transferts 

s’effectueront alors que par conduction 

Soirée d’hiver 

- les murs accumulateurs déchargent la 

chaleur aux pièces adjacentes 

- ré émission possible du rayonnement 

par le plancher et le plafond 

- protection mobile par les réflecteurs et 

les volets roulants entre autre 

Figure A 29. Fonctionnement diurne du mur Trombe en période froide (inspiré de (IEA, 1989)) 


259

Annexes 

Le rayonnement solaire transmis à travers le vitrage est absorbé par la surface noire ou 

foncée et est transformé en chaleur qui est transmise : 

� par conduction à travers la maçonnerie où elle est stockée et fournit à la pièce avec 

un certain déphasage 

� par convection à l’air situé dans la lame d’air. En se chauffant, l’air devient plus 

léger et s’élève par effet thermosiphon en circulant dans la pièce par les ouvertures 

ouvertes en hiver. 

Si le « vitrage » n’est pas un isolant transparent, mais un simple ou double vitrage, la 

température de la lame d’air peut chuter durant la nuit ou les jours couverts. Dans ce cas, 

l’air peut être refroidi dans cet espace, et l’inversion de l’effet thermosiphon peut être 

provoquée : en se refroidissant, l’air devient plus lourd et circule de haut en bas dans la 

lame d’air, provoquant le rafraîchissement de la pièce. Pour éviter ce phénomène (en 

période froide), l’occupant peut fermer une ouverture. Pour limiter cette contrainte, 

l’isolation transparente est recommandée permettant ainsi une meilleure efficacité du 

système. Une autre possibilité est de placer une feuille légère en plastique ou en aluminium 

sur une ouverture : quand l’effet thermosiphon commence à s’inverser, la feuille se colle 

sur l’ouverture et la circulation est automatiquement bloquée (Ease, 1994). 

La convection naturelle est rapide. Le transfert conductif, lui, entraîne un déphasage 

provoqué par l’inertie de la maçonnerie. La circulation externe du mur Trombe combine 

ces gains instantanés et ce déphasage. 

� En période chaude 

L’ouverture supérieure est fermée en été. Il y a deux possibilités pour la protection solaire : 

soit le mur est équipé d’une protection solaire (type volet roulant), soit l’air circule de façon 

à rafraîchir le mur, l’autre ouverture doit alors être intégrée en façade. L’effet cheminée 

conduit l’air dans la pièce, permettant à l’air extérieur d’être introduit par différence de 

pression, de préférence du côté Nord (présumé froid) du bâtiment. 

Journée d’été 

- Ventilation naturelle à travers le 

bâtiment dépendant de la température 

extérieure 

- Protections solaires par des volets 

roulants, la végétation, le surplomb… 

Soirée d’été 

- Ventilation nocturne 

- Ventiler la lame d’air entre le vitrage et 

le mur peut augmenter le 

rafraîchissement le jour suivant 

(décharge du mur) 

Figure A 30. Fonctionnement diurne du mur Trombe en période chaude (inspiré de IEA, 1989) 


260

Annexes 

A3.4. Conception et dimensionnement 

du mur capteur accumulateur 

(Courgey et al, 2006) 

Outre la zone géographique et l’orientation, le revêtement mais également le matériau 

utilisé conditionnent les performances du système. Mais pas seulement : la façon dont le 

bâtiment est utilisé ainsi que les performances du reste de l’enveloppe vont agir sur 

l’efficacité du système. Classiquement, les éléments agissant sur les performances du 

système sont cités. (EASE, 1994) permet de s’affranchir de cette énumération, en réalisant 

une étude de sensibilité montrant de façon synthétique les paramètres influant sur la 

productivité du mur capteur accumulateur. Cette dernière est définie comme la somme des 

gains nets et des pertes de chaleur d’un système de référence : le bénéfice thermique d’un 

composant devrait en effet être évalué en équilibrant ses gains et ses pertes 

supplémentaires. Un tel équilibre est obtenu par simulation thermique ou mesures 

fournissant ainsi les gains nets (gains solaires bruts – pertes de chaleur). Dans le cas du 

mur, le système de référence est l’isolation standard opaque correspondant à la 

réglementation thermique en vigueur. La plus value de cette étude est qu’elle intègre en 

sus des caractéristiques du système, certains paramètres tels que l’utilisation du bâtiment. 

Selon (EASE, 1994), le paramètre le plus influant est l’orientation (l’orientation ouest réduit 

la productivité du mur capteur accumulateur de 35% par rapport au Sud) : en absence de 

masque, l’orientation théorique optimale est le sud géographique (avec un écart admissible 

de 20 à 30°). Il est suivi du coefficient d’absorption du mur (côté extérieur) : plus foncée est 

la surface, meilleure est la productivité. Le type d’occupation influe également sur les 

performances, ce qui met en exergue l’importance du facteur humain. 

Des règles de dimensionnement sont fournies dans la littérature (citons (Ademe, 2007), 

(Courgey et al, 2006), (Mazria, 1979), (IEA, 1989)). Elles sont résumées ci-dessous : 

� Pour une pièce de hauteur normale, il faut prévoir une surface de mur capteur 

égale à 10% de sa surface habitable. Ainsi, on réalise, sur un bilan annuel, environ 30 % 

d'économies d'énergie. Par temps ensoleillé, cette surface de mur capteur sera suffisante 

pour couvrir la totalité des besoins de chauffage. L'épaisseur du mur de béton et le temps 

d'ensoleillement conditionnent la bonne efficacité du mur. Le mur doit fournir l'inertie et la 

masse suffisante pour couvrir les besoins. 

� L’épaisseur du mur (cf. Figure A 31) : elle dépend de la capacité thermique et de la 

diffusivité thermique du matériau. L’intervalle optimum, qui dépend du matériau, est 

compris entre 10 et 30 cm. Si le mur est trop épais, de l'ordre de 40 cm, il risque de ne pas 

pouvoir se chauffer suffisamment durant une journée d'hiver ensoleillée où l'on peut 

compter sur environ 5 h d'ensoleillement efficace. Si le mur est trop fin, les déperditions 

sont trop importantes et ne peuvent être couvertes par le mur. 

� Le type de matériau : les temps de déphasage de divers matériaux de construction 

en fonction de leur épaisseur et quantité de chaleur accumulée (en Wh/m².K) pour des 

épaisseurs types sont donnés Figure A 32. 

� La rugosité de la surface : la capacité d’absorption de la surface exposée au soleil 

peut être améliorée en augmentant la rugosité 

� La surface du système dépend de la typologie du bâtiment et de la zone 

climatique. 


261

Annexes 

Figure A 31. Analyse de sensibilité de l’épaisseur d’un mur en béton sur la consommation énergétique 

(EASE, 1994) 

Figure A 32. Temps de déphasage de matériaux de construction (Courgey et al, 2006) 

La méthode d’optimisation retenue dans cette étude a l’avantage de permettre un 

dimensionnement du système sur l’année en retenant comme critère la diminution des 

besoins en chauffage et en climatisation. 

Les figures décrivant les échanges thermiques dans le mur Trombe durant les saisons 

froide et chaude, montrent qu’il est également nécessaire d’appliquer une stratégie de 

protection du système : en période froide durant la nuit et les jours couverts et en période 

chaude durant le jour. Ces hypothèses sont donc retenues pour la simulation thermique 

dynamique, le modèle de mur capteur accumulateur développé sous TRNSYS permettant 

de les intégrer (cf. partie suivante). 

Une autre possibilité consiste à installer un surplomb au dessus du mur capteur comme 

indiqué dans la figure ci-dessous, moins aisé par contre à modéliser sous TRNSYS : 


262

Figure A 33. Protection du mur capteur par un surplomb (ADEME, 2007) 

Annexes 

Des solutions plus anecdotiques et moins esthétiques sont de protéger le vitrage en été à 

l'aide d'une bâche, d'un lait de chaux ou de canisses (ADEME, 2007). 

A3.5. La modélisation du mur stockeur 

dans TRNSYS (Trnsys, 2004) 

Le même Type décrit le mur capteur et le mur Trombe. Ce qui diffère est la définition de la 

fonction de contrôle qui est nulle (pas de circulation d’air) dans le cas du mur capteur. Le 

Type 36 :’Thermal Storage Wall’ décrit ce phénomène en offrant quatre modes opératoires. 

γ 

Figure A 34. Modélisation du mur capteur accumulateur dans TRNSYS (Trnsys, 2004), Type 36 


263

Annexes 

L’analogie électrique est utilisée pour décrire le mur capteur accumulateur (cf. Figure A 

34). Selon la stratégie de contrôle utilisée, l’air (entre le vitrage et le mur) peut être échangé 

soit entre la pièce et l’extérieur ou encore son écoulement peut être arrêté. La circulation est 

induite par un ventilateur ou par thermosiphon. La modélisation de l’effet thermosiphon 

n’est pas aisée et est basée sur plusieurs hypothèses : Les études analytiques de ce 

phénomène ont été confinées au cas de l’écoulement laminaire et ont négligé les pertes de 

charges au niveau des ouvertures interne et externe. 

L’étude qui mesure les flux d’air par effet thermosiphon est celle de (Trombe et al, 1977) 

citée par (TRNSYS, 2004). Ces expérimentations montrent que la plupart des pertes de 

charges sont dues à l’expansion, la contraction et au changement de direction de 

l’écoulement, le tout associé à la ventilation interne et externe. Le débit d’air par 

thermosiphon dans ce modèle a été déterminé en appliquant l’équation de Bernoulli au 

système entier d’écoulement. Par simplification, la densité et la température de l’air dans la 

lame sont supposées varier linéairement avec la hauteur. La solution de cette équation pour 

une vitesse d’air moyenne dans la lame, vaut : 

Équation A 10 

Avec Ts valant soit Ta ou TR, selon que l’air soit échangé avec l’intérieur ou l’extérieur. Le 

terme représente les pertes de charges du système. Le rapport 

intègre la différence entre la vitesse de l’air au niveau des ouvertures et celle de 

l’air dans la lame. 

A débit fixé , la résistance thermique de l’écoulement de chaleur entre la lame d’air et la 

pièce s’exprime : 


La valeur du coefficient (d’échange surfacique) de transfert hC entre la lame d’air et le mur 

ou le vitrage dépend du fait qu’il y ait ou pas un débit d’air dans la lame. 

La fonction de contrôle γ détermine le débit d’air souhaité et la façon dont l’air circule : 

� Mode 1 : le rayonnement solaire total et la transmission du vitrage sont des 

entrées comme le débit d’air de la lame 

� Mode 2 : idem que le mode 1 sauf que le débit d’air est induit par la différence de 

températures et est calculé de façon interne 

� Mode 3 : le débit d’air est une entrée et les rayonnements direct et diffus transmis 

sont traités séparément 

� Mode 4 : identique au mode 3 sauf que le débit d’air dans la lame est induit par la 

différence de températures et est calculé de façon interne. 


264

Annexes 

A3.6. Le mur capteur - accumulateur et la 

rénovation 

Dans la partie traitant de la conception et du dimensionnement de ce système, il a été 

montré que ses performances dépendaient de la conception du reste de l’enveloppe. En 

effet, selon la composition de l’enveloppe, la capacité de stockage sera plus ou moins 

grande et conditionnera la valorisation des gains solaires. L’efficacité du système dépendra 

également de sa surface relative par rapport à celle du bâtiment : les premiers mètres carré 

du mur capteur accumulateur étant les plus efficaces 14 . 

Selon la typologie du bâtiment, plusieurs variantes d’installation d’un mur capteur 

accumulateur sont possibles. Il est par exemple possible d’adjoindre un vitrage sur un mur 

existant, d’installer une surface de stockage (maçonnerie ou colonne d’eau) contiguë à une 

surface de captation du rayonnement solaire, mais on peut également imaginer de rajouter 

une « peau » isolante aux surfaces du bâtiment comme l’isolation transparente par 

exemple. 

(Courgey et al, 2006) diffèrent l’installation de murs capteur accumulateur sur les murs 

anciens traditionnels et conventionnels. Ils notent que l’épaisseur des murs traditionnels 

(50 à 60 cm) soumis au rayonnement solaire, leur confère naturellement une fonction 

captatrice en précisant que ce captage direct, sans effet de serre, procure des apports très 

limités, avec de faibles amplitudes et des fréquences de restitution étalées en général sur 

plusieurs jours pouvant avoir un bilan négatif sur la saison de chauffe. Ces performances 

limitées vis à vis de la récupération des calories solaires peuvent être améliorées par 

adjonction d’un vitrage ou d’un isolant transparent. Les auteurs précisent par ailleurs qu’il 

est par contre souvent plus aisé d’installer ce système sur le patrimoine contemporain 

(composé de murs en béton, en parpaing de ciment ou en brique, souvent très déperditifs). 

Des exemples de rénovation par installation de murs capteur et Trombe sont illustrés cidessous. 

Dans le cadre de la méthodologie adoptée, les performances de ces systèmes 

seront comparées pour une orientation Sud. Celles de l’isolation transparente seront 

également étudiées mais plutôt dans le cadre de l’amélioration de l’isolation du bâti sans 

adjonction de lame d’air entre cette isolation et les parois opaques. 

Figure A 35. Illustration du mur Trombe (Construiresolaire, 2007) 

14 (EASE, 1994) 


265

Figure A 36. Installation d’un mur capteur sur un bâtiment ancien (European Commission, 1997) 

Annexes 

Des préconisations de rénovation par l’adjonction d’un mur capteur accumulateur sont 

proposées ci-dessous en fonction de la typologie du bâtiment : 

Tableau A 15. Possibilités de rénovation par l’adjonction d’un mur capteur accumulateur 

Typologie de bâtiment Possibilités de rénovation Systèmes correspondants 

Fenêtres importantes au Sud Adjonction de masse de stockage 

de chaleur 

Enveloppe opaque avec une 

grande inertie (exemple : 

maison en pierre) 

Bâtiment d’inertie légère ou 

moyenne 

important 

avec vitrage 

Augmentation des surfaces de 

captation du rayonnement solaire 

Augmentation de la masse de 

stockage et de la surface de 

captation 

Mur en béton 

Matériaux à changement de phase 

Colonnes d’eau 

Vitrage 

Isolation transparente 

Mur en béton 


Colonnes d’eau 

Vitrage, Isolation transparente 

La littérature fournit également des exemples de rénovation par le biais de mur capteur 

accumulateur. (EASE,) présente des projets de démonstration intégrant ces dispositifs : un 

qui illustre la rénovation d’un mur Trombe réalisé à Odeillo par différents matériaux et un 

autre, qui se rapproche du cadre de notre étude, qui consiste à rénover par l’isolation 

transparente un bâtiment résidentiel Sonnenäckerweg construit en 1957 à Freiburg. La 

rénovation réalisée en 1989 sur 8 appartements, sur une surface habitable de 400m², 

consiste à l’installation de TIM (sur les façades sud est et sud ouest, installation de 120 m² 

d’isolant transparent en structure nid d’abeille équipées de volet roulant, fenêtres à double 

vitrage équipées avec des volets roulants photovoltaïques pour la protection thermique et 

le confort visuel, isolation opaque par 10 cm de mousse de polyuréthane sur les façades 

nord-est et nord-ouest, isolation opaque sur le plancher et en toiture). Le coefficient de 

déperdition thermique des surfaces externes est de 0,4 W/m².K. Cette rénovation est 

comparée à une rénovation sur les standards basse énergie avec un coefficient de 0,3 

W/m².K (10 cm de mousse de polyuréthane, isolation opaque du plancher et de la toiture, 

double vitrage Low E, ventilation double flux). Les résultats en terme de demande en 

énergie montrent que l’isolant transparent fournit les meilleures performances. 


266


Annexes 

En plus du fait de capter l’énergie solaire, le mur capteur accumulateur présente l’avantage 

de la stocker et de la restituer avec un certain déphasage. 

Son dimensionnement est fonction des caractéristiques du bâtiment. En rénovation, il peut 

permettre la réduction des besoins énergétiques, mais également l’amélioration du confort 

en période chaude du fait qu’il améliore l’isolation et réduit les ponts thermiques. 

De nombreuses variantes existent, nous en avons retenu deux, plus faciles à installer sur un 

bâtiment existant. 

L’adjonction de matériaux à changement de phase semble également constituer un bon 

sujet d’étude (cf. § A6). 

Dans les applications considérées, le mur capteur est installé sur le séjour de la maison 

individuelle. Son dimensionnement est effectué par le biais de la méthode d’optimisation. 

Cependant, les résultats obtenus dans le cadre de l’exercice effectué montrent que les 

matériaux à changement de phase (installés dans les cloisons légères) apportent de 

meilleures performances. 

En terme de perspectives, (Courgey et al, 2006) présentent de nouveaux types de murs 

capteur accumulateur valorisant les performances thermiques dynamiques du bois (avec 

un temps de déphasage de 4 à 12h et un coefficient de déperditions thermiques de 0,31 

W/m².K). 

Il serait également intéressant d’associer les matériaux à isolation transparents (qui 

favorisent la captation de l’énergie solaire tout en limitant les déperditions) aux matériaux 

à changement de phase. Ainsi, les murs capteur accumulateur intégrant la nouvelle 

génération de matériaux pourraient être étudiés. Les matériaux d’isolation transparents 

sont présentés dans le prochain chapitre. 


267

Annexes 


268

Annexes 

A4. MATERIAUX D’ISOLATION 

TRANSPARENTS 

Dans le contexte de systèmes d'énergie solaires, l'idée de réduire les pertes de chaleur par 

convection a émergé longtemps avant que le terme « d'isolation transparente » ne soit 

présenté. Ainsi, en 1929, des chercheurs russes ont enquêté sur la possibilité d'utiliser la 

basse conduction et les murs absorbants solaires comme isolation thermique (Wong et al, 

2007). Aujourd’hui, l’isolation transparente allie l’utilisation contrôlée du rayonnement 

solaire par effet de serre à la réduction des déperditions thermiques (Architecture et 

Climat, 2007). La technologie des matériaux isolants transparents (Transparent Insulation 

Material : TIM) passe actuellement du stade de la recherche à celui de son application 

commerciale. Selon (Wong et al, 2007), les matériaux isolants produits commercialement 

sont fait de polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (Okalux Kapillarglas GmbH, 

Advanced Glazings Ltd., Schott, Hauptsitz Sto AG, and Glaswerke Arnold GmbH+ Co., 

KG), mousse translucide en acrylique (Prokuwa Kunststoff GmbH) et d’aérogel (Airglass 

AB). Ces matériaux se distinguent par : 

� une résistance thermique élevée ; 

� une bonne transmission de la lumière pour une utilisation dans les systèmes de 

fenêtre. 

Figure A 37. Illustration du principe de l’isolation transparente (Architecture et Climat, 2007) 

Les TIM peuvent être appliqués dans des systèmes de fenêtres, aux murs d’un édifice ou 

encore dans les systèmes de collecteurs. Cette dernière application bien que fort 

intéressante, est plutôt en lien avec les systèmes actifs et est par conséquent écartée de cette 

analyse. Les matériaux isolants transparents se rangent aujourd'hui en deux grandes 

catégories : les structures perpendiculaires absorbantes (structures capillaires, nids 

d'abeilles, etc.) et les structures quasi homogènes (structures alvéolaires, etc.). 

Cette partie est basée sur les travaux de (Peuportier, 1993), (Wouters et al, 1995), 

(Architecture et Climat, 2007) 15 et (Wong et al, 2007). 

15 (Architecture et Climat, 2007) Isolation transparente, note de cours de Gratia E., cellule « Architecture et climat »de 

l’Université Catholique de Louvain, http://www-energie2.arch.ucl.ac.be/transfert%20de%20chaleur/3.4.5.htm, 2007 


269

Annexes 

A4.1. Les différents types de matériaux 

d’isolation transparents 

Les matériaux d’isolation transparents ont pour but de rendre le captage solaire plus 

efficace en maximisant l’effet de serre. Différentes voies ont été explorées afin de réduire les 

pertes thermiques par conduction, convection et rayonnement grande longueur d’onde, 

tout en maximisant la transmission du rayonnement visible et proche infrarouge : les 

aérogels, qui peuvent être utilisés en remplacement de la couche d’air dans le double 

vitrage et les structures capillaires ou en nid d’abeille, plutôt utilisée dans les applications 

où il importe d’avoir des gains solaires et une transmission de lumière naturelle suffisants. 

A4.1.1. Aérogel / Xérogels (Wouters et al, 1995) 

Selon (Peuportier et al, 2000), parmi les futurs matériaux à haute efficacité, l’un des 

meilleurs au niveau thermique est l’aérogel. Il permet d’atteindre une très faible valeur de 

U proche de celle d’un mur isolé : U=0,5W/m².K. 

Sa production est relativement complexe et s’obtient par un séchage supercritique en 

autoclave à haute température (280°C) et sous pression élevée (90 bars). Procédé riche en 

temps et en énergie, il existe en outre un risque d’explosion lors de la production due à la 

présence d’alcool, qui peut être limité par des variantes : 

� le xérogel : ajout de certains monomères afin de réaliser le séchage à des 

températures inférieures à 100°C et à la pression atmosphérique 

� le carbogel : l’alcool est remplacé par du CO2 permettant d’exécuter le processus à 

basses températures avec une diminution du risque d’explosion. 

L’aérogel de silice est un matériau transparent caractérisé par une porosité ouverte et des 

propriétés thermiques et optiques très intéressantes : 

� Grâce à la porosité ouverte et à la toute petite taille des pores (10 à 20 nm), il est 

possible, même avec un vide très moyen (pression d’air inférieure à 0,1 atm), d’obtenir des 

propriétés voisines de celle du vide. Le transfert de chaleur se fait alors uniquement par 

conduction à travers le gel et par rayonnement. Ce matériau se composant à 95% 

d’alvéoles, sa conductivité thermique est très faible. Les valeurs obtenues pour λ sont les 

suivantes : 

o lame d’air : λ=0,015 – 0,017 W/m.K 

o vide : λ=0,008 – 0,011 W/m.K 16 

� En raison du très petit diamètre des pores (1/40 ème de la longueur d’onde de la 

lumière), le matériau est transparent et translucide. Plusieurs types de matériaux ont des 

valeurs de transmission lumineuse de l’ordre de 0,84 à 0,87 pour des couches d’une 

épaisseur de 7 à 12 mm. Leur transmission énergétique g possède des valeurs comparables. 

En plaçant un aérogel d’une épaisseur de 12 mm entre 2 panneaux de verre, on obtient une 

valeur Ug centrale d’environ 1,1 W/m².K (lame d’air) à 0,75 W/m².K (vide). 

Les aérogels sont actuellement principalement utilisés pour des projets de démonstration et 

ne sont disponibles qu’en petite quantité. 

16 La valeur d’un isolant classique variant de 0,023 à 0,05 W/m.K. 


270

Annexes 

A4.1.2. Matériaux à isolation transparente 

capillaires 

Contrairement aux aérogels, ces produits existent déjà sur le marché. La conception de ces 

matériaux est telle que l’air y est compartimenté afin de contenir la convection. L’échange 

par rayonnement est limité par la haute valeur d’absorption du rayonnement thermique 

d’ondes longues du matériau, et la conduction est réduite par le matériau même, sa 

structure et son épaisseur. Ces structures ont une absorption élevée vis-à-vis du 

rayonnement infrarouge et sont très transparentes aux rayons solaires, en raison de la 

transmissivité élevée des matériaux et de leur géométrie (transmission élevée si les cellules 

sont perpendiculaires à la surface du mur) (Figure A 38). La Figure A 38 montre que dans 

le cas du triple vitrage : les rayons réfléchis sur les vitres successives sont redirigés vers 

l’extérieur du vitrage. Une partie de l’énergie est donc perdue. Pour la structure diffusante 

(aérogel) : une proportion rayonnement diffusée est également perdue. Quant à la structure 

alvéolaire avec cellules perpendiculaires à la surface absorbante : le rayonnement est 

toujours réfléchi vers l’intérieur. Les structures utilisant ces derniers matériaux sont 

utilisables dans les parties de fenêtres où la transmission lumineuse importe plus que le 

contact visuel, comme dans les parties hautes ou basses des fenêtres, en toiture, etc. Elles 

sont également employées pour le recouvrement des capteurs solaires dans les murs 

Trombe comme montré dans la partie présentant ce dispositif. 

Figure A 38. Transmission dans différents types de vitrage 

Parmi les isolants transparents, on distingue trois catégories (Wong et al, 2007) : 

- les structures à absorption parallèle (Figure A 39 a) : elles se composent d'une 

couverture, comprenant des éléments de vitrage multiples ou des films transparents de 

plastique parallèles à la surface absorbante. Le nombre de couches peut être augmenté 

pour réduire la perte de chaleur, mais il s'ensuit une augmentation de la réflexion 

optique et la réduction des gains solaires. Ainsi de tels systèmes ne correspondent pas 

aux critères des capteurs solaires : une haute transmission et de faibles pertes de 

chaleur. 


271

a b C 

Figure A 39. Classification des isolants transparents (Wong et al, 2007) 

Annexes 

- les structures à absorption perpendiculaire (Figure A 39 b) : comme les matrices de latte 

parallèles, en nid d’abeille ou capillaires, elles ont de faibles pertes de réflexion 

optiques, réfléchissent et transmettent efficacement le rayonnement direct entrant vers 

l'absorbeur. Cette structure est largement utilisée dans différentes applications de TIM, 

particulièrement, pour les capteurs solaires, en évitant les hautes pertes de réflexion se 

produisant dans les structures à absorption parallèle. 

- les structures à absorption double (Figure A 39 c) : elles combinent les structures à 

absorption parallèle et à absorption perpendiculaire. Elles se composent des plaques de 

tubes ou des films multiples de plastique qui réduisent efficacement la perte de chaleur 

par convection en maintenant un facteur solaire équivalent à celui d’une couverture de 

film multiple. 

Comparons maintenant les principales caractéristiques de cette structure avec les 

matériaux classiquement utilisés dans le bâtiment : 

Tableau A 16.Coefficient de déperditions et facteur solaire pour différents matériaux (Peuportier, 1993) 

Type de composant 

U en 

W/(m².K) 

Facteur solaire à une incidence de 30° 

Simple vitrage 4mm 5,7 87 

Double vitrage 4/6/4 3,4 79 

Double vitrage 4/6/4 avec revêtement à 

basse émissivité 

2,9 74 

Polycarbonate extrudé triple paroi 16mm 2,4 70 

Isolant transparent 5cm 1,5 73 

Isolant transparent 10cm 1 72 


272

Annexes 

A4.2. L’intégration des matériaux 

transparents dans le cadre d’une 

rénovation 

Vu la double fonctionnalité de ce type de matériaux (capter l’énergie solaire et favoriser 

l’isolation), avec des dimensions acceptables, il a historiquement été plébiscité dans le cadre 

de rénovations. 

A4.2.1. Application des TIM dans les systèmes de 

fenêtres 

Les TIM développés actuellement ne sont pas transparents, mais translucides. Ils laissent 

pénétrer la lumière de manière très diffuse, ce qui permet d’améliorer l’éclairement en fond 

de pièce. L’utilisation des TIM en partie supérieure d’une fenêtre favorise une bonne 

diffusion. Le gain énergétique annuel d’un TIM en remplacement d’un double vitrage est 

de 12 à 20 m³ de gaz par m² de surface de fenêtre et on ne constate qu’une faible 

augmentation des surchauffes (Architecture et Climat, 2007) 17 . 

A4.2.2. Application des TIM aux murs d’un 

édifice 

Le rayonnement solaire est transmis à travers l’isolant et absorbé par la surface noire 

(absorbeur) d’un mur opaque de brique ou de béton. La chaleur absorbée trouve son 

chemin à travers le mur vers l’intérieur du bâtiment tandis que le flux de chaleur vers 

l’extérieur est limité par les caractéristiques thermiques du matériau isolant. En effet, 

l’absorbeur réémet la chaleur dans une gamme de longueurs d’onde auxquelles les TIM 

sont quasi opaques. L’isolation transparente doit être placée à l’extérieur devant une 

maçonnerie afin de stocker la chaleur du jour sur la nuit. Cette application est d’ailleurs 

celle retenue dans le cadre des bâtiments étudiés. 

Expérimentalement, si le rayonnement solaire est faible, les gains solaires sont suffisants 

pour compenser les pertes thermiques du bâtiment. Si le rayonnement augmente, le mur 

intérieur se comporte comme un radiateur à basse température car sa température est 

supérieure à celle du local, ce qui permet d’assurer en période froide le confort des 

occupants tout en réduisant la température de l’air. La masse thermique du mur permet 

d’atténuer les variations de température mais une protection solaire reste indispensable 

pour prévenir des surchauffes (Architecture et Climat, 2007). 

Selon (Braun et al, 1992) cités par (Wong et al, 2007), les premières expériences in situ avec 

les TIM ont été entreprises en 1982 par le FISES qui utilisait 16 millimètres de mousse 

PMMA épaisse. Les gains mensuels mesurés en hiver étaient alors compris entre 1 et 3 

kWh/m. Jusqu'à présent, plus de 5000 m² de TIM ont été installés en façade dans plus de 20 

projets partout dans l'Europe, qui impliquent surtout des bâtiments domestiques à hauteur 

17 (Architecture et Climat, 2007) Isolation transparente, note de cours de Gratia E., cellule « Architecture et climat »de 

l’Université Catholique de Louvain, http://www-energie2.arch.ucl.ac.be/transfert%20de%20chaleur/3.4.5.htm, 2007 


273

Annexes 

limitée, notamment sous l’impulsion de la tâche 20 de (IEA, 1997). Dans des projets de 

démonstration relevés par (Wong et al, 2007) on peut noter des économies d’énergie 

comprises entre 100 et 200 kWh/m². Ainsi des réductions de consommation énergétique de 

l’ordre de 40% sont obtenues à Glasgow sur une résidence universitaire sur laquelle des 

TIM ont été installés en façade Sud. Par ailleurs, les auteurs notent qu’en faisant varier 

l’épaisseur de TIM (35mm, 100mm et 200mm), (Lien et al, 1997) concluent qu’ils contribuent 

faiblement à la réduction des besoins énergétiques, mais augmente en revanche de façon 

significative l’investissement. 

A4.2.3. Système de couverture de toit en nid 

d’abeille 

(Kaushika et al, 1992) cités par (Wong et al, 2007) ont appliqué une structure en nid d’abeille 

sur une toiture plate en béton pour une application en période froide. Le principe est décrit 

sur la figure suivante : 

a. Vitrage 

b. Plaque de TIM en nid d’abeille 

c. De 4 à 16 cm de lame d’air 

d. Surface absorbante 

e. Plaque de béton 

f. Espace intérieur 

Figure A 40. Plan du système de couverture de toit en nid d’abeille (Wong et al, 2007) 

Il n’empêche que le risque pressenti avec ce type de système est la dégradation du confort 

d’été, car l’effet de serre étant renforcé, le risque de surchauffe est plus élevé. Par ailleurs, le 

flux maximal étant reçu par une surface horizontale (Flory-Celini et al, 2006), ce phénomène 

est accru pour ce type de façade. Dans une approche passive cohérente sur l’année, ce type 

d’installation devrait être comparée avec celle d’une toiture végétale. 

A4.3. Modélisation des matériaux 

d’isolation transparents sous 

TRNSYS 

Les matériaux d’isolation transparents sont traités comme des fenêtres normales sous 

TRNSYS avec des données correspondantes. 

Il existe deux façons de modéliser une fenêtre sous TRNSYS (cf. § A1) : 

- Soit en définissant tous ses paramètres thermo physiques dans la librairie consacrée 

à cet effet. L’utilisateur doit alors rentrer dans le programme et définir notamment 

l’absorption, la transmission et le facteur solaire en fonction de l’angle d’incidence. 


274

Annexes 

- Soit en utilisant un Type spécifique (le Type 35). Il est alors nécessaire de renseigner 

la température de la zone, la température extérieure, la conductance thermique et le 

rayonnement solaire. Puis selon la variante choisie soit le facteur solaire de la 

fenêtre (Type 35 a), soient le flux direct et l’angle d’incidence (Type 35 b). 

Les données disponibles dans la littérature poussent à opter pour le second choix. 

L’avantage du Type 35 se justifie également par le fait que le choix des paramètres de 

l’isolant transparent peut se faire par la méthode d’optimisation. Ainsi les valeurs limites 

retenues sont celles indiquées sur la Figure 28 dans le corps de texte : 

- facteur solaire compris entre 0,45 et 0,65 

- conductance thermique variant entre 0,6 et 2 W/m².K. 

Comme l’isolant transparent s’installe par l’extérieur des façades opaques dans nos cas 

d’étude (pour favoriser l’effet de serre et limiter les ponts thermiques), il est nécessaire de 

créer des zones adjacentes fictives pour chaque orientation. Ces zones fictives, de masse 

thermique négligeable et de forts coefficients convectifs (pour modéliser le contact direct), 

sont ensuite connectées aux différents Types 35 (un Type par orientation). 

A4.4. Conclusions sur l’isolation 

transparente 

Les matériaux d’isolation transparents ont l’avantage de pouvoir se substituer à deux 

composants du bâtiment : l’isolation thermique et le vitrage. Pourquoi ces matériaux qui 

présentent des propriétés physiques favorisant la captation et la conservation de la chaleur 

ne sont-ils pas plus développés notamment dans le cadre d’une rénovation ? 

(Wong et al, 2007) apportent des éléments notoires de réponse en spécifiant les barrières au 

développement et à l’implantation de ces systèmes : 

- l’imperfection de la fabrication des TIM fait que les valeurs théoriques utilisées 

dans le cadre des simulations sont éloignées des valeurs qui peuvent être 

mesurées ; 

- l’investissement onéreux ; 

- les problèmes de surchauffes : les protections solaires mécaniques utilisées pour 

compenser le problème sont susceptibles d’échouer et requièrent une maintenance 

fréquente et dispendieuse. 

Une autre cause, peut être non avouée, réside dans le fait que, malgré les avantages 

certains présentés dans la littérature, des échanges avec des experts d’EDF R&D font 

ressortir que la mise en œuvre de ces systèmes demeure délicate. En effet, face aux faibles 

valeurs de conductivité thermique, la moindre imperfection d’installation entraîne 

l’apparition de ponts thermiques importants. 

Un des freins du développement, et ceci est bien souligné dans l’article de (Wong et al, 

2007) est également l’incertitude sur l’évaluation de l’investissement économique dû au 

choix de l’installation de ce type de système. De nombreux systèmes sont ainsi développés 


275

Annexes 

pour des projets spécifiques, et ceci en particulier pour les projets de rénovation (IEA, 

1997). 

Ceci étant, en terme de modélisation, par des astuces sous-tendues par la compréhension 

physique des phénomènes mis en jeu, l’intégration de ce type de système a pu être réalisée 

sous TRNSYS et donne des résultats probants notamment en terme de dimensionnement 

par la méthode d’optimisation comme montré au § 7 de cette thèse. Dans ces applications, 

les TIM ont été installés par l’extérieur sur les parois opaques. 


276

A5. LES PROTECTIONS 

SOLAIRES 

Annexes 

Les gains solaires peuvent être des sources de surchauffes et d’éblouissement dans les 

bâtiments en saison chaude. Les contrôler permet d’améliorer le confort thermique et visuel 

en réduisant les surchauffes et les risques d'éblouissement, tout en assurant l'intimité. 


Le rayonnement solaire incident sur une surface peut provenir de trois sources : le 

rayonnement solaire direct en provenance du soleil, le rayonnement diffus provenant de la 

voûte céleste, et le rayonnement réfléchi par les surfaces environnantes. Contrôler les gains 

solaires c’est tenter d’agir sur ses trois composantes. En protégeant les parois opaques 

comme les parois transparentes, le contrôle des apports solaires limite les gains solaires 

directs entrant dans le bâtiment. Il peut également, secondairement, limiter les 

rayonnements diffus et réfléchi. Les conditions climatiques, le type de bâtiment et son 

usage influencent l'importance relative de ces différents facteurs. 

Le contrôle solaire doit être fait en parallèle avec l'éclairage et la ventilation naturels. Les 

niveaux intérieurs d'éclairage naturel et la ventilation naturelle ne doivent pas être négligés 

au point que l'éclairage artificiel et la ventilation mécanique soient nécessaires. La 

modulation des gains de chaleur solaires entrant dans un bâtiment est permise par : 

l’orientation et la géométrie des ouvertures, les dispositifs de protection solaire ou encore 

le contrôle des propriétés solaires et optiques des éléments opaques et transparents. 

Le dispositif de protection devrait être dimensionné de façon à exclure le rayonnement 

solaire en été et de l’admettre en hiver quand il peut améliorer le confort et réduire les 

charges de chauffage. 

A5.2. Orientation et géométrie des 

ouvertures 

Les gains solaires à travers les ouvertures peuvent être contrôlés par leur orientation, leur 

taille et leur inclinaison. Les ouvertures orientées au Sud favorisent les gains solaires en 

hiver et peuvent être facilement protégées en été. La protection des orientations est et ouest 

présente des difficultés à cause de la hauteur basse du soleil dans le ciel. Par ailleurs, les 

ouvertures orientées ouest sont associées, sous nos latitudes, à des conditions extérieures de 

température et de rayonnement solaire importants. Pour cette orientation, il est 

recommandé de minimiser ou de remplacer par d’autres solutions comme des ouvertures 

au sud ou au nord sur cette façade comme montré sur la figure suivante : 


277

Figure A 41. Ouvertures au Nord ou au Sud pour des façades orientées Ouest et Est (adapté de 

(Santamouris et al, 1996)) 

Annexes 

Les fenêtres orientées Nord permettent des gains solaires limités sauf en été, très tôt le 

matin et en fin d’après-midi, et ont l’avantage de laisser entrer l’éclairage diffus dans les 

pièces contiguës. 

Pour chaque orientation, la taille des 

ouvertures devrait être définie 

conformément aux exigences énergétiques 

annuelles (chauffage, refroidissement, 

éclairage) pour un bâtiment donné. Elle ne 

peut être définie globalement, car 

dépendant de la latitude, la localisation, 

les fonctions et l’architecture du bâtiment. 

Figure A 42. Chaque orientation requiert une protection adaptée (Tareb, 2004) 

A5.3. Les dispositifs de protection 

solaire 

Les dispositifs de protection solaire peuvent bloquer le rayonnement direct (en général le 

plus important), réduire dans des proportions variables le rayonnement diffus et le 

rayonnement réfléchi mais aussi influencer également l'éclairage naturel, l'éblouissement, la 

vue extérieure et la ventilation. 

Les objectifs des bonnes protections solaires peuvent être déclinés comme suit : 

� réduire ou bloquer le rayonnement solaire direct aux périodes où cela est 

nécessaire 

� contrôler les rayonnements diffus et réfléchis 

� limiter l'éblouissement dû aux sources extérieures. 

Dans la recherche d’une solution optimale du dimensionnement des protections solaires, 

plusieurs objectifs contradictoires s’opposent : 


278

Annexes 

� bloquer les gains solaires directs durant la saison chaude 

� permettre une pénétration maximum du rayonnement solaire durant la saison 

froide 

� contrôler l’éblouissement par jours clairs en diffusant l’éclairage dans l’espace ou 

en réfléchissant une partie vers le plafond par exemple 

� permettre simultanément la protection solaire et la ventilation naturelle. 

Figure A 43. Les dispositifs de protection solaire 

La disposition des protections solaires mobiles ou fixes (cf. Figure A 43) devrait être 

considérée comme une partie intégrante des systèmes de dimensionnement des fenêtres. 

Bloquer le soleil avant qu’il atteigne l’intérieur du bâtiment est la méthode la plus efficace 

pour réduire les charges de refroidissement. Ainsi, le dimensionnement d’une protection 

fixe dépend de la surface et de l’orientation de l’ouverture par rapport à la position du 

soleil. Généralement, une protection horizontale est utilisée pour les façades sud, 

contrairement aux orientations Est et Ouest où une protection verticale est plus appropriée. 

La plupart des protections fixes sont installées à l’extérieur du bâtiment afin de dissiper la 

chaleur du soleil absorbée par l’air extérieur. Le même dispositif installé à l’intérieur 

réduira son efficacité de 30% en moyenne. En effet, les dispositifs d’ombrage extérieurs 

dissipent la chaleur par convection et le rayonnement grande longueur d’onde. En 

revanche, les dispositifs internes dissipent la chaleur à l’intérieur du bâtiment. 

Des dispositifs réglables peuvent être contrôlés de la fenêtre par un dispositif automatique 

ou manuel. Les stores vénitiens illustrent ainsi ce propos : ils sont parfois intégrés dans une 

double façade entre deux vitrages et sont gérés par un mécanisme intérieur. Plusieurs 

dispositifs sont donc disponibles et correspondent à une typologie décrite dans le prochain 

paragraphe. 


279

A5.4. Typologies des protections 

solaires 

Annexes 

Les dispositifs de protection solaire pouvant être extérieurs ou intérieurs, saisonnier, fixes 

ou mobiles sont présentés 18. Certains dispositifs permettent de remplir tous ces rôles. Des 

persiennes ou des volets extérieurs isolés 19 peuvent être des barrières thermiques efficaces 

réduisant fortement les déperditions. Les verres traités et les systèmes prismatiques 

peuvent, comme les stores à surface réfléchissante, fournir des protections sélectives et 

réorienter la lumière. Le choix d'une stratégie de protection solaire est déterminé par le site, 

la localisation du bâtiment, son type, son usage, les conditions climatiques, l'ensoleillement 

et les autres sources d'éclairage. Les stratégies globales de refroidissement, de chauffage, 

d'éclairage et de ventilation influencent également le choix des dispositifs de protection 

solaire. 

A5.4.1. Protections intérieures 

Les dispositifs de protection solaire intérieurs – pouvant être situés dans la pièce ou à 

l'intérieur des ouvrants – protègent les occupants contre les effets directs du rayonnement 

solaire et l'éblouissement. Ils ont l'avantage de pouvoir rester ouverts la plupart du temps 

et tirer seulement quand l'incidence du soleil le nécessite. Les gains solaires demeurent un 

problème, particulièrement pour les façades ouest. Les protections intérieures sont moins 

efficaces que celles placées à l'extérieur car le rayonnement solaire pénètre à l'intérieur du 

bâtiment. Il faut alors qu'il soit réfléchi vers l'extérieur à travers le vitrage. Il est impossible 

d'éviter une absorption de ce rayonnement sur les éléments opaques ou transparents et la 

chaleur ainsi créée devra être dissipée par ventilation ou refroidissement. Il n'est pas 

possible d'obtenir une efficacité de 100% avec ce type de système. Les systèmes de 

protection solaire intérieurs ne doivent ainsi jamais être de couleur foncée. Néanmoins, cet 

effet de serre peut être réduit par des stores réfléchissants intérieurs. 

Figure A 44. Comparaison entre une protection extérieure (à droite) et une protection intérieure (à gauche) 

(Tareb, 2004) 

18 Ils peuvent aussi servir pour l'éclairage naturel ou comme systèmes d'isolation. 

19 S'ils sont fermés la nuit et bien dimensionnés. 


280

A5.4.2. Protections extérieures 

Annexes 

Les protections extérieures permettent de bloquer tout rayonnement direct et peuvent aussi 

être particulièrement efficientes pour se protéger des rayonnements diffus. Elles sont plus 

efficaces pour réduire les apports solaires : toute l'énergie solaire absorbée à l'extérieur est 

dissipée. Comme déjà précisé par ailleurs, une augmentation de leur efficacité de l'ordre de 

30% par rapport aux solutions intérieures est perceptible, bien que ces dernières soient plus 

facilement contrôlables manuellement. 

Des protections solaires saisonnières peuvent être fournies par la végétation : les arbres à 

feuilles persistantes ou caduques, la vigne ou les plantes d'ornement. Ainsi, la plantation 

adéquate d'arbres, de plantes d'ornement ou de vignes autour d'un bâtiment et sur les 

structures telles que des poutres en consoles peut, en fonction de la forme environnante, 

permettre une modification locale du microclimat. Quand cette stratégie est correctement 

appliquée, les besoins de protections solaires extérieurs ou intérieurs peuvent être 

grandement réduits. 

Des plantations sélectives peuvent protéger non seulement les ouvertures, mais aussi les 

murs extérieurs et les toits en réduisant les transferts par conduction et les gains par 

rayonnement. L'utilisation d'espèces à feuilles persistantes permet au contraire une 

protection tout au long de l'année. La végétation peut aussi être utilisée pour réduire les 

réflexions du sol et la température d'air grâce au phénomène d'évapotranspiration des 

végétaux. Les espèces à feuilles persistantes peuvent également réduire les réflexions dues 

aux routes, aux zones pavées et aux bâtiments environnants. L'ombre due à la végétation 

dépend fortement du type de plantes utilisé, de l'espèce et de son âge. 

En utilisant des arbres à feuilles caduques ou de la vigne, la protection solaire est utilisée, 

en période chaude, uniquement quand elle est nécessaire : 

Figure A 45. La transmission du rayonnement solaire peut être de 20% en été et de 70% en hiver selon le 

choix de l’arbre (Pacer, 1996) 

Dans le cas des espèces à feuilles caduques, la densité de végétation change avec la saison. 

(Givoni, 1984) 20 note que la végétation influence la température intérieure et les charges de 

climatisation des bâtiments de différentes façons : 

- Les grands arbres et les pergolas situés à une courte distance des murs et des fenêtres 

procurent une bonne protection solaire sans nuire à la ventilation, 

- La vigne grimpant sur les murs et les hauts buissons près des murs offrent également 

une bonne protection solaire mais réduit la vitesse de l'air près des parois (cf. Figure 

A 46), 

- La température d'air au voisinage des surfaces extérieures des murs est diminuée, 

réduisant ainsi les transferts par conduction et les apports de chaleur par la 

ventilation, 

20 Cité par (Tareb, 2004). 


281

Annexes 

- La couverture du sol par de la végétation autour d'un bâtiment limite le 

rayonnement solaire réfléchi ainsi que les rayonnements de grande longueur d'onde 

émis par le sol vers les murs, 

- La végétation localisée autour du condenseur d'un système de climatisation peut 

diminuer la température ambiante de l'air, améliorant de ce fait le coefficient de 

performance du système. Il consommera ainsi moins d'électricité pour une même 

puissance frigorifique fournie au bâtiment, 

- La végétation sur les parois est et ouest d'un bâtiment peut procurer une protection 

efficace contre les gains solaires en été. 

Figure A 46. Une vigne vierge agit comme une protection solaire du mur. Elle refroidit l’air ambiant par 

transpiration des feuilles (Pacer, 1996) 

Pendant les jours chauds d'été, la température moyenne des murs protégés par des arbres 

ou autres plantes peut être réduite de 15°C. Les vignes grimpantes peuvent réduire la 

température des façades de 12°C. Les recherches de (Givoni, 1984) ont cependant permis de 

montrer que le potentiel d'isolation de la végétation peut, dans certaines conditions 

anéantir l'effet de refroidissement passif dû à sa protection solaire. Les murs blancs de la 

région méditerranéenne, peuvent en effet atteindre parfois des températures de surface 

inférieures de 20°C à la température ambiante. Dans ces conditions, protéger les murs 

extérieurs par de la végétation peut très bien être contre-productif car on réduira les 

émissions de rayonnement de grandes longueurs d'onde. La couleur et le revêtement du 

mur et la distance entre le mur et la végétation sont ainsi des paramètres très importants 

(Tareb, 2004). 

A5.4.3. Les protections fixes 

Les avancées horizontales (casquettes) sont les plus communes des protections solaires 

fixes et c'est le système le plus simple pour contrôler le rayonnement solaire direct pour les 

incidences fortes (proches de la verticale). Dans les hautes latitudes, elles sont utilisées en 

priorité sur les façades sud. Dans les basses latitudes, on a tendance à les utiliser aussi en 

façade est et ouest. Dans les climats chauds tel que le climat méditerranéen, où le 

refroidissement est impératif, l'avancée est souvent sous forme de stores horizontaux pour 

permettre à l'air de passer librement. 


282

Annexes 

Dans la conception des protections solaires fixes, l'orientation de l'ouverture est le point clé. 

Si elles sont correctement dimensionnées et utilisées en façade sud, les avancées 

horizontales permettent d'obtenir une protection totale en milieu d'été tout en permettant 

une pénétration du soleil en hiver. Pour être plus efficaces les avancées doivent s'étendre 

suffisamment de chaque coté de l'ouverture. La longueur de débordement est déterminée 

par la largeur de l'ouverture, la latitude du lieu et la distance verticale entre l'avancée et la 

fenêtre (cf. § A5.5.1). 

Figure A 47. Dispositifs de protection solaire fixes (Tareb, 2004) 

Les dispositifs fixes, qui peuvent être horizontaux extérieurs 21 ou encore verticaux 22 , 

comprennent : les surplombs, ou des persiennes au-dessus des fenêtres, les lamelles 

inclinées ou des volets verticaux sur les côtés et les stores (fixes en été, entrés en hiver). 

Les persiennes, placées de façon stratégiques, permettent de laisser passer le soleil à travers 

les interstices, et de le bloquer en été. La fenêtre encastrée dans le droit intérieur du mur 

(exception faite pour les murs rideaux), produit le même effet que les lamelles inclinées ou 

encore le surplomb de même dimension (Pacer, 1996). Les projections architecturales, 

surplombs, quand elles sont horizontales, ou lamelles inclinées, quand elles sont verticales, 

sont généralement employées pour contrôler la quantité de rayonnement solaire atteignant 

une surface. Les surplombs conviennent aux surfaces orientées au sud ou vers le sud, et les 

« flancs » aux surfaces Est et Ouest (Athienitis, 2002). Malheureusement, le degré de 

protection des dispositifs fixes est déterminé par la course du soleil plutôt que par des 

considérations climatiques conduisant ainsi à se protéger du soleil quand le chauffage est 

nécessaire. Les systèmes fixes limitent forcément la pénétration des rayonnements diffus 

provenant de certains angles pouvant être utiles pour l'éclairage naturel par ciel couvert. 

Cet effet peut être limité par l’utilisation de protections mobiles. 

A5.4.4. Les protections mobiles 

Les dispositifs mobiles peuvent être internes, externes ou entre les vitres d'un double ou 

triple vitrage, ils incluent : les volets roulants, les stores vénitiens et les rideaux 

(généralement internes). Ils peuvent être adaptés aux différentes conditions climatiques, 

complètement rétractables et asservis. Les systèmes mobiles sont préférables dans les zones 

climatiques froides. Les volets ou les stores extérieurs ajustables et complètement 

rétractables sont efficaces pour contrôler le rayonnement direct, diffus et réfléchi, et ils sont 

21 Les protections légères horizontales, les avancées horizontales (casquettes), les skylight, les réflecteurs, les stores … 

22 Rideaux, stores verticaux, films réfléchissants sur les fenêtres. 


283

Annexes 

ainsi capables de moduler les gains solaires ainsi que les niveaux de lumière naturelle. Ils 

peuvent également permettre une ventilation naturelle sans obstacle à travers l'ouverture 

en façade, et quand ils sont rétractés, ils ne causent plus d'obstruction à la lumière naturelle 

dans les conditions de ciel couvert. On peut distinguer les protections mobiles extérieures 23 

et intérieures 24 . Les systèmes ajustables sont le plus souvent utilisés à l'intérieur, où les 

manipulations sont les plus faciles. De tels dispositifs peuvent néanmoins être placés à 

l'extérieur dans certains cas. Un système ajustable extérieur peut être manipulé pour 

admettre ou au contraire empêcher la lumière du soleil de pénétrer quand cela est 

nécessaire. Il est particulièrement efficace pour les ensoleillements directs d'incidence 

faible, le rayonnement diffus et les rayonnements réfléchis. Au contraire du système fixe, il 

peut être manipulé de telle sorte que la luminance interne ne soit pas trop fortement 

réduite. 

L'automatisation des systèmes ajustables de protection solaire, pour être intéressante d'un 

point de vue énergétique, dépend principalement du climat et de la fréquence des 

ajustements. S'ils sont complètement automatisés, ils peuvent réduire à 10% de l'énergie 

solaire incidente par rapport à celle qui arrivera sur la façade. 

Les verres antisolaires ne sont pas à proprement parler des protections solaires fixes. La 

majorité de ces verres a une transmission non régulière du spectre solaire et transmet donc 

la lumière en la colorant. Il n’est pas possible de trouver un verre antisolaire efficace qui 

présente une transmission neutre (pas de dominante de couleur). Ils ont tous tendance à 

privilégier les couleurs bleu-vert. Un verre antisolaire a un comportement unique car il 

atténue le rayonnement solaire de la même façon en été qu’en hiver, au sud qu’au nord ou 

à l’ouest. Il s’apparente donc plus à une protection solaire mobile qui aurait perdu sa 

mobilité (Pacer, 1996). 

Pour évaluer l’efficacité des protections mobiles 25, il est possible de se référer aux valeurs 

données par les fournisseurs (Tareb, 2004) : 

� La transmission lumineuse (Tl) : lumière visible que laisse passer la protection. 

Cette valeur ne permet pas de juger de l’efficacité d’une protection, seule la partie 

visible du rayonnement solaire étant prise en compte 

� Le coefficient g: c’est le coefficient de transmission globale énergétique totale d’une 

protection. Cette valeur permet de comparer des protections entre elles car le 

coefficient g englobe toute la transmission de chaleur (directe et indirecte) 

� Le coefficient d’ombrage (SC = Shading Coefficient): transmission globale d’énergie 

du système rapportée à celle d’un simple vitrage. 

Pour finir, quelques règles de base peuvent aider au choix des protections mobiles. La 

protection est d’autant plus efficace que : 

� la protection intérieure est claire par rapport au vitrage 

� la protection extérieure est sombre par rapport au vitrage 

� la protection est placée à l’extérieur (une même protection placée à l’extérieur par 

rapport au vitrage plutôt qu’à l’intérieur double presque son efficacité) 26. 

23 Stores, volets, persiennes, écran entre deux vitres, vitrage réfléchissant, vitrage à transmission lumineuse variable, 

vitrage teinté, stores de verre , stores de verre couplés à des systèmes photovoltaïques, éléments optiques 

holographiques, stores de verre avec réflexion totale, ailes de protection, gel, panneaux photovoltaïques 

24 Volets, volets roulants, panneaux intérieurs, rideaux, store vénitien 

25 Afin de juger du choix et de l’efficacité d’un verre antisolaire, on utilise également ces caractéristiques. 

26 Une protection sombre ou moyenne placée à l’intérieur par rapport au vitrage n’est efficace que dans un espace de 

grande hauteur (serre, atrium) très bien ventilé (Pacer, 1996). 


284

Annexes 

A5.4.5. Combinaison de protections solaires 

(Pacer, 1996) 

La combinaison de plusieurs protections solaires sur une même ouverture nécessite une 

évaluation précise. Ainsi, dans la plupart des cas l’effet de deux protections sera cumulé (le 

coefficient d’ombrage ou coefficient g résultant sera le produit des coefficients des deux 

protections). Par exemple, une faible avancée horizontale au Sud (g = ~0,5) et une toile 

intérieure claire (g = 0,4) présenteront un g ≈0,20. 

Lors d’utilisation de verres ou de protections utilisant des propriétés de matériaux à faible 

émissivité dans l’infrarouge l’effet protecteur d’un élément supplémentaire au premier peut 

être imperceptible. La prudence est de mise avec les verres traités (antisolaires ou IR) 

combinés à des protections intérieures ou extérieures. Une garantie de protection (facteur g 

ou SC) de la combinaison par le fournisseur est recommandée. Par exemple, un verre 

antisolaire argent (g = 0,40) combiné à des lames verticales intérieures claires (g = 0,51 avec 

un simple verre soit g = 0,60 sans verre) devrait donner un g de 0,20 si l’effet des deux 

protections était additionné, alors que le g global n’est que de 0,33 pour cette combinaison 

(protection 40% moins efficace que l’addition!) (cf. Figure A 53). 

A5.4.6. Conclusion sur la typologie des 

protections solaires 

Plusieurs types de protections existent : mobiles, fixes, intérieures ou encore extérieures. La 

végétation fait partie de cette catégorie. Elle peut être associée aux protections installées sur 

le bâtiment. Elle permet en outre de se protéger des vents dominants. Les protections fixes 

répondent au mieux à l’orientation sud dans notre hémisphère. Pour les autres orientations, 

elles peuvent en effet causer une augmentation des besoins durant la saison froide. Il a été 

montré également que les protections intérieures telles que les rideaux sont moins efficaces 

que les protections extérieures. Parmi cette dernière catégorie les stores mobiles procurent 

de bonnes performances. C’est ce dispositif qui est retenu pour les simulations sur le 

bâtiment existant. Ceci étant, dans un souci de fournir un guide pratique pour l’homme 

d’études, la conception des dispositifs de protection solaire est décrite dans le paragraphe 

suivant. 


285

Annexes 

Figure A 48. Protections solaires mobiles et vitrages classés selon leur performance : des moins bonnes aux 

meilleures. Les chiffres sur le diagramme représentent le coefficient g, transmission globale énergétique 

(Pacer, 1996) 


286

Annexes 

A5.5. Conception des dispositifs de 

protection solaire ((Velay-Dabat et al, 2004) et (Tareb, 

2004)) 

Afin de dimensionner un système de protection solaire extérieur, la course du soleil peut 

être prédite aisément par diverses méthodes. Les laboratoires utilisent fréquemment des 

héliodons. Dans cette partie quelques unes de ces méthodes sont citées. Pour les protections 

extérieures fixes, il est toujours possible d’utiliser la méthode d’optimisation proposée pour 

le dimensionnement des solutions bioclimatiques. 

A5.5.1. Technique géométrique donnant la 

surface d’un surplomb (Athienitis et al, 2002) 

Une technique géométrique permettant de trouver la surface de la protection pour une 

fenêtre encastrée avec un surplomb est présentée par (Athienitis et al, 2002). Une fenêtre de 

dimension c×a est intégrée à une distance b du mur extérieur. L’objectif est de 

dimensionner un surplomb avec une longueur égale à c+2g et une largeur f, à une distance 

e au dessus de la fenêtre (cf. Figure A 49). Le diagramme de projection donne les 

dimensions minimales pour ombrager complètement une fenêtre pour une hauteur solaire 

α, un angle solaire γ et un azimut ψ. Le point E est au bord extérieur du surplomb et sa 

projection est le point O sur le plan de la fenêtre. La variation de l’angle d est donnée par : 


Les auteurs montrent que les dimensions géométriques du surplomb pour satisfaire les 

contraintes sont données par : 

Figure A 49. Géométrie de la fenêtre et du surplomb 

et Équation A 13 

Thèse de doctorat - C. FLORY-CELINI 287 Université Claude Bernard

Annexes 

A5.5.2. Méthode simplifiée déterminant l’ombre 

portée par un « flanc » 

Pour un flanc de largeur D, la partie ombragée h d’une fenêtre peut être estimée par la 

relation suivante (Athienitis et al, 2002) : 

Figure A 50. Ombre portée par un « flanc » 


A5.5.3. Les outils informatiques et graphiques 

(Pacer, 1996) 

Les protections des fenêtres pour les dispositifs extérieurs ou adjacents peuvent être 

dimensionnées en utilisant : l’outil informatique, la géométrie solaire basique, les équations 

de projection ou encore les techniques graphiques. 

A5.5.3.1. Les outils informatiques 

Les codes de calcul sont maintenant très accessibles dans une très large gamme de 

complexité, de types et de prix. Les codes de simulation 3D qui incluent des algorithmes 

fournissant la position du soleil tout au long de l'année pour la plupart des latitudes 

peuvent être utilisés pour visualiser les effets d'ombre portée des bâtiments voisins ou 

concevoir des systèmes de protection solaire. A titre d’exemples citons des outils 

informatiques développés à cet effet : 

� Pour le contrôle de l’ensoleillement: Les outils de type “modeleur“ (Archicad), sont 

dotés de fonctions héliodon 27. 

Sinon, l’outil informatique consiste en général en un traitement du problème de la 

transmission des masques, et cela se fait sous forme de sub-routines au sein de logiciels de 

thermique (type « TRNSYS »). 

Le Laboratoire ABC (Ecole d’Architecture de Marseille) a développé de son côté deux outils 

autonomes sur cette question : "Ecran solaire", qui trace les ombres portées par des masques 

architecturaux vus en élévation et calcule les facteurs de transmission et - "Vinci", qui 

génère les outils graphiques. Le premier, très opérationnel bien que limité à des formes 

simples, ne traite que du résultat visible (ombres portées) ou numérique, mais n'apporte 

27 Les fonctions héliodon permettent d’exécuter les tâches suivantes: Tracé des ombres portées en élévation ou en 

axonométrie, Visualisation du parcours de la « tâche solaire » à l’intérieur du bâtiment, en vue perspective et 

Axonométrie du bâtiment vu du soleil, les parties cachées sont considérées comme les parties « ombrées ». 


Annexes 

aucune explication sur le phénomène lui-même. Le second outil, il ne peut servir qu'à ceux 

qui connaissent les possibilités offertes par les outils graphiques. D'autres outils spécialisés 

existent ailleurs, notamment SOLENE mis au point par le Laboratoire CERMA à l’Ecole 

d’Architecture de Nantes, qui est capable en particulier de dessiner l'évolution diurne d'une 

"tâche solaire“. Cet outil a été utilisé dans le cadre de la rédaction d’une communication 

visant à montrer que pour un bâtiment a priori mal orienté (orientation Nord), il est 

possible de trouver un optimum, qui dépend de la hauteur du vis-à-vis et de la distance 

entre le bâtiment et ce même vis-à-vis, qui favorise les gains solaires en hiver. Ce vis-à-vis 

servant par ailleurs de masque en été (Flory-Celini et al, 2005). 

� Pour le contrôle de la lumière : En ce qui concerne la lumière naturelle, citons un outil 

de calcul du “facteur de lumière du jour“ très facile d’emploi mais dont la fonction est 

limitée au calcul de l’éclairement naturel sur un plan horizontal: « LESODIAL », mis 

au point par l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. A l’opposé, « RADIANCE », 

est un logiciel de synthèse d'images traitant de manière réaliste (parce que calculée) 

des éclairements des surfaces par n'importe quelles sources lumineuses. 

A5.5.3.2. Les outils graphiques 

Il existe trois différents types de diagramme manuel de la course solaire : le graphique 

équidistant, la projection orthographique et la projection stéréographique, le dernier étant 

le plus largement utilisé. Les ombres portées créées par projection stéréographique sont très 

utiles pour concevoir les systèmes de protection et visualiser leur impact en terme d'ombre 

portée. 

Figure A 51. Exemples d’ombres portées (Tareb, 2004) 

(Szokolay, 1996) cité par (Tareb, 2004) a beaucoup écrit sur la géométrie solaire et la 

conception des systèmes de protection, et a identifié trois étapes de base à intégrer : 

1. Identifier les périodes pour lesquelles, une protection saisonnière et journalière est 

nécessaire, tout en considérant le type de bâtiment, sa masse thermique utile, et les 

gains internes 

2. Calculer les performances requises pour le système de protection solaire en 

définissant les angles horizontaux et verticaux de protection 

3. Dimensionner le système pour répondre aux performances attendues. 

Une fois que les performances souhaitées sont définies, le concepteur peut choisir parmi 

une grande variété de systèmes. Comme la géométrie solaire ne varie pas, les performances 

de chacun demeurent inchangées bien que les systèmes varient en taille et en forme. Ainsi, 

une grande gamme de systèmes fonctionnera de manière identique dans les mêmes 

conditions d'utilisation, laissant au concepteur une grande liberté de choix. 


Annexes 

A5.5.4. Ombres portées par des bâtiments voisins 

Les effets de masque des bâtiments voisins peuvent être obtenus également à l'aide des 

diagrammes solaires. (Szokolay, 1996) cité par (Tareb, 2004) dans sa note PLEA sur la 

géométrie solaire fournit une description complète de la méthode résumée ici : 

1. Recueillir toute information disponible tels que les plans masse, les coupes, les 

élévations de tous les bâtiments environnant s existants et à venir 

2. Sélectionner les points critiques dans l'environnement qui peuvent conduire à de 

possibles effets de masques 

3. Déterminer la course du soleil et les azimuts de chaque point sélectionné sur un 

diagramme solaire 

4. Déterminer les distances entre les points sélectionnés et les bâtiments voisins 

5. Calculer les altitudes des tous les bâtiments voisins par rapport aux points choisis 

6. Tracer ou calculer les altitudes et les azimuts sur le diagramme solaire 

7. Compléter le diagramme solaire pour interpréter les résultats. 

Des codes de calcul existent également pour vérifier ces effets de masque des bâtiments 

voisins. Les sorties sont en général sous forme d'images 2D du site en plan représenté sur 

une projection stéréographique de la latitude correspondante. 

A5.6. Modélisation des protections 

solaires sous TRNSYS 

Plusieurs modèles de protections solaires existent dans l’environnement de simulation 

thermique dynamique retenu. Dans le modèle de bâtiment, l’utilisateur a le choix entre des 

protections intérieures et des protections extérieures, en renseignant un facteur d’ombrage. 

Dans TRNSYS, plusieurs types existent également : le surplomb, le flanc et les masques 

extérieurs (pouvant représentés la végétation ou encore des bâtiments voisins). Les 

modèles de stores extérieurs ainsi que du surplomb sont décrits dans cette partie. Ils ont été 

intégrés dans un article dont l’objet était la comparaison des performances de différents 

dispositifs de protections solaires (Flory-Celini et al, 2006). Le modèle retenu dans les 

simulations étant le store (cf. Conclusions à la fin de ce chapitre). 

A5.6.1. Modélisation du store extérieur dans 

TRNBuild 

Des protections solaires internes ou externes peuvent être définies pour chaque fenêtre du 

bâtiment donnant sur l’extérieur. La protection extérieure réduit le rayonnement solaire 

incident au vitrage par un facteur donné dans la description du bâtiment. La valeur du 

coefficient d’ombrage du store extérieur peut être une constante, une entrée ou encore 

programmée. Par ailleurs, une résistance thermique, qui réduit les pertes thermiques du 

vitrage vers l’extérieur, peut être spécifiée si la protection solaire est active. Le bilan 

thermique pour une zone est présenté. Le bilan thermique à travers les fenêtres de la zone, 

montre la quantité de rayonnement solaire qui est bloquée, celle qui entre dans la zone et 

celle échangée avec les autres zones. La prise en compte de la protection extérieure 


Annexes 

s’effectue par le biais des gains bloqués par la définition d’un facteur d’ombrage. Il varie de 

0 (pas de protection) à 1 (protection totale). 

A5.6.2. Modélisation du surplomb dans TRNSYS 

A B 

Figure A 52. Description de la géométrie du surplomb sous TRNSYS v16 

Le rayonnement solaire incident s’exprime : 

( 

IT) S = IbT⋅ 

fi 

+ IdT⋅FA 

−S 

+ ρgnd⋅ 

FA 

−G 

Total Direct Diffus Réfléchi 


Le rayonnement solaire réfléchi par le surplomb n’est pas considéré dans ce modèle. fi 

étant la fraction d’ensoleillement direct reçue par la surface. Elle est fonction de la 

géométrie de la protection et de la position relative du soleil par rapport à la fenêtre. 

Ai est déterminé par un algorithme de calcul (Sun, 1975). 

f 

i = 

A 

i 

A 


Les facteurs de forme du ciel et du sol sont calculés en supposant que les rayonnements 

diffus et réfléchis sont isotropes. Pour les surfaces verticales non ombragées, les facteurs de 

forme du ciel et de la terre sont égaux à ½. En présence de surplomb, les facteurs de forme 

sont réduits. Le facteur de forme entre la fenêtre et le surplomb FA-O est calculé en 

intégrant le facteur de forme pour un élément de surface du surplomb et la fenêtre sur toute 

la surface (Figure A 52b) : 

F 

A − O 

Avec (Siegel, 1972) : 

F 

1 

= 

2 

dA− 

Ai 

π 

∫ 

= F dA − A ⋅ dA + F dA − 

A 

⎡ 

⎢ 

⎢ 

⎢tan 

⎢ 

⎢ 

⎢ 

⎣ 

−1 

⎡ 

⎢ 

⎛ B ⎢ 

i ⎞ 

⎜ ⎟ − ⎢ 

⎝ C ⎠ ⎢ 

⎢ 

⎢⎣ 

1 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

2 

P ⎞ 

⎟ 

Bi 

⎠ 

C 

Bi 

⎛ C 

+ ⎜ 

⎝ Bi 

Thèse de doctorat - C. FLORY-CELINI 291 Université Claude Bernard 

∫ 

A 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

2 

A 

2 

⎤ ⎡ 

⎥ ⎢ 

⎥ ⎢ 

−1 

⎥ ⋅ tan ⎢ 

⎥ ⎢ ⎛ 

⎥ ⎢ 

⎜ 

⎥⎦ 

⎢⎣ 

⎝ 

⋅ 

dA 

2 

P ⎞ 

⎟ 

Bi 

⎠ 

1 

2 

⎛ C ⎞ 

+ ⎜ 

⎟ 

⎝ Bi 

⎠ 

Les facteurs de forme entre le sol FA-G et le ciel FA-S et la fenêtre sont donnés par : 

⎤⎤ 

⎥⎥ 

⎥⎥ 

⎥⎥ 

⎥⎥ 

⎥⎥ 

⎥⎦ 

⎥ 

⎦ 


Équation A 18

F 

1 

F A − G = − ∫ F dA − A ⋅ dA − ∫ F 

2 

dA − A 2 

2 

A−S 

A 

1 

= − FA−O 

− ∫ FdA− 

A ⋅ dA − ∫ F 

1 

dA− 

2 

A 

⋅ dA 

Annexes 


A 

A 

A 

1 

⋅ dA 

A5.6.3. Modélisation des masques extérieurs 



Afin de modéliser les masques extérieurs sur TRNSYS, l’utilisateur a le choix entre deux 

modules proposant des diagrammes de masque : le type 64 qui est valable pour toutes les 

ouvertures et le type 67 qui permet de les différencier. Ces deux types lisent un fichier 

contenant les hauteurs angulaires des masques obstruant une série d’ouvertures et 

permettent d’obtenir en sortie la fraction du rayonnement direct visible de l’ouverture, la 

fraction ombragée du rayonnement direct sur l’ouverture, la fraction du rayonnement 

diffus incident sur la surface, les rayonnement diffus ombragé et total ombragé sur le plan 

de l’ouverture ainsi que sur le plan horizontal. 

A5.7. Contrôle solaire et rénovation 

Les protections extérieures ou intérieures s’installent généralement aisément dans le cadre 

d’une rénovation surtout quand elles sont mobiles. 

Il se peut néanmoins que certaines fenêtres soient particulièrement difficiles à protéger. 

Dans ce cas, des vitrages spéciaux ont été mis au point : leurs propriétés réflectives et 

absorbantes ont été améliorées afin de rencontrer des impératifs de protection. 

Tableau A 17. Rénovation d’une maison pour améliorer le contrôle solaire (inspiré de (Collard, 1996)) 

Eléments 

Fenêtres plus petites 

Fenêtres Vitrage rejetant la chaleur 

Fenêtres auto ombrantes 

Dispositifs d’ombrage fixes 

Ombrage 

Dispositifs d’ombrage mobiles 

Toit 


toit 

Façade 

Fenêtres 

Etendre 

l’espace 

Améliorer la 

performance 

thermique 

Améliorer 


naturel

Annexes 

Tableau A 18. Rénovation d’un appartement pour améliorer le contrôle solaire (inspiré de (Collard, 

1996)) 

Eléments 

Fenêtres plus petites 

Fenêtres Vitrage rejetant la chaleur 

Fenêtres auto ombrantes 

Dispositifs d’ombrage fixes 

Ombrage Dispositifs d’ombrage 

mobiles 

Toit 



toit 

Façade 

Fenêtres 

Etendre 

l’espace 

Améliorer la 

performance 

thermique 

Améliorer 


naturel 

A5.8. Conclusions sur le contrôle 

solaire 

Une synthèse bibliographique des différents dispositifs de protection solaire a été réalisée 

dans cette partie. Les différents modèles de protection disponibles sous TRNSYS ont 

également été présentés. 

Lorsque les gains solaires au travers d’éléments sont trop importants, il est nécessaire de les 

limiter en les protégeant de l’ensoleillement. Ce contrôle du rayonnement solaire à l’aide 

des dispositifs d’ombrage est le moyen le plus efficace pour éviter que l’irradiation des 

parois n’entraîne des apports solaires indésirables. 

L’effet d’ombrage, à un moment donné, est fonction des coordonnées du soleil et des 

caractéristiques géométriques du système d’ombrage ou de l’obstacle par rapport à 

l’élément à protéger. 

Les systèmes de protection doivent être dimensionnés pour résoudre à la fois les besoins 

d'efficacité de protection solaire, d'économie d'énergie et d'éclairage naturel. Les dispositifs 

de protection solaire peuvent constituer des parties intégrantes de l'enveloppe, et influencer 

ainsi les performances thermiques et l'éclairage naturel. 

Ils peuvent être situés à l'extérieur ou sur la surface extérieure de la façade, ou à l'intérieur 

de fenêtre à double ou triple vitrages ou de murs rideaux. Dans chaque cas, ils interdisent 

l'entrée totale ou partielle du rayonnement solaire à l'intérieur du bâtiment. En interceptant 

le rayonnement solaire avant qu'il n'entre dans le bâtiment, les systèmes externes sont les 

plus efficaces pour contrôler les gains solaires. Les systèmes intérieurs munis de 

revêtements réfléchissants peuvent réfléchir le rayonnement solaire vers l'extérieur, mais 

transmettent toujours un peu de gains solaires vers l'intérieur par convection. 

Alors même que les dispositifs de protection solaire doivent procurer une bonne protection 

solaire durant la saison chaude, ils ne doivent pas limiter les gains solaires en hiver ni 

réduire l'éclairage ou la ventilation naturels. S'ils sont bien conçus pour le type de bâtiment 

concerné (latitude et climat), ils peuvent même faciliter l'éclairage naturel et la ventilation.

Annexes 

Une communication a donné lieu à un comparatif de protections solaires (Flory-Celini et al, 

2006). Au niveau thermique, il a été montré les dispositifs mobiles placés à l’extérieur 

(stores opaques) procuraient les meilleures performances en été et ce dispositif est retenu 

dans le cadre des applications développées. Le store opaque mobile procure l’avantage 

d’être facilement intégrable dans le cadre d’une rénovation. En revanche, il est intéressant 

de noter que la littérature souligne que, pour l’éclairage naturel, les stores vénitiens 

semblent constitués un bon compromis entre éclairage naturel et performances thermiques. 

En outre, il est toutefois possible d’imaginer l’association de stores opaques à un puits de 

lumière, cette application constituant une perspective intéressante si l’on intègre le critère 

« éclairage naturel ». 

Une autre solution présentée dans cette partie pourrait donner lieu à une étude spécifique 

notamment en terme de modélisation : c’est la prise en compte de la végétation, avec audelà 

des effets de masque, le phénomène d’évapotranspiration. 


A6. LES MATERIAUX A 

CHANGEMENT DE PHASE 

Annexes 

La température d’un bâtiment peut être une variable d’optimisation. Le respect d’une 

température donnée est ainsi très important (amélioration du confort, réduction des besoins 

énergétiques). La température dépend du bâtiment, des échanges avec les parois, et des 

flux entrants et sortants. En particulier, il est important de maîtriser la température du flux 

entrant, qui peut être sujet à des oscillations, soit à cause de variations des conditions 

extérieures, soit à cause de perturbations internes au bâtiment, soit à cause de la 

convergence, en entrée, de plusieurs flux à débits et températures variables. Les matériaux 

à changement de phase (MCP) sont souvent utilisés comme stabilisateurs de température 

en améliorant le stockage de la chaleur dans le bâtiment. 


L’utilisation des MCP doit permettre de stocker/ déstocker l’énergie provenant des apports 

solaires ou internes. Les applications dans le cadre de constructions légères permettent de 

conduire à une amélioration du confort thermique des usagers et à une réduction des 

consommations d’énergie (Kuznik et al, 2006). Le stockage d'énergie thermique peut se faire 

par plusieurs moyens : 

� Stockage par chaleur sensible : eau, huiles synthétiques, vapeur d'eau sous 

pression, sels fondus sans changement de phase, céramiques, béton, ... 

� Stockage par chaleur latente : transitions de phases Solide/Liquide, Liquide /Gaz, 

Solide /Gaz, Solide /Solide de produits organiques (paraffines, acides gras, ...) ou 

inorganiques (eau, sels, métaux, ...) 

� Stockage thermochimique par réactions chimiques endo/exothermiques, 

adsorption, absorption (Dgemp, 2007). 

Le principe sur lequel repose le fonctionnement des matériaux à changement de phase est 

le stockage par chaleur latente. Un descriptif de l’état de l’art de cette technologie peut être 

trouvé dans la thèse de doctorat de (Ahmad, 2004) ou encore dans les cahiers du Centre 

Scientifique et Technique du Bâtiment (Cstb, 1983). Ce procédé s’inscrit dans une 

« enveloppe du bâtiment en rupture technologique qui intègre systématiquement des 

matériaux et composants de nouvelle génération » (Cnisf, 2007). Ses mérites sont souvent 

cités pour l’amélioration du confort d’été notamment dans le cadre de bâtiments anciens ne 

disposant pas de parois inertes. La découverte des MCP ne date pas d’hier et ceux-ci 

servent depuis de nombreuses années, comme par exemple dans les magasins de glaces de 

l’industrie de la réfrigération qui profitent de l’électricité ‘hors pointe’ moins chère. 

Cependant, l’amélioration relativement récente des systèmes de conditionnement a permis 

des applications innovatrices des MCP comme masse thermique interactive dans un 

bâtiment. (Annales, 2006) ont étudié un nouveau produit réalisé par la société DuPont de 

Nemours qui est constitué à 60% de MCP, dont la température de fusion a été choisie à 

environ 22°C. Ce produit s’apparente à un panneau polymérique, relativement souple, de 5 

mm d’épaisseur (les auteurs montrent par ailleurs la pertinence du choix de l’épaisseur de 5 

mm et de la température de fusion). La nouveauté de ce procédé tient du fait de 

l’encapsulation d’une quantité importante de matière active dans un polymère 

thermoplastique qui, après transformation en un panneau relativement mince, permet une 


Annexes 

installation aisée dans tout type d’enveloppe du bâtiment. Stéphane Lepers a modélisé ce 

nouveau procédé sous TRNSYS, présenté et développé dans cette partie. Ce chapitre a pour 

objet de décrire les principales fonctionnalités de cette technologie ainsi que le modèle 

retenu pour la simulation thermique du bâtiment dans TRNSYS. 

A6.2. Principe de fonctionnement 

La thèse de doctorat de (Ahmad, 2004) de laquelle ont été tirées les principales 

caractéristiques des MCP permet d’expliquer le principe de fonctionnement d’une part et 

justifie d’autre part le choix du procédé modélisé dans cette partie. 

Les MCP changent d’état en fonction des variations de la température du milieu ambiant, 

comme la glace qui se transforme en eau lorsque la barre du zéro degré est franchie. Une 

fusion qui s’accompagne de l’absorption de calories ambiante et de leur réémission lorsque 

la température redevient négative, entraînant la solidification de l’eau. C’est sur ce principe 

physico-chimique connu que s’appuie la mise au point des MCP (Cnidep, 2007). (Ahmad, 

2004) illustre ce propos en reprenant l’exemple de l’eau : l’énergie demandée pour fondre 1 

kg de glace est équivalent à 80 fois l’énergie demandée pour augmenter la température de 1 

kg d’eau de 1°C, autrement dit, alors que l'on a besoin d'une énergie de 4,2 kJ pour 

diminuer la température de 1 kg d’eau d'une température de 1 °C à 0°C, il faut 335 kJ pour 

compléter sa solidification en glace à T = 0°C. 

Figure A 53. Equivalence entre la chaleur latente nécessaire pour fondre 1 kg de glace et la chaleur 

sensible nécessaire pour chauffer l'eau liquide (Ahmad, 2004) 

Le principe des MCP réside sur le stockage par chaleur latente (avec changement de phase) 

qui requiert des quantités d’énergie supérieure à celles du stockage par chaleur sensible. 

Par rapport au stockage par chaleur sensible, le stockage par chaleur latente permet, entre 

autre, de stocker de 5 à 14 fois plus de chaleur que les matériaux de stockage à chaleur 

sensible dans la gamme des températures de confort en thermique du bâtiment (20 à 30°C). 

Par ailleurs, lors de la décharge d'énergie thermique, la température de la surface de MCP 

reste proche de la valeur de la température de changement d'état permettant ainsi un 

contrôle passif de la température de surface. La quantité d'énergie de la décharge ne 

dépend donc que de la température de l'environnement. En fonction du MCP choisi, le 

point de fusion varie. De fait, différents types de matériaux sont exploités en fonction des 

températures désirées. La quantité de chaleur échangée en joule s’exprime : 


La différence de comportement entre un corps pur et un mélange est illustrée en présentant 

l’enthalpie spécifique en fonction de la température sur la Figure A suivante qui montre, et 

ceci est le principal avantage des matériaux à changement de phase, que la température de 

changement de phase est quasiment constante pour les corps purs et les composés définis : 


Annexes 

Figure A 54. Variation de l’enthalpie spécifique en fonction de la température : (a) pour un corps pur ; (b) 

pour un mélange (Ahmad, 2004) 

A6.3. Choix du MCP 

Suivant les propriétés des phases obtenues, les niveaux de températures et les valeurs des 

chaleurs latentes, chaque type de changement de phase (solide/liquide, solide/solide ou 

liquide/gaz) présente des avantages et des inconvénients résumés dans le Tableau A 

suivant : 

Tableau A 19. Avantages et inconvénients comparés des différents changements d’état (Ahmad, 2004) 

Changement de phase Avantages Inconvénients 

Liquide /Gaz Grande valeur de la chaleur latente Grand changement de volume 

Solide /Solide Faible changement de volume 

Pas de formation de fluide 

Faible valeur de la chaleur latente 

Solide /Liquide Faible changement de volume Valeur moyenne de la chaleur latente 

On note que le changement de phase solide/liquide met en jeu des chaleurs latentes 

d'importance moyenne mais ne présente pas de changements de volumes. En outre, pour ce 

type de transformation, un choix important de matériaux (dont les niveaux de 

températures de changement d'état ont des valeurs compatibles avec de nombreuses 

applications) existe. 

Les corps avec changement d'état solide/liquide couramment utilisés dans la gamme de 

températures considérée peuvent être classés selon trois catégories : 

� Les corps inorganiques: hydrates salins, sels, métaux, alliages 

� Les corps organiques: paraffines, corps non–paraffiniques, polyalcools 

� Eutectiques (mélanges de deux ou plusieurs corps qui ont des températures de 

fusion précises) de corps inorganiques et/ou organiques. 

En comparant les ordres de grandeur des énergies spécifiques pouvant être stockées, la 

classification est donnée sur le Tableau suivant : 


Tableau A 20. Comparaison entre différents milieux de stockage de l’énergie (Energie 

stockée=106kJ=300kWh ; ∆T=15K) ((,) [1] cité par (Ahmad, 2004)) 

Annexes 

Matériaux de stockage de la chaleur 

Stockage par chaleur 

sensible 


Propriétés Pierre Eau Organique Inorganique 

Chaleur latente de fusion [kJ/kg] * * 190 230 

Capacité thermique massique [kJ/kg.K] 1,0 4,2 2,0 2,0 

Masse volumique [kg/m3] 2240 1000 800 1600 

Masse nécessaire au stockage de 106kJ [kg] 67000 16000 5300 4350 

Masse relative ** 15 4 1,25 1,0 

Volume nécessaire au stocka de 106kJ [m3] 30 16 6,6 2,7 

Volume relatif** 11 6 2,5 1,0 

* La chaleur latente de fusion n’est pas concernée par le stockage par chaleur sensible 

** La masse et le volume relatifs sont basés sur la chaleur latente de stockage des MCP inorganiques 

A6.4. Conditionnement du MCP 

Le conditionnement des MCP repose sur plusieurs principes notamment la compatibilité 

entre le matériau du réservoir de stockage et le MCP. Par ailleurs, quand le MCP devient 

liquide, du fait de sa faible viscosité, le taux de fuite est fortement augmenté et le réservoir 

de stockage doit assurer l’étanchéité. Enfin, le changement de phase produit une variation 

de volume pouvant casser le conteneur si ce dernier ne peut pas absorber cette 

modification. 

Il existe de nombreuses techniques pour conditionner les MCP : 

� Les macro capsules qui peuvent être constituées de sacs, bouteilles de plastique, 

etc. Des procédés industriels utilisent le conditionnement dans des sphères de matière 

plastique ou nodules qui sont manufacturés dans trois diamètres (77-78 et 98 mm) pour des 

usages respectivement aux faibles températures de changement d’état (-3 à -15 °C), aux 

températures intermédiaires (-3 à 15 °C) et à la température de stockage de la glace (0 °C). 

Certains nodules spéciaux ont des températures de changement d’état de 27 °C. 

� Les micro capsules qui sont de petites gouttes solides ou liquides emprisonnées 

dans une coquille solide de 1 à 1000 µm de diamètre par un procédé physique ou chimique. 

A6.5. Descriptif du MCP retenu dans 

cette étude (Virgone, 2006) 

Le produit Dupont Energain se présente sous la forme d'un panneau aluminium contenant 

un composé solide de copolymère et de paraffine. Le produit est mis en œuvre directement 

sur les murs et les plafonds intérieurs d'un bâtiment, derrière une plaque de plâtre par 

exemple. Les panneaux DuPont Energain absorbent et libèrent la chaleur en fonction des 

variations de température qui font réagir le composé en provoquant un "changement de 

phase". Les panneaux ont des dimensions bien adaptées aux panneaux ordinaires de 

plaque de plâtre (carrés de 120 cm de côté), sont peu massifs et simples à mettre en œuvre. 

Les panneaux peuvent être facilement coupés à n'importe quelle dimension ou forme. La 

manipulation des panneaux est sans risque, ils ne contiennent aucune substance toxique. 


Figure A 55. Mise en œuvre de Dupont Energain (Virgone, 2006) 

A6.6. MCP et confort thermique 

Annexes 

Les MCP ont l’avantage supplémentaire de maintenir le confort thermique des occupants si 

une température de changement de phase appropriée est choisie. Sur le tableau suivant les 

applications potentielles du stockage thermique à l’aide de MCP sont synthétisées : 

Tableau A 21. Applications potentielles de stockage de l’énergie thermique par les matériaux à changement 

de phase (Ahmad, 2004) 

Méthode d’utilisation du 

MCP 

Stockage par MCP réparti 

dans la cloison (plâtre, 

ciment, PVC, mousse, verre, 

nids d’abeille) 

Chauffage électrique avec 

stockage MCP 

Stockage MCP dans les 

gaines aérauliques pour le 

chauffage et la climatisation 

Préchauffage d’air à MCP 

pour pompe à chaleur 

Application Objectif Secteur 

Chauffage et 

conditionnement 

d’air des locaux 

Chauffage des 

locaux 

Chauffage et 

conditionnement 

d’air des locaux 

Chauffage des 

locaux 

Murs rideaux Chauffage des 

locaux 

Chauffe-eau avec le stockage 

par les MCP 

Chauffage de 

l’eau 

Consommation 

heures creuses et 

conservation 

Consommation 


conservation 

Consommation 

heures creuses 

Consommation 


conservation 


Tous 

Résidentiel, commercial 

et institutionnel 

Commercial, 

institutionnel et 

industriel 


et institutionnel 

Conservation Commercial, 

institutionnel et 

industriel 

Consommation 

heures creuses 


et institutionnel

A6.7. Applications particulières : 

Couplage de MCP à d’autres 

dispositifs bioclimatiques 

Annexes 

Les MCP peuvent être couplés avec plusieurs systèmes actifs (plancher chauffant ou encore 

capteurs solaires) mais aussi passifs. C’est ce dernier point qui est développé ici, par l’étude 

de l’adjonction de serre, ou de vitrage par exemple. 

A6.7.1. Chauffage des serres avec stockage 

d’énergie à MCP 

Le couplage de MCP à une serre peut permettre d’une part les surchauffes produites par la 

serre en journée, et d’autre part de restituer les calories en soirée, quand on en a le plus 

besoin. Deux systèmes sont schématisés sur la figure suivante : 

Figure A 56. Récupérateur sur air extérieur (à gauche) et récupérateur dans lequel le MCP fond quand 

l’air de la serre et chaud et se solidifie quand il est froid (à droite) (Ahmad, 2004) 

A6.7.2. Façade couplant effet de serre et MCP 

Une autre application de l’installation des MCP est l’association avec un vitrage. Cette 

application peut s’apparenter au mur capteur accumulateur étudié dans la partie réservée à 

cet effet. La lumière solaire est absorbée par le MCP après passage au travers du vitrage. Le 

MCP fond pendant la journée et se refroidit durant la nuit. La présence d’une protection ou 

encore de vitrages performants peut éviter les pertes vers l’extérieur. De même, une vitre 

dont la surface est constituée de prismes limite les surchauffes du MCP en renvoyant la 

lumière lorsque le soleil est haut sur l’horizon. 

A6.7.3. Fenêtres à MCP 

(Ahmad, 2004) présente ce système : la fenêtre est constituée de deux vitrages entre 

lesquels peut circuler le MCP. Le MCP liquide est introduit dans l’intervalle entre les deux 

vitrages par l’intermédiaire d’une pompe qui est activée pour une différence de 

température donnée. En mesurant la transmittance et la réflectance des doubles vitrages 

avec différentes épaisseurs d’intervalles remplis de MCP, une forte réduction du 

rayonnement ultra violet et infra rouge est relevée tout en gardant une bonne visibilité. Un 

modèle numérique de ce type de fenêtre à une dimension a été développé et a montré la 

capacité du MCP à réduire les pertes ou les gains de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur. 


A6.8. Modélisation des MCP 

Annexes 

Plusieurs modèles de MCP ont été développés. Les principes physiques sur lesquels ils 

reposent sont présentés et tirés de la thèse de (Ahmad, 2004). Dans la deuxième partie le 

Type 250 qui modélise une cloison de MCP dans une paroi interne à un bâtiment 

développé par (Lepers, 2007) dans le cadre de son post-doctorat est décrit. 

A6.8.1. Les échanges thermiques dans les MCP 

Les conditions intérieure et extérieure influent sur le changement d’état d’une paroi à MCP. 

D’une part, Les conditions météorologiques extérieures fluctuent de façon saisonnière et 

journalière. D’autre part à l’intérieur du bâtiment la production de charges internes et les 

échanges thermiques entre deux zones adjacentes, provoquent des variations de la 

température intérieure. Le stockage peut agir comme un volant thermique et limiter ces 

fluctuations. Pour ce faire une analyse thermique est nécessaire par la prise en compte des 

paramètres suivants : D’une part les caractéristiques du MCP (température de fusion, 

chaleur latente, propriétés thermo physiques de matériaux notamment la conductivité 

thermique et la capacité thermique massique). D’autre part de la répartition des MCP dans 

les parois qui sera différente selon que l’on veuille éviter les surchauffes de la surface 

extérieure des murs (le MCP est placé proche de la surface extérieure) ou encore réguler la 

température intérieure (le MCP est placé près de la surface intérieure). Mais aussi des 

variations des températures de chaque côté du mur (extérieur ou intérieur du bâtiment). Et 

enfin des apports convectifs ou radiatifs et en particulier le coefficient d’échange par 

convection naturelle peut être insuffisant pour déstocker l’énergie et il est souvent 

nécessaire d’utiliser des moyens actifs. 

La modélisation des parois à MCP nécessite l’intégration de certains facteurs décrits cidessous 

(Ahmad, 2004) : 

� Les échanges thermiques : Fonction du côté de paroi considéré. Pour les cloisons : 

échangent la chaleur essentiellement avec l’atmosphère intérieure. Pour les murs de béton : 

peuvent échanger à la fois du côté intérieur et du côté extérieur 

� Le type de paroi : La paroi est constituée d’une partie qui stocke la chaleur sous 

forme de chaleur sensible et du MCP qui stocke la chaleur sous forme de chaleur latente 

� Le cycle thermique : Fonction des matériaux utilisés, de la taille du bâtiment, du 

taux de renouvellement d’air et de sa distribution dans la pièce. 

A6.8.2. Présentation du Type exploité pour 

modéliser les MCP dans TRNSYS 

Le modèle unidimensionnel utilisé dans cette simulation a été développé dans 

l’environnement TRNSYS par LEPERS à l’INSA de Lyon. Il permet d’évaluer le 

comportement thermique d’une paroi contenant une couche de MCP avec, de chaque côté, 

une ou plusieurs couches de matériaux quelconques. La paroi multi couches est modélisée 

selon un schéma implicite par une approche résistance/capacité (cf. Figure A 57). Les 

matériaux situés de chaque côté du MCP sont modélisés dans le type MCP par une 

conductance unitaire à spécifier par l’utilisateur (pour 1 m² de surface) correspondant à la 

conductance des couches adjacentes au MCP, telles que définies dans le modèle de 

bâtiment de TRNSYS (Type 56). Le MCP est discrétisé en N couches (N pouvant varier de 2 

à 100). Les conditions aux limites (Type Fourier) sont les températures de surface fournies 


Annexes 

par le type 56. Concernant la modélisation du changement d’état du MCP, le modèle de 

(Kondo, 2000) basé sur l’approximation de la courbe du Cp par des fonctions affines. Ce 

modèle a fait l’objet de deux études, qui ont permis de vérifier la cohérence des résultats 

obtenus (Virgone, 2006). D’autre part le modèle numérique a été confronté à des résultats 

expérimentaux dans le cadre de l’étude (Ademe, 2004). 

Figure A 57. Modèle RC de la paroi intégrant un matériau à changement de phase 

Si i désigne l’indice temporel, les Cp sont approximés en fonction de la température T (en 

°C) par la formule suivante : 


Le cp est donc variable en fonction de la température à cause du changement de phase sur 

une gamme s’étendant de 2 400 à 12 700 J.kg-1.K-1. Le cp(T) a été mesuré en laboratoire lors 

d’un chauffage et d’un refroidissement pour un matériau neuf grâce à un microcalorimètre 

sur une plage de température comprise entre 5 et 35°C. Un chauffage mixte (moyenne du 

refroidissement et du chauffage est considéré dans cette étude), et les valeurs suivantes 

sont retenues : 

Tableau A 22. Valeurs de cp retenu dans le Type MCP 

Indice 1 2 3 4 5 

T (°C) 5 13 17 21,5 27 

cp (kJ.kg -1 .K -1) 3,2 5 8,6 10,1 2,4 

De manière analogue, la conductivité thermique λ est représentée sur la Figure A 58 et 

s’exprime : 


Ce modèle a été validé par une expérimentation et donne des résultats corrects. Il permet 

ainsi d’évaluer le comportement thermique de n’importe quelle paroi interne contenant 


Annexes 

des MCP. Le couplage du modèle de MCP au Type 56 s’effectue par la création d’une paroi 

fictive dans le modèle de bâtiment pour chaque zone concernée. Afin de renseigner le 

modèle de MCP, il est nécessaire de récupérer via le type 56 les températures de surface de 

chaque paroi fictive, et de les relier aux entrées de modèle de MCP qui renvoie les 

températures de surface du MCP (cf. Figure A 59). 

Figure A 58. Approximation de la courbe des cp (losange) et des λ (triangle) par des fonctions affines 

Figure A 59. Couplage du Type 56 au modèle de MCP 

T1 T2 T3 T4 T5 

A noter qu’un premier exercice sur la maison individuelle de 1966 nous a poussé à 

considérer l’intégration de MCP dans plusieurs cloisons. Afin de remédier à certains 

problèmes inhérents à l'environnement TRNSYS (stockage des valeurs entre les itérations), 

il est nécessaire d'utiliser un type distinct par cloisons contenant du MCP. 

A6.9. Les MCP en rénovation 

Avant de préconiser une amélioration de l’inertie du bâtiment un état des lieux sera 

nécessaire. En effet, nombre de maisons anciennes ont des murs épais favorisant le 

stockage de la chaleur. En revanche, même si les étages courants se retrouvent 

généralement dans cette typologie, il est fréquent de voir dans le cadre d’une rénovation 

des combles réaménagés ne disposant que de parois de faible épaisseur bien souvent en 

plâtre. L’installation de MCP peut alors s’avérer nécessaire dans ce type de situation 

provoquant fréquemment des surchauffes estivales. 

Du positionnement des MCP dans le cadre d’une réhabilitation : se focaliser sur les aspects 

uniquement thermiques contribueraient à s’éloigner de la réalité. D’autres considérations 


Annexes 

rentrent en ligne de compte notamment l’habitabilité du logement, la place disponible. 

Plusieurs possibilités existent et sont synthétisés ci-dessous : 

Figure A 60. Possibilités d’installation de MCP dans l’enveloppe du bâtiment (Marco, 2005) 

La configuration avec l’installation des parois verticales est retenue dans le cadre de cette 

étude. Une étude intéressante serait de comparer les performances du MCP selon son 

positionnement. Les bâtiments ayant une maçonnerie traditionnelle présentent une grande 

inertie thermique (stockage par chaleur sensible) et produisent une certaine climatisation 

naturelle des pièces. Le MCP incorporé aux murs ou aux cloisons de faible inertie permet 

au stockage thermique d’être partie intégrante de la structure du bâtiment et aussi de 

stocker l’énergie sans changement de la température de l’enveloppe de la pièce. Cette 

utilisation des MCP dans la structure des murs permet d’obtenir presque la même quantité 

de chaleur sur une saison que des murs traditionnels mais avec une épaisseur de paroi bien 

plus faible. L’inconvénient est que les MCP ultra purs ont un coût prohibitif pour les 

utiliser pour le chauffage et la climatisation. 

Une maison de béton a, en général, une grande capacité thermique qui réduit l’influence de 

la température extérieure et du rayonnement solaire sur les conditions intérieures. Cette 

grande capacité thermique permet donc de conserver la chaleur et de diminuer la taille des 

équipements de chauffage et de climatisation. Elle est également bien adaptée au stockage 

saisonnier si l’épaisseur des murs est suffisante. Pour conserver des volumes d’enveloppe 

raisonnables on peut associer le béton à un MCP. Faciles à mettre en oeuvre dans le neuf 

comme en réhabilitation, ils n’entraînent aucun coût de maintenance et leur durée de vie 

est identique à celle des bâtiments dans lesquels ils sont utilisés. 



Annexes 

Les surchauffes en périodes chaudes peuvent être réduites par l’amélioration de l’inertie 

du bâtiment. En mi-saison, les MCP sont censés améliorer le confort.Cette augmentation de 

la capacité de stockage du bâtiment peut être accrue par l’adjonction de volume de 

stockage telle qu’une paroi épaisse en béton ou en pierre. Autant en avant-projet d’un 

édifice à construire, l’intégration de ces matériaux est envisageable, autant dans le cadre 

d’un bâtiment à rénover, ils peuvent réduirent la surface habitable d’une part et, d’autre 

part, engendrer des nuisances au niveau des occupants. 

Les matériaux à changement de phase, notamment le procédé développé dans cette partie, 

présentant l’avantage d’avoir une faible épaisseur, répondent à cette problématique. Un 

modèle de MCP a été développé par (Lepers, 2007). Dans cette étude son couplage sur des 

parois verticales a été réalisé avec le modèle de bâtiment de TRNSYS, le type 56. En 

revanche, le modèle développé pose quelques problèmes dans la modélisation du 

phénomène d’hysteresis : le comportement du MCP change quand il s’échauffe et quand il 

se refroidit. Ce point reste encore à être amélioré. 

L’augmentation de l’inertie doit être étudiée au cas par cas notamment en fonction de la 

zone géographique, des performances des autres solutions de ventilation naturelle et 

surtout de la typologie du bâtiment. En outre, il est nécessaire, pour améliorer l’efficacité 

du stockage, de veiller à correctement décharger la masse thermique. 

Par ailleurs, l’intégration des MCP devrait être associée à une meilleure isolation de 

l’édifice (isolation extérieure) qui augmente l’inertie thermique, mais également à des 

protections solaires adéquates ainsi qu’à une réduction des ponts thermiques. Ces 

paramètres sont intégrés dans la méthodologie développée qui permet, pour un bâtiment 

donné, de déterminer les interactions entre les différents facteurs. Le bâtiment est ainsi vu 

globalement pour une configuration avec installation des MCP entre deux couches de 

plâtre située sur les parois verticales légères. 

Certes, des perspectives existent telles que : l’étude de l’efficacité du MCP selon son 

positionnement ou encore l’analyse de l’adaptation des parois à plusieurs zones dont les 

conditions de confort peuvent être différentes (cloisons dont la charge en MCP est 

distincte), toutefois, les exercices réalisés montrent que les MCP permettent un lissage des 

températures, en procurant également une économie certaine sur les dépenses en 

climatisation. A cet effet, (Cstb, 2007) précise que l’utilisation des MCP permet de réaliser 

des économies de chauffage de 10 à 15%, de 25 à 30% en climatisation. 

Les exercices réalisés avec les MCP dans les applications montrent que les performances de 

cette solution dépendent de la zone géographique et surtout de la période de l’année 

considérée. 

L’analyse opérée ici montre que ces données ne sont pas généralisables et dépendent 

fortement de la configuration du bâtiment. Ceci étant, les MCP demeurent faciles à mettre 

en œuvre dans le neuf comme en réhabilitation, ils n’entraînent aucun coût de maintenance 

et pour finir, leur durée de vie est identique à celle des bâtiments dans lesquels ils sont 

utilisés. 


Annexes 


« 

A7. VENT ET VENTILATION 

NATURELLE 


Seules, les fumées savent qu'il y a du vent 

Jules Renard, extrait de son Journal 1893 – 1898 

Annexes 

Pour rebondir sur la citation, nous dirons que les bâtiments aussi savent qu’il y a du vent, 

et d’autant plus que, s’ils n’y sont pas correctement protégés en saison froide, ce sont 

surtout les occupants qui en pâtissent. D’une part en matière de confort, et d’autre part à la 

lecture de leur facture énergétique ! Dans cette partie l’impact du vent sur la thermique des 

bâtiments sera étudié. 

Ce chapitre s’intitulait initialement « Se protéger du vent ». L’analyse bibliographique nous 

a ensuite conduite à comprendre que certes, le vent pouvait provoquer des déperditions en 

hiver, mais que, par une utilisation judicieuse du site, il peut favoriser le phénomène de 

ventilation naturelle en période chaude. Le titre a donc été modifié ! 

Il existe plusieurs moyens pour agir sur les débits entrants et sortants : par différence de 

pression (VMC, …), par différence de température (tirage thermique) ou encore par 

l’utilisation de l’effet du vent. 

L’inconvénient de l’approche bioclimatique étant que l’on contrôle mal la répartition des 

débits. L’enjeu est de tenter de trouver un bon compromis entre confort d’été (ventilation 

naturelle) et stratégies de chaud (protection contre le vent, gestion des débits de 

ventilation, réduction des infiltrations). 

Dans les bâtiments anciens, le renouvellement d’air s’effectue principalement par les 

infiltrations parasites au travers des fenêtres. La fenêtre constitue l’élément prioritaire en 

terme de rénovation diffuse et représente en proportion 40% devant l’isolation 10% 

(Orselli, 2005). Si, par le passé, on se fiait aux fuites d’air pour assurer la ventilation des 

petits bâtiments, le perfectionnement des méthodes de construction, telle la pose des 

fenêtres plus étanches, de pare-air, de pare-vapeur continus ainsi qu’un plus grand souci 

du détail, ont augmenté l’étanchéité à l’air des bâtiments. Les fuites d’air ne constituent 

donc plus une source de ventilation suffisante pour répondre aux besoins de ventilation 

dans les cas des bâtiments récents ou de bâtiments rénovés. 

Pour assurer le renouvellement d’air des logements existants, il faut donc veiller au niveau 

de la réfection des fenêtres, d’en installer avec une grille d’entrée d’air ou de les associer à 

un système de ventilation. Il est donc important de distinguer les infiltrations, qui sont 

décrites par l’écoulement aléatoire de l’air extérieur à travers les fissures dans l’enveloppe 

du bâtiment (Santamouris, 1996), du phénomène de ventilation. La ventilation des locaux 

ayant un double objectif : la qualité de l’air intérieur et le maintien de conditions de confort 

thermique acceptables pour les occupants, essentiellement en période chaude. Ainsi, elle 

évacue l'humidité générée dans le bâtiment par la présence et les activités des occupants : 

10 à 20 ou 30 litres d'eau par jour et par habitant, dont 1 à 1,5 litre rien que pour la 


»

Annexes 

respiration et la transpiration provenant de l'extérieur : pluie, remontée du sol, défauts ou 

usure de la construction…Enfin, elle est essentielle pour apporter l'oxygène indispensable à 

la respiration et à une bonne combustion des carburants utilisés dans la maison pour le 

chauffage, la cuisine… 

En France, le contrôle d’un renouvellement d’air a été rendu obligatoire en 1982. Si les 

différentes réglementations successives ont durcies les exigences thermiques concernant 

l’isolation de l’enveloppe, en revanche, il n’y a pas eu d’exigences nouvelles en matière de 

débits de renouvellement d’air depuis cette date. 

Dans une installation de ventilation naturelle les amenées d’air et les évacuations d’air se 

font naturellement au moyen d’ouvertures réglables : des ouvertures de transfert qui 

permettent le déplacement de l’air depuis les locaux “secs” vers les locaux “humides”. Les 

pressions et dépressions du vent, ainsi que la différence de température, occasionnent une 

différence de pression de part et d’autre des ouvertures d’alimentation et d’évacuation 

naturelles. Le débit réel de ventilation assuré par ces dispositifs dépend de cette différence 

de pression et n’est donc pas constant. L’ouverture des fenêtres et des portes, provoquant 

des entrées et sorties d’air souvent fort importantes, ne font qu’augmenter cette 

imprécision du renouvellement d’air. La ventilation naturelle n’est pas seulement exploitée 

pour fournir de l’air frais aux occupants, durant les périodes chaudes elle peut permettre 

de rafraîchir le bâtiment en évacuant la chaleur quand les conditions climatiques le 

permettent. 

Elle est basée sur deux phénomènes fondamentaux : le vent et le tirage thermique. Les 

conséquences du vent pouvant être fort préjudiciables, et pas seulement au niveau 

thermique, il semble judicieux d’exploiter le tirage thermique, quand le bâtiment le permet, 

en priorité pour les saisons chaudes et de fixer comme critère prépondérant la protection 

contre les vents en hiver. Pour s’en convaincre, l’analyse des conséquences du vent en 

construction est criante : les vents froids hivernaux amplifient les déperditions de chaleur 

des bâtiments en augmentant les débits d’infiltration d’air et en diminuant la résistance 

thermique de l’enveloppe, la vitesse de l’air favorisant le transfert conduction / convection. 

Au niveau de la construction, le vent agira : 

- Sur la charpente, par la pourriture du bois par exemple 

- Sur les matériaux de revêtements extérieurs, en les détériorant 

- Sur le chauffage, en augmentant sa consommation 

- Sur la ventilation, pouvant causer des dommages 

- Sur les défauts d’étanchéité, provoquant des infiltrations parasites. 

Les conséquences mécaniques du vent ne seront pas abordées dans cette étude qui se situe 

dans un contexte énergétique, environnemental et économique. L’objectif est de contrôler 

au mieux les débits d’air au niveau du bâtiment. Pour ce faire, il existe différents outils 

permettant de les évaluer au stade de la conception en fonction des caractéristiques de 

l’enveloppe et des conditions climatiques. Au préalable, les outils de calcul tenant compte 

des effets du vent et des débits de ventilation sont présentés afin de mieux décrire les 

hypothèses retenues et les différents phénomènes mis en jeu. L’accent sera porté dans cette 

partie sur la distinction entre les méthodes adaptées à la thermique d’hiver (protection 

contre les vents) et celles adaptées à la thermique d’été (stratégies de ventilation naturelle). 

Pour ce faire, le régime des vents dominants est décrit, suivi de la description de la 

ventilation naturelle. Pour finir nous nous intéresserons à la façon dont ces préceptes 

pourront être appliqués dans le cadre de la rénovation en prenant garde de distinguer le 

logement individuel du logement collectif, ces deux types d’édifices ayant des traitements 

complètement différents en terme aéraulique. 


A7.2. La modélisation aéraulique 

Annexes 

L’objet de la modélisation des mouvements d’air est de permettre d’optimiser la conception 

et la planification de la ventilation au sein des bâtiments (Barhoun, 2006). Deux catégories 

d’outils numériques sont distinguées pour simuler les écoulements d’air : 

- les codes de champ ou modèles de type CFD (Computational Fluid Dynamics), qui 

permettent une modélisation détaillée, mais qui sont néanmoins relativement lourds 

d’utilisation par le détail des entrées qu’ils nécessitent, le temps nécessaire pour 

définir un problème et l’importance des moyens informatiques qu’ils demandent 

(Regard, 1996). Ils ne permettent pas de tenir compte de toutes les interactions d’un 

bâtiment complet 

- les codes de pression ou modèles nodaux ou zonaux, qui ont l’avantage d’être plus 

maniables, en fournissant des résultats toutefois globaux tels que les débits entre 

zones sans pour autant décrire le détail des écoulements à l’intérieur d’une zone. Ils 

sont développés spécifiquement pour l’application à la thermo aéraulique des 

bâtiments, dont l’échelle de résolution est plus importante. Le nombre d’équations à 

résoudre est ici moins important. 

Le critère de sélection retenu pour modéliser les transferts aérauliques dans le bâtiment est 

la fiabilité des résultats en un minimum de temps. L’approche nodale ou zonale permet de 

simplifier des modèles à des fins de rapidité de calcul (Barhoun, 2006). Le bâtiment est ainsi 

représenté par un ensemble de nœuds représentant des pièces ou un groupement de pièces 

qui communiquent par des liens avec l’extérieur 28 et avec l’intérieur (échanges entre 

pièces). La modélisation se caractérise par la définition d’un nœud par zone. Les lois 

régissant les transferts aérauliques entre zones sont généralement des lois de puissance qui 

donnent le débit d’air en fonction de la différence de pression. 

Les écoulements analysés dans cette étude ont lieu entre les différentes zones du bâtiment 

et l’extérieur à travers les ouvertures volontaires 29 ou accidentelles 30 de l’enveloppe. Le 

choix de TRNFLOW a été précisé dans le corps de texte (cf. § 5.4.2). Les différents nœuds 

de la maquette d’écoulement sont définis et la maquette rappelée (cf. Figure 27) : quatre 

classes des nœuds sont employées pour définir le réseau d’écoulement d'air : nœuds à 

pression constante, zones thermiques, nœuds auxiliaires et nœuds externes. Chaque nœud 

est à une hauteur de référence. La hauteur de référence des nœuds externes et des nœuds à 

pression constante est définie comme niveau de référence du bâtiment. Les niveaux de 

référence des zones thermiques et des nœuds auxiliaires sont définis par rapport au niveau 

de référence du bâtiment. Les pressions de nœud sont définies comme différences de 

pression entre la pression totale dans le nœud et la pression barométrique ambiante au 

niveau de référence de bâtiment. Cela signifie que par exemple un nœud constant de 

pression 0 Pa n'a aucune pression supplémentaire par rapport à la pression ambiante. Avec 

des nœuds à pression constante une pression fixe à l'extérieur du bâtiment peut être définie 

par rapport à la pression barométrique ambiante. 

Les zones thermiques correspondent aux zones dans le modèle thermique. Chaque zone 

thermique est supposée homogène en température, et peut être représentée par un nœud 

avec des valeurs simples pour la température, l’humidité, la pression, et la possibilité de 

traiter des polluants. La température et l'humidité sont calculées dans le modèle thermique 

pour chaque zone thermique et sont intégrées dans le modèle aéraulique. 

28 Fissures, conduits, ouvertures ou système de ventilation mécanique. 

29 Entrée d’air, bouches d’aération, conduites de cheminée 

30 Infiltrations d’air par les fenêtres ou portes, fissures dans les parois opaques 


Annexes 

Les nœuds auxiliaires sont employés pour modéliser le comportement de conduit d'un 

système de ventilation. Ils sont liés par les différentes pièces du système de conduit. Les 

nœuds auxiliaires n'ont ni masse thermique ni un volume considérable. Par conséquent il 

n'y a aucun équivalent à ces nœuds dans le modèle thermique. 

Les nœuds externes représentent la pression de vent à l'extérieur du bâtiment. Les 

coefficients de pression (cp) reliant la pression de vent au bâtiment à la pression 

dynamique de la vitesse de vent, peuvent être attribués aux nœuds externes pour plusieurs 

directions de vent. Les valeurs de cp doivent être renseignées dans la définition des nœuds 

extérieurs. Elles sont toujours référencées pour une vitesse de vent à une certaine hauteur. 

Usuellement, c’est la hauteur au niveau des gouttières du bâtiment. Les valeurs de cp 

peuvent être indiquées pour toutes les directions de vent désirées. Les directions réelles de 

vent du fichier météo non définies causeront une interpolation entre les valeurs de cp des 

deux directions définies les plus proches. 

A7.3. Régime des vents dominants 

L’analyse se situe à l’échelle micro climatique correspondant à quelques centaines de 

mètres 31. A l’échelle micro climatique, le principal indicateur de vent est la végétation. Sa 

présence, sa condition de croissance montrent les niveaux de sensibilité de l’impact du 

vent. Elle pourra servir dans certains cas d’écran protecteur contre les vents en hiver. Ces 

éléments accentuent l’importance de l’analyse environnementale du site d’implantation du 

projet qui constitue une étape indispensable pour connaître le régime des vents dominants. 

Il est conseillé, dans les climats froids, de choisir un terrain qui bénéficiera d'une protection 

naturelle contre les vents tels que des arbres denses. Pour établir les protections et les choix 

des ouvertures d’une habitation, il est nécessaire d’étudier précisément les vitesses et 

direction des vents en fonction des saisons données par la rose des vents locale et de 

consulter une carte des vents. 

Afin de répondre à une stratégie de chaud, il sera nécessaire de se protéger des vents froids 

d’hiver et pour se faire, analyser comment en tirant au maximum parti des protections 

naturelles et du bâti, notamment par sa morphologie, en limitant les ouvertures donnant 

sur les vents dominants et en plaçant correctement des locaux « tampons », il est possible 

de se protéger du vent. 

A7.3.1. Données du site 

Loin du sol, à plus de mille mètres, les perturbations dues au vent sont faibles, le vent étant 

sensiblement parallèle aux isobares (Tareb, 2004). Dans les basses couches (0 à 300 m), le 

régime des vents dominants est influencé par le site. Il dépend en effet de la situation 

géographique, de la topologie du terrain, mais aussi, à un niveau plus local, de 

l’environnement du bâtiment. 

Les forces de frottement sur sol rugueux réduisent la vitesse moyenne du vent et 

provoquent des turbulences. Cet effet de la rugosité est perceptible sur des centaines de 

mètres. La turbulence, caractère aléatoire, fait du vent un phénomène instable (en intensité 

31 Deux autres échelles ont été définies par (Allard, 1998) : l’échelle locale qui couvre des étendues de l’ordre de la 

dizaine de kilomètres, et pour des étendues de l’ordre de la centaine de kilomètres, l’échelle régionale. 


Annexes 

et en direction) et variable dans le temps. Elle est due aux obstacles sur le sol et aux 

instabilités thermiques, et diminue généralement avec l’altitude. 

Tableau A 23. Différents types de rugosité sont définis pour caractériser la nature des écoulements, 

adapté de (Gandemer, 1979) 

Type de 

rugosité 

Nature du sol 

Influence en 

altitude 

Vitesse moyenne 

au niveau du sol 

Turbulence au 

niveau du sol 

Faible Mer, rase campagne 250-300m Importante Faible 25% 

La rugosité de la surface de la terre (Tableau A 23) ralentit donc le vent et transforme une 

partie de son énergie en turbulence mécanique. La turbulence étant surfacique, la vitesse du 

vent à la surface est inférieure à celle des altitudes élevées (Boyd, 1964). 

L’écoulement d’air peut être décrit par les relations suivantes : 

- de conservation de la quantité de mouvement 

- de conservation de la masse (de continuité) 

- de conservation de l’énergie. 

Ces relations permettent, sous forme d’équations aux dérivées partielles, de définir les 

champs de vitesse U, de pression P et de température T. Afin de simplifier l’étude de 

l’écoulement d’air, dans les modèles météorologiques, le champ de vitesse Ui(M,t) est 

généralement décomposé en: 

Ui i 

i 

( M , t) 

= u ( M ) + u' 

( M , t) 

[m/s] Équation A 24 

- une composante moyenne, ui (M ) sur le temps d’observation T. Elle est supposée 

indépendante de T si ce temps d’observation est assez long pour être représentatif : T 

varie entre 10 min et 1h (Tareb, 2004) 

- une composante fluctuante, ui ( M , t) 

, correspondant à la turbulence déclenchée par les 

surfaces rugueuses et caractérisée de façon statistique par l’écart type σ en [m/s] sur la 

période T choisie. 

« Sur le site », les données de vent ne sont généralement pas disponibles et les informations 

de la station météo locale doivent être utilisées. Malheureusement, elles sont mesurées dans 

des stations situées en site complètement dégagé et ne correspondent que très rarement à la 

réalité des fluctuations climatiques du lieu étudié. Des mesures de vitesse de vent sont 

disponibles à une altitude fixe, communément 10 m au-dessus du niveau du sol. En 

conséquence, la vitesse de vent réelle U doit être correctement ajustée à une hauteur 

spécifique et tenir compte de l'orientation du bâtiment, la topographie de l'endroit et la 

rugosité du terrain environnant dans la direction de vent. Pour intégrer ce phénomène, la 

littérature propose différents profils de vent. On distingue deux grands types de lois : le 

profil logarithmique du vent : la vitesse moyenne est une fonction logarithmique de 

l’altitude, et la loi de puissance, qui est une loi adimensionnelle empirique représentative 

de l’écoulement du vent dans l’ensemble de la couche limite atmosphérique. L’utilisation 

des données brutes de la station météorologique peut causer une erreur de calcul 

significative, la valeur de la vitesse du vent étant ajustée dans l’équation de la pression du 

vent (Équation A 30). C’est une faute classique dans l’application des méthodes zonales 

(AIE, 1996). Idéalement, les données de vent devraient être obtenues sur un site local avec 

des parties topographiques similaires (i.e. non isolé par des collines). TRNFLOW tient 

compte de la différence entre les données météos et les données de site et utilise une loi de 

puissance : 


Figure A 61. Transfert de la vitesse de vent de la station météo au bâtiment (Trnflow, 2006) 

v 

0 

= v 

m 

⎛ h 

⋅ 

⎜ 

⎝ h 

b 

m 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

α 

m 

⎛ h 

⋅ 

⎜ 

⎝ h 

0 

b 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

α 

0 

Annexes 


L’exposant du profil de vitesse de vent dépend de la rugosité du sol (Tableau A 24) qui 

traduit l’effet de ralentissement des bâtiments, des arbres et autres obstacles qui s’opposent 

à l’écoulement du vent à la surface. Pour une même altitude, la vitesse moyenne du vent 

peut évoluer du simple au double en fonction du type de rugosité. La hauteur de la couche 

limite dépend de la rugosité du terrain, calculée à partir de α0 : 

Si α0 < 0,34 hb = 60m 

Si α0 > 0,34 hb = 60m + (α-0.34)*(10800*(α-0.34)+440) m. 

Tableau A 24. Classes de rugosité et leurs exposants du profil de vitesse de vent (Trnflow, 2006) 

Classe Description du terrain α 

1 Mer, Terrain plat sans obstacle 0,1 – 0,15 

2 Terrain ouvert avec obstacles isolés 0,15 – 0,25 

3 Forêt, Petite ville, Banlieue 0,25 – 0,35 

4 Centre ville 0,35 – 0,45 

Nous voyons poindre ici la notion de microclimat urbain dont la cause est la modification 

du climat dominant par les tissus urbains. En milieu urbain, le vent sera fortement 

influencé par la disposition des bâtiments, et nous montrerons qu’il n’est pas toujours aisé 

d’en tirer partie. Ces vents peuvent avoir un fort impact sur les hauts bâtiments, l’intensité 

du vent augmentant avec l’altitude, l’impact de vent est donc d’autant plus important que 

la hauteur du bâtiment est grande. A ce stade, il est nécessaire de relier l’environnement au 

bâtiment en étudiant la façon dont le vent peut accentuer les déperditions thermiques par 

l’augmentation des infiltrations d’air. 

A7.3.2. Topographie 

Le relief affecte l’écoulement de l’air et il y a lieu d’en tenir compte dans les calculs de façon 

très spéciale. Il modifie le comportement du vent en vitesse et en direction. Les éléments du 

relief peuvent être, et sont généralement, intégrés à la conception de la construction : s'il 

existe une pente, les axes principaux de la construction chercheront le plus souvent à 

s'aligner sur les courbes de niveau et la ligne de plus grande pente. Le dénivelé permettra 

également de créer des différences de hauteurs et des décalages dans l'organisation des 

pièces, ou encore imposera à toutes les constructions une même orientation. 


Annexes 

L’implantation d’une maison devrait se faire dans des espaces protégés tels que les versants 

sous le vent, protégés des vents dominants d’hiver (cf. Figure A 62). L’air froid s’écoulant 

du haut vers le bas des pentes, on peut observer dans le fond d’une vallée, un fort courant 

d’air froid qui s’établit pendant la nuit. D’après (Mansouri, 2003), lorsqu'une masse d'air 

rencontre une colline avec une hauteur modérée, une partie importante du flux suit le relief 

du site alors que l'autre partie contourne la colline par les flancs. Ce modèle d'écoulement 

crée une zone de haute pression près du sol et aux alentours du sommet et une zone à basse 

pression en bas des flancs de la colline. Ces variations de pression correspondent à la 

variation inverse de l'énergie cinétique du fluide. Celle-ci crée une zone avec des vitesses 

d'air importantes à proximité du sommet et une zone avec des vitesses d'air faibles et de 

haute turbulence au pied de la colline. 

Figure A 62. Influence du relief sur le vent dans le cas d’un vent dominant provenant du Nord 

Un facteur de majoration des vitesses de vent est proposé par Jensen (Bottema, 1992) cité 

par (Mansouri, 2003): 

La vitesse maximale est atteinte à une hauteur (avec z0 : Altitude du sol [m]) : 



Les configurations de relief les plus courantes ayant une action d’abri ou d’exposition vis-àvis 

du vent vont maintenant être décrites (Guyot, 2001) 32 de façon à comprendre les 

écoulements d’air pour savoir s’en prémunir ou en tirer partie : 

- Effet de rétrécissement : configuration topographique d’un espace en creux dont l’une des 

extrémités se termine par un trou 

Lorsque le vent souffle sur l’espace vers le verrou, une 

accélération se produit de manière proportionnelle au 

rétrécissement de la section (effet venturi) 

Recommandation : Densifier par des masses végétales 

Figure A 63. Effet de rétrécissement (Guyot, 2001) 

32 (Guyot, 2001) Le vent, l’architecture et l’aménagement urbain - Intervention de cours - conférence en 4eme année à 

l'école d'architecture de Marseille - Alain GUYOT Maître - Ecole d’architecture de Marseille - 2001 


Annexes 

- Effet de canalisation : espace en creux délimité par des versants qui forment un couloir 

pour le vent 

Figure A 64. Effet de canalisation (Guyot, 2001) 

Si le vent est dans le sens de la vallée, l’écoulement 

des flux est entretenu. Lorsque le vent est 

perpendiculaire à la canalisation, un rouleau 

tourbillonnaire plus ou moins stationnaire à axe 

vertical se développe. 

Recommandation : Créer une rugosité de sol 

- Effet de pente : changement topographique lié au versant 

Pour les pentes inférieures à 15%, l’accélération se 

matérialise dans la pente. Pour des valeurs> à 15 %, le 

maximum d’accélération se produit au sommet de pente. 

Recommandation : Recréer un effet de rugosité et / ou 

reconstituer des terrasses 

Figure A 65. Effet de pente (Guyot, 2001) 

- Effet de plateau : en altitude, situation topographique matérialisée par une rupture de 

pente 

La conjugaison du gradient verticale de vitesse moyenne 

et de site dégagé en fait une zone particulièrement 

exposée au vent. 

Recommandation : Recréer un effet de rugosité pour 

limiter la variation du gradient. 

Figure A 66. Effet de plateau (Guyot, 2001) 

- Effet de littoral : variation directionnelle du vent liée à une topographie associée à un 

changement de rugosité entre la terre et la mer 

Un effet d’ombre éolienne est constaté en même temps 

qu’un changement de direction sous le vent d’un relief 

Recommandation : Recréer une zone d’abri naturel sous le 

vent. 

Figure A 67. Effet de littoral (Guyot, 2001) 

La topographie ne constitue pas à proprement parler un obstacle mais elle engendre 

éventuellement des modifications par rapport aux données générales relatives au vent. Ces 

changements s'effectuent à moyenne ou grande échelle. Le relief a pour effet de protéger 

certains sites mais aussi d'en surexposer d'autres. Par ailleurs, il peut modifier les vents 

dominants sur des grandes étendues (Gratia, 1998). A une échelle plus locale, les écoulements 

qui vont s’établir entre les constructions résultent de l’interaction complexe entre les vents et 

les masses bâties. Celles-ci modèlent les écoulements en fonction de leur forme, de leurs 

dimensions et de leur juxtaposition (Gandemer, 1979). 

A7.3.3. Vent et Géométrie de l’habitat 

La forme du bâtiment va jouer sur le profil d’écoulement de l’air autour d’un bâtiment, 

mais pas seulement ! La disposition des pièces intérieures va également influer 

l’écoulement de l’air, mais cette fois-ci, dans le bâtiment. Les obstacles au vent peuvent 

prendre des formes très variées : les constructions forment des écrans permanents tandis 

que la végétation peut présenter de nombreuses variations de taille (croissance) et d'opacité 


Annexes 

(saisons). L’habitat est considéré comme le système. Nous allons donc ici, voir comment la 

géométrie de ce dernier peut influer sur la diminution des impacts du vent. Par la suite, les 

éléments que l’on peut associer au système pour se protéger du vent seront présentés. 

Il faut au maximum limiter l’exposition des façades exposées aux vents froids, la vitesse de 

l’air favorisant le transfert conduction / convection. On veillera donc également, dans les 

régions froides, à localiser les portes et les fenêtres dans les zones les moins exposées au 

vent. Une diminution de la différence de pression entre le côté extérieur et le côté intérieur 

de l’enveloppe du bâtiment sera recherchée. Ci-dessous, l’illustration d’une forme 

architecturale peu compliquée et les lignes d'écoulement qui y sont associées issue de 

(Boyd, 1964) : 

Figure A 68. Lignes d'écoulement contournant un bâtiment de forme simple (Boyd, 1964) 

A7.3.3.1. Influence du toit 

Les caractéristiques de pression au niveau du toit changent avec la pente, les deux faces 

tendent à être en pression négative (par rapport à la pression atmosphérique) pour des 

pentes inférieures à 30°, tandis que, au-dessus de cet angle, la pression sur la face principale 

tend à devenir positive (AIE, 1996). Pour les bâtiments ayant un toit plat ou à faible pente le 

mur sous le vent est la seule surface assujettie à la pression; toutes les autres surfaces sont 

situées dans le sillage où les pressions sont inférieures à la pression ambiante. En effet, les 

lignes d'écoulement défléchies autour des extrémités sous le vent sont dans l'impossibilité 

de "s'accrocher" aux surfaces du bâtiment au moment où elles contournent les coins 

anguleux et une séparation se produit entre le vent et le bâtiment. Les pressions ne sont pas 

uniformes et certaines petites surfaces donnent lieu à des succions bien plus élevées que la 

moyenne : 

Figure A 69. Répartition des pressions sur le bâtiment (+) et des succions (-) sur une maison ayant un 

toit à pente faible, le vent étant perpendiculaire à la gouttière (Boyd, 1964) 

Le profil aérodynamique du toit agit sur les déperditions de chaleur (Desombre, 2005) : 

- Dans les régions où la direction des vents est très variable, préférer un toit incliné 

bas. Ainsi un écoulement peu turbulent est favorisé et les barrages d’air sont réduits 

- Dans les régions disposant de vents prédominants dont la direction est connue, une 

géométrie en dôme surbaissé (boîte à sel : Cf. Figure A 70) ou encore en goutte 

d’eau est l’idéale. 


Figure A 70. Influence de la toiture sur le profil aérodynamique 

A7.3.3.2. Surfaces exposées 

Annexes 

L’intégration de l’enveloppe dans le sol peut diminuer les surfaces exposées. Par ailleurs, 

un écoulement laminaire peut être favorisé par l’adjonction de surfaces lisses (coins 

arrondis par exemple). Ainsi, les filets d’air sont « guidés » autour du bâtiment et la 

pression du vent est diminuée. Il faudra néanmoins veiller à diminuer la largeur apparente 

exposée au vent : 

Figure A 71. Influence de la compacité du bâtiment sur l’écoulement du vent (Camous et al, 1979) 

A7.3.3.3. Influence de la végétation ((Lechner, 1991) cité par 

(Pacer, 1996)) 

Il est également possible de modifier le profil d’écoulement du vent autour du bâtiment par 

l’adjonction de végétation correctement située. La végétation peut être placée face aux vents 

dominants et peut ainsi limiter les infiltrations sur les façades exposées durant les périodes 

froides. Par l’implantation dans le site, on peut améliorer la canalisation du vent sur la 

façade du bâtiment pour améliorer le refroidissement passif en été : des arbres et des 

buissons peuvent canaliser les brises vers le bâtiment. 

Figure A 72. Des buissons ou arbres peuvent significativement améliorer la ventilation naturelle en 

empêchant le vent de contourner le bâtiment par ses côtés (Pacer, 1996) 


Annexes 

Un sol végétal, libre d’obstacle et ombré par des arbres, permet aux brises estivales de se 

refroidir avant de pénétrer le bâtiment : 

Figure A 73. Positionnement des arbres pour un refroidissement passif (Pacer, 1996) 

Afin d’optimiser la ventilation estivale, des buissons seront placés à une certaine distance 

du bâtiment et les arbres plus près. Une disposition inversée permet, en hiver, de protéger 

le bâtiment d’un vent excessif : 

Figure A 74. Disposition des arbres et des buissons différente en été et en hiver (Pacer, 1996) 

A7.3.3.4. Cas du milieu construit 

Les situations d’abri et d’exposition sont très variables car elles dépendent directement de 

la répartition des champs de pression autour des bâtiments. Les conditions d’existence de 

ces phénomènes et leur intensité sont soumises essentiellement à l’environnement proche. 

Les principaux effets répertoriés lors d’études en laboratoire et sur le terrain inspirés des 

cours de (Guyot, 2001) de l’école d’architecture de Marseille sont présentés ci-dessous. Ils 

permettent, notamment dans le cadre de la rénovation d’immeubles, de suivre les 

recommandations prescrites pour se préserver des désagréments causés par le vent en 

hiver. 


Tableau A 25. Formes isolées (Figures tirées de (Guyot, 2001)) 

Type d’effet Définition Illustration Impacts 

Effet de coin 

Effet de 

tourbillon 

amont 

Effet de 

sillage et de 

rouleau aval 

Effet de trou 

ou de 

passage sous 

immeuble 

Effet de 

barre 

Phénomène d’accélération localisée 

à l’angle d’un bâtiment. 

Il est dû à un gradient très élevé du 

champ de pression sur un espace 

limité entre la façade exposée et 

celle qui se situe en dépression 

Phénomène de mouvement d’air 

tourbillonnaire à composante 

verticale, plongeant sur la façade 

directement exposée au vent 

Phénomène de mouvement d’air 

tourbillonnaire sur la façade située 

sous le vent et plongeant sous la 

façade en dépression située sous le 

vent 

Phénomène d’accélération localisé 

du vent sur une zone de 

communication au niveau du sol 

entre les 2 façades : l’une en 

surpression, l’autre en dépression 

Phénomène de tourbillon 

plongeant et subissant une rotation 

en rejoignant le sol sous un vent 

incident à 45° sur une construction 

de forme parallélépipédique 

L’effet est proportionnel à la hauteur de 

l’angle de la construction : la vitesse peut 

augmenter de 1,2 à plus de 2 fois son état 

initial pour des bât. De quelques niveaux à 

des tours de grande hauteur (R+30) 

Peu sensible pour les constructions basses 

Important pour les constructions supérieures 

à R+5 (accélération de 1,5 dans le cas d’un 

immeuble de R+20) 

Le phénomène est proportionnel à la surface 

du bât. qui s’oppose à l’écoulement principal 

du vent, vitesse faible au centre. 

La zone de séparation des écoulements au 

niveau du sol est instationnaire et se situe à 

une distance d’1 à 2 fois la hauteur de la 

construction 

Les valeurs de la survitesse évoluent entre 1,2 

et 1,5 pour une hauteur construite variant de 

20 à 50m. 

Améliorations possibles : Eviter les 

implantations d’immeubles dans l’axe du 

vent, créer des pertes de charges dans les 

passages afin d’homogénéiser les champs de 

pression, favoriser le passage des flux au 

dessus du niveau piéton. 

Aggravation de la survitesse de l’ordre de 1,4 

sur une distance d’environ 2 fois la hauteur 

construite 

Opérer des retraits en 

hauteur du bâti 

Ceinturer les bâtiments 

par un élément en rezde-chaussée 

Recréer une rugosité de 

sol par des plantations 

ou du mobilier urbain 

dans la zone de sillage 

Prévoir des écrans 

horizontaux du type 

« pergola » 

Recommandations 

Annexes 

Filtrer par des plantations 

pour limiter le gradient 

horizontal 

Créer un auvent horizontal 

au dessus du niveau piéton 

pour intercepter les 

composantes verticales des 

flux d’air 

Eviter les implantations d’immeubles dans l’axe du 

vent 

Créer des pertes de charges dans les passages afin 

d’homogénéiser les champs de pression 

Eviter la zone de retombée des flux en aval 

Modifier la forme générale du bâtiment par des 

volumes adjacents 

Créer des écrans horizontaux de type « pergolas » 

- 318 -

Tableau A 26. Les formes associées (Figures tirées de (Guyot, 2001)) 

Type d’effet Définition Illustration Impacts Recommandations 

Effet liaison 

des zones de 

pression 

différente entre 

immeubles 

Effet Wise 

Effet Venturi 

Effet de 

canalisation 

Effet de maille 

ou de cour 

Disposition décalée de 2 

constructions créant un couloir de 

liaison entre eux lié au champ de 

pression existant entre la façade sous 

le vent du bâtiment amont et la 

façade au vent du bâtiment en aval 

L’association de bâtiments de tailles 

différentes et implantés parallèlement 

entretient un tourbillon à composante 

verticale issu de l’effet tourbillon aval 

ou de sillage du bât amont combiné 

avec le tourbillon amont du bât situé 

en aval 

Disposition relative de 2 bâts formant 

un collecteur de flux, le 

rétrécissement du passage a pour 

effet d’augmenter la vitesse pour un 

débit identique 

Configuration classique d’une rue 

délimitée par des constructions en 

continu de chaque côté. 

Cette disposition entretient et 

prolonge le phénomène situé au 

début de la rue 

Configuration appartenant à un tissu 

urbain homogène et créant une 

rugosité de sol, tendance générale à 

l’amélioration des conditions locales 

du vent 

La valeur de la survitesse évolue 

entre 1,2 et 1,6 pour des 

constructions entre 12 et 35 m de 

hauteur. Entre 2 tours de 100m 

de haut, la valeur du coefficient 

peut atteindre 1,8 

Lorsque l’association se situe 

entre 10 et 30m, le cœfficient 

prend la valeur 1,5 

Pour une association entre 15 et 

90m la valeur est de 1,8. 

L’espacement critique de 2 à 3 

fois la hauteur des constructions 

(hauteur moyenne de 45m) 

formant le venturi entraîne une 

valeur d’environ 1,6 

Le phénomène est entretenu par 

un espacement de 2 fois la 

hauteur moyenne de la rue 

Lorsque la maille a une 

ouverture de 3 fois la hauteur 

moyenne de 10m, elle est exposée 

quelque soit l’incidence du vent 

Pour les autres cas, l’effet de 

protection l’emporte 

Modifier les volumes par 

adjonction de volume 

annexe Introduire des 

éléments de mobilier 

brise-vent dans le couloir 

de liaison 

Augmenter la porosité 

par des espaces entre 

immeubles 

Introduire des pertes de 

charge par brise vent, 

mobilier urbain, 

végétation 

Annexes 

Recouvrir la zone 

concernée par des 

éléments de pergola 

Diminuer ou augmenter 

la valeur de l’espacement 

Introduire des éléments 

brise-vent 

Densifier la rugosité de 

sol à l’approche du 

collecteur 

Refermer la maille 

Augmenter la valeur du rapport entre hauteur et 

surface 

- 319 -

A7.4. Action du vent et du tirage 

thermique sur les débits d’air 

entrant dans un bâtiment 

Annexes 

En hiver, les portes et les fenêtres situées sur l’enveloppe extérieure du bâtiment sont le 

plus souvent maintenues fermées. De ce fait, l’entrée d’air neuf dans le bâtiment se fait 

essentiellement par des bouches d’entrée d’air et des défauts d’étanchéité de l’enveloppe, 

sous l’action conjuguée du vent, du tirage thermique et de la ventilation mécanique. Au 

sein du bâtiment, les mouvements d’air entre pièces sont liés à la distribution de 

température et à la présence de bouches d’entrée ou d’extraction d’air (Regard, 1996). En 

période chaude, la ventilation naturelle, comme noté dans l’introduction, est due au vent et 

au tirage thermique. 

L’air est le support principal des échanges d’énergie ou de concentration de polluants et 

d’humidité dans les bâtiments : l’air qui pénètre dans un local peut influer sur la 

température intérieure en fonction des conditions environnementales extérieures. Son 

écoulement est caractérisé par les transferts aérauliques dans le bâtiment. Leur étude 

consiste à résoudre deux problèmes fondamentaux complémentaires : 

- les transferts aérauliques entre le bâtiment et son environnement 

- les transferts aérauliques dans le bâtiment (entre les pièces). 

Afin d’analyser les transferts de masse dans un bâtiment, une variable d’état est utilisée, la 

pression, qui caractérise chaque zone (ou pièce). Les transferts aérauliques entre zones sont 

ensuite décrits par des relations empiriques donnant le débit d’air en fonction des écarts de 

pression entre zones connexes. L’équation de Bernouilli sert à modéliser les transferts 

aérauliques dans les bâtiments. C’est l’équation de conservation de l’énergie du fluide air le 

long d’une ligne de courant. Pour un fluide supposé incompressible et non visqueux elle 

s’écrit (Tareb, 2004) : 


Seront considérés ici les transferts aérauliques résultant des effets du vent et du tirage 

thermique. La pression totale appliquée est alors déterminée par : 

[Pa] Équation A 29 

A7.4.1. Pressions induites par l’action du vent 

En frappant la surface exposée d'un bâtiment, une pression positive est induite par le vent 

sur la face qui lui est exposée (cf. Figure A 69). L’écoulement se sépare aux bords pointus 

sur les coins du bâtiment, induisant une pression négative le long des côtés et dans la 

région de sillage le long de la face sous le vent. 

Le vent génère donc sur les bâtiments des champs de pression non uniformes variant en 

intensité et en direction. Afin de représenter l’effet du vent sur le bâtiment, sur toutes les 

surfaces extérieures du bâtiment, le champ de pression fluctuant avec le vent est construit. 

Relativement à la pression dynamique du vent, la pression agissant à n’importe quel point 

de la surface est estimée par : 


320

Annexes 


321 

[Pa] 

A7.4.1.1. Coefficient de pression du vent 


Le coefficient de pression du vent est supposé indépendant de la vitesse du vent mais 

variant avec la direction du vent et la configuration spatiale du bâtiment. Il est 

sensiblement affecté par des obstructions environnantes, de fait, les bâtiments semblables 

soumis à différents environnements peuvent montrer des valeurs nettement différentes de 

cp. L’évaluation précise de ce paramètre est l'un des aspects les plus difficiles de la 

modélisation des transferts aérauliques. Malgré sa complexité d’estimation, moult auteurs 

se sont intéressés au calcul de cp. Deux approches ressortent néanmoins : une approche 

expérimentale dans laquelle les cp sont obtenus par des essais en soufflerie et une approche 

empirique. L’évolution de la détermination des cœfficients de pression est tirée du 

programme européen TAREB (Tareb, 2004) et des travaux de (Mansouri, 2003) : 

- 1984, Allen développe une méthode montrant par des séries de Fourier la 

dépendance des cp vis-à-vis de l’angle d’incidence du vent 

- 1987, Bala par un code CpBANK inclut des données de cp prédéterminées pour 

différentes géométries de bâtiments et différents types d’exposition au vent (issues 

d’études en soufflerie) 

- 1987, Swami propose un algorithme pour les bâtiments de faible hauteur et un 

pour les bâtiments de grande hauteur. Même limitée à des bâtiments isolés, cette 

approche semble donner des résultats satisfaisants pour des valeurs moyennes par 

façade ou sur la verticale d’une façade, mais demeure trop limitée pour répondre à la 

diversité des situations architecturales 

- 1994, (Grosso, 1995) effectue une analyse de régression des cp qui conduit à une 

formulation en fonction de paramètres caractérisant l’environnement, l’incidence du 

vent et le bâtiment lui-même. Intégrée dans les projets COMIS et PASCOOL, cette 

analyse a donné lieu à un utilitaire CpCALC+ qui permet de fournir les cp pour une 

large base de configurations 

- 1998, Swami et Chandra adaptent les études des coefficients de pression à la 

ventilation naturelle. Ils proposent des fonctions qui décrivent les contraintes dues au 

vent sur différentes formes du bâtiment suivant son angle d’incidence 

- 1998, AIVC (AIE, 1996) recueille des données de travaux d'expérimentation en 

soufflerie. Elles sont destinées au dimensionnement de systèmes de ventilation 

naturelle et sont proposées selon les proportions du bâtiment, les obstructions 

environnantes et les directions des vents sur les façades. En milieu urbain, la majorité 

des bâtiments étant protégée du vent par la végétation, la topographie ou les autres 

bâtiments, ces données sont intéressantes car elles tiennent compte dans la 

détermination des cp, des effets d’obstruction. Des valeurs de cp sont attribuées pour 

des bâtiments pas trop élevés, en général jusqu'à 3 étages et s’expriment comme valeur 

moyenne pour chaque face de la construction et pour chaque tranche de 45° ou même 

30° en direction de vent. Pour des bâtiments plus grands, la dépendance spatiale à 

l’égard de la pression de vent prend beaucoup d’importance, puisque la force du vent 

change considérablement sur la gamme de taille. 

Dans TRNFLOW, les cp doivent être renseignés. Pour des bâtiments inférieurs à 3 étages la 

base de données de (AIE, 1996) sera exploitée, et pour le reste les sorties du logiciel 

CpCalc+ seront récupérées.

A7.4.1.2. Pression dynamique 

Annexes 

La pression dynamique représente l’augmentation positive maximum par rapport à la 

pression ambiante qui peut être exercée à la surface d’un bâtiment par le vent quelle que 

soit sa vitesse : 

[Pa] 


A7.4.2. Pressions induites par le tirage thermique 

Le tirage thermique est généré par les différences de température et de densité de l’air entre 

l’intérieur et l’extérieur du bâtiment. Ceci produit un déséquilibre dans les gradients 

verticaux de pression, causé par l’apparition d’une différence de pression au niveau 

vertical. Il influence localement les infiltrations et les transferts aérauliques. La pression 

hydrostatique de l’air est la base de ce phénomène physique. 

Sous TRNFLOW la position verticale des nœuds et des liens doit être renseignée. Le tirage 

thermique s’exprime par des informations consistantes comme le niveau du sol ou le 

niveau de la plus basse ouverture. 

Figure A 75. Tirage thermique entre deux milieux à travers un orifice (Trnflow, 2006) 

La différence de pression de part et d’autre du lien est définie par : 

et 

Si la densité de l’air est supposée uniforme dans la zone et à l’extérieur : 



pL1 = pref – ρ1·g·h L1 et pL2 = pref – ρ2·g·h L2 Équation A 34 


322

Annexes 

A7.4.3. Calcul des débits internes résultants de 

l’action du vent et du tirage thermique 

La conservation de la masse s’écrit, dans des conditions stationnaires, dans chaque zone ou 

pièce du bâtiment définie par une pression de référence : 

en [kg/s] Équation A 35 

Les échanges massiques s’effectuent par différents biais. La présence de fissures et d’une 

variété d’ouvertures involontaires, leurs dimensions et distribution caractérisent les fuites 

d’air du bâtiment et son potentiel d’infiltration d’air. La distribution des passages d’air du 

bâtiment détermine l’importance du vent et du tirage thermique ainsi que la nature des 

modèles d’écoulement dans le bâtiment. Les passages d’air typique sont décrits dans la 

figure suivante et sont ensuite explicités en retenant les hypothèses de (Trnflow, 2006) : 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

Jonction mur / plafond 

Fenêtre 

Murs 

Pénétration par les prises électriques 

Jonction mur / plancher 

Ampoules électriques 

Figure A 76. Fuites dans d’air dans un bâtiment (adapté de (Santamouris et al, 1996)) 

A7.4.3.1. Equations de débit dans un orifice 

Le cas théorique d’un orifice ne perturbant pas l’écoulement d’air est considéré (cas général 

des petits orifices où l’air circule que dans un seul sens). Il peut être représenté par un tube 

de courant. Dans un tube de courant en état stationnaire, la chute de pression est 

proportionnelle au carré de la vitesse du fluide et permet d’exprimer le débit : 

[Pa] 



323 

7 

8 

9 

10 

11 

12 

Trappe 

Jonction 

Porte 

Plomberie 

Cheminée 

Ventilateurs de la SDB et de la cuisine

Et il vient : 

[kg/s] 

Annexes 


Les caractéristiques géométriques de l’orifice et les effets visqueux dus au fluide affectent le 

débit réel. On introduit, pour une configuration géométrique simple le coefficient de 

décharge Cd qui est relatif à l’orifice et permettant d’exprimer le débit réel à partir du débit 

théorique d’un tube de courant de même section: 

[kg/s] 


Pour des fissures, fentes ou des orifices de géométrie complexe (de dimensions inférieures à 

10 mm (Santamouris, 1996)), on représente la dépendance du débit à la chute de pression 

par une loi empirique : 


[kg/s] 

K (ou Cs sous TRNFLOW) : Coefficient de perméabilité de l’air. Coefficient incluant 

les caractéristiques géométriques de l’orifice, les pertes de charge et la modification 

des lignes de courant au passage de l’orifice. Il est défini par mesure et peut être 

interprété physiquement comme le débit dû à une chute de pression unitaire 

[m3/(h.Pan)] n : exposant de l’écoulement d’air [-] 

Écoulement turbulent à travers un 

orifice unique 

Ecoulement laminaire dans un milieu 

poreux 

Théoriquement, la valeur de l’exposant n est fonction du type d’écoulement. Cette valeur 

varie aussi en fonction du type d’ouverture. Les larges ouvertures sont caractérisées par un 

coefficient proche de 0,5 tandis que les petites ouvertures comme les fissures ont des 

valeurs proches de 0,65 ((Dols et al, 2002) cité par (Barhoun, 2006)). La littérature ((Ashrae, 

2001), (Orme et al, 1998), (Orme, 2002)) fournit les valeurs des coefficients du débit d’air 

pour le bâtiment entier ou encore pour un élément du bâtiment : 

Tableau A 27. Exemples de coefficient Cs et d’exposant n de débit (Orme et al, 1998) 

Elément Cs [kg/(s.(Pa) n)] N [-] 

Fenêtre avec nouvelle bande de calfeutrement ≤ 3,33.10 -5 0,6 

Fenêtre avec ancienne bande de calfeutrement 6,67.10 -5 - 2.10 -4 0,6 

Portes extérieures calfeutrées 1,0.10 -4 - 1,0.10 -3 0,6 

Portes internes 1,3.10 -3 - 2,4.10 -3 0,6 

Mur de brique plâtré [kg/(s.m².(Pa) n)] 2,0.10 -5 – 2,5.10 -5 0,85 

Mur / Plafond avec joint calfeutré (Maçonnerie / Béton) 8,0.10 -6 – 1,8.10 -5 0,6 

Les résultats d’essai sur une porte avec un éventail de pressurisation peuvent être utilisés 

pour les bâtiments existants. La fuite mesurée doit être estimée, probablement à l'aide d'une 

image thermo graphique. Sur le tableau suivant, les pourcentages de pertes d’air associées à 

différents éléments et systèmes sont donnés (Ashrae, 2001) : 


324

Tableau A 28. Pourcentages de fuites d’air associés à différents éléments (Ashrae, 2001) 

Elément Plage de variation [%] Moyenne [%] 

Murs 18 – 50 35 

Plafond 3 – 30 18 

Système actif de chauffage ou de refroidissement 3 – 28 18 

Fenêtres / Portes 6 – 22 15 

Cheminée 0 – 30 12 

Ouvertures 2 – 12 5 

A7.4.3.2. Equations de débit dans un conduit 

Annexes 

L’écoulement dans un conduit droit est caractérisé par les forces de frottement et les pertes 

dynamiques : 


Dans un écoulement laminaire (Re

Annexes 

Comme la différence de pression entre deux zones avec des densités d’air différentes est 

une fonction de la hauteur z, le débit dans une ouverture large a un profil vertical de 

vitesses (cf. Figure A 77). 

Soient Hn la position de l'axe neutre et 0 celle du bas de l'ouverture par rapport à l'axe 

neutre, on a en intégrant le profil des vitesses dans un écoulement de masse d’air dans deux 

directions d’écoulement : 


326 

avec 

Avec 

� Pour des ouvertures rectangulaires w(z)=W (largeur de l’ouverture rectangulaire). 

Figure A 77. Profil de vitesses dans une large ouverture verticale (Trnflow, 2006) 



La géométrie de l’ouverture large est décrite par w(z). La Figure A 78 montre la géométrie 

d’une fenêtre pivotante à axe horizontal . 

Dans le modèle utilisé, l’écoulement est supposé strictement horizontal ce qui signifie que 

l’air à l’altitude z s’écoule à travers deux ouvertures rectangulaires en série. La largeur de 

l’orifice est calculée comme suit : 


Le coefficient de décharge est utilisé pour tenir compte des effets physiques de la 

contraction de l’écoulement et des forces de frottement. Il dépend de la forme de 

l’ouverture et des conditions environnantes. Les valeurs varient de 0,61 pour des orifices à 

arêtes tranchantes à 0,98.

Figure A 78. Géométrie d’une fenêtre pivotante à axe horizontal (Trnflow, 2006) 

Annexes 

� Pour une fenêtre pivotante à axe horizontal, la corrélation suivante a été trouvée par 

mesures et calculs CFD : 

Avec α=20° si α>20° et Cd=0,7 si Cd>0,7. 


Cette corrélation est prise par défaut pour la valeur de Cd pour les fenêtres pivotantes à axe 

horizontal. Les influences additionnelles, comme l’écoulement dans une pièce et la 

fluctuation de vent, peuvent être exprimées comme un coefficient global incluant la valeur 

de Cd. S’il n’y a pas de valeurs explicites en entrée, les Équation As de Cd sont prises 

comme valeur par défaut. 

� Pour les portes internes entre deux zones, une influence additionnelle de la relation entre 

la taille de l’ouverture et la taille des zones adjacentes a été trouvée par des mesures 

(TRNFLOW, 2006) : 

Tableau A 29. Expressions des Cd pour les portes internes 

Hre l= H / Hroom 0.2 ≤ Hrel ≤ 0.9 Hrel < 0.2 0.9 < Hrel 

Cd Cd = 0.609 * Hrel - 0.066 Cd = 0.0558 Cd = 0.4821 

� Pour les ouvertures extérieures l’influence des fluctuations du vent peut aussi être 

exprimée dans Cd (Daskalaki, 1995) : 

Tableau A 30. Expressions des Cd pour ouvertures extérieures 

Cw = 0.08*(Gr/Re²) -0.38 0.6 ≤ Cw ≤ 1.5 Cw < 0.6 1.5 < Cw 

Cd Cd = Cw Cd = 0.6 Cd = 1.5 

TRNFLOW peut effectuer le calcul interne de tous ces paramètres. 

A7.4.3.4. Régulateur de débit 


327

Annexes 

Les contrôleurs d’écoulement ont un clapet ou une valve qui régule l’écoulement par 

fermeture graduelle aux hautes pressions de façon à maintenir un débit constant dans une 

large plage de pression. 

A7.4.3.5. Conclusions sur l’action du vent et du tirage 

thermique sur les débits internes 

Les écoulements d'air sont le résultat de différences de pression qui se créent autour et à 

l'intérieur des bâtiments. L'air s'écoule des hautes vers les basses pressions. La pression 

d'air à l'intérieur d'un bâtiment peut augmenter ou baisser à cause de la vitesse du vent et 

du nombre d'ouvertures dans l'enveloppe ainsi que de leur emplacement. En règle 

générale, la pression à l'intérieur d'un bâtiment est légèrement inférieure à la pression 

barométrique ambiante si les ouvertures sont réparties uniformément sur tous les côtés. La 

différence de pression qui en découle est légèrement accrue du côté exposé au vent et 

légèrement diminuée sur tous les autres côtés, y compris le toit. Ces différences de pression 

provoquent des fuites d'air. Ce phénomène imputable au vent cause des infiltrations d'air 

du côté exposé au vent, et des fuites d'air sur tous les autres côtés, en l'absence d'effet de 

tirage ou de pressurisation attribuable au système de ventilation. 

Le vent ne constitue pas l'élément moteur principal des fuites d'air, mais peut être 

responsable d’une part importante du taux de renouvellement d'air sur une base 

saisonnière (Quirouette, 2004). 

La pression et les charges dues au vent constituent des facteurs importants pour la sélection 

des matériaux, des composants et des éléments. Ainsi, le vent cause des fuites d'air moins 

importantes que l'effet de tirage ou la pressurisation attribuable au système de ventilation, 

sauf dans le cas des dommages subis par les pare air trop peu résistants. 

A7.5. Stratégies de ventilation 

naturelle dans un bâtiment en été 

Les mouvements d'air induits par des forces naturelles, vent et tirage thermique, 

permettent le renouvellement de l’air des bâtiments et le rafraîchissement en évacuant la 

chaleur du corps humain. La ventilation naturelle peut extraire les gains internes ou 

solaires durant la journée et peut fournir le bâtiment en air frais pendant la nuit si 

nécessaire, quand l'air extérieur est moins chaud que celui situé à l'intérieur du bâtiment. 

Les mouvements turbulents de l'air favorisent les échanges convectifs et accroissent le taux 

d'évaporation de la sueur au niveau de la peau, permettant ainsi d’évacuer la chaleur et par 

conséquent d’améliorer le confort notamment durant les périodes chaudes. 

(Regard, 1996) nous rappelle qu’en saison chaude, les occupants sont couramment amenés 

à ouvrir les portes et les fenêtres donnant sur l’extérieur pour rafraîchir les locaux. Les 

débits de ventilation étant alors sans commune mesure avec ceux mis en jeu en saison 

froide. Selon l’emplacement et le nombre d’ouvertures, les débits sont différents et 

plusieurs stratégies de ventilation existent. Si le bâtiment dispose d’ouvertures que sur une 

façade, c’est la stratégie simple exposition qui lui sera appliquée, la ventilation traversante 

si elles sont situées sur des façades opposées. La ventilation traversante constitue une 

technique de rafraîchissement passive fréquemment employée en climat chaud de façon 


328

Annexes 

traditionnelle. En ventilation simple comme en ventilation traversante, deux facteurs 

principaux contribuent au renouvellement d’air dans la pièce : l’effet du vent et les effets 

thermiques. Le nombre de Reynolds caractérise l’effet du vent, et détermine le régime 

d’écoulement. Généralement, les effets du vent et les effets thermiques sont combinés. C’est 

la donnée du nombre d’Archimède de l’écoulement qui indique la part relative des deux 

phénomènes. 

Une stratégie reprend toutes celles-ci, c’est la méthode de la boucle de pression plus 

couramment appelée la « Loop design method ». 

Pour qu’une ventilation soit efficace l’air doit pouvoir circuler correctement à l’intérieur du 

bâtiment. Dans le cadre d’une rénovation, un décloisonnement, si la structure du bâtiment 

le permet, sera dans certain cas nécessaire. 

Cette sous-partie est inspirée des travaux de (Daskalaki, 1995), (Pacer, 1996), (Regard, 1996), 

(Tareb, 2004) et (Mansouri, 2003). 

A7.5.1. Effets du vent sur la ventilation naturelle 

Dans la partie sur le vent et la géométrie de l’habitat, il a été montré comment les 

écoulements d’air se déplaçaient autour du bâtiment. Qu’en est-il pour l’intérieur ? 

Le vent contribue au renouvellement d’air dans le bâtiment par ventilation naturelle de 

deux façons : d’une part par ses effets moyens qui se traduisent par une différence de 

pression moyenne de part et d’autre de l’enveloppe du bâtiment, et d’autre part par ses 

effets turbulents (Regard, 1996). Pour un bâtiment mono zone qui comporte une seule 

ouverture ou deux ouvertures en vis-à-vis, le débit de ventilation est estimé par un certain 

nombre de méthodes empiriques et simplifiées trouvées le plus fréquemment dans la 

littérature. Quelques unes sont présentées dans ce paragraphe. Notons qu’en réalité le 

bâtiment comporte généralement plusieurs pièces séparées par des cloisons. La 

modélisation par les codes en pression tels que TRNFLOW permet alors une estimation 

plus pertinente des débits mis en jeu, même s’ils sont plus lourds à utiliser. 

A7.5.1.1. Ventilation à simple exposition 

Un des modes de ventilation naturelle le plus utilisé est l’ouverture des fenêtres. Le vent et 

le tirage thermique provoquent le débit d’air entrant dans les ouvrants. 

(Tareb, 2004) montre que la ventilation naturelle à simple exposition dépend fortement du 

vent moyen et qu’elle n’est pas très efficace si l'écart de température entre l'intérieur et 

l'extérieur demeure limité (cas des périodes chaudes) ou alors cette stratégie nécessite de 

grandes surfaces d'ouvrants, et précise que « C'est souvent cette dernière solution qui est 

appliquée dans les climats relativement chauds pour des immeubles de compacité 

importante ne permettant pas l'utilisation de la ventilation traversante ». 

Au niveau des règles de conception, (Pacer, 1996) note que, si les fenêtres sont 

dimensionnées dans cet objectif, une pièce de 6 à 7 m de profondeur peut être ventilée de 

façon satisfaisante par cette technique. Les fenêtres doivent être hautes, ou être munies 

d'ouvertures en bas et en haut pour favoriser le tirage thermique qui permet à l'air extérieur 

plus frais d'entrer par les entrées basses, et à l'air intérieur de s'extraire par les orifices 

hauts. 

Des modèles simplifiés permettent de déterminer le débit volumique pour différentes 

géométries : 


329

Annexes 

La méthode anglaise standard (Santamouris, 1996) ne considère que l’écoulement 

bidimensionnel à travers le bâtiment et ignore toutes les cloisons internes et exprime le 

débit volumique de ventilation due au vent dû au vent comme suit : 

Figure A 79. Ventilation à simple exposition due au vent 

U 

S 


En jouant sur la géométrie de l’habitat, il est possible d’optimiser la ventilation à simple 

exposition due au vent : si des ouvertures sont placées de manière asymétrique sur une 

même face la ventilation est possible, la pression au centre de la face étant plus élevée qu’au 

bord. 

Figure A 80. Influence du positionnement des ouvertures. Ventilation simple exposition (Pacer, 1996) 

La ventilation peut être augmentée par des déflecteurs verticaux sur des ouvertures placées 

sur une même face en créant des pointes positives ou négatives selon leur emplacement. 

Figure A 81. Influence du positionnement des déflecteurs. Ventilation simple exposition (Pacer, 1996) 

A7.5.1.2. Ventilation traversante 

Dans le cas de la ventilation traversante, l’air entre par une façade, traverse l’ensemble du 

bâtiment et ressort par une façade opposée. La circulation d’air à l’intérieur du bâtiment 

étant principalement provoquée par le vent. 

(Tareb, 2004) précise que la ventilation traversante peut fournir les taux de renouvellement 

d'air les plus importants, et peut ventiler efficacement des pièces bien plus profondes (cinq 

fois la hauteur sous plafond) que la ventilation à exposition simple. En revanche, cette 

stratégie nécessite d’éviter les obstacles entre les ouvertures situées de part et d’autre du 

bâtiment, pour ce faire, la porosité intérieure du bâtiment peut être augmentée. 


330

Figure A 82. Ventilation traversante (Tareb, 2004) 

Annexes 

Cette technique a largement été utilisée dans les architectures vernaculaires de nombreux 

pays. La face au vent subit une pression positive Pf-vent et la face sous le vent subie une 

dépression Pss-vent par rapport à la pression extérieure. Un écart de pression est donc 

provoqué à l’intérieur du bâtiment, et les pressions s’expriment : 

Avec et 

et 



Application numérique (Tareb, 2004) : Détermination de la variation de pression due au 

vent dans un bâtiment. 

Afin de dimensionner les ouvertures, les valeurs suivantes sont usuellement utilisées : 

ρ = 1,2 kg/m 3 pour une température ambiante d’environ 20°C 

=4 m/s 

=0,5 et =-0,5. 

Il vient : =9,6 Pa. C’est une chute de pression relativement faible par rapport à celle 

des systèmes mécaniques (de 20 à 30 Pa). 

Avec cette stratégie, les pertes de charge devront être limitées au maximum. La ventilation 

traversante due au vent est donc appropriée aux bâtiments de faibles épaisseurs totales tels 

que les maisons individuelles ou encore les petits immeubles. 

La chute de pression le long d’un tube de courant d’air traversant un bâtiment s’exprime : 


, et : Variation de pression à l’entrée, à l’intérieur et à la sortie du 

bâtiment en [Pa]. 


331

c − 

p fvent 

∆P fvent 

∆P int 

∆P entrée ∆P sortie 

Annexes 


332 

c − 

p ssvent 

∆Pssvent 

Figure A 83. Chute de pression associée à la ventilation traversante par le vent 

La ventilation traversante par le vent est très dépendante des ressources locales en vent. Le 

vent étant très variable en intensité et en direction, dans des sites où la direction de vent 

n'est pas stable cette stratégie n’est pas appropriée. 

La fluctuation directionnelle du vent peut conduire à l'installation de dispositifs spécifiques 

tels que des bouches auto réglables, des systèmes de captage du vent ou au contraire une 

conception qui rende le comportement global du bâtiment indépendant de la direction du 

vent comme les façades double peau. En revanche, dans les zones qui connaissent des vents 

réguliers en direction cette stratégie est particulièrement bien adaptée. 

Malgré l’utilisation de modèles de simulation utilisant des hypothèses basées sur des 

valeurs moyennes en temps, il persiste de nombreux paramètres incertains tels que les 

valeurs des coefficients de pression qui dépendent énormément de l'environnement du 

bâtiment, et varient également en fonction de la position précise de l'ouvrant sur la façade 

ou encore l’incertitude sur les caractéristiques locales du vent (Tareb, 2004). 

Deux méthodes empiriques permettant de déterminer le débit volumique dans le cas d’une 

ventilation traversante par le vent sont présentées ci-dessous : 

� (Allard, 1998) cité par (Mansouri, 2003) exprime le débit volumique comme suit: 


� La méthode ANSLEY 


Figure A 84. Ventilation traversante due au vent (Allard, 1998) 

Figure A 85. Ventilation traversante 

Comme précisé précédemment, cette stratégie requiert d’éviter qu’il y ait des obstructions 

perturbant l’écoulement de l’air. Pour optimiser la stratégie de ventilation traversante, le 

choix de l’orientation des ouvertures par rapport au vent est primordial. Une ventilation 

entre des ouvertures, situées sur des murs adjacents peut être efficace ou insignifiante selon

Annexes 

la direction du vent, la ventilation transversale entre des ouvertures situées sur des murs 

opposés est la meilleure solution. 

Figure A 86. Influence du positionnement des ouvertures sur la ventilation traversante (Pacer, 1996) 

Un déflecteur peut également recentrer le flux d’air : 

Figure A 87. La pression positive plus importante à une extrémité de l’ouverture dirige l’air dans la 

mauvaise direction (Pacer, 1996) 

Un plan «libre» est préférable car les partitions internes augmentent la résistance au 

passage de l’air. La diminution de la ventilation et la distribution du flux d’air dépendent 

de la position des partitions : 

Figure A 88. Une meilleure ventilation lorsque le local le plus vaste est situé au vent (Pacer, 1996) 

Les ouvrants d’entrée et de sortie devraient avoir la même taille pour le maximum 

d’efficacité. Si ce n’est pas possible, les ouvertures d’entrée d’air devraient être les plus 

petites pour maximiser la vitesse d’air et le confort en été (les pourcentages se réfèrent à la 

vitesse et non au débit) : 

Figure A 89. Influence de la taille des ouvertures (Pacer, 1996) 


333

Annexes 

A7.5.2. Ventilation naturelle due au tirage 

thermique 

Plusieurs méthodes sont utilisées pour approximer le potentiel de ventilation naturelle par 

tirage thermique. Elles sont présentées dans ce chapitre à titre d’information. Ceci étant, 

comme précisé par ailleurs, dans le cas d’un bâtiment multi zones, l’utilisation d’un outil 

thermo-aéraulique s’avère nécessaire. 

A7.5.2.1. Ventilation à simple exposition due au tirage 

thermique 

La méthode anglaise standard (Santamouris, 1996) évalue le débit volumique dû à la 

différence de température entre deux ouvertures : 

Figure A 90. Ventilation due au tirage thermique avec 2 ouvertures 

Pour une seule ouverture en façade : 

Figure A 91. Tirage thermique avec une ouverture 


A7.5.2.2. Ventilation traversante due au tirage thermique 


Selon (Pacer, 1996), l’effet de cheminée est dû à la différence de pression engendrée par la 

différence de densité entre l’air chaud et l’air froid : si l’air chauffe, une dépression se créera 

dans les zones basses d’un espace et une surpression dans les zones hautes. Si des ouvrants 

sont placés dans ces deux zones, les ouvrants bas aspireront de l’air extérieur plus frais et 

les ouvrants hauts expulseront vers l’extérieur de l’air intérieur plus chaud. L’air chaud, 


334

Annexes 

sous l’effet de la poussée d’Archimède s’élève tandis que l’air froid plus dense, descend. 

Exprimons la chute de pression le long d’un tube de courant d’air traversant un bâtiment 

(Figure A 92) : 

[Pa] 


Le tirage thermique dépend essentiellement de la hauteur du bâtiment et de la différence 

de masses volumiques entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment, supposées ici fluctuantes 

avec la température (en considérant que la pression de l’air ambiant est peu différente de 

celle de l’air atmosphérique). 

En dimensionnant correctement les ouvertures, la ventilation par tirage thermique peut 

satisfaire le renouvellement d’air nécessaire durant les périodes froides. Hormis pour les 

immeubles élevés, durant les périodes chaudes, pendant lesquelles les températures 

intérieure et extérieure sont proches, la ventilation par le tirage thermique sera limitée. 

Figure A 92. Chute de pression liée à la ventilation traversante par le tirage thermique (Tareb, 2004) 

Cette stratégie de ventilation n’est pas appropriée aux bâtiments de faible hauteur dans un 

souci de satisfaction du confort d’été. Dans cette perspective, l’association avec une 

ventilation par le vent sera nécessaire si le site l’y autorise. (Allard, 1998) cité par 

(Mansouri, 2003) propose la méthode de pré dimensionnement suivante pour le calcul du 

débit volumique: 


Figure A 93. Ventilation traversante due au tirage thermique 


335

Annexes 

A7.5.3. Effets combinés du vent et du tirage 

thermique sur la ventilation naturelle 

A7.5.3.1. Simple exposition 

Méthode de GIDDS et PHAFF : La plupart des corrélations existantes ont du mal à 

prédire l’écoulement de l’air dans le cas où le vent ou une différence de densité sont 

absents. Des résultats expérimentaux ont montré que les turbulences sont la cause de 

l’écoulement d’air dans le cas d’une façade mono orientée ou quand la direction du vent est 

parallèle aux ouvertures entre deux façades parallèles. Ces turbulences sont dues au vent 

et/ou au bâtiment lui-même. Elles sont prises en compte dans une relation empirique qui 

exprime le débit volumique en fonction de la différence de température, la vitesse du vent 

et d’un terme de turbulence. La vitesse effective en [m/s] est donnée par : 

Équation A57 

Expérimentalement, on obtient les valeurs suivantes : C1 = 0,001, C2 = 0,0035 et C3 = 0,01. 

Méthode ASHRAE : La détermination de la surface globale des ouvertures du bâtiment 

est requise pour cette méthode. Le débit de ventilation global du bâtiment est évalué 

comme suit : 

Le tableau exprime les coefficients a et b suivant le gabarit du bâtiment : 


Tableau A 31. Coefficients a et b suivant le gabarit du bâtiment (Allard, 1998) cité par (Mansouri, 

2003) 

Nombre de niveaux 

1 2 3 

a 

Densité urbaine 

0.00188 0.00376 0.00564 

Pas d’obstruction 0.00413 0.00544 0.00640 

Densité faible 0.00319 0.00421 0.00495 

b 

Densité moyenne 

Densité importante 

0.00226 

0.00135 

0.00299 

0.00178 

0.00351 

0.00209 

Densité très importante 0.00041 0.00054 0.00063 

A7.5.3.2. Ventilation traversante 

Méthode Allard : En se basant sur les expressions empiriques de débits volumiques 

obtenues avec les effets du vent et du tirage thermique, (Allard, 1998) propose : 

pour 

pour 


Figure A 94. Effet du vent et du tirage thermique 


336

Annexes 

Méthode de la boucle de pression (Mansouri, 2003) : Cette méthode développée par 

AXLEY en 2001 se base sur une modélisation du système de ventilation du bâtiment. 

Le bâtiment est représenté par une succession de volumes (pièces, zones) reliés par des 

composants de régulation aéraulique (fenêtres, portes, orifices, conduits…). Les 

écoulements d’air sont modélisés par le vent et le tirage et la somme algébrique des 

changements de pression le long de la boucle formée par une succession de volumes et de 

composants est égale à zéro. Les deux pressions motrices peuvent s’additionner, et il vient : 

et 



Les dispositifs d’entrée et de sortie d’air peuvent être situés sur la même face. Les 

coefficients sont alors de même signe. Pour des ouvertures disposées sous le vent, ils sont 

alors tous deux négatifs. Ainsi, l’air ne circulera dans le sens prévu que si la valeur absolue 

du coefficient de pression de l’orifice de sortie est supérieure à celle de l’orifice d’entrée. 

Pour y remédier, l’installation de bouches auto réglables ou de dispositifs régulant les 

débits des pièces exposées au vent est possible. 

Figure A 95. Ventilation par effets combinés du vent et du tirage thermique (Mansouri, 2003) 

A7.5.3.3. Stratégies favorisant la ventilation naturelle 

Pour les ouvrants multiples répartis sur la hauteur, la maîtrise des mouvements d’air 

devient plus complexe. L’axe neutre est le niveau où les pressions sont en équilibre. En 

dessous de cet axe, les ouvertures sont en dépression, en dessus elles sont en surpression. 

Cet axe se situe généralement à mi-hauteur entre les ouvrants bas et hauts. Lorsque la 

surface des ouvrants bas (entrée d’air) et hauts (sortie d’air) est trop différente, cet axe se 

déplace de la mi-hauteur vers le niveau des ouvrants de plus grande surface (vers le haut 

dans l’exemple de la Figure A 96) (Pacer, 1996). Ce plan de pression neutre (PPN) est une 

notion fondamentale pour la compréhension de l’optimisation de la stratégie de ventilation 

naturelle. Ainsi, (Simon et al, 2002) explicite cette notion et spécifie qu’elle aide à 

comprendre l’effet de l’installation de dispositifs de de ventilation sur la répartition de la 

pression de l’air. Elle s’apparente au phénomène de tirage, selon lequel l’air froid pénètre 

par la partie basse d’un bâtiment et l’air chaud s’évacue vers l’extérieur par la cheminée. 


337

Annexes 

L’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment amène un écart de 

pression. Le PPN correspond à la hauteur à laquelle la pression est la même à l’intérieur et 

à l’extérieur du bâtiment, lorsqu’il n’y a pas ou presque pas de vent. Au-dessous du PPN, 

l’écart de pression fait pénétrer l’air dans le bâtiment (dépression) ; au-dessus, il l’expulse 

au dehors (surpression). Dans un bâtiment sans cheminée, ni ventilateur d’extraction, le 

vent fait pénétrer de l’air à travers la façade exposée et en fait sortir à travers la façade sous 

le vent. Le PPN se situe donc à peu près à mi-hauteur. C’est la ligne de démarcation entre la 

partie de l’enveloppe du bâtiment où il y a infiltration d’air et celle où il y a extraction d’air. 

Son emplacement exact dépend de la répartition des fuites d’air dans l’enveloppe du 

bâtiment. 

Dans une maison avec cheminée, en été, le tirage de celle-ci tend à diminuer le pression 

intérieure du bâtiment, de sorte que, dans la plupart des circonstances, la circulation d’air 

se fait vers l’intérieur à travers tous les murs et vers le bas à travers le plafond. L’air qui 

s’infiltre dans la maison finit par être évacué avec les produits de combustion par la 

cheminée. La cheminée constitue un point de fuite supplémentaire dans la partie 

supérieure de l’enveloppe. Le PPN se trouve alors plus haut, et l’infiltration d’air ainsi que 

le taux global de fuite d’air augmente. Autrement dit, plus l’emplacement du PPN est haut, 

plus la partie de l’enveloppe où s’exercent les pressions causant les extractions d’air est 

réduite. L’évacuation d’air par la cheminée comble l’écart qui existe entre les infiltrations et 

les extractions d’air se faisant par les autres ouvertures de l’enveloppe du bâtiment. 

Figure A 96. Effet de cheminée: ouvrants multiples répartis sur la hauteur (Pacer, 1996) 

Selon (Tareb, 2004), quand on utilise des conduits, le plan neutre doit être situé au dessus 

du niveau de la fenêtre de la pièce la plus haute qui doit être ventilée, de façon à assurer le 

sens de l'écoulement. Le haut du conduit doit être suffisamment élevé pour s'assurer de la 

position du plan neutre et d'une pression motrice suffisante pour extraire l'air en position 

haute. Des stratégies existent : 


338

La tour à vent 

Annexes 

Les tours à vent utilisent la force du vent pour générer le mouvement d'air au sein du 

bâtiment. Plusieurs systèmes sont basés sur ce principe. Les entrées d'air de la tour à vent, 

orientées au vent, capturent l'air et l'entraînent vers le bas de la tour. L'air sort par un orifice 

situé sous le vent. L'écoulement est amélioré par l'air frais pendant la nuit. Une autre 

alternative est de concevoir le faîte de la tour de façon à créer une dépression qui aspirera 

l'air vers le haut de la cheminée On doit associer une ouverture située au vent pour faciliter 

l'entrée d'air. Ce procédé adiabatique est favorisé par l'effet de tirage thermique d'un air 

intérieur plus chaud. Ces deux principes peuvent être combinés en une seule tour où 

s'effectue à la fois la prise d'air extérieur et l'extraction de l'air intérieur. Un système intégré 

peut ainsi être créé. 

Figure A 97. Illustration de la tour en vent (Tareb, 2004) 

La cheminée solaire 

Figure A 98. Illustration de la cheminée solaire (Tareb, 2004) 

Les conduits 

La cheminée solaire utilise le soleil pour 

réchauffer ses parois internes. Les forces 

de poussée dues à la différence de 

température ainsi créée provoquent un 

écoulement ascendant le long des parois. 

L'épaisseur de la cheminée doit être 

proche de l'épaisseur de la couche limite 

développée pour éviter les recirculations 

d'air. 

Les systèmes de ventilation naturelle utilisant des conduits permettent de surmonter la 

plupart des problèmes liés à la ventilation à simple exposition et à améliorer aussi 

quelquefois les stratégies de ventilation traversante en permettant d'équilibrer les débits 

d'air dans différentes pièces d'un bâtiment. C'est pour cette raison, essentiellement, qu'ils 

sont aujourd'hui certainement parmi les dispositifs les plus populaires. La Figure A 99 

présente diverses possibilités d'intégration de ces conduits. Une attention particulière devra 

être portée avec ce type de conduit à la protection contre les incendies, qui n’est cependant 

pas l’objet de cette étude. 


339

Annexes 

Ces dispositifs de captation de vent et d’équilibrage des pressions sont revisités aujourd’hui 

et fournissent des dispositifs modernes à plusieurs conduits. Dans ces systèmes, l’air rentre 

dans un conduit froid (aux conditions extérieures) puis est extrait par un conduit dit chaud 

(aux conditions proches de l’intérieur) (cf. Figure A 100). 

Figure A 99. Exemple d'intégration de conduits de ventilation naturelle (Tareb, 2004) 

Figure A 100. Ventilation naturelle par équilibrage de conduits 

L’équation d’équilibre de la boucle de pression illustrée est l’Équation A 60, mais dans ce 

cas, la position haute des orifices d’entrée et de sortie fournit un potentiel éolien plus 

important. Ceci combiné à des dispositifs additionnels, permettant de s’affranchir de la 

direction du vent, donne à ce schéma une attractivité particulière en site urbain. On trouve 

sur le marché des systèmes d’extraction adaptés à ce type de stratégie. 

A7.5.4. La sur ventilation nocturne en période 

chaude (Santamouris et al, 1996) 

Quand la température extérieure est plus basse que celle de l’ambiante, le bâtiment voit sa 

température diminuer par l’air qui le traverse durant la nuit. Ce phénomène est également 

fortement associé à l’inertie du bâtiment qui favorise le stockage de la fraîcheur. Le 

bâtiment reste froid durant une certaine fraction du jour suivant si les fenêtres sont 


340

Annexes 

fermées 33 . Quand la masse de stockage est en dehors du bâtiment, elle peut être employée 

pour pré refroidir l'air d'approvisionnement de ventilation ou pour refroidir le bâtiment 

par un écoulement à circuit fermé. 

La ventilation de jour introduit l'air neuf extérieur, qui est nécessaire afin de maintenir la 

qualité d'air d'intérieur acceptable. En plus de ces quantités d'air extérieur, la ventilation 

peut également fournir des moyens appropriés pour le refroidissement passif, une fois que 

l'air extérieur est à une plus basse température. Alternativement, la ventilation peut 

également se poursuivre la nuit, avec des résultats favorables sur la réduction des charges 

de refroidissement du bâtiment. Pendant la nuit les températures extérieures sont 

généralement inférieures à celles de l’intérieur. Il est donc possible d'aérer le bâtiment en 

permettant à l'air extérieur d'entrer dans les pièces et d’enlever la chaleur qui a été stockée 

de jour. Le mouvement d'air augmente la dissipation thermique des matériaux de 

construction et l'air plus chaud est alors évacué dans l’atmosphère de basse température. 

Ce processus continue pendant la nuit et, la température de l'air et la masse intérieure du 

bâtiment sont ainsi à des niveaux plus bas quand le cycle d'augmentation de la température 

recommence le jour suivant. Par conséquent, le matin, les occupants entrent dans un 

environnement plus frais, ce qui signifie que même pour les bâtiments climatisés de jour, 

une réduction substantielle d'énergie est possible. 

La conception du bâtiment devrait assurer un taux de ventilation élevé et particulièrement 

au-dessus des surfaces de stockage. Selon (Givoni, 1991) cité par (Santamouris et al, 1996), 

cette stratégie est salutaire dans les climats avec une grande oscillation journalière de la 

température, au-dessus approximativement de 15°C, où la température minimum de nuit 

pendant l'été est inférieure environ à 20°C. Le modèle de température intérieure de l'air 

dans un bâtiment aéré de nuit suit celui de la température extérieure. Ainsi, cette stratégie 

est fortement dépendante de la différence de températures entre l’intérieur et l’extérieur du 

bâtiment : elle sera d’autant plus performante que la température extérieure de nuit sera 

faible. Par ailleurs, il est également nécessaire de favoriser l’écoulement de l’air de 

l’extérieur vers les pièces intérieures. La vitesse relative de l’air passant sur les surfaces 

internes augmente ainsi les transferts de chaleur convectifs. Ce procédé peut être facilité 

par l’utilisation des toitures ventilées. 

La sur ventilation nocturne est particulièrement bien adaptée dans les immeubles massifs, 

avec de grandes variations diurnes de la température extérieure. Dans les bâtiments avec 

une capacité thermique conséquente, la température intérieure peut être proche de la 

température moyenne extérieure. Dans une masse élevée, un bâtiment bien isolé, ombragé 

et fermé pendant le jour, une baisse de 35 à 45% de la température intérieure de l'air par 

rapport à la température extérieure, est possible par la ventilation nocturne. 

Cette stratégie s’applique généralement dans les édifices équipés de fenêtres avec des 

ouvertures hautes. 

Par des simulations, (Santamouris et al, 1996) montrent que, pour des renouvellements d’air 

jusqu’à 10 vol/h les charges de froid sont réduites de façon significative, alors que les 

renouvellements supérieurs n’affectent que très peu les charges de refroidissement. La sur 

ventilation nocturne s’effectue généralement par l’ouverture des fenêtres. Ainsi, des 

problèmes de sécurité des occupants peuvent apparaître. Heureusement, des systèmes tels 

que les volets persiennes, des volets roulants ou encore des fenêtres oscillo-battantes 

existent pour pallier à ce phénomène. 

Notons que sur les bâtiments de référence, par la simulation thermique dynamique, l’effet 

du taux de renouvellement d’air nocturne sur les températures intérieures est étudié. 

33 La masse structurale fraîche peut absorber la chaleur qui pénètre par l'enveloppe ou est produite à l'intérieur du 

bâtiment. 


341

Annexes 

A7.5.5. Les stratégies de ventilation naturelle et la 

rénovation 

Dans les bâtiments anciens, la ventilation s’effectue généralement par l’aération par les 

défauts d’étanchéité, le renouvellement d’air par ouverture des fenêtres et la ventilation par 

tirage thermique (par les cheminées par exemple). Plusieurs préconisations existent selon 

que l’on veuille améliorer le confort d’été, le confort d’hiver ou encore réduire les besoins 

énergétiques. 

Afin de réduire les besoins énergétiques et améliorer le confort d’hiver, les infiltrations 

d’air parasites seront limitées, en veillant toutefois à respecter les débits réglementaires 

(Annexe : Arrêtés du 24 mars 1982 et du 28 octobre 1983), par l’installation de fenêtres 

performantes ou / et en calfeutrant les ouvertures. 

En terme d’amélioration du confort d’été, la ventilation naturelle sera augmentée par des 

toitures ventilées, l’ouverture des fenêtres, la sur ventilation nocturne si les conditions 

extérieures sont favorables. Par ailleurs, les pièces intérieures pourront être réorientées de 

façon à permettre une meilleure circulation de l’air. 

Pour une meilleure efficacité du refroidissement passif, l’augmentation de la masse 

thermique interne a également été étudiée. En revanche, elle dépend d’une part de la 

superficie de surfaces vitrées et également de la circulation de l’air au-dessus de la masse 

thermique. 

Ci-dessous (cf. Tableau A 32 et Tableau A 33), des préconisations pour améliorer la 

ventilation naturelle sur un bâtiment existant en agissant sur l’enveloppe sont présentées. 

D’autres possibilités existent par l’utilisation adéquate de l’environnement : la fenêtre à 

grille entrée d’air obturable, la toiture ventilée, le capteur à air, la serre, la façade double 

peau, le mur capteur accumulateur, le puits canadien ou provençal. 

L’approche en terme d’optimisation de la ventilation naturelle est complètement différente 

pour des maisons individuelles que pour des immeubles collectifs comme soulignés 

précédemment. Ceci étant essentiellement dû à la hauteur du bâtiment (faible dans le cas 

des maisons individuelles), mais aussi au fait que dans les logements collectifs, les 

appartements sont souvent mono orientés. L’étude des bâtiments de référence dans la 

partie modélisation étoffera notre propos par des applications concrètes. 

Tableau A 32. Rénovation d’une maison pour améliorer la ventilation adapté de (Collard, 1996) 

Stratégies Eléments 

Ventilation 

naturelle 

Ventilation 

mécanique 

Ouvertures réglables dans les fenêtres 

existantes 

Nouvelles fenêtres avec ouvertures 

Nouvelle conception des espaces intérieurs 

permettant un flux naturel d’air 

Puits de lumière 

Relations entre les pièces Mezzanine 

Atrium 

Circulation d’air ou d’eau à 

travers des tuyaux 


342 

Toit 

Espace sous 

le toit 

Façade 

Fenêtres 

Etendre 

l’espace 

Améliorer la 

performance 

thermique 

Améliorer 


naturel

Tableau A 33. Rénovation d’appartements pour améliorer la ventilation adapté de (Collard, 1996) 

Stratégies Eléments 

Ventilation 

naturelle 

Ventilation 

mécanique 

Ouvertures réglables dans les fenêtres existantes 

Nouvelles fenêtres avec ouvertures 

Nouvelle conception des espaces intérieurs 

permettant un flux naturel d’air 

Puits de lumière 

Relations entre les pièces Mezzanine 

Atrium 

Circulation d’air ou d’eau à 

travers des tuyaux 

Annexes 


343 

Toit 

Espace sous 

le toit 

Façade 

Fenêtres 

Etendre 

l’espace 

Améliorer la 

performance 

thermique 

Améliorer 


naturel 

Dans le cadre de la rénovation d’un bâtiment, l’installation de systèmes passifs n’est pas 

toujours aisée. Ainsi, concilier isolation et aération passe par le contrôle de la ventilation. 

Dans certains cas, il ne pourra donc pas être possible de s’affranchir des systèmes 

mécanisés. A cet effet, les principaux dispositifs présents sur le marché sont présentés dans 

un tableau récapitulatif inspirés des travaux de (Courgey et al, 2006) et du guide pratique 

de l’ADEME sur « La ventilation », et leur compatibilité avec les dispositifs durables est 

proposée : 

Tableau A 34. Comparaison des systèmes de ventilation

Systèmes Descriptif Avantages Inconvénients 

Ventilation 

naturelle 

VMC 

simple flux 

auto 

réglable 

VMC 

simple flux 

hygro 

réglable de 

type B 

VMC 

double flux 

avec 

récupérate 

ur de 

chaleur 

Ventilation 

mécanique 

répartie 

(VMR) 

Ventilation 

mécanique 

par 

insufflation 

Ventilation sans l’assistance de 

ventilateur : 

aération par les défauts 

d’étanchéité, utilisée jusqu’en 

1958, date des premières 

réglementations sur la 

ventilation 

renouvellement d’air par 

ouverture des fenêtres qui 

nécessite pour un 

renouvellement d’air 

hygiénique, un rythme 

régulier non improvisé 

ventilation par tirage 

thermique (mise en place dans 

les années 60) 

L’air vicié des pièces humides est 

extrait régulièrement par un ventilateur 

centralisé 

Similaire à la VMC simple flux auto 

réglable avec pour différence des 

bouches d’entrée et d’extraction d’air 

« hygroréglables », qui s’ajustent au 

taux d’humidité d’air de chaque pièce 

Ici, l’extraction mais aussi l’arrivée d’air 

sont assurées mécaniquement. 

Possibilité d’intégrer un échangeur de 

chaleur qui permet en hiver de 

récupérer la plupart des calories de l’air 

vicié que l’on extrait pour les 

transmettre à l’air neuf entrant 

L’extraction de l’air vicié n’est pas 

centralisée, mais effectuée à partir de 

plusieurs ventilateurs placés dans les 

pièces humides. La VMR peut être 

hygro ou auto réglable 

Installation où seule l’arrivée d’air est 

mécanisée. Un ventilateur insuffle l’air 

neuf dans les différentes pièces sèches 

par un circuit de gaines. l’extraction de 

l’air se fait de manière naturelle par de 

simples grilles d’évacuation en façades 

ou des conduits verticaux 

Pas de coûts d’investissement ni d’utilisation 

Pas de coûts d’investissement ni d’utilisation 

Coût d’investissement faible. Pas de coût d’utilisation 

En divisant par 2 les volumes d’air évacués et en permettant 

un renouvellement d’air régulier apporte par rapport à la 

ventilation naturelle un gain appréciable. 

Coût d’investissement faible 

Le système d’assujettissement des débits aux besoins permet 

de diviser par 2 à 4 les déperditions thermiques par rapport à 

la VMC basique. Les ventilateurs d’une VMC Hygro (à vitesse 

variable) consomment en général de 2 à 3 fois moins 

d’électricité que ceux utilisés dans les autres VMC. 

Coûts d’investissement et d’utilisation faibles 

Possibilité de volumes d’air renouvelés importants (environ 

0,3 à 0,5 vol/h) pour des déperditions thermiques limitées. 

Adapté aux systèmes de préchauffage ou rafraîchissement de 

l’air. Filtrage systématique de l’air entrant. 

Absence totale de sensation de courants d’air. 

Presque systématiquement conseillée en réhabilitation : en 

mettant les bâtiments en légère surpression, ce système est 

particulièrement adapté aux bâtiments ayant des défauts 

d’étanchéité et/ou renfermant dans leurs parois des éléments 

pouvant polluer l’air intérieur (moisissures, fibres…) 

Elle peut être pertinente en réhabilitation car elle dispense de 

l’installation de gaines (attention néanmoins au balayage de 

l’air) 

Organes à nettoyer facilement accessibles 

Adapté aux systèmes de préchauffage ou rafraîchissement de 

l’air (puits canadien, serre…). Filtrage systématique de l’air 

entrant. Dans le cas de préchauffage de l’air entrant : 

limitation des sensations de courants d’air et importantes 

économies de chauffage. Dans le cas de pose avec bouches 

hygroréglables : une division par 2 à 4 des déperditions par 

rapport à une VMC basique ou une VMI non assujettie aux 

besoins est obtenue parle système d’assujettissement des 

débits. Les ventilateurs d’une VMI Hygro (à vitesse variable) 

consomment en général de 2 à 3 fois moins d’électricité que 

ceux utilisés dans les autres VMI ou VMC 

344 

Soumise aux aléas climatiques 

En période de chauffe, des volumes d’air 

considérables sont évacués à l’extérieur 

Soumise aux aléas climatiques 

En période de chauffe, il est à l’origine 

d’importantes déperditions thermiques 

Qualité 

de l’air 

Déperdition Consommation 

thermique équipements 

Adaptation 

Dispositifs 

durables 

Annexes 

Adaptation sur 

ventilation 

nocturne 

--- --- Difficile Difficile 

- à + -- Difficile Possible 

Dépend prioritairement des éléments 

extérieurs - à + --- Difficile Possible 

Système peut satisfaisant par rapport aux 

systèmes hygroréglables ou double flux ++ -- - 

Pour augmenter les débits d’air (périodes 

sans chauffage, ventilation nocturne…), 

manque de souplesse car ajusté pour 

extraire le moins possible d’air pendant 

les périodes de chauffe 

L’assujettissement des débits par un 

système de type hygroréglable qui 

permettrait à cette VMC d’augmenter sa 

pertinence pour des bâtiments à faibles 

besoins de renouvellement d’air n’est pas 

encore disponible. Sensibilité à un air trop 

froid ou trop humide de certains 

récupérateurs de chaleur : 

fonctionnement pertinent en période 

froide que couplé à un puits canadien 

Quantité d’électricité nécessaire au 

minimum de 2 à 3 fois supérieure à celle 

d’une VMC centralisée. Systèmes 

manquant de souplesse, les quantités 

d’air extraites sont généralement 

supérieurs à celles des systèmes similaires 

centralisés. Systèmes généralement 

bruyants 

Incompatibilité avec la récupération des 

calories de l’air vicié, ce qui réserve plus 

ce système aux bâtiments munis de 

systèmes de préchauffage basé sur la 

récupération d’énergie gratuite (serre, 

puits canadien ou capteurs à air) ou dont 

le besoin de renouvellement d’air est très 

faible. 

+ à 

++ 

+++ 

-- à 

++ 

+ à 

++ 

++ + 

+ à 

++ 

--- à + --- à - 

Très 

difficile 

Très 

difficile 

Possible 

Possible 

-- Facile Possible 

Très 

difficile 

Difficile 

++ + Facile Possible

A7.6. Conclusions sur le vent et la 

ventilation naturelle 

Dans cette partie l’impact du vent sur le microclimat ainsi que sur la demande énergétique 

des bâtiments a été étudié. A l’échelle urbaine, la température de l’air peut être modifiée 

par les écoulements d’air qui peuvent évacuer la chaleur due à l’ensoleillement des 

surfaces. 

Au niveau du bâtiment, les fenêtres, les portes, les murs et le toit sont des éléments de son 

enveloppe qui séparent le milieu intérieur de l’extérieur. Une des fonctions de l’enveloppe 

est de diminuer les fuites d’air du bâtiment. Ces fuites d’air ont une incidence non 

seulement sur les coûts d’énergie et d’entretien du bâtiment, mais aussi sur la qualité d’air 

intérieur et sur le confort thermique des occupants. Les origines de ces fuites d’air et des 

techniques permettant de se prémunir des effets du vent ont été présentées. La meilleure 

façon de réduire au minimum ces effets est de bien concevoir le bâtiment, cependant, il est 

possible d’améliorer le bâtiment existant en jouant sur la morphologie de l’édifice, par 

l’adjonction d’écrans protecteurs, d’espace tampon, de pergolas ou encore par 

l’amélioration ou l’installation de pare vent. 

En réduisant les infiltrations parasites, des difficultés peuvent apparaître si le calfeutrage 

n’est pas associé à une ventilation minimale des locaux notamment en hiver. Ainsi, des 

condensations peuvent apparaître, en particulier si les températures intérieures sont 

fréquemment peu élevées et s’il y a de forts dégagements d’humidité liés soit à 

l’occupation, soit au mode de vie (cuisson, etc.). 

L’efficacité des stratégies de ventilation naturelle est dépendante de la disponibilité en vent, 

de la morphologie et de la hauteur de l’édifice. Une première évaluation du potentiel de 

ventilation naturelle peut être effectuée à partir des méthodes empiriques. En réalité, vu le 

nombre de paramètres mis e jeu, une modélisation thermo aéraulique peut s’avérer 

nécessaire. L’effet direct du vent sur un bâtiment étant lié à la structure des écoulements 

qui vont créer des champs de pression hétérogènes et variables autour des bâtiments. 

L’effet du tirage thermique est caractérisé lui par la position des ouvertures. La pression du 

vent sera utilisée, dans la mesure du possible, pour ventiler. Par rapport à l’effet de 

cheminée, l’utilisation du vent rend la ventilation naturelle plus efficace et permet de 

minimiser les ouvrants. Dans certains cas, les ouvertures seront dimensionnées sans tenir 

compte du vent, les périodes de calme en été étant souvent importantes. Une ventilation 

transversale (vent) est deux fois plus efficace qu’une ventilation avec des ouvertures sur 

une seule face. Les ouvertures devraient donc se trouver sur des faces opposées ou 

adjacentes. Dans une ventilation par effet de cheminée, l’efficacité est directement 

proportionnelle à la surface des ouvrants et à la racine carrée de la différence de hauteur 

(un doublement de la hauteur n’améliore l’efficacité que de 40%). 

Pour qu’une ventilation soit efficace, l’air doit pouvoir circuler à l’intérieur du bâtiment 

(plan libre, cloisonnement adapté au mouvement de l’air). L’efficacité de la ventilation 

nocturne est liée quant à elle : au taux de ventilation, à la disposition des pièces et de leurs 

ouvertures, à la surface de stockage, à la surface de contact avec de l'air entrant et à la 

capacité de chaleur et à la conductivité thermique du matériau de stockage. Il est alors 

intéressant d’analyser comment la topographie et la géométrie du bâtiment agissent sur la 

nature des écoulements d’air dans un bâtiment. 

La conception du bâtiment et ses alentours ont tous deux une influence importante sur 

l'efficacité du rafraîchissement naturel. 


345

Le débit d'air traversant le bâtiment est fonction de sa localisation, du dimensionnement et 

des caractéristiques des ouvertures, de l'effet d'obstacles internes à l'écoulement de l'air et 

des effets de la forme externe du bâtiment en relation avec la direction du vent (présence de 

mur en aile). Les écoulements d'air dans les bâtiments doivent être considérés comme 

tridimensionnels. 

Pour que les forces de poussée puissent agir, il est nécessaire qu'il existe un gradient de 

température significatif entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment et une résistance 

minimale à l'écoulement de l'air. L'écoulement complet résulte de la combinaison du tirage 

thermique et des champs de pression dus au vent. 

La conception des systèmes de ventilation devrait aussi prendre en compte l'éclairage 

naturel, les apports solaires, et des considérations de sécurité et de nuisance sonore. 

Les phénomènes aérauliques ont été considérés dans les applications par le biais de 

TRNFLOW. L’influence de l’environnement est prise en compte par le biais des coefficients 

de pression calculés par les tables pour les bâtiments de moins de trois étages et par un 

logiciel spécifique, qui intègre notamment la densité urbaine, pour les édifices plus hauts. 

Pour une prise en compte réelle de tous les phénomènes , notamment l’influence des 

bâtiments voisins, une étude en soufflerie serait nécessaire. 

Le caractère ancien du bâtiment a également intégré par le biais des coefficients de 

décharge des fenêtres et des portes ainsi que par la présence de fissures. 

La ventilation nocturne a été étudiée par la définition d’un facteur d’ouverture. En 

revanche, la structure du bâtiment, pouvant favoriser la circulation de l’air par un 

décloisonnement, n’a pas été modifiée et peut constituer une perspective d’étude. 


346

A8. ECHANGEUR AIR / SOL 

Figure A 101. Villas du 16e siècle situées dans les environs de Vicence en Italie (Mansouri, 2003) 


En acheminant l’air destiné à la ventilation par l’exploitation de l’inertie du sol, le « puits 

canadien » permet de réchauffer l’air de la maison en hiver (on parle alors de puits 

canadien) et de le refroidir en été (puits provençal) et ainsi permettre l’amélioration du 

confort thermique sans machine thermodynamique active. Cette technique, qui revient au 

goût du jour avec une touche moderne (associée à des matériaux récents (PVC) ou 

ventilateurs par exemple), existe depuis des millénaires, le concept ayant été employé chez 

les Perces et les Grecs avant JC. Le principe de fonctionnement est exposé sur la figure 

suivante : 

3 

1 2 

Figure A 102. Principe de fonctionnement du puits canadien (Image de (Ero, 2007)) 

1. Entrée d’air (froid ou chaud 

suivant la saison) 

2. Canalisation enterrée 

3. Distribution de l’air dans la 

maison 

Notons que le terme de "puits" (canadien ou provençal) n'est pas le plus adapté. Il serait 

préférable, surtout dans une approche thermique, de parler d'échangeur air / sol 

horizontal enterré qui amortit les oscillations de températures d'air extérieur. L’étude de ce 


347

dispositif montre que le choix d'un système, son intégration dans un projet de bâtiment, et 

son dimensionnement ne sont pas si simples qu'on pourrait le penser au premier abord. 

L’utilisation de ces échangeurs est présentée suivie d’un descriptif mathématique du 

modèle retenu. Une attention particulière est portée sur les travaux de P. HOLLMULLER 

(Hollmuller, 2002), qui a suivi le fonctionnement de plusieurs bâtiments équipés et qui a 

mis au point une méthode de pré dimensionnement (règles de pouce) ainsi qu'un module 

de simulation thermique intégré dans TRNSYS. 

Même si le principe de ce type d’échangeur est simple, il n’en reste pas moins qu’il est 

nécessaire de définir ses finalités afin de le dimensionner correctement. Que cherche t’on à 

améliorer : le confort d’été ou la thermique d’hiver ? Dans cette présentation les différentes 

règles de pouce sont présentées sans parti prit pour la thermique d’hiver ou d’été. Le choix 

final de dimensionnement étant en effet dicté par la zone géographique, la nature du sol, 

mais aussi par le comportement thermique initial du bâtiment dans le cadre d’une 

rénovation. 

A8.2. Utilisation de l’échangeur 

thermique enterré 

L'échangeur air / sol enterré met à profit l'inertie thermique du sol pour réguler la 

température intérieure d'un bâtiment et favorise le renouvellement de l'air d'un local sans 

changement de température. Il peut préchauffer l’air en hiver et le rafraîchir en été, réguler 

l'humidité de l'air, améliorer le confort thermique, mettre hors gel le bâtiment ainsi que 

réaliser des économies sur les systèmes actifs de chauffage ou de climatisation. Il consiste 

en un ensemble de tubes (éventuellement un tube unique), enterrés à l’horizontal sous le 

bâtiment (ou à côté de celui-ci). 

Il peut être intégré au système de ventilation. A cet effet, (Blugeon, 2002) note que l’air 

stagnant dans le tuyau, surtout l’été, où il est plus frais, donc plus lourd que l’air extérieur, 

il est nécessaire de l’extraire mécaniquement en se servant de la VMC (Ventilation 

Mécanique Contrôlée), si le bâtiment en est équipé, ou encore de pourvoir le système d’un 

ventilateur, de préférence à l’extérieur, en tête du circuit, l’air étant ainsi pulsé. La première 

solution suppose une étanchéité parfaite du bâtiment, et est donc assez contraignante du 

fait que l’ouverture d’une porte ou d’une fenêtre diminue les performances du système. 

Le rendement thermodynamique d'un puits enterré est exceptionnel : quatre à cinq fois 

celui d'un climatiseur électrique. Associé à une bonne inertie thermique du bâtiment, 

l’utilisation de climatiseur peut être évitée. En début de la saison froide, cet échangeur airsol 

récupère les calories emmagasinées dans le sous-sol pendant l'été, évitant ainsi sa 

"saturation" en chaleur après quelques années d'utilisation et, du même coup, effectue un 

stockage thermique inter saisonnier: la chaleur stockée l'été est restituée l'hiver et 

préchauffe les locaux (Blugeon, 2002). 


348

A8.3. Fonctionnement de l’échangeur 


Trois modes de fonctionnement sont relevés (Ekopedia, 2007): 

� En hiver: L'objectif est de réchauffer l'air avant qu'il n'entre dans la maison 

� En été: L'objectif est de rafraîchir au maximum la maison en cas de forte chaleur. 

� En intersaison: La température de confort est comprise entre 18 et 22°C et le 

système sera déconnecté en cas de besoin par une dérivation pour ne pas rafraîchir la 

maison alors que la température extérieure est proche de la température de confort. 

En fonction de l'humidité, la température d'équilibre du sol (ou régime permanent) se 

trouve sous nos climats entre cinq et neuf mètres de profondeur. Dès deux mètres, cette 

température varie peu (l'amplitude n'est que de plus ou moins 5°C entre l'été et l'hiver), et 

se maintient autour de 15°C. Ainsi, le sol est plus frais que l'air extérieur l'été, et 

inversement l'hiver. Il suffit donc d'enterrer un tuyau sur un trajet suffisamment long et d'y 

faire circuler l'air de renouvellement. Sa capacité d'échange favorise la perte ou le gain de 

calories avec sol. 

La façon dont la nature du sol peut influer sur les échanges conductifs entre ce dernier et la 

canalisation est illustrée (cf. Figure A 103). Les sols constitués d’éléments de granulométrie 

fine type limon sont, en surface, préférables aux sols constitués de sable voire de gravats. 

En revanche, la texture et la granulométrie du matériau entourant la canalisation ont un 

rôle déterminant (Courgey et al, 2006). 

Figure A 103. Conductivité thermique des sols en fonction de la teneur en eau, (CETE, 2005) 


349

A8.4. Comportement thermique de 

l’échangeur enterré 

En pratique, les performances de l’échangeur air / sol sont souvent réduites à la surface 

d’échange, en pensant qu’il suffit d’augmenter le rayon des tubes sur une longue distance 

pour obtenir de bonnes performances. L’étude réalisée par (Hollmuller et al, 2005) apporte 

des bases théoriques pour mieux cerner ce qui se passe en réalité. Ce chapitre reprend les 

résultats pertinents proposés par les auteurs, notamment, la définition du coefficient 

d’amortissement qui inclut le mode diffusif dans le dimensionnement du puits. Pour 

caractériser les phénomènes d’échanges thermiques dans le puits canadien, en particulier 

l’amortissement le long des tubes de l’oscillation thermique annuelle et journalière, 

(Hollmuller et al, 2005) se basent sur un calcul analytique traitant du cas simplifié d’un 

débit d’air avec température sinusoïdale à l’entrée des tubes (Hollmuller, 2002). Les 

principaux résultats sont décrits ci-dessous : 

� La profondeur de pénétration δ de l’onde thermique autour des tubes dépend de 

la période τ du signal : 


Pour un sol standard (conduction λs ≈ 1.9 W/K.m², capacité cs*ρs ≈ 1.9 MJ/K.m 3), l’onde 

journalière est stockée sur environ 15cm autour des tubes, contre 3m (δan ≈ 3m) pour l’onde 

annuelle (à condition qu’une telle couche, non perturbée par ailleurs, soit à disposition). 

� Grâce au stockage inertiel, l’amplitude du signal sinusoïdal s’amortit 

exponentiellement en fonction du rapport entre surface d’échange S et débit d’air : 

D’un signal en entrée, on obtient en sortie : 


� Le coefficient d’amortissement h, qui détermine le dimensionnement, résulte du 

couplage en série entre le coefficient d’échange convectif ha (échange air/tube) et le 

coefficient de diffusion dans le sol hs (échange tube/sol) : 


L’échange convectif dépend principalement de la vitesse de l’air, alors que l’échange 

diffusif dépend de la géométrie (écartement et profondeur des tubes) et du mode considéré 

(annuel ou journalier). 

A8.4.1. Echange convectif dans l’échangeur 

thermique enterré (Hollmuller et al, 2005) 

L’échange convectif augmente avec la vitesse de l’air et diminue accessoirement avec le 

rayon du tube, atteignant des valeurs comprises entre 4 et 16 W/K.m² pour des vitesses 


350

allant de 1 à 4 m/s (Figure A 105 et Figure A 107, à gauche). A noter que ces valeurs, tirées 

d’un modèle phénoménologique ((Gnilinski, 1975) cité par (Hollmuller et al, 2005)), 

ponctuellement validé par les auteurs, ne peuvent pas être extrapolées à des vitesses 

inférieures à 1 m/s, pour lesquelles l’échange convectif semble se stabiliser aux alentour de 

2 à 4 W/K.m². 

A8.4.2. Echange diffusif dans l’échangeur 


Pour l’échange diffusif, qui dépend de la géométrie considérée, deux cas extrêmes sont 

distingués (tous les deux supposés isolés de la surface supérieure) : 

A8.4.2.1. Géométrie en tubes profonds/écartés 

Chaque tube est entouré d’environ 3m de sol (Figure A 104) : les diffusions journalière et 

saisonnière peuvent alors se propager complètement de façon radiale autour de chaque 

tube. Dans ce cas, le coefficient d’échange diffusif dépend du rapport entre le rayon du 

tube et la profondeur de pénétration (suivant la loi statique de diffusion radiale). Pour des 

tubes de 10 à 40 cm de diamètre il prend des valeurs similaires à celles de l’échange 

convectif, cela en mode journalier comme en mode annuel (Figure A 105 au centre). 

Finalement (Figure A 105, à droite), selon le rayon du tube et la vitesse d’air, le coefficient 

d’amortissement h résultant vaut entre 2 et 10 W/K.m² en mode journalier (relativement à 

la surface d’échange air/tube), contre environ deux fois moins en mode annuel. Dès lors, 

une surface d’échange (ou longueur de tubes) permettant l’amortissement complet de 

l’oscillation journalière induira également un amortissement conséquent de l’oscillation 

annuelle. 

Figure A 104. Configuration en tubes profonds/écartés : Schéma de principe, avec conditions 

adiabatiques en surface (Hollmuller et al, 2005) 


351

Figure A 105. Configuration en tubes profonds/écartés, coefficients d’échange (Hollmuller et al, 2005) 

A8.4.2.2. Géométrie en nappe de tubes superficiels/serrés 

Chaque tube est entouré d’environ 15 cm de sol (Figure A 106), de façon à permettre la 

diffusion journalière. La diffusion annuelle ne s’effectue par contre plus que de façon 

plane, vers le bas, sur la surface d’emprise du puits (longueur * largeur). Pour le mode 

annuel, le coefficient d’échange diffusif ne dépend alors plus que de la profondeur de 

pénétration (suivant la loi statique de diffusion plane) et se réduit à environ 0,6 W/K.m² 

(Figure A 107, au centre). Finalement (Figure A 107, à droite), au coefficient 

d’amortissement h de 2 à 10 W/K.m² en mode journalier (relativement à la surface 

d’échange air/tube) correspond un coefficient de quelques 0,5 W/K.m² en mode annuel 

(relativement cette fois-ci à la surface d’emprise du puits). Dès lors, avec une surface 

d’échange (ou longueur de tubes) dimensionnée pour l’amortissement de l’oscillation 

journalière, on n’atteindra cette fois-ci qu’un faible amortissement de l’oscillation annuelle. 


352

Figure A 106. Configuration en tubes superficiels/serrés : schéma de principe, avec conditions adiabatiques 

en surface (Hollmuller et al, 2005) 

Figure A 107. Configuration en tubes superficiels/serrés, coefficients d’échange (Hollmuller et al, 2005) 


353

A8.5. Les différents types 

d’échangeurs thermiques enterrés 

Des résultats précédents découlent deux catégories d'échangeurs air/sol enterrés. La 

première, par sa propagation dans une importante couche de terre autour des tubes (2 à 3 

m), permet d'amortir l'onde annuelle de température extérieure. Elle délivre en toutes 

saisons une température en sortie de tubes proche de la température annuelle moyenne du 

lieu 34. La deuxième permet d'amortir l'onde quotidienne de température extérieure par sa 

propagation dans une couche de terre limitée autour des tubes (environ 20 cm) et délivre 

une température en sortie de tube proche de la température quotidienne moyenne sous 

réserve d’un bon dimensionnement du système. L’air sortant du puits canadien peut par 

ailleurs être soit directement insufflé dans le bâtiment ou encore servir d’entrée à un 

système de ventilation contrôlée. (Hollmuller et al, 2005) notent que pour éviter d’éventuels 

problèmes d’infiltration d’eau dans les tubes, une technique apparentée au puits canadien 

consiste à réaliser le couplage thermique avec le sous-sol via un circuit d’eau également 

disposé à l’horizontale, et de coupler ce dernier au système de ventilation via un échangeur 

air / eau. Les mêmes auteurs explicitent les deux principales catégories : 

A8.5.1. Préchauffage 

Le puits canadien est intégré en principe 35 dans un système de ventilation contrôlée muni 

d’un récupérateur de chaleur sur air vicié et constitue donc un appui ou un prolongement 

amont de ce dernier. (Hollmuller et al, 2005) analysent la redondance partielle de ces deux 

systèmes : Dans l’exemple présenté sur la Figure A 108 (récupérateur sur air vicié avec 

efficacité de 66%) : alors que le système couplé préchauffe l’air de -8°C à 16°C, en absence 

de puits canadien le récupérateur sur air vicié aurait permis de le préchauffer de -8 à 12°C. 

Des 12 K apparents sur le différentiel entrée-sortie du puits, seul 4 K représente donc un 

gain net. Pour un récupérateur sur air vicié avec une efficacité η, seule la fraction 1−η du 

différentiel entrée-sortie du puits représente le gain net dû à ce dernier. Dans ce contexte il 

peut s’avérer plus utile et rentable de soigner l’efficacité du récupérateur sur air vicié que 

d’ajouter un puits canadien – si ce n’est un puits de taille réduite, éventuellement constitué 

d’un seul tube, permettant l’amortissement de l’oscillation journalière et le maintient hors 

gel du récupérateur. 

Le récupérateur sur air vicié domine par ailleurs le puits canadien, avec une source de 

température aux alentours de 20°C (bâtiment) contre une source aux alentours de 10°C 

(température annuelle moyenne). Le défaut de synergie avec le récupérateur sur air vicié 

est d’autant plus problématique qu’il peut s’accompagner d’un accroissement des pertes 

diffusives du bâtiment. En effet, en sus de l’énergie tirée du stockage estival dans le terrain, 

un puits situé sous un bâtiment chauffé aura tendance à tirer de l’énergie directement à ce 

dernier. Ce soutirage se fait au détriment du récupérateur sur air vicié (comme si l’amenée 

d’air neuf passait par le bâtiment avant de passer par le récupérateur), si bien qu’il peut en 

résulter une perte au lieu d’un gain énergétique! Le préchauffage hivernal passe donc 

nécessairement par un amortissement de l’oscillation météo annuelle ou par un système 

dimensionné pour du stockage saisonnier. 

34 A condition de dimensionner correctement le système c'est à dire de choisir la bonne surface d'échange, pour un débit 

et un type de terre donnés, tout en minimisant les pertes de charges. 

35 En Suisse. 


354

Figure A 108. Principe d’intégration d’un puit canadien dans le système de ventilation et fonctionnement 

typique sur un jour d’hiver et un jour d’été (Hollmuller et al, 2005) 

A8.5.2. Rafraîchissement 

Le rafraîchissement estival peut se contenter d’un amortissement sur 24 heures à quelques 

jours. Bien que la température de ventilation soit alors relativement élevée, en principe à 

peine quelques degrés en dessous du seuil de confort, une telle stratégie a les avantages 

suivants : 

� La taille et coût de mise en oeuvre sont restreints (écartement et profondeur 

faibles, avec une couche de sol d’environ 20 cm autour de chaque tube, le cas échéant en 

multicouches). 

� La recharge hivernale n’étant pas nécessaire, il est donc possible de court-circuiter 

le puits en hiver. 

� Contrairement à la période froide, pendant laquelle la température de sortie des 

échangeurs terrestres reste contraignante (en dessous du seuil de confort inférieur de 20°C), 

l’amortissement des pointes estivales diurnes permet par ailleurs d’amener dans le 

bâtiment de l’air frais (en dessous de 26°C). 


355

La prestation du puits canadien ne se limite plus à une économie d’énergie, mais permet au 

contraire un rafraîchissement à part entière : le débit d’air peut alors être élevé à des taux 

de ventilation plus importants (à condition de dimensionner le système en conséquence), et 

par conséquent ventiler le bâtiment avec de l'air frais et d'en extraire les excédents 

thermiques (si ces derniers ne sont pas excessifs). 

L’utilisation de débits de ventilation accrus devrait s’accompagner d’une étude soignée des 

pertes de charges additionnelles (donc de l’électricité supplémentaire nécessaire à la 

ventilation). A cet égard ce ne sont généralement pas les systèmes de tubes, mais les 

nourrices et les gaines de distribution dans le bâtiment qui engendrent des goulets 

d’étranglement. 

Par comparaison avec un renouvellement d’air en direct, un décompte énergétique attentif 

montre que l’apport de fraîcheur total se sépare en deux composantes (Hollmuller, 2002) : 

La première, portée par le débit d’aération nécessaire au renouvellement d’air, est 

proportionnelle au différentiel de température entrée-sortie. La seconde, portée par le 

surplus de débit , est donnée par le différentiel de température entre la sortie de 

l’échangeur et le bâtiment : 


Le dimensionnement d’un puits canadien à des fins de rafraîchissement dépend donc non 

seulement du puits lui-même, mais également de la réponse inertielle du bâtiment. 

A8.5.3. Dimensionnement 

Le dimensionnement d'un puits canadien ne peut être dissocié d’une approche globale de 

la ventilation du bâtiment en considérant le volume et de la localisation géographique du 

bâtiment, le débit d'air nécessaire en hiver et en été, la nature du sol, la place disponible 

pour l'enfouissement des tubes et enfin le système de ventilation choisi (VMC simple ou 

double flux, aération naturelle, ...). Peu de règles de dimensionnement simples existent 

pour un puits canadien. Il existe une méthode graphique utilisant une méthode de NUT 

(nombre d'unités de transfert) (De Paepe et al, 2003). Une autre méthode consiste à 

considérer des « règles du pouce » qui sont simples et faciles à comprendre, tirées de 

(Hollmuller, 2003) basées sur une solution analytique développée à partir des équations de 

la chaleur. Les paramètres nécessaires sont : le débit d’air (m 3/h), la surface d’échange (m²), 

la fréquence journalière ou annuelle. Ces « règles du pouce », valables pour un échangeur 

cylindrique, sont présentées dans le Tableau A 35 tiré de (Hollmuller et al, 2005) en fonction 

des vitesses d'air en entrée : le rapport entre la surface d'échange et le débit d'air indiqué 

doit être appliqué, pour l’amortissement « complet » de l’oscillation météo (amplitude 

résiduelle de e -2~ 15%). Le tableau se lit de la façon suivante : si l’on s’intéresse par exemple 

uniquement à l’oscillation journalière, il faudra 1 m 2 de tube pour chaque 5 m 3/h d’air 

circulant à une vitesse de 1 m/s. Cette valeur passera en moyenne à 8 ou 12 m 3/h si l’air 

circule à 2 ou 4 m/s (grâce à l’amélioration de l’échange convectif, mais au détriment des 

pertes de charge). Il est alors inutile de passer à une géométrie en tubes profonds/écartés, 

qui n’amènent à cet égard rien de plus qu’une nappe de tubes superficiels/serrés. Si 

nécessaire celle-ci pourra être réalisée en multicouches. 


356

Tableau A 35. Règles de pouce pour amortissement de l’oscillation journalière ou annuelle 36 

Surface / Débit (m² par m3 /h) 

Vitesse (m/s) 

Tubes profonds écartés (1) Tubes superficiels serrés (2) 

Journalier Annuel Journalier Annuel 

1 1/5 ¼ 1/5 1/1 

2 1/8 1/5 1/8 1/1 

4 1/12 1/6 1/12 1/1 

1) La surface à considérer est celle des tubes, en mode journalier comme en mode annuel (diffusion cylindrique) 

2) La surface à considérer est celle des tubes en mode journalier (diffusion cylindrique) et l’emprise du puits en mode annuel 

(diffusion plane) 

Ces règles du pouce concernent le seul échangeur air/sol et ne prennent pas en compte 

l’inertie du bâtiment. Dans la mesure où l’inertie intrinsèque de ce dernier participe 

également à l’amortissement de l’oscillation jour/nuit, et qu’un léger amortissement 

annuel participera au rafraîchissement de l’air, un dimensionnement plus lâche pourra être 

envisagé : une valeur approximative 1 m 2 de surface d’échange pour chaque 10 m 3/h d’air 

est retenue 37. Un dimensionnement deux fois plus court permettra d’atteindre une 

amplitude résiduelle de e -1~35%, ce qui sera souvent suffisant lorsque l’on travaille en 

mode annuel, mais parfois également en mode journalier (selon la réponse inertielle du 

bâtiment). 

Les ordres de grandeur utiles au pré dimensionnement proposés par les règles de pouce 

supposent que les tubes se trouvent en dehors des zones de perturbation dues à d’autres 

signaux. En particulier : 

� Une stimulation périodique en surface (sol sous influence de la météo) produira 

un effet sur environ deux fois la profondeur de pénétration, si bien qu’il faudrait que les 

tubes soient placés à environ trois fois cette profondeur (50 cm en mode journalier, 9m en 

mode annuel) pour que les règles de pouce restent valables. A noter qu’une configuration à 

moindre profondeur induira forcément une amplitude résiduelle supérieure à e -2, quelle 

que soit la longueur des tubes. 

Une solution consiste à isoler la surface du puits, cette isolation pouvant également 

accroître le potentiel de rafraîchissement estival. 

� Si la surface supérieure est soumise à l’ensoleillement, la perturbation peut être 

encore plus importante, surtout s’il s’agit d’un revêtement favorisant le captage solaire 

(ex. : asphalte) 

� Une stimulation isotherme en surface (tubes placés sous un bâtiment chauffé) 

aura un effet direct sur la température moyenne (chauffage de l’air par diffusion depuis le 

bâtiment), mais accentuera également l’amortissement de l’oscillation périodique 

� La présence d’une nappe phréatique à proximité des tubes permettra aussi 

d’accentuer l’amortissement. Dans ce cas il s’agit cependant de prendre garde aux 

éventuelles infiltrations d’eau. 

Dans l’attente du développement d’une méthodologie qui permettrait d’élargir les règles 

du pouce ci-dessus à des cas intermédiaires (nappes de tubes peu serrées ou à miprofondeur), 

en tenant compte des effets de surface (déjà identifiée par (Hollmuller et al, 

2005)), la prise en compte de ce type de géométrie nécessite de passer par de la simulation 

numérique détaillée. D’autre part, quelles que soient les conditions aux bords 

(adiabatiques, sinusoïdales ou isothermes), l’effet d’amortissement est toujours 

accompagné d’un effet de déphasage (retard de l’oscillation). Hormis pour des cas très 

spéciaux il s’agit cependant d’un effet du second ordre (Hollmuller, 2003), avec un retard 

36 Tube de 20 cm de diamètre. 

37 Ces valeurs de dimensionnement concernent une amplitude résiduelle de e -2~15%. 


357

typique de 1h en mode journalier et de 30 jours en mode annuel (pour amortissement 

complet e -2). 

Tableau A 36. Configuration des puits canadien pour les bâtiments type maison individuelle (Courgey et al, 

2006) 

Dénomination(s) usuelle(s) 

Configuration générale 

Puits servant uniquement en 

rafraîchissement pour l’été 

Journalier 

Puits canadien, Puits surfacique, 

Puits provençal 

Canalisations multiples de 30 à 40m 

(avec 2 à 4 canalisations pour 100m² 

de surface habitable) 

Puits servant également en préchauffage 

de l’air entrant pour l’hiver 

Annuel 

Puits canadien 

Distance entre les conduits 60cm minimum 1,5m minimum 

Profondeur usuelle des conduits 70 à 90cm 1,5 à 2,5m 

Type de conduits (Béton, PVC, 

polyéthylène, grès émaillé) 

Canalisation de 30 à 40m (avec 1 

canalisation pour 100m² de surface 

habitable) 

Divers mais étanches Divers mais étanches 

Diamètre des conduits De 15 à 25cm De 15 à 25cm 

Vitesse de l’air De 3 à 5 m/s possible De 1 à 2m/s 

Température moyenne (°C) 

10 

8 

6 

4 

2 

-2 

-4 

-6 

-8 

Un exercice intéressant pour prendre en main le l’outil simplifié proposé par Hollmuller 

(voir partie suivante) a été d’étudier l’influence de la longueur du tube sur les températures 

de sortie de l’échangeur air/sol pour un sol en pierre poreuse et un tube de rayon 10cm, le 

tube étant supposé rectiligne. La longueur varie de 6,4m (longueur du bâtiment étudié) à 

60m. Les figures suivantes montrent que plus la longueur du tube est importante, plus le 

signal en température est amorti. En été les longs tubes sont intéressants, mais par contre 

en hiver ils provoquent des températures inférieures à celles des températures à l’entrée du 

puits pouvant ainsi entraîner des augmentations de consommation de chauffage. La 

longueur L=40m semble représenter un bon compromis. Elle permet de gagner 6°C en 

Janvier et une diminution de la température du même ordre (un peu plus de 5°C) en Juillet. 

Janvier 

0 

0 5 10 15 20 25 30 

Tentréemoy TsortiemoyL6,4 TsortiemoyL10 TsortiemoyL20 TsortiemoyL40 TsortiemoyL50 TsortiemoyL60 

Figure A 109. Variation de la température en sortie en fonction de la longueur du tube en Janvier 


358 

Jours

Température moyenne (°C) 

29 

27 

25 

23 

21 

19 

17 

Juillet 

15 

181 186 191 196 201 206 211 

Tentréemoy TsortiemoyL6,4 TsortiemoyL10 TsortiemoyL20 TsortiemoyL40 TsortiemoyL50 TsortiemoyL60 

Figure A 110. Variation de la température en sortie en fonction de la longueur du tube en Juillet 

A8.6. Modélisation de l’échangeur air / 

sol enterré 

Nombre de modèles numériques existent pour le système échangeur air/sol. (Chen, 2006) 

note qu’une grande partie des modèles se base sur des bilans thermiques. Mais parmi ces 

modèles, certains modèles simplifient le problème en une dimension (De Paepe et al, 2003), 

et d'autres modèles supposent que la température de la conduite est constante (Chung et al, 

1999), ou encore des modèles font l'hypothèse d'un régime quasi-stationnaire (Ghosal et al, 

2005). Une modélisation analytique a conduit au développement du logiciel nommé GAEA 

(Heidt, 2007) permettant de simuler le fonctionnement d'un puits canadien. 

A part des modélisations de type analytique, il existe une autre façon de modéliser par 

l’utilisation des réseaux de neurones. Un modèle a été développé pour modéliser un seul 

tube par (Mihalakakou, 2003). Aucun des modèles précédents n'est capable de prédire 

aussi bien les échanges de chaleur latente que les échanges de chaleur sensible. Il existe 

donc d'autres modèles encore plus sophistiqués qui permettent de décrire les échanges 

latents comme les échanges sensibles. Par exemple, un modèle (Kumar et al, 2006) a été 

développé avec une discrétisation par différence finie, avec un schéma implicite, et en 

régime dynamique, basé sur les transferts de chaleur et de masse entre le sol et l'air. Un 

autre modèle basé sur les travaux de (Hollmuller, 2002) décrivant ces deux formes 

d'échange a été développé sous TRNSYS sous le nom de Type 460. 

Plusieurs niveaux de modélisation sont donc disponibles pour s’approcher de la 

description du comportement du puits canadien. Pour un état de l’art assez exhaustif, le 

lecteur se référera à la thèse de (Hollmuller, 2002). Le modèle retenu dans le cadre de cette 

étude est celui de (Hollmuller, 2002) dont l’interface a été amélioré par (Varet et Billard, 

2007) qui a donné par ailleurs lieu à une communication dans laquelle plusieurs stratégies 

de ventilation naturelle ont été comparées (Flory-Celini et al, 2007). 


359 

Jours

A8.6.1. Outil de simulation simplifié 

A partir du calcul analytique (Hollmuller, 2002), un outil de simulation simplifié a été mis 

en place. Par décomposition en série de Fourier d’une année météorologique complète en 

pas horaire, cet outil permet : 

� La reconstruction en une fraction de seconde de la réponse du système aux deux 

harmoniques fondamentales (annuelle et journalière), puis d’en affiner la dynamique par 

un ensemble plus complet de sinus, jusqu’à la reproduction complète de la dynamique 

horaire 

� La visualisation très rapide de l’effet sur la température de sortie des quelques 

paramètres fondamentaux à la base du modèle : débit d’air, rayon et longueur des tubes, 

épaisseur de sol autour des tube, propriétés thermiques du sol 

� La prise en compte des effets de déphasage. 

Le modèle est utilisé pour illustrer les règles de pouce données précédemment. Une bonne 

cohérence est observée entre les amortissements prévus par les règles de pouce et les 

amortissements moyens (par analyse de Fourrier) résultant de la simulation numérique. 

Cependant, pour des géométries plus complexes (nappes de tubes peu serrées ou à miprofondeur, 

sous influence d’une condition de surface périodique ou constante), cet outil se 

limite à l’heure actuelle à une géométrie simplifiée (tube entouré d’une couche de sol 

cylindrique, avec condition aux bords adiabatique ou isotherme). 

A8.6.2. Outil de simulation détaillé 

Les outils de dimensionnement sont complétés par un modèle de simulation numérique 

par éléments finis très flexible (Figure A 111), qui possède les possibilités suivantes : 

géométries variées (multicouches, effets de bords), couplage avec conditions de surface 

variées (bâtiment, météo, etc.), sols inhomogènes, prise en compte des échanges latents 

(évaporation/condensation) et de l’infiltration d’eau, prise en compte des pertes de 

charges, intégration à l’environnement de simulation TRNSYS par le biais du Type 460. Par 

contre, il s’agit d’un outil nettement plus lourd à mettre en oeuvre que l’outil précédent, 

notamment à cause de l’édition manuelle du fichier « paramètre » qui définit le maillage 

géométrique et les propriétés thermiques associées. Le modèle a été validé de façon 

extensive contre la solution analytique (Hollmuller, 2002), ainsi que sur deux systèmes 

réels mesurés in situ sur plus d’une année (Hollmuller et al, 2005). 

Pdiff : Diffusion de chaleur depuis les 

mailles voisines (W) 

Plat : Flux de chaleur latente air/tube 

(W) 

Psbl flux de chaleur sensible air/tube 

(W) 

S surface de contact avec une maille 

voisine (m²) 

m& conv : Débit échangé par convection 

(m 3 /h) 

Figure A 111. Simulation dynamique par éléments finis : à gauche, un exemple de configuration 

géométrique; à droite, illustration des échanges de chaleur et de masse (évaporation / condensation) au 

niveau du tube (Hollmuller, 2002) 


360

L'utilisation du type 460 est complexe même si le fichier d'entrée offre aux utilisateurs une 

grande flexibilité de la configuration: il demande un temps de prise en main long et chaque 

fois que l'on fait varier les paramètres du système, l’utilisateur est obligé de taper 

manuellement les matrices du sol, ce qui n'est pas toujours facile. De plus, ces saisies à la 

main sont source de nombreuses erreurs. On peut donc apprécier le remarquable travail de 

(Varet et Billard, 2007) : 

Figure A 112. Interfaces de définition d’un puits canadien dans PUICANA 

Cette étude rend l’interface plus attrayante par la simplification de l’usage du type 460 tout 

en gardant la richesse de son paramétrage pour un dimensionnement qualitatif en 

supprimant les difficultés de mise en œuvre du type. En effet, afin d’améliorer l’utilisation 

du Type 460, les auteurs ont créé un outils d’optimisation du dimensionnement de puits 

canadien, PUICANA, se basant sur le type développé par Hollmuller. L’installation des 


361

zones et du puits canadien s’effectue par le biais d’une interface graphique contrairement 

au Type 460 où il est nécessaire de remplir les éléments de matrices. 

A8.7. L’échangeur thermique air/sol 

enterré et la rénovation 

(Courgey et al, 2006) précisent qu’en réhabilitation, en absence de la nécessité de travaux de 

terrassement, la pertinence d’investir dans la réalisation d’un puits canadien dépendra 

grandement de la configuration du terrain et de la nature du sol. Par exemple, la réalisation 

d’une tranchée dans un sol rocheux risque d’être trop coûteuse pour ce type d’équipement. 

Les applications mises en œuvre dans le cadre de cette thèse montrent qu’elle dépend 

également du bâtiment étudié et de la zone considérée. 

(Hollmuller et al, 2005) relèvent les variantes de mise en œuvre simplifiée qui utilisent 

directement l’inertie thermique des caves du bâtiment pour réaliser l’échange air / sol. 

Pour une maison individuelle ou les logements collectifs disposant d’un terrain il semble 

aisé, si tant est que la nature du sol le permette, d’installer un échangeur air / sol. En 

revanche, pour les bâtiments collectifs situés en zone urbaine, l’exploitation de l’inertie du 

sol paraît intéressante. A ce titre, l’exemple développé par (Hollmuller et al, 2005) dans 

cette configuration mérite d’être valorisé : Sur un bâtiment ancien en Suisse, la mise en 

place d’un système de ventilation avec prise d’air dans la cave a été exploitée. Cette 

application est d’autant plus intéressante qu’elle traite également de l’amélioration du 

confort d’été dans des combles à faible inertie. 

Figure A 113. Vue de l’immeuble ancien et schéma du système de ventilation par échange air/sol 

avec la cave (Hollmuller et al, 2005) 

Les résultats de la Figure A 114 sont obtenus par l’utilisation du logiciel ESP, documentés 

dans le cadre du programme européen PASCOOL (Lachal et al, 1995), et traduisent 

l’efficacité du système. La figure montre clairement l’apport de la ventilation inertielle 

(exploitation de l’inertie de la cave) par rapport à une stratégie de ventilation directe ou 

encore une simple aération. 

(Hollmuller et al, 2005) renchérissent en spécifiant que la ventilation inertielle, disponible 

jour et nuit, permet ainsi de maintenir le bâtiment en dessous du seuil de confort supérieur, 


362

et cela pendant toute la période estivale. Etant donné la faible inertie thermique des 

combles, une stratégie par ventilation directe (uniquement nocturne) ne permettrait pas un 

si bon résultat, même à un taux de 10 vol/h : la température intérieure diurne passerait 

dans ce cas plus de la moitié du temps au dessus des 26°C (de façon cependant bien plus 

satisfaisante qu'avec une aération à 1 vol/h, qui induirait une situation franchement 

inconfortable). Une structure plus massique (brique au lieu de bois) permettrait certes 

d'améliorer la performance de la ventilation directe, qui n'égalerait cependant pas celle de 

la ventilation inertielle. Enfin une stratégie mixte (ventilation inertielle/directe en période 

diurne/nocturne), plus compliquée techniquement (nécessité de 2 ventilateurs, la cave 

devant continuer à être rechargée pendant la nuit), permettrait de baisser encore la 

température du bâtiment. A noter que le système réalisé consomme 6 fois moins 

d’électricité que l’aurait fait un groupe de froid, qui aurait nécessité un investissement 2 

fois plus élevé. 

Si le terrain le permet, les tuyaux seront installés dans le sol. Le tuyau doit avoir une 

stabilité suffisante pour supporter l'enfouissement dans la terre, il sera de préférence lisse à 

l'intérieur pour augmenter l'échange thermique entre le sol et l'air, et le matériau utilisé ne 

doit pas dégager de vapeur nocive. L'étanchéité est également importante pour éviter 

l'infiltration des eaux souterraines et la propagation de bactéries. Pour les raccords des 

différents tuyaux, il vaut mieux privilégier des raccords à joints à lèvres type 

assainissement. 

Figure A 114. Rafraîchissement par échangeur air/sol versus ventilation directe sur un bâtiment 

ancien (températures classées, 16 – 25 août 1993, 8 – 18 h) (Hollmuller et al, 2005) 

Par ailleurs, rappelons que la partie active des tuyaux enterrés ne doit pas être placée sous 

le bâtiment ni le long des fondations, pour éviter que le bâtiment chauffe ou rafraîchisse le 

puits canadien, car elle risque de « pomper » la chaleur du bâtiment : c'est alors une perte 

d'énergie importante pour le bâtiment. 

Un ventilateur peut être nécessaire pour assurer le débit d'air. Il peut être contrôlé par un 

thermostat et possède souvent un variateur de vitesse. 


363


Le principe d'un puits canadien consiste à faire passer de l'air dans des tuyaux enterrés 

avant d'être soufflé dans la maison. Les tuyaux sont généralement enterrés à une 

profondeur entre 1 et 2 m dans le sol. A cette profondeur, la température du sol varie peu 

au cours de l'année. Deux catégories d'échangeurs air/sol enterrés sont distinguées : La 

première catégorie a pour fonction d'apporter du confort en été et des économies d'énergie 

en hiver (par préchauffage d'air neuf). Pour cette deuxième fonction, il faut cependant 

noter qu'un système de ventilation double flux avec échangeur de chaleur est sûrement 

moins coûteux et énergétiquement plus efficace si l'on intègre les consommations 

électriques des ventilateurs. Cette catégorie d'échangeur air/sol enterré n'est pas facile à 

intégrer du fait des distances à respecter entre les tubes. La deuxième catégorie a pour 

fonction d'apporter du confort en été en créant, si l'on peut dire, une ventilation nocturne 

en plein jour! Elle a d'autant plus d'intérêt que la ventilation nocturne classique est peu 

utilisable, par exemple par manque d'inertie thermique du bâtiment équipé. Elle est plus 

facile à disposer dans le terrain, autour ou sous les bâtiments, du fait des distances limitées 

entre les tubes. Elle peut également être utilisée en hiver avec certaines précautions si l'on 

ne veut pas refroidir le bâtiment à certaines périodes de la journée! Il faut néanmoins 

penser à garder une distance suffisante entre les différents tuyaux (minimum 0,8 m) pour 

qu'ils ne s'influencent pas entre eux. 

En réhabilitation, pour faire transiter l’air avant l’introduction dans l’espace de vie, 

l’utilisation des caves ou autres cavités existantes apporte de bons résultats pour un coût 

souvent limité. Une application de ce principe a consisté à utiliser l’inertie du sous-sol pour 

une maison individuelle et a donné lieu à une communication qui montre que cette 

solution peut être intéressante à Lille si le bâtiment est isolé (Flory-Celini et al, 2007). En 

revanche, au niveau sanitaire il faudra veiller à ne pas apporter de l’air chargé en humidité 

ou en radon (Courgey et al, 2006). 

L’échangeur air/sol peut diminuer d'environ 5 °C la température intérieure aux heures les 

plus chaudes, et l’augmenter avant chauffage, d'environ 15 °C par temps froid (de -5 °C à 

l'extérieur à 10 °C à l'intérieur) tout en éliminant l'apport de poussières et de pollens. Les 

échangeurs air/sol doivent être vus et pensés comme partie intégrale du bâtiment et non 

pas comme un système à rajouter à celui-ci. Le concept énergétique doit donc 

impérativement inclure le bâtiment (inertie, protections solaires) et la gestion des gains 

internes (éclairage, appareils,..), ainsi qu’une estimation soignée de la consommation 

électrique des auxiliaires (Hollmuller et al, 2005). En hiver, le préchauffage de l'air peut être 

complété par le passage de l'air dans la serre. Le ventilateur à vitesse variable permet 

d'adapter les débits d'air neuf en fonction du besoin, ce qui réduit les déperditions 

thermiques et les consommations électriques du ventilateur. Les réseaux de neurones 

permettent de voir l’importance des paramètres d’entrée tels que la température du sol 

(Kumar, 2006). Toutefois, pour les systèmes à faible profondeur et faible espacement entre 

les tubes (à air ou eau), l'effet du rayonnement solaire en surface est difficilement pris en 

compte par des modèles simples de pré dimensionnement. Pour une application de confort 

d'été, il est recommandé de s'en protéger (par exemple en logeant les tubes sous le bâtiment 

et en veillant dans ce cas à bien isoler le sol du bâtiment pour éviter son couplage 

thermique avec les tubes!). Le dimensionnement d'un puits canadien peut être en fonction 

des paramètres principaux suivants: 

� Le débit nécessaire est déterminé en fonction du volume à ventiler ainsi que des 

débits minimums à respecter selon la réglementation. Il peut aussi être en fonction du choix 

de la ventilation, ou encore de l'architecture du bâtiment. 


364

� Plus la longueur de l’échangeur est importante, plus la température de l'air sera 

proche de celle de la terre, une longueur privilégiée se situe entre 40 et 50 m. Au delà d'une 

certaine longueur, son augmentation n’apporte que des gains très faibles. 

� Un diamètre de 20 cm semble bien adapté. En effet, plus le rayon est grand, plus 

le coefficient d'échange convectif entre le tube et l'air est faible. Une section plus importante 

créera un flux au centre du tuyau qui ne touchera pas les parois, le réchauffement ou le 

rafraîchissement de l'air dans la conduite est alors inégal, d'où un mauvais échange. 

� La vitesse de l'air qui traverse le puits canadien doit être modérée afin de favoriser 

les échanges entre l'air et le sol. En principe, cette vitesse ne doit pas dépasser 3 m/s. 

� Le prix d'un système complet pour un local de 100 m² / 250 m 3 se situe, en 

fonction de la qualité du matériel, autour de 3.000 et 5.000 € HT, étude incluse (Chen, 2006). 

� Les coûts d'installation et raccordement dépendent largement des conditions du 

chantier et du matériel choisi (construction neuve ou existante, dimensions, distances, 

équipement technique). 

� Le coût du terrassement vient en sus (négligeable pour les constructions neuves). 

Pour finir, l’échangeur air / sol enterré présente de nombreux avantages par rapport au 

système thermodynamique actif que nous reprenons dans le Tableau A 37. 

Tableau A 37. Comparaison du puits Canadien / Système de climatisation thermodynamique 

(Onpeutlefaire, 2007) 

Possibilité 

d'installation 

Performance 

Maintenance 

Coût de 

fonctionnement 

Confort 

Climatisation thermodynamique Puits Canadien 

Tous type de bâtiment sauf si le bruit 

engendré par le système peut gêner 

l'environnement 

Possibilité de descendre à des 

températures très froides 

Nombreuses pièces mécaniques, 

recharges en gaz 

Uniquement si des espaces verts sont à 

proximité 

Limité à des températures inférieures de 6°C 

aux températures extérieures 

Limité à la VMC si présente 

Relativement important 6 à 10 fois moins cher qu'une climatisation 

Bruit du système, brassage important de 

l'air 

Qualité de l'air Air trop sec et souvent en circuit fermé 

Santé 

Impact 

environnemental 

Une grande attention doit être portée vis 

à vis des germes aérothermes 

Gros consommateur d'énergie 

Pas de bruit de compresseur, éventuel léger 

bruit du à la VMC (si installation mal conçue) 

Air hygrométriquement proche de celui 

extérieur, renouvellement permanent de l'air 

Absence d'aérothermes, risque de moisissures 

dans les conduits si mal conçus 

Faible consommation électrique pouvant être 

limitée si panneaux photovoltaïques 

Le parti a été pris de présenter ici les aspects énergétiques et thermiques de l’échangeur 

air/sol enterré. Pour des aspects techniques (évacuation des condensats par exemple), 

pléthore d’ouvrages et de sites Internet existent. Le lecteur pourra notamment se référer à 

(Courgey et al, 2006), (Idéesmaison, 2007), (Onpeutlefaire, 2007) en première lecture. 

Dans les applications, l’échangeur air sol a été modélisé par l’interface Puicana sur la 

maison individuelle à Marseille. Les résultats montrent qu’il contribue à améliorer le 

confort d’été. 


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ANNEXES : LES SOLUTIONS BIOCLIMATIQUES - BHEE

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