LA CONSTRUCTION BIOCLIMATIQUE ET LE BIOCLIMATISME

 

Sommaire

Ce dossier décrit les mécanismes physiques et physiologiques qui permettent de concevoir un habitat bioclimatique qui ne consomme pas du tout d'énergie pour assurer le confort thermique de ses occupants. Il s'agit de l'explication détaillée de la démarche de construction dite "bioclimatique" ou "solaire", appliquée à un climat semi-continental tempéré (France).

• Que signifie "bioclimatique", quel est son origine ?

• Connaître l'être humain
• -- Régulation thermique du corps
• -- Température de l'air
• -- Vitesse de l'air
• -- Hygrométrie
• -- Energie rayonnée reçue
• -- Activité neuro-musculaire
• -- Exemples

• Le climat
• -- Climat : température de l'air, Vitesse de l'air, Hygrométrie, pluie, Energie rayonnée reçue, Activité neuro-musculaire
• -- Conclusion

• Les propriétés des matériaux de construction
• -- Verre et effet de serre
• -- Transferts de chaleur
• -- Capacité thermique
• -- Résistance mécanique
• -- Perméabilité

• Comparer les matériaux
• Métal, Bois, Pierre, Terre crue (argile), Terre cuite, Béton de chaux, Béton de ciment, Fibres végétales ou animales, Fibres synthétiques

• Travaux pratiques : mise en application
• -- Construire bioclimatique : le chauffage devient un appoint
• -- Détails : fondation & dalle, mur accumulateur, fenêtres & baies, murs extérieurs, toiture, équipements divers

• Encore plus loin : construire une maison bioclimatique complètement passive
• -- Enterrer la maison
• -- Positionner l'isolant et garder le sol sec
• -- Positionner les vitres
• -- Renouveller l'air sans gaspiller la chaleur
• C'est fini

 

Que signifie "bioclimatique", quel est son origine ?

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Construire bioclimatique veut dire construire en prenant en compte les interactions entre le climat et l'écosystème. Plus simplement, qu'on construit en s'adaptant au mieux au site de la construction. Cette adaptation a deux buts principaux :

• Se protéger des aléas du climat (froid/chaud, vent, pluie etc.)
• Profiter des bienfaits du climat (lumière, chaleur ou fraîcheur naturelle selon la saison, brise douce, etc.)

Se protéger ses aléas du climat est le premier but de la démarche bioclimatique, car c'est historiquement la première fonction de l'habitat. Dès les premières habitations aménagées par des êtres humains, cet impératif s'est imposé. La possibilité de profiter des bienfaits du climat est du ressort du confort, et est donc une préoccupation beaucoup plus récente. Ce besoin de confort s'est cependant imposé dès la révolution industrielle dans les pays sur la voie de l'industrialisation, et a conduit à une augmentation sans cesse croissante de la consommation en énergie pour obtenir ce confort, à mesure d'une part que la classe moyenne croissait en nombre, et d'autre part que la surface occupée par habitant a augmenté. Finalement la définition moderne du terme "bioclimatique" apparaît après le choc pétrolier des années 1970, dès lors que le prix de l'énergie force les gens à tenter d'obtenir leur confort en gaspillant moins.

En matière d'habitat dans le climat français, le confort est une double exigeance : avoir chaud l'hiver, mais n'avoir pas chaud l'été. Pour ce faire, il n'y a en fin de compte que deux axes de travail : mieux capter/se protéger de l'énergie solaire, et mieux conserver la chaleur/fraîcheur. Les maisons bioclimatiques actuelles résultent des premiers prototypes de maisons "solaires" bâties à partir des années 1960, et qui misaient essentiellement sur "mieux capter/se protéger de l'énergie solaire".

Enfin, une maison bioclimatique moderne se doit également de prendre en compte deux autres aspects qui ne sont pas directement liés au confort : la qualité sanitaire du lieu de vie créé, et l'impact éxologique global de la construction. Ces deux points tendent de plus en plus à être associés à la démarche bioclimatique, ce qui devrait conduire à terme le bioclimatisme à construire des maisons réellements écologiques sur toute la ligne.

Connaître l'être humain

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La matière est énergie, et l'énergie est matière potentielle. Pour le bioclimaticien, avant de se pencher sur la construction en pratique, il faut d'abord comprendre les paramètres physiques qui régissent la réalité dans laquelle nous vivons. Ce n'est qu'une fois que le cadre dans lequel nous évoluons est cerné que l'on peut entrer dans les détails. L'objectif du bioclimaticien est de fournir aux individus un environnement optimum pour leur confort, tout en utilisant pour ce faire le minimum d'énergie.

Au départ, si on cherche à minimiser la consommation d'énergie ce n'est pas pour des raisons économiques ni même écologiques. C'est plutôt une question de paresse : consommer moins signifie avant tout moins d'efforts à faire pour générer cette énergie. C'est pourquoi toute chose dans la nature tend à trouver son état optimum avec "un maximum de confort pour minimum d'efforts". Dans l'idéal, il faudrait pourvoir obtenir un confort parfait sans aucun effort (ou consommation d'énergie). Cela paraît improbable, mais l'est-ce vraiment ?
"Qu'est-ce que le confort thermique pour un être humain ?" devrais donc être la première question à se re-poser. L'humain est un mammifère à sang chaud, c'est à dire que son organisme contrôle à chaque instant ses réactions métaboliques pour maintenir le corps en entier dans une fourchette de température très étroite, aux environs de 37°C.

Régulation thermique du corps

Ce sang chaud est tout autant une aubaine qu'une malédiction. Une aubaine car il permet à l'humain de garder une capacité de mouvement, de pensée et d'action constante au fil des journées et des saisons, et de ce fait de s'adapter à de nombreuses conditions climatiques différentes. Une malédiction car cette température consomme une quantité effarante d'énergie pour se maintenir en milieu froid, et les possibilités de raffraîchissement du corps en cas d'environnement trop chaud sont limités. On pourrait supposer donc que pour avoir un confort maximum il faudrait générer un lieu à 37°C en permanence, déchargeant le corps de son travail pour maintenir la température.

Chacun sait pourtant que c'est faux. Pourquoi ? Parce que la température du corps dépend de nombreux facteurs :

• La température de l'air
• La vitesse de déplacement de l'air
• La teneur en humidité de l'air
• La quantité de rayonnement thermique reçue
• L'activité neuro-musculaire

On voit ainsi qu'il est très réducteur de supposer que seule une température de l'air de 37°C serait un idéal. L'idéal est un bilan équilibré (autant d'énergie dépensée que d'énergie reçue), mais en prenant en compte l'ensemble de ces paramètres, ce qui implique que l'idéal est en fait en évolution constante. Malgré tout, il existe une répartition de l'énergie entre ces paramètres qui donne les meilleurs résultats, c'est celle qui est la plus proche de l'environnement originel de l'humain (évidemment).

Ainsi Il faut pour un humain nu une température ressentie d'environ 24°C, une humidité atmosphérique entre 40 et 70%, et une vitesse de déplacement d'air faible. La température ressentie étant la moyenne de la température de l'air et de celle des parois (rayonnement reçu). Si l'humain pratique une activité neuro-musculaire autre que le repos, son corps va disperser de l'énergie supplémentaire, et donc son confort sera obtenu avec une température ressentie plus basse, une vitesse de l'air plus importante, ou un taux d'humidité plus faible.

Comment ces paramètres influent-ils sur le corps humain ?

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1- la température de l'air :

Elle va définir quelle quantité d'énergie est perdue ou gagnée par la surface du corps en contact avec le milieu extérieur. L'énergie se transmet par contact et convection. C'est la donnée de base. Toute la surface du corps participe à cet échange, mais les zones cartilagineuses tout particulièrement, ainsi, nos oreilles servent en permanence de radiateur, et notre organisme régule la quantité de sang et sa vitesse de déplacement dans nos oreilles pour obtenir un rafraîchissement de l'organisme (oreilles chaudes), ou un effet de conservation de la chaleur (oreilles froides).

2- la vitesse de déplacement de l'air :

Une vitesse importante augmente la vitesse de renouvellement des molécules d'air au contact de la peau, et donc, augmente la vitesse des échanges, et créé en outre de forts échanges par convection et évaporation.

3- L'hygrométrie :

Le corps humain a besoin d'un air contenant de l'humidité pour respirer car ses muqueuses sont un milieu humide. Mais il a également besoin que le taux d'humidité ne soit pas trop élevé car il utilise le phénomène d'évaporation de l'eau pour se rafraîchir, via la transpiration. En effet, une molécule d'eau qui se vaporise absorbe dans l'opération beaucoup d'énergie. L'évaporation de notre transpiration fonctionne d'autant mieux que l'air est plus sec, car il pourra absorber toute l'humidité facilement, alors qu'un air déjà saturé en eau ne pourra pas évaporer notre transpiration qui condensera en eau aussitôt. L'augmentation de la vitesse de déplacement de l'air, s'il n'est pas saturé d'eau, augmente également la vitesse d'évaporation.

4- l'énergie rayonnée reçue :

Notre corps reçoit ou émet également de l'énergie sous forme de rayonnement infra-rouges. Tout comme la température de l'air, l'intensité (la quantité) du rayonnement ainsi que sa longueur d'onde (la vitesse) influent sur l'énergie gagnée ou perdue par le corps dans cet échange permanent. La température ressentie est la moyenne de la température de l'air et de celle des parois (qui indique celle des rayonnements). Si ces deux températures ont un écart de plus de 3°C entre elles, le corps le ressent inconfortablement.

5- l'activité neuro-musculaire :

Tout le métabolisme du corps dégage de l'énergie dégradée sous forme de chaleur pour ses activités. Les organes dispersent de la chaleur en fonctionnant, la digestion disperse de la chaleur, les poumons également. Mais le corps peut aussi faire des actions physiques utilisant l'énergie musculaire qui elles aussi dispersent de la chaleur, proportionnellement à l'effort. Lorsqu'il est au repos et que la chaleur reçue est insuffisante, le corps génère automatiquement de l'activité musculaire pour disperser de la chaleur, c'est le phénomène de frissonnement. Le corps humain adapte en permanence ses différents moyens de régulation (oreilles, transpiration, activité métabolique, frissonnement) en fonction des conditions pour se trouver dans l'optimum. Lorsqu'il ne peut plus y parvenir parce que le milieu est trop hostile ou parce qu'il a épuisé ses réserves d'énergie, il tombe rapidement dans un état de catalepsie qui mène à la mort. A cause du froid, ou à cause du chaud.

Sachant cela, nous pouvons dès maintenant mieux comprendre les raisons de certaines choses que nous connaissons tous.
Exemple : les vêtements à base de fibres plastiques sont inconfortables l'été, et peuvent également l'être l'hiver. C'est tout simplement parce qu'il empêchent la vapeur d'eau de s'échapper, ce qui créé un zone d'humidité saturée dans l'air emprisonnée entre le vêtement et notre peau. Du coup, le processus de transpiration ne fonctionne plus et l'humidité s'accumule. C'est pour cela qu'un K-way est moins confortable qu'une chemise en coton.
Autre exemple : un simple ventilateur ne rafraîchit pas l'air de la pièce, il ne fait que l'accélérer. Pourtant, cette accélération se traduit par une sensation de fraîcheur sur notre peau, car elle augmente la vitesse des échanges thermiques. Mais dès qu'on sort de la zone d'air accélérée, la sensation disparaît.
Dernier exemple : pendant une belle journée de sport d'hiver, la quantité de rayonnements reçus est telle, avec en plus la réflexion par la neige, qu'il est possible d'obtenir la sensation de confort thermique avec une faible épaisseur de vêtements, alors même que la température de l'air extérieur est à moins de 0°C. L'exemple du k-way se cumule dans ce cas, et les gens dotés d'habit perméables à la vapeur d'eau se sentiront bien mieux que ceux enfermés dans des combinaisons étanches.

L'habitat devrait donc proposer un lieu qui non seulement ne perturbe pas le fonctionnement normal de notre corps, mais, dans l'idéal, s'y adapte pour que ses occupants parviennent plus facilement au confort.

Inutile de préciser que la construction conventionnelle est assez loin de se préoccuper de ce genre de considération sur le confort humain... Par contre, il ne faudrait surtout pas déduire de cette conclusion que l'adaptation doive résulter d'une complexité technologique supplémentaire. Une machine peut assurer notre confort, mais elle consomme de l'énergie, ce qui n'était pas le but. Notre objectif est double : obtenir le meilleur confort possible, MAIS avec une dépense de technologie et d'énergie minimale.

Le climat : exemple avec le climat d'Orléans

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Après avoir fait le tour de ce qui détermine la sensation de confort chez l'être humain, il faut étudier un peu le fonctionnement de notre environnement immédiat. Le climat varie au fil du temps et des régions, il donnera donc des paramètres différents en fonction des sites. Pour ce dossier, nous n'étudierons que le climat de la région centre. Cette région se trouve dans l'hémisphère nord, dans la zone tempérée. Cela signifie qu'il y a quatre saisons différentes bien marquées avec des régimes de pluie relativement constants sur l'année, et de grandes variations de température entre l'hiver et l'été. Ces variations sont toutefois amoindries par la relative proximité de la mer, et ne sont pas aussi marquées que dans un climat véritablement continental. Situé dans l'hémisphère nord, le soleil tourne de l'est vers l'ouest en passant par le sud, et son altitude ainsi que sa course dans le ciel varient du sud-est à sud-ouest en hiver, au nord-est à nord-ouest en été avec un écart entre les deux solstices d'environ 40°. Les vents dominants sont ouest et humides, ou nord-est et sec. La température hivernale descend fréquemment en dessous de zéro.
Ces paramètres étant différents pour toutes les régions ou latitudes, il est évident que la manière de construire de manière bioclimatique le sera aussi. Il ne peut donc pas y avoir de solution idéale universelle.

Par définition, une construction bioclimatique est adaptée au climat du terrain sur lequel elle se trouve. Pour notre exemple en région centre, le climat nous indique que nous allons avoir besoin de trouver de la chaleur en hiver car il fait trop froid pour que le confort soit obtenu sans rien faire, et qu'il faudra probablement rafraîchir en été car la chaleur risque d'être de temps à autre excessive. En intersaison, les efforts pour générer un bon confort devraient être très limités. Nous avons donc deux impératifs qui sont à priori contradictoires : trouver de la chaleur, et s'en protéger. La régulation de ces deux impératifs est pourtant assez simple puisqu'ils correspondent à deux saisons précises et prévisibles.

La trajectoire du soleil varie tout au long de l'année. En hiver, il se lève au sud-est et termine sa course très tôt au sud-ouest après un parcours très bas sur l'horizon. En été, il fait presque un tour complet, du nord-est au nord-ouest, et il monte très haut dans le ciel.

Ce changement de trajet modifie donc profondément la quantité d'énergie que chaque paroi de la maison va recevoir au fil des saisons. Ainsi, le sud est la surface qui reçoit le plus d'apports en hiver mais elle en reçoit moins en été que les surfaces ouest et est.

Ceci s'explique par l'angle d'incidence des rayons lumineux par rapport à la surface : plus l'angle est grand, et plus l'énergie est réfléchie. En hiver le soleil bas sur l'horizon fait un angle faible avec les paroi vitrée verticales sud, donc elles transmettent bien l'énergie. En été, ces mêmes surface vont réfléchir une grande part de l'énergie solaire, ce qui ne sera pas le cas de la toiture et des façades ouest et est, qui recevront un rayonnement plus perpendiculaire, donc plus intense.

Reprenons les différents éléments qui définissent le confort pour les corréler avec le climat de notre terrain :

1 la température de l'air :

Comme nous l'avons vu, l'idéal se trouve à 22°C, pour un humain nu. Notre culture fait que nous vivons habillés, ce qui baisse cette température entre 19 et 20°C. Notre climat nous fournit naturellement cette température pendant la moitié de l'année. Il est trop froid pendant l'hiver et trop chaud pendant l'été. Notre habitat devra donc pouvoir compenser. Cependant, nos habitudes vestimentaires étant en adéquation avec ces variations, la température idéale en hiver est plus basse que 19°C, et plus haute en été que 22°C. En pratique, il nous faudra de la chaleur en plus à partir de 14°C l'hiver, et de la fraîcheur à partir de 27°C l'été. (Nous parlons toujours de température moyenne : celle de l'air et celle des parois. 14°C en hiver signifie donc toujours 14°C ressentis et non 14°C indiqué au thermomètre)

2 la vitesse de déplacement de l'air :

Le vent nous rafraîchi, or nous n'avons pas besoin d'être rafraîchi pendant les ¾ de l'année (printemps, automne et hiver), donc, notre logement devra être étanche au vent de manière à empêcher les déplacements d'air trop rapide à l'intérieur pendant la majorité du temps. Par contre, il devrait pouvoir permettre de laisser passer le vent pendant l'été.

3 l'hygrométrie :

Notre climat nous fourni une humidité de l'air qui reste dans notre zone de confort pendant toute l'année. Il n'y a donc aucun effort à faire de ce côté-là. Cependant, il faut que notre habitat permette les échanges de vapeur d'eau avec le milieu extérieur puisque nous-même dégageons naturellement de la vapeur. La plupart du temps, notre habitation devra donc pouvoir évacuer l'excédent de vapeur vers l'extérieur, et il n'y a que pendant l'été que ce ne sera plus nécessaire car alors la température sera assez élevée pour que l'air soit capable d'absorber toute la vapeur d'eau sans saturer (plus l'air est chaud, et plus il peut contenir de vapeur d'eau). Il n'y a donc à priori pas grand chose à faire pour la vapeur d'eau, MAIS, il ne faut pas perdre de vue que certains autres impératifs, comme par exemple celui d'empêcher le vent de traverser l'habitat, peuvent avoir une influence sur la transmission de vapeur : il faudra donc être étanche à l'air, mais pas à la vapeur d'eau, à la manière de notre peau par exemple.

3 bis protection contre la pluie :

La pluie directement au contact avec notre corps provoque presque inévitablement une sensation d'inconfort car elle augmente considérablement les échanges thermiques. Dans notre climat, la pluie est généralement trop froide ce qui nous fait perdre de l'énergie. L'habitat devra donc nous protéger contre la pluie, en toute saison. Notez que cet impératif n'est pas forcément valable dans toutes les régions du monde.

4 le rayonnement reçu :

Le rayonnement est directement proportionnel à la durée d'ensoleillement. Notre climat étant assez chargé en nébulosités, il est fréquent que le rayonnement soit en grande partie diffus et non plus direct, ce qui modifie sa répartition et la sensation qui en découle. Le rayonnement solaire est en corrélation avec la température de l'air : il sera donc suffisant en intersaison, insuffisant en hiver et excédentaire en été. Notre habitat devra donc faire en sorte de maximiser ses gains en hiver, de les réduire à néant en été, et d'être raisonnablement perméable au rayonnement solaire en intersaison.

5 l'activité neuro-musculaire :

Notre mode de vie est relativement codifié, il est donc possible dans une large part de prévoir quelle sera l'activité générée dans une pièce. La position de la pièce dans la maison, sa taille et son volume vont influencer sa température. Il sera donc judicieux de faire en sorte que les pièces pour des activités génératrices de chaleur ne soient pas déjà naturellement chaudes, et qu'au contraire les pièces d'activités calmes le soient. Il y a deux cas particuliers : la salle de bain et la chambre. La salle de bain est un lieu d'activité physique qui dégage de la chaleur de part les usagers mais également de part la chaleur de l'eau utilisée, cependant, les usagers ne bénéficient plus de la protection de leurs vêtements, ce qui fait monter le seuil de température de confort. La chambre est un lieu d'inactivité physique (la plupart du temps) mais les individus au repos ont un seuil de confort plus bas car la température du corps s'abaisse légèrement pendant la nuit et le métabolisme ralenti.

Il y a un autre phénomène environnemental à prendre en compte : l'alternance du jour et de la nuit. En règle générale, la nuit est déficitaire en chaleur, en toute saison, et le jour excédentaire, en toute saison. Il faudra donc faire en sorte que l'habitat soit capable de garder l'excédent du jour pour le restituer la nuit de sorte à réguler les écarts importants qui ont lieu entre ces deux périodes. De même, l'été est excédentaire en chaleur alors que l'hiver est déficitaire. Dans l'idéal, notre habitat devrait donc être en mesure de stocker la chaleur de l'été pour la restituer en hiver.

Toutes ces prescriptions sont en quelque sorte le cahier des charges de notre habitat. Je le répète, ce cahier des charges ne correspond que à cet habitat précis, dans cette région, dans ce climat, avec des habitants de cette culture. Il faut réécrire la liste des prescriptions pour chaque projet ayant des paramètres de départ différents.

Les propriétés des matériaux de construction

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L'essentiel du travail est fait. Il ne nous reste plus qu'à trouver des matériaux et techniques de construction capables de répondre à notre cahier de charges. C'est beaucoup plus simple qu'il n'y paraît même si l'explication rationnelle qui va suivre utilise des dénominations complexes pour désigner les propriétés des matériaux. Je ne dresserais pas ici la liste de tous les matériaux et je ne donnerais pas de chiffres sur les propriétés car en fin de compte, peu importe. Ce sont les principes qui sont déterminants et non le nombre de chiffres après la virgule.

D'abord, les techniques de constructions. Nous avons vu qu'il nous faut une protection contre la pluie, donc, un toit étanche à l'eau. Il nous faut un milieu abrité du vent, donc clos, mais pouvant être ouvert ponctuellement, donc, pourvu de parties mobiles comme des fenêtres ou portes. Jusque-là, rien d'extraordinaire. Il faut que nous soyons ouverts au soleil pendant l'hiver, ce qui suppose donc beaucoup d'ouvertures au sud, et peu sur les autres faces. Ces ouvertures doivent laisser passer la lumière, mais dans l'idéal ne doivent pas laisser passer ni l'eau, ni le vent, ni, évidemment, la chaleur. La maison devrait être protégée des assauts continuels du vent d'ouest et du vent de nord-est, soit par sa forme, soit par l'existence d'éléments brise-vents naturels ou artificiels. Enfin, la maison doit être protégée du soleil d'été. Comme celui-ci rayonne principalement sur les faces est, ouest et sur le toit côté sud, il suffira de ne pas faire d'ouvertures à ces endroits (ou d'en faire peu).
Pour la face sud, une simple casquette suffira à empêcher la lumière de pénétrer dans la maison, grâce à la hauteur estivale du soleil. C'est ainsi qu'on constate que nos impératifs d'hiver non seulement ne sont pas en contradiction avec ceux d'été, mais en plus, se complètent !

Enfin, le remplissage des murs, outre ses éventuelles fonctions porteuses, doit permettre de conserver la température interne le plus longtemps possible (quelque soit la saison), tout en étant étanche à la pluie et au vent, mais pas à la vapeur d'eau. C'est tout.

Il est aisé de constater qu'il n'y a rien dans tout cela qui soit particulièrement contraignant, que le bioclimatisme n'implique pas de style ou de forme particulière pour la maison. Cependant, Le volume de la maison détermine ses déperditions thermiques. La forme la plus efficace serait un demi-sphère, mais il est plus facile de construire un rectangle légèrement allongé est-ouest, de manière à obtenir un façade sud importante, et des surfaces est et ouest réduites. Plus le volume est compact et moins il y aura de surfaces exposées aux intempéries, et donc aux déperditions.
Plus la forme est simple et moins il y aura de turbulences créées par le vent qui génèrent elles aussi des déperditions de chaleur importantes. Le volume devrait également tendre à réduire la taille de la face nord de la maison, soit en faisant descendre le toit plus bas, soit en enterrant une partie des pièces au nord, soit encore en plaçant au nord des dépendances qui ne sont pas chauffées mais qui protégeront la maison du vent.

Le matériau le plus important pour le bioclimaticien est le verre. En effet, il a la particularité d'être transparent à l'énergie solaire sous forme lumière visible, mais d'être opaque à l'énergie sous forme de d'infra-rouges thermiques. C'est donc la pièce maîtresse de notre stratégie de récupération des calories solaires : on laisse passer la lumière, celle-ci finit par buter sur un matériau opaque, l'énergie lumineuse se transforme alors en énergie thermique en échauffant ce matériau, et celui-ci devient finalement un émetteur de chaleur en diffusant cette énergie sous-forme d'infrarouges. Ces infrarouges buttent sur la vitre qui les absorbe, s'échauffe, et les réemet, dans toutes les directions : vers l'extérieur, bien sûr, mais vers l'intérieur aussi. C'est ainsi qu'on peut capturer à l'intérieur de notre pièce une partie de la chaleur. Plus la pièce sera chaude et plus il y aura de chaleur qui sera dissipée vers l'extérieur, mais tant que de l'énergie lumineuse entrera, l'intérieur de la pièce continuera de s'échauffer, même si le milieu extérieur est froid. C'est pour cela qu'on appelle ce phénomène l'effet de serre.

Pourtant, le verre n'a pas toutes les qualités : il est fragile, et donc ne peut pas porter le poids de la maison seul, est imperméable à l'eau, au vent, mais également à la vapeur d'eau. Il faudra donc l'utiliser uniquement pour les ouvertures et pas ailleurs. A part le cas particulier du verre, tous les autres matériaux vont se juger les uns par rapports aux autres sur l'échelle de la capacité thermique, sur leur résistance mécanique, et sur leur perméabilité.

Les transferts de chaleur

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L'énergie calorique se déplace de trois manières différentes, qui sont généralement simultanées. Il s'agit de la conduction, de la convection et du rayonnement.

Conduction

La chaleur se transmet de proche en proche, dans les corps qui sont en contact direct. Elle s'observe à l'intérieur d'un corps unique mais également lorsque deux corps de températures différentes sont en contact. Ce type d'échange ne se produit que dans les objets solides.
Une casserole chaude réchauffe la table sur laquelle elle est posée. Si un aliment solide est mis dans la casserole, il recevra également la chaleur par conduction à travers les surfaces en contact.

Convection

La chaleur se transmet par mélange au sein d'un fluide. Dans un liquide ou un gaz, il se crée spontanément un mouvement entre les zones chaudes qui deviennent moins denses et donc montent et les zones froides qui restent en bas. La circulation par convection peut s'inverser si c'est le fluide qui est plus chaud que son récipient. A l'intérieur d'un local, si l'air est plus chaud que les parois, alors c'est l'air qui va se refroidir au contact des parois. Dans ce cas, l'air s'alourdit en perdant sa chaleur et coule vers le bas de la pièce.

Rayonnement

 Tout corps qui n'est pas au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique. Ceux-ci se caractérisent par leur longueur d'onde : rayonnements cosmiques, gamma, rayons X, ultraviolets, lumière visible, infrarouges, micro-ondes, ondes radios, etc. Tous ces rayonnements sont de même nature et transportent de l'énergie mais seuls les infrarouges et les micro-ondes sont dit « thermiques » parce que le corps humain les ressent comme chaleur. L'énergie transportée par rayonnement se propage dans toutes les directions, en ligne droite, et se transfère à un corps solide lorsqu'elle ente en contact avec lui. Ce corps l'absorbe, se réchauffe, et réémet des rayonnements à son tour. Le rayonnement ne se convertit en chaleur que dans les matériaux solides qui lui sont opaques. Enfin, comme le rayonnement se propage en ligne droite, il entre en collision avec des surfaces selon un certain angle. Des matériaux peuvent ainsi devenir réfléchissants pour des rayonnements si l'angle d'incidence du rayonnement est élevé, et les laisser passer (ou les absorber) si l'angle est plus faible.
Pour finir, le rayonnement est le seul transfert de chaleur qui se produise dans le vide ; c'est donc sous cette forme que l'énergie solaire nous parvient.
La chaleur d'un feu de bois nous parvient aussi par rayonnement. La chaleur est sensiblement uniforme quel que soit le côté où l'on se place autour du feu et on constate facilement que notre corps n’y est sensible que du côté qui est face au feu.

La capacité thermique :

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C'est le résultat de plusieurs paramètres. Le premier est la quantité de chaleur qu'il faut pour échauffer le matériau de 1°C. Le second c'est la vitesse à laquelle la chaleur se déplace dans le matériau. Le troisième c'est la vitesse à laquelle la surface du matériau devient à la température de ce qu'elle touche. Les valeurs de ces paramètres définissent les propriétés thermiques d'un matériau, et on peut en faire au moins trois grandes familles : les isolants, les accumulateurs, et les métaux. Certains matériaux se trouvent à la limite entre ces catégories, mais la plupart se classent facilement.

Les isolants absorbent peu de chaleur, leur température surfacique s'élève très rapidement, et la chaleur se déplace très lentement en eux. En conséquence, ils peuvent empêcher la chaleur de rentrer ou de sortir, dans un milieu qu'ils clôturent. Ils apparaissent toujours « chauds » au toucher. Par contre, ils sont incapables de stocker de l'énergie en eux-même. Ils sont également généralement très légers.

Les accumulateurs sont l'inverse des isolants, ils absorbent beaucoup de chaleur. Leur température de surface s'élève très lentement, et la chaleur se déplace moyennement vite en eux. En conséquence, ils ne peuvent pas empêcher la chaleur de les traverser, mais ils ralentissent son déplacement. Ils apparaissent toujours « froids » ou toucher. Ils sont capable de stocker une grande quantité d'énergie. Ils sont en général très lourds.

Les métaux sont un cas particulier. Ils absorbent beaucoup de chaleur, leur température de surface s'élève rapidement, mais la chaleur se déplace très vite en eux. En conséquence, ils n'empêchent pas la chaleur de passer, et accélèrent son déplacement. Ils apparaissent toujours « très froids » au toucher. Ils sont capables de stocker beaucoup d'énergie en eux-mêmes. Leur poids est très variable.

Ces différences ont toutes sortes d'applications pratiques dans la vie courante.

• Par exemple, il est facile de comprendre qu'on ne pourra jamais se brûler avec un matériau isolant : il ne peut pas stocker d'énergie, et se sature très rapidement par l'énergie de contact que vous-même lui fournissez. Ainsi, si vous mettez un morceau de liège au congélateur, en le ressortant à la main vous ne sentirez aucune sensation de froid, et il se passe la même chose si vous le mettez au four.
• Avec un métal, la situation est très différente : il peut stocker beaucoup d'énergie, et la diffuse très rapidement. Donc, si vous le mettez au congélateur, en le sortant à la main, votre main restera collée dessus car le métal va absorber votre chaleur corporelle plus vite que votre corps ne la produit ! A l'inverse, s'il est mis au four, vous vous brûlerez instantanément. Dans les deux cas, le métal reprendra la température de la pièce rapidement et ne posera plus ces problèmes.
• Les accumulateurs sont eux-aussi spécifiques, car ils peuvent absorber beaucoup d'énergie sans pouvoir ni la gagner ni la perdre très rapidement. Ainsi, le morceau de pierre dans un congélateur ressortira froid, mais ne vous gèlera pas la main. Le morceau au four risque de vous brûler, mais tout dépend du temps qu'il y a passé, et il est fort probable que vous ayez le temps de le lâcher avant de vous brûler. Dans les deux cas, la pierre ne retrouvera la température de la pièce qu'après un très long moment. Le risque de brûlure ou l'absorption de chaleur persistera pendant des heures. C'est cette combinaison de propriétés que nous appelons l'inertie (dans le cas des applications thermiques).

Ces matériaux réagiront de la même manière avec le soleil et l'intérieur de la pièce qu'avec le four ou le congélateur et votre main.

Voici maintenant quelques descriptions de ce que pourraient donner différentes maisons construites avec seulement un type ou un autre de matériau (simulation dans le cadre d'une maison construite en région centre uniquement).

Passons vite sur le cas du métal car il n'est pas possible de construire une maison uniquement de métal : elle serait perpétuellement en état de danger pour ses occupants. Le jour car le métal serait brûlant au moindre rayon de soleil, la nuit parce que la maison absorberait la chaleur de ses occupants jusqu'à la dernière goutte. Ces matériaux sont donc totalement inappropriés, une maison de métal est inhabitable en toute saison. Ceci peut se vérifier par une expérience simple : vous constaterez facilement qu'il est plus confortable de dormir dehors en plein hiver s'il n'y a ni vent ni pluie que dans une voiture. Le seul intérêt de l'abris en métal est de protéger de la pluie...

Construire une maison avec seulement de l'isolant générera une ambiance intérieure condamnée à « l'instant présent ». Lorsque le soleil brillera, la pièce sera trop chaude mais dès qu'un nuage le voilera, elle deviendra trop froide. La nuit la pièce sera dépendante des apports internes instantanés, oscillants sans arrêt entre le trop chaud ou le trop froid dès que les conditions changent : 1 personne dans la pièce, trop froid, 2 personnes, correct mais une des deux personnes fait un effort physique... trop chaud. Etc. En été, cette maison ne peut que surchauffer : l'environnement extérieur la nuit est à la bonne température, donc la nuit tout va bien, mais dès que le jour se lève, la température extérieure devient trop élevée, la maison surchauffera donc dès que cette chaleur pourra entrer (porte ouverte par ex), et la surchauffe ne pourra que continuer jusqu'à la nuit (ou jusqu'à ce qu'un apport de froid soit produit). Une maison d'isolant présente donc un confort très mauvais, avec un comportement moyen en hiver, et catastrophique en été. Typiquement, les maisons de ce type se retrouvent traditionnellement dans les climats très froids et sont utilisées surtout en abris nocturne (elles ont donc peu de fenêtres ce qui limite leur problème de surchauffe). Notez toutefois qu'une maison isolée par l'intérieur présente en pratique un comportement similaire à une maison entièrement constituée d'isolant (c'est tout particulièrement vrai dans ses combles s'ils sont aménagés).

Construire avec seulement de l'accumulateur génère une ambiance moins frénétique. Les changements de températures sont lents et doux. Il se produit un perpétuel déphasage entre les conditions extérieures et intérieures : lorsque le soleil brille, l'intérieur reste frais, il ne deviendra chaud qu'à la nuit tombée, et le restera pendant une bonne partie de la nuit. La température intérieure ne varie pas lorsque le nuage est voilé par rapport au soleil en direct. En hiver, la maison restera tempérée pendant le début de l'hiver, et deviendra ensuite de plus en plus froide, consommant pour maintenir une température interne convenable une quantité effarante d'énergie. Au retour du printemps, l'atmosphère interne restera froide longtemps après que les beaux jours soient revenus. En été, la maison restera fraîche tout le temps, sauf s'il se produit une canicule de plusieurs semaines, dans ce cas, c'est la catastrophe : l'intérieur de la maison devient anormalement chaud, et reste aini, de jour comme de nuit, pendant la même durée que la canicule mais après la fin de celle-ci... Une maison d'accumulateur présente donc un confort mauvais, avec un bon comportement en milieu et fin d'été et automne, et un comportement mauvais en fin d'hiver et printemps. Ce comportement se retrouve dans la maisons paysannes traditionnelles construites dans la région que nous étudions : cela corrobore le fait que ces constructions sont celles qui présentent le meilleur compromis confort été/confort hiver.

Là encore, il n'y a pas de matériau idéal. La seule bonne solution consiste à mélanger des isolants et des accumulateurs en répartissant judicieusement leur position et quantité. La "maison accumulateur" traditionnelle possède de nombreux défauts que l'usage des isolants et du verre doivent permettre de résoudre, contrairement à nos ancètres qui devaient s'en passer .

La Résistance mécanique

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Ce n'est pas l'objet de cette étude, je ne rentre donc pas dans le détail de cette propriété. En général, les matériaux se classent tous sur une échelle qui va de « très dur et très cassant » à « très mou et très élastique », exception faite de quelques matériaux possédant à la fois la résistance, et une certaine élasticité (bois, acier). Une construction a besoin des deux types de matériaux : ceux qui sont dur pour les éléments structurels, et ceux qui sont mous pour faire les joins entre ces éléments.

Les éléments plutôt mous ont également tendance à ne pas être très durables, ou à perdre leur élasticité dans le temps, ce sont donc des parties de la maisons qui devront être changées et remplacées de temps à autre. C'est pourquoi on préfèrera user pour la structure de matériaux qui durent le plus longtemps possible.

La Perméabilité

La perméabilité à la vapeur d'eau dépend de la structure interne du matériau. Il n'y a pas vraiment de grande famille dans ce domaine. Certains matériaux sont très hydrophiles, et absorbent l'eau mais ne laissent pas passer la vapeur d'eau, d'autres sont imperméables à l'eau liquide mais pas à la vapeur d'eau. Certains encore sont imperméables à tout échange de fluide qu'il soit gazeux ou liquide. Il est important de connaître le comportement des matériaux à ce sujet pour ne pas les utiliser à un endroit inapproprié, c'est à dire, un endroit où ils ne répondraient pas au cahier des charge de notre ouvrage (étanchéité air et eau, mais perméabilité à la vapeur d'eau). Nous avons fait le choix ici de ne garder que ce terme de perméabilité pour toutes ces propriétés, mais la perméabilité à l'eau liquide s'apelle hygroscopie.

Comparer les matériaux

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Voici maintenant une liste des matériaux couramment utilisés pour l'habitat et de leurs propriétés si elles sont spécifiques.

Le métal :

• Thermique > métal
• Résistance mécanique > le métal est en général très résistant et va de cassant à élastique. Cela peut le rendre séduisant pour des rôles structurel.
• Perméabilité > généralement étanche à tous transferts, mais peut être sujet à des corrosions chimiques diverses conduisant à sa destruction.

Comme nous l'avons vu, le métal ne présente strictement aucun intérêt en matière de confort dans l'habitat, c'est pourquoi son rôle ne peut être que conditionné à, éventuellement, un rôle structurel tout en gardant à l'esprit qu'il faut en mettre le moins possible. Si on peut se passer complètement de sa présence, c'est encore mieux. Si on ne peut pas, à utiliser avec mille précautions.

Le bois :

• Thermique > le bois est un matériau composite qui n'est ni un isolant, ni un accumulateur. Les bois les plus légers sont presque des isolants, les bois les plus lourds sont presque des accumulateurs. Toutefois, ils ne peuvent être utilisés pour ces rôles qu'avec circonspection puisque les propriétés du matériau changent en fonction du sens dans lequel il est posé.
• Résistance mécanique > généralement très résistant et élastique perpendiculairement à la fibre, faible et cassant dans l'autre sens.
• Perméabilité > variable suivant les essences, le fil du bois et sa section, la perméabilité reste souvent idéale. Étanche à l'air et à l'eau, mais perméable à la vapeur.

Le bois est un matériau tout indiqué pour la construction, mais il ne convient pas si l'on n'utilise que lui. Il faut le marier avec de vrais isolants et de vrais accumulateurs (cette conclusion n'est valable que pour la région centre). C'est un matériau qui se marie presque à la perfection avec le fonctionnement de notre organisme, juste après l'argile.

La pierre :

• Thermique > généralement accumulateur. Quelques pierres volcaniques sont isolantes.
• Résistance mécanique > résistant et cassant. Présente parfois des résistances différentes selon le sens du matériaux.
• Perméabilité > toujours étanche à l'air, pas forcément étanche à l'eau, de faiblement perméable à la vapeur à imperméable à la vapeur d'eau.

La pierre est un bon choix d'accumulateur. Généralement on peut également lui confier une fonction porteuse, par contre, il est toujours nécessaire de lier les différents blocs de pierres ce qui mélange les propriétés de la pierre elle-même avec celle du matériau qui lie les blocs. Cela peut grandement modifier le résultat final, notamment au niveau de la perméabilité.

La terre crue (l'argile) :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en le mélangeant avec des fibres végétales.
• Résistance mécanique > faible et plastique ou dur et cassant en fonction du taux d'humidité.
• Perméabilité > Étanche à l'eau et à l'air, perméable à la vapeur d'eau.

L'argile est l'accumulateur idéal. Sa mise en oeuvre permet de l'utiliser en fonction porteuse ou en combinaison avec du bois. C'est le matériau le plus adapté à notre organisme. Il est possible de construire une habitation idéale pour l'être humain juste avec de la terre crue, c'est le seul matériau qui le permette.

La terre cuite :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en le mélangeant avec de l'air pendant ou après la cuisson (alvéoles).
• Résistance mécanique > résistant et cassant.
• Perméabilité > étanche à l'air et à l'eau (sauf défaut de cuisson), peu perméable à la vapeur d'eau. La perméabilité de la terre cuite (à tout) augmente au fil du temps jusqu'à ce que le matériau devienne complètement poreux.

La terre cuite pleine est un bon accumulateur, mais peut également être un isolant correct en grande épaisseur (et avec beaucoup d'air). Ce matériau est très semblable à la pierre, mais est plus facile à utiliser du fait qu'on peut lui donner avant de le cuire la forme désirée.

Le béton de chaux (carbonate de calcium + sable) :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en provoquant une réaction avec de l'aluminium (provoquant une expansion du matériau pendant sa prise : béton cellulaire), ou en le mélangeant avec des fibres (chanvre par ex)
• Résistance mécanique > résistant et cassant.
• Perméabilité > étanche à l'air et à l'eau, perméable à la vapeur d'eau à peu perméable à la vapeur d'eau (selon le degré d'hydraulicité de la chaux).

Le béton de chaux, ou le mortier de chaux, est l'allié habituel de la pierre et de la brique. Il possède des propriétés semblables et la capacité d'être mis en oeuvre dans un état plastique avant de sécher pour redevenir pierre.

Le béton de ciment (ainsi que parpaing):

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre un peu isolant en le mélangeant avec des matériaux isolants pendant la mise en oeuvre.
• Résistance mécanique > très résistant et très cassant. Il est possible de le mélanger avec de l'acier pour donner à l'ensemble les capacités cumulée des deux matériaux.
• Perméabilité > étanche à l'air, peu perméable à l'eau, très peu à la vapeur d'eau. Le ciment possède l'étrange propriété de capturer l'eau sous forme liquide plus vite qu'il ne permet de l'évaporer sous forme de vapeur. En pratique, il est donc en général perpétuellement gorgé d'eau.

Le béton de ciment est un produit à utiliser en connaissance de cause. Son comportement étrange avec l'humidité le rend quasiment incompatible avec la plupart des autres matériaux, qui se gâtent en présence d'humidité constante. Le ciment lui-même n'a qu'une durabilité limitée, car tout comme la terre cuite, il finit par se désagréger de lui-même, selon un processus encore peu connu (très lent, de l'ordre du siècle). Ce produit est un bon accumulateur mais est peu compatible avec le fonctionnement biologique des humains. A n'utiliser qu'avec modération ou pas du tout.

Les fibres végétales ou animales :

• Thermique > isolant.
• Résistance mécanique > faible à résistant et élastique.
• Perméabilité > perméable à la vapeur d'eau. Généralement perméable à l'eau, sauf si les fibres sont très serrées et/ou enduite d'une matière hydrofuge. Généralement perméable à l'air, sauf si les fibres sont très serrées.

Il existe de très nombreuses fibres dont on peu tirer des produits isolants de toutes natures. S'ils sont naturels, ces produits sont biodégradables et peuvent être détruits par des créatures qui les consomment, ou détruits par des champignons si le taux d'humidité est élevé et constant. Ces fibres ont toutes la capacité de ne pas perdre leur pouvoir isolant même si le taux d'humidité est élevé.

Les fibres synthétiques :

• Thermique > isolant
• Résistance mécanique > faible à résistant et élastique.
• Perméabilité > Généralement perméable à l'air et à l'eau, sauf tissage spécifique. Perméable ou imperméable à la vapeur d'eau, dépend du processus de fabrication.

Les isolants à base de fibres synthétiques, pour ceux qui ne sont pas d'office complètement étanches à la vapeur d'eau, présentent l'inconvénient de perdre leur pouvoir isolant en présence d'eau (ils prennent alors les propriétés accumulatrices/conductrices de l'eau). La mise en oeuvre les rend alors imperméable à la vapeur d'eau en les protégeant avec un pare-vapeur étanche, ce qui les rend de fait impropres à l'utilisation en tant qu'isolant dans une habitation.

Travaux pratiques : mise en application

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Ce rapide tour d'horizon fait, le schéma de notre maison bioclimatique émerge très naturellement : matériaux accumulateurs au milieu, isolants autour, et éventuellement structure porteuse en bois. Les accumulateurs internes peuvent être en n'importe quel matériau (parmi les accumulateurs), mais ils doivent avoir une couleur qui permette l'aborption du rayonnement solaire lumineux s'ils sont directement soumis à l'énergie solaire. La couleur du mur joue alors un grand rôle : s'il est blanc, il réfléchira la chaleur sans chauffer. Au contraire, une paroi noire va rapidement devenir brûlante en surface, ce qui n'est pas non plus le but recherché. La teinte idéale est celle de la terre : de brun clair à foncé en passant par les teintes ocre, oranges, rouges...

Les accumulateurs situés sur les parois externes du bâtiment doivent être en matériaux perméable à la vapeur d'eau. Les isolants doivent tous être toujours perméables à la vapeur d'eau. Pour que la diffusion de vapeur d'eau soit idéale, il faut que les couches de matériaux des parois extérieures soient de plus en plus faciles à traverser, de l'intérieur vers l'extérieur (puisque pendant les ¾ de l'année la vapeur ira de l'intérieur vers l'extérieur) ainsi la condensation en eau sera impossible, et le taux d'humidité toujours dans la zone de confort.

Les fenêtres doivent être au sud, cela contribue à protéger des surchauffes car en été une grande partie des rayons du soleil sont réflechis parce que leur angle d'incidence est trop élevé. Malgré tout la quantité d'énergie captée est trop importante : 50% du soleil pendant les mois d'été c'est déjà largement assez pour faire surchauffer la maison. Il faut donc se protéger du soleil par des avancées de toit, des brises-soleil, ou de la végétation. Avec une juste proportion, ces protections permettront de laisser entrer largement le soleil d'hiver, et de laisser dehors celui d'été.

Ces protections sont dites "passives", car elles fonctionnent sans efforts et sans surveillance. Plus le soleil est haut, plus il fait chaud, et plus elles protègent la maison. En outre, la maison est à l'ombre mais elle n'est pas dans le noir. Ci-contre des brises-soleils à lame orientée : ces lames en bois sont fixes mais sont inclinées avec l'angle du soleil au solstice d'hiver, ainsi, l'ombre projetée sur la façade est minimale le 21 décembre, et maximale le 21 juin, sans qu'aucune intervention ni contrôle ne soit nécessaire. Il faut peu de fenêtres à l'est, plutôt verticales. Pas de fenêtres à l'ouest (ou alors plutôt verticales) ni au nord, pas de vélux au sud.

Les arbres sont des climatiseurs naturels : ils génèrent de l'ombre, humidifient l'air par évaporation, baissent sa température et le purifient. L'arbre ne crée pas une ombre étouffante, contrairement au parasol. Il ne consomme pas d'électricité contrairement au climatiseur. Il ne fait pas de bruit contrairement au ventilateur. Il ne demande pas d'entretien, se répare tout seul et devient plus solide au fil des ans. Toutes qualités plutôt rares quant il s'agit des produits manufacturés. Mais il faut choisir une essence adaptée et ne pas le planter n'importe où : placer des feuillus au sud de la maison permettra de renforcer sa protection en été tout en ne la privant pas de lumière l'hiver puisqu'ils n'auront plus de feuilles. Les résineux doivent être mis au nord et à l'est, pour briser les vents froids. Leur feuillage permanent offrira une bonne protection pendant la saison froide. Ces dispositions permettent de faire une maison passive qui rend la nuit la chaleur du jour et qui fonctionne à l'inverse pendant l'été. Une telle maison procure un confort presque optimal toute l'année, mais il reste nécessaire de rajouter un appoint de chauffage au coeur de l'hiver car elle ne peut pas stocker la chaleur de l'été pour la restituer 6 mois plus tard.

Pour compléter l'isolation, on peut agir sur la répartition des pièces et mettre les pièces de vie vers le sud et les pièces auxilliaires de service vers le nord (cellier, buanderie, garage, grenier, atelier, etc). Ces pièces ne sont pas forcément chauffées mais elles créent un espace "tampon" qui ralentit les pertes de chaleur.

Une construction bioclimatique est axée sur "capter la chaleur", ce qui peut être fait de deux manières, l'une dite passive, l'autre dite active. Le capteur passif est appellé ainsi parce qu'il n'y a pas de détecteur qui met en marche un système : s'il y a du soleil, on le capte automatiquement. Rentrent dans cette catégorie les fenêtres, serres et vérandas, baies vitrées, murs trombe... Il n'est pas toujours évident de placer un capteur à l'endroit le plus exposé au soleil, c'est pourquoi on peut mettre un capteur au soleil, et insérer dans sa paroi opaque une conduite pour un fluide (air, eau, etc...) qui va jusqu'à un échangeur pour stocker la chaleur (ballon d'eau) ou à la diffuser directement (radiateur, ventilateur). Il s'agit alors d'un capteur actif. Rentrent dans cette catégorie tous les capteurs mécanisés : capteurs à eau pour chauffage ou chauffe-eau, capteur à air, systèmes hybrides air/eau, capteur à galet... L'avantage est que la surface peut être complétement noire, et le capteur positionné au mieux. Généralement, ils sont plus performants que les capteurs passifs mais plus chers et demandent un entretien régulier.

Ces deux méthodes fournissent la plus grande part du chauffage dans une telle maison, mais elle ne suffisent pas à pouvoir à tous les besoins. Il faut leur adjoindre un appoint qui ne sera pas solaire : en effet, on ne peut pas dans une maison biolcimatique fournir l'appoint de chauffage avec un chauffage solaire puisque c'est justement lorsqu'il n'y a pas de soleil que cette dernière a besoin d'un appoint. Généralement, l'appoint est un simple poêle à buchette, dont la consommation sera très modeste (quelques stères), ce qui n'impliquera pas une corvée pour l'alimenter.

Construire bioclimatique : le chauffage devient un appoint

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Voyons maintenant en détail l'application des ces principes sur une maison "normale" (c'est à dire une maison qui ressemble à une maison). Cette construction va devenir grâce à la mise en oeuvre des techniques bioclimatiques une maison basse consommation d'énergie. Ce premier exemple montre des batiments construits en utilisants des produits et techniques de construction relativement proches de celles qui sont habituellement utilisées, ceci dans un double but :

• S'assurer que la réalisation sera bien faite, car les ouvriers maîtriseront les produits et leur mise en oeuvre
• Garantir un coût correct pour la construction, qui ne devrait pas présenter de surcoût très important par rapport à une maison conventionnelle de même qualité.

Détail n°1 : fondations et dalle

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Les fondations se font habituellement en béton armé, et nous ne dérogerons pas à cette règle dans ces exemples, pour les deux raisons su-cité : il faut que les techniques utilisées soient maîtrisée par les entreprises du marché français actuel. Nous avons vu que la bton armé n'est pas un matériau très intéressant de par ses propriétés en place, cependant, ces inconvénients ne seront pas génant s'il n'est utilisé que pour les fondations enterrées.
La maison conventionnelle préfère ensuite souvent mettre un vide sanitaire au-dessus de ses fondations, et construire ses murs en s'appuyant sur cette première surface. Le vide sanitaire doit (ou devrait) être ventillé, ce qui amène en pratique à mettre tout le volume thermique de la maison en suspention dans l'air extérieur. C'est n'est pas la meilleur configuration d'un point de vue thermique (et tout particulièrement si en plus la maison est "isolée" par l'intérieur...). Pour éviter les faiblesses thermiques à cet endroit et pour garder contact avec la masse du sol qui servira d'accumulateur thermique, notre maison bioclimatique ne sera pas sur un vide-sanitaire mais sur un terre-plein. L'espace terrassé sous la maison sera donc rempli d'abord avec un hérisson de gros cailloux, puis recouvert par un lit de cailloux plus petits, compactés, et enfin recouvert avec une dalle flottante en béton. Il n'y aura pas d'isolation entre cette dalle et le sol en dessous, par contre, l'isolation sera périphérique, le long des murs de soubassement. Cet isolation enferme donc à l'intérieur du volume thermique de la maison une masse de sol très importante : c'est elle qui servira d'accumulateur principal, il est donc primordial de bien soigner les joins de l'isolation périphérique. Cette isolation sera effectuée avec un isolant qui supporte la présente d'humidité : en version écologique, du liège en panneaux. Autre point fondamental : la dalle qui reçoit directement le rayonnement solaire devra être recouverte avec un matériau accumulateur de couleur moyenne, typiquement, un carrelage couleur brun/terre cuite.

Détail n°2 : murs accumulateurs

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Nous avons vu que c'est la dalle et le sol sous la maison qui seront les principaux réservoir de calories, mais pour compléter cette masse et rendre plus efficace la répartition de la chaleur dans la maison, nous utiliserons les murs accumulateurs. Les murs internes de la maison seront donc construits avec des matériaux accumulateurs. Si la maison comporte un étage, ce mur pourra assumer la fonction de mur de refend (c'est celui qui porte le plancher), sinon, on construira des murs massifs à la place des simples cloisons habituelles. Ces murs ne seront pas forcément directement frappés par le soleil, et ne seront donc pas les transformateurs d'énergie lumineuses en énergie calorifique. Mais ils sont au contact avec le sol accumulateur sous la maison, et agissent donc comme les ailettes d'un radiateur et dissipent la chaleur du sol dans les pièces qu'ils cloturent. En été, le fonctionnement est identique mais en sens inverse : ces murs absorbent l'énergie exédentaire et la dissipent dans le sol plus froid, permettant ainsi à la maison de garder la fraicheur. Et en plus toute la chaleur d'été qui est dissipée dans le sol est partiellement stockée pour être renvoyée vers la maison dès que la saison chaude sera terminée !
Nous utiliserons donc systématiquement ce type de mur, quelque soit par ailleurs la technique utilisée pour les murs extérieurs de la maison. Ainsi, une maison bioclimatique en ossature bois sera toujours un hybride bois/maçonnerie puisque les murs intérieurs seront forcément maçonnés. Pour les matériaux utilisés, n'importe quel accumulateur fonctionne, mais le produit le plus simple et le meilleur marché pour le moment reste le parpaing de béton plein. C'est un piètre choix écologique, certes, mais thermiquement il fonctionne.

Détail n°3 : fenêtres et baies

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Les dalles et murs intérieurs de notre maison conçu, il nous faut maintenant placer les ouvertures vitrées qui vont les alimenter en lumière solaire. Ces fenêtres seront donc de grandes dimensions, et principalements placées plein sud (environ 70% des surfaces vitrées totales de la maison). Les fenêtres ne seront pas de type spéciaux : du double vitrage peu émissif standart convient parfaitement. Par contre, la surface totale vitrée de la maison est généralement largement plus importante que dans une maison conventionnelle, c'est ce qui explique la différence de coût entre les deux (les fenêtres en elles-même n'étant pas plus chère puisqu'il s'agit des mêmes). Le matériau des fenêtres sera évidemment le bois.
Si les combles sont aménagés, l'éclairage coté sud sera réalisé par des fenêtres verticales, c'est important, car nous avons vu que c'est la meilleure disposition pour capter un maximum en hiver et un minimum en été. Nous ne mettrons donc jamais de vélux sur la partie sud d'un toit. Par contre au nord ils seront les meilleurs compromis, car une lucarne au nord n'apporte pas beaucoup de lumière. Une fois placées, ces ouvertures doivent encore être protégée du soleil d'été. Nous utiliserons la plupart du temps des brises-soleil extérieurs fixes, soit à base de plantes grimpantes à feuilles caduques, soit à base de lames de bois orientée, telles que décrites précédement. Les ouvertures situées à l'Est et à L'Ouest ne pouvant pas être protégées par ce type d'éléments, nous chercherons à en faire le moins possible, ou laors à les réaliser de faible largeur, et sur un grande hauteur : ainsi le soleil sera partiellement arrêté par l'épaisseur même du mur, et ne pénétrera directement dans la pièce que pendant un cour laps de temps, lorsqu'il passera exactement en face de la fenêtre.

Détail n°4 : murs extérieurs

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Tous nos éléments capteurs sont placés, il nous reste maintenant à placer nos matériaux isolants pour réussir à conserver l'énergie que nous captons. Et nous avons cette fois-si d'autres problèmes à résoudre en même temps : notre mur extérieur doit être étanche au vent et à la pluie, mais il doit laisser passer la vapeur d'eau venant de l'intérieur, il doit être isolant, et il doit aussi réussir à supporter le poids de la maison et résister aux aléas climatiques (tempêtes, grèle, gel, neige etc.). Réussir à résoudre tout ces problèmes avec un seul matériau n'est guère possible, les murs extérieurs seront donc toujours composés de différentes couches, aux rôles différents.
Dans le cas d'une maison en ossature bois, la structure porteuse principale sera composée de montants en bois et de panneaux de bois reconstitués (OSB, ou variantes plus écologiques). Ce panneaux sera mis du côté intérieur, car il fait un écran assez étanche à la vapeur. Entre les montants de bois, nous placerons un pur isolant (ouate de cellulose, chanvre, etc.). Cet isolant devra être d'origine biologique, c'est important car ainsi ses capacité isolantes ne seront pas inhibées par la vapeur d'eau traversant le mur. Sur l'extérieur, l'ensemble sera recouvert avec un panneau de laine de bois faisant complément d'isolant et pare-pluie. Comme il recouvre complètement le mur, il supprime toutes les faiblesses thermiques dûes à la structure en bois. Ce matériau n'est pas du tout un écran à la vapeur, ainsi, notre mur est plus étanche à la vapeur du côté intérieur que du côté extérieur, ce qui permet de laisser passer la vapeur sans mettre de pare-vapeur, et sans risque de condensation car la vapeur s'échappe plus vite qu'elle n'entre. Ce mur sera recouvert du côté extérieur par une finition étanche à la pluie, par ex un bardage en bois, et du côté intérieur par l'élément qui fera finition et décor (lambris, plaque de plâtre etc.).
Dans le cas d'une maison maçonnée, le choix pour le mur se portera sur un matériau dit "monomur", qui assure à la fois la fonction porteuse et la fontion isolante. Le seul inconvénient de ces produits étant que comme ils sont assez peu isolants, ils faut le mettre en grande épaisseur. Leur pose doit également être très soignées, car il n'y aura que des enduits d'ajoutés dessus ensuite : il ne doit donc pas y avoir de vides laissés entre les blocs.

Enfin, pour que le mur puisse lui aussi laisser passer la vapeur d'eau, il devra être recouvert avec des enduits qui n'y sont pas étanche, par ex du plâtre du côté intérieur, et de la chaux du côté extérieur. Ces enduits sont très importants, car ce sont eux qui assurent l'étanchéité au vent du mur, ils doivent donc être eux aussi très soignés, notamment autour des menuiseries. Notez enfin que même si la plupart des monomurs argumentent sur leur "inertie", celle-ci reste tout à fait anecdotique par rapport à un vrai matériau accumulateur plein. Comme nous l'avons vu plus haut dans ce dossier, les fonctions "isolant" et "accumulateur" sont tout à fait antinomiques. On ne peut pas avoir les deux en même temps. Donc même dans une maison maçonnée en monomur, nous n'utiliserons pas les mêmes produits pour faire les murs extérieur (monomurs isolants) et les murs intérieurs (accumulateurs massifs et pleins)

Détail n°5 : toiture

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La toiture ne sera pas si différente d'une toiture conventionnelle. Il n'y a que deux détails à changer :

• utiliser un isolant à base de fibres biologiques qui permet de laisser la toiture non étanche à la vapeur d'eau, sur le même principe que les murs. Il suffit ensuite de composer le couches dans le même ordre : les panneaux plus étanche du côté intérieur, l'isolant, et un pare-pluie isolant complémentaire par dessus.
• augmenter la ventilation de la sous-toiture. En été la toiture sera rapidement brûlante, et même le meilleur isolant du monde ne pourra pas empêcher éternellement la chaleur de passer, surtout si les combles sont aménagés et que la ventilation de la toiture n'est dévolue qu'à une mince lame d'air de quelques cm d'épaisseur. Il faut donc pour limiter ce problème soit augmenter la hauteur de la lame d'air (habituellement 25+25 mm, soit deux liteaux), soit augmenter le nombre de chatières de ventilation, soit les deux en même temps. Ceci permettra d'assurer une meilleure ventilation, et d'abaisser la température maximale du toit.

Détails n°6 : équipements divers

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Les aspects réellement bioclimatiques sont terminés, mais la maison ne serait pas vraiment complète sans quelques systèmes pour faire les quelques appoints nécessaire que le climat ne peut nous fournir directement : eau chaude sanitaire, eau, appoint de chaleur. Nous utilisons donc habituellement un petit poêle à bois de haut rendement pour faire l'appoint de chauffage. L'eau de pluie sera récupérée et stockée dans une citerne pour alimenter tous les usages ne réclamant pas d'eau potable. Et l'eau chaude sanitaire sera partiellement solaire, grâce à un banal chauffe-eau solaire (à appoint électrique sauf si le poêle peut chauffer aussi de l'eau)

Voici donc la mise en application des principes bioclimatiques pour des maisons à coût sensiblement équivalent à des maisons classiques, mais pour une consommation de chauffage réduite des 2/3. Ces quelques exemples visent à montrer que ce type de construction ne présente pas forcément des grosses contraintes ni technologiques, ni esthétiques (ni financières).

Et voilà le travail !

Aller encore plus loin et construire une maison bioclimatique complètement passive

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Mais tout cela ne vous suffit pas et vous souhaitez vous passer complètement de chauffage ? Qu'à cela ne tienne : c'est possible aussi ! Par contre autant vous le dire tout de suite, la maison ainsi conçue, bioclimatique ET passive, ne ressemblera pas à une maison. Et je le rappelle aussi, l'exemple qui suis n'est valable que pour un climat correspondant au climat précédement défini (semi-continental tempéré).

Le principe est assez simple. Dans ce climat, la moyenne annuelle de la température de l'air est d'environ 15°C. La température du sol, à partir de 6 mètres de profondeur environ, est elle aussi de 15°C et relativement stable pendant toute l'année (entre 14 et 16°C). Ainsi, reproduire une habitation troglodyte en réalisant des parois de 6m de matériau accumulateur massif permettrait de recréer une ambiance intérieure stabilisée à 15°C toute l'année, quelque soit la température extérieure (comme dans un véritable habitat troglodyte, où la température interne est d'autant plus stable qu'on s'approche du fond, et qu'on s'éloigne de la façade ouverte sur l'extérieur). Mais si 15°C c'est déjà bien mieux que 0 ou -5°c pendant l'hiver, ça reste un peu faiblard en été, et surtout globalement en deçà de notre température de confort (19°C ressentis, ce qui dans le cas d'une cave correspond effectivement à la température des parois, celle de l'air pouvant être négligée). L'idée va donc consister à trouver un moyen d'augmenter la température moyenne dans cette cave de seulement 4°C, pour la maintenir aux 19°C que nous souhaitons. Pour ce faire, nous allons utiliser deux éléments qui ne sont pas naturellement présents dans l'équation : le verre et l'effet de serre, et les isolants. Nous allons donc ajouter à notre grotte toglodyte un ensemble de baies vitrées ou serre en partie sud, et une vaste couverture isolante pour ralentir le déplacement des calories et les retenir pendant 6 mois. Nous ne cherchons donc plus à créer un espace artificiel qui tire partie au mieux d'un milieu, mais plutôt de modifier le milieu lui-même pour en faire un micro-climat correspondant à l'espace que nous comptons habiter. Le volume thermique de l'habitation n'est plus considéré comme une enveloppe vide qui ne fonctionne que si elle est occupée, mais comme un véritable climat local plus chaud et plus tempéré que l'environnement qui l'entoure. Le micro-climat ainsi généré se mettra en place au fil du temps et prendra plusieurs années avant d'aboutir à sa température d'équilibre. Ensuite, tel un habitat troglodyte, sa température interne restera quasiment constante quelles que soient les conditions extérieures. Le bilan thermique reste neutre : cette chaleur n'est pas tirée du néant, c'est juste la chaleur de l'environnement dont on a ralenti la dissipation naturelle. De la même manière que l'atmosphère terrestre crée un effet de serre qui augmente la température moyenne sur toute la planète, nous allons utiliser l'effet de serre du verre pour augmenter la température moyenne d'un tout petit bout de planète.

A dire vrai nous n'avons rien inventé, car ce genre de chose existe déjà dans la nature. Il existe des endroits où la disposition naturelle des éléments du sol et leur composition créent des micro-climats, qui peuvent être plus chaud que leur environnement, ou plus froids. Nous allons juste utiliser les mêmes phénomènes pour créer une telle zone, mais dans ce cas, artificielle. Ceci dit, le fait qu'elle soit artificielle ne retire rien au fait qu'une fois mise en place elle fonctionnera ensuite complètement naturellement et sans plus d'intervention humaine, c'est pourquoi il s'agira effectivement bien d'une habitation "passive" dans le sens premier du terme, puisqu'elle fonctionnera toute seule, qu'elle soit habitée ou pas. Un bon exemple d'une stratégie similaire utilisée par des peuples ancestraux serait les villages des amérindiens dits "pueblos", qui utilisaient le micro-climat local créé par les canyons et falaises de leur région du monde pour y nicher leurs villages, et ainsi profiter un radiateur passif à basse température naturel (qui leur a survécu, d'ailleurs).

1- enterrer la maison

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La première étape sera d'enterrer la maison, soit en profitant d'une paroi ou d'un dénivellé de terrain existant, soit en créant une sorte de tumulus si on se trouve sur un terrain plutôt plat. Il faut bien prendre en compte que le poids de la terre qui recouvrira le "toit" sera considérable, donc, la meilleure solution et la plus écologique consistera à créer les volumes habitables au moyen de voûtes maçonnées. Un dôme unique pour une petite habitation, un rectangle avec une voûte pour quelque chose de plus grand, plusieurs dômes ou rectangles reliés entre eux : tout est possible. La voûte a l'immense avantage de ne pas nécessiter de matériaux ayant une bonne résistance en flexion, ce qui permet de faire des toit en utilisant uniquement des matériaux de type accumulateurs, durs et cassants, comme la pierre. On peut s'affranchir ainsi de l'usage des deux matériaux résistants à la flexion couramment utilisés pour faire des poutres que sont le bois ou l'acier. Se passer de l'acier a un intérêt écologique évident, et permet d'éviter d'avoir à gérer les problèmes induits par son comportement non "bio-compatible" (c'est à dire ses caractéristiques physiques qui comme nous l'avons vu ne sont pas en cohérence avec nos besoins en confort). Se passer du bois n'a pas d'intérêt en soi, mais résoudra quelques difficultés dûes à l'enfouissement de l'ouvrage. En effet le bois est putrécible, et l'utiliser pour porter une grosse masse de terre humide n'est pas un exercice très logique. La voûte est exceptionnellement durable, et si on considère qu'elle a été utilisé depuis toujours par des peuples peu technologisés et peu instruits, on constate qu'elle n'est pas techniquement difficile à réaliser (même si dans notre pays actuellement, bien peu de "maçon" sauront vous en faire une...).

Le fait d'enterrer l'ouvrage ne doit pas faire oublier qu'il faut qu'il soit largement ouvert au soleil au sud ! Nous ne cherchons pas à faire une cave sombre et humide. La forme et la taille des pièces devra donc se faire en considérant leur dimension et leur position par rapport à ces baies, pour que l'éclairage soit correctement distribué. De fait, ce type de maison est forcément de plain pied même s'il peut y avoir des différences de niveau, pour suivre la pente du terrain par exemple.

Comment réaliser l'étanchéité du toit pour un ouvrage ainsi enterré, en n'utilisant que des matériaux écologique (donc ni bitume ni plastique) ? Notre démarche est jusqu'au-bout-iste et se donne cette difficulté supplémentaire de n'utiliser que le minimum de matériaux industriels. Nous prendrons donc exemple sur la nature. L'eau dans le sol se déplace de différentes manières que nous connaissons. Dans un matériau poreux ou consitué de petits éléments en multitude (sable par ex), l'eau ne se déplace plus en "coulant" mais en "collant". Elle se déplace au contact de la matière par capillarité, et peut ainsi aller à l'inverse de la direction habituellement gravitaire de bas en haut. Par contre si l'eau circule dans des poches de vide sous-terraines ou dans des masses de gros éléments multiples (cailloux par ex), alors elle reprend son comportement fluide habituel. Nous utiliserons donc ces connaissances pour réaliser notre "toit". Au lieu de chercher à faire quelque chose d'étanche qui bloque l'eau, nous allons plutôt faire quelque chose qui guide l'eau et utilise son dépacement naturel pour l'ammener là où nous voulons qu'elle soit. Dans la nature, on retrouve ainsi des zones de resurgence de l'eau souterraine, lorsqu'une zone drainante se trouve emprisonnée entre deux couches de terrain plus étanche.
Dans l'illustration ci-contre, de l'eau s'infiltre dans une couche de sol drainante située entre deux couches imperméable, et se réchauffant au contact de la couche inférieure, remonte et resurgi sous forme de source chaude de l'autre côté du massif. Notre objectif n'est pas le même puisque nous n'avons pas l'intention de créer une source, mais seulement de canaliser l'eau infiltrée.

La voûte supérieure des pièces sera donc recouverte avec du remblais pour réaliser la forme du terrain et les pentes qui entraineront l'eau. Sur cette forme, on réalisera une couche de sol étanche au moyen d'argile, sur une épaisseur suffisante pour assurer l'étanchéité. Sur l'argile il faudra reconsituer un sol drainant : gros cailloux en dessous, recouvert par de plus petits, etc, jusqu'au sable. L'ensemble sera ensuite recouvert par la terre végétale qui sera la surface définitive. Selon la configuration du terrain, on pourra ajouter des véritables drains pour diriger l'eau plus directement si nécessaire. On pourra aussi réaliser sur le dessus des voutes avant de les recouvrir des enduits fin à la chaux pour les rendre plus étanche. Les solutions sont multiples.

Cela fait, nous avons l'ossature de notre maison, mais telle quelle, elle ne serait qu'une copie artificielle d'un habitat troglodyte, et ne sera pas plus intéressante thermiquement. Il nous faut placer de l'isolation.

2- positionner l'isolant et garder le sol sec

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La chaleur se déplace du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid. La chaleur ne se soucie pas de la gravité. On peut cependant canaliser la chaleur en utilisant des isolants. Ceux-ci n'empêchent pas les échanges de se faire mais les rendent beaucoup plus lents. Si le milieu isolé comporte un exutoire non isolé, alors toute la chaleur sortira finalement par là. Si le milieu isolé n'a pas d'exutoire la chaleur sortira au travers de l'isolant, de manière uniformément répartie, mais sortira lentement, ce qui permettra d'augmenter artificiellement la température à l'intérieur du milieu isolé, tant qu'une source d'énergie compense la chaleur qui est perdue.

Ainsi, si nous n'isolions pas les murs enterrés, toute l'énergie solaire transformée en chaleur dans notre maison se diffuserai dans le sol et s'échapperai vers l'extérieur tout autour de la maison, aux endroits ou le sol est le moins épais. La masse de sol sous la maison ne jouerai pas vraiment sont rôle de batterie de stockage de chaleur.

Etudions le déplacement de la chaleur dans le sol si nous n'isolions que les nouveaux murs avant d'enterrer l'ensemble. Ainsi isolé, notre habitation ne conserverait sa chaleur que pendant un temps limité; le temps qu'il faudrait à cette dernière pour traverser les portions de sol non isolés. Nous aurions déjà modifié le déplacement de la chaleur pendant le temps d'une année, mais pas suffisament. La température interne oscillerait entre 15 et 20°C, avec un fort déphasage saisonnier. Le maximum serait atteint à la mi-octobre, et le minimum à la mi-mars. Cela n'aurait donc eu comme effet que de décaler notre saison de chauffe, mais pas de diminuer nettement la consommation d'énergie.

Pour ce faire, il faut réussir à forcer la chaleur à se dissiper dans le sol sans qu'elle parvienne à "sortir dehors" jusqu'à ce que la saison soit suffisament avancée vers l'hiver pour que la zone la plus froide du sol ne soit plus le bas mais le haut, et force donc la chaleur à refaire le chemin en sens inverse pour se dissiper à l'interieur de la maison, et augmente ainsi enfin la température interne comme c'est notre objectif. La chaleur se déplaçant d'environ 1m de terre par mois dans ce cas, il faut ceinturer la maison avec un jupe d'environ 3m de large d'isolant pour que la chaleur soit conservée pendant les six mois (3mois de traversée vers l'extérieur puis inversement du processus).

Cet isolant doit être un matériau durable s'il est enterré dans le sol et écologique. Il faut le protéger de la circulation d'eau, qui entraine avec elle la chaleur. Il faudra donc le positionner en dessous de notre couche d'argile su-citée. Les isolants répondant à ces caractéristiques ne sont pas légions. Il est peut-être possible d'utiliser du liège en vrac, mais nous préférons conseiller l'utilisation de matériaux non biodégradables et totalement inerte, donc minéraux. De la perlite, de la vermiculite, de l'argile expansé, de la roche basltique concassée en vrac, du verre cellulaire en vrac seraient de bons choix. Ces matériaux ont tous une énergie grise élevée, c'est vrai, mais l'objectif étant de créer une maison sans consommation de chauffage avec une durée de vie virtuellement illimitée, ce choix se justifie.

Combien d'isolant faut-il mettre ? La résistance thermique nécessaire dépent en fait de la conductivité du sol qui servira d'accumulateur : plus il est conducteur, et moins il faudra d'isolant pour guider la chaleur. Si le sol est assez isolant, alors il faudra augmenter l'épaisseur d'isolant suffisament pour que la chaleur trouve plus de facilité à circuler quand même dans le sol que dans l'isolant. En pratique, on peut considérer comme une bonne moyenne de prendre 15 cm d'un des matériaux isolants en vrac de la liste précité.

3- positionner les vitres

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La jonction la plus difficile à réaliser sera celle des parties enterrées avec la façade comportant les vitres et les parties ouvrantes. La meilleure solution consistera à construire une véritable façade au moyen de monomurs (maçonnés ou construits en bois/paille), pour pouvoir y installer efficacement les parties ouvrantes en réalisant une parfaite étanchéité (eau de pluie et vent). Cependant, la qualité de l'isolation thermique de cette façade est moins importante que dans une maison classique. En effet, dans une maison normale, toutes les façades sont en contact avec le milieu extérieur, donc, la chaleur cherche à passer au travers. Il est donc important de soigner ces façades pour les rendre les plus étanches possibles au calories. Dans notre cas, la lumière transformée en chaleur sur le sol à l'intérieur a deux possibilités pour se dissiper : passer au travers de la façade pour retrouver le milieu extérieur, ou s'enfoncer dans les profondeur du sol, qui ne sont pas isolantes. Le sol est certes moins froid que l'extérieur, mais il a l'avantage de représenter les 7/8 ème de la surface du volume, donc la chaleur aura tendance à se diffuser dans le sol plutôt qu'à traverser la seule façade. Il suffira de réaliser celle-ci avec des techniques raisonnablement isolantes, mais il ne sera pas utile de mettre en oeuvre des techniques très sophistiquées, ni d'isolation ultraperformante, ni d'étanchéité à l'air extraordinaire.

4- renouveller l'air sans gaspiller la chaleur

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Le dernier point important à traiter est celui du renouvellement de l'air. La maison étant presque entièrement dénuée de contact avec l'atmosphère, il est nécessaire de penser au renouvellement de l'air intérieur, tout autant que dans une maison moderne très étanche par exemple. Pour ne pas pénaliser tous nos efforts précédents, il faut que le renouvellement de l'air se fasse sans permettre à la chaleur de se dissiper par ce biais. Nous avons deux méthodes possibles :

• la plus "simple" consisterait à utiliser une VMC double-flux avec un récupérateur de chaleur intégré. Mais c'est un objet technologique compliqué, coûteux, et à la durabilité limitée dans le temps. En plus, il a besoin d'électricité pour fonctionner.
• la plus "complexe" consisterait à utiliser les mouvements convectifs naturels de l'air pour assurer les déplacements, et à utiliser le sol comme échangeur. Cette solution fonctionne donc sans appareillage, sans consommation électrique, et n'a pas durée de vie limité : c'est donc celle que nous priviligiérons dans ce cas.

Comment est-ce possible ?

Nous allons utiliser le principe du puits canadien : si on fait passer l'air qui va renouveller l'air de l'intérieur de notre construction par une conduite enterrée, cet air va échanger ses calories avec le sol.

Ce puit enterré peut fonctionner en utilisant la convection naturelle de l'air qui créé un mouvement si la température du sol est différente de celle de l'air. Pour bien comprendre ce phénomène nous avons illustré avec le schéma ci-contre. Prenons deux situations de départ : nous avons un tuyau qui traverse un matériau plus froid que l'air ambiant. Tant que ce tuyau est bouché il ne ne passe rien car l'air ne peut pas circuler. Si on ouvre la vanne en revanche se créé un phénomène de convection : l'air situé dans le tuyau se refroidi en cédant ses calories au matériau froid. Ainsi refroidi, l'air froid devient plus dense et coule vers le bas. Il aspire ainsi l'air du dessus, plus chaud que le matériau, qui va lui aussi se refroidir dans le tuyau, etc. Petit à petit, le matériau va se réchauffer et finir par parvenir à la température d'équilibre, celle de l'air. A ce moment, la convection s'arrêtera (ceci est une explication purement théorique, car dans la nature la échange ne se font jamais uniquement par convection, bien sûr). Le phénomène peut aussi se produire pour le cas inverse : le matériau est plus chaud que l'air. Dans ce cas une fois la vanne ouverte, l'air dans le tuyau va se rechauffer en absorbant la chaleur de matériau, devenir plus léger, et sortir par le haut en aspirant l'air froid du bas qui va se réchauffer à son tour, etc. La convection peut ainsi créer un mouvement dans un sens ou dans l'autre en fonction de la différence de température entre l'air et le matériau.

Pour bien comprendre le fonctionnement de l'ensemble, et pourquoi il peut fonctionner par simple convection naturelle, il faut bien se remémorer que l'air est un fluide, et qu'ainsi son mode de déplacement est semblable à celui de l'eau.

Ce procédé est d'ailleurs utilisé dans certain chauffe-eau solaire, dit "à thermosiphon", dans lesquels justement la circulation de l'eau dans le capteur se fait sans pompe, grâce aux phénomènes de convection interne qui créent un siphon thermique (ce système n'est pas très répandu en France, non parce qu'il ne marche pas, mais parce qu'il nécessite que le ballon de stokage se trouve largement au dessus des capteurs solaires, ce qui n'est pas pratique sur nos maisons actuelles).

Dans notre maison, nous allons utiliser ce phénomène pour déplacer la chaleur à l'intérieur de notre volume isolé et ainsi ne pas la perdre. En effet la chaleur, ou l'énergie, ne disparaît jamais. Elle se dissipe. Nous allons donc faire en sorte que la dissipation de la chaleur se fasse à l'intérieur même de notre volume chauffé, de sorte que la chaleur n'en sorte pas, ou très peu. Nous allons donc mettre deux tuyaux enterrés qui vont traverser notre jupe isolante. L'un d'eux arrivera au bas du volume habité, en partie sud, et l'autre partira du haut de ce volume, et aura sa sortie de l'autre côté du tertre, en bas, en partie nord. Les calories qui seront soit absorbées soient dispersées par l'air circulant dans les tuyaux se feront dans les deux cas dans le volume de terre qui se trouve sous notre jupe isolante. Enfin, la circulation d'air dans ces deux tuyaux se fait par convection naturelle, grâce au bon positionnement des différentes entrées et sorties.

Regardez sur la vue en coupe, comme toutes les entrées d'air sont en parties basses, la maison se comporte comme un piège à chaleur : dès qu'un peu de soleil entre par les vitres, la volume se réchauffe, l'air chaud monte par la sortie en plafond, il entre au contact de la terre et se refroidi en dissipant ses calories dans le sol. Refroidi, il descend et sort au bout du tuyau en bas à droite. Cette circulation créé un appel d'air qui aspire l'air de l'autre tuyau qui se trouve devant la maison. L'air extérieur est plus froid que la terre (journée, hiver) : dans ce cas le premier tuyau fonctionne lui aussi en créant un appel d'air, car l'air froid extérieur se réchauffe dans le tuyau et remonte vers la maison. La chaleur du sol va donc progressivement être dissipée vers la maison, et le sol va se refroidir. Le sol à gauche perd ses calories, le sol à droite les stocke.

Dès que les apports solaires cessent, la convection se ralenti et puis s'arrête elle aussi. Comme il n'y a plus de tirage, c'est alors les différences de températures entre les deux tuyaux qui vont initier une circulation inverse : le tuyau de gauche en hiver s'est refroidi pendant toute la journée, alors que celui de droite s'est réchauffé. La nuit, l'air du premier va donc couler vers l'extérieur, et aspirer l'air du second. Cet air va du même coup dissiper la chaleur stockée la journée et le phénomène sera donc inverse à celui de la journée. C'est le second tuyau qui fera l'entrée d'air, et donc qui va se refroidir pendant la nuit, alors que le premier va se réchauffer. Le sol de gauche stocke les calories, et celui de droite les rend. Le matin, le système sera près à s'inverser de nouveau dès que les apports solaires vont réchauffer le volume au travers des vitres.

Ce système est auto-amorçant en hiver, dès lors qu'il y a une différence de température entre le volume de la maison et la terre autour. Une fois amorcé, il créé la différence de température entre les deux tuyaux qui va inverser le processus naturellement pendant la nuit. Il reste toujours possible de lancer artificiellement le processus en forçant le déplacement de l'air avec des ventilateurs si nécessaire.

Mais comme ce système est conçu comme un piège à chaleur, il est possible qu'il se bloque si la période estivale est trop longue et trop chaude. Cela se produit également lors de la première saison de mise en chauffe lorsque le batiment est neuf. La chaleur s'accumule sans fin, et le cycle de souffles auto-amorçant des tuyaux ne se déclenche pas faute de différence de température entre eux. Il est alors nécessaire d'ouvrir une "vanne" en partie haute, directement sur l'extérieur, tout en condamnant le second tuyau. Ainsi, le tirage thermique va aspirer l'air par le premier tuyau qui fera office de puit provençal. Il va raffraichir l'air tout en se réchauffant. Une fois l'été terminé, on pourra fermer la vanne haute et ré-ouvrir le second tuyau, et la chaleur accumulée pendant l'été par le premier nous servira à amorcer le phénomène d'inspiration/expiration décrit plus haut.

Un autre détail qui fera que notre système de puits enterrés fonctionnera ou pas sera la bonne réalisation des écarts nécessaire entre entrées et sorties pour que les thermosiphons puissent s'amorçer tous seuls. Si l'ensemble est correctement dimensionné, alors il se comporte comme une sorte de VMC double-flux, mais qui non seulement aurait un échangeur d'un rendement de 100% mais qui ne consommerai pas d'électricité, ne ferait pas de bruit, et ne pourrait pas tomber en panne ! Nous avons par contre le même impératif d'étanchéité à l'air de la maison : ouvrez les fenêtres, et tout le système de convection naturelle par les puits enterrés est court-circuité et devient inopérant.

Ceci amène une petite remarque : une telle maison NE DOIT PAS être construite telle quelle dans un autre climat que celui pour lequel elle est prévue (tempéré semi-continental). Si on la construit dans un climat plus chaud, la maison est condamnée à surchauffer puisqu'elle est conçu pour piéger la chaleur. Même en utilisant la vanne haute et la cheminée thermique pour raffraichir, cela n'a qu'une durée limité. La fraicheur de la terre est sous l'isolant, donc, l'air chaud qui est raffraichi va réchauffer la terre sous l'isolant, et de ce fait finir par réchauffer l'ensemble de la canalisation, et parvenir dans la maison, toujours chaud... Une telle maison n'est pas adaptée à un climat chaud (il faudrait gérer très différement la position des tuyaux enterrés, au minimum). De même, cette maison ne fonctionne pas dans un climat trop froid : dans un climat arctique par exemple, la maison piège les calories, certes, mais ce ne sera pas suffisant pour qu'il fasse "chaud".

Le concept de ce type de maison a été inventé par un américain dans les années 1980 (John N. Hait). Il a baptisé le concept "Passive Annual Heat Storage" (PAHS). Ci-dessous un exemple de maison construite aux USA selon ces principes par "Earth sheltered technology, inc."

C'est fini !

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Nous voici arrivés au terme de ce voyage vers l'habitation bioclimatique parfaitement passive. Comme vous vous en doutez, une telle habitation ne ressemble plus vraiment à l'idée qu'on se fait habituellement d'une maison, et c'est pourquoi il est difficile d'arriver à la construire en France aujourd'hui car :

• Les règlements d'urbanisme l'interdisent
• Les entreprises n'ont pas les compétences pour construire ce genre de batiments
• Les banques ne financent pas
• Les assurances n'assurent pas, car les constructions sont hors-normes et hors DTU
• Et surtout, le citoyens ne veulent pas vraiment non plus se construire une maison qui ne ressemble pas à une maison...

Pour ceux qui voudraient quand même, rappelez-vous que les normes en matière de construction sont encore très loin de prendre en compte les quelques évidences physiques et physiologiques énoncées dans ce dossier. Nous aboutissons en fin de compte au constat que la loi française en matière de construction est presque exactement parfaitement conçue pour empêcher la réalisation de maisons idéales pour le confort des humains (et à priori des français). Mais fort heureusement pour nous, les lois et les normes sont des avatars politiques, et ils sont sujets à des changements plus ou moins fréquents, voire à des retournements complets (comme celui de l'amiante par ex, qui étaient encore obligatoire il n'y a que quelques décennies...). Nous ne pouvons donc qu'espérer que bientôt, le système légal et normatif français évoluera pour sortir de l'impasse technoscientifique du XXème siècle, la seule période de toute l'Histoire pendant la quelle l'être humain a réussi à se construire en guise d'habitation des passoires énergétiques et toxiques, pour entrer enfin dans le XXIème siècle et la maturité.

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