Le flux infrarouge n'est pas le seul qui chauffe nos espaces intérieurs, le flux lumineux participe également.

Cette participation est en fait à peu près répartie également entre les 2 flux. L'énergie véhiculée par le rayonnement visible (lumière) représente environ 50% du flux énergétique global, environ 50% est véhiculé par l'infra rouge et environ 1 % par l'ultra-violet ; Ces trois types de flux, qui nous envoient le ciel et le soleil sont appelés ensemble : flux énergétique. Ces pourcentages peuvent varier légèrement suivant les sources bibliographiques.

L'espace de l'univers est vide d'air et propage les rayonnements lumineux et infrarouge provenant de toutes sortes d'étoiles et des corps qui les rayonnent. Un rayon lumineux n'est pas visible en lui-même et un rayon infrarouge n'est pas chaud en lui-même. Ces rayonnement ont la capacité d'éclairer une matière, de la rendre visible, et la capacité de chauffer une matière, de la rendre chaude. Mais ils expriment ces capacités uniquement quant ils "entrent en contact" avec la matière. Sinon, ils véhiculent avec patience ces capacités dans le temps et dans l'espace vide de notre univers, et donnent "la chaleur" et "la lumière" aux mondes matériels qui se présentent sur leur "chemin".

Le rayonnement lumineux possède la capacité d'éclairer et de chauffer un "objet matériel" et l'infrarouge a uniquement la capacité de chauffer.

Les flux lumineux et infrarouge incidents, ceux qui touchent la matière opaque, se décompose en une fraction absorbée et une fraction réfléchie. La fraction absorbée est responsable de l'élévation de la température.

Les rayonnements infrarouge et visible, qui se propagent et varient ensemble d'un instant à l'autre, arrivant dans un environnement urbain, subissent les modifications dues au tissu construit (réflexion et absorption). Puis, ils se présentent devant les enveloppes bâties.

Les flux infrarouge et visible pénètrent ensemble à l'intérieur par l'ouverture vitrée. Il est important de gérer ces deux flux dans le bâtiment, car les exigences des ambiances thermique et lumineuse pourraient être contradictoires entre elles dans les différentes saisons, différentes orientations, etc.

Dans CLEA, nous nous intéressons au flux lumineux. Mais il faut prendre les retombées du flux global sur l'ambiance thermique en considération (gains, risque et déperditions,) pour éviter que, dans l'idée initiale architecturale mais aussi dans l'évolution du projet, l'architecte n'améliore l'ambiance lumineuse et n'aggrave la thermique ou vice-versa. Il est intéressant de renvoyer au concepteur des informations concernant les risques et les potentiels dus aux vitrages et compléments aux vitrages concernant lumière et thermique ensemble.

Les éléments en commun pour l'éclairage et la thermique sont la surface vitrée et les compléments aux surfaces vitrées. Dans cette page, nous présentons le rôle des compléments au vitrage.

Au moyen des compléments aux vitrages, nous cherchons à récupérer l'effet de serre durant la période de chauffe, à éviter les inconforts thermique ou lumineux, à éviter les surchauffes en période d'été, à ne pas allumer la lumière artificielle en journée, à ne pas provoquer de grandes déperditions au travers des surfaces vitrées et ne pas avoir d'éblouissement ou de trop grands contrastes de luminance.

Se préoccuper des compléments aux vitrages est toujours nécessaire, car en termes de surchauffe due à l’effet de serre, c’est surtout le flux lumineux qui produit cet effet. Ainsi, pour cette raison, même si on dispose de vitrages sélectifs qui séparent le flux infrarouge (le font réfléchir de la surface extérieure du vitrage et donc ne le laissent pas pénétrer à l'intérieur, et laissent pénétrer seulement le flux lumineux), le risque de surchauffe est toujours présent, même s'il est diminué, car le flux lumineux chauffe également.

Dans nos latitudes, 4 cas sont à étudier au minimum :

1. Ciel clair période hivernale
2. Ciel clair période estivale
3. Ciel couvert période hivernale et estivale
4. Période nocturne hivernale et estivale

Cas 1 : Ciel clair période hivernale

La tendance est :

• d'utiliser le rayonnement pour le chauffage solaire passif grâce à l'effet de serre dû au flux lumineux.
• de faire attention à ce que les utilisateurs ne soient pas éblouis par ce même rayonnement (s'il n'y a pas d'espaces "tampons" non chauffés, par exemple "espace-jardin d'hiver…" etc...)
• de faire attention aux déperditions nocturnes (notamment pour les orientations qui produisent l'effet de serre, car beaucoup de vitrage)
• de diminuer les déperditions sur les orientations qui ne produisent pas d’effet de serre (cela ne signifie pas qu’il ne faut pas avoir de vitrage, mais le placer et choisir avec attention …)
• de montrer l'intention pour les ambiances lumineuse, thermique, dans ce climat (par exemple calme et feutrée ou très claire et animée… plusieurs zones d'ambiances différentes / zone chauffée, zone non chauffée etc.)

Donc pour les compléments aux vitrages :

• Il faut poser des compléments aux vitrages (pour les salles de classe, bibliothèques, gymnases, bureaux etc. mais aussi l'habitat…) pour éviter l'éblouissement (car le soleil est plutôt bas et le rayonnement risque d'être dans le champ de vision).
• Pour permettre l'effet de serre (apport solaire), il faut poser le complément aux vitrages à l'intérieur et étudier ce complément pour qu'il ne protège pas uniquement l'espace intérieur du rayonnement du soleil de manière inappropriée, mais pour qu'il distribue le flux direct du soleil vers l'intérieur en le redirigeant vers le plafond, vers les parois latérales, ou pour qu'il diffuse au maximum le rayonnement direct tout en le laissant entrer à l'intérieur. Il faut éviter de le réfléchir simplement à l’extérieur et ainsi de perdre de l’énergie (pour les apports) disponible gratuitement. Le complément devrait donc être intérieur pour éviter qu'une partie du rayonnement ne soit dissipée à l'extérieur.
• Respecter l'intention architecturale pour les ambiances lumineuse, thermique, dans le climat du projet.

Cas 2 : Ciel clair période estivale

La tendance est :

• d'éviter la surchauffe et l’éblouissement mais de conserver suffisamment de lumière pour le confort visuel.

Donc pour les compléments aux vitrages :

• Pour éviter l’effet de serre, il faut poser le complément aux vitrages à l’extérieur.
• Faire attention que les compléments eux-mêmes ne produisent pas de grands contrastes face au soleil et ne provoque pas d’inconfort lumineux.
• Faire attention que les compléments eux-mêmes ne chauffent pas trop face au soleil et ne contribuent pas à l'inconfort thermique.
• Respecter l'intention architecturale pour les ambiances lumineuse, thermique, dans le climat du projet.

Cas 3 : Ciel couvert été/hiver

La tendance est :

• de ne pas manquer de lumière en ciel couvert, c'est-à-dire de garder un FLJ correct.

Donc pour les compléments aux vitrages :

• les compléments aux vitrages, utilisés pour rediriger/protéger du rayonnement direct du soleil, ne doivent pas créer un manque de lumière en ciel couvert (en toutes saisons). Pour cela, le complément au vitrage mobile est préférable, c'est-à-dire qu'il peut être replié, enlevé, enroulé, etc. en ciel couvert. Penser par exemple à des mobilités mécaniques, optiques, voire végétales (mobilité saisonnière), etc.
• Pour le ciel couvert très lumineux (principalement l'été avec des nuages très blancs), un complément au vitrage intérieur par exemple de type voile léger est très utile pour diminuer les trop grandes luminances et éliminer l'inconfort.

Cas 4 : Ciel nocturne été/hiver

En été, le complément au vitrage ne doit pas empêcher la bonne ventilation nocturne.
En hiver, l'idéal serait de penser dans la conception des compléments au vitrage que ceux-ci peuvent jouer un rôle dans "l'isolation" de la paroi vitrée.

En conclusion, il est favorable pour les ouvertures qui peuvent potentiellement recevoir le flux lumineux direct du soleil de disposer de 2 compléments au vitrage (extérieure et intérieur) et ce, pour des raisons non pas de confort lumineux, mais pour des raisons énergétiques.

par Le Sommer Environnement

• L’approche analytique se focalise sur l’aspect physique et physiologique du confort thermique.
• L’approche adaptative traite le confort thermique à travers les réactions comportementales et adaptatives des personnes.

• Paramètre du corps humain :
  • Le métabolisme : c’est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7 °C. Lorsqu'une personne est en mouvement, un métabolisme de travail correspondant à son activité particulière s'ajoute au métabolisme de base du corps au repos. Le met est une unité utilisée pour le métabolisme : 1met = 3,5 ml d’O²/kg.min;
  • L'habillement : il représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l'environnement. Le clo est l’unité utilisé pour caractériser l’isolement vestimentaire : 1Clo = 0,155°C.m²/W;
• Paramètres physiques de l’ambiance
  • La température ambiante de l'air (Ta) c’est la température sèche de l’air;
  • La température des parois (Tp) est la moyenne des températures intérieures des parois pondérée à leurs surfaces ; De façon simplifiée, on définit une température de confort ressentie (appelée aussi température résultante sèche (Trs) ou température opérative) qui tient compte de la température sèche de l’air et des surfaces intérieures des parois : Trs = (Ta+Tp)/2 (cette formule est valable pour une vitesse d’air inférieure à 0,2m/s); C’est la température ressentie qui est utilisé par les différentes normes (HQE, BREEAM, LEAD…) qui est utilisé pour évaluer les heures de surchauffe d’un local.
  • L'humidité relative de l'air (HR) : c'est le rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d'eau contenue dans l'air à la température Ta et la quantité maximale d'eau pouvant être contenue à la même température lorsque l'air est saturé ;
  • La vitesse de l'air : Ce paramètre influence les échanges de chaleur par convection. En pratique, dans un bâtiment, les vitesses de l'air ne devraient pas dépasser les 0,2 m/s. En effet, l'individu commence à ressentir le mouvement de l'air à cette vitesse, et les concepteurs de systèmes de ventilation mécanique essayent donc de ne pas la dépasser.
  Sur la base de cette théorie et d’expériences menées en chambres climatiques, Fanger a établi un critère de confort, nommé PMV (Predicted Mean Vote). Le PMV donne l’avis moyen d’un groupe important de personnes (plus de 1000), qui exprimeraient un vote de sensation thermique, en se référant à l’échelle subjective comportant 7 points de « chaud » à « froid » :

Pour définir le confort des personnes, il faut également considérer d’autre paramètre, que les 6 paramètres de Fanger, qui peuvent influencer le confort, comme des variables physiologiques, psychologiques et sociologiques. Les travaux de Persons ont par exemple démontré que l’acclimatation peut altérer les sensations thermiques, ainsi que les comportements, l’accoutumance et les attentes des occupants d’un bâtiment dans leurs cadres de vie.

Le confort thermique doit prendre en compte ses différents aspects physiques, physiologiques et psychologiques, pour prendre en compte les interrelations entre les conditions thermiques de l’environnement, les réponses physiologiques et les phénomènes psychologiques (sensation, comportement Parsons 2003).

Par conséquence, les enquêtes et les études in situ (en situation réelle) sur le confort thermique ont révélé un écart entre les réponses subjectives évaluées et celles prévues par les modèles analytiques (PMV) surtout dans des bâtiments non climatisés (ventilation naturelle). Les études in situ montre l’interaction dynamique entre les occupants et leurs environnements. Ainsi, de nombreuses études in situ se multiplient et cette approche pour définir le confort est appelée l’approche adaptative.

Pour prendre en-compte ces écarts dans son modèle Franger propose en plus de l’indicateur PMV l’indicateur PPD (Predicted Percentage Dissatisfied).

L’approche adaptative indue des ajustements comportementaux dans l’acceptabilité des ambiances et le maintien du confort thermique. Ils peuvent être classés en quatre catégories selon leurs effets :

• Modulation du métabolisme : modifier le niveau d’activité, prendre une boisson chaude ou froide, repos…
• Modulation des échanges de chaleur entre le corps et l’ambiance : modifier l’habillement, modification de la posture…
• Modulation des conditions de l’ambiance thermique : ouvrir ou fermer la fenêtre, activer un store, ajuster le thermostat, activer la ventilation mécanique, la climatisation, un chauffage…
• Modification de l’environnement thermique : rénovation thermique du bâti, installer un ventilateur, un climatiseur….