Adaptation thermique par intégration de vérandas aux logements sociaux. Cas de Constantine (Algérie)
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04-06 Novembre, 2010, Sousse ,Tunisie
Vème Congrès International sur les Energies Renouvelables et l’Environnement
Adaptation thermique par intégration de vérandas aux logements
sociaux.
Cas de Constantine (Algérie)
M. Badeche¹ Dr Y.Bouchahm²
M. Badeche Université Larbi Ben Mhidi. Oum El Bouaghi, Algérie.
Laboratoire de l’architecture bioclimatique et de l’environnement(A.B.E).
Université Mantouri. Constantine 25000, Algérie.
email Badeche_mn@yahoo.fr
Dr Y.Bouchahm Laboratoire de l’architecture bioclimatique et de
l’environnement(A.B.E). Université Mantouri. Constantine 25000, Algérie.
Email: ybouchahm2@caramail.com
Résumé
La consommation d'énergie pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments
augmente dans la plupart des pays du monde, d’une moyenne annuelle de 15% de
la consommation globale d’énergie [C. Filippına. 2008]. L’enveloppe du bâtiment est
l’élément le plus crucial à prendre en considération, lors d’une conception
architecturale bioclimatique, visant la réduction de la consommation énergétique.
Une approche globale et intelligente des problèmes énergétiques dans le bâtiment,
devrait prendre en considération les logements déjà construits ; sans une grande
réflexion bioclimatique ou environnementale. La réhabilitation des logements
sociaux, modifie l’image du bâtiment, corrige les défauts d’une mauvaise orientation,
et de matériaux défectueux, réduit les ponts thermiques, la consommation
énergétique, et les déchets de construction, en faveur du confort thermique, et d’une
préservation de l’environnement [J-P Traisnel. 2001].
L’intégration des vérandas aux logements existants est l’une des solutions
techniques, écologiques et environnementales utilisées dans ce domaine.
Notre étude consiste à valider le rôle de la véranda sur le confort thermique, et de
définir un modèle pour son rendement optimal, dans la région de Constantine, située
à l’est d’Algérie et caractérisée par des conditions climatiques extrêmes.
Mots clés
Vérandas, Adaptation thermique, stockage thermique, effet de serre, logements
sociaux.
1. Introduction
La consommation d'énergie pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments
augmente dans la plupart des pays du monde, d’une moyenne annuelle de 15% de
la consommation globale d'énergie. Cependant, ce taux diffère d’une région à l’autre
[C. Filippına. 2008] et dépend fortement du climat. En Algérie, le secteur résidentiel
et tertiaire, présentent à eux seuls 45.7% de la consommation globale [Ch.E. Chitour.
1994].
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Une mauvaise conception thermique relative à ce secteur, induit un
surdimensionnement des équipements de chauffage et de climatisation, et par suite
une surconsommation d'énergie et des conséquences économiques et
environnementales indésirables. L’architecture climatique concrétise cette volonté
d’accorder une juste place au climat parmi les dimensions fondamentales de
l’architecture [M.Sellem. 2009]. La véranda qui est une application de l’architecture
bioclimatique est devenue répandue dans beaucoup de pays du monde.
C’est un élément de la façade dont, l'efficacité de préchauffage est un paramètre
représentatif de son rendement pendant l'hiver et la mi saison, quand la température
externe est inférieure à la température d’intérieure [V.Serra. 2010]. Son
comportement hygrothermique affecte le rendement global d'un bâtiment.
D’un autre coté, la fenestration est une source de charge thermique étant donné
qu’elle permet au soleil rayonnant de pénétrer à l'espace [K. Hassouneh. 2010]. En
effet, les gains solaires sont un facteur important dans le calcul des charges de
refroidissement pour les bâtiments [K. Chatziangelidis. 2009].
2. Méthodologie de travail :
Pour des raisons sociales, climatiques, et afin d’agrandir la surface habitable, les
habitants de logements sociaux à Constantine et dans d’autres villes d’Algérie,
recourent à la fermeture de balcons et loggias par du vitrage. Le diagnostic de l’effet
de la fermeture des loggias par du vitrage sur la température de l’air dans l’espace
adjacent est la première étape de ce travail. En effet, une compagne de mesure est
conduite dans des cellules à loggias transformées par les habitants eux-mêmes en
vérandas, et d’autres tout à fait identiques à l’exception de la configuration initiale
qu’elles ont gardée (ouverture de la loggia sur l’extérieur). Ces dernières ont servi de
cellules de contrôle. L’étude comparative entre les deux types a permit d’évaluer le
rendement thermique de la véranda.
Ayant identifié, les paramètres réduisant le rendement thermique de la véranda. La
seconde étape consiste en la modélisation du comportement thermique et radiatif de
cette partie de l’enveloppe qui représente un enjeu important [J. NOËL. 2005]. Par
l’outil Derob- LTH, une simulation du comportement thermique de la loggia vitrée est
conduite dans l’optique de définir la meilleure configuration de cet espace dans la
région étudiée.
La troisième étape vise l’amélioration de son rendement à travers la variation des
paramètres suivants :
- La surface ouvrante du vitrage.
- la ventilation transversale.
- La profondeur de l’auvent d’occultation fixe.
- l’occultation intérieure.
Dans cet article, seule la seconde et la troisième étape sont discutées.
3. Choix et descriptif de l’outil de simulation
Le choix de l’outil de simulation Derob-LTH, découle de ses possibilités de simuler le
transfert thermique par l’enveloppe du bâtiment, le gain solaire de la chaleur de
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rayonnement, la ventilation normale, et la température, qui sont des paramètres
prédictifs de confort.
Il permet de décrire finement un bâtiment, et d’évaluer le niveau de confort, les
charges de chauffage et de refroidissement, et d’analyser l’influence de nombreux
paramètres (tels, les vitrages, les protections solaires, l’inertie, l’orientation d’un
bâtiment, etc.)
4. Modèle d’étude
La modélisation du comportement thermique de la loggia vitrée repose sur un
modèle réel qui fut l’objet d’une campagne de mesure. Il s’agit d’une cellule d’un
bâtiment collectif, construit en 1994 selon un procédé de préfabrication de panneaux.
Dotée d’une loggia de 3,9 m² de surface au sol, et d’un volume de 13.60 m³. La
loggia est orientée au sud. 53% de la portion de sa paroi extérieure est transparente.
Son vitrage est simple clair, monté sur une structure métallique. La masse de
stockage thermique est située dans le mur de liaison loggia - séjour, de 20 cm
d’épaisseur. 88% est le rapport de la masse thermique à la surface du plancher de
l’espace adjacent. (Figure 1)
Le choix d’une loggia, à une seule paroi donnant sur l’extérieur, est fixé en raison de
son caractère maximisant les surfaces de stockage et d’échanges avec les espaces
intérieurs, et minimisant les déperditions thermiques vers l’extérieur. Ce dessin a
l’avantage de réduire les gains solaires source d’inconfort, en saison chaude.
Figure 1. Vues sur le modèle de logement étudié, dessinées par le logiciel Derob-
LTH.
En effet, La loggia s’avère la configuration de balcon la plus appropriée pour une
région à caractéristiques climatiques extrêmes, [mazria 1981, R. Chareille 2001, T.
Kesik 2002, C. Boonstra 1996] telle que Constantine. La position géographique
de Constantine ; ville située à l’Est d’Algérie, à 36°, 17 de latitude et 7°, 23 de
longitude, lui confère un potentiel solaire prometteur pour le développement du
solaire passif et thermique (1900 KWh/m2/an.) [M.E.M. 2001, A.S.A. 2008].
Cependant, caractérisée par des conditions climatiques extrêmes, l’intégration de
vérandas dans ses bâtiments, est un enjeu majeur en vue de surchauffes fréquentes
dans son volume, en période chaude. (Figure 2)
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températures (°c)
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Jan Fev Mar Avr Mai Juin Juil aout Sep Oct Nov Dec
mois
Tm max Tm min Tm annuelle
Figure2 : Courbes de température moyenne mensuelle –Période 1995-2005. (O.N.M,
2007)
La simulation est réalisée sous un ciel clair à passage nuageux, pour le jour du 06
février 2007, qui est un jour froid représentatif des conditions climatiques hivernales
de la région de Constantine. La journée du 05 juillet 2007 est choisie également pour
représenter les conditions climatiques estivales, sous un ciel clair.
5. résultats et discussion
5.1. Détermination de la meilleure configuration de la loggia vitrée :
Deux paramètres principaux permettent de déterminer la configuration de la loggia
vitrée, le rapport de la portion transparente à la surface totale de la paroi extérieure
de la loggia vitrée, et le rapport de la surface de stockage thermique, à la surface du
plancher de l’espace adjacent. La masse thermique étant placée dans le mur de fond
de la loggia. Les calculs sont basés sur deux valeurs :
Un rapport de 50% de la portion transparente, qui est considéré comme cas réel
dans ce travail et 80% qui est le rapport maximal admis par le logiciel Derob- LTH.
Afin de trouver le rapport optimal de la surface de stockage thermique, à la surface
du plancher de l’espace adjacent, le rapport du cas réel de 87% est retenu, avec les
rapports suivants : 75%, 70%, 60%, 50% et 40%.
Les deux rapports de la portion transparente du vitrage destiné au captage solaire
(50% et 80%), ont été fixés, et combinés aux différents rapports de la surface de la
masse thermique à la surface du plancher de l’espace adjacent, selon les cas
suivants, afin de décider du cas optimal vis-à-vis du confort thermique (Table 1).
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Rapport de la
portion Rapport de la surface de la masse thermique à la surface du
transparente à
plancher de l’espace adjacent.
la paroi
extérieure.
87% 75% 70% 60% 50% 40%
Cas Cas Cas Cas Cas Cas
50/87 50/75 50/70 50/60 50/50 50/40
50%
87% 75% 70% 60% 50% 40%
Cas Cas Cas Cas Cas Cas
80%
80/87 80/75 80/70 80/60 80/50 80/40
Table 1. Différents cas d’étude.
Une comparaison entre les températures calculées dans l’espace adjacent à la
loggia vitrée, pour les deux cas, 50% et 80%, a permit de déterminer le meilleur, qui
est le 80/40. En effet, une loggia vitrée de 80% de surface vitrée, et dont la masse
thermique située dans le mur de liaison constitue 40% de la surface du plancher de
l’espace adjacent, a un rendement meilleur du point de vue confort thermique
hivernal (table 2, figure 3).
Classement des cas étudiés selon leur
performance, pour une portion vitrée de 50%.
hiver 50/40 50/50 50/60 50/70 50/75 50/87
été 50/87 50/40 50/60 50/70 50/50 50/75
Classement des cas étudiés selon leur
performance, pour une portion vitrée de 80%
hiver 80/40 80/50 80/70 80/60 80/75 80/87
été 80/40 80/50 80/70 80/87 80/60 80/75
Table 2. Détermination du cas de la loggia vitrée favorisant un rendement thermique
optimal pour une portion transparente de 50%, et de 80%.
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Températures (°C)
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températures (°C)
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1
3
5
7
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23
50/60 80/40 Temps (h) 50/60 80/40 Temps (h)
Figure3 . Température de l’air dans le séjour, pour les deux cas. À gauche pour un
jour type chaud, à droite pour un jour type froid.
5.2. Amélioration du rendement thermique de la loggia vitrée modèle 80/40
L’amélioration du rendement thermique, du modèle retenu de la loggia vitrée, est le
résultat de variation de paramètres suivants :
La surface ouvrante du vitrage, la profondeur de l’occultation fixe (auvent), la masse
de stockage thermique, une ventilation transversale, et l’occultation intérieure de la
paroi vitrée.
5.2.1. Surface ouvrante du vitrage
Le modèle retenu pour la simulation, est doté d’un ouvrant qui constitue 15% de la
portion transparente. Une augmentation de cette surface est entreprise afin de
favoriser la ventilation et la dissipation de la chaleur en saison chaude. Les résultats
ont montré qu’un ouvrant constituant 60% de la paroi vitrée permet de réduire la
température de l’air dans le séjour (Figure 4).
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Températures (°C)
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23
15% 30% 45% 60%
Temps (h)
Figure4. Effet de l’augmentation de la surface ouvrante du vitrage sur la température
de l’air de l’espace adjacent.
La ventilation nocturne constante a permit de réduire la température de l’air, en
période chaude. La simulation de T. kesik [T.Kesik 2002] indique également des
réductions de la charge du rafraîchissement, pour la serre avec fenêtres laissées
ouvertes toute la saison de rafraîchissement. La ventilation nocturne ne peut à elle
seule résoudre le problème de surchauffe, elle est combinée à une ventilation
transversale.
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5.2.2 Ventilation transversale
Une ventilation transversale est prévue afin de participer à un refroidissement de la
structure. La ventilation transversale a pu montrer son efficacité en participant à la
réduction de la température du séjour de 5.62°C (Figure5).
Ce résultat rejoint ceux obtenus par C.Boonstra et R.Vollebregt [C.Boonstra 1996]
qui affirment que l'économie réelle des balcons vitrés dépend de plusieurs
paramètres. La ventilation fait partie des plus importants.
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Températures (°C)
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Temps (h)
ventilation constante ventilation transversale
Figure5. Effet de la ventilation transversale conjuguée à une ventilation nocturne sur
la température de l’air de l’espace adjacent.
Concernant les autres paramètres, étudiés dans ce travail, les résultats ont montré
que :
- la meilleure profondeur est celle représentant 15% de la hauteur de la paroi.
- L’occultation en bois a montré son efficacité, pour le jour type froid. Quant au jour
type chaud, l’occultation par rideau (toile) s’avère la plus adéquate.
- en hiver, l’isolation réduit la température de l’air du séjour. Elle est cependant,
déconseillée pour le confort estival.
3. évaluation de la performance de la loggia vitrée
Une augmentation moyenne de la température de l’espace adjacent à la loggia vitrée
de 4.11 °C est obtenue en période froide, et une réduction moyenne de la
température de l’espace adjacent de 5.4°C est obtenue en période chaude.
Le gain de chaleur de 4,11°C est acquis en maintenant la fenêtre de liaison
constamment fermée, il est bien évident, que cet apport serait meilleur par ouverture
de la fenêtre pendant les heures ensoleillées afin de favoriser le passage des gains
solaires directs à l’intérieur. (Figure6, 7)
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Températures (°C)
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Cas de loggia sans vitrage
cas de loggia vitrée avant amelioration
cas vitré amelioré Temps (h)
Figure6. Effet de la présence de la loggia vitrée sur la température de l’espace
contigu en période.
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Températures (°C)
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Cas de loggia sans vitrage
cas de loggia vitrée avant amelioration Temps (h)
cas vitré amelioré
Figure7. Effet de la présence de la loggia vitrée sur la température de l’espace
contigu en période froide.
La loggia vitrée, étant bien conçue, a favorisé l’augmentation de la température de
l’air de l’espace adjacent de 9,4°C en moyenne, par rapport à la température de l’air
extérieur, pour le jour type hivernal. Quant à l’écart moyen entre la température du
séjour lié à la loggia vitrée et celle de l’air extérieur, il est de 4,11 °C seulement pour
le jour type chaud.
Conclusion
De cette étude ressort la valeur de l’espace loggia vitrée dans le rapprochement de
l’espace contigu des situations de confort, pour l’année entière, dans la région de
Constantine. En effet, bien conçu, cet espace est un capteur qui tire profit des gains
solaires en période froide, et participe au préchauffage de l’air avant son accès au
logement en absence de rayons solaires. En période chaude, la loggia vitrée protège
l’espace contigu des rayons solaires chauds, source d’inconfort estival.
Références
Bio_2 804-06 Novembre, 2010, Sousse ,Tunisie
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