Introduction

En France, le secteur résidentiel représente une consommation annuelle de 472 TWh, soit environ 30% de la consommation nationale d’énergie^1–3. Au sein du secteur résidentiel, le chauffage est la source principale d’énergie : 66% de la consommation annuelle. A cela s’ajoute la production d’eau chaude : 11 % supplémentaires. C’est donc plus des ¾ de la consommation énergétique qui est dédiée à la production thermique dans les logements !⁴ Ainsi, ces dernières années, le secteur résidentiel-tertiaire représente 20% des émissions de CO₂ du pays, c’est le second secteur le plus émetteur⁵.

Les maisons bioclimatiques sont conçues pour optimiser l’efficacité énergétique et le confort thermique en exploitant les conditions climatiques naturelles. Sous les latitudes européennes, les principes fondamentaux de l’architecture bioclimatique incluent une orientation stratégique, le choix des matériaux adéquats et l’intégration de techniques de chauffage solaire passif ou encore géothermiques. Ces maisons sont souvent orientées pour maximiser l’exposition au soleil pour améliorer le chauffage naturel pendant les mois les plus froids et minimiser son exposition pendant les mois les plus chauds. L’utilisation de grandes fenêtres et de matériaux à forte inertie thermique permet de capter et de stocker l’énergie solaire, réduisant ainsi la dépendance aux systèmes de chauffage classiques^6–9.

Isolation et Matériaux

L’isolation est très importante car elle aide à maintenir des températures intérieures confortables en minimisant les pertes de chaleur en hiver et les gains de chaleur en été. Les matériaux d’isolation utilisés incluent des fibres naturelles comme le chanvre et la cellulose car ils sont à la fois respectueux de l’environnement et efficaces^10,11.

Mais pourquoi ces matériaux peuvent-ils contenir la chaleur ? Prenons l’exemple d’un thermos contenant du café chaud dans une pièce froide : le café va refroidir au fur et à mesure du temps. Logique. On traduit se refroidissement par un flux de chaleur, le café va transmettre sa chaleur à l’extérieur du thermos dans la pièce, à travers les parois du thermos. Ce flux de chaleur c’est Phi (φ), qui s’exprime en Watt, c’est-à-dire en Joules par seconde. C’est une quantité de chaleur par seconde. On peut facilement comprendre que notre thermos laissé dans la maison se refroidira moins rapidement que s’il est laissé dehors par une température très froide. Idem quand il fait très froid dehors, on doit chauffer plus fort notre logement pour maintenir notre intérieur à température. La différence de température extérieur/intérieur est donc importante dans ce flux. On traduit cet écart de température par ΔT, où « Δ delta» exprime la différence entre les températures intérieure et extérieure (ΔT = Ti – Te).

le flux thermique se dirige du chaud vers le froid

  Les molécules chaudes sont en mouvement, elles transmettent cette énergie aux molécules froides moins mobiles à travers la paroi du contenant. En conséquence, le café refroidit au fur et à mesure du temps tandis ce que l’air se réchauffe. Rien ne se perd, rien ne se créé… tout se transfert !

On choisit de conserver son café dans un thermos car ce dernier maintient le café chaud plus longtemps. Ceci est dû au matériau utilisé pour fabriquer le thermos. Un matériau isolant résiste au transfert thermique : plus cette résistance est grande, plus le flux de chaleur est limité, plus la perte d’énergie est lente. Le flux φ = ΔT/R.

En résumé : plus la résistance thermique R est grande, plus le flux de chaleur est limité, plus le contenu est isolé.

La résistance thermique dépend de la surface de contact, de la nature du matériau utilisé et de son épaisseur.

La résistance au transfert thermique dépend de deux choses : déjà la surface. Pourquoi ? Car la chaleur ce n’est rien d’autre que des molécules agitées. Les molécules chaudes du café vont taper la surface du thermos. Ceci va agiter les molécules de la paroi du thermos qui va à son tour agiter les molécules de l’air extérieur, transférant ainsi la chaleur vers l’extérieur. C’est une sorte de réaction de proche en proche. Plus la surface de contact est grande, plus l’échange est important. Autre exemple : dans une grande maison il y a de grands murs, donc plus de surface de contact. Ainsi une grande maison devra être davantage chauffée qu’une petite maison…

Ensuite il y a la capacité d’un matériau à isoler, qui est définie par lambda λ. Mettez votre main sur du béton ou sur un tapis en laine, c’est ça le lambda. Plus il est grand, plus le matériau a une grande capacité à conduire la chaleur. A l’inverse, plus il est petit, plus le matériau est isolant.

Autrefois, la paille était un matériel très disponible et mélangé à de la terre pour former un mélange très isolant : le torchi. En effet, le lambda la de paille est très faible 0,07 W/(m.K), tout comme celui de de la ouate de cellulose ou du chanvre  : 0,04 W/(m.K). Le chanvre est plus isolant que). A l’inverse, le granit (2,8 W/(m.K)) ou le béton (2 W/(m.K)) ne sont pas des isolants, ils conduisent presque 70 fois plus la chaleur que la ouate de cellulose. Quel est donc le secret ? L’air. Pour résumer, plus un matériau emprisonne de l’air, plus il est isolant. Et c’est logique. Le flux de chaleur se fait par contact de molécules agitées sur une surface comme nous l’avons vu précédemment. Si cette surface contient peu de molécules, alors les molécules agitées n’auront pas grand monde à qui transmettre cette agitation ! Si vous laissez vos œufs durs refroidir au frigo ou dans de l’eau froide, le refroidissement sera beaucoup plus rapide dans l’eau froide. En effet, l’air est un gaz, donc les molécules sont très éloignées les unes des autres, plus éloignées que dans n’importe quel matériau solide. C’est pour cela que les thermos ont une double paroi avec de l’air (voire du vide) au milieu : le café chaud va taper sur la paroi interne, mais cette dernière, qui va donc se réchauffer, n’aura (presque) personne à qui donner sa chaleur. C’est le même principe pour le double vitrage des fenêtres. Dans le cas des maisons au torchis, l’air emprisonné dans la paille a ce même rôle d’isolant.

 
Au final le flux de chaleur : φ = ΔT/e/ λ S.

Maison alsacienne construite avec du torchis isolant (paille+glaise)

Dans le cas des poêles alsaciens, kachelofe (prononcer karelofa), le bois qui brûle chauffe leur revêtement bardé de Fayence. Cette céramique emmagasine de la chaleur et la restitue une fois que le feu ne brûle plus. Les maisons bioclimatiques peuvent intégrer des éléments à forte inertie thermique, comme le béton ou la pierre, qui absorbent la chaleur pendant la journée et la restituent lorsque les températures baissent la nuit. Cette stratégie de chauffage et de refroidissement passif peut réduire considérablement la consommation d’énergie^12–14

L’intégration de matériaux à changement de phase (MCP) dans les murs de la maison  peut encore améliorer la performance thermique en absorbant de manière encore plus efficace l’excès de chaleur pendant la journée et en le restituant la nuit, stabilisant ainsi les températures intérieures¹⁵. Cela fonctionne grâce à des matériaux encapsulés dans une matrice : ce sont des micros bulles de matériaux qui passent de l’état solide à l’état liquide en captant de l’énergie, et qui à l’inverse en libèrent quand elles passent de l’état liquide à l’état solide. En effet, les solides sont composés de particules qui sont ordonnées et peu agitées. Pour passer à l’état liquide, où les particules sont agitées et désordonnées, ces dernières doivent gagner de l’énergie. Beaucoup d’énergie. A l’inverse, en passant de l’état liquide à l’état solide, le matériau perd de l’énergie.

Lors d’un changement d’état il faut fournir de l’énergie dans un sens et en restituer en sens inverse. Dans le cas d’une élélévation de température, cette énergie est 100 fois moins grande !

On comprend donc qu’en changeant d’état (solide/liquide/gaz), un matériau peu emmagasiner ou relâcher énormément d’énergie. Les MCP¹⁶ utilisés dans les bâtiments sont souvent des paraffines dérivées du pétrole dont on cherche à sélectionner les molécules adéquates en jouant sur leur taille et leur proportion. En effet, si la température de fusion est dépassée, cette énergie absorbée permet de faire « fondre » le matériel (solide → liquide). Quand la température baiser en-dessous de la température de cristallisation, le produit se solidifie en libérant à nouveau de la chaleur. Le nerf de la guerre consiste à trouver des mélanges qui peuvent passer d’un état à un autre dans des températures qui nous intéressent : environ 20°C ¹⁷. Une entreprise spécialisée a développé des mélanges spécifiques, le RT 21 de Rubitherm® change de phase entre 18 et 23°C pour un échange d’énergie de 155 kJ/kg. Avec un kilogramme de ce matériau, on peut augmenter de 5°C environ 25m³ d’air. Du béton seul, qui serait refroidit de 25 à 20 °C, n’augmenterait que de 0,2 °C ce volume d’air.

Le choix de ces matériaux est très difficile : il faut qu’ils puissent garder leurs propriétés à long terme puisqu’ils sont incorporés dans la structure de la maison et donc quasiment impossible à remplacer s’ils perdent en efficacité. Outre les paraffines, des composés organiques divers et des sels peuvent être utilisés. Dans le cas des sels, c’est leur dissolution et leur cristallisation qui impliquent un gain ou une perte de chaleur. Les cas le plus connu sont les chaufferettes à main qui fonctionnent grâce à la cristallisation d’un sel (l’éthanoate de sodium). Lorsqu’elles sont à nouveau chauffées, le sel se dissout et on peut recommencer. Dans le cas des PCM, les sels sont contenus dans des capsules au sein du matériau qui les enrobe¹⁸. Là encore la nature du matériel matrice est important.

Les matériaux à changement de phase, une solution pour emmagasiner puis restituer une grande quantité d’énergie

L’énergie Solaire pour une conception adaptée

En moyenne, le Soleil apporte 340 W d’énergie par m² de sol¹⁹. Pour utiliser efficacement cette énergie comme source pour les habitations, diverses technologies peuvent être employées, comme les panneaux photovoltaïques pour convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique, ou encore des collecteurs solaires thermiques pour convertir l’énergie su soleil en eau chaude sanitaire. Il faudrait l’équivalent d’environ 130 millions de km² de panneaux solaires pour couvrir les besoins mondiaux en électricité (on ne parle pas de l’énergie, mais bien de l’électricité). Ce qui est l’équivalent de la surface du Royaume Unis^20,21.

 
Le Soleil, source d’énergie inépuisable

L’efficacité des maisons bioclimatiques peut être considérablement améliorée par des stratégies de conception adaptées aux conditions climatiques locales. Par exemple, dans les climats chauds, des dispositifs comme des auvents et des pare-soleil peuvent prévenir un excès de chaleur solaire. Dans certaines régions d’Iran les maisons sont équipées de tours à vent pour forcer la circulation d’air¹.

Dans les climats froids, des fenêtres orientées au sud peuvent maximiser la capture de la lumière solaire¹⁵. L’énergie solaire disponible varie en fonction de la localisation géographique et des changements saisonniers. Dans le cas de milieux tempérés comme en Alsace par exemple, on verra comment cette orientation peut être optimisée pour capter plus de Soleil en hiver et moins en été (oui, il fait chaud en Alsace en été).

Pour cela il faut comprendre la trajectoire du soleil. La position du soleil dans le ciel change tout au long de la journée et des saisons, influençant la quantité d’énergie solaire qu’un bâtiment peut capter. Dans la vision la plus commune, et comme me le fera remarquer M Wasser, le concepteur de l’héliodome, nous prenons comme référentiel le Soleil dans le système Solaire. Il est bien plus facile de décrire le mouvement des planètes comme étant une ellipse autour du Soleil, ce dernier étant le référentiel. Mais si on prend comme référentiel la Terre, le Soleil donne l’impression de nous tourner tout autour, et surtout, son inclinaison dans le ciel varie suivant les saisons. Cette trajectoire se répète chaque année.

Des outils comme les diagrammes de trajectoire solaire aident les architectes et les constructeurs à déterminer l’orientation optimale des bâtiments pour maximiser les gains solaires²². Les angles d’incidence de la lumière solaire varient en fonction de la latitude (position par rapport à l’équateur) et de la période de l’année. Ceci nécessite donc une planification minutieuse pour garantir une utilisation efficace de l’énergie solaire tout au long de l’année car sa disponibilité fluctue fortement avec les saisons ²³).

Mais alors, pourquoi les angles d’incidence de la lumière sont-ils importants ? Car c’est la cause des saisons sur Terre. L’axe de rotation de la Terre est de 23,5° par rapport à l’écliptique (plan sur lequel tourne la Terre au tour du Soleil). En d’autre termes, la Terre de tourne pas sur elle-même de manière perpendiculaire à son axe de rotation autour du Soleil, mais « penchée ». Ainsi, suivant le moment de l’année, le Nord de la Terre « penchera » vers le Soleil (été) ou à l’opposé (hiver), c’est l’inverse pour le Sud. Voilà pourquoi au même moment on est en été dans l’hémisphère nord et en hiver dans l’hémisphère sud, et vice versa 6 mois plus tard. Ce n’est pas la distance par rapport au Soleil qui est en cause mais bien l’inclinaison du sol par rapport au Soleil à ce moment-là. Les rayons du Soleil touchent une surface plus petite s’ils arrivent à angle droit que s’ils arrivent avec un angle incliné : ils sont plus concentrés et chauffent davantage ce qu’ils rencontrent. A l’inverse, avec un angle incliné, les rayons seront dilués à la surface.

Reproduction d’un diagramme de trajectoire solaire

En fait, les Romains déjà jouaient sur cet effet : ils ont constaté que les vignes poussaient bien mieux sur des coteaux. De la même manière en Alsace nous avons les vignobles sur les flancs des Vosges, ou les raisins à Champagne sur la Montagne de Reims. L’angle de la montagne compense l’angle d’arrivée des rayons du Soleil, ce qui va en quelque sorte les concentrer. Voir expérience.

Dans le cas des maisons bioclimatiques, capter le Soleil pendant les mois froids en journée permet de se chauffer et de capturer cette chaleur pour la nuit. A l’inverse, cette stratégie doit se combiner avec celle d’éviter cette capture pendant les mois chauds. L’héliodome est une bonne illustration d’un tel modèle.

L’Héliodome ® : une innovation Bioclimatique

L’Héliodome est une maison bioclimatique située dans le village de Cosswiller, en Alsace. Conçue par Éric Wasser, ébéniste et designer, cette habitation se distingue par sa forme de toupie géante composée de verre, de bois et de béton. L’Héliodome a été récompensé par le prix Lépine en 2003.

L’Héliodome est conçu pour optimiser la capture ou l’évitement de l’exposition à l’énergie Solaire suivant la trajectoire de l’astre tout au long de l’année, maximisant ainsi l’apport solaire en hiver et minimisant la surchauffe en été. Pour cela, la maison est orientée plein sud et dispose d’une verrière convexe de 160 m² inclinée vers le sol. L’orientation et l’inclinaison de la verrière permettent de capter un maximum de lumière solaire en hiver : le Soleil peut ainsi tout au long de la journée passer à travers la verrière et chauffer la dalle de béton. En été, le soleil, plus haut dans le ciel, éclaire principalement le toit et non plus verrerie : la maison reste entièrement à l’ombre. Au rez-de-chaussée, le béton permet une inertie thermique aussi bien en été pour garder le frais qu’en hiver pour restituer le chaud. La masse de béton sert d’accumulateur d’énergie. En effet, la grande quantité de molécules qui le composent offre une grande réserve de matière à mettre en mouvement par agitation thermique, et donc de capter beaucoup de chaleur. Afin d’isoler la partie Nord de la maison, la laine de bois et le liège sont utilisés.

Principe de fonctionnement

Ainsi, le soleil couvre environ 80% des besoins thermiques de la maison et un poêle à bois peut être utilisé en appoint. La maison a aussi été conçue pour avoir des panneaux solaire thermiques à la jonction verrière/toit. Cette eau chaude est utilisée comme eau chaude sanitaire, mais aussi comme chauffage au sol en circulant dans la dalle de béton. Durant l’hiver 2024/2025 cependant, le manque de Soleil a été problématique et la maison n’a pas pu être chauffée de manière passive autant qu’à l’accoutumée (communication personnelle avec M Wasser).

Heliodome

 

Phosphoré par : Gontier Adrien, Jaeger Catherine