Lutter contre les effets de la canicule et préserver le confort des usagers d'un bâtiment

Lutter contre les effets de la canicule et préserver le confort des usagers d'un bâtiment

Dès 2011 un rapport du GIEC1 appelait « qu'il est hautement probable que les vagues de chaleur surviennent plus fréquemment et sur une durée plus longue ».

Depuis plusieurs décennies les canicules se répètent : 1976, 1983, 2003, 2006, 2015, 2018. Celles de 2019 et 2020 se sont avérées plus exceptionnelles encore, par leur précocité et leur intensité, comme prévu par les différents scenarios d'émission des gaz à effet de serre (GES) et de leurs impacts : d'ici la fin du 21e siècle, en France, le nombre de jours durant lesquels la température est supérieure à 25 °C pourrait passer de 50 actuellement à 100 jours.

Ces phénomènes caniculaires résultent globalement, et à grande échelle, d'une incapacité à dissiper durant la nuit et sur plusieurs jours consécutifs, l'énergie thermique issue du rayonnement solaire diurne, du fait de l'effet de serre. Ce dernier résulte du développement cumulé de l'activité anthropique au sens large, amplifié, depuis la fin du 19e siècle, par l'activité industrielle basée sur les énergies fossiles, génératrices de GES.

Caractérisées par de fortes températures diurnes et nocturnes sur plusieurs jours, souvent couplées à une absence de vent, les canicules ont des conséquences majeures sur la santé, le confort, les usages des bâtiments et de la ville. Elles sont amplifiées par le type même des bâtiments (architecture, taille, matériaux), par leur environnement (urbanisation – artificialisation, densité, réseaux de transports, etc.) et par les activités quotidiennes (pollutions, mobilité, climatisation, etc.). Dans les villes, ceci conduit localement, et de plus en plus fréquemment, à une augmentation supplémentaire de la température et de la durée de l'événement, phénomène maintenant plus connu sous le nom d'« îlot de chaleur ».

Au-delà des approches globales à l'échelle urbaine, une question se pose alors : pour les bâtiments, notamment existants, qui constituent nos principaux lieux de vie, est-il possible de mettre en œuvre des moyens efficaces afin de nous protéger de ces épisodes extrêmes, en évitant le recours massif à la climatisation, certes adaptée à la régulation de la température intérieure, mais consommatrice d'énergie et émettrice de gaz à effet de serre, contribuant au développement d'îlots de chaleur urbains ?

Différentes solutions permettent d'atténuer les effets des périodes caniculaires, de leur ressenti, et peuvent être mises en place dès la phase de conception, mais aussi tout au long du cycle de vie du bâtiment, ainsi que dans l'adaptation des comportements quant aux usages du bâtiment.

Réduire les apports solaires pour les différents types de parois

Le facteur solaire d'une paroi est l'un des principaux paramètres à prendre en compte dans l'appréciation de sa capacité à limiter les effets thermiques du rayonnement solaire. Il caractérise la part d'énergie due au rayonnement solaire transmise à travers la paroi, rapportée à l'énergie reçue par celle-ci, et varie donc entre 0 et 1. En période estivale, l'énergie reçue par le bâtiment vient principalement du rayonnement solaire et dans une moindre mesure, des échanges convectifs avec l'air chaud extérieur. Les apports du rayonnement solaire représentent en effet entre trois et dix fois plus d'énergie que celle due aux températures extérieures élevées. C'est pourquoi, il est important d'une part de réduire autant que possible les apports solaires directs et indirects vers le bâtiment, et d'autre part d'en limiter le passage vers l'espace intérieur, par une isolation adaptée.

Les parois vitrées au cœur de la problématique

Une première solution pour limiter ces apports solaires est d'ordre architectural : la disposition et la surface des parois vitrées, sources de lumière naturelle contribuant au confort du bâtiment, doivent être pensées judicieusement.

Ainsi, la mise en place de masques – balcons, casquettes, brise-soleil, stores extérieurs – sur certaines parois, y compris les sols avoisinants, permet de limiter les apports solaires directs et indirects en été, tout en profitant accessoirement de ceux-ci durant l'hiver. Cela est particulièrement vrai pour les parois orientées au sud et à l'ouest.

En été, du fait de la concomitance d'un rayonnement solaire très important et d'une température d'air extérieur encore élevée en fin de journée, les apports solaires côté ouest doivent être réduits dans la mesure du possible. Le choix de vitrages isolants à faible facteur solaire, avec en complément le recours aux volets extérieurs, permet de réduire significativement la part de l'énergie directement transmise vers l'intérieur du bâtiment. Comparativement, les seuls volets intérieurs s'avèrent beaucoup moins efficaces. Quoi qu'il en soit, les usagers doivent penser à baisser leurs stores en journée, si l'habitation en est équipée.

En l'absence de protections solaires extérieures, différentes innovations plus ou moins récentes sont disponibles : vitrages à contrôle solaire permettant de réduire le facteur solaire sans altérer fortement la transmission lumineuse, vitrages thermochromiques – établissant une barrière au rayonnement infrarouge – ou électro-chrome, sombres en été, clairs en hiver pour bénéficier du rayonnement solaire afin de contribuer au chauffage du bâtiment – dont les facteurs solaires varient respectivement avec la température ou via un dispositif de commande.

L'isolation des parois opaques de l'enveloppe

Outre une conception permettant la gestion des apports solaires (ouvrants, écrans), le fait d'isoler thermiquement les parois opaques – non isolées au moment de la conception, notamment pour des bâtiments anciens – permet aussi de réduire leur facteur solaire. Le gain pour des niveaux d'isolation courants par rapport à une paroi brute est alors d'un facteur 10.

Pour les parois opaques classiques, le facteur solaire est inversement proportionnel à la résistance thermique de la paroi et donc, à celle de l'isolant thermique installé. Un bon niveau d'isolation de l'enveloppe participe donc efficacement à la réduction du flux de chaleur traversant la paroi.

Comparativement, 50 m² de mur isolé laissent passer autant d'énergie que 2 m² de vitrage ordinaire sans protection solaire. C'est en particulier vrai pour des bâtiments déjà fortement isolés afin de limiter des déperditions hivernales : ce type de bâtiment peut se transformer en « thermos » si les apports solaires par les parois vitrées ne sont pas drastiquement limités. Une des priorités est donc de limiter ceux-ci, que ce soit indirectement par les masques, volets, etc., et/ou directement par la mise en place de vitrages isolants à faible facteur solaire. À l'inverse, pour un bâtiment de logement sans isolation thermique des parois opaques, le seul traitement des parois vitrées n'a qu'un effet relatif.

Même si un faible facteur solaire réduit la quantité d'énergie et donc de chaleur transférée vers l'intérieur du bâtiment, plus celle-ci est transférée rapidement, plus elle contribue à l'augmentation de la température intérieure en l'absence de dispositif de refroidissement. Il est donc important que l'effet de celle-ci soit adapté afin d'éviter les phénomènes de surchauffe, notamment en reportant les effets du front de chaleur du milieu de journée en fin de journée.

Ce phénomène quotidien d'accumulation, de stockage de chaleur suivi d'un déphasage dans son transfert de l'extérieur vers l'intérieur du bâtiment, permet de qualifier l'inertie thermique.

Utiliser, optimiser l'inertie thermique quotidienne

Il convient dès lors, pour une épaisseur conventionnelle de mur d'enveloppe, d'adapter l'accumulation d'énergie thermique par l'utilisation de matériaux à forte capacité thermique massique (capacité à stocker), avec une conductivité thermique (capacité à transférer) permettant d'atteindre un déphasage de six à huit heures du transfert de chaleur. De cette façon, on évite de ressentir l'effet des températures les plus élevées de la mi-journée.

Au-delà de l'enveloppe directement soumise au flux de chaleur, on peut mobiliser les phénomènes d'inertie thermique par absorption qui utilise la capacité thermique des matériaux utilisés pour les murs et cloisons intérieurs, à condition que ceux-ci ne soient pas écrantés par des revêtements isolants. C'est d'ailleurs pour cela que les sols en carrelage sont plus couramment utilisés en régions chaudes.

Cela peut être renforcé dans le cas de solutions de chauffage géothermique réversibles, par des planchers rafraîchissants qui impactent positivement l'inertie thermique et permettent de réduire de 5 à 8 °C la température intérieure.

De même, la mise en œuvre, dans les deux cas intérieur et/ou extérieur, de matériaux à changement de phase, pour lesquels le changement d'état solide à liquide par exemple mobilise beaucoup plus d'énergie que celle nécessaire à l'élévation de température d'une seule phase solide, conduit à une réduction du pic de température intérieure de 3 à 5 °C.

Malgré tout, on voit donc que le bâtiment n'est pas en capacité d'effacer uniquement par des systèmes passifs les effets de la canicule et de températures élevées associées. La ventilation des locaux est donc nécessaire, notamment naturelle, quand la température extérieure est la plus basse (périodes nocturnes et matinales) afin de pouvoir évacuer les calories, et ainsi retarder la montée en température des espaces intérieurs aux heures les plus chaudes.

Rafraîchir les espaces intérieurs

Ventilation et aération nocturne

Une forte inertie thermique n'a donc de sens que s'il est possible d'aménager une ventilation conséquente. Du fait des températures élevées en journée et durant la nuit, la possibilité de refroidir par ventilation mécanique l'intérieur du bâtiment reste limitée et les débits de ventilation mécanique standard, dimensionnés pour l'hygiène, sont par exemple loin d'être suffisants : une ventilation naturelle traversante peut à contrario s'avérer très efficace quand elle est possible.

C'est pourquoi il est souvent préférable de favoriser une aération (ou une sur-ventilation pour le tertiaire) quand la température extérieure est inférieure à la température intérieure, très tôt le matin, en ouvrant au maximum le logement, avant le lever du soleil et aux premières heures du jour, quand les températures sont les plus basses. Malheureusement, on observe que l'ouverture nocturne des fenêtres n'est pas toujours possible, avec notamment pour le résidentiel des questions de sécurité, de nuisances sonores et de problématiques connexes au réchauffement climatique, comme par exemple la prolifération des moustiques.

Autre solution à ne pas négliger, l'utilisation de brasseurs d'air ou de ventilateurs dans les régions au climat plutôt sec, comme en France, qui peut améliorer de façon significative le confort diurne et nocturne. En effet, même pour des températures élevées, la mise en mouvement de l'air ambiant à des vitesses de 0,5 à 1M/s, procure une amélioration du confort avec un impact sur la température ressentie de quelques degrés, du fait de l'évapotranspiration.

Des solutions complémentaires efficaces à l'échelle du bâtiment et de la ville

Très en vogue, la mise en œuvre de la végétalisation des murs et/ou des toitures permet une réduction significative du facteur solaire de la paroi, par la dissipation de l'énergie solaire reçue durant l'évaporation de l'eau contenue dans le substrat végétal, qui doit alors être irrigué.

Par ailleurs, la couleur et la texture du revêtement extérieur ont une importance primordiale : les teintes sombres absorbant jusqu'à 95 % du rayonnement solaire, tandis que des teintes plus claires n'en absorbent que 30 à 40 %. Cette disposition est mise en œuvre dans la plupart des villes au climat chaud et sec et permet de réduire l'énergie absorbée par les parois.

S'il est aujourd'hui admis que nos métropoles sont significativement plus inconfortables en période caniculaire que le reste du territoire, ce phénomène d'îlot de chaleur urbain (ICU) peut, lui aussi, être combattu par différentes stratégies : réflexion solaire plus forte de certains revêtements, végétalisation massive, réflexion à mener sur la morphologie urbaine avec l'optimisation des trames vertes et des trames bleues, la mise en place de zones de fraîcheur publiques, l'humidification des surfaces, la brumisation de l'air et bien évidemment la limitation de l'usage de climatiseurs.

Le développement de la climatisation est-il inexorable ?

Comme on vient de le voir, un ensemble de solutions à la fois passives mais aussi actives, permet d'assurer un confort relatif en période caniculaire. Cela suppose d'une part des adaptations significatives des logements existants – écrans/isolation/inertie/ventilation –, mais surtout une évolution des comportements, nécessitant alors l'intervention de l'usager.

En effet, ce dernier doit dans une certaine mesure « piloter » le bâtiment par une mobilisation de stratégies visant à réduire autant que possible la température intérieure, auxquelles se superposent les recommandations sanitaires (hydratation notamment, activité réduite, etc.). La civilisation de consommation conduit cependant à une réponse instantanée mais individualiste : la climatisation.

Or, comme pour un réfrigérateur, la production de froid s'accompagne d'une production de chaleur, ici rejetée dans l'espace public et source des fameux îlots de chaleur. Et à d'autres échelles, elle génère une consommation d'énergie électrique importante.

Sur la base de l'analyse des comportements, que ce soit en France ou à l'étranger, il est évident que cette réponse instantanée est irréversible. En effet, à l'instar de l'approche américaine, on tendrait vers un espace de confort continu entre logement, transports, travail et vie quotidienne, avec une demande énergétique qui exploserait. Cumulée à celle des nouvelles mobilités et au lent développement des énergies renouvelables, ce serait l'un des scénarios les plus défavorables du GIEC qui, hélas, se réaliserait, conduisant à un réchauffement global d'environ +4 °C en 2100.

C'est donc plus un problème de société, d'information et d'éducation – notamment des relations coût/bénéfice à l'échelle de la planète – qu'un problème technique. La prise de conscience des effets du changement climatique, notamment par les canicules, devrait permettre de considérer que des solutions en dehors de la climatisation existent. Et que, somme toute, la perception de confort est toute relative et non absolue.


  1. Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat

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