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Ça (sur)chauffe dans les écoles

20-05-20

Veille

Analyse de l’impact du changement climatique et de l’effet d’ilot de chaleur sur le confort d’été d’un bâtiment scolaire

Ces dix dernières années ont vu l’émergence de projets d’écoles passives à Bruxelles. Si d’un point de vue des consommations, les objectifs sont proches des ambitions, au niveau du confort d’été ce n’est pas toujours le cas ; certains projets performants énergétiquement présentent plus de surchauffe que ce qui avait été prédit lors des études. Comment expliquer cette discordance entre les prédictions calculées et les résultats vécus ? Forts de notre expérience en bâtiments scolaires, crèches et bureaux passifs à Bruxelles, chez MK Engineering, nous avons mis en évidence plusieurs facteurs :

  • L’usage réel du bâtiment. Bien souvent, la programmation renseignée en début d’étude n’est plus actuelle lors de la prise de possession du bâtiment. Par exemple, un local informatique a changé de place, la demi-classe occupée quelques heures par semaine pour le cours de néerlandais est occupée à 100%, …
  • Les conditions climatiques utilisées dans la simulation ne correspondent plus aux réalités mesurées ces dernières années ;
  • L’effet d’ilot de chaleur (température plus élevée en milieu urbain qu’en milieu rural) n’est habituellement pas modélisé lors des études, or il est bien présent.

Nous nous penchons ici sur ces deux derniers points.

Changement climatique
La vérification du confort se fait par simulation statique (logiciel PEB, PHPP) et/ou simulation dynamique (étude heure par heure des conditions du bâtiment modélisé en détails).

Le fichier météorologique utilisé dans les logiciels PEB et PHPP a été publié en 1979[1], il y a 40 ans, et celui de la simulation dynamique est une année typique appelée « IWEC » [2] , qui est dérivée des observations de 1982 à 1999, soit, il y a ± 30 ans. Le climat a-t-il évolué depuis lors ?

Dans le graphique ci-dessous (Figure 1), on observe que la température moyenne annuelle à Uccle a augmenté d’environ 1°C depuis ces observations. Ce graphique reprend également des projections pour les années futures suivant des scénarios plus ou moins pessimistes.


Figure 1 : Evolution de la température annuelle moyenne en Belgique (source : IRM[3])

Le graphique ci-dessous (Figure 2) reprend les résultats d’une étude que nous avons réalisée pour une école présentant des températures excessives au printemps, alors qu’elle avait été modélisée selon les normes en vigueur pour évaluer le risque de surchauffe. Nous comparons les résultats de la simulation de base, réalisée avec le fichier météo IWEC (1982-1999) et des fichiers météo hypothétiques prenant en compte le réchauffement climatique en 2020, 2050 et 2080[4] selon un scénario pessimiste qui se rapproche du scénario RCP8.5 de la figure 1.


Figure 2 : nombre d’heures de surchauffe dans le bâtiment scolaire simulé en prenant en compte le réchauffement climatique (MK Engineering)

On voit que l’objectif pour la certification passive était atteint avec le fichier météo de base (IWEC), à savoir moins de 5% des heures d’occupation des locaux au-dessus de 25°C, alors que dans des conditions plus défavorables prenant en compte le réchauffement climatique, ce critère est dépassé ; il aura doublé en 2050 et quadruplé en 2080.


Figure 3 : température intérieure début septembre pour le fichier IWEC et sa projection en 2020, 2050 et 2080, pour une école donnée, classe orientée sud (MK Engineering)

Le graphique de la figure 3 montre l’évolution des températures intérieures pour la météo IWEC et son extrapolation en 2020, 2050 et 2080. On voit que la température peut monter et devenir inconfortable, même en mi-saison, et qu’il sera plus difficile de se passer de refroidissement actif à l’avenir.

Effet ilot de chaleur
Un autre paramètre important est l’effet d’ilot de chaleur (urban heat island). En effet, dans les villes, une différence de 2°C à 3°C[5] par rapport à une zone rurale peut être mesurée (figure 4). Cette différence est plus grande la nuit, ayant un fort impact sur le night-cooling, qui peut donc s’avérer beaucoup moins efficace que prévu en zone urbaine.


Figure 4 : Cartographie par le Vito de l’effet d’ilôt de chaleur à Bruxelles[6]

En prenant en compte cet effet d’ilot de chaleur dans la simulation dynamique[7], on voit que dans ce cas-ci, où le night-cooling est un élément prépondérant dans la stratégie de refroidissement de l’école, le critère de confort est dépassé (Figure 5), et ce même avec le fichier climatique IWEC de base.


Figure 5 : nombre d’heures de surchauffe dans le bâtiment scolaire simulé en prenant en compte l’effet d’ilot de chaleur (MK Engineering)

Ce qu’on en retient…
La surchauffe dans les bâtiments performants est un défi pour la conception des bâtiments actuels. L’évolution de la programmation doit être anticipée par les auteurs de projets en concertation avec le maître d’ouvrage.

Au niveau de la conception climatique, il est nécessaire de vérifier le confort sur base d’une année extrême et il sera pertinent de simuler les bâtiments avec des modèles climatiques futurs pour s’assurer que dans 20 ans le confort pourra toujours être atteint.

Les solutions passives doivent être privilégiées (protections solaires, inertie thermique avec night-cooling) mais analysées au regard de ces paramètres climatiques, ainsi que de l’effet d’ilot de chaleur. Il sera vraisemblablement nécessaire de repenser les concepts architecturaux des bâtiments dans l’optique de diminuer ces surchauffes, et en dernier lieu, de recourir à des systèmes actifs. Cette étude ne porte que sur le confort d’été, il est évident que ces externalités ont également un impact sur le système de ventilation et les épaisseurs d’isolant à choisir pour la période de chauffe.

Si cet article vous a plu et que vous voulez en savoir davantage, nous vous invitons sur notre site internet où est publiée une étude plus complète ! www.mkengineering.be

Auteurs: Mirjana Velickovic et Corentin Voglaire

Légende et copyright photo principale: ©TRAIT architects Les protections solaires sont les premiers remparts aux surchauffes dans les bâtiments. Ce projet illustre différents systèmes architecturaux pour se protéger du soleil : auvents, volets coulissants, éléments fixes, ouvrants pliants et végétation

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[1] Dogniaux, R. et Lemoine, M. Recherches « Performances du bâtiment », biennale 1977-1979. Recherche Confort thermique et visuel. Thème I. Périodes météorologiques. Bruxelles, IC-IB, 1980.

[2] ASHRAE. International weather for energy calculations (IWEC Weather Files) user’s manual and CD-ROM. ASHRAE Atlanta; 2001.

[3] https://www.meteo.be/fr/climat/le-climat-a-lhorizon-2100

[4] M.F. Jentsch, A.S. Bahaj, P.A.B. James, CCWorldWeatherGen, Climate change world weather fi le g&enerator, Version 1.8, University of Southampton, 2013.

[5] https://environnement.brussels/thematiques/air-climat/plan-forte-chaleur-et-pics-dozone/cartographie-des-ilots-de-fraicheur

[6] http://www.urban-climate.eu/services/eu_cities/

[7] Kershawa, T, Sandersonb, M, Coleya, D, Eamesa, M. « Estimation of the urban heat island for UK climate change projections », Building Serv. Eng. Res. Technol. 31,3 (2010) pp. 251–263

 

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