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CONCEPTION DE BÂTIMENTS SOLAIRES : MÉTHODES ET OUTILS DES ARCHITECTES DANS LES

CONCEPTION DE BÂTIMENTS SOLAIRES : MÉTHODES ET OUTILS DES ARCHITECTES DANS LES PHASES INITIALES DE CONCEPTION Mémoire Émilie Bouffard Maîtrise en sciences de l’architecture Maître en sciences de l’architecture (M.Sc.Arch) Québec, Canada © Émilie Bouffard, 2013 iii Résumé L’énergie solaire disponible sur la terre constitue une ressource naturelle abondante et renouvelable. Toutefois, l’utilisation de cette énergie demeure, à ce jour, relativement peu répandue dans la pratique courante de l’architecture. Afin de contrer cette tendance, l’Agence Internationale de l’énergie (AIE) a mis sur pied la Tâche 41 "Énergie solaire et Architecture", dont le but principal est d’encourager et d’accélérer le développement d’une architecture solaire de haute qualité à l’échelle internationale. Réalisée dans le cadre de la Tâche 41 de l’AIE, cette recherche a pour objectif d’analyser des projets d’architecture choisis pour leur utilisation de l’énergie solaire, afin d’élargir les horizons des créateurs du domaine de la construction et, de manière plus générale, des citoyens concernés par leur environnement bâti. En marge de cet objectif, la recherche vise à présenter des méthodes et des outils d’exploitation du solaire pour les phases initiales du processus de conception de projets par les architectes. v TABLE DES MATIÈRES RÉSUMÉ ........................................................................................................................................................ III ABSTRACT................................................................................................................................................... VII AVANT-PROPOS ........................................................................................................................................... IX REMERCIEMENTS ...................................................................................................................................... XI LISTE DE TABLEAUX .............................................................................................................................. XIII LISTE DES FIGURES ................................................................................................................................. XV 1. INTRODUCTION ........................................................................................................................................ 1 1.1 DÉVELOPPEMENT DURABLE EN ARCHITECTURE : LES ÉNERGIES RENOUVELABLES ................................... 1 1.1.1 Le rayonnement solaire jusqu’au bâtiment ...................................................................................... 5 1.1.2 L’intégration de l’énergie solaire à l’architecture ........................................................................... 9 1.1.3 Les obstacles à l’intégration .......................................................................................................... 12 1.2 OBJECTIFS DE RECHERCHE ...................................................................................................................... 15 1.3 MÉTHODES ET OUTILS ............................................................................................................................. 16 1.3.1 Constats .......................................................................................................................................... 19 2. ARCHITECTURE SOLAIRE ................................................................................................................... 23 2.1 ÉCLAIRAGE NATUREL .............................................................................................................................. 23 2.2 PRODUCTION DE CHALEUR UTILE ............................................................................................................ 26 2.2.1 Le solaire thermique passif ............................................................................................................ 26 2.2.2 Le solaire thermique actif ............................................................................................................... 29 2.2.2.1 Production de chauffage de l’eau ........................................................................................... 31 2.2.2.2 Production de chauffage de l’air ............................................................................................. 36 2.3 PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ .................................................................................................................. 40 2.4 SYSTÈMES HYBRIDES .............................................................................................................................. 45 2.5 CONSTATS DE L’INTÉGRATION DES SYSTÈMES SOLAIRES À L’ARCHITECTURE ......................................... 48 3. PROCESSUS DE CONCEPTION DES ARCHITECTES ...................................................................... 55 3.1 PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES CARACTÉRISTIQUES ........................................................ 55 3.2 PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES ACTIONS ......................................................................... 58 3.3 PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES PHASES ........................................................................... 60 3.3.1 Processus de conception traditionnel ............................................................................................. 60 3.3.2 Processus de conception intégré .................................................................................................... 62 3.4 PROCESSUS DE CONCEPTION ABORDÉ À PARTIR DES MÉTHODES DE CONCEPTION EMPIRIQUES ................ 68 3.5 CONSTATS DE L’INTÉGRATION DE LA VARIABLE SOLAIRE DANS LE PROCESSUS DE CONCEPTION DES ARCHITECTES ................................................................................................................................................ 72 4. EXEMPLE DE MÉTHODES ET D’OUTILS DE CONCEPTION SOLAIRE .................................... 75 4.1 LES GUIDES SOLAIRES EXISTANTS ........................................................................................................... 75 4.2 LES MÉTHODES ET OUTILS SOLAIRES ....................................................................................................... 78 4.2.1 Les méthodes et outils qui concernent l’éclairage naturel ............................................................. 78 4.2.2 Les méthodes et outils qui concernent la production de chaleur utile ........................................... 89 4.2.3 Les méthodes et outils qui concernent la production d’électricité ................................................. 92 4.3 CONSTATS À TIRER DES EXEMPLES DE MÉTHODES ET OUTILS SOLAIRES .................................................. 94 vi 5. EXEMPLES D’OUTILS INFORMATIQUES BASÉS SUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE ....... 95 5.1 OUTILS INFORMATIQUES POUR ÉVALUER L’ÉCLAIRAGE NATUREL ........................................................... 96 5.1.1 Radiance ......................................................................................................................................... 96 5.1.2 DAYSIM ........................................................................................................................................ 100 5.2 OUTILS INFORMATIQUES POUR ÉVALUER LA PRODUCTION DE CHALEUR UTILE ET D’ÉLECTRICITÉ ........ 105 5.2.1 RETScreen pour évaluer l’efficacité énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment .......................... 105 5.2.2 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de l’eau chaude de piscine .... 107 5.2.3 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de l’eau chaude domestique .. 108 5.2.4 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de chauffage de l’air ............. 109 5.2.5 RETScreen pour dimensionner un système de production d’électricité ....................................... 110 5.3 CONSTATS DES EXEMPLES D’OUTILS INFORMATIQUES SOLAIRES........................................................... 111 6. ÉTUDES DE CAS ..................................................................................................................................... 113 6.1 PAVILLON EUGENE-H.-KRUGER ........................................................................................................... 113 6.1.1 L’architecture solaire ................................................................................................................... 113 6.1.2 Le processus de conception intégré .............................................................................................. 119 6.1.2.1 Phase pré-conceptuelle ......................................................................................................... 120 6.1.2.2 Phase esquisse ....................................................................................................................... 120 6.1.2.3 Phase préliminaire et définitive ............................................................................................ 122 6.1.3 Les méthodes et outils solaires utilisés ......................................................................................... 124 6.3 CONSTAT DE L’ÉTUDES DE CAS ............................................................................................................. 128 7. CONCLUSION.......................................................................................................................................... 131 7.1 LIMITES ................................................................................................................................................. 133 7.2 DÉVELOPPEMENT FUTUR ....................................................................................................................... 134 BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................................................................ 135 ANNEXES ..................................................................................................................................................... 143 ANNEXE 1 - VUE D'ENSEMBLE DES OUTILS INCLUS DANS LE RAPPORT DB1: STATE OF THE ART OF EXISTING SOFTWARE USED BY ARCHITECTS (HORVAT, DUBOIS ET AL., 2011) ............................................................ 144 ANNEXE 2 – PROJET DE FIN D’ÉTUDES EXPLOITANT L’ÉNERGIE SOLAIRE (ÉMILIE BOUFFARD) ................... 145 ANNEXE 3 - LISTE DE CONTRÔLE LEED® UTILISÉE DANS LES PHASES INITIALES DE CONCEPTION (BINETTE ET BINETTE ARCHITECTES) .......................................................................................................................... 148 ANNEXE 4 - ÉCLAIREMENT ET FACTEUR LUMIÈRE DU JOUR (FLJ) RECOMMANDÉ SELON LE TYPE DE TÂCHES (TREZENGA&LOE, 1988) ............................................................................................................................ 149 ANNEXE 5 - RAPPORT DE SIMULATION DAYSIM ....................................................................................... 150 ANNEXE 6 - PRÉSENTATION DÉTAILLÉE DES PROFESSIONNELS AYANT PARTICIPÉS AU PROCESSUS DE CONSTRUCTION POUR LE PAVILLON EUGENE-H.-KRUGER DE L’UNIVERSITE LAVAL .................................. 153 vii Abstract Solar energy available on earth is an abundant renewable resource. However, the use of this energy remains, to this day, relatively uncommon in the practice of architecture. To counter this trend, the International Energy Agency (IEA) has established Task 41 “Solar Energy and Architecture” whose main purpose is to promote and accelerate the development of a high quality solar architecture internationally. Realized within the framework of IEA Task 41, this research aims to analyze architectural projects chosen for their use of solar energy to broaden the horizons of designers in the field of construction, in addition to citizens concerned by their built environment. Alongside this objective, the research aims to provide solar methods and tools for initial phases of the design process of architects. ix Avant-propos La présente recherche est particulièrement dédiée aux architectes de la pratique privée afin de les soutenir dans le développement d’une architecture solaire de haute qualité. Elle se fonde sur l’intégration de l’énergie solaire dans le bâtiment comme une solution viable sur les plans environnemental, économique, social et des ambiances physiques architecturales. Ayant une visée plus large que les recherches habituelles dans le domaine, celle-ci se distingue volontairement de la structure conventionnelle d’un mémoire de maitrise. Elle se s’organise en cinq chapitres, qui correspondent aux thèmes suivants : 1) l’architecture solaire, comprenant une revue des principaux systèmes et concepts solaires pouvant être utilisés en architecture; 2) le processus de conception des architectes, présenté par le biais des caractéristiques, des actions, des phases et des méthodes; 3) des exemples de méthodes et d’outils de conception solaire, soit de guides existants, de règles du pouce, d’outils graphiques, physiques et informatiques; 4) des exemples d’outils informatiques basés sur la simulation numérique; 5) une étude de cas de projets québécois exploitant l’énergie solaire. La recherche vise à présenter et expliciter des méthodes et des outils pour les architectes qui conçoivent des bâtiments solaires ou qui s’y intéressent simplement, l’accent étant mis sur les notions solaires essentielles aux phases initiales de conception. xi Remerciements Le présent mémoire prend appui sur la formation reçue au programme de maîtrises simultanées, qui a permis d’acquérir des connaissances spécialisées dans le domaine du développement durable et de l’énergie. Ces compétences ont pu être acquises grâce au support de Marie-Claude Dubois, à qui j’attribue une profonde gratitude. Je tiens aussi à remercier sincèrement Jaques White et les professeurs de l’École d’architecture de l’Université Laval pour leur contribution, leur soutien et leur passion pour la profession. Pour leur encouragement et leur assistance, je remercie en particulier Jacques Binette, Jean Dallaire, les membres de la Tâche 41, mes amis et ma famille. Enfin, je remercie Ressources Naturelles Canada pour le soutien financier apporté sous forme de bourse d’études lors des conférences internationales de la Tâche 41. xiii Liste de tableaux Tableau 2 Demande en eau chaude annuelle ........................................................................ 90 Tableau 3 Dimensionnement des chauffe-eau solaires ......................................................... 91 Tableau 4 Dimensionnement du volume de stockage d’eau chaude .................................... 91 Tableau 5 - Résultats détaillés de la simulation (DAYSIM) .............................................. 103 Tableau 6 - Les méthodes et outils solaires utilisés pendant le processus de conception .. 125 Tableau 7 - Premières simulations démontrant l’importance de l’éclairage naturel sur la performance énergétique (Potvin and Demers, 2007) ................................................ 126 Tableau 8 - Processus de construction du bâtiment Eugene-H.-Kruger (selon Laurent Goulard) ...................................................................................................................... 129 xv Liste des figures Figure 1 - Consommation mondiale totale des énergies primaires en quadrillions de Btu, 1980-2035 (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EIA, 2011) ..................................... 1 Figure 2 - Disponibilité actuelle et prévisible des hydrocarbures dans le monde (Reproduit et sous réserve de l’auteur : World Energy Council, 2007) ............................................ 2 Figure 3 - Potentiel énergétique théorique des sources renouvelables comparé à la demande énergétique mondiale (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EREC, 2011) ................ 3 Figure 4 - L’énergie solaire communautaire à Okotos, Alberta (RNcan, 2012a) ................... 4 Figure 6 - Types de ciel présents annuellement à Québec, Québec, Canada (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Demers, 2001) ........................................................................ 5 Figure 7 - Puissance solaire approximative pour différents types de ciel en W/m2 (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Énergie+, uploads/Ingenierie_Lourd/ conception-de-batiments-solaires-universitye-de-laval-quebec.pdf