CONCEPTION DE BÂTIMENTS SOLAIRES : MÉTHODES ET OUTILS …
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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/m
2
(Reproduit et sous réserve de l’auteur : Énergie+, 2011) ............................................... 5 Figure 8 - Rendement lumineux de différentes sources lumineuses (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Lechner, Heating, Cooling, Lighting, 2001) .................................. 6 Figure 9 - Rayonnement solaire mondial en kWh/m
2, an (Meteonorm, meteonorm.com/) ... 7
Figure 10 - Rayonnement global quotidien moyen reçu sur une surface horizontale en
kWh/m2, jour (RNcan, 2012c) ........................................................................................ 8
Figure 11 - Potentiel photovoltaïque annuel en kWh/ kW installé selon une orientation sud
et une inclinaison égale à la latitude (±46°) (RNcan, 2012c) ......................................... 9 Figure 12 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur
résidentiel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008)..................................... 10 Figure 13 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur
commercial et institutionnel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008) ........ 10 Figure 14 - Degrés-jours de chauffage et de climatisation pour le Québec, Canada
(MétéoMédia, 2011) ..................................................................................................... 11
Figure 15 - Relation entre le rayonnement solaire hivernal et le besoin de chauffage
(Vachon, 2007) ............................................................................................................. 11
Figure 17 - Différents professionnels impliqués dans le processus de conception des
architectes ..................................................................................................................... 14 Figure 18 - Les phases du processus de construction d’un bâtiment (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Pfitzner et al., 2007) ..................................................................... 17 Figure 20 - Projets d’architecture comprenant des cellules photovoltaïques pour la
production d’électricité, à l’international (n=344) et au Canada (n=43) (Horvat,
Dubois et al., 2011) ....................................................................................................... 20
Figure 21 - Projets d’architecture comprenant des systèmes solaires thermiques pour la
production d’eau chaude, à l’international (n=346) et au Canada (n=43) (Horvat,
Dubois et al., 2011) ....................................................................................................... 21 Figure 22 – Compétences des architectes perçues avec différentes méthodes graphiques
solaires, à l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011) 22
Figure 23 - Compétences des architectes perçues avec différentes fonctions solaires
intégrées aux outils CAAO, à l’international (n=306) et au Canada (n=40) (Horvat,
Dubois et al., 2011) ....................................................................................................... 22
xvi
Figure 24 - Compétences des architectes perçues avec différents outils solaires avancés, à
l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011) ................. 22
Figure 25 - Types de systèmes solaires classés selon différents besoins pour le bâtiment .. 23 Figure 26 - Exemple d’éclairage naturel omniprésent pour les occupants (Haut : Altius
Architecture Inc, Bas : Binette et Binette architectes) ................................................. 24 Figure 27 - Exemple de système d’éclairage naturel servant à occulter le soleil (Spridd
architecte) ..................................................................................................................... 25
Figure 28 - Le solaire passif et actif (Reproduit et sous réserve de l’auteur : LIÉTARD et
al., 1996) ....................................................................................................................... 26 Figure 29 - Principes du chauffage solaire passif (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
Cofaigh et al., 1996) ..................................................................................................... 27 Figure 30 - Mur trombe de la bibliothèque des sciences de l’université de Versailles (Badia
Berger architectes) ........................................................................................................ 28 Figure 31 - Exemple de chauffage solaire passif (Triptyque Architecture) ......................... 29 Figure 32 - Système solaire thermique à air Lubi
MD, Québec, Canada (Enerconcept
Technologies et Solaris) ............................................................................................... 30
Figure 33 - Rendement de trois types de panneaux solaires thermiques (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Munari Probst et al., 2012) .......................................................... 31
Figure 34 - Schéma technique du panneau solaire thermique pouvant servir à différentes
applications ................................................................................................................... 33 Figure 35 - Panneaux solaires thermiques non vitrés QUICK STEP® intégrés au bâtiment
(RHEINZINK, 2011) ................................................................................................... 33 Figure 36 - Panneaux solaires thermiques non vitrés S-Solar faisant office de brise-soleil
(S-Solar et White architectes) ...................................................................................... 34
Figure 37 - Panneaux solaires thermiques à tubes sous vide RobinSun Solar Thermal Glass
intégrés au bâtiment (ROBIN SUN, 2011) .................................................................. 34 Figure 38 - Panneaux solaires thermiques vitrés Doma flex holz intégrés au bâtiment (AKS
DOMA Solartechnik, 2011) ......................................................................................... 35 Figure 39 - Schéma technique du mur solaire (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
SolarWall®, 2012) ....................................................................................................... 36
Figure 40 - Bâtiment et site existant, Québec, Canada (Jean Dallaire architectes) .............. 37 Figure 41 - Option 1 qui intègre une enveloppe SolarWall® (Jean Dallaire architectes).... 38
Figure 42 - Option 2 qui intègre une enveloppe SolarWall® (Jean Dallaire architectes).... 38 Figure 43 - Intégration d’un mur SolarWall® dans un concept de pliage architectural (Jean
Dallaire architectes) ...................................................................................................... 39 Figure 44 - Industek, Victoriaville, Québec (Binette et Binettes architectes) ...................... 39
Figure 45 - Intégration du produit SolarWall® à l’aéroport international de Toronto Pearson
(KMA architectes) ........................................................................................................ 40 Figure 46 - Systèmes solaires photovoltaïques à bases de cellules organiques (Konarka,
http://www.konarka.com/) ........................................................................................... 41 Figure 47 - L’effet de la température sur l’efficacité normalisée des systèmes solaires
suivants : a) de silicium cristallin à haut rendement, b) de silicium monocristallin, c)
de silicium multicristallin, d) de silicium amorphe, e) de type "Micromorph" tandem,
f) composé de tellure de cadmium (CdTe), g)-h) à couche mince composé de cuivre,
xvii
indium, gallium et sélénium (CIGS) (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Munari
Probst et al., 2012) ........................................................................................................ 42
Figure 48 - Schéma technique du panneau solaire photovoltaïque pouvant être utilisé de
trois façons : 1) directement sur place, 2) envoyé au réseau, 3) stocké dans des
batteries (Reproduit et sous réserve de l’auteur : A.E.R Sud, 2011) ............................ 43 Figure 49 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium monocristallin intégrés au
bâtiment (Panasonic, 2012) ........................................................................................... 44
Figure 50 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium multicristallin intégrés au
bâtiment (Solarfassade.info) ......................................................................................... 44 Figure 51 - Système solaire photovoltaïque de silicium amorphe intégré au bâtiment
(RHEINZINK, 2011) .................................................................................................... 45 Figure 52 - Avalon Discovery 3, Red Deer, Alberta, Canada (SCHL) ................................ 46
Figure 53 - ÉcoTerraMC
, Eastman, Québec, Canada (SCHL) ............................................... 46 Figure 54 - Schéma technique de solaire actif couplé avec le solaire thermique (Reproduit
et sous réserve de l’auteur : Athienitis, 2011) .............................................................. 47
Figure 55 - Bâtiment John Molson à Montréal, Québec, Canada (Gauche : KPMB
architectes, Fichten Soiferman et Associés, Droite : Athienitis, 2011) ........................ 47 Figure 56 - Système technique SolarWall® photovoltaïque/thermique (PV/T) (Reproduit et
sous réserve de l’auteur : Athienitis, 2011) .................................................................. 48 Figure 57 - Les possibilités d’intégration solaire architecturale (Munari Probst et al., 2012)
...................................................................................................................................... 49
Figure 58 - Habitation Imagine Rommen, Norvège (PUSHAK AS) ................................... 50 Figure 59 - Laboratoire d’énergie Xelios, Italie (Studio Marco Acerbis) ........................... 50
Figure 60 - Siège social Tobias Grau, Allemagne (BRT architecte) .................................... 51
Figure 61 – Perspective d’ambiance, implantation et analyses solaires exploitant la diversité
des ambiances lumineuses du bâtiment de bois et des serres solaires (Émilie Bouffard,
2012) ............................................................................................................................. 52
Figure 62 - Coupe bioclimatique et perspective d’ambiance exploitant le concept de serres
solaires (Émilie Bouffard, 2012) .................................................................................. 53 Figure 63 - Les représentations graphiques (Binette et Binette architectes) ........................ 55
Figure 64 - Premiers croquis, dessins réalisés à la phase préliminaire et projet en
construction (Binette et Binette architectes) ................................................................. 56
Figure 65 - Un processus de construction impliquant différents professionnels (Reproduit et
sous réserve de l’auteur : WBCSD) .............................................................................. 57 Figure 66 - Une coordination et une communication complexes et essentielles (Reproduit
et sous réserve de l’auteur : École polytechnique Jönköping, 2012) ............................ 57
Figure 67 - Trois propositions élaborées à la phase esquisse (Binette et Binette architectes)
...................................................................................................................................... 59 Figure 68 - Les différentes itérations qui caractérisent le processus de conception
(Reproduit et sous réserve de l’auteur : Gray, Hughes et al., 1994) ............................. 59 Figure 69 - Le processus de conception (Reproduit et sous réserve de l’auteur : MacMillan
et al., 2002) ................................................................................................................... 61 Figure 70 - Dessins réalisés dans les phases initiales de conception (Binette et Binette
architectes) .................................................................................................................... 61
xviii
Figure 71 - Le processus de conception intégré (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
Keen-Green Engineering) ............................................................................................ 64
Figure 72 - Phase de conception préliminaire décomposée en sous-phases (Reproduit et
sous réserve de l’auteur : Wilde et al., 1999) ............................................................... 65 Figure 73 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs permettant l’évaluation des
valeurs de luminance, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel
Radiance sous l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ..................................... 66
Figure 74 - Mise en contexte de la situation avec l’ajout d’une sérigraphie dans le verre
(Groupe A Bélanger Beauchemin Morency Architectes & Urbanistes, 2012; Émilie
Bouffard, 2012) ............................................................................................................ 67 Figure 75 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation avec l’ajout
d’une sérigraphie dans le verre de 30%, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du
logiciel Radiance sous l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ........................ 67 Figure 76 - Comparaison du facteur Lumière du Jour (FLJ), calculé à 0,8 m du plancher
selon la fonction Lighting Analysis du logiciel Radiance Daylight Factors sous
l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ............................................................. 68
Figure 77 - Analyse hiérarchique selon le modèle d’une conception de système énergétique
optimal (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Andresen, 2000) ............................... 70
Figure 78 - Analyse hiérarchique selon la traduction de Vitruve par Sir Henry Wotton
(Gauche : Reproduit et sous réserve de l’auteur : Duerk, 1993) et selon le modèle
d’une "conception idéale" (Droite : Reproduit et sous réserve de l’auteur : Wilde,
Augenbroe et Voorden, 2002) ...................................................................................... 70 Figure 79 - Analyses morphologiques pour organiser de l’information (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Andresen, 2000) .......................................................................... 71
Figure 80 - Analyse morphologique comparative (Gauche : Potvin et al., 2004, Droite :
Reproduit et sous réserve de l’auteur : Andresen, 2000) ............................................. 71 Figure 81 - Analyse pondérée méthode SAW (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
Ghafoori et Seyyed ali) ................................................................................................ 72 Figure 82 - L’orientation (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Neufert, 2002) .............. 79 Figure 83 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation au sud, au nord
et au sud avec occultation solaire, à 12h, selon la fonction Luminance Image (cd/m2)
du logiciel Radiance sous la surface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) .................... 80
Figure 84 - Projection stéréographique et orthographique à 8h00 et midi selon la hauteur
solaire α et l’azimut du soleil γ, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la
fonction Sun-Path Diagram) ......................................................................................... 82 Figure 85 - Projection stéréographique selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ,
Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram,
Stereographic Diagram. Les types de représentations sont les suivants : Stereographic
diagram, Spherical projection, Equidistant projection, BRE Sun-Path Indicator,
Orthographic projection, Waldram diagram, Tabular) ............................................... 83 Figure 86 - Projection stéréographique, Masque d’ombrage, Québec, Canada, 46,8°, -71,4°
(Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram) ............................................................. 84 Figure 87 - Projection stéréographique, Rayonnement solaire, Québec, Canada, 46,8°, -
71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram) .................................................. 84
xix
Figure 88 - Calendrier d’occultation sur une projection stéréographique (Sun, Wind and
light, 2001) .................................................................................................................... 86
Figure 89 - Comparaison entre la simulation et la réalité (Garde, 2011) ............................. 86 Figure 90 - Héliodon pour la ville de Québec, Canada (Ecotect selon la fonction Sun-Path
Diagram) ....................................................................................................................... 87 Figure 91 – Droite : Utilisation d’un héliodon à l’extérieur (Émilie Bouffard), Gauche :
Positionnement de l’héliodon (Moore, 1985) ............................................................... 88
Figure 92 - Gauche : Ciel artificiel de l’École d’architecture de l’Université Laval, Droite :
Maquette de l’ITA de Saint-Hyacinthe (GRAP) .......................................................... 89 Figure 93 - Exemples de tests réalisés avec le ciel artificiel et la maquette de l’ITA de
Saint-Hyacinthe (GRAP) .............................................................................................. 89 Figure 94 - L’effet de l’orientation sur la performance du chauffage solaire passif
(Reproduit et sous réserve de l’auteur : Brown et DeKay, 2001) ................................. 90 Figure 95 - Rayonnement solaire annuel moyen en lien avec l’orientation et l’inclinaison,
pour Québec, Qc, Canada (selon la fonction Absorbed Solar Radiation, Ecotect) ...... 92
Figure 96 - Bâtiments étudiés (Jouri Kanters) ...................................................................... 96
Figure 97 - Détermination des vues à étudier ....................................................................... 97 Figure 98 - Interface d’Ecotect ............................................................................................. 98
Figure 99 - Différents types de rendus réalisés avec l’outil Radiance sous l’interface
d’Ecotect ....................................................................................................................... 99 Figure 100 - Détermination des points de mesures à simuler (Google SketchUp) ............. 101
Figure 101 - Interface DAYSIM à l’ouverture ................................................................... 102 Figure 102 - Interface DAYSIM à l’étape 5 ....................................................................... 103
Figure 103 – Feuille de calcul RETScreen concernant l’efficacité énergétique de
l’enveloppe d’un bâtiment .......................................................................................... 106
Figure 104 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’eau chaude de
piscine ......................................................................................................................... 107
Figure 105 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’eau chaude
domestique .................................................................................................................. 109 Figure 106 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de chauffage de l’air
.................................................................................................................................... 110 Figure 107 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’électricité ........ 111
Figure 108 - L’utilisation des ouvertures zénithales avec des puits de lumière (Potvin et
Demers (2007) ............................................................................................................ 114 Figure 109 - Entrées offrant un accueil chaleureux et attrayant grâce à un système judicieux
d’éclairage naturel (Laurent Goulard; Gauthier Gallienne Moisan architectes) ......... 114
Figure 110 - L’orientation dans l’axe nord-est/sud-ouest et la volumétrie en forme de " L "
(Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ........................................ 116 Figure 111 - Les ouvertures importantes dans les espaces publics et les aires de circulation,
mi-octobre 10h00 (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) .......... 116 Figure 112 - Coupe illustrant l’intégration d’occultation solaire et avancé de toit (Laurent
Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ...................................................... 117 Figure 113 - Les angles solaires des occultations solaires orientées sud-ouest et sud-est
(Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie
Bouffard) ..................................................................................................................... 117
xx
Figure 114 - Les occultations solaires orientées nord-ouest servant à bloquer le soleil de fin
de journée (Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite :
Émilie Bouffard) ........................................................................................................ 118 Figure 115 - L’occultation solaire orientée nord-ouest servant à diffuser le rayon lumineux
(Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie
Bouffard) .................................................................................................................... 118 Figure 116 - Gauche : Mur solaire SolarWall®, Droite : Image infrarouge en fausse couleur
prise avec une caméra thermique qui enregistre les rayonnements électromagnétiques
infrarouges (André Potvin) ......................................................................................... 119 Figure 117 - Premières esquisses réalisées par l’équipe de conception (Laurent Goulard,
Gauthier Gallienne Moisan architectes) ..................................................................... 121 Figure 118 - Deuxième série d’esquisses réalisées par l’équipe de conception (Laurent
Goulard; Gauthier Gallienne Moisan architectes) ...................................................... 122 Figure 119 - Mis au point des systèmes bioclimatiques (Laurent Goulard, Gauthier
Gallienne Moisan architectes) .................................................................................... 123
Figure 120 - Dessin de présentation illustrant le concept de mur solaire, réalisé avec l’outil
Form•Z (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ......................... 123 Figure 121 - Dessin de présentation représentant les concepts bioclimatiques, réalisé avec
l’outil Form•Z (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ............... 124 Figure 122 - Pont thermique avant l’installation d’un matériau isolant sur les parties
métalliques des occultations solaires (Alexander Salenikovich) ............................... 124
Figure 123 - Analyses qualitatives et quantitatives de plusieurs propositions de puits de
lumière dans le ciel artificiel de l’Université Laval (Potvin and Demers, 2007) ....... 126
Figure 124 - Analyses qualitatives démontrant des vues intérieures variant selon différents
positionnements des puits de lumière (Potvin and Demers, 2007) ............................ 127
Figure 125 - Simulations montrant la consommation énergétique de deux modèles réalisées
pour un laboratoire type avec l’outil Energy-10 (Potvin and Demers, 2007) ............ 127
Figure 126 - Simulations associant la performance énergétique au coût opérationnel en
comparaison avec un modèle de référence (Potvin and Demers, 2007) .................... 128
1
1. INTRODUCTION
1.1 DÉVELOPPEMENT DURABLE EN ARCHITECTURE : LES ÉNERGIES RENOUVELABLES
Le réchauffement planétaire, l’augmentation des gaz à effet de serre et l’épuisement des
ressources naturelles sont autant d’enjeux actuels qui engagent l’humanité à se sensibiliser,
à se mobiliser et à se responsabiliser (Reeves, 2003). Un tel engagement consiste
inévitablement à réduire, d’une part, la consommation énergétique mondiale et à profiter,
d’autre part, des énergies primaires renouvelables, avec pour conséquence une réduction de
l’exploitation des énergies fossiles telles le pétrole, le charbon et le gaz naturel. Comme le
montre la figure 1, la consommation des énergies primaires fossiles est aujourd’hui
beaucoup plus importante que celle des énergies renouvelables, même si la disponibilité
prévisible de ces énergies tend à diminuer (figure 2).
Figure 1 - Consommation mondiale totale des énergies primaires en quadrillions de Btu, 1980-2035
(Reproduit et sous réserve de l’auteur : EIA, 2011)
2
Figure 2 - Disponibilité actuelle et prévisible des hydrocarbures dans le monde (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : World Energy Council, 2007)
Il importe également de constater qu’une grande partie de l’énergie primaire est
consommée dans le secteur du bâtiment, soit dans la construction et dans l’opération des
bâtiments. À lui seul, le secteur du bâtiment utilise environ 40% des ressources
énergétiques dans les pays industrialisés et plus de 50% si on considère les produits
manufacturés utilisés dans la construction (WBCSD, 2011). L’industrie de la construction
doit donc adopter de nouvelles mesures pour réduire sa dépendance aux énergies fossiles.
Dans cette même perspective, le défi 2030, lequel est parrainé par l’Institut américain des
architectes (AIA, 2011) et l’architecte de renom dans la conception solaire passive Ed
Mazria, vise à réduire drastiquement la consommation de combustibles fossiles et à orienter
la consommation vers des énergies primaires renouvelables de tous les bâtiments neufs et
rénovés.
Parmi les sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire se présente comme l’une des
plus prometteuses pour l'avenir (EREC, 2011). L’intérêt pour le solaire est notamment dû à
son abondance à la surface de la Terre. Comme le font remarquer plusieurs auteurs à propos
du rayonnement solaire théorique, celui-ci peut :
représenter une énergie 3000 fois plus grande que celle subvenant aux besoins de
l'humanité (Schittich, 2003);
couvrir 2850 fois la demande mondiale en énergie (figure 3);
combler, en une seule journée, la demande énergétique mondiale de huit années
(Bernardo, 2011);
3
cumuler, en une heure, une énergie supérieure à celle nécessaire pour combler les
besoins de l'humanité d'une année (Thirugnanasambandam, 2009).
Figure 3 - Potentiel énergétique théorique des sources renouvelables comparé à la demande énergétique
mondiale (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EREC, 2011)
En analysant seulement la variable solaire, le quartier solaire Drake Landing d’Alberta
(figure 4), comprenant 52 maisons unifamiliales, a démontré qu’en hiver, 90% des besoins
en chauffage et 60% en eau chaude pouvaient être comblés par 800 panneaux solaires
thermiques communautaires (Funk, 2010). Le Réseau de recherche du CRSNG sur les
bâtiments solaires (RRBS, 2010) a aussi établi que la surface d’une maison moyenne
canadienne pouvait recevoir suffisamment de rayonnement solaire pour combler les besoins
annuels de la maison et d’une voiture (figure 5). D’après le RRBS, un petit système solaire
photovoltaïque et thermique de 4kW pourrait réduire la consommation énergétique d’une
maison conventionnelle canadienne de 50%. Enfin, selon des installateurs professionnels
ayant participé au programme de l’Agence de l’efficacité énergétique du Québec (AEE), un
seul panneau solaire thermique suffirait pour sabrer minimalement 50% des besoins
annuels d’eau chaude domestique d’une famille de cinq personnes (Centre Énergie Solaire
Ltée).
4
Figure 4 - L’énergie solaire communautaire à Okotos, Alberta (RNcan, 2012a)
Figure 5 - Maison Alstonvale Énergie nette zéro (Pogharian, Ayoub et al., 2008)
L’énergie solaire dans le secteur du bâtiment constitue donc une réponse pertinente au
contexte de développement durable, en raison notamment de son abondance, mais
également des possibilités qu’elle offre d’éclairer naturellement et efficacement, de
produire de la chaleur utile, de l’électricité et même de climatiser. La "climatisation solaire"
est toutefois encore expérimentale et ses dispositifs se résument à quelques systèmes
solaires thermiques (Munari Probst et al., 2012). Enfin, il semble évident que l’architecture
doive évoluer en tenant davantage compte des sites, notamment de leur orientation, en
utilisant mieux l’enveloppe pour à la fois capter l’énergie du soleil et s’en protéger et enfin,
en exploitant la lumière comme moyen d’expression, inspiration et fondement de
l’architecture (Baker & Steemers, 2002). Une telle approche implique toutefois un
changement majeur dans la pratique architecturale et surtout, dans la façon d’appréhender
et de penser le bâtiment. Dans la pratique, une telle approche implique également d’aborder
5
les questions d’accessibilités, d’applications à plus grande échelle en plus des résiliences et
des analyses de cycle de vie (ACV).
1.1.1 Le rayonnement solaire jusqu’au bâtiment
Le rayonnement solaire parvient à la Terre sous forme directe, diffuse et réfléchie, en
fonction notamment de la couverture nuageuse, de la pollution de l’air, de la région
géographique et de la période de l’année (Robertson et Athienitis, 2010). Il est également
disponible sous différents types de ciel, partiellement couvert, partiellement dégagé et
dégagé. Ces types de ciel au Québec sont présentés à la figure 6, selon leur occurrence
mensuelle. Un ciel clair transmet approximativement 1000W/m2 de puissance sur une
surface perpendiculaire, tandis qu’un ciel partiellement dégagé et couvert transmet
respectivement 500 et 250 W/m2 (figure 7).
Figure 6 - Types de ciel présents annuellement à Québec, Québec, Canada (Reproduit et sous réserve
de l’auteur : Demers, 2001)
Figure 7 - Puissance solaire approximative pour différents types de ciel en W/m2 (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Énergie+, 2011)
6
Selon le type de ciel, le rayonnement solaire peut servir pour 1) éclairer naturellement, 2)
produire de la chaleur utile et 3) produire l’électricité d’un bâtiment.
Dans le premier cas, l’éclairage naturel s’explique par la lumière visible qui représente 46%
de l’énergie totale émise par le rayonnement solaire (Architecture et climat, 2011). Il offre
un spectre continu caractérisé par une densité élevée de flux lumineux ainsi qu’une
variabilité riche en couleur et en intensité. La densité du flux lumineux à l’extérieur varie
entre 5 000 et 100 000 lux, ce qui peut largement suffire aux besoins habituels de quelques
300-500 lux pour éclairer naturellement l’intérieur des bâtiments (Brown et DeKay, 2001).
Enfin, l’efficacité lumineuse de l’éclairage naturel est plus élevée que la plupart des sources
lumineuses artificielles (figure 8). Seules les sources lumineuses d’une efficacité
comparable à l’éclairage naturel sont les sources lumineuses au sodium et DEL
(PowerDEL) ayant une efficacité lumineuse entre 80 et 140 lm/W.
Figure 8 - Rendement lumineux de différentes sources lumineuses (Reproduit et sous réserve de
l’auteur : Lechner, Heating, Cooling, Lighting, 2001)
Dans le deuxième cas, la production de chaleur utile renvoie à l’énergie du rayonnement
solaire, présente sous forme de chaleur et qui contribue à chauffer, passivement et/ou
activement, le bâtiment. Le rayonnement solaire est particulièrement abondant :
7
il peut atteindre jusqu’à 2 300 kWh/ m²,an dans les régions les plus ensoleillées du
monde et peut atteindre jusqu’à 1500 kWh/ m²,an au Canada (figure 9);
il atteint moyennement 3,3 kWh/ m²,jour au Canada (figure 10);
il atteint moyennement, 1,62 kWh/m²,jour au mois de janvier à Québec
comparativement à 0,3 kWh/m², jour au mois de janvier à Olso (tableau 1).
Contrairement à ce que l’on pourrait être porté à penser, le rayonnement solaire est en effet
particulièrement élevé en hiver au Canada en comparaison à l’Europe, notamment dans le
nord de l’Europe. Il peut même excéder quotidiennement celui des pays scandinaves, où
l’utilisation de l’énergie solaire est fortement encouragée et promue depuis les années 1970.
Figure 9 - Rayonnement solaire mondial en kWh/m2, an (Meteonorm, meteonorm.com/)
8
Figure 10 - Rayonnement global quotidien moyen reçu sur une surface horizontale en kWh/m2, jour
(RNcan, 2012c)
Tableau 1 - Rayonnement solaire quotidien moyen reçu sur une surface horizontale en kWh/m², jour
(NASA, www.nasa.gov/)
Mois de l’année Québec (Qc),
Canada Olso,
Norvège Janvier 1,62 0,30 Février 2,66 0,86 Mars 4,09 2,20 Avril 4,92 3,40 Mai 5,46 5,05 Juin 5,72 4,91 Juillet 5,65 4,61 Août 4,83 3,49 Septembre 3,49 2,12 Octobre 2,25 1,31 Novembre 1,40 0,37 Décembre 1,25 0,19
Total 43,34 28,81
Moyenne 3,6 2,4
Dans le troisième cas, la production d’électricité solaire se traduit surtout par des systèmes
actifs, notamment photovoltaïques, et constitue une réelle possibilité pour combler les
besoins en énergie de la population de tout le pays. Le Canada, en l’occurrence, bénéficie
9
d’un potentiel photovoltaïque annuel suffisant, ce qui prouve une fois de plus la pertinence
d’y exploiter l’énergie solaire (figure 11).
Figure 11 - Potentiel photovoltaïque annuel en kWh/ kW installé selon une orientation sud et une
inclinaison égale à la latitude (±46°) (RNcan, 2012c)
1.1.2 L’intégration de l’énergie solaire à l’architecture
L’intégration de l’énergie solaire à l’architecture sous-tend des dimensions
environnementales, économiques, sociales et d’autre plus proprement architecturales,
relatives aux ambiances physiques. Sur le plan environnemental, l’intégration est durable,
efficace et propre, puisque l’énergie solaire est utilisée directement sur place (ne nécessite
aucun transport, donc aucun pétrole) et est renouvelable (Suzuki et Boyd, 2008).
Sur le plan économique, l’intégration peut grandement réduire le cout opérationnel
(d’exploitation) et le cout capital (système de stockage, de distribution et d’entretien)
relatifs aux besoins des bâtiments. Au Canada, les besoins en chauffage (air et eau chaude
domestique), en éclairage et en climatisation sont considérables, puisqu’ils constituent 86%
de la consommation énergétique dans les bâtiments résidentiels et 71 % dans les bâtiments
commerciaux et institutionnels (figure 12 et 13).
10
Figure 12 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur résidentiel canadien
(Office de l'efficacité énergétique, 2008)
Figure 13 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur commercial et
institutionnel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008)
Une autre façon d’évaluer cet apport considérable en besoins de chauffage est la méthode
des degrés-jours de chauffage, soit « la mesure de la différence entre la température
moyenne d’un jour donné par rapport à une température de référence et qui exprime les
besoins en chauffage domestique » (MétéoMédia, 2011). Au Québec, cette différence de
température s’évalue à 5 080 degrés-jours de chauffage annuellement, laissant paraitre une
assez longue saison de chauffage (figure 14). Dès lors, une corrélation possible entre la
méthode des degrés-jours et le rayonnement solaire reçu au Québec est possible,
démontrant une fois de plus le climat avantageux de plusieurs villes du Québec pour
l’exploitation de l’énergie solaire afin de subvenir au chauffage des bâtiments et ce, même
par rapport aux pays nordiques européens (figure 15).
63% 17%
14%
4% 2%
Chauffage des locaux
Chauffage de l'eau
Appareils ménagers
Éclairage
Climatisation
48%
7%
19%
9%
11%
5% 1% Chauffage des locaux
Chauffage de l'eau
Équipement auxiliaire
Moteurs auxiliaires
Éclairage
Climatisation
Éclairage des voies publiques
11
Figure 14 - Degrés-jours de chauffage et de climatisation pour le Québec, Canada (MétéoMédia, 2011)
Figure 15 - Relation entre le rayonnement solaire hivernal et le besoin de chauffage (Vachon, 2007)
Sur le plan social, l’intégration peut, en plus d’offrir un potentiel d’attraction en matière de
développement durable et de haute technologie, contribuer à augmenter significativement la
qualité architecturale; une qualité architecturale qui, tout comme l’architecture, se définit à
partir de différentes dimensions. Pour Vitruve, l’architecture se définit selon trois
principes fondateurs : firmatas pour la durabilité, utilitas pour l’utilité et venustas pour la
beauté. Pour Le Corbusier (1995), l’architecture se définit comme le jeu savant, correct et
magnifique des volumes assemblés sous la lumière. Selon le Conseil de l’union européenne
(2008) : « l’architecture, discipline de création culturelle et d’innovation, y compris
technologique, constitue une illustration remarquable de ce que la culture peut apporter au
développement durable, compte tenu de son impact sur la dimension culturelle des villes,
12
mais également sur l’économie, la cohésion sociale et l’environnement ». Enfin, Dufaux
(2011) mentionne que l’architecture est la concrétisation et l’affirmation de notre existence
sur un territoire, demeurant ainsi « le projet de construire de ce que nous voulons devenir ».
Bref, ces définitions rappellent toute l’importance des impacts positifs sur la société que
pourrait avoir une architecture efficace au plan énergétique, notamment sur le taux de
croissance des émissions de GES et la lutte contre le changement climatique, en visant une
approche territoire (iolt, éco-quartier et ville) plutôt qu’une approche pour des bâtiments
isolés.
En dernier lieu, sur le plan des ambiances physiques architecturales, l’intégration peut
générer, entre autres, des ambiances appréciées par les usagers ainsi que des lieux riches et
significatifs, pour produire des environnements globalement sains, cohérents et équilibrés.
Le Groupe de recherche en ambiances physiques de l’Université Laval (GRAP) soutient
qu’ « [e]n amont de la démarche ambiante réside la nature, élément fondamental,
omniprésent du projet d'architecture. Plus la forme d'expression entre l'homme et la nature
est grande, plus le paysage devient signifiant, et plus grande devient la possibilité
d'interprétation symbolique et poétique de ce paysage. La dynamique cyclique de
l'environnement naturel en termes de matière et d'énergie constitue donc une source
d'inspiration pour nous faire redécouvrir le sens du lieu et créer des solutions originales et
fonctionnelles stimulant les sens ». Effectivement, l’intégration de l’énergie solaire à
l’architecture permettrait sous certaines conditions de concevoir des bâtiments mieux
adaptés à leur site, en relation directe avec l’environnement extérieur, dans le respect des
lois de la nature et favorisant le confort de ses occupants. Ce constat n’est pas sans rappeler
que l’intégration de l’énergie solaire en architecture appartient à une tradition architecturale
qui demeure " certainement vénérable " (Heschong, 1981) qui a longtemps fait partie des
environnements de travail.
1.1.3 Les obstacles à l’intégration
En dépit de ce qui précède, une très grande partie de l’énergie solaire reste à ce jour
inexploitée (RNcan, 2012b). Ceci serait dû à plusieurs obstacles qu’il convient d’identifier.
13
Le premier, possiblement le plus évident, est l’obstacle économique, largement étudié dans
le rapport de Lucuik (2005) traitant du bâtiment écologique. Selon l’auteur, cet obstacle est
souvent considéré comme un frein d’envergure dans les projets, puisque c’est une variable
rarement évaluée sur un calcul incluant le cycle de vie du bâtiment, lequel comprend les
dépenses en immobilisation directe, les couts opérationnels directs, l’effet de la productivité
des travailleurs, les valeurs des propriétés et le taux d’occupation, ainsi que d’autres
avantages indirects tels l’augmentation des ventes dans les magasins et la réduction des
congés de maladie. Spécifiquement, le surcoût des technologies vertes peuvent réduire de
façon importante leur accessibilité. Deuxièmement, le style de vie et les typologies
d’habitation sont en outre partie des enjeux majeurs à l’intégration, sachant que les maisons
unifamiliales sont typiquement responsables de plus d’émissions de carbone que les
maisons intégrés dans un contexte de densification (Newton et Tucker, 2011). D’autre part,
l’Institut royal d’architecture du Canada référant à la recherche de Ryghaug et Sørensen
(2009) qui examinait les contraintes au développement des bâtiments énergétiques, note les
obstacles suivants :
la faiblesse politique et les efforts gouvernementaux limités;
la pratique conservatrice dans l’industrie de la construction;
le manque de recherche, de développement et de communication des nouvelles
connaissances et technologies.
Dans le même ordre d’idées, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) mentionne :
l’insuffisance des connaissances techniques;
la réticence à utiliser les nouvelles technologies;
les variables architecturales (esthétiques);
l’insuffisance de méthodes et d’outils de conception solaire pour les architectes.
L’importance de modifier la pratique professionnelle traditionnelle au profit de bâtiments
plus performants est ainsi identifiée. Au cœur de cette pratique, l’architecte est considéré
comme un professionnel clé pour intégrer l’énergie solaire et ce, pour plusieurs raisons.
D’abord, il est un des seuls à pouvoir développer des solutions spatiales basées sur la
théorie et la pratique. En outre, il travaille sur la valeur ajoutée d’un bâtiment à long terme.
14
L’architecte est aussi un des rares professionnels qui puisse avoir une vue d’ensemble de la
conception et considérer toutes les variables en un tout intégral (Ryghaug et Sørensen,
2009). Enfin, l’architecte travaille fondamentalement en équipe et peut, de ce fait,
collaborer avec un grand nombre de professionnels, notamment des consultants et des
ingénieurs (figure 17).
Figure 17 - Différents professionnels impliqués dans le processus de conception des architectes
L’architecte est également amené à prendre des décisions et à faire des choix importants
parmi un vaste éventail de variables conceptuelles, toutes cruciales pour le succès du projet
(Andresen, 2000). Comme l’indiquent plusieurs auteurs (Hamza et Greenwood, 2009;
Macmillan et al., 2002; Potvin, 2005), l’architecte doit prendre des décisions qui ont de
lourdes conséquences au plan énergétique, et ce, très tôt dans le processus de conception,
notamment en ce qui a trait à l’orientation, à la volumétrie et à la fenestration. Ces
décisions sont d’autant plus importantes puisqu’elles guident le projet jusqu’à la fin, ont un
impact majeur sur la durabilité et la performance du bâtiment (Larsson, 2004) et peuvent
accroitre l’énergie solaire utile (Robertson et Athienitis, 2010). Enfin, selon Ellis et
Mathews (2002), l’architecte est d’autant plus un acteur clé puisqu’il peut utiliser des
méthodes et des outils de conception pouvant avoir une influence importante sur la
performance énergétique du bâtiment qu’il conçoit et ainsi entrainer des économies allant
jusqu’à 70 % de la demande en énergie. Dès le début, il peut aussi encourager le client
d’approprier la vision autant que tous les autres consultants. Somme toute, l’importance de
15
s’attarder aux phases initiales du processus de conception des architectes est essentielle.
C’est précisément sur ces phases que se concentre la présente recherche.
1.2 OBJECTIFS DE RECHERCHE
Cette recherche a pour objectif d’analyser des projets d’architecture choisis pour leur
utilisation de l’énergie solaire par le biais de projets internationaux et québécois, et
d’analyser des méthodes et des outils solaires pour les phases initiales de conception des
architectes. L’intention de cette recherche est, dans un premier temps, de présenter une
image globale concernant l’architecture solaire et, dans un deuxième temps, de contribuer à
l’amélioration et l’enrichissement des méthodes et des outils de conception de la pratique
architecturale, ce qui, à long terme, encouragera l’exploitation et l’intégration de l’énergie
solaire en architecture.
Les mots clés suivants ont été utilisés dans le cadre de cette recherche pour naviguer dans
les revues scientifiques telles que Design Studies, Building and Environment, Energy and
Buildings et Solar Energy :
Architecture
Architectes
Solaire
Énergie solaire
Efficacité énergétique
Sustainable design
Développement
durable
Solaire passif
Solaire actif
Méthodes de
conception
Processus de
conception
Processus de
conception intégré
Questionnaires
Entrevues
Simulations
16
1.3 MÉTHODES ET OUTILS
Cette recherche est réalisée dans le cadre de la Tâche 41 "Énergie solaire et
Architecture" mise sur pied en décembre 2008 par le programme "Chauffage et
climatisation solaire" de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) afin d’encourager et
d’accélérer le développement d’une architecture solaire de haute qualité (Wall, Windeleff et
al., 2008). Comme son nom l’indique, la Tâche 41 porte à la fois sur les qualités
architecturales du bâtiment et sur l’intégration du solaire visant une haute performance
énergétique. Cette tâche s’appuie sur le travail de chercheurs, architectes et ingénieurs des
14 pays suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Canada, Corée du Sud, Danemark,
Espagne, Italie, France, Norvège, Portugal, Suède et Suisse. Un des paradigmes de départ
de cette tâche consiste à utiliser la conception architecturale comme une des forces motrices
pour l’exploitation de l’énergie solaire dans le bâtiment. En plus de l’intégration
architecturale, la Tâche 41 vise également l’étude des compétences des architectes et
d’autres acteurs impliqués dans le projet architectural.
La Tâche 41 se subdivise en trois sous-tâches. La sous-tâche A s’intéresse aux critères
d’intégration et de qualité architecturale des bâtiments solaires, pour les architectes et les
manufacturiers de produits solaires. La sous-tâche B, sur laquelle porte principalement la
présente recherche, se concentre sur les méthodes et les outils qu’utilisent les architectes
dans les phases initiales de conception, incluant les outils informatiques et les critères
d’évaluation de qualité architecturale. La sous-tâche C concerne les compétences des
architectes en regard de leur façon de communiquer et de vendre un projet d’architecture
solaire. Elle comprend des études de cas.
La Tâche 41 revoit donc globalement les processus de construction et de conception selon
différents angles possibles. Selon l’Institut royal d’architecture du Canada (IRAC, 2009), le
processus de construction se divise en sept phases :
1. la phase pré-conceptuelle;
2. l'esquisse;
3. la phase préliminaire;
4. la phase définitive;
17
5. l'appel d'offre et négociations
6. l'administration du contrat;
7. l'après-construction.
Ce processus de construction comprend le processus de conception des architectes, incluant
les phases suivantes : pré-conceptuelle, esquisse et préliminaire. Tel que vu précédemment,
ces phases initiales sont très critiques quant à l’intégration de l’énergie solaire (figure 18).
Elles représentent le moment où il est encore possible de changer des paramètres de
conception importants, sachant qu’« il devient de plus en plus difficile et problématique de
le faire à mesure que le projet avance » (Larsson, 2004).
Figure 18 - Les phases du processus de construction d’un bâtiment (Reproduit et sous réserve de
l’auteur : Pfitzner et al., 2007)
En effet, les phases initiales sont importantes, puisqu’elles correspondent au premier
contact avec le client, aux premières volumétries, à une orientation choisie et ultimement, à
un parti architectural. Elles sont aussi conditionnelles au bon déroulement et à la réussite de
tous les aspects d’un projet. Selon l’IRAC (2009), de façon résumée, la phase pré-
conceptuelle comprend entre autres les premières études spatiales, économiques et
environnementales. C’est le moment de trouver des synergies contextuelles qui dépassent le
programme statique. La phase esquisse comprend essentiellement l’évaluation du
programme, du budget et l’élaboration des premiers croquis; la phase de conception
préliminaire comprend la sélection des composantes du bâtiment : matériaux, structure,
systèmes mécaniques et électriques, soit une conception suffisamment détaillée pour
évaluer la performance, le cout et l’échéancier du projet. L’importance des phases initiales
est ainsi soulignée, puisque les phases subséquentes, qui portent essentiellement sur le
développement des détails, deviennent davantage techniques et que les décisions initiales
deviennent plus difficilement modifiables.
18
Par ailleurs, un nouveau type de processus de conception serait en voie de succéder à la
pratique architecturale traditionnelle, soit le processus de conception intégrée. Celui-ci est
abordé par plusieurs études, qui concordent à dire que le processus traditionnel de
conception est un processus linéaire où les professionnels interviennent souvent de façon
successive, ce qui « limite les possibilités d’optimisation, si bien que lors des étapes
ultérieures, l’optimisation cause des difficultés ou devient même impossible » (Larsson,
2004). Le processus de conception intégrée, mis au point en 1993 avec le programme C-
2000 faisant la promotion de bâtiment de haute performance, propose de mettre en
interaction les acteurs du projet plus tôt, afin de prendre en amont les meilleures décisions
possibles en termes de développement durable. Les décisions prises dans ce processus se
caractérisent notamment par un travail multidisciplinaire et transdisciplinaire qui implique
d’autant plus le partage de connaissances et de notions à la fois systémiques et
perceptuelles (Boivin, 2007). En effet, comme le note Boivin (2007), « [a]lors que les
architectes travaillent avec l’espace et la matière, les ingénieurs travaillent en systèmes et
par flux. ». L’amélioration de ces collaborations permettra donc d’accroitre, voire même
d’optimiser, la performance non seulement du point de vue de la durabilité (optimisation
des énergies renouvelables, de la consommation énergétique, de la qualité intérieure, etc.),
mais aussi du point de vue de l’économie, de l’accessibilité universelle, de la productivité
pour les occupants, de la préservation historique, de l’esthétique, de la fonctionnalité et de
la sécurité (figure 19).
Figure 19 - Les objectifs de conception du processus de conception intégré relatifs à la haute
performance du bâtiment (Reproduit et sous réserve de l’auteur : National Institute of
Building Science, http://www.nibs.org/)
19
Enfin, les travaux de la sous-tâche B de la Tâche 41 incluent la production de trois rapports
de recherche principaux. Le premier rapport présente une revue exhaustive des outils
informatiques disponibles pour les architectes. La revue couvre la plupart des outils
largement connus et utilisés par la communauté architecturale. Les outils étudiés ont été
divisés en trois groupes, dont la liste est disponible à l’annexe 1 (Dubois, Horvat et al.,
2010) :
les outils CAAO (conception architecturale assistée par ordinateur);
les outils de visualisation;
les outils de simulation.
Ce rapport explique les principales fonctions de chaque outil, incluant les fonctions
solaires. Le deuxième rapport présente les résultats complets d’une enquête internationale
identifiant 1) les obstacles actuels empêchant les architectes d’utiliser les méthodes et les
outils solaires ainsi que 2) les besoins des architectes concernant les méthodes et les outils
d’aide à la conception et à l’intégration architecturale solaire (Horvat, Dubois et al., 2011).
L’enquête internationale, en ligne du 3 mai 2010 au 25 octobre 2010, a permis de recueillir
quelques 350 questionnaires internationaux dument remplis, dont 31 questionnaires
canadiens. Enfin, le troisième rapport présente la fonctionnalité des méthodes et outils de
conception solaire pour les architectes, en l’occurrence ceux du premier rapport (Horvat,
Wall et al., 2012).
1.3.1 Constats
En premier lieu, la revue des outils de Dubois, Horvat et al. (2010) a permis de démontrer
que peu d’outils CAAO offrent des analyses solaires puisqu’ils portent principalement sur
la modélisation du bâtiment. Certains outils CAAO permettent des analyses solaires
particulières, comme Allplan, ArchiCAD, DDS-CAD, MicroStation, Revit et Vectorworks.
Le rapport a aussi permis d’illustrer que la plupart des outils de visualisation comprennent
des algorithmes avancés ou très avancés pour évaluer l’effet de la lumière naturelle. Il n’est
cependant pas clair que les algorithmes utilisés aient été validés. Aucun des outils de
20
visualisation étudiés n’inclut la prédiction des gains solaires passifs et peu de ces outils
fournissent des données quantitatives comme peut le faire, par exemple, l’outil Flamingo,
où l’intensité lumineuse est spécifiée en Watt. Enfin, les outils de simulation sont
spécialisés selon différentes analyses solaires :
la prédiction des gains solaires passifs (bSol, DesignBuilder, DPV, Ecotect, EDGII,
ENERGIEplaner, eQuest, l'IDA ICE, VE IES, LESOSAI, VisualDOE);
l’estimation de l’éclairage naturel (DAYSIM, DesignBuilder, Ecotect, eQuest, l'IDA
ICE, VE IES);
le dimensionnement des systèmes solaires actifs (Polysun, PVsyst, RETScreen).
En deuxième lieu, l’enquête internationale de Horvat, Dubois et al. (2011) a démontré que
plus de 80% des répondants canadiens et internationaux considèrent l’utilisation de
l’énergie solaire comme une donnée importante dans un projet d’architecture. En
contrepartie, l’enquête démontre que les projets intègrent rarement des systèmes solaires,
démontrant ainsi un écart important entre la théorie et la pratique. À ce sujet, la figure 20
montre que seulement 22% (n=344) des répondants internationaux et 2% des répondants
canadiens (n=43) intègrent des cellules photovoltaïques dans leurs projets d’architecture.
La figure 21 montre que seulement 46% (n=346) des répondants internationaux et 12% des
répondants canadiens (n=43) intègrent des systèmes solaires thermiques dans leurs projets
d’architecture.
Figure 20 - Projets d’architecture comprenant des cellules photovoltaïques pour la production
d’électricité, à l’international (n=344) et au Canada (n=43) (Horvat, Dubois et al., 2011)
21
Figure 21 - Projets d’architecture comprenant des systèmes solaires thermiques pour la production
d’eau chaude, à l’international (n=346) et au Canada (n=43) (Horvat, Dubois et al., 2011)
De plus, les résultats indiquent que, de façon générale, les architectes qui intègrent la
variable solaire le font par eux-mêmes, sans l’implication de spécialistes, dans les
premières phases de conception, ce qui réitère l’importance des méthodes et des outils
qu’utilisent les architectes dans les premières phases du processus de conception.
Concernant les outils et les méthodes en question, les résultats de l’enquête indiquent que
les architectes utilisent notamment les outils informatiques, les outils graphiques, les outils
physiques, les guides contenant des lignes directrices et les méthodes approximatives
(règles du pouce), appuyant une fois de plus la pertinence de cette recherche. Enfin, les
résultats montrent que rares sont les architectes qui possèdent des compétences avancées
dans l’utilisation des méthodes graphiques et des outils informatiques solaires :
seulement 30% (n=313) des répondants internationaux et 23% des répondants
canadiens (n=40) ont considéré avoir des compétences très avancées ou avancées avec
les méthodes graphiques de conception solaire (figure 22);
seulement 20% (n=306) des répondants internationaux et 15% des répondants
canadiens (n=40) ont considéré avoir des compétences très avancées ou avancées avec
les outils informatiques CAAO qui intègrent des fonctions solaires (figure 23);
seulement 20% (n=313) des répondants internationaux et 8% des répondants canadiens
(n=40) ont considéré avoir des compétences très avancées ou avancées avec les outils
solaires spécialisés (figure 24).
22
Figure 22 – Compétences des architectes perçues avec différentes méthodes graphiques solaires, à
l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011)
Figure 23 - Compétences des architectes perçues avec différentes fonctions solaires intégrées aux outils
CAAO, à l’international (n=306) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011)
Figure 24 - Compétences des architectes perçues avec différents outils solaires avancés, à l’international
(n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011)
Tout compte fait, les résultats de l’enquête internationale montrent que les outils et les
méthodes de conception solaire sont souvent perçus comme étant complexes et difficiles à
apprendre, ce qui peut décourager leur utilisation. L’importance de s’attarder à ces
problèmes en vue d’augmenter le nombre d’utilisateurs et la fréquence d’utilisation de ces
outils et méthodes se présente ici comme une évidence. Le prochain chapitre présente les
différents systèmes solaires pouvant être intégrés à l’architecture.
23
2. ARCHITECTURE SOLAIRE
L’architecture solaire de haute qualité est une architecture qui intègre au mieux
l’exploitation de l’énergie solaire dans le bâtiment afin d’y accroitre le confort des
occupants ainsi que les performances environnementales (énergétiques, etc.), économique,
social et des ambiances physiques architecturales (thermiques, visuelles, etc.) (Fernandez &
Lavigne, 2009; Liebard, 2007). La qualité d’intégration architecturale dépend, entre autres,
du contrôle et de la cohérence des systèmes solaires des points de vue fonctionnel,
constructif et formel (esthétique) (Munari Probst et al., 2012). Pour y arriver, la variable
solaire doit être manipulée avec soin lors de la conception d’un espace (Heschong, 1981) et
doit être appréhendée comme un élément à part entière de la conception, au même titre que
les différentes variables physiques, architecturales, urbanistiques et économiques. Andresen
(2000) ajoute que la variable solaire doit faire partie des objectifs de conception et non
seulement être liée aux objectifs de performance énergétique. Enfin, la variable solaire peut
être intégrée architecturalement aux bâtiments pour différentes intentions, soit pour
l’éclairage naturel, pour la production de chaleur utile et/ou pour la production d’électricité
(figure 25).
Figure 25 - Types de systèmes solaires classés selon différents besoins pour le bâtiment
2.1 ÉCLAIRAGE NATUREL
L’éclairage naturel consiste à utiliser la lumière naturelle comme source lumineuse
principale pour les occupants (figure 26). En plus de réduire la consommation énergétique
de l’éclairage artificiel et de diminuer la densité de puissance installée (W/m2), les
avantages de l’éclairage naturel sont nombreux. Il permet entre autres :
24
de favoriser la santé et le bien-être des occupants (Osterhaus, 2005; Veitch, 2007);
d’améliorer le confort des occupants, de stimuler le système visuel et circadien
humain puisqu’« un confort trop stable peut être ennuyeux et que des variations sont
parfois les bienvenues » (Roulet, 2004);
d’influencer l’humeur, la motivation, la réponse biologique, la productivité et le
stress (Boyce, 2003; Küller, 2002; Lucuik (2005); Marty et al., 2003; Menzies et
Wherrett, 2005).
Figure 26 - Exemple d’éclairage naturel omniprésent pour les occupants (Haut : Altius Architecture
Inc, Bas : Binette et Binette architectes)
Puisque l’éclairage naturel varie constamment, son utilisation constitue un réel défi pour
l’architecte. Ce dernier doit notamment établir des stratégies pour limiter les risques
25
d’éblouissement, de réflexions indésirables sur les écrans d’ordinateur, etc. Selon Demers
(2003), les principes fondamentaux de l’éclairage naturel sont :
le contexte (nature);
le volume (accès);
les ouvertures (modulation);
les surfaces (matérialisation).
Le contexte comprend les caractéristiques climatiques du site selon le climat, la latitude, le
type de ciels, la présence de neige et les obstructions externes. Le volume concerne la
forme et la largeur du bâtiment pour y optimiser l’éclairage naturel. Les ouvertures doivent
ensuite être modulées afin de privilégier la vue sur le ciel, en s’attardant à la forme, à la
position et au pourcentage des ouvertures en façade (ratio d’opacité et de transparence). En
ce qui a trait aux ouvertures, il importe de savoir que les occultations solaires contribuent
efficacement à contrôler l’éclairage naturel et à éviter l’éblouissement (Littlefair, 1999). En
effet, le phénomène de l’éblouissement pourrait diminuer la productivité de 15 à 21%, suite
à une exposition trop intense de lumière susceptible de créer des contrastes lumineux
inconfortables (Lucuik, 2005). Enfin, les surfaces concernent le choix des réflectances des
matériaux utilisés afin d’optimiser les diffusions internes. La figure 27 présente un exemple
de système d’éclairage naturel qui, en plus d’être alimenté par l’énergie solaire, est utilisé
pour limiter le phénomène d’éblouissement (qui est bien important de contrôler car cette
solution peut aussi engendrer des problèmes d’éblouissement puisque la lumière naturelle
est redirigée vers l’œil des visiteurs). Le système comprend neuf ballons qui se déploient, si
nécessaire, en fonction de la chaleur reçue. Le système permet donc de diffuser la lumière
lorsque le soleil y est trop intense.
Figure 27 - Exemple de système d’éclairage naturel servant à occulter le soleil (Spridd architecte)
26
2.2 PRODUCTION DE CHALEUR UTILE
Plusieurs systèmes solaires peuvent être intégrés architecturalement aux bâtiments pour
produire de la chaleur utile. Ces systèmes peuvent être catégorisés en deux groupes
distincts, soit passifs ou actifs (figure 28). Le solaire thermique passif ou "chauffage solaire
passif" consiste à utiliser l'énergie solaire le plus simplement possible, sans avoir recours à
une mécanique particulière, pour chauffer le bâtiment par "effet de serre". Le solaire
thermique actif consiste à utiliser l’énergie solaire en ayant recours à des systèmes actifs
(mécaniques) qui convertissent l’énergie solaire en énergie thermique pour produire de la
chaleur utile. Le solaire thermique passif et actif demeurent des volets particulièrement
importants pour les architectes, puisqu’ils sont directement liés à la conception
architecturale et donc au travail qui les concerne en propre, notamment aux premières
phases de conception.
Figure 28 - Le solaire passif et actif (Reproduit et sous réserve de l’auteur : LIÉTARD et al., 1996)
2.2.1 Le solaire thermique passif
Le solaire thermique passif ou chauffage solaire passif est l’utilisation des gains solaires
passifs pour chauffer le bâtiment en saison froide. En plus de réduire la consommation
énergétique du chauffage, les avantages du chauffage solaire passif sont nombreux. Selon
Heschong (1981), il permet entre autres :
27
d’améliorer la sensation de bien-être thermique;
de créer un microclimat favorable;
d’assurer une ambiance chaleureuse et confortable.
Toutefois, les gains solaires qui traversent la fenestration augmentent le risque de pertes de
chaleur importantes lorsque les fenêtres sont surdimensionnées ou mal isolées,
particulièrement pendant la nuit en hiver, et augmentent le risque de surchauffe en été. Pour
contrer les pertes de chaleur, il existe, entre autres, les fenêtres à double et triple vitrage
offrant des performances accrues. Pour contrer la surchauffe, il existe plusieurs solutions
architecturales, comme les avancées de toit (avant-couvertures), les fenêtres en retrait, les
marquises, l’intégration d’arbres à feuilles caduques, les occultations solaires, etc. Rheault
et Bilgen (1987a, 1987b) ont d’ailleurs soulevé que des occultations solaires à Montréal
peuvent réduire les charges de chauffage entre 30% et 70 % et les charges de
refroidissement jusqu’à 90%.
Le chauffage solaire passif s’opère naturellement grâce à trois modes de transfert d’énergie
que sont la conduction, la convection et le rayonnement. Les quatre principes du chauffage
solaire passif sont le captage, le stockage, la distribution et la conservation (figure 29).
Figure 29 - Principes du chauffage solaire passif (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Cofaigh et al.,
1996)
Mazria (1981) présente trois façons de capter et stocker l’énergie solaire, soit directement,
indirectement ou séparément (par le phénomène de thermocirculation). Le captage direct
est la façon la plus simple et la plus efficace. Il implique essentiellement d’avoir une
fenestration importante bien orientée (± sud) et une masse thermique suffisante à
28
l’intérieur, alors que le captage indirect requiert d’avoir une masse thermique positionnée
directement derrière la fenestration. Le mur capteur et le mur trombe sont des exemples de
dispositifs qui mettent à profit la convection naturelle pour transférer et accumuler de la
chaleur à l’intérieur des bâtiments. La figure 30 présente un exemple de mur trombe intégré
en façade sud, participant aux fortes exigences de Haute Qualité Environnementale (HQE)
auxquelles le bâtiment devait répondre.
Figure 30 - Mur trombe de la bibliothèque des sciences de l’université de Versailles (Badia Berger
architectes)
Le captage séparé se caractérise par un système de stockage qui fonctionne
indépendamment du bâtiment, par exemple un capteur solaire qui transfère de l’eau chaude
par une pression naturelle (un mouvement convectif d’ascendance thermique) vers un
réservoir de stockage thermique qui se trouve au-dessus du capteur (Mazria, 1981).
Enfin, les deux composantes fondamentales du chauffage solaire passif sont les fenêtres et
les matériaux de stockage. Le premier élément, soit la fenêtre, doit donc être choisie et
positionnée consciencieusement afin de limiter les pertes thermiques, ce qui permet d’en
augmenter leur superficie (exemple double vitrage à faible émissivité pour améliorer le
rendement d’un mur trombe). La fenêtre doit être choisie selon les paramètres de
performance suivants (McGowan) :
la conductance thermique (valeur U);
le coefficient de gains solaires (Solar heat Gain Coefficient, SHGC en Amérique et g en
Europe);
les surcharges dues au vent;
la condensation;
En construction
29
la couleur/l’esthétique;
la transmission de la lumière visible;
la résistance aux chocs;
la résistance au feu.
Le deuxième élément, soit le matériau de stockage, sert à absorber, à stocker et à distribuer
l’énergie solaire quand la température de l’air s’abaisse. Le matériau idéal est celui qui
possède une masse thermique d’une capacité calorifique élevée, une conductance et une
densité modérée ainsi qu’une émissivité élevée (Robertson et Athienitis, 2010). Pour
illustrer cela, la figure 31 expose un système de chauffage solaire passif qui utilise
l’enveloppe du bâtiment pour occulter les rayons solaires d’été, laissant pénétrer les rayons
d’hiver à l’intérieur du bâtiment, lequel possède des éléments massifs de béton permettant
de stocker l’énergie solaire afin de limiter la surchauffe et de redistribuer la chaleur après le
coucher du soleil.
Figure 31 - Exemple de chauffage solaire passif (Triptyque Architecture)
2.2.2 Le solaire thermique actif
Le solaire thermique actif consiste à utiliser l’énergie solaire en ayant recours à des
systèmes actifs (mécaniques) qui convertissent l’énergie solaire en énergie thermique pour
produire de la chaleur (eau de piscine, eau chaude domestique, eau dans des procédés
industriels, chauffage de l’air, etc.). Les systèmes thermiques actifs les plus courants sont
les capteurs de polymères noirs (copolymères) pour l’eau de piscine, les panneaux solaires
thermiques non vitrés, les panneaux thermiques vitrés, les panneaux à tubes sous vide et les
murs solaires. Plusieurs autres systèmes solaires thermiques industrialisés existent sur le
30
marché international (Wall, Munari Probst et al., 2009). Par exemple, la compagnie
québécoise Solaris a récemment développé un système solaire thermique composé de
plaquettes de polycarbonate, laissant passer la lumière naturelle en bloquant les rayons
infrarouges, qui a permis d’économiser, pour une application à Québec, pas moins de
24 000 litres de propane par année (figure 32). De plus, il y a les concentrateurs solaires,
tels que ceux utilisés à Hammarby Sjöstad, Stockholm.
Figure 32 - Système solaire thermique à air LubiMD
, Québec, Canada (Enerconcept Technologies et
Solaris)
La prochaine section présente différents systèmes solaires thermiques disponibles sur le
marché actuellement pour différents usages. L’usage influence directement le choix du type
de systèmes solaires thermiques afin d’obtenir le meilleur rendement possible. En effet, le
rendement du panneau solaire thermique dépend de la différence entre la température de
l’absorbeur (qui convertit l’énergie du rayonnement solaire en chaleur) et la température
ambiante extérieure (qui varie selon les saisons) (figure 33). Bref, les panneaux solaires
thermiques sont plus efficaces quand la température ambiante extérieure égale la
température de l’absorbeur, comme en saison chaude.
31
Figure 33 - Rendement de trois types de panneaux solaires thermiques (Reproduit et sous réserve de
l’auteur : Munari Probst et al., 2012)
2.2.2.1 Production de chauffage de l’eau
Tel que mentionné précédemment, les systèmes solaires pour réchauffer l’eau de piscine
peuvent être intégrés aux bâtiments en utilisant un simple capteur de polymères noirs ou
encore un panneau solaire thermique non-vitré, composé d’un absorbeur solaire, un
système hydraulique et un isolant. Le panneau non-vitré est idéal quand il est utilisé pour
des applications nécessitant des températures moyennes entre 20 et 50°C. Il représente un
système abordable, simple et performant quand il est utilisé pour des applications à basse
température, comme pour l’eau de piscine qui requièrent une température moyenne de 20°C
(RNcan, 2012). Les systèmes solaires pour produire de l’eau chaude domestique peuvent
quant à eux être intégrés aux bâtiments en utilisant :
un panneau solaire thermique vitré, composé d’un verre qui abrite un absorbeur solaire,
un système hydraulique et un isolant;
un panneau thermique à tubes sous vide, composé de tubes de verre qui abritent un
absorbeur solaire, un système hydraulique et un isolant.
Le panneau vitré est idéal pour des températures variant entre 50 et 100°C, tandis que le
panneau à tubes sous vide est plus efficace pour des températures entre 50 à 120°C. Tel que
le suggère la figure 33, le rendement du panneau à tubes sous vide est en effet légèrement
Chauffage
eau de piscine
Chauffage
eau domestique (<60°C)
Chauffage
industriel
32
supérieur à celui vitré. Plusieurs caractéristiques différencient particulièrement ces types de
panneaux solaires :
la dimension, qui prend minimalement 1,5 à 3 m2, d’une épaisseur de 4 à 10 cm et d’un
poids de 20 kg/m2;
l’équipement, qui comprend essentiellement un système hydraulique (d’eau, de glycol,
etc.) relié vers un échangeur de chaleur et un bassin de stockage (d’eau, de sable, etc.)
situé à l’intérieur du bâtiment, le plus près possible des panneaux solaires. Le système
hydraulique, de l’ordre de 3 à 8 cm, doit être très bien isolé pour limiter les pertes
thermiques. Le bassin de stockage peut aussi être relié à un chauffe-eau raccordé au
réseau électrique ou à une chaudière pour assurer la demande en énergie, selon le
niveau de température requis, le débit attendu, les heures d’ensoleillement, etc. (figure
34);
la fraction solaire, soit la part des besoins du bâtiment couvert par le système solaire,
qui représente une variable très importante à considérer en raison de la production
estivale élevée. En effet, de façon générale, la fraction solaire se situe généralement
entre 50 et 60%. Pour viser une fraction solaire jusqu’à 90%, Munari Probst et al.
(2012) proposent d’installer le capteur suivant une orientation qui offre un rendement
plus stable pour éviter la surproduction, comme sur une façade verticale orientée au
sud.
Enfin, avec ce type de système, il peut s’avérer rentable de relier plusieurs équipements,
tels les électroménagers, les douches, les radiateurs, les planchers radiants, les lavabos, etc.
(ADEME, 2011). En fonction de l’application, la température de distribution de l’eau
chaude doit être ajustée. Par exemple, les planchers radiants doivent être moins chauds que
les radiateurs pour le confort des occupants. Pour cette raison, un système d’appoint est
nécessaire pour ajuster la température finale.
33
Figure 34 - Schéma technique du panneau solaire thermique pouvant servir à différentes applications
La figure 35 présente un projet qui intègre avec élégance des panneaux solaires non vitrés
pouvant réchauffer efficacement l’eau de piscine. Le système mécanique des panneaux
solaires est complètement dissimulé, intégré dans le toit de façon sécuritaire et discrète
(RHEINZINK, 2011).
Figure 35 - Panneaux solaires thermiques non vitrés QUICK STEP® intégrés au bâtiment
(RHEINZINK, 2011)
D’une manière tout aussi originale, la compagnie S-Solar présente une autre manière
d’intégrer un système thermique avec un système d’occultation solaire actif qui peut
34
s’installer dans différents contextes : 1) entre deux verres dans les régions nordiques, 2)
sans verre dans les régions de l’hémisphère sud et 3) comme occultation solaire intérieure
(figure 36).
Figure 36 - Panneaux solaires thermiques non vitrés S-Solar faisant office de brise-soleil (S-Solar et
White architectes)
Autrement, la figure 37 présente un projet qui intègre des panneaux solaires thermiques à
tubes sous vide destinés à produire de l’eau chaude domestique. Le projet utilise des
panneaux solaires RobinSun qui agissent à la fois pour produire de l’eau chaude
domestique et occulter partiellement les balcons extérieurs. Les panneaux ont été
conceptualisés pour laisser passer le rayonnement solaire d’hiver et bloquer celui d’été.
Figure 37 - Panneaux solaires thermiques à tubes sous vide RobinSun Solar Thermal Glass intégrés au
bâtiment (ROBIN SUN, 2011)
Enfin, la figure 38 présente un projet contemporain qui intègre des panneaux vitrés d’une
fraction solaire de 90% qui se distingue par un souci de composition formelle et matérielle
35
des façades. Le projet intègre des panneaux AKS DOMA à des panneaux opaques bleus
foncés, pour ainsi créer un ensemble homogène qui dissimule le système. L’ajout des joints
en aluminium participe également à l’intégration architecturale du système solaire, à la
simplicité des lignes et à l’harmonie des matériaux du bâtiment.
Figure 38 - Panneaux solaires thermiques vitrés Doma flex holz intégrés au bâtiment (AKS DOMA
Solartechnik, 2011)
36
2.2.2.2 Production de chauffage de l’air
Des systèmes solaires pour le chauffage de l’air peuvent être intégrés aux bâtiments, afin
d’optimiser les gains solaires passifs en les transférant vers d’autres zones non exposées au
soleil (pompe à chaleur, système de ventilation, etc.). Il existe notamment le système
solaire thermique SolarWall®, développé au Canada et maintenant commercialisé à travers
le monde. Parmi une large gamme de produits – dont le système SolarWall® 2-Étages aux
performances extrêmes permettant d'atteindre jusqu'à 60 C quand la température extérieure
se situe sous le point de congélation (SolarWall®, 2012) – le système de base se compose
d’un absorbant micro perforé (parement métallique corrugué) qui laisse passer l’air dans
une cavité où l'air circule librement. La cavité d’air est ensuite raccordée à une boite de
mélange en vue 1) de chauffer et/ou préchauffer l’air d’oxygénation du bâtiment ou 2) de
diriger l’air vers l’extérieur en été pour éviter la surchauffe et ainsi diminuer le besoin de
climatisation du bâtiment (figure 39). Avec ce type de système, les gains solaires sont
utilisés dans l’immédiat, ne requièrent aucun stockage et préchauffent et/ou chauffent l’air
frais qui arrive dans le bâtiment via le système de ventilation. Selon les conditions
climatiques, le système permet ainsi de réduire la consommation énergétique de façon
notable et de fournir un retour sur l’investissement parmi les meilleurs de tous les systèmes
solaires (selon le manufacturier).
Figure 39 - Schéma technique du mur solaire (Reproduit et sous réserve de l’auteur : SolarWall®,
2012)
37
Les exemples suivants présentent des projets élaborés dans la phase conceptuelle avec
l'intégration de murs solaires de type SolarWall®. La figure 40 illustre un bâtiment existant
à rénover qui bénéficiait d'un ensoleillement propice pour l'exploitation de l'énergie solaire.
En effet, tel qu'illustré, les façades sud-est et sud-ouest sont bien orientées pour créer
efficacement de l'énergie. Dans l’option illustrée à la figure 41, un toit en pente a été ajouté
afin d'intégrer une surface de captage SolarWall®. Cette surface permet notamment
d'uniformiser le bâtiment, d'améliorer son image aux plans architectural et énergétique et de
dissimuler les éléments mécaniques sur le toit. Dans une autre option, illustrée à la figure
42, les deux façades pertinentes sont privilégiées pour intégrer une surface de captage. Elles
sont habillées de surface SolarWall® assez foncée, percée pour les besoins de la
fenestration. Ces percements verticaux et horizontaux animent ainsi les façades, dynamisent
l'ensemble, créent un rappel des matériaux et des couleurs du bâtiment existant et enfin,
harmonisent l'enveloppe solaire. Pour ce cas, une étude quantitative avec le l'outil
RETScreen a permis de déterminer que cette option pourrait, entre autres :
produire une énergie renouvelable annuelle de 154 900 kWh;
épargner annuellement 19 997 m3 de gaz naturel, et
réduire annuellement les émissions de CO2 de 41,98 tonnes.
Enfin, le bâtiment serait ainsi éligible à un programme gouvernemental pour recevoir une
subvention et bénéficier d’une économie appréciable sur la facture d'électricité mensuelle.
Figure 40 - Bâtiment et site existant, Québec, Canada (Jean Dallaire architectes)
Façade SO
Façade SE
38
Figure 41 - Option 1 qui intègre une enveloppe SolarWall® (Jean Dallaire architectes)
Figure 42 - Option 2 qui intègre une enveloppe SolarWall® (Jean Dallaire architectes)
La figure 43 présente un autre exemple, où le mur solaire est partie prenante du concept
architectural. Le concept global représente un pliage continu d'une couleur foncée
contrastante qui forme, au passage, la marquise de l’entrée principale. L'exemple s'avère
intéressant par cette intégration qui enrichit les qualités architecturales du résultat et qui
permet d’équilibrer la surface du capteur SolarWall® et le besoin en air frais du bâtiment.
Façade et Toit SO
Façade SO Façade SE
39
Figure 43 - Intégration d’un mur SolarWall® dans un concept de pliage architectural (Jean Dallaire
architectes)
Le projet de la figure 44 présente un autre projet où le système est complètement dissimulé
dans l’enveloppe du bâtiment industriel. L’architecte a pour celui-ci utilisé un parement
perforé bleu assez foncé, d’une efficacité ± 90%, raccordé au système de ventilation de
l’immeuble.
Figure 44 - Industek, Victoriaville, Québec (Binette et Binettes architectes)
En terminant, la figure 45 présente le produit SolarWall® intégré au centre de formation
des pompiers et des services de secours de l’aéroport international de Toronto Pearson,
lequel a gagné le prix du projet solaire thermique en 2007, attribué par l’Association
Canadienne des Industries Solaires (Canadian Solar Industries Association). La
Façade SE
Façade Sud
40
combinaison des formes et des matériaux, parmi lesquels le panneau solaire détient une
place de choix, crée une plasticité harmonieuse, qui a sans doute été appréciée du jury.
Figure 45 - Intégration du produit SolarWall® à l’aéroport international de Toronto Pearson (KMA
architectes)
Fait à noter, il existe un outil informatique disponible gratuitement pour évaluer ces
systèmes des points de vue économique et environnemental (à voir au chapitre 5).
2.3 PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ
Les systèmes solaires pour produire de l’électricité peuvent être intégrés aux bâtiments en
ayant recours à des systèmes actifs (mécaniques), qui convertissent l’énergie solaire en
énergie électrique par l’effet photovoltaïque. L’effet photovoltaïque, soit la conversion de
la lumière en électricité, a été découvert par Becquerel en 1839. Il a conduit au
développement de l’énergie photovoltaïque pour des applications spatiales vers 1950 et
pour des applications terrestres vers 1970 et 1980 (lenergie-solaire.fr). Depuis les années
2000, la production totale de modules photovoltaïques a augmenté de manière très rapide,
avec un taux de croissance annuel qui se situe entre 40 et 90% selon les pays (Jäger-
Waldau, 2011).
Les systèmes solaires photovoltaïques qui existent sur le marché se distinguent selon trois
catégories, soit 1) les cellules en silicium cristallin, 2) les cellules en silicium amorphe
(première technologie à couche mince) et 3) les nanotechnologies, dont les systèmes à base
de cellules organiques, polymères ou de fullerènes (INES, 2007). Certains d’entre eux, de
la famille des polycarbazoles, ont été élaborés par la Chaire de recherche du Canada sur les
41
polymères électroactifs et photoactifs de l’Université Laval (Leclerc, 2011), et d’autres, ont
été industrialisés par la compagnie américaine Konarka (figure 46).
Figure 46 - Systèmes solaires photovoltaïques à bases de cellules organiques (Konarka,
http://www.konarka.com/)
Les systèmes photovoltaïques les plus courants sont offerts en panneaux de silicium
monocristallin, multicristallin et amorphe. Le panneau solaire photovoltaïque de silicium
monocristallin est composé d’un seul cristal uniforme et son rendement est de 17 à 22%.
Celui de silicium multicristallin est composé de plusieurs cristaux non uniformes et son
rendement est de 11 à 17%. Celui de silicium amorphe exploite une surface composée de
silicium hydrogéné ayant un rendement moyen entre 4 à 8%. et jusqu'à 13% pour une
technologie amorphe de type "P-I-N" (UNI-SOLAR; Munari Probst et al., 2012). Les
aspects importants à retenir avec la technologie photovoltaïque sont les suivants :
la dimension, de l’ordre de 0.2 à 2 m2 (dans lequel chaque cellule photovoltaïque
varie entre 10 x 10 cm à 20 x 20 cm), d’une épaisseur d’environ 0.4 à 1 cm et un
poids de 9 à 18 kg/m2 (données moyennes pour la technologie de silicium
cristallin);
l’apparence, variée, qui peut être opaque, translucide, avec ou sans encadrement et
sous différentes couleurs, motifs et textures;
l’équipement, qui comprend un câblage assez restreint d’environ 0.8 à 1.5 cm de
diamètre;
le rendement, qui dépend de plusieurs facteurs dont la température des cellules et le
type de technologie (figure 47). En effet, la chaleur interne à l’arrière des panneaux
42
photovoltaïques réduit son rendement électrique pour chaque degré supérieur à la
température d’émission prévue de 25°C (SolarWall®, 2011). La technologie doit
donc être intégrée dans un assemblage qui prévient la surchauffe, comme il sera vu
dans les systèmes hybrides de la prochaine section. Le rendement dépend aussi des
facteurs suivants : réflexion du verre, déviation des tests de conditions standards,
neige et saleté, ombrage, tolérance, perte de l’onduleur et perte du câblage et circuit.
Figure 47 - L’effet de la température sur l’efficacité normalisée des systèmes solaires suivants : a) de
silicium cristallin à haut rendement, b) de silicium monocristallin, c) de silicium
multicristallin, d) de silicium amorphe, e) de type "Micromorph" tandem, f) composé de
tellure de cadmium (CdTe), g)-h) à couche mince composé de cuivre, indium, gallium et
sélénium (CIGS) (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Munari Probst et al., 2012)
Les cellules photovoltaïques de silicium génèrent un courant continu quand elles sont
exposées au soleil. Ce courant est directement transformé en courant alternatif par un
onduleur ou est alternativement stocké dans des batteries. Le courant alternatif est ensuite
utilisé dans le bâtiment par les appareils électriques (éclairage artificiel, réfrigérateur, etc.).
Un panneau solaire génère typiquement entre 180 et 250 W (Munari Probst et al., 2012). À
titre de comparaison, la puissance moyenne de trois ampoules à incandescence varie de 100
à 200W, ou encore, celle d’un ordinateur avec un écran plat varie de 70 à 80 W. Il faut
savoir que le courant alternatif peut aussi être transmis à un réseau de distribution, tel
Hydro-Québec dans la province de Québec (figure 48), ce qui confère à cette technologie
une capacité de production illimitée. Le réseau Hydro-Québec accepte cet apport depuis
2003 et offre en contrepartie des crédits sous forme de kilowattheures (kWh) pouvant ainsi
réduire la facture d'électricité durant les périodes où la consommation excède la capacité de
43
production (Hydro-Québec, 2011). L’Ontario, par ailleurs, se démarque non seulement par
ses installations de production d’énergie solaire photovoltaïque qui représentent 91% des
installations canadiennes, mais également par ses programmes d’énergie solaire que sont le
Programme d’offre standard pour l’énergie renouvelable et celui de tarif de rachat garanti
(Navigant Consulting Inc, 2012). Ces programmes financent le producteur d’électricité à
raison de 0,443 $/kWh à 0,802 $/kWh (où un supplément de 0,004 $/kWh peut être accordé
aux groupes communautaires), et ce depuis l’instauration du projet de loi 150 qui s’intitule
l’énergie verte et l’économie verte en 2009 (Ontario Power Authority, Ministère de
l’agriculture, de l’alimentation et des affaires rurales de l’Ontario, 2012). Des programmes
comparables sont mis en œuvre en Colombie-Britannique pour encourager l’exploitation de
l’énergie photovoltaïque, soit le programme Mesurage net de BC Hydro (offrant un tarif de
rachat de 0,816 $/kWh), Mesurage net de FortisBC et le Programme d’offre permanente
(Navigant Consulting Inc, 2012).
Figure 48 - Schéma technique du panneau solaire photovoltaïque pouvant être utilisé de trois façons :
1) directement sur place, 2) envoyé au réseau, 3) stocké dans des batteries (Reproduit et
sous réserve de l’auteur : A.E.R Sud, 2011)
44
La figure 49 présente la technologie de silicium monocristallin avec un projet du fabricant
de technologies solaires Sanyo. Pour marquer son 50e année d’anniversaire, la compagnie a
construit une arche solaire, laquelle abrite un musée solaire et un laboratoire. Cette arche
est autant particulière puisqu’elle comporte des milliers de cellules solaires récupérées de
tous les panneaux solaires rappelés en raison d’un problème de qualité. Cette récupération
représente 630 kW de puissance solaire et génère donc plus de 500 000 kWh d’énergie
solaire annuellement.
Figure 49 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium monocristallin intégrés au bâtiment
(Panasonic, 2012)
D’autre part, la figure 50 présente un projet qui comporte des panneaux solaires
photovoltaïques de silicium multicristallin, lesquels sont architecturalement intégrés dans
un garde-corps extérieur. Les panneaux remplacent ainsi un élément de construction
essentiel du bâtiment, servant à la fois à produire de l’électricité et à assurer la sécurité des
usagers de la terrasse. L’exposition des panneaux au grand vent limite leur surchauffe et
accroit en conséquence leur efficacité et leur durabilité.
Figure 50 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium multicristallin intégrés au bâtiment
(Solarfassade.info)
45
En terminant, la figure 51 présente des panneaux solaires photovoltaïques de silicium
amorphe, lesquels sont agencés avec un revêtement et une structure de bois apparente. Une
autre particularité de la technologie choisie est qu’elle peut facilement être installée sur des
surfaces courbes. Elle aurait pu aussi bien être installée ultérieurement à la construction,
sous réserve de planifier à l’avance l’emplacement des conduits mécaniques. Par sa
malléabilité, cette technologie convient particulièrement aux surfaces existantes.
Figure 51 - Système solaire photovoltaïque de silicium amorphe intégré au bâtiment (RHEINZINK,
2011)
2.4 SYSTÈMES HYBRIDES
De plus en plus, les systèmes solaires combinent différentes technologies solaires
thermiques et photovoltaïques, permettant ainsi de combiner la production d’électricité et le
préchauffage de l’air. Tel que mentionné précédemment, un des avantages de ces systèmes
est la possibilité de prévenir la surchauffe des panneaux photovoltaïques, ce qui augmente
leur rendement et leur durée de vie. L’exemple qui suit en est démonstratif. Il s’agit d’un
projet en provenance de l’Alberta, intégrant 244 tuiles de couverture photovoltaïque
Solarsave® combinées à un système de récupération de chaleur (figure 52). Le système de
récupération de chaleur se compose d’un espace d’air entre les tuiles de couverture
photovoltaïque et l’isolation du toit. L’espace d’air, créé par l’installation de linteaux
horizontaux et verticaux, permet de 1) préchauffer l’air du bâtiment aspiré par les sous-
46
faces vers le système de ventilation, 2) éviter la surchauffe des tuiles solaires, 3) installer le
câblage des tuiles photovoltaïques, et 4) assurer l’écoulement de l’eau s’il y a infiltration.
Figure 52 - Avalon Discovery 3, Red Deer, Alberta, Canada (SCHL)
La figure suivante présente un projet en provenance du Québec qui intègre un système
solaire photovoltaïque de silicium amorphe combiné à un système de récupération de
chaleur (figure 53). Dans ce projet, l’apport d’air neuf est préchauffé dans la cavité d’air
entre le panneau photovoltaïque et l’isolation de la couverture du toit (figure 54).
Figure 53 - ÉcoTerraMC
, Eastman, Québec, Canada (SCHL)
47
Figure 54 - Schéma technique de solaire actif couplé avec le solaire thermique (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Athienitis, 2011)
Dernier projet de ce segment, le bâtiment John Molson de l’Université Concordia à
Montréal comprend 350 m2 de panneaux solaires photovoltaïques de silicium multicristallin
combinés à un revêtement perforé SolarWall®, L’air neuf s’introduit dans le bâtiment à
travers le dispositif, doublement préchauffé derrière les panneaux photovoltaïques (figure
55 et 56).
Figure 55 - Bâtiment John Molson à Montréal, Québec, Canada (Gauche : KPMB architectes, Fichten
Soiferman et Associés, Droite : Athienitis, 2011)
48
Figure 56 - Système technique SolarWall® photovoltaïque/thermique (PV/T) (Reproduit et sous réserve
de l’auteur : Athienitis, 2011)
2.5 CONSTATS DE L’INTÉGRATION DES SYSTÈMES SOLAIRES À L’ARCHITECTURE
Certes, le développement des systèmes solaires passifs et actifs est en constante évolution.
Il devient de plus en plus attrayant de les intégrer aux bâtiments, d’autant plus que leur
intégration est liée à la conception architecturale, donc relève de l’expertise de l’architecte.
En effet, la visibilité des systèmes solaires a un impact important sur l’apparence du
bâtiment. Ils sont soient intégrés, indépendants, apparents ou cachés de l’enveloppe. Les
possibilités d’intégration sont multiples, comme en fait foi la figure 57, se traduisant par
exemple par : 1) une addition technique, 2) un élément à double fonction (un dispositif
d'occultation de la lumière naturelle, un garde-corps, etc.), 3) une structure autoportante, 4)
une surface partielle d’enveloppe, 5) une surface complète d’enveloppe (une façade, une
toiture, etc.) ou 6) une géométrie optimisée pour le captage de l’énergie solaire. Les
systèmes solaires sont réputés intégrés quand ils deviennent des éléments de construction
agencés avec inventivité selon la composition du bâtiment dans son ensemble, aux points
de vue formel, spatial et matériel (Munari Probst et Roecker, 2007). Cette position est aussi
corroborée par Hestnes (1999), qui a étudié de manière assez approfondie l'intégration
architecturale de dix projets solaires européens réalisés en Autriche, en Allemagne, au
Danemark, en Finlande et en Suisse. Comme d’autres, cette recherche suggère que
l’intégration architecturale et la compatibilité des systèmes solaires sont des éléments qui
49
garantissent le développement d’une architecture solaire de haute qualité. À ce sujet,
Munari Probst et al. (2012) présentent un bon nombre de précédents et une gamme
diversifiée de technologies solaires pouvant être intégrées aux projets dans la pratique de
l’architecture. Les différentes technologies offrent donc de nouveaux matériaux de
composition aux architectes, standardisés ou sur-mesure.
Figure 57 - Les possibilités d’intégration solaire architecturale (Munari Probst et al., 2012)
Les principaux avantages de l’intégration des systèmes solaires sont qu’ils peuvent
remplacer des composantes élémentaires de la construction (matériaux extérieurs et
intérieurs) et qu’ils peuvent améliorer les propriétés architecturales et esthétiques, voire
l’intérêt de la composition formelle, la richesse des perceptions dans l’expérience et
l’occupation des lieux, et rehausser la qualité du résultat obtenu pour l’effort investi. Suite à
des recherches sur les bâtiments écologiques, Lucuik (2005) relève pour sa part les
avantages suivants :
des couts opérationnels moindres pendant la durée de vie du bâtiment;
une protection contre les augmentations futures du prix de l’énergie;
des primes d'assurances réduites;
des gains de productivité;
une valeur plus élevée des bâtiments et des meilleurs taux d’occupation;
une augmentation des ventes au détail;
une amélioration de l’image;
diverses considérations externes comme des effets sur l’infrastructure, sur
l’environnement et sur l’économie locale, et
une reconnaissance internationale démontrant un intérêt clair et symbolique pour le
développement durable.
À la lumière de ces faits, il paraît à propos de présenter quelques exemples d’architecture
solaire de haute qualité qui intègrent des systèmes solaires passifs et actifs. Les trois projets
qui suivent ont été jugés et admis par les experts de la Tâche 41 de l’AIE selon des critères
d’intégration et de qualité architecturale en figurant parmi les mieux notés. La figure 58
50
montre un projet dont la volumétrie est conceptualisée afin d’intégrer un système solaire
actif pour produire de l’électricité, utilisant la composition formelle pour exploiter l’énergie
solaire efficacement sur une grande surface de l’enveloppe. L’esthétisme en est bonifié,
tirant également profit d’une exploitation des caractéristiques du site pour mieux capter
l’énergie du soleil.
Figure 58 - Habitation Imagine Rommen, Norvège (PUSHAK AS)
La figure 59 présente un projet qui se distingue cette fois par une double peau qui intègre
un système solaire actif, photovoltaïque. Le projet manifeste avec franchise et audace
plusieurs principes et moyens propres à la conception solaire, tels que des systèmes
d’éclairage naturel, des systèmes de production de chaleur utile et un système de production
d’électricité photovoltaïque. Par-dessus tout, le projet se distingue par un contrôle
dynamique de l’énergie solaire qui se traduit par une composition vivante et colorée, étant à
la fois une structure autoportante et une géométrie optimisée pour le captage solaire.
Figure 59 - Laboratoire d’énergie Xelios, Italie (Studio Marco Acerbis)
51
Troisièmement, la figure 60 présente un projet à l’allure technologique qui intègre plusieurs
systèmes solaires épousant la forme du bâtiment et agissant comme des éléments à double
fonction. Le système d’occultation solaire, composé de lamelles de verre incurvées, permet
notamment d’éviter la surchauffe l’été, d'optimiser le chauffage solaire passif et de
contrôler l’éclairage naturel. Le projet intègre également un système photovoltaïque dans le
verre, qui anime et protège une grande surface vitrée contre la surchauffe d’été.
Figure 60 - Siège social Tobias Grau, Allemagne (BRT architecte)
Dans la même optique, un exemple d’architecture solaire, cette fois québécois, est présenté
dans les figures suivantes (annexe 2). Il s’agit d’une proposition pour un nouveau marché
au Vieux-Port de Québec. Le concept prévoit des serres solaires semi-encastrées dotées
d’un toit photovoltaïque semi-transparent, intégrées à un bâtiment de bois muni d’un toit
jardin communautaire. Les cellules solaires photovoltaïques régulent l’admission d’énergie
solaire et de lumière naturelle dans les serres, produisant du coup des effets d’ombrage
destinés à mettre en évidence les préoccupations de développement durable de la Ville de
Québec. Les cellules solaires sont inclinées afin d’accroitre la production électrique en été,
au moment où le ciel et les conditions climatiques sont les plus favorables. La figure 61
présente une perspective d’ambiance qui montre la relation des serres solaires avec le
bâtiment de bois, l’implantation du projet justifiée par la recherche d’efficacité dans
l’exploitation de l'énergie solaire, ainsi que deux analyses solaires qui ont permis de
qualifier et de quantifier la diversité des ambiances lumineuses du projet. La figure 62
présente une coupe bioclimatique d’été et une perspective d’ambiances du même projet,
réalisé par l’auteure dans le cadre du projet de fin d’études à l’École d’architecture.
52
Figure 61 – Perspective d’ambiance, implantation et analyses solaires exploitant la diversité des
ambiances lumineuses du bâtiment de bois et des serres solaires (Émilie Bouffard, 2012)
Analyses solaires
Implantation
Perspective d’ambiance
53
Figure 62 - Coupe bioclimatique et perspective d’ambiance exploitant le concept de serres solaires
(Émilie Bouffard, 2012)
Afin de conclure cette section, il semble important de rappeler que les systèmes solaires
passifs requièrent souvent un investissement minime et sont, selon Roulet (2004), « en tout
cas nécessaires » et « préférables aux mesures actives ou techniques ». Toutefois, les
systèmes actifs bien conçus sont aujourd’hui beaucoup mieux adaptés aux besoins des
occupants qu’autrefois, notamment en termes d’énergie, s’accompagnant d’une isolation
supplémentaire de l'enveloppe du bâtiment et d’une réduction notable de l’utilisation des
énergies non-renouvelables dans plusieurs cas.
Certes, chaque système solaire possède sa particularité propre. Par exemple, pour la
production de chauffage d’eau chaude, il s’agit d'un système qui doit être isolé et qui
possède une limite de production selon les besoins du bâtiment et la capacité du bassin de
Coupe bioclimatique
Perspective d’ambiance
54
stockage. Pour la production d’électricité, il s’agit d'un système qui doit être bien ventilé et
qui, selon Munari Probst et al. (2012), peut être dimensionné selon la surface disponible ou
encore selon le respect des critères architecturaux, ce qui offre une grande flexibilité
puisque l’énergie en trop peut être redistribuée dans le réseau régional et remboursée sous
forme de crédit selon la région. En outre, le prix pour la technologie photovoltaïque tend à
diminuer d’une manière considérable. Le prix moyen pondéré des modules photovoltaïques
est passé de 11,09$ en 1999 à 3,31$ en 2009 (Dignard-Bailey et Ayoub, 2010). Enfin, les
systèmes actifs sont très dépendants des conditions locales (prix de l’électricité, subvention
gouvernementale, etc.) et que l’intégration architecturale des systèmes solaires est d’autant
plus remarquable quand la variable solaire est considérée en amont dans le processus de
conception des architectes. Dans les pages qui suivent, il sera question du processus de
conception, abordé de façon théorique.
55
3. PROCESSUS DE CONCEPTION DES ARCHITECTES
Le chapitre précédent a permis de mettre en évidence les nombreux avantages de l’énergie
solaire en architecture, particulièrement lorsqu’elle est envisagée comme une intégration à
l’architecture. Ce chapitre s’attarde maintenant au processus de conception du point de vue
des architectes, dans le but de mieux comprendre quand et comment ils intègrent la variable
solaire dans le processus de conception de leurs projets.
Des définitions du processus de conception sont revues brièvement ci-après, en fonction de
quatre approches relevées dans la littérature consultée : 1) par le biais des caractéristiques,
2) des actions, 3) des phases (afin de distinguer le processus de conception traditionnel du
processus de conception intégré) et 4) des méthodes de conception.
3.1 PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES CARACTÉRISTIQUES
Une première caractéristique du processus de conception concerne le "langage conceptuel",
un langage spatial qui implique des actions dans l’espace et qui comporte des dimensions
verbale et non verbale (Schön, 1994). La dimension non verbale est d’autant plus prisée par
les architectes qu’elle est caractérisée par les représentations graphiques pour élaborer,
simuler, évaluer et communiquer de l’information matérialisée sous forme de modèles ou
d’artefact : croquis, dessins, maquettes, images numériques, modélisations, symboles, etc.
(Lebahar, 2007). La figure 63 illustre un croquis et une image numérique utilisés dans les
phases initiales de conception par des architectes.
Figure 63 - Les représentations graphiques (Binette et Binette architectes)
56
Une autre caractéristique du processus de conception concerne, selon Schön, les
nombreuses variables présentes dans un projet d’architecture. Parmi celles-ci se trouvent
(Rocheleau, 2008) :
les variables physiques, qui concernent notamment la topographie, l’orientation, le
système viaire, les services publics disponibles, les servitudes accordées, l’énergie et les
impacts environnementaux;
les variables architecturales, qui se rattachent au programme fonctionnel et technique, à
l’intégration architecturale, aux choix de structures, de systèmes mécaniques, de
systèmes électriques et des matériaux;
les variables urbanistiques, comme les règlements de zonage ou les règlements du code
national du bâtiment;
les variables économiques, soient celles qui concernent les budgets et les échéanciers.
La troisième caractéristique concerne le nombre important de décisions que doit prendre
l’architecte. Il faut savoir que chacune des décisions a un impact décisif sur le processus,
résultant des décisions antérieures et conditionnant le sens des décisions suivantes (Schön,
1994). Ces décisions sont d’autant plus importantes si elles guident le projet jusqu’à la fin.
La figure 64 illustre la persistance possible de certaines décisions prises tôt dans le
processus de conception, montrant : 1) un des premiers croquis dessinés par l’architecte
déterminant l’emplacement et la forme générale d’un projet et 2) les dessins réalisés à la
phase préliminaire et le projet final en construction, reprenant les mêmes caractéristiques
quant à l’implantation.
Figure 64 - Premiers croquis, dessins réalisés à la phase préliminaire et projet en construction (Binette
et Binette architectes)
57
Quatrièmement, le processus de conception se caractérise par l’implication de différentes
professions (figure 65), qui doivent se coordonner pour atteindre conjointement des
objectifs globaux. L’évolution du projet aux différentes phases du processus de
construction rend la coordination et les communications complexes, mais essentielles
(figure 66).
Figure 65 - Un processus de construction impliquant différents professionnels (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : WBCSD)
Figure 66 - Une coordination et une communication complexes et essentielles (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : École polytechnique Jönköping, 2012)
Une autre caractéristique du processus de conception réside, toujours selon Schön, dans le
caractère à la fois subjectif et objectif de la conception architecturale, qui demande un
jugement de valeur qui s’adapte à des buts particuliers au projet à concevoir. Selon Schön
(1994), « [m]ême lorsqu'il utilise consciemment des théories et des techniques, il
[l’architecte] s'appuie sur des reconnaissances, des jugements et des compétences qui sont
tacites ». La subjectivité vient notamment du fait que la nature même du travail de
conception architecturale ne fait pas consensus. Elle varie selon le savoir, le jugement et les
58
compétences propres de chaque professionnel (Schön, 1994). Le savoir requis en
architecture, implicite et explicite, touche non seulement plusieurs disciplines, il est
continuellement développé par l’architecte lui-même. Le savoir implicite réfère à l’habileté
du professionnel et à son expérience. C’est à ce type de savoir que se rattache le "savoir
caché dans l’agir professionnel" qu’évoque Schön (1994). À l’opposé, le savoir explicite
fait référence aux connaissances rationnelles. Comme l’indique Vitruve (1990) : « le savoir
de l’architecte est riche d’un assez grand nombre de disciplines et de connaissances variées
[…] Ce savoir procède de la pratique et de la théorie. La pratique est un exercice continuel
et répété de l’action; elle se réalise dans le travail manuel, partant de la matière, quel que
soit le genre dont on a besoin, jusqu’à lui donner la forme qu’on s’était fixée. La théorie est
ce qui permet d’éclairer et d’expliquer les réalisations pratiques en fonction de l’habileté
technique et de la conception ».
3.2 PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES ACTIONS
Plusieurs chercheurs ayant étudié les architectes en situation de conception se sont
intéressés au processus que celle-ci sous-tend, en particulier en ce qui concerne la manière
dont les architectes pensent, réfléchissent et travaillent. De façon générale, la conception est
décrite comme un processus par lequel l’architecte commence par définir un problème et
arrive à le résoudre en définissant une solution. Dans cette même perspective, Guibert
(1995) décrit la conception comme un processus de formulation et de résolution d’un
problème jamais résolu définitivement). Le processus de conception est aussi vu comme la
construction et la communication d'un modèle d’artefact répondant à un certain nombre de
variables (Lawson, 2006; Lebahar, 2007; Rowe, 1987), un modèle d’artefact qui implique
l’élaboration de plusieurs solutions (propositions, alternatives) pour évaluer diverses
possibilités (Lebahar, 2007; Mazouz & Zerouala, 2001). À la lumière de la littérature
consultée, quatre activités fondamentales peuvent être distinguées dans le processus de
conception (Andresen, 2000) :
1) la formulation du problème;
2) l’élaboration de propositions;
3) la prédiction de la performance;
4) l’évaluation des propositions.
59
Le succès des propositions élaborées repose fortement sur la formulation du problème, qui
concerne les besoins et les objectifs (Andresen, 2000). Toutefois, comme il est difficile de
donner des objectifs très spécifiques avant d’avoir une image claire de ce qu’il est possible
de faire, les objectifs initiaux sont donc raffinés et révisés à mesure que la conception
évolue (Andresen, 2000). La figure 67 montre un exemple où sont élaborées trois
propositions pour le même projet, dont une proposition qui intègre des cellules solaires
photovoltaïques pour produire de l’électricité. Enfin, comme le montre la figure 68, ce
processus est souvent qualifié d’itératif, dans le sens qu’il est non séquentiel et qu’il
nécessite des va-et-vient continuels entre les phases d'appréciation, d'action et de
réévaluation des solutions (Schön, 1994).
Figure 67 - Trois propositions élaborées à la phase esquisse (Binette et Binette architectes)
Figure 68 - Les différentes itérations qui caractérisent le processus de conception (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Gray, Hughes et al., 1994)
60
3.3 PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES PHASES
Depuis plusieurs décennies, nombre d’auteurs essaient de reconstituer le processus de
conception architecturale en le décortiquant en une succession de phases, lesquelles
correspondent au développement du projet vers sa représentation finale (Lebahar, 1983).
Seront abordés, ci-dessous, les processus de conception traditionnel et de conception
intégré, lequel est récemment encouragé dans la pratique courante de l’architecture, plus
particulièrement par les professionnels qui se soucient de l’intégration des considérations
environnementales dans la conception des projets d’architecture.
3.3.1 Processus de conception traditionnel
Selon Jones (1992), le processus de conception traditionnel est divisé en six phases, soit :
1) la collecte d’information, où les besoins du client sont étudiés;
2) la phase pré-conceptuelle, où l'étude de faisabilité et les exigences du programme sont
élaborées;
3) la phase de conception initiale ou de l’esquisse, où différentes propositions de
conception schématique qui concernent notamment la volumétrie et l’orientation sont
explorées;
4) la phase de conception préliminaire, où le choix des matériaux et les détails sont
élaborés;
5) la phase de conception détaillée, où différents détails qui concernent la structure et la
composition des matériaux sont explorés;
6) la phase de documentation, où les documents d’exécution sont élaborés.
De leur côté, Macmillan et al. (2002) divisent le processus de conception traditionnel de
manière très précise à partir d’une revue exhaustive de la littérature de l’époque. Dans un
premier temps, les auteurs divisent le processus de conception en deux grandes phases que
sont le développement d’objectifs de conception et le développement de propositions
architecturales, lesquelles sont subdivisées, dans un deuxième temps, en cinq phases, soit la
phase d'interprétation, d'identification, de développement, d'évolution et d'élaboration
(figure 69).
61
Figure 69 - Le processus de conception (Reproduit et sous réserve de l’auteur : MacMillan et al., 2002)
En premier lieu, l’architecte développe des objectifs de conception selon les besoins
fondamentaux du client et les exigences de la construction. Ces objectifs de conception sont
essentiels et orientent le projet d’architecture durant tout le processus. Ensuite, l’architecte
interprète, identifie et évalue les besoins du client, tout en identifiant les contraintes et en
précisant les caractéristiques du projet. Vient ensuite le développement des propositions
architecturales que le client devra approuver. Cette étape concerne l’évolution, la recherche
et l’élaboration du projet. La figure 70 présente des exemples de dessins réalisés dans la
phase de développement à la recherche de propositions architecturales.
Figure 70 - Dessins réalisés dans les phases initiales de conception (Binette et Binette architectes)
Or, dans la littérature, un tel processus, envisagé sous l’angle d’une progression linéaire,
favorise peu l'exploitation de l'énergie solaire dans les bâtiments. Parmi d’autres, le rapport
de l’AIE de la tâche 23 et la recherche de Larsson et Poel (2009), qui concernent tous deux
l’optimisation de l’utilisation de l’énergie solaire dans les bâtiments, avancent qu’un
processus linéaire n’encourage pas les différents professionnels à collaborer, le forçant
plutôt à intervenir de façon successive, par exemple, dans une situation où l’ingénieur
Option 1 (Coins vitrés) Option 2 (Isolant transparent translucide)
62
suggèrerait, après la conception, le système mécanique et le système d’éclairage artificiel
les plus appropriés. Ces auteurs estiment que le processus de conception traditionnel ne
supporte que difficilement le développement d’une architecture performante du point de
vue énergétique. D’autres écrits convergent vers une même constatation en précisant
certaines lacunes du processus de conception traditionnel :
un manque de rigueur dans l’établissement des objectifs dès les premières phases du
processus de conception (Heiselberg et al., 2009);
un manque d’objectifs communs entre les professionnels du bâtiment, ce qui peut
entraîner des dialogues et des négociations trop variés et limiter les possibilités
d’optimiser le projet pendant le processus (Larsson et Poel, 2009; Kalay, 2006);
une discordance entre les objectifs de conception et la construction, liée au manque
d’objectifs quantitatifs, clairs et précis (Pati et al., 2006);
un accès limité à l’information et aux connaissances à l’intérieur d’une équipe de
conception (Kalay et al., 1998), dû à un travail réalisé de façon successive, séquentielle
et indépendante;
une faible intégration des systèmes solaires limitant la diffusion des technologies
solaires (Munari Probst et Roecker, 2007);
une utilisation inadéquate de l'énergie solaire menant à des risques de surchauffe,
d’éclairage naturel insuffisant, d'inconfort, etc., qui peuvent être dus à des surfaces
vitrées trop importantes, des mauvais choix de vitrage, des systèmes d’occultation
solaire inadéquats, des dimensionnements inadéquats des systèmes mécaniques, etc.
(Larsson et Poel, 2009; Robertson et Athienitis, 2010).
Pour ces raisons, la pratique architecturale, de plus en plus appelée à mesurer les impacts
environnementaux de la conception architecturale, privilégie maintenant le processus de
conception intégré, caractérisé par une forte collaboration multidisciplinaire et
transdisciplinaire, comme le constatent entre autres Horvat, Dubois et al. (2011), qui
statuent que le processus de conception intégré tend à être utilisé de façon croissante.
3.3.2 Processus de conception intégré
Le processus de conception intégré (PCI) est une tendance en émergence qui se fonde « sur
l’observation bien avérée selon laquelle l’intégration des changements et des améliorations
est plus facile en début de processus, et s’opéra difficilement et avec plus de perturbations
au fur et à mesure de l’avancement » (Larsson, 2004). Selon Keen-Green Engineering, une
référence mondiale dans le domaine de l’ingénierie écologique, ce processus se compose
63
entre autres d’une série de phases qui précèdent le processus de conception traditionnel
(figure 71). Celles-ci concernent notamment l’identification d’objectifs de performance
initiaux clairs et mesurables, différentes collaborations multidisciplinaires (charrettes de
conception, discussions) et plusieurs analyses servant à rassembler de l’information
concernant la variable solaire et d’autres variables environnementales. Larsson (2004)
ajoute que ces phases supplémentaires doivent aussi servir à trouver des stratégies pour
réduire au minimum les charges de chauffage et de climatisation et augmenter le potentiel
des énergies renouvelables et des systèmes CVCA efficaces (chauffage, ventilation et
conditionnement d’air). Enfin, Larsson (2004) identifie, de façon plus précise, 15 étapes
génériques à instaurer dans un processus de conception intégré :
Évaluer les conditions du site
Examiner le programme; établir des objectifs de rendement et des stratégies
Réunir l’équipe de conception
Tenir un atelier de conception
Étudier les problèmes de mise en valeur du site
Élaborer le concept
Sélectionner le matériau de structure et les principes structuraux
Élaborer la conception de l’enveloppe du bâtiment
Commencer à élaborer l’illumination et le système énergétique
Conception préliminaire : ventilation, chauffage et climatisation
Choisir les matériaux
Terminer la conception et la documentation
Élaborer des stratégies d’assurance de la qualité pour la construction
Élaborer des stratégies d’assurance qualité pour l’exploitation
Organiser la surveillance
64
Figure 71 - Le processus de conception intégré (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Keen-Green
Engineering)
En regard de ce processus, l’Institut américain des architectes (AIA, 2007) stipule
notamment que les phases initiales de conception devraient prendre plus de temps que dans
un processus de conception traditionnel, en plus d'inclure différents professionnels
participants au projet d’architecture. L’IRAC appuie aussi ce type de processus, en
spécifiant qu'il est essentiel au développement d’une architecture hautement performante au
plan énergétique et qu'il assure une coordination efficace entre les professionnels puisqu’il
permet :
de réduire le temps accordé aux phases ultérieures, entre 30 % et 70% (Miller, 1993);
de prendre de meilleures décisions dès les phases initiales de conception pour
augmenter la performance énergétique des bâtiments, réduire les couts relatifs à
l’occupation des bâtiments, etc.;
d’identifier et de clarifier rapidement les problèmes (Kalay, 2006; Mahdi et Alreshaid,
2005);
d’impliquer des spécialistes dans le domaine de l’énergie, du confort et du
développement durable (Lucuik, 2005);
d'utiliser des outils de simulation pour évaluer des propositions conceptuelles (Lucuik,
2005);
de communiquer clairement les objectifs et les stratégies de performance tout au long
du processus (Oyedele et Tham, 2007);
d’augmenter l’intégration architecturale des systèmes solaires (Munari Probst et
Roecker, 2007) et de contribuer à la qualité architecturale des bâtiments (Oyedele et
Tham, 2007).
65
Wilde et al. (1999) ont étudié un cas de processus de conception intégré mettant en jeu des
variables environnementales, incluant la variable solaire. Tel que le montre la figure 72, la
phase de conception préliminaire du projet se compose de quatre sous-phases (A1 à A4) et
implique une étroite collaboration entre l’architecte (M3), les consultants en installation et
en énergies renouvelables (M4), le client (M2) ainsi qu'avec les outils informatiques (M5)
et le code du bâtiment (C1). Dans le cas à l’étude, les consultants ont pu assister
l’architecte, valider précisément les hypothèses et collaborer efficacement selon l’évolution
du projet et vers des objectifs communs.
Figure 72 - Phase de conception préliminaire décomposée en sous-phases (Reproduit et sous réserve de
l’auteur : Wilde et al., 1999)
Un travail multidisciplinaire et transdisciplinaire semblable a été réalisé pour un projet à
Québec avec une équipe composée d’ingénieurs (CIMA+ Québec), d’architectes (Groupe A
Bélanger Beauchemin Morency Architectes & Urbanistes) et d’une consultante pour l’étude
des gains solaires, d’éclairage naturel et d’occultation (Émilie Bouffard). Ce projet, du
centre hospitalier de l’université Laval, consistait à ajouter une toiture complètement vitrée
pour créer une cour intérieure, qui représentait une charge thermique à climatiser élevée et
où une stratégie d’occultation solaire devait être mise en place en vue de limiter les risques
d’éblouissement, de surchauffe et de consommation énergétique exagérée. Les résultats
préliminaires ont permis de cibler, dans un premier temps, les moments les plus critiques de
l’année. Pour ce faire, la situation actuelle a été simulée avec des rendus de couleurs réelles
et de fausses couleurs selon un point de vue de type fish-eye (ouverture de 180°), ce qui a
66
permis de clairement illustrer le risque élevé de surchauffe et d’éblouissement au solstice
d’été (figure 73) en vue d’apporter des correctifs tôt dans le processus de conception.
Figure 73 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs permettant l’évaluation des valeurs de
luminance, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel Radiance sous l’interface
d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012)
Les résultats ont ainsi mené à proposer trois avenues de solution au plan de l’occultation,
l’une d’entre elles ayant été retenue suite à une réunion d'équipe à ce propos. La première
avenue faisait l’objet d’une occultation extérieure en vue de contrer les calculs de charges
traditionnels et conservateurs des gains solaires et ainsi diminuer les charges et les
équipements en climatisation. En raison de la faible pente du toit vitré et de la contrainte de
la neige, il a été jugé judicieux de ne pas la retenir. La deuxième avenue, qui n’a également
pas été retenue pour des raisons économiques, consistait en un dispositif amovible pour
occulter le rayonnement d’été et utiliser celui d’hiver. La troisième avenue, qui a été
retenue et développée, consistait à intégrer un masque d'ombrage directement dans le verre,
avec l'objectif de diminuer l’éblouissement ainsi que l’apport de rayonnement direct, tout
en respectant un facteur lumière du jour suffisant (tout cela en empêchant l’utilisation des
gains solaires passifs). Cette option tient notamment du fait que les charges de climatisation
représentaient l’enjeu majeur. Les simulations finales ont été réalisées avec l’ajout d’une
opacité dans le verre pour représenter une sorte de sérigraphie (figure 74). Les figures 75 et
76 montrent une opacité de 30%, qui diminue les risques d’éblouissement de façon
importante et le FLJ jusqu’à 6%. Compte tenu du niveau de précision sur le rendement des
21 juin 11h
21 juin 12h 21 juin 13h 21 juin 14h
21 juin 11h 21 juin 12h 21 juin 13h 21 juin 14h
67
dispositifs d’occultation simulés, l’efficacité optimale de l’occultation ainsi développée et
mesurée quantitativement et qualitativement a permis de statuer et d'envisager que les
équipements sélectionnés, notamment ceux pour la climatisation, (ventilateurs, conduits,
serpentins, tuyauterie), couteraient moins chers à installer et opérer, rentabilisant du coup
l'étude et l'investissement initial de l'occultation. Enfin, quelques simulations
supplémentaires auraient pu être réalisées pour concevoir un dispositif d’éclairage artificiel
qui complèterait dans une juste proportion l’apport d’éclairage naturel et la variable
thermique. Somme toute, réalisée dans le cadre d'un processus de conception intégré, cette
étude a été guidée par des objectifs précis et une approche collaborative structurée, qui a pu
favoriser le développement d’une architecture confortable et performante énergétiquement.
Figure 74 - Mise en contexte de la situation avec l’ajout d’une sérigraphie dans le verre (Groupe A
Bélanger Beauchemin Morency Architectes & Urbanistes, 2012; Émilie Bouffard, 2012)
Figure 75 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation avec l’ajout d’une
sérigraphie dans le verre de 30%, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel
Radiance sous l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012)
21 juin 11h
21 juin 12h 21 juin 13h 21 juin 14h
21 juin 11h 21 juin 12h 21 juin 13h 21 juin 14h
68
Figure 76 - Comparaison du facteur Lumière du Jour (FLJ), calculé à 0,8 m du plancher selon la
fonction Lighting Analysis du logiciel Radiance Daylight Factors sous l’interface d’Ecotect
(Émilie Bouffard, 2012)
3.4 PROCESSUS DE CONCEPTION ABORDÉ À PARTIR DES MÉTHODES DE CONCEPTION
EMPIRIQUES
En marge de modèles théorique qui tendent à modéliser des réalités complexes et donc à les
simplifier, les méthodes de conception des architectes paraissent particulièrement
diversifiées au vu du nombre important de variables présentes dans le processus de
conception (d’ordre physique, architecturale, urbanistique et économique, entre autres). La
diversité des méthodes de conception vient notamment du fait qu’elles doivent servir pour
différents buts et dans différents contextes, tant aux phases pré-conceptuelle, de l’esquisse,
du dossier préliminaire que du dossier définitif. Lawson (2006) cite les travaux de l'Institut
Royal des Architectes Britanniques (RIBA) qui démontrent que les méthodes de conception
doivent servir à plusieurs choses, dont : 1) assimiler de l'information, 2) réaliser des études
générales comprenant l'investigation de solutions possibles, 3) développer les solutions
choisies et 4) communiquer les solutions choisies à des personnes internes et externes de
l'équipe.
Force est de constater que les méthodes de conception reposent avant tout sur les
connaissances et les capacités personnelles du concepteur et qu’il n’en existe pas
d’universelle. À ce sujet, l’enquête internationale de Horvat, Dubois et al. (2011) a permis
de statuer qu’un nombre important d’architectes font référence à leurs expériences
antérieures pour concevoir. En effet, quelles que soient les méthodes de conception
Avant Après
69
utilisées, l’expérience et les précédents architecturaux y joueraient un rôle important. Les
précédents en architecture représentent des sources d’inspiration indéniables et par le fait
même, un moyen important d’acquérir des connaissances clés qui peuvent être mises à
profit dans la conception architecturale (Kanters et al., 2011). Ils procurent en effet de
précieuses informations dont les concepteurs se servent, par analogie, pour concevoir
(Lebahar, 1983; Prieto, 1975). D’autres méthodes de conception utilisées sont les listes de
vérification et de pointage, telles les démarches HQE (Haute Qualité Environnementale), le
système anglais BREEAM (méthode d'évaluation de la performance environnementale des
bâtiments développée par le groupe BRE, le système de certification suédois Miljöbyggnad
et LEED® (Leadership in Energy and Environmental Design) dont un exemple ayant servi
dans la pratique courante de l'architecture est montré à l’annexe 3. Bien que les listes de
vérification puissent être pratiques et peuvent influencer positivement les professionnels du
secteur du bâtiment, elles comportent toutefois des limites dans la mesure où elles peuvent
restreindre la conception, la pensée et la réflexion (Andresen, 2000). Par exemple, une des
lacunes du système d’évaluation LEED® est qu’il ne tient pas compte de tous les systèmes
passifs, ce qui peut mener à la certification d’un bâtiment qui utilise plus d’énergie qu’un
bâtiment non certifié (Shaviv, 2011).
Parmi d’autres, une recherche d’Andresen (2000) qui porte sur le processus décisionnel
aborde sur un tout autre registre les méthodes de conception, en se concentrant sur celles
qui permettent d’évaluer et de structurer les propositions dans les premières phases de
conception. Bien qu’elles ne soient pas encore très répandues dans l’industrie de la
construction, Andresen (2000) identifie trois façons d’évaluer des propositions en avançant
que plus elles sont précises, plus elles ont de chances de conduite à de meilleurs jugements
de valeur. La première méthode, la plus simple, consiste à évaluer les propositions selon
différents indicateurs de performance, soit par l’utilisation d’analyses hiérarchiques (figure
77 et 78). Une structure hiérarchique peut être bien adaptée pour l’organisation de plusieurs
variables qui tiennent compte de la durée de vie totale du bâtiment (Andresen, 2000).
70
Figure 77 - Analyse hiérarchique selon le modèle d’une conception de système énergétique optimal
(Reproduit et sous réserve de l’auteur : Andresen, 2000)
Figure 78 - Analyse hiérarchique selon la traduction de Vitruve par Sir Henry Wotton (Gauche :
Reproduit et sous réserve de l’auteur : Duerk, 1993) et selon le modèle d’une "conception
idéale" (Droite : Reproduit et sous réserve de l’auteur : Wilde, Augenbroe et Voorden,
2002)
La deuxième méthode consiste à évaluer les propositions selon une échelle commune,
comme le montrent les analyses morphologiques de la figure 79, où sont considérés
71
différents enjeux dans la conception architecturale, et comme le montrent celles présentées
dans la figure 80, où l’évaluation est simplifiée pour comparer différentes variables. La
troisième méthode d’évaluation consiste à analyser un projet d’architecture selon une
échelle commune, mais cette fois-ci pondérée. La méthode SAW (Simple Additive
Weighting), dans cette catégorie, fait appel à une matrice qui évalue chacune des
propositions en additionnant la valeur pondérée de tous les autres critères, rendant les
jugements plus explicites et aidant à mettre l’accent et les efforts sur les points les plus
importants (figure 81). Toutefois, il peut s'avérer ardu de bien pondérer les variables afin
qu’elles soient représentatives. Enfin, la communauté scientifique des sciences du
comportement admet que le nombre de variables idéal est de plus ou moins sept.
Figure 79 - Analyses morphologiques pour organiser de l’information (Reproduit et sous réserve de
l’auteur : Andresen, 2000)
Figure 80 - Analyse morphologique comparative (Gauche : Potvin et al., 2004, Droite : Reproduit et
sous réserve de l’auteur : Andresen, 2000)
72
Pondération 0.3 0.4 0.3 Total Esthétique Coût Durabilité
Proposition 1 7 9 9 8.4 Proposition 2 8 7 8 7.6 Proposition 3 9 6 8 7.5
Figure 81 - Analyse pondérée méthode SAW (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Ghafoori et
Seyyed ali)
3.5 CONSTATS DE L’INTÉGRATION DE LA VARIABLE SOLAIRE DANS LE PROCESSUS DE
CONCEPTION DES ARCHITECTES
À la lumière de la littérature présentée jusqu’à maintenant, on pourrait affirmer que le
processus de conception intégré est un processus flexible, offrant de meilleures possibilités
d’intégrer la variable solaire que le processus de conception traditionnel. De manière
théorique, l’intégration souhaitée peut être conceptualisée selon différentes approches, à
savoir par le biais des caractéristiques, des actions, des phases et des méthodes d’aide à la
conception architecturale. Dans un premier temps, il faut se rappeler que la variable solaire
vue sous l’angle des caractéristiques doit s’inscrire dans le processus au même titre que les
autres variables physiques, architecturales, urbanistiques et économiques, et que la
recherche d’équilibre est à la base de son succès. En étudiant le processus par le biais des
caractéristiques, on peut postuler qu’il est toujours préférable d’intégrer la variable solaire
le plus tôt possible dans le processus, puisque les représentations graphiques et les savoirs
subjectif et objectif déjà impliqués peuvent plus facilement rassembler les acteurs du projet
jusqu’à la construction, d’autant plus que les décisions prises par les professionnels dans les
phases initiales ont nécessairement un impact majeur dans l’élaboration du projet
d’architecture. Ensuite, en étudiant le processus de conception par le biais des actions, qui
consistent fondamentalement à élaborer et évaluer des propositions, il apparait évident que
la variable solaire pourrait se manifester davantage dans l’une ou l’autre des propositions,
que ce soit pour illustrer le potentiel de l’énergie solaire. Concernant le processus de
conception intégré vis-à-vis le processus de conception traditionnel, la littérature consultée
démontre que le PCI est largement plus efficace quant à l’intégration de la variable solaire.
73
En effet, ce type de processus favorise la collaboration de différents professionnels comme
des spécialistes dans le domaine des ambiances physiques, de l’énergie et de la lumière
naturelle à des moments opportuns du processus, soit aux phases initiales de la conception.
Une telle collaboration en amont permet non seulement une meilleure approche
multidisciplinaire, mais aussi une meilleure transdisciplinarité. Elle est plus rigoureuse et
prend plus facilement en compte les objectifs axés sur la performance et l’efficacité
énergétiques. Enfin, le processus de conception abordé à partir des méthodes empiriques
peut facilement exploiter la variable solaire. À ce sujet, les recherches soulèvent que les
méthodes de conception pour les phases initiales de conception ne sont adéquates que si
elles offrent un cadre flexible et qu’elles sont simples et faciles d’utilisation. Il est aussi
soulevé, dans la thèse d’Andresen (2000), que des analyses multicritères pourraient s’avérer
avantageuses pour évaluer des propositions, laissant l’opportunité à l’utilisateur d’intégrer
des variables à la fois quantitatives et qualitatives. L’auteur note d'ailleurs que
l’information est plus facile à utiliser lorsqu’elle est structurée, puisqu'elle rend les
jugements de valeur plus explicites et simplifie le transfert des connaissances en fournissant
un cadre commun à tous les professionnels, favorisant la mise en commun d’objectifs clairs
et améliorant la compréhension de l’ensemble (Andresen, 2000). Enfin, toujours selon
Andresen (2000), une approche structurée pour évaluer différentes propositions pourrait
contribuer à promouvoir la variable solaire dans le processus de conception, la période
d’évaluation étant importante dans le processus décisionnel de la conception architecturale.
75
4. EXEMPLE DE MÉTHODES ET D’OUTILS DE CONCEPTION SOLAIRE
Ce chapitre présente plusieurs méthodes et outils de conception solaire, à commencer par
les guides existants, suivis des méthodes et outils de conception qui concernent l’éclairage
naturel, la production de chaleur utile et la production d’électricité. Cette première section
se concentre particulièrement sur des outils de conception simples, par lesquels il est
possible d’obtenir de l’information rapidement et de manière structurée, afin d’exploiter
l’énergie solaire, de vérifier les ambiances physiques et de mesurer l’efficacité énergétique.
4.1 LES GUIDES SOLAIRES EXISTANTS
Les guides solaires disponibles relevés dans la littérature ont comme objectif commun
d’aider l’utilisateur dans la conception de projets en l’informant d’une manière exhaustive
des impacts de ses choix, à partir de regroupements des critères présentés comme des
recommandations. Les guides solaires sont nombreux et diversifiés et se présentent sous
différentes formes, par exemple sous forme de livres, de rapports de recherches ou de sites
Web. Dans la catégorie des livres, l’ouvrage Sun, Wind & Light : Architectural Design
Strategies (Brown et DeKay, 2001) apparait comme un incontournable, du moins si on se
fie à son utilisation au sein du GRAP de l’École d’architecture de l’Université Laval.
D’autre part, la Société canadienne d’hypothèques et de logement (SCHL) a édité plusieurs
rapports sous la rubrique de la conception et de la construction. Un premier, L’énergie
solaire pour les bâtiments (Robertson et Athienitis, 2010), introduit des notions essentielles
à la conception de bâtiments solaires et comporte les éléments suivants : principes de la
conception solaire, caractéristiques du bâtiment (implantation, orientation, aire de vitrage,
masse thermique, dispositifs d’ombrage, etc.), systèmes solaires et méthodes de conception
solaire. La SCHL offre également le Guide sur l’éclairage naturel des bâtiments, le Guide
sur le processus de conception intégré et le rapport Conception, sélection et mise en service
des fenêtres, qui s’intéressent à la variable solaire dans le processus de conception des
architectes. Le programme "Chauffage et climatisation solaire" de l’Agence internationale
de l’énergie (AIE), qui comprend à ce jour 36 tâches complétées en plus de 12 tâches
76
courantes, présente également de nombreux rapports qui concernent la conception
architecturale. Les ouvrages suivants méritent une mention :
Ceux qui concernent l’éclairage naturel
Daylighting Guide for Canadian Commercial Buildings, Travaux publics et Services
gourvernementaux Canada (TPSG), 2002.
LIÉTARD, A. et al. (1996), Guide de l’architecture bioclimatique – Connaitre les bases et
Construire avec le climat, Programme ALTENER, Comité d’action pour le solaire, Presses
des Imprimeries de Champagne, Chaumont.
BAKER, Nick, A. FANCHIOTTI, Koen STEEMERS, (1998), Daylight in architecture : a
European Reference Book, Commission of hte European Communities, Directorate-General
XII for Science Research and Development, James and James (Science Publishers) Ltd,
London.
Neufert, E. (2002). Les éléments des projets de construction: DUNOD.
TREZENGA P., WILSON M. (2011). Daylighling : Architecture and Lightling Design.
Routledge; 1 edition
Heidi Arnesen, Tore Kolås, Barbara Matusiak. (2011). A guide to daylighting and solar
shading systems at high latitude,
http://www.sintefbok.no/Product.aspx?sectionId=127&productId=899&categoryId=17
Tâche 21 "Éclairage naturel dans les bâtiments"
A Source Book on daylighting systems and components, 2000
Ceux qui concernent la production de chaleur utile et d’électricité
GOULDING, J.R. et al. (1992), Energy in Architecture. The European Passive Solar
Handbook, B.T. Batsford Limited, London.
IRAC (2001), Principes de développement durable pour la conception de bâtiments, IRAC
(Institut Royal d’architecture du Canada), Beauregard Printers.
O’COFAIGH, E. et FITZGERALD, E. (1999), A Green Vitruvius : Principles and Practice
of Sustainable Architectural Design, James and James Science Publishers, New-York.
YANNAS, S. (1994), Solar Energy and Housing Design. Principles, Objectives,
Guidelines, Architectural Association, E.G. Bond, London.
Tâche 8 "Bâtiments solaires passifs et hybrides à faible consommation"
Design Information Booklet No. 1 - Energy Design Principles in Buildings, 2007
Design Information Booklet No. 2 - Design Context, 2007
Design Information Booklet No. 3 - Design Guidelines : An International
Summary, 2007
77
Tâche 16 "Énergie photovoltaïque dans les bâtiments"
Photovoltaics in Buildings : A Design Handbook for Architects and Engineers;
Section C Architectural Integration (AIE), 1995
Tâche 20 "Énergie solaire dans la rénovation des bâtiments"
Solar Renovation Concepts and Systems (AIE), 1999
Tâche 23 "Optimisation de l’utilisation de l’énergie solaire dans les grands bâtiments"
Buildings Integrated Design Process A Guideline for Sustainable and Solar-
Optimised Building Design, 2003
Tâche 37 "Advanced Housing Renovation with Solar & Conservation"
Advanced and Sustainable Housing Renovation Handbook : A guide for Designers
and Planners, 2010
En terminant, il existe une variété de sites Web pertinents qui offrent des informations en
ligne couvrant de nombreux aspects de la conception, comme le Guide détaillé sur
l’éclairage naturel du New Building Institute (NBI). Cette organisation à but non lucratif,
qui œuvre à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments commerciaux et
institutionnels, propose une panoplie de recommandations en ce qui a trait aux distributions
lumineuses d’un espace (http://patternguide.advancedbuildings.net/patterns). Le site
Énergie +, créé par la cellule de recherche Architecture et Climat de l’Université catholique
de Louvain, est aussi remarquable en offrant une aide à la décision en efficacité énergétique
des bâtiments du secteur tertiaire (http://www.energieplus-lesite.be/). Le site se répartit
selon huit catégories, soit 1) les systèmes et composants, 2) les théories, 3) les calculs, 4)
les règlementations, 5) les études de cas, 6) les mesures, 7) les données et 8) la
bibliographie. Ces catégories sont particulièrement détaillées, offrent beaucoup d’exemples
et offrent même des feuilles de calcul Excel pour favoriser l’apprentissage et faciliter
l’utilisation.
En plus de fournir des lignes directrices, les guides de conception solaire fournissent
diverses règles du pouce pour estimer rapidement et simplement l’impact que peut avoir la
variable solaire sur le bâtiment. Certaines de ces règles sont reprises dans le prochain
chapitre.
78
4.2 LES MÉTHODES ET OUTILS SOLAIRES
Le chapitre qui suit participe intégralement au second objectif global de la présente
recherche, soit de présenter et d’expliciter des méthodes et des outils solaires qui peuvent
être utilisés en amont dans la conception. L'intention est de proposer des outils simples
d'application pour la conception architecturale. Les méthodes et les outils vus dans cette
section concernent les trois volets suivants, tel que vu précédemment :
l’éclairage naturel;
la production de chaleur utile;
la production d’électricité.
Les méthodes et les outils solaires dédiés à l’éclairage naturel sont nombreux, ce qui
surprend peu étant donné qu’ils concernent un aspect traditionnellement valorisé dans la
pratique architecturale, en comparaison des méthodes et outils dédiés à la production de
chaleur utile et la production de l’électricité, qui font davantage référence au domaine de
l’ingénierie. Seront brièvement passés en revue ci-dessous différentes règles du pouce, en
plus d’outils graphiques, physiques et informatiques.
4.2.1 Les méthodes et outils qui concernent l’éclairage naturel
Une règle du pouce fondamentale est l’orientation du vitrage par rapport au rayonnement
solaire. L’orientation optimale se situe francs sud/nord, puisque ces points cardinaux sont
plus faciles à contrôler, d’autant plus que le sud profite d’un ciel dont la luminosité varie,
ce qui diversifie les ambiances dans la journée (±30°C). Cette orientation est donc à
privilégier pour ces raisons :
le sud est facile à occulter vu l’altitude solaire élevée (vrai pour l’hémisphère nord);
le nord possède une lumière constante qui n’est pas nécessaire d’occulter;
l’est et l’ouest offrent une lumière variable, de faible altitude, avec un angle d’incidence
proche de la normale au vitrage (où des plans verticaux occultent plus efficacement).
Neufert (2002) appuie aussi une orientation franche, qui s’adapte selon les fonctions d’un
bâtiment résidentiel (figure 82).
79
Figure 82 - L’orientation (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Neufert, 2002)
Une autre règle du pouce est la profondeur d’une pièce par rapport à la hauteur de sa
fenestration. La profondeur de la pièce éclairée naturellement et latéralement devrait être
entre 1.5 et 2.5 fois plus grande que la hauteur de la fenêtre (jusqu’à 2.5 fois dans le cas où
une tablette réfléchissante est installée), selon le guide des Travaux publics et Services
gouvernementaux Canada (2002). Enfin, il faut savoir que dans ce cas, l’orientation et
l’occultation ont aussi un impact majeur sur la qualité de l’éclairage naturel, tel que le
montre la figure 83. Aux endroits bénéficiant de l’ensoleillement direct, les fenêtres
devraient être occultées, jusqu’à concurrence de 10 %, afin de prévenir l’éblouissement
(Robertson et Athienitis, 2010).
80
Figure 83 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation au sud, au nord et au sud
avec occultation solaire, à 12h, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel
Radiance sous la surface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012)
La règle du pouce suivante concerne le facteur de réflexion des matériaux d’une pièce qui,
selon l’IESNA, devrait être de 80% pour les plafonds, 50-70% pour les murs, 20-40% pour
les planchers et 25-45% pour les meubles. Il existe également quelques règles à suivre
concernant les niveaux d’éclairement. L’éclairement est le quotient du flux tombant
uniformément sur une surface par l’aire de cette surface et se mesure en lux (Roulet, 1987).
Les éclairements idéaux en fonction des types d’activités sont les suivants (IESNA;
Lechner, 2001) :
Espaces publics, environnements sombres : 20 à 50 lux
Espaces pour visites courtes et temporaires : 50 à 100 lux
Espaces de travail, tâches temporaires et occasionnelles : 100 à 200 lux
Tâche visuelle de haut contraste ou de grande dimension : 200 à 500 lux
Tâche visuelle de contraste moyen ou de moyenne dimension : 500 à 1 000 lux
Nord 12h Sud 12h
Sud avec occultation solaire
81
Tâche visuelle de faible contraste et de petite dimension prolongée sur une longue
période de temps : 1 000 à 2 000 lux
Tâche visuelle avec faible contraste et de très petite dimension prolongée sur une
longue période de temps : 2 000 à 5 000 lux
Tâche visuelle astreignante prolongée sur une longue période de temps : 5 000 à 10
000 lux
Tâche visuelle de nature très spéciale et de petite dimension : 10 000 à 20 000 lux
Une autre façon d’analyser l’éclairage naturel, avec plus de précision, est d’utiliser le
facteur lumière du jour (FLJ), qui représente un rapport d’éclairements. Bien que l’annexe
4 présente une liste détaillée des FLJ selon différentes tâches, voici les principales règles à
retenir (Trezenga et Loe, 1988) :
FLJ insuffisant < 1%
FLJ minimum = 2% (à atteindre au centre d’une pièce), comme par exemple LEED®
qui exige un minimum de 2% dans 75% des pièces occupées pour des tâches nécessitant
de l’éclairage
FLJ avec une autonomie en éclairage suffisante < 5%
FLJ avec des risques d’éblouissement et de surchauffe > 10%
Enfin, une autre règle du pouce concerne les rapports de luminance. La luminance est le
rapport de l’intensité émise dans une direction à la surface apparente de l’élément vu de
cette direction. Elle se mesure en cd/m2 (Roulet, 1987). Afin d’éviter l’éblouissement, les
rapports de luminance à respecter sont généralement les suivants (IESNA) :
Tâche et alentours immédiats, cône de 60° = 3 :1
Tâche et alentours généraux = 5 :1
Tâche de alentours éloignés, cône de 120° = 10 :1
Pièce entière = 20 :1
Des outils graphiques sont également disponibles pour la conception, comme celui
présenté par la figure 84. Il s’agit, en l’occurrence, de projections stéréographiques et
orthographiques utiles pour identifier les angles solaires, les périodes de l’année et les
heures dans la journée où le rayonnement est propice à la surchauffe, etc. Les projections
stéréographiques et orthographiques peuvent se traduire en plan et en coupe pour analyser
les rayons solaires critiques et donc être utiles à l’architecte lorsqu’il effectue une première
82
idéation ou encore, esquisse des propositions. Quant à la projection orthographique, elle
représente la projection du soleil sur un cylindre vertical perpendiculaire au sol, lequel est
déployé en deux dimensions. La projection orthographique peut être particulièrement utile à
la conception des façades, notamment pour les fenêtres et pour l’occultation solaire
(projection parallèle aux façades des bâtiments). Les dates importantes à retenir sont les
solstices, les équinoxes, les temps les plus chauds et les temps les plus froids, en vue
d’identifier les moments critiques du point de vue de l’éblouissement, de la surchauffe et
des pertes thermiques.
Figure 84 - Projection stéréographique et orthographique à 8h00 et midi selon la hauteur solaire α et
l’azimut du soleil γ, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path
Diagram)
83
La projection stéréographique représente la projection du soleil sur un plan horizontal
parallèle au sol (figure 85). Les principaux éléments qui composent les projections
stéréographiques sont les suivants :
la hauteur solaire α;
l’azimut du soleil γ;
les dates;
les heures de l’année.
Figure 85 - Projection stéréographique selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ, Québec,
Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram, Stereographic Diagram.
Les types de représentations sont les suivants : Stereographic diagram, Spherical projection,
Equidistant projection, BRE Sun-Path Indicator, Orthographic projection, Waldram diagram,
Tabular)
84
La projection stéréographique peut également servir à analyser l’accès solaire et les
périodes d’ombrage d’un point donné, quel que soit le moment de l’année ou la localisation
d’un site. La figure 86 montre les périodes d’ombrage d’un point choisi, lequel reçoit 2
heures d’ombrage projeté par les bâtiments adjacents d’un site donné, en été (5h00-6h00), 2
heures à l’équinoxe (13h00-15h00) et 4 heures en hiver (11h30-15h30). La figure 87
montre comment les rayonnements solaires diffus et direct sont représentés en kW.
Figure 86 - Projection stéréographique, Masque d’ombrage, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect
selon la fonction Sun-Path Diagram)
Figure 87 - Projection stéréographique, Rayonnement solaire, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect
selon la fonction Sun-Path Diagram)
Ombrage d’hiver et à l’équinoxe
Ombrage d’été
85
La projection stéréographique peut aussi servir à conceptualiser une enveloppe solaire pour
maintenir l’ensoleillement sur des sites environnants (Brown et DeKay, 2001, pp. 89-90-
120). La première étape est de choisir le mois où le soleil est le plus bas et le plus haut (ex.
21 décembre et 21 juin) et les heures désirées d’ensoleillement (ex. entre 10h00 et 15h00).
La deuxième étape est la détermination des angles solaires critiques, qui deviendront les
limites de la géométrie solaire, soit l’enveloppe solaire du site ou du projet. La projection
stéréographique peut également servir à analyser les angles critiques d’une occultation
solaire. La première étape consiste alors à définir un calendrier d’occultation basé sur les
périodes de dépassement de la température d’équilibre thermique du bâtiment (températures
extérieures auxquelles les gains internes thermiques du bâtiment équilibrent les pertes
thermiques pour maintenir une température intérieure confortable) en fonction du type de
bâtiment, soit à faibles gains thermiques (secteur résidentiel) ou à hauts gains internes
(secteur institutionnel). Généralement, pour les problèmes d’occultation solaire, la période
critique de surchauffe se situe normalement quatre à six semaines après le 21 juin, car le
soleil est plus bas et il fait toujours chaud dû à l’inertie terrestre. La deuxième étape
consiste à transposer le calendrier d’occultation sur une projection stéréographique du soleil
(figure 88). La troisième étape consiste à définir l’angle critique de l’occultation solaire
selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ. Enfin, il peut s’avérer utile d’utiliser
certains outils informatiques courant pour optimiser ou valider les propositions
d’occultation solaire. Tel que le montre la figure 89, un outil aussi simple que Google
SketchUp permet de valider une proposition d’occultation solaire.
86
Figure 88 - Calendrier d’occultation sur une projection stéréographique (Sun, Wind and light, 2001)
Figure 89 - Comparaison entre la simulation et la réalité (Garde, 2011)
87
S’ajoutant aux méthodes et aux outils solaires concernant l’éclairage naturel, l’héliodon
demeure un outil toujours utilisé pour visualiser l’ensoleillement et l’ombrage selon une
latitude, une date et une heure choisies. L'héliodon est couplé à une source lumineuse qui
émet des rayons lumineux parallèles simulant les rayons solaires (à l’aide d’un projecteur à
faisceau étroit, par exemple) ou encore du soleil lui-même. La première étape consiste à
construire une maquette. La deuxième étape est de choisir la latitude, soit une projection
polaire qui représente les angles à l’horizon (figure 90). L’étape suivante consiste à
déterminer les moments critiques à simuler en basculant l’héliodon de façon à positionner
l’ombre portée à la date et à l’heure voulues. Il existe également des supports qui
permettent de positionner l’héliodon d’une manière fixe (figure 91).
Figure 90 - Héliodon pour la ville de Québec, Canada (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram)
88
Figure 91 – Droite : Utilisation d’un héliodon à l’extérieur (Émilie Bouffard), Gauche : Positionnement
de l’héliodon (Moore, 1985)
En dernier lieu, l’utilisation d’un ciel artificiel permet aussi de simuler la lumière naturelle
selon un type de ciel précis; dégagé ou diffus. L’École d’architecture de l’Université Laval
a renouvelé son ciel artificiel en 2010, de type boîte-miroir et mesurant 14 m3. Celui-ci
permet de simuler un ciel diffus, qui représente une condition critique en éclairage naturel
dominant le Québec à raison de 60% du temps (Demers, 2001). La figure 92 présente le ciel
artificiel de l’Université Laval depuis l’extérieur et une maquette à petite échelle insérée à
l’intérieur. La figure 93 présente deux exemples de simulation avec le ciel artificiel, réalisés
par le GRAP pour le pavillon horticole écoresponsable à l’institut de technologie
agroalimentaire de Saint-Hyacinthe (ITA). D’autres ciels artificiels existent, notamment
celui de l'ÉPFL à Lausanne (http://leso.epfl.ch/cms/site/leso/lang/en/skanningsky) et celui
de l'université de Sheffield (http://www.vashonbaker.co.uk/). Les limites des ciels artificiels
sont évoquées dans l’article de Matusiak et Arnesen (2005) qui note notamment qu’une des
limites est la répartition inégale de la lumière sur les différentes surfaces dans la boîte du
ciel artificiel.
89
Figure 92 - Gauche : Ciel artificiel de l’École d’architecture de l’Université Laval, Droite : Maquette de
l’ITA de Saint-Hyacinthe (GRAP)
Figure 93 - Exemples de tests réalisés avec le ciel artificiel et la maquette de l’ITA de Saint-Hyacinthe
(GRAP)
4.2.2 Les méthodes et outils qui concernent la production de chaleur utile
Deux règles du pouce sont présentées pour le présent volet. La première concerne
l’orientation optimale pour optimiser le chauffage solaire passif. Pour une captation
90
maximale de rayonnement solaire en hiver, elle se situe au sud (plus ou moins 30°) puisque
cette orientation reçoit plus d’énergie en hiver qu’en été (figure 94). En effet, selon
Robertson et Athienitis (2010), les écarts jusqu’à 30° du sud réduisent les gains solaires de
12 % , ce qui demeure acceptable.
Figure 94 - L’effet de l’orientation sur la performance du chauffage solaire passif (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Brown et DeKay, 2001)
La deuxième règle du pouce concerne le dimensionnement de panneaux solaires thermiques
pour l’eau chaude domestique selon Brown et DeKay (2001). Le calcul présenté se divise
en 5 étapes pour une résidence situé dans la ville de Québec. Trois calculs sont réalisés
selon le nombre de personnes concernées, à savoir un calcul pour 3, 5 et 10 personnes. La
première étape consiste à déterminer la demande en eau chaude annuelle, illustrée dans le
tableau 5, selon le nombre de personnes et la moyenne énergétique des équipements.
Tableau 2 Demande en eau chaude annuelle
Nombre de
personnes
Demande en eau chaude annuelle
kL/an
3 45
6 90
10 150
91
La deuxième étape consiste à déterminer l’écart entre la température de l’eau initiale et
finale de l’eau qui sera utilisé pour les besoins domestiques. Selon Ressources Naturelles
Canada, la température de l’eau locale souterraine est de 8°C pour la ville de Québec. La
température de l’eau chaude moyenne est de 60°C pour un écart de 52°C. L’étape
subséquente consiste à déterminer la performance annuelle des chauffe-eau solaires. Selon
Ressources Naturelles Canada, la performance annuelle des chauffe-eau solaires
(Enerworks 4’X8’ Capteur COL-4x8-TL-SG1-SD10) est de 300 kWh/m2. L’étape 4 consiste
à dimensionner la superficie optimale des chauffe-eau solaires selon les données trouvées
aux étapes précédentes selon Brown et DeKay (2001) (tableau 3).
Tableau 3 Dimensionnement des chauffe-eau solaires
Nombre de
personnes
Superficie des chauffe-eau solaire
m2 (pi
2)
Nombre de panneaux
(Enerworks 4’X8’)
3 4,8 1,67
6 9,6 3,3
10 16 5,57
La dernière étape consiste à dimensionner le volume de stockage d’eau chaude selon le
dimensionnement des chauffe-eau solaires selon Brown et DeKay (2001). Enfin, les
résultats finaux du calcul manuel indiquent que le nombre de chauffe-eau solaires optimal
est de 2 panneaux pour 3 personnes, 3 panneaux pour 6 personnes et 6 panneaux pour 10
personnes. Ensuite, les résultats indiquent que le volume de stockage optimal est de 25
gallons pour 3 personnes, 50 gallons pour 6 personnes et 84 gallons pour 10 personnes
(tableau 4).
Tableau 4 Dimensionnement du volume de stockage d’eau chaude
Nombre de
personnes
Volume de stockage d’eau chaude
pi3 (gal)
3 3,37(25,25)
6 6,75(50,49)
10 11,25 (84,15)
1.
75 kgal/an
2.
6,7°C
3.
630
kWh/m2an
92
4.2.3 Les méthodes et outils qui concernent la production d’électricité
Encore ici, deux règles du pouce sont présentées concernant la production d’électricité. La
première règle du pouce concerne le solaire actif photovoltaïque avec une image qui aide à
approximer la productivité d’énergie possible selon une orientation et une inclinaison
données (figure 95). En effet, l’orientation et l’inclinaison optimales pour toute l’année se
situe en deçà de 40°, au sud. En hiver, puisque les angles du soleil sont obtus, la meilleure
inclinaison se trouve au sud entre 20° et 70°.
Figure 95 - Rayonnement solaire annuel moyen en lien avec l’orientation et l’inclinaison, pour Québec,
Qc, Canada (selon la fonction Absorbed Solar Radiation, Ecotect)
% 100
93
85 78
90
63
55 48
40
33 25
%
100 92
85
77
90 62
54
46 39
31
25
%
100 92
85
77 90
62
54
47 39
31
25
93
La deuxième règle du pouce explique comment calculer le rendement énergétique d’un
panneau solaire en utilisant un calcul simple (Munari Probst et al., 2012). La formule est la
suivante :
Rendement énergétique
= (Rayonnement global annuel en kWh/m2a)*(Facteur d’orientation
en %) *(Aire du système en m2)*(Efficacité en %)*(Ratio de
performance en %)
= ((4,2*365) 1533 kWh/m2a)*((46° sud) 100 %)*(80 m
2)*(15,63%(
MaxPower CS6X))*(Ratio de performance de 80%)
= (1533 kWh/m2a)*(1)*(80 m
2)*(0,1563)*(0,8)
= 15 335 kWh/a
Les éléments de la formule s’expliquent comme suit :
le rayonnement global annuel se trouve avec des bases de données disponibles sur
internet (voir www.nrcan-rncan.gc.ca pour le Canada)
le facteur d’orientation en %
l’aire du système est dépendante du projet (80 m2 pour l’exemple)
l’efficacité se trouve dans la fiche technique du produit (voir
http://www.canadiansolar.com/ pour l’exemple)
le ratio de performance dépend des facteurs suivants : réflexion du verre (2-4%),
déviation des tests de conditions standards (2-4%), effet de la température (3-6%),
neige et saleté (1-2%), Ombrage (≥ 0%) tolérance (2%), perte de l’onduleur (≥ 5%)
et perte du câblage et circuit (1-2%)
Il existe également une carte interactive pour les pays européens qui permet de calculer
rapidement la production moyenne d’électricité quotidienne, mensuelle et annuelle à partir
d’un système donné (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php#). Enfin, pour
dimensionner simplement l’aire du système à installer pour 1 kilowatt de puissance
installée d’énergie photovoltaïque (1 kWp), il suffit de connaitre l’efficacité du panneau en
utilisant la formule suivante :
Aire du système à installer en m
2
= 1 / efficacité
= 1 / 0,1563
= 6,4 m2 serait nécessaire pour obtenir 1kWp de PV avec
une efficacité de 15,63%
94
4.3 CONSTATS À TIRER DES EXEMPLES DE MÉTHODES ET OUTILS SOLAIRES
Il ressort du chapitre 4 qu’il existe une panoplie de méthodes et d’outils disponibles pour
les architectes désireux d’exploiter efficacement l’énergie solaire. De même, il existe dans
la littérature un bon nombre de guides facilement utilisables par les architectes pour la
conception de bâtiments solaires. Ces guides, en plus de présenter une foule d’informations
utiles, élémentaires et spécialisées, incluent des méthodes et des outils solaires adaptés à
des niveaux de connaissance variés. Bien que ceux présentés dans la présente recherche ne
soient pas élaborés, ils ont le mérite d’illustrer en quoi ils sont utiles à la pratique
architecturale en ce qui a trait à l’intégration des systèmes pour 1) l’éclairage naturel, 2) la
production de chaleur utile, et 3) la production d’électricité. Les méthodes et les outils
concernant l’éclairage naturel sont particulièrement nombreux et accessibles, entre autre
parce qu’ils concernent un sujet communément utilisé dans la pratique de l’architecture.
Toutefois, les méthodes et les outils paraissent disparates et hétéroclites, nécessitant tantôt
des connaissances nominales, tantôt pointues. Les connaissances pointues et des savoir-
faire particuliers sont parfois requis pour utiliser des outils informatiques précis et
spécialisés, comme Ecotect ou Radiance. Cela pourrait faire obstacle à l’intégration de
l’énergie solaire dans la pratique courante de l’architecture. Il importe donc de continuer les
recherches, le développement et la communication des nouvelles connaissances et
technologies en la matière. Enfin, les méthodes et les outils qui concernent la production de
chaleur utile et la production d’électricité se distinguent par leur niveau de complexité
supérieur, nécessitant encore une fois des connaissances plus approfondies. La prochaine
section est consacrée à différents exemples d’outils informatiques spécialisés, basés sur la
simulation numérique afin d’encourager leur utilisation dans la pratique courante de
l’architecture.
95
5. EXEMPLES D’OUTILS INFORMATIQUES BASÉS SUR LA SIMULATION
NUMÉRIQUE
Les outils informatiques disponibles pour les architectes sont nombreux (Dubois, Horvat et
al., 2010) et offrent aujourd’hui beaucoup d’avantages. Le premier de ces avantages est
qu’ils permettent d’aller plus loin que les outils graphiques et physiques traditionnels, en
précisant des informations et en assurant un développement plus rigoureux du projet
architectural, au fur et à mesure qu’il progresse. Le deuxième avantage est qu’ils peuvent
enrichir les représentations graphiques qu’utilise l’architecte pour élaborer, simuler, évaluer
et communiquer de l’information dans le processus de conception en permettant de mieux
analyser l’impact des variables choisies dans la conception schématique, entres autre, sur la
performance énergétique. Le troisième avantage est qu’ils fournissent des arguments
davantage convaincants pour le client (Ellis et Mathews, 2002), en utilisant des données
quantitatives qui peuvent justifier et valider des décisions de conception. Enfin, les outils
informatiques permettent d’optimiser une proposition architecturale. Toutefois, comme
l’enquête internationale de la Tâche 41 a permis de le démontrer, les architectes considèrent
avoir des compétences limitées avec les outils informatiques qui intègrent des fonctions
solaires. En effet, les outils informatiques solaires nécessitent un niveau de compréhension
particulier puisque les capacités et fonctionnalités de ceux-ci doivent être bien connues de
l’utilisateur.
À la lumière de ces constats, le prochain chapitre présente une vue d’ensemble de trois
outils informatiques, en présentant les principales fonctionnalités de chacun. Trois outils de
simulation ont été sélectionnés, soit Radiance sous l’interface Ecotect 2010, RETScreen 4
et DAYSIM 3. Les simulations ont été réalisées pour un projet choisi en collaboration avec
l’équipe internationale de la Tâche 41, réalisé par Jouri Kanters, membre de la Tâche 41 et
doctorant à l’Université de Lund. Le projet consiste en un ensemble de bâtiments
d’habitation situé à Vienne, Autriche, dont la volumétrie est conceptualisée selon la
meilleure orientation et inclination pour l’intégration de système solaire actif, soit à 35°
(figure 96).
96
Figure 96 - Bâtiments étudiés (Jouri Kanters)
5.1 OUTILS INFORMATIQUES POUR ÉVALUER L’ÉCLAIRAGE NATUREL
5.1.1 Radiance
Radiance est l’un des outils les plus précis pour simuler la disponibilité de la lumière
naturelle selon une date et une heure données (http://www.radiance-online.org/). Il est
notamment très puissant pour l’analyse et la visualisation de l’éclairage naturel et artificiel.
Il est d’ailleurs reconnu par les chercheurs pour la validité et la précision de ses résultats,
puisqu’il utilise des rayons lumineux tracés dans la direction opposée à ceux qu’ils suivent
naturellement, à partir de l’œil de l’observateur jusqu’aux sources de lumière et en tenant
compte de toutes les interactions physiques avec les surfaces des objets composant la scène
simulée (Dubois, Horvat et al., 2010). Les calculs sont aussi basés sur la latitude et la
longitude de la région géographique et sur la définition du ciel spécifié dans l’outil. Cet
outil a été développé par Greg Ward au Lawrence Berkeley National Laboratory (The
Radiance Synthetic Imaging System). Il est gratuit et possède une licence de redistribution
97
libre. Il est maintenant intégré à de nombreux outils de simulation, dont Ecotect, Rayfront,
Design Builder, Velux Daylight Visualizer, IES VE et DAYSIM.
En ce qui concerne son utilisation, la première étape est de modéliser la géométrie étudiée.
Dans ce cas-ci, le modèle a été importé dans Ecotect avec un fichier *.IFC, lequel a été créé
avec AutoCAD. La deuxième étape est d’assigner les bons matériaux sous l’onglet
Materials Assignements. L’étape suivante est de déterminer les vues intérieures à simuler
avec l’option camera interactively (figure 97). La quatrième étape consiste à exporter les
vues intérieures vers Radiance sous l’onglet d’exportation d’Ecotect. Enfin, différentes
simulations s’offrent à l’utilisateur (figure 98). Les principales simulations sont la
luminance, l’éclairement et le facteur lumière du jour. Les résultats les plus courants sont
des images de style rendu avec le choix de différents types de tracés. Radiance permet de
réaliser des analyses quantitatives et des analyses d’éblouissement (grâce à l’outil Evalglare
par exemple). La figure 99 présente des exemples d’images simulées avec le logiciel
Radiance. Différents types de rendus sont possibles, ce qui laisse beaucoup de flexibilité et
amène beaucoup de richesse dans les simulations, pouvant d’autant plus enrichir les
conceptions architecturales créées dans le processus de conception des architectes.
Figure 97 - Détermination des vues à étudier
1. Materials Assignements
2. Camera Interactively
3. Position des vues
intérieures
1
2
3
98
Figure 98 - Interface d’Ecotect
5
4
5
4. Onglet d’exportation
5. Exportation vers Radiance
6. Choix des simulations
99
Rendu Éclairement
(lux) le 21 décembre
à 12h00
Rendu Luminance
(cd/m2) le 21
décembre à 12h00
Droite :
Rendu Éclairement
Contour lines (lux) le
21 décembre à 12h00
Gauche :
Rendu Luminance
(cd/m2) Contour
bands le 21 décembre
à 12h00
Droite :
Rendu Éclairement
Daylight factor le 21
décembre à 12h00
Gauche :
Rendu Luminance
False Color (cd/m2)
le 21 décembre à
12h00
Figure 99 - Différents types de rendus réalisés avec l’outil Radiance sous l’interface d’Ecotect
100
5.1.2 DAYSIM
DAYSIM est un outil d’analyse de la lumière du jour qui calcule la disponibilité de lumière
du jour, l’autonomie en éclairage naturel, l’irradiation annuelle, ainsi que la dépense
d’énergie de la lumière artificielle selon une zone choisie et un profil d’utilisation. Il est le
tout premier outil de simulation "CBDM (Climate based daylight modelling)" permettant le
calcul de la performance annuelle de l’éclairage et de la métrique Daylight Autonomy en se
basant sur les Daylight coefficients et les ciels (Perez sky models). L’outil DAYSIM se
base, entre autres, sur les algorithmes Radiance (CNRC, 2011) et sur des coefficients
d’éclairage pour calculer efficacement les distributions d’éclairement du ciel pendant une
année complète (Reinhart, 2006). Le but principal de DAYSIM est d’effectuer des calculs
précis pour le remplacement potentiel de l’éclairage électrique par l’éclairage naturel,
jusqu’à assurer l’autonomie d’éclairage naturel. DAYSIM est conçu pour effectuer des
analyses annuelles ou à long terme.
La simulation suivante a été réalisée avec l’outil DAYSIM qui était disponible gratuitement
en ligne. Toutefois, l’outil ne l’est maintenant plus, car il a été récemment été porté sur
l’interface DIVA, accessible avec Rhinoceros 3D. Tout d’abord, il faut savoir que quelques
étapes préalables sont requises avant de procéder à une simulation. A priori, l’utilisateur
doit établir des objectifs de conception concernant l’éclairage naturel. Il doit ensuite
déterminer une zone et des points de mesures à simuler, soit déterminer des vecteurs
directionnels (x,y,z). Dans le cas présent, la zone choisie est le troisième étage d’un des
bâtiments du projet où 38 vecteurs sont choisis pour être simulés (figure 100).
101
Figure 100 - Détermination des points de mesures à simuler (Google SketchUp)
Les vecteurs choisis doivent ensuite être transcrits dans un fichier ASCII (un fichier texte
avec une extension *.pts). L’utilisateur doit également construire un modèle de la zone
choisie, soit un fichier contenant la description d’une géométrie à trois dimensions. Les
fichiers compatibles sont les suivants : *.3ds, *.rif, *.mat, *.rad et *.sky. Dans le cas
présent, Google SketchUp a été utilisé pour créer un fichier *.3ds. Il est important de bien
identifier les composantes et les types de matériaux utilisés, par exemple pour les plafonds,
les planchers, les murs et les fenêtres. Enfin, l’utilisateur doit télécharger les fichiers
climatiques se rattachant au projet étudié. Les fichiers *.epw ou *.wea de villes à travers le
monde sont disponibles en ligne sur le Web. Après ces étapes préalables et comme le
montre la figure 101, cinq étapes supplémentaires doivent être opérées, soit 1) la création
102
d’un projet DAYSIM, 2) l’importation d’un fichier climatique, 3) l’importation d’un
modèle de la zone choisie et d’un fichier ASCII, 4) le calcul des coefficients de lumière du
jour et du profil annuel d’éclairement et 5) l’analyse des résultats.
Figure 101 - Interface DAYSIM à l’ouverture
Parmi ces étapes, la durée du calcul de l’étape 4 dépend notamment du nombre de vecteurs
directionnels choisis. Dans le cas illustré, le calcul de la simulation a duré
approximativement 50 minutes. Enfin, l’étape 5 analyse l’autonomie en éclairage naturel
ainsi que la dépense d’énergie de la lumière électrique selon le profil d’utilisation spécifié
par l’utilisateur et selon les paramètres de rendu suivants (figure 102) :
densité lumineuse électrique installée : 8W/m2;
dimension de la zone : 50 m2;
éclairement moyen minimum nécessaire : 500 lux.
103
Figure 102 - Interface DAYSIM à l’étape 5
Les résultats sont ensuite présentés sous forme de rapport, comme celui qui figure à
l’annexe 5. Ce rapport contient un résumé des principaux résultats, dont la demande
énergétique annuelle (3.1 kWh/m2), les hypothèses de simulation, les résultats détaillés, des
recommandations pour aller plus loin et des avertissements, s’il y a lieu.
Tableau 5 - Résultats détaillés de la simulation (DAYSIM)
x y z DF [%]
DA [%]
DAcon [%]
DAmax [%]
UDI<100 [%]
UDI100-2000 [%]
UDI>2000 [%]
DSP [%]
annual light exposure [luxh]
9.000 -2.500 1.200 10.2 94 96 24 3 23 74 0 15558059
-9.000 -2.500 1.200 9.5 93 96 19 3 32 65 62 23914624
4.000 0.500 0.850 0.2 14 28 10 54 34 12 0 4214286
5.000 0.500 0.850 0.1 4 17 3 68 28 4 0 1423016
6.000 0.500 0.850 0.2 9 23 7 61 31 8 0 2768647
8.000 0.500 0.850 0.2 29 42 16 43 34 23 0 6292322
9.000 0.500 0.850 0.2 26 41 15 44 34 22 0 6243618
10.000 0.500 0.850 0.1 1 14 1 74 26 1 0 559187
4.000 1.000 0.850 0.2 9 23 5 60 33 7 0 2196634
5.000 1.000 0.850 0.2 9 23 5 62 31 7 0 1887748
6.000 1.000 0.850 0.2 8 23 4 62 32 7 0 1794871
8.000 1.000 0.850 0.2 14 32 7 48 41 11 0 3152390
9.000 1.000 0.850 0.2 14 32 7 46 43 11 0 3136111
10.000 1.000 0.850 0.2 8 23 2 59 36 5 0 1353527
4.000 1.500 0.850 0.1 6 19 2 70 26 4 0 1350724
5.000 1.500 0.850 0.1 8 20 4 71 23 7 0 1352287
104
6.000 1.500 0.850 0.1 7 20 3 67 28 5 0 1185073
8.000 1.500 0.850 0.2 8 24 4 58 36 7 0 1877810
9.000 1.500 0.850 0.2 8 25 4 54 39 6 0 1847031
10.000 1.500 0.850 0.1 7 22 3 63 32 5 0 1261986
4.000 2.000 0.850 0.1 4 15 1 78 19 3 0 898728
5.000 2.000 0.850 0.1 7 18 3 77 18 5 0 888083
6.000 2.000 0.850 0.1 5 17 1 74 23 3 1 822977
8.000 2.000 0.850 0.1 6 20 2 64 31 4 0 1131165
9.000 2.000 0.850 0.1 5 20 2 63 33 4 0 1104063
10.000 2.000 0.850 0.1 6 18 2 71 24 4 0 925312
4.000 2.500 0.850 0.1 3 13 1 84 14 2 1 582866
5.000 2.500 0.850 0.1 5 15 1 82 15 3 1 577036
6.000 2.500 0.850 0.1 4 14 1 82 16 2 2 589257
8.000 2.500 0.850 0.1 4 16 1 76 21 3 0 663285
9.000 2.500 0.850 0.1 3 16 1 75 22 2 0 675554
10.000 2.500 0.850 0.1 4 15 1 79 18 3 1 609270
4.000 3.000 0.850 0.1 3 12 0 87 12 2 1 409300
5.000 3.000 0.850 0.1 3 12 0 86 13 2 1 411493
6.000 3.000 0.850 0.1 3 12 0 86 13 1 2 421826
8.000 3.000 0.850 0.1 2 13 0 82 16 1 1 445538
9.000 3.000 0.850 0.1 2 13 0 83 16 1 1 449788
10.000 3.000 0.850 0.1 2 12 1 86 13 2 1 411413
Les résultats se définissent comme suit :
1) le facteur lumière du jour (DF [%]),qui représente le rapport de l’éclairement naturel en
un point à l’intérieur du bâtiment et de l’éclairement produit simultanément, sur un
plan horizontal à l’extérieur par tout l’hémisphère du ciel sans obstruction (Roulet,
2008);
2) le facteur d’autonomie d’éclairage naturel (DA [%]), qui représente le pourcentage du
temps pendant l’année où l’éclairement minimal (500 lux dans ce cas-ci) est rencontré
par la lumière naturelle seulement (Reinhart et Walkenhost, 2001);
3) le facteur d’autonomie continue d’éclairage naturel (DAcon [%]), qui représente le
pourcentage du temps pendant l’année où l’éclairement est en dessous de l’éclairement
minimal (500 lux dans ce cas-ci) (Rogers, 2006);
4) le facteur d’autonomie maximal d’éclairage naturel (DAmax [%]), qui représente le
pourcentage du temps pendant l’année où l’éclairement est dix fois plus grand que
l’éclairement recommandé et par le fait même représente un risque d’éblouissement
par lumière directe (Rogers, 2006);
5) le facteur d’éclairement utile non atteint (UDI<100 [%]), qui représente le pourcentage
du temps pendant l’année où l’éclairement se situe entre 0 et 100 lux;
6) le facteur d’éclairement utile acceptable (UDI100-2000 [%]), qui représente le
pourcentage du temps pendant l’année où l’éclairement se situe entre 100 et 2000 lux;
105
7) le facteur d’éclairement utile excédé (UDI>2000+ [%]), qui représente le pourcentage du
temps pendant l’année où l’éclairement se situe entre 2000 lux et plus (Nabil et
Mardaljevic, 2005);
8) le facteur de saturation de la lumière du jour (DSP [%]), qui représente le pourcentage
du temps pendant l’année où l’éclairement se situe entre 430 et 4300 lux (CHPS,
2006);
9) le montant cumulé de la lumière visible incidente sur un point d’intérêt au cours d’une
année (annual light exposure [luxh]) (Reinhart, 2010).
5.2 OUTILS INFORMATIQUES POUR ÉVALUER LA PRODUCTION DE CHALEUR UTILE ET
D’ÉLECTRICITÉ
RETScreen est un outil de simulation offert gratuitement par Ressources Naturelles
Canada. Il s’agit d’un outil polyvalent qui couvre un large éventail de systèmes pour la
production de chaleur, de froid et d’électricité ainsi que pour l’évaluation de différentes
mesures d’efficacité énergétique. RETScreen peut notamment évaluer : 1) l’efficacité
énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment, 2) un système solaire de production de l’eau
chaude de piscine, 3) un système solaire de production de l’eau chaude domestique, 4) un
système solaire de production de chauffage de l’air (de type SolarWall® par exemple) et 5)
un système de production d’électricité (de type photovoltaïque). RETScreen utilise
l’application Microsoft Excel pour évaluer, entre autres, la production d’énergie, les
réductions d’émissions de gaz carbonique et la viabilité financière pour différents types
d’énergies renouvelables et différentes technologies disponibles sur le marché. L’outil
intègre les données climatiques de la NASA pour de nombreuses villes à travers le monde.
Les pages qui suivent présenteront l’économie d’énergie de systèmes abordés dans le
chapitre 2 de cette recherche.
5.2.1 RETScreen pour évaluer l’efficacité énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment
En premier lieu, pour évaluer l’efficacité énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment,
l’utilisateur doit, comme dans tous les types d’analyse, paramétrer l’onglet Modèle
énergétique (figure 103). Dans un cas comme celui illustré, l’utilisateur doit, entre autres,
établir l’horaire de chauffage et de climatisation du bâtiment, déterminer les
106
caractéristiques du bâtiment dont la mécanique prévue et l’isolation de l’enveloppe pour 1)
le cas de référence et 2) le cas proposé. En l’occurrence, le cas proposé est plus isolé et
comporte des ouvertures plus importantes au sud pour augmenter le chauffage solaire
passif. En intégrant ces genres de stratégies, les résultats obtenus montrent qu’il est possible
d’économiser jusqu’à 25% d’énergie par année.
Figure 103 – Feuille de calcul RETScreen concernant l’efficacité énergétique de l’enveloppe d’un
bâtiment
1. Établissement de l’horaire de chauffage et de
climatisation
2. Détermination des caractéristiques du bâtiment
(mécanique, etc.)
3. Détermination de l’isolation de l’enveloppe pour
1) le cas de référence et 2) le cas proposé (sur isolé)
4. Énergie économisée
1
2
4
3
107
5.2.2 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de l’eau chaude
de piscine
Dans le cas d’un système solaire de production de l’eau chaude de piscine, le paramétrage
de l’onglet Modèle énergétique, présenté à la figure 104, montre que l’intégration d’un
chauffe-eau solaire pourrait engendrer une économie d’énergie de 35% par année. Pour
arriver à ces résultats, l’utilisateur doit notamment paramétrer le cas de référence (sans
système solaire) et le cas proposé (avec le système solaire), connaitre la température finale
de l’eau utile (température moyenne de 20°C) ainsi que les caractéristiques du système
solaire (orientation, manufacturier, etc.).
Figure 104 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’eau chaude de piscine
1. Choix de l’application
2. Cas de référence (sans système solaire)
3. Cas proposé (avec le système solaire)
4. Température de l’eau désirée
5. Calculé selon l’emplacement géographique
6. Choix du manufacturier
7. Nombre de panneaux propose par RETScreen
8. Énergie économisée
1 1 2
5
6
7
4
8
108
5.2.3 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de l’eau chaude
domestique
L’étape cruciale consiste, comme précédemment, à paramétrer l’onglet Modèle énergétique
(figure 105). RETScreen propose différents choix quant aux types de charge : maison,
appartement, hôtel/motel, hôpital, bureau, établissement de restauration rapide, écoles,
buanderie, lave-auto, etc., aidant l’utilisateur à paramétrer les données de base. Dans ce cas-
ci, les données se résument au cas de référence sans système solaire, au cas proposé avec le
système solaire, à la température de l’eau désirée et aux caractéristiques du système solaire
(orientation, manufacturier, etc.). RETScreen démontre que l’intégration d’un tel système
solaire pourrait engendrer des économies de 9 437 m3 de combustible par année, avec une
fraction solaire qui démontre que 50% de l’eau chaude domestique serait produite par
l’énergie solaire.
2 3
4
7
5
1. Choix de l’application
2. Cas de référence (sans système solaire)
3. Cas proposé (avec le système solaire installé)
4. Température de l’eau désirée
5. Calculé selon l’emplacement géographique
6. Choix du manufacturier
7. Nombre de panneaux proposé par RETScreen
8. Fraction solaire
9. Énergie économisée
1
6
109
Figure 105 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’eau chaude domestique
5.2.4 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de chauffage de
l’air
Dans le cas de l’intégration architecturale d’un système solaire SolarWall®, où les gains
solaires sont utilisés dans l’immédiat sans aucun stockage et par lequel l’air frais qui arrive
dans le bâtiment en direction système de ventilation est préchauffé, RETScreen demande à
l’utilisateur de connaitre, entre autres, la température désirée, le débit d’air de conception
(en m3/h ou cfm) et les caractéristiques du système (inclinaison, manufacturier, etc.). Enfin,
RETScreen indique que le système permettrait une économie annuelle de 6 093 m3 de gaz
naturel.
8, au moins la moitié de l’eau chaude domestique
devrait être produit par l’énergie solaire
9
110
Figure 106 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de chauffage de l’air
5.2.5 RETScreen pour dimensionner un système de production d’électricité
Dans le cas où un système solaire actif photovoltaïque est intégré au bâtiment, RETScreen
permet, entre autres, d’estimer l’énergie que pourrait générer le système, qui dans le cas
illustré est évalué à 3,839 MWh annuellement. Pour y arriver, l’utilisateur doit paramétrer
principalement les caractéristiques du système (inclinaison, manufacturier, etc.).
1. Choix de l’application
2. Cas de référence (sans système solaire)
3. Cas proposé (avec le système solaire installé)
4. Température désirée
5. Débit d’air de conception
6. Position du système
7. Choix du manufacturier
8. Énergie économisée
1
2 3
6
7
8
4
5
111
Figure 107 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’électricité
5.3 CONSTATS DES EXEMPLES D’OUTILS INFORMATIQUES SOLAIRES
Somme toute, les trois outils présentés dans cette recherche illustrent largement leurs
avantages pour raffiner et détailler les propositions architecturales pendant la conception
des projets par les architectes. Il faut toutefois mettre ici en évidence que chaque outil
possède ses particularités et des objectifs distincts, ce qui représente à la fois un avantage et
un inconvénient pour les architectes en pratique privée. En effet, la spécificité de chacun
des outils implique la lourde tâche aux architectes d’apprendre à utiliser une multitude
d’outils, ce qui peut être vu comme une limite majeure (Dubois, Horvat et al., 2010). À
l’opposé, il devient avantageux de s’attarder à des outils spécialisés, de façon à préciser
plus efficacement l’information recherchée. Par exemple, Radiance est un outil avec lequel
il est possible d’optimiser l’éclairage naturel en évaluant les risques d’éblouissement.
DAYSIM est aussi un outil de grande précision qui met en relation l’éclairage naturel et
l’éclairage électrique. Enfin, RETScreen est un outil qui se rapporte davantage à
l’enveloppe du bâtiment, aux systèmes et aux nouvelles technologies qui peuvent être
intégrés à l’architecture. Les trois outils présentés imposent à l’utilisateur d’avoir une
compréhension plus approfondie que la moyenne en informatique et en programmation,
afin de pouvoir les utiliser de manière productive. Par exemple, l’outil Radiance requiert de
1. Choix de la méthode de calcul
2. Inclinaison du système
3. Choix du manufacturier
4. Énergie générée par le système solaire
1
2
3
4
112
l’utilisateur de connaitre différents concepts en éclairage naturel pour savoir quoi et
comment simuler. Concernant DAYSIM, l’utilisateur doit plus précisément savoir :
assigner et ajuster la nature des matériaux (réflectance, couleur, etc.) dans les fichiers
descriptifs *.rad créés automatiquement dans le répertoire de l’outil (primitives
matérielles, géométriques),
créer des fichiers *.bat qui permet de lancer plusieurs simulations à la suite l’une de
l’autre et ainsi d’automatiser une étude paramétrique,
obtenir des résultats concernant la luminance (cd/m2) et l’insolation (W/m
2),
simuler adéquatement l’impact que peuvent avoir différents dispositifs d’occultation,
simuler adéquatement l’impact que peuvent avoir différents systèmes de contrôles
d’éclairage électrique.
De même, la plus grande limite de RETScreen est sans doute qu’il requiert de l’utilisateur
de connaitre différentes informations qui relèvent normalement de l’ingénierie, par exemple
le débit d’air d’un bâtiment. Comme dans toutes les simulations, plus les informations
utilisées seront justes, plus les résultats seront pertinents et utiles pour la prise de décision.
Somme toute, les outils présentés réitèrent l’importance de les utiliser dans les phases
initiales de conception et en collaboration avec d’autres professionnels, comme c’est le plus
souvent le cas dans un processus de conception intégré où les différents intervenants
travaillent de façon multidisciplinaire et transdisciplinaire. Les résultats obtenus ont permis
de démontrer la pertinence d’intégrer les systèmes solaires à l’architecture sur le plan
énergétique. Les chiffres témoignent des économies possibles qui sont la plupart du temps
significatives, surtout dans une perspective à long terme.
113
6. ÉTUDES DE CAS
L’étude de cas qui suit porte sur l’intégration de l’énergie solaire à l’architecture dans le
pavillon universitaire Eugene-H.-Kruger sur le campus de l’Université Laval. Ce pavillon
comprend différents systèmes solaires d’éclairage naturel et de production de chaleur utile.
L’étude a pour but d’analyser : 1) les systèmes solaires utilisés et les différentes approches
d’intégration 2) le processus de conception et 3) les méthodes et outils solaires utilisés qui
ont pu influencer la conception. Des entrevues ont été menées auprès d’architectes,
consultants et ingénieurs ayant participé dans le projet.
6.1 PAVILLON EUGENE-H.-KRUGER
Ce bâtiment dédié à l’enseignement et à la recherche en génie du bois, inauguré en
septembre 2005, est situé sur le campus de l’Université Laval à Québec. Il a comme
particularité d’être le premier pavillon du campus à intégrer des principes de
développement durable.
6.1.1 L’architecture solaire
Le bâtiment comprend des systèmes solaires d’éclairage naturel ainsi que des systèmes
solaires thermiques passifs et actifs. Les systèmes solaires concernant l’éclairage naturel,
qui, comme le rappellent Potvin et Demers (2007), « est le captage et la distribution de la
portion visible du spectre lumineux en minimisant les risques de surchauffe ou de
refroidissement ». Ces systèmes sont les suivants :
l’utilisation des ouvertures zénithales avec cinq puits de lumière, qui permettent
d’exploiter une lumière plus vive et procurent une distribution lumineuse plus efficace
(figure 108);
une fenestration abondante, qui constitue environ 40 % de la surface des murs
extérieurs;
l’utilisation de différents types d’occultation solaire pour limiter l’éblouissement.
Pratiquement tous les espaces accessibles du pavillon bénéficient d’un éclairage naturel
avec un facteur lumière du jour (FLJ) suffisant pour limiter largement l’usage d’éclairage
114
artificiel. Le FLJ moyen a pour effet d’offrir un éclairage naturel abondant et contrôlé, qui
augmente l’expérience visuelle dans le bâtiment et le confort pour les occupants. Il
comporte aussi un hall accueillant, chaleureux et attrayant (figure 109).
Figure 108 - L’utilisation des ouvertures zénithales avec des puits de lumière (Potvin et Demers (2007)
Figure 109 - Entrées offrant un accueil chaleureux et attrayant grâce à un système judicieux
d’éclairage naturel (Laurent Goulard; Gauthier Gallienne Moisan architectes)
115
Le pavillon comporte d’autre part des systèmes solaires thermiques passifs, dont le
chauffage solaire passif qui se définit, selon Potvin et Demers (2007), « comme le captage
du rayonnement solaire direct et indirect afin de réduire la charge de chauffage tout en
réduisant les risques de surchauffes ». À cet égard, les stratégies suivantes ont été mises en
application :
une orientation dans l’axe nord-est/sud-ouest, qui permet de chauffer le bâtiment de
façon importante en matinée, au moment de la plus grande demande de chauffage;
une volumétrie en forme de " L ", qui créé un microclimat ensoleillé et à l’abri du vent
(figure 110);
des ouvertures importantes dans les espaces publics et les aires de circulation, qui
contribuent au chauffage solaire passif (figure 111);
l’intégration de différents types d’occultation solaire, dont des avancées de toit et porte-
à-faux, conçus de façon à capter le rayonnement solaire d’hiver, emmagasiner la
chaleur dans la dalle de béton et contrôler le rayonnement d’été afin de limiter la
surchauffe (figure 112).
L’angle des occultations sud-ouest et sud-est permet le chauffage solaire en hiver et leur
distance de la façade autorise une vue vers le ciel. Comme les occultations sont constituées
de verre givré, les différents angles permettent eux-mêmes, mais partiellement, une vue
vers le ciel. L’angle des dispositifs installés sur la façade nord-ouest servent plutôt à
bloquer le soleil de fin de journée et diffuser le rayon lumineux (figure 113 à 115).
116
Figure 110 - L’orientation dans l’axe nord-est/sud-ouest et la volumétrie en forme de " L " (Laurent
Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes)
Figure 111 - Les ouvertures importantes dans les espaces publics et les aires de circulation, mi-octobre
10h00 (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes)
117
Orientation SE
Orientation SO
Figure 112 - Coupe illustrant l’intégration d’occultation solaire et avancé de toit (Laurent Goulard,
Gauthier Gallienne Moisan architectes)
Figure 113 - Les angles solaires des occultations solaires orientées sud-ouest et sud-est (Gauche :
Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie Bouffard)
Été
Hiver
118
Figure 114 - Les occultations solaires orientées nord-ouest servant à bloquer le soleil de fin de journée
(Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie
Bouffard)
Figure 115 - L’occultation solaire orientée nord-ouest servant à diffuser le rayon lumineux (Gauche :
Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie Bouffard)
En dernier lieu, le pavillon Eugene-H.-Kruger intègre un système solaire thermique actif,
soit pour la production de chauffage de l’air. Un revêtement solaire thermique SolarWall®
préchauffe l’air neuf extérieur. Le revêtement est réparti sur trois grands panneaux faisant
45 mètres carrés chacun et est installé sur la façade sud-ouest. La thermographie de la
figure 116 montre que le revêtement SolarWall® atteint une température de 60,1 °C,
significativement plus élevée que celle des autres revêtements de la façade et des endroits
ombragés, qui n’atteignent qu’une température située entre 31,2 °C et 48,3°C.
Orientation NO
119
Figure 116 - Gauche : Mur solaire SolarWall®, Droite : Image infrarouge en fausse couleur prise avec
une caméra thermique qui enregistre les rayonnements électromagnétiques infrarouges
(André Potvin)
6.1.2 Le processus de conception intégré
Le bâtiment a été conçu par les architectes Paul Gauthier, Michel Gallienne et André
Moisan, avec la participation de Laurent Goulard. Ils ont collaboré avec les consultants en
environnement, soit le GRAP, dès l’appel d’offre. Les principaux acteurs du GRAP ont été
André Potvin, spécialiste des ambiances thermiques et Claude Demers, spécialiste des
ambiances lumineuses. Le GRAP a notamment été en charge de présider les rencontres, soit
les "charrettes de conception " avec l’équipe du projet, présentée à l’annexe 6, qui
impliquait les acteurs suivants :
les représentants de l’Université Laval (client);
les architectes et leurs équipes;
les ingénieurs (structure, mécanique, électricité);
les consultants en code, en ascenseur et en éclairage architectural;
l’entrepreneur général.
L’équipe de conception a reçu une mention Contech 2004 de conception durable pour leur
processus de conception intégré.
120
6.1.2.1 Phase pré-conceptuelle
La phase pré-conceptuelle a notamment débuté avec différentes décisions prises par le
client, les représentants de l’Université Laval en l’occurrence. Ces décisions ont d’abord
concerné le choix du site et les deux grands objectifs du projet, soit 1) l’utilisation
rationnelle du bois pour démontrer son potentiel et 2) le développement du premier
bâtiment sur le campus selon des critères de développement durable et d’architecture
bioclimatique, avec une attention particulière à l’éclairage naturel et aux coûts énergétiques
opérationnels. Selon André Potvin, les objectifs étaient donc de fournir aux occupants le
milieu le plus confortable possible tout en minimisant la consommation énergétique. Selon
l’architecte André Moisan, un des buts du projet était d’aligner le processus de conception
sur le système LEED®. Ces objectifs, mis en exécution par l’équipe du projet, ont guidé le
processus de conception.
6.1.2.2 Phase esquisse
La phase a débuté avec plusieurs types d’études, telles que des études d’implantation sur le
site, d’organisation préliminaire, d’intégration de stratégies bioclimatiques, de code de
construction et d’éléments LEED®. Dès lors, une première série de plans, d’élévations et
de coupes a été dessinée. La figure 117 montre la première implantation imaginée, en forme
de " L " différente du résultat final, avec une hauteur de bâtiment plus élevée et une
utilisation marquée de cheminées, aux fonctions à la fois thermique et lumineuse. Suite aux
discussions avec le client à partir de ces dessins, une deuxième série de plans a été produite
et acceptée (figure 118). Cette deuxième série comprend l’idée d’une seule cheminée
thermique et lumineuse parcourant la longueur du bâtiment. Selon Laurent Goulard, ces
esquisses s’inscrivaient dans la continuité du concept de base, traduit dans un volume
solide en bois strié de bandeaux de verre et ponctué de prismes transparents, pour y voir
l’activité humaine et le bois apparent.
121
Figure 117 - Premières esquisses réalisées par l’équipe de conception (Laurent Goulard, Gauthier
Gallienne Moisan architectes)
122
Figure 118 - Deuxième série d’esquisses réalisées par l’équipe de conception (Laurent Goulard;
Gauthier Gallienne Moisan architectes)
6.1.2.3 Phase préliminaire et définitive
Les phases suivantes, préliminaire et définitive, ont permis de progressivement mettre au
point les systèmes bioclimatiques et les dessins à des fins de présentation (figure 119). Les
dessins de présentation ont été réalisés par l’équipe d’architectes avec l’outil de
modélisation Form•Z, qui a permis de représenter assez fidèlement la réalité (figure 120 et
121). Enfin, le concept de cheminées amorcé à la phase esquisse s’est concrétisé par les
puits de lumières ainsi que par des jeux de hauteur, notamment aux entrées et au-dessus des
axes de circulation. Les plans définitifs ont ensuite été dessinés : les plans des
aménagements intérieurs et extérieurs, les élévations; les coupes types, les détails, etc.
Pendant et après la construction, certaines modifications ont été apportées, comme le
123
recouvrement des composantes métalliques des occultations solaires du pavillon par un
matériau isolant, afin d’éviter des ponts thermiques (figure 122).
Figure 119 - Mis au point des systèmes bioclimatiques (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan
architectes)
Figure 120 - Dessin de présentation illustrant le concept de mur solaire, réalisé avec l’outil Form•Z
(Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes)
124
Figure 121 - Dessin de présentation représentant les concepts bioclimatiques, réalisé avec l’outil
Form•Z (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes)
Figure 122 - Pont thermique avant l’installation d’un matériau isolant sur les parties métalliques des
occultations solaires (Alexander Salenikovich)
6.1.3 Les méthodes et outils solaires utilisés
Les méthodes et outils solaires principaux utilisés pendant les phases esquisse, préliminaire
et définitive du processus de conception sont illustrés au tableau 6. Ils ont été choisis,
développés et opérés par André Potvin, Claude Demers et en partie par des assistants de
recherche au GRAP.
125
Tableau 6 - Les méthodes et outils solaires utilisés pendant le processus de conception
Phase
esquisse
Règles du pouce
Création de l’outil Lumcalcul
(Demers et Potvin, 2004)
Acquis avec l’expérience, vulgarisation des concepts
plus techniques pour les architectes
Utilisé pour analyser les FLJ et pour dimensionner
rapidement la largeur des puits de lumière
Phase
préliminaire
ATHENA Utilisé pour calculer l’impact écologique et
énergétique, soit la consommation d’énergie primaire
pour la construction du bâtiment et l’indice de
pollution global de l’air, l’eau et les déchets solides
Ciel artificiel de l’Université
Laval (GRAP)
Utilisé pour analyser les FLJ, pour analyser
qualitativement la qualité de la lumière naturelle et
pour calibrer les paramètres d’Ecotect
Ecotect
Méthode Pilkington
PET4.10 (Potvin et al., 2004)
BSim2002
Energy-10 version 1.5
Utilisé pour analyser les FLJ et l’impact des réflectance
des matériaux
Utilisée pour calculer les angles optimaux des
occultations solaires
Utilisé pour analyser les variables thermiques à
l’intérieur du bâtiment
Utilisé pour analyser la consommation énergétique de
secteur type du bâtiment, ateliers lourds, endroits
susceptibles de surchauffer l’été, endroits particuliers,
etc.
Phase
définitive
EE4 Utilisé pour analyser la consommation énergétique du
bâtiment global et reconnu pour valider la
consommation énergétique prérequise LEED®
Les premiers outils utilisés ont permis d’élaborer les propositions initiales qui intégraient
déjà des systèmes solaires et de constater qu’un éclairage naturel performant avait un
impact majeur sur les gains solaires passifs, la demande en énergie pour l’éclairage
artificiel (tableau 7) et les ambiances intérieures. La méthode Pilkington est
particulièrement intéressante, à la fois pour sa simplicité et sa véracité. Les outils utilisés de
façon itérative ont permis, entre autres :
de valider certains objectifs de conception;
de valider des éléments LEED®;
d’optimiser les puits de lumière quant à leur taille, configuration et surface interne,
en utilisant le ciel artificiel de l’Université Laval (figure 123 et 124);
126
d’optimiser les occultations solaires quant aux angles optimaux, en utilisant la
méthode Pilkington et le ciel artificiel de l’Université Laval;
d’évaluer la consommation énergétique du bâtiment.
Tableau 7 - Premières simulations démontrant l’importance de l’éclairage naturel sur la performance
énergétique (Potvin and Demers, 2007)
Simulation Énergie totale (GJ) Chauffage (GJ) Éclairage (GJ) Coût d’énergie ($) GJ/m2
Référence 419 233 58 13 237 1,01
Proposé 333 187 17 10 897 0,81
Figure 123 - Analyses qualitatives et quantitatives de plusieurs propositions de puits de lumière dans le
ciel artificiel de l’Université Laval (Potvin and Demers, 2007)
127
Figure 124 - Analyses qualitatives démontrant des vues intérieures variant selon différents
positionnements des puits de lumière (Potvin and Demers, 2007)
Concernant la simulation énergétique du bâtiment, l’outil Energy-10 s’est révélé un outil
rapide et facile d’utilisation pour la phase préliminaire, par les nombreuses valeurs établies
par défaut et peu de valeurs paramétrables. Parmi les valeurs qui ont eu le plus grand
impact sur la conception, Potvin et Demers (2007) notent, dans un premier temps, la
performance de l’éclairage naturel (modification des ouvertures), suivi de la performance
du verre, de l’intégration des occultations solaires et, en dernier lieu, de l’isolation de
l’enveloppe. Les résultats montrant la consommation énergétique de deux modèles réalisés
pour un laboratoire type avec Energy-10 sont illustrés à la figure 125. Même si la demande
en chauffage est plus grande dans la deuxième simulation, elle était compensée par 1) la
performance de l’éclairage naturel et 2) les simulations réalisées en mode libre considérant
des fenêtres pouvant s’ouvrir, d’où l’absence de la demande en climatisation (Potvin and
Demers, 2007). Enfin, la simulation finale a été réalisée avec l’outil EE4 dans la phase
définitive. La principale particularité de la simulation a été le système mécanique du
bâtiment, lequel est alimenté par la centrale d’énergie du campus de l’Université Laval qui
imposait un rendement énergétique moyen de 80%, alors que la performance réelle de la
centrale se situe au-delà de ce pourcentage. En terminant, la figure 126 illustre la relation
entre la performance énergétique et le cout opérationnel, démontrant ainsi une différence de
2,28$/m2 en comparaison avec un modèle de référence sans stratégie bioclimatique
particulière.
Figure 125 - Simulations montrant la consommation énergétique de deux modèles réalisées pour un
laboratoire type avec l’outil Energy-10 (Potvin and Demers, 2007)
128
Figure 126 - Simulations associant la performance énergétique au coût opérationnel en comparaison
avec un modèle de référence (Potvin and Demers, 2007)
6.3 CONSTAT DE L’ÉTUDES DE CAS
Chaque projet est un nouveau prototype et il y a toujours, selon Laurent Goulard, un
« phénomène de courbes d’apprentissage ». En ce qui concerne cette étude de cas,
l’architecture développée pour le bâtiment Eugene-H.-Kruger a amené des systèmes
solaires relativement nouveaux pour plusieurs professionnels ayant participé au processus
de conception. À ce sujet, la collaboration entre le GRAP et les architectes s’est avérée très
formatrice à l’égard de l’intégration des différents systèmes solaires qui, tout comme les
occultations solaires, font partie intégrante du bâtiment. Claude Demers mentionne pour sa
part que les meilleurs méthodes et outils utilisés furent les rencontres hebdomadaires avec
l’équipe de conception pour donner des explications, régler des thèmes spécifiques,
répondre aux questions et surtout, apporter des connaissances architecturales spécifiques.
Claude Demers avoue aussi avoir donné « un bon cours d’éclairage naturel » puisqu’au-
delà des chiffres et des simulations, il faut traduire l’information en architecture, et c’est là
que la collaboration devient une force, une plus-value, une aide précieuse pour les
architectes. Claude Demers ajoute que les outils trop complexes font bien souvent perdre
du temps quand ils sont utilisés trop tôt dans la conception. C’est pourquoi des outils
simples pour les phases initiales de conception, comme ceux qui ont été utilisés, sont
essentiels pour exploiter efficacement l’énergie solaire dans les bâtiments. En effet, ces
outils ont permis d’optimiser les puits de lumière et les occultations solaires, en plus
d’enrichir les concepts architecturaux de spatialité, d’ambiances et de confort et d’obtenir
129
des points LEED® (sans toutefois que le bâtiment soit accrédité). Selon l’architecte André
Moisan, les méthodes et les outils solaires utilisés ont entrainé une réduction de la
consommation énergétique de 32 % par rapport à un modèle de référence. Toutefois, ces
aides à la conception ont dû être utilisés avec des connaissances appropriées, selon Hugues
Boivin. Au-delà de l’outil, le nerf de la guerre résiderait sur les connaissances qu’en ont les
professionnels, mettant l’accent sur l’importance de la transdisciplinarité, de la
compréhension des notions à la fois systémiques et perceptuelles, au sein d’une équipe de
conception multidisciplinaire (Boivin, 2007). C’est d’ailleurs ce qui distingue le processus
de conception du bâtiment Kruger, ayant privilégié une approche à la fois pragmatique et
créative, qui a eu pour conséquence d’offrir une qualité de vie supérieure dans ce pavillon,
avec une lumière naturelle bénéfique pour la santé. En effet, l’éclairage naturel du projet a
eu pour effet, selon Claude Demers, d’augmenter la performance au travail du milieu
puisque : « […] Biologiquement, nous avons besoin d’être en relation avec l’extérieur,
d’avoir conscience de la période du jour. De plus, certaines tâches requièrent un éclairage
assez fort, mais plus doux que la lumière artificielle ». Enfin, le processus de conception
s’échelonne, la plupart du temps, dans un faible laps de temps, et toutes les mesures prises à
ce moment ont une importance capitale pour la construction qui a pris, pour le cas à l’étude,
plus de 60% du processus de construction (tableau 8).
Tableau 8 - Processus de construction du bâtiment Eugene-H.-Kruger (selon Laurent Goulard)
13
1
7. CONCLUSION
La présente recherche porte sur la conception de bâtiments solaires en s’attardant sur les
méthodes et outils des architectes dans les phases initiales de conception. Elle se divise en
cinq chapitres : 1) l’architecture solaire, 2) les processus de conception, 3) les méthodes et
outils de conception, 4) les outils informatiques et 5) l’étude de cas exploitant l’énergie
solaire. Ces chapitres visent à sensibiliser les professionnels du domaine de la construction
sur les bâtiments plus performants en regard du solaire.
En premier lieu, l’architecture solaire tire parti d’une ressource renouvelable et abondante
pouvant combler partiellement, voire complètement, les besoins énergétiques des
bâtiments. Elle a la particularité de pouvoir 1) éclairer naturellement, 2) produire de la
chaleur utile, et 3) produire de l’électricité; une diversité de fonctions qui entraine une
multitude de systèmes possibles, lesquels ont tout avantage à être intégrés
architecturalement aux bâtiments. Une telle intégration architecturale, appuyée tout au long
du mémoire, rappelle l’objectif principal de la présente recherche, celui de conduire à une
architecture solaire de haute qualité. Il existe bien une panoplie de solutions prêtes à être
intégrées aux projets comme : 1) une addition technique, 2) un élément à double fonction,
3) une structure autoportante, 4) une surface partielle d’enveloppe, 5) une surface complète
d’enveloppe, et 6) une géométrie optimisée pour le captage de l’énergie solaire. Plusieurs
systèmes solaires disponibles sur le marché, sous forme standardisée ou sur-mesure,
recèlent un potentiel de création architecturale prometteur. Bien qu’elle soit clairement
avantageuse, l’intégration de l’énergie solaire à l’architecture apparait comme un défi de
taille, mais valorisant pour le concepteur : « Alors que je travaillais sur la conception d’un
bâtiment solaire, je fus intriguée par la puissance d’expression des qualités thermiques.
Plutôt que d’héberger simplement un système mécanique autonome, le bâtiment se
comportait lui-même en système thermique » (Heschong, 1981). L’intégration du solaire à
l’architecture requiert des concepteurs certaines notions de base, à savoir la différence entre
les différentes technologies quant à leur spécifications, intégrations, dimensionnements et
limites. Or, des notions plus avancées sont parfois requises.
132
En deuxième lieu, les processus de conception présentés dans cette recherche rappellent
que l’architecte est l’un des acteurs les mieux placés pour comprendre et réaliser des
bâtiments responsables, mais c’est grâce à la collaboration multidisciplinaire et
transdisciplinaire des autres professionnels impliqués dans la conception des projets qu’il
est possible de construire des bâtiments plus durables. C’est d’ailleurs un des aspects qui
caractérise le processus de conception intégré (PCI), en forte émergence à l’heure actuelle.
Celui-ci se distingue du processus de conception traditionnel en poursuivant des objectifs
quantitatifs et qualitatifs rigoureux, maintenus en commun par des dialogues constants
entre les professionnels et spécialistes et menant à une utilisation plus adéquate et mieux
contrôlée de la variable solaire. Dans tous les cas, la variable solaire fait appel aux phases
initiales de conception pour permettre de mieux tirer profit de l’énergie solaire utile et
pertinente, respectant non seulement les objectifs relatifs à l’énergie, mais aussi ceux qui
concernent l’économie, le confort, l’environnement et l’esthétique (Andresen, 2000). Les
premières phases de la conception d’un projet ont en effet une importance capitale en
orientant les décisions conceptuelles et techniques qui succèderont et ce, jusqu’à la fin de la
conception.
Troisièmement, la variable solaire fait appel à des méthodes et des outils solaires, tantôt
utilisés par les architectes, tantôt les ingénieurs et d’autres consultants. Les méthodes et
outils solaires sont nombreux et pratiques pour les concepteurs, à plusieurs stades du
processus d’élaboration de projets et sur des considérations variées. Ils offrent pour la
plupart des règles de pouce, des outils graphiques, physiques et informatiques assez simples
d’utilisation, alors que d’autres, plus performants, exigent des connaissances et des
compétences plus spécialisées. Les méthodes et les outils étudiés servent globalement à
évaluer 1) l’éclairage naturel, 2) la production de chaleur utile et 3) la production
d’électricité. Ils sont accessibles aux professionnels qui œuvrent dans la pratique courante
de l’architecture, notamment les architectes, et plus généralement à tous ceux qui
s’intéressent au solaire. La problématique la plus évidente dans l’utilisation des aides à la
conception est liée au moment de leur utilisation.
133
En outre, le mémoire démontre que les outils de simulations informatiques peuvent devenir
alors des moyens de prédilection pour soutenir une équipe de conception et pour connaître
les gains possibles en termes d’économie d’énergie ou encore d’ambiances physiques. Un
avantage de ces outils est qu’ils peuvent d’autant plus fournir des données quantitatives qui
peuvent justifier et valider des décisions conceptuelles. L’outil Radiance, DAYSIM et
RETScreen présentés dans ce mémoire démontrent plusieurs avantages pour élaborer les
propositions architecturales en regard du solaire et plus précisément de l’éclairage naturel,
de la production de chaleur utile et de la production d’électricité.
Enfin, dans le cas du bâtiment Eugene-H.-Kruger, les méthodes et les outils utilisés dès les
phases initiales de conception ont permis, entre autres, de dimensionner les puits de
lumière, d’instaurer des murs solaires et d’optimiser des occultations solaires pour contrôler
la lumière naturelle, l’éblouissement et la surchauffe d’été. À la lumière des outils, des
méthodes et processus de conception abordés, force est de constater les nombreux
avantages d’exploiter l’énergie solaire dans les bâtiments en regard des dimensions
environnementale, économique, sociale, en plus des ambiances physiques architecturales
dont profitent les usagers et plus généralement, la collectivité.
Ainsi, les projets présentés dans cette recherche suggèrent une nouvelle façon d’habiter et
de concevoir notre environnement bâti. Des nouvelles pratiques permettant d’optimiser la
performance énergétique des bâtiments et d’augmenter la qualité architecturale par une
intégration optimale de l’énergie solaire dans le processus de conception. Comme le
démontre la production collective de Drake Landing, l’énergie solaire « constitue une
occasion idéale pour favoriser la pensée collective et ainsi améliorer le sentiment
d’appartenance et la fierté de la population à l’égard de leur quartier » (Funk, 2010).
7.1 LIMITES
La présente recherche répertorie, de manière volontairement large, un bon nombre de
concepts touchant l’architecture solaire, le processus de conception ainsi que les méthodes
et les outils qu’utilisent les architectes pour concevoir des bâtiments écoresponsables. La
134
complexité particulière aux processus de la conception, en plus de la grande variété des
méthodes et des outils auxquels réfèrent les architectes pour concevoir, limitent
certainement la portée de cette recherche. En effet, les méthodes de travail et les outils
utilisés ne cessent de croître et d’évoluer. Bien que plusieurs outils sont largement connus
et utilisés par la communauté architecturale, ceux de la présente recherche ont été choisis
pour présenter les principaux systèmes qui composent l’architecture solaire. Enfin, les
principaux systèmes solaires, processus et méthodes qui ont été identifiés et catégorisés
représentent néanmoins une image globale cohérente utile aux architectes soucieux d’une
intégration du solaire dans leur architecture. La présente recherche n’est toutefois pas
exhaustive et ne dresse pas la liste complète de tous les éléments qui concernent la
conception solaire.
7.2 DÉVELOPPEMENT FUTUR
Ce travail pourrait être le préambule à de futures recherches doctorales qui pourraient avoir
pour but de créer un guide sur la conception architecturale des bâtiments solaires. En effet,
meilleure sera la compréhension de ce qui compte pour produire une architecture solaire de
qualité, plus il y aura d’outils et de méthodes pour aider les concepteurs à élaborer des
outils pertinents et performants à cet égard. En ce sens, les outils et méthodes utilisés par
les architectes ne devraient pas être complexes pour pouvoir s’intégrer aux premières
phases du processus de conception, devraient fournir suffisamment d’informations claires
pour aider la prise de décision, devraient être faciles d’accès et agir en interopérabilité avec
les outils utilisés couramment par les architectes, et devraient soutenir toute l’équipe de
conception multidisciplinaire et transdisciplinaire.
Par ailleurs, une meilleure collaboration avec les manufacturiers de technologies solaires,
comme le préconise la littérature à la base de la recherche et ses conclusions, entrainerait de
meilleures conditions de conception des projets au bénéfice des architectes, des
professionnels avec qui ils collaborent, de leurs clients, des usagers des bâtiments et par
extension, de la société en général.
135
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14
3
Annexes
144
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)
Outils CAAO Outils de visualisation Outils de simulation
3ds Max Artlantis BKI ENERGIEplaner
Allplan Flamingo bSol
ArchiCAD LightWave DAYSIM
AutoCAD LuxRender DesignBuilder
Blender Maxwell Render Design Performance Viewer (DPV)
Bricscad Mental Ray Ecotect
Caddie POV-Ray Energy Design Performance II (EDG II)
CATIA Renderman eQUEST
CINEMA 4D Renderworks IDA ICE
DDS-CAD RenderZone IES VE
Digital Project V-Ray LESOSAI
EliteCAD YafaRay Polysun
Form•Z PVSOL
Google SketchUp PVsyst
Houdini Radiance
Intelli Plus Architecturals RETScreen
Lightworks T*SOL
Maya VisualDOE
MicroStation
Revit Architecture
Rhinoceros 3D
SolidWorks
Vectorworks
145
Annexe 2 – Projet de fin d’études exploitant l’énergie solaire (Émilie Bouffard)
146
147
148
Annexe 3 - Liste de contrôle LEED® utilisée dans les phases initiales de conception
(Binette et Binette architectes)
149
Annexe 4 - Éclairement et facteur lumière du jour (FLJ) recommandé selon le type de
tâches (Trezenga&Loe, 1988)
Tâches Éclairement
Lux (fc)
FLJ(%)
Latitude 30°
FLJ(%)
Latitude 40°
FLJ(%)
Latitude 50°
Assemblées, réunions, salle de
conférence, tâche simple
215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Assemblées, réunions, tâche
modérément difficile
538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Aréoport, banque 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
Banque : aire de guichet 538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Bibliothèque : rayonnage actif 215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Bibliothèque : rayonnage inactif 54-108
(5-10)
0,5-1 0,5-1 1-2
Bureaux, éclairage général 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
Chambres d’un hôtel 215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Chambres d’une résidence 54-108
(5-10)
0,5-1 0,5-1 1-2
Classe (éclairage général) 215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Classe (lecture) 538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Circulations, corridors, escaliers 54-108
(5-10)
0,5-1 0,5-1 1-2
Cuisine résidentielle 215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Cuisine de restaurant 538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Dessin, couture, manufacture de
petits objets, tâche de précision
538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Exposition, éclairage général 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
Exposition, éclairage local
d’exhibes
215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Hall d’entrée, réception 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
Laboratoire scientifique 538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Lecture (tâche normale) 215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Musée, affichage 215-538
(20-50)
1,5-4 2-6 3,5-9
Salle à dîner, restaurant général 54-108
(5-10)
0,5-1 0,5-1 1-2
Salon 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
Sports dans un gymnase intérieur 538-1076
(50-100)
4-8 5,5-14,5 9-17,5
Toilettes, salles de bain 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
Vestiaire, casiers 108-215
(10-20)
1-1,5 1-2,5 2-3,5
150
Annexe 5 - Rapport de simulation DAYSIM
In short...
Daylight Factor (DF) Analysis: 5% of all illuminance sensors have a daylight factor of 2%
or higher. If the sensors are evenly distributed across 'all spaces occupied for critical visual
tasks', the investigated lighting zone would not qualify for the LEED® -NC 2.1 daylighting
credit 8.1 as the area ratio of sensors with a daylight factor over 2% would need to be 75%
or higher (see www.usgbc.org/LEED® /).
Daylight Autonomy (DA) Analysis: The daylight autonomies for all core workplane
sensors lie between 1% and 94% .
Useful Daylight Index (UDI) Analysis: The Useful Daylight Indices for the Lighting Zone
are UDI<100=92%, UDI100-2000=0%, UDI>2000=8% .
Continuous Daylight Autonomy (DAcon)and DAmax Analysis: 11% of all illuminance
sensors have a DAcon above 40% . 21% of all illuminance sensors have a DAmax above 5% .
Electric Lighting Use: The predicted annual electric lighting energy use in the investigated
lighting zone is: 3.1 kWh/unit area.
Simulation Assumptions
Site Description: The investigated building is located in Montreal (45.68 N/ 74.03 E).
Daylight savings time lasts from April 1st to October 31st.
User Description: The zone is occupied Monday through Friday from 8:00 to 17:00. The
occupant leaves the office three times during the day (30 minutes in the morning, 1 hour at
midday, and 30 minutes in the afternoon). The total annual hours of occupancy at the work
place are 1805.9. The electric lighting is activated 2418.4 hours per year. The occupant
performs a task that requires a minimum illuminance level of 500 lux. The predicted annual
electric lighting energy use of 3.1 kWh/unit area
Lighting and Blind Control: The electric lighting system has an installed lighting power
density of 1.50 W/unit area and is manually controlled with an on/off switch. The office has
no dynamic shading device system installed.
Scene Visualization: The figure below shows a visualization of the building model.
151
Detailed Simulation Results
The table below shows the daylight factor and various climate-based daylighting metrics
for all sensor points individually. Definitions of these metrics can be found here. To guide
the reader's eye, the following color code is used:
Coordinates of core workplane sensors are shown in blue.
Daylight factor levels over 2% are shown in green.
Annual light exposure levels of medium and high sensitivity (CIE Categories III and IV)
are shown in dark green and light green.
x y z DF
[%]
DA
[%]
DAcon
[%]
DAmax
[%]
UDI<100
[%]
UDI100-2000
[%]
UDI>2000
[%]
DSP
[%]
annual light exposure
[luxh]
9.000 -
2.500 1.200 10.2 94 96 24 3 23 74 0 15558059
-9.000 -
2.500 1.200 9.5 93 96 19 3 32 65 62 23914624
4.000 0.500 0.850 0.2 14 28 10 54 34 12 0 4214286
5.000 0.500 0.850 0.1 4 17 3 68 28 4 0 1423016
6.000 0.500 0.850 0.2 9 23 7 61 31 8 0 2768647
8.000 0.500 0.850 0.2 29 42 16 43 34 23 0 6292322
9.000 0.500 0.850 0.2 26 41 15 44 34 22 0 6243618
10.000 0.500 0.850 0.1 1 14 1 74 26 1 0 559187
4.000 1.000 0.850 0.2 9 23 5 60 33 7 0 2196634
5.000 1.000 0.850 0.2 9 23 5 62 31 7 0 1887748
6.000 1.000 0.850 0.2 8 23 4 62 32 7 0 1794871
8.000 1.000 0.850 0.2 14 32 7 48 41 11 0 3152390
9.000 1.000 0.850 0.2 14 32 7 46 43 11 0 3136111
10.000 1.000 0.850 0.2 8 23 2 59 36 5 0 1353527
4.000 1.500 0.850 0.1 6 19 2 70 26 4 0 1350724
5.000 1.500 0.850 0.1 8 20 4 71 23 7 0 1352287
6.000 1.500 0.850 0.1 7 20 3 67 28 5 0 1185073
8.000 1.500 0.850 0.2 8 24 4 58 36 7 0 1877810
9.000 1.500 0.850 0.2 8 25 4 54 39 6 0 1847031
10.000 1.500 0.850 0.1 7 22 3 63 32 5 0 1261986
4.000 2.000 0.850 0.1 4 15 1 78 19 3 0 898728
5.000 2.000 0.850 0.1 7 18 3 77 18 5 0 888083
6.000 2.000 0.850 0.1 5 17 1 74 23 3 1 822977
8.000 2.000 0.850 0.1 6 20 2 64 31 4 0 1131165
9.000 2.000 0.850 0.1 5 20 2 63 33 4 0 1104063
10.000 2.000 0.850 0.1 6 18 2 71 24 4 0 925312
4.000 2.500 0.850 0.1 3 13 1 84 14 2 1 582866
5.000 2.500 0.850 0.1 5 15 1 82 15 3 1 577036
6.000 2.500 0.850 0.1 4 14 1 82 16 2 2 589257
8.000 2.500 0.850 0.1 4 16 1 76 21 3 0 663285
9.000 2.500 0.850 0.1 3 16 1 75 22 2 0 675554
10.000 2.500 0.850 0.1 4 15 1 79 18 3 1 609270
4.000 3.000 0.850 0.1 3 12 0 87 12 2 1 409300
5.000 3.000 0.850 0.1 3 12 0 86 13 2 1 411493
6.000 3.000 0.850 0.1 3 12 0 86 13 1 2 421826
8.000 3.000 0.850 0.1 2 13 0 82 16 1 1 445538
9.000 3.000 0.850 0.1 2 13 0 83 16 1 1 449788
10.000 3.000 0.850 0.1 2 12 1 86 13 2 1 411413
152
Simulation Tips
for EnergyPlus, TRYNSYS and DOE2.1 users: In case you want to import the results from
your Daysim simulation into TRNSYS or DOE2.1 for a more accurate simulation of
building occupancy and electric lighting loads, an annual internal gains file can be found
under: C:/DAYSIM/projects/res/DaysimProject2_active.intgain.csv. More details can be
found here
for ECOTECT users: In case you want to import any of the results from the table above
into Ecotect, a number data files with the extension *.DA have been generated under:
C:/DAYSIM/projects/res . In Ecotect go to DISPLAY >> ANALYSIS AND GRID
SETTINGS >> PROPERTIES. Within the 'Analysis Grid Management' dialogue go to
'Manage Grid Data' >> 'Import Data' and select a file with the extension *.DA.More details
can be found.
Warnings
153
Annexe 6 - Présentation détaillée des professionnels ayant participés au processus de
construction pour le pavillon Eugene-H.-Kruger de l’Université Laval
Client : Université Laval
Denis Brière
Michel Beaudoin
Denis Rochon
Josée Brunet (responsable de projets,
service des immeubles)
Les professeurs et chercheurs de la Faculté
Architecte : Gauthier Gallienne Moisan
Architectes (ABCP Architecture)
Équipe de conception:
Paul Gauthier (chargé de projet)
Michel Gallienne
Laurent Goulard (architecte concepteur)
Alexandre Frenière
James Leeming
Équipe de réalisation:
André Moisan
Jacques Michaud
Benoit Ruelland
Alain Goulet
Stéphan Matte
Michel Martineau
Geneviève Mainguy
France Dion
Équipe de Projet / Génie
Structure: BPR Inc.
Martin Lemire
Éric Boucher
Dominic Fortin
Mécanique électricité:
CIMA+ Génivar
René Gingras
Éric Leclerc
Martin Ruel
Claude Champlain
Consultants
Groupe de recherches en
Ambiances Physiques (GRAP):
André Potvin
Claude Demers
Étudiant :
Hugues Boivin
Analyse de codes:
Le Groupe CSB
Serge Arsenault
Spécialiste ascenseurs
Éclairage architectural:
OKAN
Josée Désilets
Entrepreneur général
Construction Pomerleau
Alain Roy
