L'amélioration des ouvertures ou la valorisation des sources lumineuses

Les points principaux :

  • Cette fiche explore l’impact du milieu sur les ouvertures, fait ressortir des avantages d’une construction bioclimatique et l’intérêt pour une ventilation contrôlée.
  • L’éclairage naturel est à privilégier et l’éclairage artificiel doit compléter celui-ci en s’adaptant aux locaux et à d’éventuelles tâches ponctuelles.
  • La rénovation est l’occasion de repenser les ouvertures, les châssis et leurs vitrages en fonction de l’orientation, de l’exposition au vent, du local, etc.

Résumé

Une rénovation durable va de pair avec une conception soucieuse des économies d’énergie et du bien-être de ses occupants. Dans cette optique, la valorisation des sources lumineuses doit accompagner cette démarche de rénovation. Comme la lumière naturelle est celle qui amène le plus de confort à l’occupant, l’éclairage naturel des espaces doit être favorisé à la lumière artificielle prévue pour le compléter en cas d’insuffisance et lorsque le soleil est couché. La rénovation est aussi une occasion de modifier les baies existantes, les châssis, les vitrages, d’ajouter des protections solaires,… La conception des fenêtres doit se faire en fonction du milieu où s’implante le bâtiment : orientation, pourcentage d’ouverture des baies, exposition au vent, etc. doivent être pris en compte.


Principes généraux d’une conception bioclimatique en symbiose avec son environnement (Illustration J. Flémal)


L’amélioration des ouvertures ou la valorisation des sources lumineuses

Une rénovation durable va de pair avec une conception soucieuse des économies d’énergie et du bien-être de ses occupants. Dans cette optique, la valorisation des sources lumineuses doit accompagner cette démarche de rénovation. Comme la lumière naturelle est celle qui amène le plus de confort à l’occupant, l’éclairage naturel des espaces doit être favorisé à la lumière artificielle qui elle, est prévue pour le compléter en cas d’insuffisance et lorsque le soleil est couché. La rénovation est l’occasion de modifier les baies existantes, les châssis, les vitrages, d’ajouter des protections solaires, d’adapter les ouvertures au milieu environnant…

La valorisation des sources lumineuses

L’éclairage naturel

La lumière naturelle est celle qui amène le plus de confort à l’occupant, l’éclairage naturel des espaces doit être favorisé à la lumière artificielle qui elle, est prévue pour le compléter en cas d’insuffisance et lorsque le soleil est couché. La présence d’obstacles va fortement influencer la quantité de lumière naturelle dans un local. L’architecte peut intervenir à certains niveaux afin de réduire les surfaces de châssis (châssis fixes, sans divisions, ...), éviter toute obstruction par des tentures, store, etc., préférer des protections solaires mobiles et même réglables pour éviter la réduction de l’éclairage naturel en dehors des périodes de risque de surchauffe, etc. L’occupant, lui, intervient afin d’éviter l’obstruction par des objets, plantes vertes, ... placés devant les fenêtres ou encore en nettoyant régulièrement les vitres (Massart C. et al. 2010). Pour garantir un niveau d’éclairement naturel intéressant dans une chambre, il faut une surface nette éclairante équivalente à 15-20 % de la superficie nette de la pièce, si la fenêtre est idéalement orientée.

Les ouvertures ont une influence sur les gains solaires. L’orientation des fenêtres vers le sud est thermiquement plus intéressante en raison des gains solaires importants réalisés pendant la saison de chauffe. Le tableau ci-dessous (Tableau 1) reprend les pourcentages de surface vitrée recommandés en fonction de leur orientation.

Tableau1 : Pourcentage de surface vitrée recommandé en fonction de l’orientation (Trachte S., 2009)

L’éclairage artificiel

Un éclairage adapté est nécessaire pour chaque pièce d’une habitation et dépendra de sa fonction. Il existe énormément de types d’éclairage propres aux différents locaux et aux différentes tâches visuelles. Les puissances d’éclairage dépendent fortement du type de lampe et de luminaire, des dimensions du local, de la couleur des murs et plafonds ainsi que du mobilier. (Roisin B. et al., 2011)

Le but d’un éclairage efficace est de pouvoir agir sur la gestion différenciée des points lumineux en fonction de l’usage des locaux et de la disponibilité de la lumière naturelle. Cela peut permettre de gérer de manière distincte l’éclairage d’ambiance de l’éclairage de la tâche ou d’intégrer la gestion en fonction de la lumière naturelle. Ceci est évident lors d’une nouvelle installation d’éclairage mais ce n’est pas toujours possible en rénovation. (Roisin B. et al., 2011)

Cependant, il existe tout une série de solutions envisageables pour améliorer tant l’efficacité énergétique, que le confort visuel d’une installation d’éclairage existante comme le remplacement des lampes et des luminaires. Le remplacement des lampes, intervention facile à réaliser, n’a qu’un impact limité sur l’installation existante et qui n’implique pas de coûts trop importants. Le remplacement des lampes choisies par de plus efficaces permet d’améliorer l’efficacité lumineuse de l’installation de manière plus ou moins importante. De cette manière, il est également possible d’augmenter le niveau d’éclairement en utilisant des lampes fournissant un flux lumineux plus élevé que les lampes initiales. Dans ce cas, le gain énergétique est alors bien évidemment moins important mais il s’accompagnera d’un gain en confort. (Roisin B. et al., 2011)

Par exemple, l’utilisation de lampes fluocompactes à tubes nus sera conseillée pour le remplacement de lampes incandescentes dans lesquels la lampe est dissimulée par un cache opalin. La lampe incandescente sera remplacée par une lampe fluocompacte ayant une puissance avoisinant le quart de celle de la lampe incandescente remplacée.

Le tableau ci-dessous reprend les puissances des lampes incandescentes généralement utilisées dans les applications résidentielles ainsi que les puissances des lampes fluocompactes à utiliser lors du remplacement. Les gains énergétiques et financiers sont calculés à raison d’une utilisation de 1.000 heures par an (soit un peu moins de 3 heures de fonctionnement par jour) et d’un coût du kWh de 17 centimes d’euros. L’achat d’une lampe énergétiquement efficace de qualité est ainsi rentabilisé à peu près en une année, sur base d’un coût de 8 à 9 €. (Roisin B. et al., 2011)

Tableau 2 : Le remplacement des lampes incandescentes par des fluocompactes : comparaison de leurs puissances (Roisin B. et al., 2011)

Lorsque les luminaires possèdent une lampe incandescente visible et/ou de forme particulière (lampes flammes, etc.), il est possible de trouver sur le marché des lampes fluocompactes ayant un globe reproduisant la forme de la lampe fluorescente (pour obtenir la puissance équivalente à installer, la puissance sera toujours divisée par 4).

Les torchères halogènes indirectes sont munies de lampes halogènes ayant une mauvaise efficacité lumineuse et, d’autre part, elles assurent un éclairage de type indirect ce qui induit d’importantes pertes lumineuses. Ce sont des luminaires, munis de lampes de grandes puissances (entre 300 et 500 W) qui sont parmi les plus énergivores et qui doivent être bannis. Exemple : pour une heure de fonctionnement par jour d’un luminaire de ce type, la facture énergétique s’élève à 31 € par an ! (Roisin B. et al., 2011)

Lors du remplacement de luminaires par des luminaires énergétiquement efficaces, les éclairements conseillés sont détaillés via leurs puissances dans le tableau ci-dessous.

Tableau 3 : Puissance conseillée par pièce pour une installation munie de luminaires efficaces (Roisin B. et al., 2011)

Des luminaires avec interrupteurs intégrés sont intéressants lorsqu’un éclairage spécifique d’une tâche et un éclairage séparé sont préconisés (pour le luminaire placé au-dessus du plan de travail de la cuisine par exemple). L’utilisation de luminaires intégrant un système de détection de présence intégré au luminaire est une solution intéressante dans certaines situations (couloirs, cabinet de toilette, etc.). (Roisin B. et al., 2011)


La rénovation des ouvertures

Lors de la rénovation d’un bâtiment par l’ajout d’isolation, les ouvertures doivent s’adapter et contenir l’isolant afin que celui-ci soit appliqué de manière continue (Figure 1). La rénovation est aussi une occasion de modifier les baies existantes (Figure 2), car les ouvertures ont une influence sur les gains solaires. L’orientation des fenêtres vers le sud est thermiquement plus intéressante en raison des gains solaires importants réalisés pendant la saison de chauffe.

Deux options s’offrent pour le traitement de la rénovation des ouvertures comme :

  • La modification de baies existantes,
  • La conservation de la baie existante.
 
Figure 1 : L’isolation doit être placée de manière continue afin d’éviter tout pont thermique (Photo : A. Branders)   Figure 2 : Modification d’une baie existante lors d’une rénovation (Photo : A. Branders)

Dans ces deux cas, la question du châssis et du vitrage se pose. De manière générale, le châssis doit être posé dans le plan de l’isolation ou au plus près avec un retour de l’isolant dans l’embrasure de la fenêtre jusqu’au châssis (Figure 3).


Figure 3 : Pose du châssis dans le plan de l’isolation ou au plus près avec un retour de l’isolant dans l’embrasure de la fenêtre jusqu’à celui-ci

La rénovation du vitrage et/ou du châssis est illustrée par la Figure 4. Plusieurs techniques de rénovation de fenêtres sont possibles :

  • Conserver les châssis existants en les modifiant éventuellement, et intervenir sur le vitrage (remplacement du vitrage ou pose de survitrage),
  • Remplacer le châssis avec le vitrage (favoriser le placement de double vitrage),
  • Doubler le châssis existant par un double vitrage ce qui permet une amélioration tant énergétique qu’acoustique (avantages : les performances thermiques et acoustiques sont très élevées et le caractère de la façade est conservé).


Figure 4 : Techniques de rénovation de fenêtres par remplacement du vitrage ou pose de survitrage, par remplacement du châssis et du vitrage et en doublant le châssis existant par un double vitrage

Des protections solaires peuvent être ajoutées en cas de rénovation. Les protections solaires permettent de lutter contre les surchauffes en été et contre d’éventuels éblouissements. Elles ne seront indispensables que pour les bâtiments passifs. Il en existe de plusieurs types : les systèmes mobiles (volets roulants ou coulissants, stores, lames orientables,…), les protections solaires externes fixes ou permanentes (de types auvents, vitrages spéciaux,…), les protections solaires placées à l’intérieur et celles de type végétal.

Il est essentiel d’assurer une bonne étanchéité à l’air de l’enveloppe des bâtiments. Les infiltrations d’air dans le bâtiment essentiellement dues à des points faibles de l’enveloppe doivent être limitées (Voir la fiche La rénovation par l’isolation : un des choix les plus porteurs en terme d’économies d’énergie (SAFE.BAT05)). Or les ouvertures peuvent représenter des points faibles et afin d’assurer, une qualité de l’étanchéité à l’air, plusieurs éléments peuvent être améliorés comme la trappe de fermeture des conduits de fumée de cheminée à foyer ouvert et de hotte de cuisine ainsi que les trappes sur les combles, les portes d’entrée (éviter de la placer sur la façade exposée au vent dominant, intérêt de prévoir un sas, proscrire chatière et boîte aux lettres dans l’entrée, etc.),….


Les influences du milieu sur les ouvertures : illustrations à travers des résultats de simulations

L’influence des gains solaires

Plus une habitation sera isolée, plus les gains internes et les gains solaires joueront un rôle important. Il est difficile de comparer des habitations entre elles tellement il y a de paramètres qui varient notamment ces gains internes et solaires. Cette approche permettra une meilleure compréhension des enjeux énergétiques des bâtiments bioclimatique par l’analyse de plusieurs bâtiments représentatifs du bâti existant qui ont été conçus sans tenir compte de leur implantation.

La Figure 5 illustre les différents gains solaires en kWh/m²an (durant la période de chauffe du 1er octobre au 1er mai) pour 8 bâtiments étudiés. On peut observer que les gains solaires sont assez différents dans chaque bâtiment. Cependant, les 3 premiers bâtiments sont identiques (mêmes tailles, mêmes dimensions de fenêtres, mêmes gains internes, etc.). Ils ne varient que par leur orientation et leur implantation (et la seule différence entre le 2ème et le 3ème cas est que le 3ème se trouve derrière une forêt). Le premier des trois est mieux exposé que les 2 suivants et même si ce bâtiment n’a pas été conçu selon les principes du bioclimatisme, la différence de gains est déjà bien visible. On remarque l’impact d’un obstacle (ici une forêt), source d’ombre (notons que cette forêt est au SO et à l’arrière du bâtiment). Il est donc essentiel de ne pas négliger les potentiels apports solaires d’autant plus qu’une mauvaise orientation rend certains standards assez difficiles à atteindre.


Figure 5 : Apport des gains solaires (en kWh/m²an) durant la période de chauffe pour 8 cas étudiés

Confronter ces apports solaires à la demande de chaleur donne une idée plus concrète de cet impact : le 2ème bâtiment, s’il est non isolé, a un besoin net annuel de 6.8% plus élevé que le premier (soit une différence de 13.14 kWh/m²an) et si ce 2ème bâtiment a 6 cm d’isolation en moyenne dans les parois, le besoin net devient 13.66% plus élevé (soit une différence de 12.26 kWh/m²an). Bien sûr, il faut être conscients qu’à certains moments, ces différents gains peuvent agir en surplus et peuvent être à la base de surchauffes.

Le potentiel de ces gains solaires dépend en partie du pourcentage d’ouverture des parois. La Figure 6 illustre l’impact entre les gains solaires de 6 bâtiments analysés dans la figure précédente en fonction du pourcentage d’ouvertures de leurs parois. Les trois premiers bâtiments, identiques, apparaissent donc sur la même verticale mais propose des apports différents ce qui souligne l’impact de leur implantation.

Figure 6 : Impact des gains solaires en fonction du pourcentage d’ouvertures des parois pour 6 habitations

Impact de l’ouverture des fenêtres

Le renouvellement de l’air via une aération régulière des fenêtres est essentiel pour conserver un confort respiratoire de qualité. Bien évidemment cela engendre des pertes par ventilation ce qui induit une hausse de la demande de chaleur. Ces pertes sont fonction de la taille des ouvertures des fenêtres, du temps d’aération, du vent, etc. Le tableau ci-dessous illustre pour une maison 4 façades l’impact sur les demandes annuelles de chauffage qu’entraîne l’ouverture des fenêtres pourtant essentielles à une bonne hygiène respiratoire.

Tableau 4 : Réductions des demandes annuelles de chauffage (en % et en kWh/m²an) entre une situation avec ouverture des fenêtres 1h par jour et une autre situation plus théorique qui supposerait que les fenêtres restent fermées.

Plus le bâtiment est isolé, plus l’impact est proportionnellement important. Cela démontre clairement l’intérêt des systèmes de ventilation D avec récupérateur de chaleur, pour garantir une très bonne qualité de l’air tout en minimisant les pertes de chaleur (voir fiche Les systèmes de ventilation hygiénique (SAFE.BAT07)). Le débit d’air neuf issu de cette ouverture journalière des fenêtres dépend entre autres du vent.

L’impact du vent lors de l’ouverture des fenêtres

Le vent a également un impact lors de l’ouverture de fenêtre qui est illustré dans le tableau ci-dessous. Ce tableau présente les réductions des demandes de chauffages annuelles en % et leurs différences en kWh/m²an entre un cas, exposé « normalement » au vent et, ce même cas mais, mis à l’abri du vent. Ces cas ont été simulés à 7 niveaux de performances de l’enveloppe (Bâtiment non isolé [NI], Bâtiment avec 3cm d’isolation en moyenne dans les parois (dans les murs, toit et dalle de sol) [3cm], Bâtiment avec 6cm d’isolation en moyenne dans les parois (dans les murs, toit et dalle de sol) [6cm], Bâtiment correspondant au standard belge actuel [SA], Bâtiment au standard de rénovation basse énergie [BE], Bâtiment au standard de rénovation très basse énergie [TBE], Bâtiment au standard maison passive [SP]). Le système de ventilation est en mode de fonctionnement « A » consistant en une ouverture des fenêtres 1h par jour. Ceci est purement illustratif pour les cas BE, TBE ou encore SP qui de ce fait n’atteindront plus leur standard puisqu’ils sont modélisés pour fonctionner avec un système de ventilation mécanique. De nouveau, plus le bâtiment est isolé, plus l’impact est proportionnellement important. Les cas repris dans le tableau ont été simulés avec deux fichiers météo différents : l’un correspondant à un climat d’Uccle et l’autre de Saint-Hubert. Concevoir un bâtiment à l’abri du vent va clairement diminuer l’impact du vent sur la demande de chauffage pour autant que les apports solaires ne soient pas également diminués ! Le climat St-Hubert même s’il implique de plus grandes différences en terme de kWh/m²an n’est proportionnellement pas plus marqué par le vent.

Tableau 5 : Réductions des demandes de chauffages annuelles en % et différences entre ces demandes en kWh/m²an entre une maison 4 façades, exposée « normalement » au vent et, cette même maison, mise à l’abri du vent pour 7 niveaux de performances de l’enveloppe


L’impact de la qualité des vitrages

Si les ouvertures sont essentielles au confort visuel, il est impératif de privilégier un vitrage efficace. La figure ci-dessous illustre les réductions sur la demande de chauffage d’une maison 4 façades lors du passage d’un type de vitrage à un autre plus performant en fonction du niveau d’isolation de l’enveloppe. Trois rénovations de vitrages sont analysées :

  • d’un simple vitrage [SV] à un double vitrage ancien [DVA] (courbe bleue)
  • d’un simple vitrage [SV] à un double vitrage performant [DVP] (courbe rouge)
  • d’un double vitrage ancien [DVA] à un double vitrage performant [DVP] (courbe verte)

En fonction de 6 niveaux d’isolation de l’enveloppe :

  • Bâtiment non isolé [NI],
  • Bâtiment sans isolation dans les murs et dalle de sol mais avec 16 cm d’isolation dans le toit [NI - Toit 16cm],
  • Bâtiment avec 3cm d’isolation en moyenne dans les parois (murs, toit et dalle de sol) [3cm],
  • Bâtiment avec 3cm d’isolation dans les murs et dalle de sol et 16 cm dans le toit [3cm - Toit 16cm],
  • Bâtiment avec 6cm d’isolation en moyenne dans les parois (murs, toit et dalle de sol) [6cm],
  • Bâtiment avec 6cm d’isolation dans les murs et dalle de sol et 16 cm dans le toit [6cm - Toit 16cm].
Figure 7 : Réductions sur la demande de chauffage d’une maison 4 façades lors du passage d’un type de vitrage à un autre plus performant en fonction du niveau d’isolation de l’enveloppe

Changer les vitrages est une démarche facile à réaliser et efficace surtout s’il s’agit de passer d’un simple vitrage à un double vitrage performant. Plus le bâtiment est isolé, plus cet effet sera important sur les réductions de demande de chauffage.

Conclusion

La conception des ouvertures d’un bâtiment doit se faire en tenant compte du milieu dans lequel il se trouve. Une rénovation peut être l’occasion de concevoir à nouveau les ouvertures du bâtiment car il est essentiel de valoriser les sources lumineuses comme la lumière naturelle qui amène le plus de confort à l’occupant. L’éclairage artificiel qui vient en complément doit être adapté en fonction des locaux et de la disponibilité de la lumière naturelle. Cet éclairage naturel des espaces peut être repensé lors de rénovations qui sont l’occasion de reconsidérer ces ouvertures et d’éventuellement modifier les baies existantes pour tenir compte des gains solaires, de l’exposition au vent, etc. Les ouvertures doivent s’adapter et contenir l’isolant afin que celui-ci soit appliqué de manière continue et le changement des vitrages et/ou des châssis est intéressant s’ils sont peu performants afin de réduire les pertes par transmission et d’augmenter l’étanchéité à l’air du bâtiment.


Références

  • Massart C., De Herde A. [2010]. Conception de maisons neuves durables, Elaboration d’un outil d’aide à la conception de maisons à très basse consommation d’énergie, Architecture et Climat – UCL, fiancé par Service Public Wallonie DG04 Département de l’Energie et du Bâtiment durable, 2010.
  • Roisin B. et al. [2010]. Guide pratique et technique à l’éclairage résidentiel, projet de recherche ECLOS soutenu via le programme Minergibat du Service public de Wallonie, B. Roisin, A. Deneyer, M. Bodart, P. D’Herdt, B. Deroisy, J. Deltour, Collaboration entre Architecture et Climat de l’Université Catholique de Louvain et la Division Energie et Climat du Centre Scientifique et Technique de la Construction, 2011
  • TRACHTE S. [2009]. Advanced housing renovation with solar and conservation, IEA SHC TASK 37, SUBTASK D environmental, impact, assessment, Architecture et climat, Université Catholique de Louvain, 2009

Pour aller plus loin

Autres fiches

Découvrez nos autres fiches pratiques sur www.safe-energie.be/, en particulier :

  • SAFE.BAT03 : La rénovation : quelles démarches suivre?
  • SAFE.BAT05 : La rénovation par l’isolation : un des choix les plus porteurs en terme d’économies d’énergie
  • SAFE.BAT07 : Les systèmes de ventilation

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Auteurs de la fiche

Architecture et Climat

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T. de Meester et Prof. A. De Herde
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