Maison, abris, cocon, carapace… on a tort de résumer la maison à quatre murs percés de fenêtres et couronnés d'un toit, une boîte plantée au centre d'un jardin, une boîte chauffée en hiver et climatisée en été. Oui, la vie demande un peu plus de subtilité, d'attention, de spécificité.
Bâtie avec intelligence, une construction bioclimatique, (comme une maison passive) peut justement se passer de chauffage et de clim'. Grâce à une enveloppe extrêmement performante tirant le meilleur parti de son environnement, elle consomme un tiers de l'énergie nécessaire à un bâtiment 'classique'.
Comme un vêtement bien taillé, cette enveloppe s'adaptera parfaitement à chaque climat, chaque saison, dans une parfaite adéquation avec son territoire. Un vêtement est léger en été, épais en hiver… de même une multitude d'autres critères, et paramètres rendront cette enveloppe particulièrement performante. Un bâtiment bioclimatique conserve de la fraîcheur en été, une maison passive apporte un confort thermique en hiver, tout deux produisent un climat intérieur sain, laissent pénétrer la lumière naturelle, consomment peu d'énergie et profitent des ressources naturelles…
Il s'agit ici de comprendre certaines clés, d'ouvrir quelques pistes pour appréhender l'ensemble des propriétés physiques, des dynamiques qui traversent cette peau: les séries de mouvements fluides, d'échanges, d'accélérations, de captages, de blocages ou de ralentissements de flux d'air, de lumière, d'énergie. Comment l'implantation, l'orientation, l'isolation, les ouvertures, le vitrage, les matériaux, les rapports avec le climat et le paysage jouent un rôle non seulement sur les économies d'énergie, mais aussi sur le bien-être de ses habitants?

Construire avec son site
Chaque terrain est spécifique et une construction devrait refléter ses spécificités et ses différences. La diversité des contraintes propres à chaque site rend impossible la construction de bâtiments identiques et préconçus. (La page 'territoire' énumère l'ensemble des données qu'il faut collecter pour un site particulier).
Il s'agit donc dans un premier temps de poser les problèmes, de comprendre la situation à laquelle l'enveloppe doit répondre. A quel climat la construction se confronte ? Chaleur ou fraîcheur, climat extrême ou tempéré, humide, venteux, sec… variable en fonction des saisons… Le choix du site et du mode de construction implique de bien connaître le climat de sa région, le microclimat de son terrain, et les possibilités que ce terrain offre, son orientation, ses paysages…
Le microclimat du terrain peut varier sur une courte distance en fonction de l'altitude ou de l'orientation, d'un versant à l'autre d'une colline. D'autres facteurs peuvent jouer un rôle important comme la présence d'humidité ou d'étendu d'eau, de rivière pouvant absorber plus de chaleur…
De même l'ensoleillement et l'intensité lumineuse changent en fonction de la couverture nuageuse, de l'ombrage des arbres, de la pollution atmosphérique.
Il s'agit donc de rassembler le plus d'informations possibles sur le climat, la latitude, l'altitude, la topographie, les températures, l'humidité, les mouvements d'air, d'ensoleillement et d'intensité lumineuse… de savoir à quelle période de l'année, on doit se protéger du froid ou de la chaleur, du vent, des pluies ou du soleil … d'étudier les températures et leur variation, le rythme, les séquences météorologiques et leurs évolutions : la durée des hiver froids pour lesquelles on recherchera l'ensoleillement, l'importance des saisons chaudes et sèches qui détermineront la quête d'ombre et de fraîcheur, la provenance des vents dominants froids et humides dont on cherchera à se protéger. Toutes ces informations sont disponibles localement auprès des services de prévisions météorologiques, ou sur le web comme sur le site de gaisma.com.
Ces données seront déterminantes dans le choix des matériaux et des techniques de construction, de l'exposition, l'orientation, du captage et des protections solaires, de la nécessité de chauffer ou de refroidir le bâtiment, de l'ouvrir largement ou bien de le protéger…. C'est ainsi que le projet sera exceptionnel et bien adapté à son territoire.

L'orientation et l'implantation du bâtiment
Deuxième étape : le sens, la direction, l'orientation que prendra le bâtiment en fonction des paramètres définis plus tôt. L'orientation d'un bâtiment a un rôle prédominant pour son évolution bioclimatique, en particulier si le site est soumis aux hiver froids. Il s'agit alors de limiter l'exposition de la façade au nord et de la protéger des vents froids. Au sud, on doit éviter les ombres projetées, les masques créés par les bâtiments voisins, le relief ou la végétation…
Dès la recherche de terrain, ces questions d'orientation, de masques solaires et de protection naturelle, doivent se poser.
Le nord du site (ou au sud si vous construisez dans l'hémisphère sud) est le meilleur emplacement pour implanter une construction, dégager le maximum de terrain libre au sud et bénéficier ainsi le plus du soleil pour les espaces extérieures, les abords prolongeant la construction, jardin, terrasse, balcon, loggia, courette… Pour être agréables, ces aménagements doivent être bien orientés et recevoir le soleil. S'ils ne sont pas ensoleillés, ils sont toujours délaissés.
Bien sûr, construire au nord du terrain n'est pas toujours possible et dépend du paysage, de la configuration du lieu…
Une fois le projet positionné sur son site, il est indispensable d'étudier les masques solaires de cette position (voir page capter les apports solaires). Aucun masque (bâtiment voisin, arbres, relief) ne devra empêcher les apports solaires directs entre 9h et 15h en hiver, car ceux-ci constituent 90% de l'énergie solaire reçue. De même en implantant son bâtiment, il ne faut pas oublier ses voisins ni leur masquer le soleil.

La forme du bâtiment
La forme optimale d'un bâtiment bioclimatique doit se contraindre à perdre un minimum de chaleur en captant un maximum d'énergie solaire en hiver, et à gagner un minimum de chaleur quand viennent les saisons chaudes.
Dans les climats particulièrement froids (ou au contraire extrêmement chaud), il s'agit de minimiser les déperditions (ou les apports solaires) en réduisant la surface des parois en contact avec l'extérieur. Plus le bâtiment est compact, plus le rapport surface/volume sera réduit et plus les déperditions/apports seront limités. Les sphères forment les bâtiments les plus compacts, ce n'est malheureusement pas la forme la plus simple à construire, à moins de construire des igloos ou des yourtes. Il s'agit surtout d'éviter les volumes trop complexes, de bannir avancés, redans, portes a faux, retraits… et de rassembler le plus de fonctions et le plus d'habitants en regroupant et agrandissant les constructions. Dans ce sens, un immeuble de logement collectif est plus performant qu'une maison individuelle. Ce principe permet également de réaliser des économies, les façades d'un bâtiment étant un des postes les plus coûteux dans la construction.

Pour les climats tempérés, entre les latitudes 32-56°, la question principale consiste à capter le plus d'apports solaires durant la saison froide. En hiver, le soleil est bas, la façade méridionale reçoit donc un maximum d'énergie par rapport aux autres. En été, le soleil se lève bien à l'est et monte très haut, avant de se coucher vers l'ouest, la toiture, ainsi que les façades est et ouest sont donc les plus irradiées. Il est donc logique de réduire les façades est et ouest, car elles reçoivent un surplus de chaleur l'été et peu d'énergie l'hiver (contrairement à la façade sud qui en reçoit trois fois plus). Ainsi, une construction est optimale en allongeant sa forme sur un axe est-ouest tournée vers le sud.
Chacun connaît le petit croquis de Le Corbusier montrant l'orientation des Villas Radieuses par rapport au soleil, celles-ci étaient orientées est-ouest sur un axe nord-sud pour "donner à chaque appartement une double orientation avec du soleil toute la journée". Cette orientation est malheureusement peu efficace énergétiquement, de plus, elle apporte un soleil éblouissant l'été et peu de lumière en hiver. Un exemple plus propice est la Villa pour Herbert Jacobs de Franck Lloyd Wright, orientée plein sud, en forme d'hémicycle, elle suit la course du soleil, sa façade nord est posée contre un talus qui permet de limiter les déperditions énergétiques.
Pour faciliter la pénétration solaire à l'intérieur des pièces, et recevoir le plus de lumière naturelle, la profondeur pourra se limiter à 4-5 m ou bien 2 à 2,5 fois la hauteur des fenêtres au-dessus du plancher soit pour des fenêtres à 2,30m, une profondeur de 4,6 à 5,8m (cette profondeur doit s'adapter et être déterminée de manière spécifique en fonction des latitudes et de son diagramme solaire). On sait que la lumière naturelle a non seulement une influence bienfaisante sur la santé, mais elle permet aussi d'économiser l'énergie des éclairages artificiels … Enfin 4-5m est aussi la distance maximale pour l'efficacité d'un mur capteur (dont nous parlerons plus loin). Il faut cependant noter que d'autres solutions peuvent être trouvées comme un éclairage zénithal et un système d'apport thermique différent.

La façade nord (ou la façade sud pour les régions de l'hémisphère sud )
Dans les régions situées au-delà du 23' parallèle, la façade septentrionale ne reçoit jamais de rayonnement solaire, ses abords sont plus froids, plus sombres et plus humides.
Son aménagement peut créer une atmosphère très différente que celle côté sud, l'ambiance froide spécifique des cours de service, lieu de stockage, d'accès au garage…
On pourra y trouver de très jolies mousses, lichens, fougères… Des plantations d'arbres persistants et de haies ou bien des murs brises vent y sont conseillés pour protéger et détourner les vents froids dominants.
On peut aussi réduire cette partie en adossant le mur de façade au versant sud d'une colline ou bien en créant un remblai, un talus qui permet de la protéger et de bénéficier de la chaleur et de l'inertie du sol.
Si on souhaite rendre ce lieu plaisant en y apportant de la lumière naturelle, on peut diminuer la hauteur de cette façade pour produire le moins d'ombre portée possible, profiler l'inclinaison du toit dans l'angle du rayonnement solaire d'hiver, et employer des teintes claires qui réfléchiront la lumière.
Derrière cette façade, l'intérieur peut renfermer des locaux techniques ou fonctionnels tel que garage, rangements, circulation, lingerie… Les pièces de vie (chambres, séjours…) pouvant ainsi profiter de l'orientation sud.

Propriétés et activités thermique des matériaux de façade
Une fois la forme et l'orientation du bâtiment définies, nous devons réfléchir aux matériaux de façades et comprendre leur interaction avec l'énergie reçue du soleil : comment celle-ci agit, s'emmagasine ? Où placer les ouvertures ? Comment se protéger des déperditions? …
L'énergie reçue par le rayonnement solaire sur la façade poursuivra trois destins différents. Elle peut-être partiellement réfléchie, partiellement absorbée ou partiellement transmise à travers un matériaux.

Pour limiter les apports solaires dans les climats chauds, on peut privilégier les matériaux réfléchissants ou les couleurs claires. La propriété de ces matériaux réfléchissant comme les miroirs ou les plaques l'aluminium poli est de renvoyer par réflexion jusqu'à 85% de l'énergie perçue, ils en absorbent 15% et ne transmettent rien puisque le rayonnement ne le traverse pas.
Dans les climats froids, on peut imaginer des dispositifs jouant avec cette propriété réfléchissante aux abords des constructions pour renvoyer l'énergie à l'intérieur, comme l'étagère à lumière constitué d'une série de miroirs inclinés perpendiculairement aux baies pour éclairer l'intérieur des locaux.

Dans ces mêmes climats froids, la recherche de captage et de conservation d'énergie est vitale, on favorise ainsi les matériaux absorbants l'énergie comme les matériaux opaques de couleur sombre ou noir. Ceux-ci transforment le rayonnement en énergie calorifique (en chaleur) par l'accélération des vibrations moléculaires, ainsi leur température augmente.
Alors que l'aluminium poli n'absorbe que 15% de cette chaleur, le béton en accumule environ 55% la brique 68%, le bois foncé 85%, et l'ardoise 89%. La couleur joue également un rôle important dans la réflexion/absorption d'énergie : ainsi un matériau blanc renvoie 90% du rayonnement et n'en absorbe que 10%, le rouge 45%, le bleu foncé 85% et le noir 95%.
Dans un climat chaud, au contraire, on recherche des matériaux ou des couleurs réfléchissants pour renvoyer vers l'atmosphère cette énergie indésirable.

Dernier destin non négligeable est la transmission de cette énergie à travers un vitrage, une paroi transparente ou translucide. Le verre clair, le plexiglas, le polycarbonate captent, reçoivent et transmettent une grande partie du rayonnement solaire vers l'intérieur, sans l'altérer. Un simple vitrage peut transmettre 87% du rayonnement, un double vitrage 73%. Cette fraction d'énergie traversante est appelée le facteur solaire (g). Elle représente le pourcentage de rayonnement transmis par rapport au rayonnement reçu. Elle varie en fonction du type de vitrage : certains vitrages sont conçus pour réduire la transmission lumineuse, d'autres pour la favoriser. Cette valeur est donnée par le fabriquant, elle est très importante pour calculer les apports énergétiques d'une baie vitrée.
Le reste de l'énergie est réfléchi ou absorbé. Les pertes par réflexion dépendent de l'angle d'incidence du verre, les pertes par absorption dépendent de l'opacité du verre et de sa teneur en fer. Les verres à forte teneur en fer ont un faible taux de transmission. La couleur verte des bords indique une teneur élevée en ions ferreux. (voir l'article sur le vitrage sur la page 'matériaux')

Emplacement des fenêtres et du vitrage
Le vitrage est donc indispensable aux apports énergétiques dans les régions froides. Dans le contexte d'un climat chaud, ces apports seront réduits soit en diminuant les ouvertures, soit en y plaçant des protections (auvents, brises soleil…) ou bien en utilisant des vitrages limitant cette transmission avec un facteur solaire (g) faible.
Revenons aux climats froids où les baies vitrées posent une nouvelle problématique pour la façade : Leur emplacement doit être savamment étudié, car même si la résistance thermique des vitrages s'est considérablement améliorée depuis quelques années, elles demeurent de grandes dépensières, des lieux de déperditions, laissant fuir beaucoup plus d'énergie qu'une paroi bien isolée. Ainsi comme pour chacun des matériaux de façade, on prend en compte son coefficient de transmission thermique U (en W/m².K ) dans le calcul des déperditions de l'enveloppe (les différentes valeurs moyennes de U en fonction des vitrages sont indiquées sur la page 'matériaux').
Lorsqu'on dessine une baie, un certain nombre de critères rentrent en jeux : on doit avoir le soin de placer les fenêtres en fonction des vues sur le paysage, des besoins d'éclairage, de la composition de la façade, de l'acoustique, de l'intimité… On doit tenir compte tout particulièrement de la quantité de chaleur que ces baies reçoivent pendant les saisons les plus froides, on peut ainsi facilement limiter leur déperdition et gagner en apport thermique.
Le vitrage est en effet indispensable pour capter l'énergie solaire, car il a la propriété fantastique de laisser pénétrer l'ensemble des rayonnements solaires, et d'absorber ou intercepter tous les rayonnements thermiques, rayonnements infrarouges, proches ou lointains. C'est le principe même de l'effet de serre. Le rayonnement solaire ayant traversé le vitrage se transforme en chaleur, il réchauffe l'air et les matériaux qu'il irradie et excite leurs molécules. Les rayonnements thermiques émis en retour par ces matériaux sont arrêtés (ou serrés) par le verre. Ce phénomène qui permet de piéger la chaleur est appliqué par de nombreux système de chauffage bioclimatique.

Orienter des baies au soleil de manière inclinée perpendiculaire au soleil permet de bénéficier du plus d'ensoleillement. Un jardin d'hiver constitué par une véranda ou une simple serre augmente avantageusement la surface des séjours, espace de jeux ou de loisir… Ces espaces enrichissent le microclimat intérieur: largement plantés et associés à une arrivée d'air, ils le tempèrent, l'humidifient en lui apportant des parfums aromatiques. Pourvu d'un stockage thermique, ils constituent une bonne réserve d'énergie pour l'ensemble du bâtiment. De nombreux dispositifs permettent de l'isoler pour les jours sans soleils ou au contraire de le ventiler et de le protéger lors des périodes estivales, pour réduire les apports de chaleur non souhaités… (Voir éléments flexibles plus bas)
En dehors des jardins d'hiver, il est bon de profiter pleinement de la lumière naturelle, pour cela on doit prévoir des surfaces d'ouvertures comprises entre 25 et 50% de la surface de plancher en fonction du climat, de l'orientation, des déperditions possibles. La réglementation thermique française (la RT2005) limite la surface des baies à 1/6 de la surface habitable pour les habitations et à 50% des façades pour les autres bâtiments, avec une répartition de 40% au sud et 20% sur chacune des autres façades pour les maisons individuelles et une répartition égale sur chacune des façades pour les autres bâtiments. Mais ce type de règle est peu propice à l'imagination, il a le pouvoir de s'abstenir de penser les cas particulier et de rendre le monde uniforme et normé.

La façade sud reçoit trois fois plus de soleil en hiver que les autres façades et une quantité moindre en été contrairement à la toiture et aux façades est et ouest, ainsi les meilleures orientations des fenêtres sont certainement les directions sud-est et sud-ouest en fonction des besoins de chaque pièce et du résultat recherché: placer au sud-est, les chambres peuvent bénéficier du soleil le matin, plein sud, la cuisine le reçoit le midi, enfin, il est plus agréable de placer le séjour au sud-ouest pour profiter du soleil l'après midi et conserver sa chaleur jusqu'au soir. Dans cette même logique, il s'agit de limiter la taille des fenêtres à l'est, à l'ouest et au nord, de les protéger des vents froids pour réduire leurs déperditions et les équiper d'isolations amovibles, de volets isolants ou autres dispositifs mobiles pour réduire les fuites de chaleur la nuit ou quand le soleil disparaît. Nous y reviendrons plus bas…
Pour connaître l'efficacité d'une fenêtre, il est facile de d'établir un bilan entre la quantité d'énergie reçue pendant la période la plus froide à une orientation donnée et les déperditions durant cette période. On peut alors rechercher un équilibre entre apport et déperdition.
Un exemple : à Paris ( 48°49'N) une fenêtre de 1m² située au sud reçoit en moyenne 2119Wh par jour dont environ 67% traverse le double vitrage soit 1419,7 Wh. Ce double vitrage à faible émissivité possède un coefficient de transmission thermique U de 1.8W/m².K, il perdra donc 777,6Wh par jour (pour une température extérieure de 0 à 2°C et s'il n'est pas isolé pendant la nuit). Par beau temps, cette fenêtre aura un rendement positif, car elle apportera pendant les périodes froides au moins 942,1 Wh.

Echanges thermiques des matériaux
Poursuivons notre étude bioclimatique à l'échelle moléculaire pour comprendre les modes d'échanges, de diffusion de chaleur à travers les matériaux. Ces notions influencent notamment le confort intérieur, nos rapports sensibles aux parois, murs, cloisons, vitrages…
Les deux principes à la base de ces échanges sont les suivants : La chaleur se déplace toujours du corps le plus chaud vers un corps plus froid (2nd principe de thermodynamique) et ces mouvements de chaleur ne cessent que lorsque que le bâtiment aura trouvé un équilibre thermique. De plus, on reconnaît communément que ces échanges, les mouvements et la diffusion thermiques se font par trois moyens différents : la conduction, la convection, le rayonnement

La conduction est le mouvement énergétique traversant un matériau. Chaque matériau a la capacité de conduire plus ou moins de chaleur ou au contraire de résister à cette transmission dans les cas des matériaux isolants. Nous décrivons plus haut la conductivité thermique λ d'un matériau, celle-ci mesure la puissance du flux énergétique qui le traverse. Elle s'exprime en W/m.k (ou en W /m.°C) et correspond à l'énergie qui se déplace de molécule en molécule du chaud vers le froid. Certains matériaux sont plus isolants, d'autres meilleurs conducteurs (comme les métaux), ces derniers apparaissent plus froids au touché car leurs molécules ont une meilleure capacité à recevoir et à transmettre la chaleur. L'air et les gaz immobile sont généralement de mauvais conducteurs ce qui fait des matériaux renfermant de petite bulle d'air, de bons isolant. Pour se protéger efficacement du froid ou de la chaleur les matériaux de façade doivent généralement être de mauvais conducteurs, au contraire, les dispositifs de chauffages bioclimatiques utiliseront les meilleurs conducteurs possibles.

La convection est le mouvement énergétique transmis par un milieu propagateur fluide mobile, un gaz, (l'air) ou un liquide (l'eau). Par ce processus la chaleur se déplace des zones chaudes vers les zones froides. L'air mis au contact d'une surface chaude ou du rayonnement solaire s'échauffe, se dilate, s'allège et s'élève. Les molécules d'air plus froides viennent remplacer celles qui s'élèvent dans un mouvement d'air cyclique naturel. Au contact d'une paroi froide (une baie vitrée par exemple) ce phénomène s'inverse, les molécules d'air perdent leur énergie et s'alourdissent créant un courant descendant le long de la surface vers le sol. (voir les mouvements de l'air )
Le phénomène de convection naturelle permet de nombreuses applications à travers des dispositifs de chauffage ou de ventilation par convection ou en jouant avec l'agencement spatial vertical en stratification: Chaque activité trouvant son niveau adéquat, les plus chaudes en haut et les plus fraîches en bas… Les systèmes de pompe à air solaire utilisent également ce phénomène pour ventiler et rafraîchir un local.

Le rayonnement est le transfert thermique produit par les ondes électromagnétiques à travers l'espace, pouvant être absorbé par un solide ou bien réfléchi par un panneau réflecteur.
Le rayonnement solaire comporte essentiellement des radiations de courtes longueurs d'ondes émises à haute température, 6 000 °C environ. Les rayonnements thermiques des matériaux sont constitués de grandes longueurs d'ondes et d'infrarouges lointains émis à des températures bien inférieures.
Tout matériaux à une température supérieure à 0 kelvin (zéro absolu, soit -273,15°C) en permanence de l'énergie, ce qui correspond au mouvement continuel des molécules à leur surface. Nous évoquons plus haut comment les matériaux transmettent, réfléchissent ou absorbent l'énergie reçue par le rayonnement solaire, cette énergie est renvoyée en permanence par le rayonnement. L'intensité du rayonnement dépend de la température de la surface rayonnante
Les corps noirs sont les matériaux qui absorbent le plus de rayonnement reçu. Pour maintenir son équilibre thermodynamique, ceux-ci réémettent un rayonnement dans toutes les directions avec une puissance et une fréquence d'émission proportionnelle à la chaleur du matériau. A une température ordinaire, ils n'émettent que dans l'infrarouge lointain, invisible à l'œil, si sa température augmente, on verra ce matériau rougir pour aller vers le jaune et le blanc dans un état d'incandescence (comme le filament d'une lampe).
Les matériaux de couleur blanche, les surfaces brillantes ou polies réfléchissent les rayonnements reçus et donc s'échauffent moins et émettent moins de chaleur par rayonnement.
La plupart des matériaux de construction ont une bonne émissivité et rayonne environ 90% de l'énergie reçue.
Cette notion est très importante pour le confort intérieur, la chaleur radiante étant toujours plus confortable que l'air chaud soufflé. Ainsi, le confort d'ambiance est lié aux échanges thermiques de notre corps, constitués par la moyenne de la température de l'air et de la température radiante des parois. L'effet de la température radiante est supérieure de 40% à celle de la température de l'air. Ainsi pour chaque diminution de la température de l'air de 1,4°C, il suffit d'une élévation de 1°C de la température des parois pour le même niveau de confort. Cette propriété s'applique non seulement pour un simple radiateur à eau, mais aussi pour les planchers et les parois chauffantes ou bien pour les plafonds rafraîchissants…

Stockage de chaleur, inertie, diffusivité et effusivité
Lorsque le soleil rayonne, il chauffe directement l'air, mais lorsqu'il disparaît son énergie doit pouvoir être conservée, stockée pour être ensuite diffusée par conduction ou par radiation. Comment conserver la chaleur et comment retarder ou différer son émission par les matériaux ?
L'énergie cherche en permanence à fuir, certains matériaux sont aptes à capter et à conserver plus ou moins de chaleur, plus ou moins longtemps, et à la restituer plus ou moins lentement. Ainsi il s'agit de stocker suffisamment de chaleur durant les journées d'hiver, pour tempérer l'intérieur pendant la nuit suivante. Le principe est simple : Le soleil chauffe une masse, un mur ou un plancher capteur à forte inertie, celui-ci emmagasine cette énergie puis la rayonne progressivement.
On appelle la capacité d'un matériau à stocker la chaleur : l'inertie, elle se caractérise par la chaleur spécifique exprimée en Wh/kg.K correspondant à la quantité de d'énergie nécessaire à une masse de un kilo pour élever sa température de un degré. Ainsi l'eau possède une chaleur spécifique importante (1,16 Wh/kg.K), celle du bois, ainsi que celle de la terre crue et du mélange terre-paille est assez bonne avec environ 0,40 à 0,45 Wh/kg.K, celle des matières minérales (béton, pierre, brique) tourne autour de 0,28 Wh/kg.K enfin celle du verre et des métaux est assez faible (0,1 à 0,2 Wh/kg.K).
La notion d'inertie et de stockage thermique est à la base de tous les dispositifs de chauffage bioclimatique et des maisons passives, nous y reviendrons plus longuement dans un prochain article et développerons en particulier les méthodes et les calculs de stockages de chaleur.

L'été, cette masse de matière à forte inertie permet aussi de rafraîchir en absorbant et accumulant la chaleur le jour et en la rejetant la nuit, elle peut être isolée la journée de la chaleur extérieure puis exposée le soir aux fraîcheurs nocturnes. Arroser cette masse permet également d'augmenter la conduction et l'évaporation de la chaleur.
Dans les climats tropicaux, une faible masse de construction et peu d'inertie est souhaitable pour éviter d'absorber trop de chaleur et rafraîchir plus facilement la construction lorsque la pluie et le vent s'abatte sur elle…

Il faut associer aux caractéristiques des matériaux, deux autres paramètres de confort déterminant la vitesse propre à un matériau pour générer des flux thermiques, diffuser ou absorber la chaleur, à savoir la diffusivité et l'effusivité.
La diffusivité (en m²/h) exprime l'aptitude à transmettre rapidement une variation de température, elle croit avec la conductivité et décroît avec la capacité thermique.
Plus la diffusivité est faible et plus la chaleur sera lente à traverser un matériau. Cette notion permet de gérer la différence de temps, le déphasage entre la captation de chaleur et sa diffusion. Les matières minérales comme la pierre ou la brique ont par exemple une diffusivité 3 à 5 fois supérieure aux matières organiques comme le bois. Cette propriété est aussi importante pour le comportement des isolants thermiques pendant les périodes chaudes. Un isolant à faible diffusivité ne retransmettra pas la chaleur avant le soir …

L'effusivité (en W.h0.5/m².K) exprime la vitesse d'un matériau à absorber l'énergie. Plus l'effusivité est élevée comme la pierre ou la faïence et plus le matériau absorbe d'énergie sans se réchauffer notablement, au contraire, plus elle est faible comme pour le liège ou le bois et plus le matériau s'échauffe
Cette propriété permet par exemple, de choisir les revêtements intérieurs : Dans un climat chaud, un revêtement à forte effusivité comme les matériaux minéraux (marbre, carrelage) apporteront une sensation de fraîcheur. Au contraire dans un climat froid, un revêtement à faible effusivité comme le bois génèrera une sensation chaleureuse.

L'isolation
Pour finir, il nous faut parler de la conservation de l'énergie, certains matériaux en raison de leur propriété de faible conductivité jouent un rôle très important pour garder l'énergie à l'intérieur, il s'agit bien sûr des isolants. Nous avons vu comment calculer les déperditions thermiques et comment choisir un matériau isolant 'écologique'.
Ainsi les matériaux doivent répondre à une demande spécifique, liée aux problèmes posés par les caractéristiques du site (climat, humidité…). On doit choisir et dimensionner un bon isolant en fonction de ses objectifs, sa meilleure adaptation, ses besoins, sa destination, ses ressources, sa faible conductivité thermique pour l'hiver, sa faible diffusivité et sa forte réduction d'amplitude pour l'été, son épaisseur suffisante et sa mise en oeuvre adéquate, la toxicité de sa fabrication et de ses émissions, sa résistance au feu, à l'humidité, l'énergie nécessaire à sa production et à son transport, ses qualités mécaniques, sa facilité de pose, sa durée de vie, sa possibilité de recyclage…

Les déperditions d'un bâtiment ont lieu particulièrement au niveau des ponts thermiques, là où les matériaux de l'enveloppe sont les moins isolés. Cela intervient en particulier au niveau du raccord entre les dalles de plancher et les murs porteurs, les fondations, les menuiseries, la toiture… Pour qu'un bâtiment soit convenablement isoler, comme un manteau que l'on ajoute, l'isolation doit se faire à l'extérieur des façades. On pose l'isolant sur les parois extérieures du bâtiment. L'isolation extérieure permet également de bénéficier de l'inertie de l'ensemble des matériaux de construction pouvant stocker la chaleur pour la rayonner ou bien rafraîchir en été. Cela permet aussi de laisser à l'extérieur les fibres et autres matériaux d'isolation peu bénéfiques pour la santé.

S'il faut protéger les matériaux d'isolation de l'humidité, l'eau ayant une conductivité thermique assez forte a tendance à réduire les performances de l'isolation, la paroi doit aussi avoir la possibilité de respirer. L'idée de fabriquer des boîtes thermos hermétiques est bien dépassée. Il faut comprendre l'isolation comme un ultime manteau pour l'hiver, un vêtement laissant le corps respirer, évacuant sa transpiration, il faut en finir avec les pare-vapeurs et les parepluies étanches.
Il faut maintenant penser la paroi comme une membrane qui respire régulant les échanges thermiques et l'hygrométriques en posant des matériaux peu sensibles à l'humidité (comme le liège ou la ouate de cellulose) permettant à l'humidité de sortir plus facilement qu'elle n'entre, la laissant traverser son épaisseur et s'évaporer lorsqu'elle arrive à la surface. Côté intérieur, on pose cette membrane microporeuse: un film freine vapeur régulant la pénétration de la vapeur d'eau, côté extérieur, on place un film pare pluie perspirant.

Eléments flexibles
Les performances de l'enveloppe d'une maison bioclimatique ou d'une construction passive résident dans un réglage minutieux de l'enveloppe, de son orientation, de ses matériaux intérieurs, de la position de ses baies, de son isolation… Plusieurs paramètres nécessitent un réglage et des modifications cycliques en fonction du climat (jour/nuit ou bien hiver/été) pour limiter les déperditions ou au contraire les excès d'apports solaires… ainsi, un habitat passif a besoin d'habitants actifs.
Avec un peu d'imagination et un esprit pratique, on peut facilement concevoir un certain nombre de dispositifs flexibles et mobiles pour cette adaptation optimum : volet isolant ou en bois massif, protection solaire, store, capteur tournant… La célèbre maison Domespace a même la possibilité de tourner entièrement sur elle-même pour suivre le soleil et sa chaleur en hiver, se mettre à l'ombre l'été.

Isolation amovible
Baies et vitrages sont indispensables pour capter et bénéficier des apports d'énergie gratuits. Ils constituent, en revanche, une source élevée de déperdition pendant la nuit et pendant la période froide. Pour remédier à ce problème, on peut concevoir en fonction du projet des éléments de fermeture isolant mobile utilisable la nuit et par temps froid. Ces éléments devront pouvoir se fermer de façon étanche en étant associés au vitrage : store isolant, fermeture intérieure, volet roulant en bois massif…
En été, au contraire, il faut tirer partie des déperditions nocturnes pour rafraîchir la construction chauffée par le soleil le jour…

Protection solaire
S'il bénéficie largement des apports solaires gratuits en hiver, un bâtiment bioclimatique intelligemment conçu doit aussi être capable d'offrir un microclimat rafraîchissant en été et de se protéger des excès de chaleur. La première opération pour rafraîchir une construction est de s'attaquer aux facteurs de réchauffement. On peut ainsi imaginer de nombreux dispositifs de protections efficaces en interceptant le rayonnement solaire: auvent, rideau, casquette, lames, brise soleil, pergola, treillis, claustra, store, persienne, avancé de toiture, moucharabieh… On peut jouer avec un système de protection mobile et réglable permettant de suivre les variations solaires et offrant des jeux d'ombre et d'occultation élégantes et intelligentes en fonction de leurs orientation, dimensions, inclinaison, espacement …

Un simple auvent horizontal au-dessus des fenêtres offre un ombrage en été et éclairage en hiver, pour cela sa longueur sera d'environ 1/4 de hauteur du vitrage pour les latitudes basses (sous 36°) et de la moitié de la hauteur sous les latitudes hautes (48°)
La protection peut aussi être calculée de manière précise suivant l'orientation, la fonction du local, sa destination à une heure donnée, et durant les moments les plus chauds de l'année qui sont souvent décalés d'un mois ou deux après le solstice d'été, le 21juin.
Les chambres peuvent être placées au sud-est avec un minimum de protection, pour recevoir le soleil le matin et refroidir l'après-midi. A l'ouest, l'après-midi, le soleil est plus chaud car les nués du matin ont disparu. Le soleil de midi a une incidence verticale, il est plus ou moins horizontal à l'est et à l'ouest en fonction des saisons. Certains systèmes fixes bien calculer permettent ainsi de laisser pénétrer le soleil en hiver mais pas en été en fonction de leur inclinaison…
On peut ainsi prévoir des brises soleil, ou un auvent orientable et mobile, ou encore des stores ou des tentures ou bien des arbres et des plantes grimpantes à feuilles caduques comme les vignes envahissant les pergolas l'été. Le feuillage caduc suit la variation des saisons, il laisse pénétrer le soleil l'hiver et l'intercepte l'été. Dans les climats tropicaux, chaud et humide, un système de toiture parasol et de pilotis permet de ventiler la toiture et le sol par les brises naturelles et de procurer ainsi de la fraîcheur intérieure.
A l'est et à l'ouest, l'auvent ne fonctionne pas, car le soleil est plus bas, on peut alors prévoir des arbres à feuilles caduques ou bien des lames orientables ou des stores verticaux
Les stores intérieurs apportent également une protection supplémentaire mais ne réduisent pas l'effet de serre car ils laissent pénétrer les rayons solaires à l'intérieur, on peut les utiliser avec un doublage réfléchissant pour renvoyer ceux-ci vers l'extérieur avant que l'intérieur ne s'échauffe, ou bien ventiler la partie haute de l'installation pour faire sortir l'air surchauffer, on doit également prévoir de maintenir par des glissières les deux côtés pour éviter de surchauffer l'intérieur.

Protéger l'entrée
Le travail autour des baies tant pour les protéger du froid que des excès de chaleur doit s'accentuer avec celle qui marque un passage important dans la maison : l'entrée. Le moment du seuil, de la pénétration, de la porte, de la transition, de l'accès dans le bâtiment donne toujours la première impression du parcours vers l'intérieur, ce sas peut donc recevoir un certain nombre de fonctions, mais aussi beaucoup de signes et de symboles, il peut être mis en valeur ou au contraire caché, camouflé en fonction de l'effet recherché, de l'impression souhaitée.
Au-delà de cet aspect symbolique, l'entrée doit limiter la pénétration d'air froid en hiver et d'air chaud en été. Elle doit être protégée des vents froids de l'hiver. Le vent est un facteur de refroidissement important, il absorbe les énergies émises par les parois plus rapidement…. Outres les protections physiques, talus, barrière coupe vent, végétation, l'utilisation d'un sas pour pénétrer dans un bâtiment est un moyen simple de limiter une part importante des déperditions. C'est la raison pour laquelle les igloos présentent toujours un sas.
Le sas peut être un lieu d'accueil convivial, un espace de transition entre l'intérieur et l'extérieur, vestibule, entrée, hall, vestiaire, il peut être le lieu de rangement des vêtements et des chaussures des vélos et des poussettes … Le sas peut prendre toutes les formes et permet de tempérer la construction, ainsi un tunnel ou bien une serre, ou un jardin d'hiver peut servir de sas d'entrée… … Dans les climats chauds, ce sas permet de maintenir la fraîcheur intérieure…

Les dispositifs de chauffage solaires passifs
Nous développerons un certain nombre de procédés, de dispositifs d'architecture bioclimatique dans des articles à venir. Notons simplement qu'au-delà de l'enveloppe performante, de nombreuses méthodes permettent de profiter de l'énergie solaire gratuitement, avec des techniques simples. Contrairement aux captages solaires actifs par panneaux solaires (thermiques ou photovoltaïque) qui ont recours à des technologies plus élaborées pour capter, transporter, stocker, distribuer cette énergie. Les dispositifs solaires passifs recueillent l'énergie solaire pour la redistribuer par divers moyens imaginés par l'intelligence et mise en place dès la conception de la construction comme les serres, murs Trombe, murs capteur-accumulateur en maçonnerie, murs d'eau, toitures bassins, capteur à air, chauffage de masse de galets ou de terre, puits canadiens…