Comme la construction, l’utilisation et l’entretien d’un édifice empiètent sur notre environnement – principalement sur l’atmosphère et la lithosphère –, une description ainsi qu’un relevé complets de l’environnement climatique d’un bâtiment sont indispensables dans la perspective d’une construction « adaptée au climat ». Les conditions atmosphériques « déterminantes pour la construction » qui, au travers de leurs variations journalières et saisonnières influencent beaucoup le comportement d’un édifice, se jouent d’une part principalement dans la troposphère (air), couche inférieure de l’atmosphère d’environ 10 km d’épaisseur, et d’autre part, dans la couche la plus externe de la lithosphère dénommée pédosphère (« terre »).
1.1.1 Soleil/Atmosphère
Rayonnement solaire/Lumière du jour

Le soleil peut être considéré comme le moteur des phénomènes météorologiques. La puissance momentanée du rayonnement solaire ainsi que la quantité de lumière du jour à disposition sont déterminées par la nébulosité et la position du soleil. La chaleur solaire ne parvient qu’en partie – en fonction de la position du soleil – jusqu’à la surface terrestre sous forme de rayonnement direct (IB). Selon le temps, une part conséquente du rayonnement solaire incident traverse l’atmosphère sous forme de rayonnement diffus (ID). La somme de ces deux types de rayonnement se dénomme rayonnement global (IG = IB + ID).

De nombreuses données concernant le rayonnement solaire – basées sur des séries de mesures pluriannuelles enregistrées par les services météorologiques nationaux (MétéoSuisse) – sont actuellement disponibles sous forme d’un logiciel pour PC (METEONORM, [1.18]) permettant de calculer interactivement ces valeurs pour n’importe quel lieu.





1.1.2 Troposphère (couches de l’atmosphère proches du sol)
L’état momentané de cette partie de l’atmosphère est essentillement décrit par les paramètres météorologiques – température de l’air, humidité de l’air, précipitations, pression atmosphérique, vent, nébulosité. Les valeurs moyennes de ces paramètres au niveau local calculées sur une longue période de temps ainsi que les écarts caractéristiques de ces paramètres par rapport à leurs moyennes décrivent ce que l’on dénomme le climat. Dans ce sens les observations météorologiques à long terme en Suisse peuvent être réparties grossièrement en 12 régions climatiques différentes (voir Fig. 1.7).
L’Office fédéral de météorologie et de climatologie (MétéoSuisse) à Zurich a construit, au cours des dernières décennies, un réseau automatique de mesures (anciennement ANETZ, actuellement SwissMetNet) comprenant 72 stations en Suisse sur lesquelles, toutes les 10 minutes, les principales grandeurs météorologiques sont mesurées puis transmises à MétéoSuisse qui les traite [1.2]. Ainsi on dispose actuellement de données climatiques actualisées de façon relativement rapide. Depuis 2005 MétéoSuisse a, sous la dénomintation SwissMetNet, modernisé et réuni les différents réseaux nationaux de mesures en Suisse tout en augmentant le nombre de stations de mesures. Les données sont rassemblées et traitées par une banque de données centralisée.
Ce qui suit présente – principalement dans l’optique de la protection thermique et contre l’humidité – les éléments majeurs du climat: température de l’air, humidité, vent et rayonnement solaire.
L’air en tant que mélange de gaz

Avec environ 99,99 %, l’oxygène, l’azote, l’argon et le dioxyde de carbone représentent la part principale dans ce mélange de gaz. En plus de ces parts permanentes et à l’exception de pollutions, l’air contient encore de la vapeur d’eau en quantités variables (0 à environ 3 % massique ou 0 à environ 4 % volumique).
Température de l’air
Selon les problèmes à traiter, différentes températures de dimensionnement sont calculées à partir des données météorologiques enregistrées par SwissMetNet [1.2], par exemple:

- θmin: température hivernale déterminante pour l’absence de condensation superficielle (→ Norme SIA 180 [1.6])
- θh: Température de dimensionnement pour le calcul de la puissance de chauffage, preuve du confort (→ Norme SIA 384/1 [1.43], Norme SIA 180 [1.6])
- θMois: Température mensuelle moyenne pour le calcul des besoins de chaleur pour le chauffage (→ Cahier technique SIA 2028 [1.38]); Température de dimensionnement pour absence de moisissures, accumulation d’humidité dans les constructions, renouvellement de l’air et humidité superficielle critique (→ Norme SIA 180 [1.6])
Avec l’autorisation de la SIA, ces données sont rassemblées dans l’annexe 9.15 pour quelques stations du réseau SwissMetNet: Bâle-Binningen, Berne-Liebefeld, Davos, Genève-Cointrin, Lugano, Zermatt, Zurich-Kloten.
Jusqu’à une altitude d’environ 10 km, la température de l’air décroît en moyenne de (0,55–0,65) K chaque 100 m. Dans les vallées, la température du flanc sud est d’environ 2 K plus élevée que celle du flanc nord.
Humidité de l’air
Selon les conditions météorologiques, la saison et l’heure du jour, l’air extérieur contient une certaine quantité de vapeur d’eau qui, quand on la compare à la teneur maximale en vapeur d’eau de l’air, est spécifiée en tant qu’humidité relative (voir Chapitre 3.3). (Cette grandeur ainsi que la température de l’air extérieur sont les principaux éléments du climat pour l’appréciation des processus de condensation!).
Au contraire de l’humidité absolue de l’air (représentée par la teneur en vapeur d’eau ou la pression partielle de vapeur d’eau) l’humidité relative de l’air présente une variation périodique marquée similaire à celle de la température [1.3] (voir Fig. 1.9). Sur le plateau, les valeurs mensuelles de l’humidité relative fluctuent entre env. 85 % (Hiver) et 70 % (Eté); voir Fig. 1.10.


Précipitations
Les précipitations tombent principalement sous forme de pluie, neige ou grêle. Sur le plateau suisse, elles montrent un maximum estival prononcé (voir Fig. 1.11). On constate cependant une augmentation des quantités de précipitations mensuelles de Berne vers Zurich d’une part, et une diminution de Zurich en direction de l’Est de la Suisse d’autre part. En ce qui concerne la part de neige, les différences ne sont pas très grandes entre les sites du plateau avec une altitude moyenne de 500 m; voir Tab. 1.2.


Pression atmosphérique
La pression atmosphérique (hauteur barométrique) décroît avec l’altitude; en moyenne on peut compter sur une pression de 95’000 Pa à une altitude de 500 m au-dessus de la mer et de 89’900 Pa à 1000 m [1.10]. En première approximation on peut admettre que la pression de l’air diminue de 5 % lorsque l’on s’élève de 400 m. La pression atomsphérique joue plutôt un rôle secondaire en physique du bâtiment car ses fluctuations évoluent relativement lentement si on les compare à celles induites par le vent qui influencent fortement le renouvellement d’air naturel.
Vent
Un vent fort influence, entre autres, la direction de chute des gouttes de pluie (pluie battante) et augmente des déperditions de chaleur en refroidissant les façades / toitures. Les vents sont caractérisés par deux paramètres: vitesse et direction du vent qui sont soumis à des fluctuations selon le site, la saison et l’heure du jour (voir Fig. 1.12).

Les situations de vent suivantes sont typiques dans le contexte alpin suisse:
- Foehn du Sud dans la vallée uranaise de la Reuss et dans la vallée du Rhin vers Coire (> Fortes rafales dans les vallées, temps doux et sec au Nord des Alpes)
- Vent de l’Ouest du Jura vers le plateau (> Temps variable)
- Bise du lac de Constance jusqu’au lac Léman (> Brouillard élevé dans la partie froide de l’année)
- Foehn du Nord du Jura par-dessus le plateau jusqu’au Tessin (> Zone d’engorgement au Nord des Alpes)




Polluants atmosphériques/Gaz à effet de serre
Dans les dernières décennies, les concentrations de quelques « gaz traces » ont très fortement augmenté – spécialement dans les zones très peuplées – suite aux activités humaines et plus particulièrement à cause de l’accroissement de l’utilisation de combustibles et carburants fossiles. La composition originale de l’air n’est ainsi plus garantie et on doit, dans ces circonstances, s’attendre à des changement climatiques majeurs (→ effet de serre et ses conséquences probables). Dans les agglomérations jusqu’à 90 % des polluants de l’air sont attribuables à des activités humaines parmi lesquelles les principales sources proviennent du trafic motorisé, des installations de combustion, de l’industrie et de l’artisanat.

a) Emissions en Suisse (1985) en kg/ha · a avec indication de la valeur « critical load » (CL) du Nordic Council of Ministers (1988), COV: « composés organiques volatils » parfois aussi appelés « hydrocarbures » (HC)


En hiver, c.à.d. durant la saison de chauffage, dans les agglomérations la pollution par les gaz de combustion peut atteindre des niveaux élevés quand l’air est peu renouvelé (notamment dans les périodes de hautes pressions atmosphériques). Ce que l’on dénomme smog hivernal est causé par les « gaz acides », dioxyde de soufre et oxydes d’azote, ainsi que les fumées et poussières. Selon les conditions météorologiques il peut persister pendant plusieurs jours (la combustion de 1 kg de mazout extra-léger par un brûleur low-NOx dégage en moyenne les quantités suivantes de polluants : 1 g d’oxydes d’azote, 2–5 g de dioxyde de soufre, 1–2 g de monoxyde de carbone, 2500 g de dioxyde de carbone, 0,2–0,4 g de COV, 0,02–0,1 g de poussières et suies). Grâce au passage à des combustibles à faible teneur en soufre ainsi qu’à des combustions plus efficientes – comme conséquence, entres autres, de l’ordonnance sur la protection de l’air (OPair) [1.14] – en Suisse la pollution en SO2 demeure inférieure au valeurs limites de l’OPair également par temps froid.
A côté de la vapeur d’eau (H2O) qui est le gaz à effet de serre naturel le plus important, le CO2 apparaît tout en haut de la liste des gaz d’origine anthropogène, c.à.d. des gaz rejetés par les activités humaines (effet de serre, voir par exemple [1.11, 1.12]).

1.1.3 Pédosphère (Terrain)
L’évolution des températures du terrain joue un rôle déterminant dans l’analyse hygro-thermique des éléments du bâtiments et de leurs zones d’exploitation dans le terrain. L’évolution de la température à une profondeur de 3 m (position du radier dans un sous-sol à un niveau) présente un retard de 2 à 3 mois par rapport à la température de l’air extérieur, ce qui signifie qu’à cette profondeur la température minimale n’est atteinte qu’aux mois de mars/avril.

Dans un terrain vierge, la température à la profondeur x, au temps t, pour une perturbation périodique stationnaire à la surface, se calcule de la façon suivante:
La profondeur de pénétration xE, c.à.d. la profondeur à la laquelle les oscillations de température ont décru jusqu’à environ 1 % de l’amplitude Δθs, est donnée par:

1.1.4 Conditions atmosphériques déterminantes pour la physique du bâtiment
Les combinaisons suivantes de facteurs climatiques ont une importance particulière:
- basses températures de l’air et vitesse du vent élevée (état hivernal/calculs des puissances de chauffage)
- hautes températures de l’air et fort ensoleillement (état estival/calculs des puissances de refroidissement)
- fortes chutes de pluie et vitesse du vent élevée (pluie battante)
- humidité de l’air élevée (périodes de transition/dégâts dus à l’humidité dans les zones tampons)
1.1.5 Bruit extérieur
Dans notre monde mécanisé et motorisé le bruit est malheureusement aujourd’hui encore une nuisance dont on minimise la gravité pour les personnes car il n’est pas directement relevant du point de vue de l’énergie. Le bruit est un produit de notre civilisation et le noeud de la question réside dans le fait qu’il est généralement causé par les ‹ autres ›. Contrairement à la vision, nous ne pouvons pas simplement ‹ arrêter l’écoute › lorsque nous sommes en présence de stimuli auditifs indésirables. Pour décrire l’isolation au bruit extérieur, on emploie normalement la différence entre les niveaux sonores extérieur et intérieur. Bien que des prescriptions normatives soient observées, il arrive toujours que des utilisateurs se sentent dérangés par le bruit extérieur. Apparemment les bruits dérangeants ne se distinguent pas uniquement d’après leurs niveaux sonores mais aussi, et souvent de manière plus déterminante, selon leur tonalité, leur évolution dans le temps, etc. Dans ces cas une analyse détaillée du spectre de la source de bruit s’avère, entre autres, nécessaire: à quelle hauteur tonale (fréquence) et à quel niveau sonore (niveau de pression acoustique) se produit la nuisance? Les spectres sonores d’une sélection de bruits gênants caractéristiques sont présentés dans Fig. 1.18.
