Le climat extérieur : températures, degrés-jours, humidité

Tout calcul thermique commence dehors. La puissance d'une chaudière se tire d'une température de base, la consommation d'une année d'un cumul de degrés-jours, une batterie froide d'un point d'été chaud et humide. Ces trois chiffres ne se lisent pas sur un thermomètre un jour donné : ils se construisent à partir de longues séries mesurées sous abri. Ce chapitre explique d'où ils viennent, comment les calculer à partir des normales publiques, et ce qu'ils valent pour un bâtiment donné.

12.1 Mesurer la température de l'air

Un thermomètre au soleil mesure surtout le soleil. Son bulbe absorbe le rayonnement direct, celui du sol et des murs voisins (chapitre 13), et se met en équilibre plusieurs degrés au-dessus de l'air qui l'entoure. Pour mesurer l'air, il faut donc cacher le capteur du rayonnement sans l'enfermer : c'est le rôle de l'abri météorologique. L'abri classique, dit de Stevenson, est une caisse en bois peinte en blanc, aux parois à persiennes doubles, coiffée d'un double toit ventilé. Le blanc renvoie le soleil, les persiennes laissent passer l'air en arrêtant la lumière, la lame d'air sous le toit évite que la caisse chauffe par le haut. La porte s'ouvre côté nord, pour que l'observateur ne fasse pas entrer le soleil en relevant les instruments.

La caisse repose sur des pieds, au-dessus d'un sol gazonné et dégagé, les instruments vers 1,5 m de hauteur. Près du sol, la température varie fortement avec la hauteur : par nuit claire, l'air au ras de l'herbe peut être plusieurs degrés plus froid qu'à hauteur d'homme, et l'inverse en plein après-midi. Les règles d'implantation de l'Organisation météorologique mondiale (OMM), dans son guide des instruments et des méthodes d'observation, fixent la hauteur de mesure dans une plage autour de cette valeur, loin des bâtiments, des arbres et des surfaces goudronnées. Une sonde de toiture, posée sur une terrasse noire, ne remplit aucune de ces conditions : c'est la première raison pour laquelle la température lue par une GTB ne ressemble pas à celle de la station voisine.

Dans l'abri de la figure 12.1, trois instruments. Le thermographe enregistre la température en continu : un bilame en hélice se déroule quand il chauffe, un bras amplifie ce mouvement et une plume trace la courbe sur un papier gradué enroulé autour d'un tambour, que fait tourner un mouvement d'horlogerie en un jour ou une semaine. Les thermomètres à maximum et à minimum, couchés, gardent la plus haute et la plus basse température atteintes depuis la dernière lecture : ce sont eux qui donnent T_x et T_n, la base de toutes les statistiques de ce chapitre. Le psychromètre, enfin, mesure l'humidité. Il associe un thermomètre sec et un thermomètre dont le bulbe, entouré d'une mousseline trempée, se refroidit en évaporant l'eau ; plus l'air est sec, plus l'écart est grand. Les stations automatiques ont remplacé ces instruments par des sondes électroniques dans de petits abris à coupelles, souvent ventilés, mais le principe reste le même.

La lecture du psychromètre se traduit en pression de vapeur par une formule empirique, qui dépend de la ventilation du bulbe. Pour un psychromètre aspiré à 20 °C au sec et 15 °C au mouillé, sous 1 013,25 hPa, la formule de l'OMM donne une pression de vapeur de 13,66 hPa, soit une humidité relative de 58,6 % et une teneur en eau de 8,50 g/kg d'air sec. Le chapitre 1 explique ces grandeurs et leur passage de l'une à l'autre ; les précautions de capteur (temps de réponse, position, ventilation) se retrouvent pour les mesures d'air en gaine au chapitre 10.

12.2 Les normales climatiques

Une année ne fait pas un climat. Les services météorologiques décrivent le climat d'un lieu par des normales : des moyennes sur trente ans, recalculées tous les dix ans selon la règle de l'OMM. La période de référence en vigueur est 1991-2020. Météo-France publie pour chacune de ses stations une fiche climatologique qui donne, mois par mois, la moyenne des températures minimales T_n, des maximales T_x et de leur demi-somme, les records, les nombres moyens de jours de gel ou de chaleur et les degrés-jours unifiés. Ce chapitre s'appuie sur quatre de ces fiches : Paris-Montsouris, le climat d'exemple du cours repris dans le modèle commun du cours, Marignane et Nice pour le littoral méditerranéen, Embrun, à 873 m, pour la montagne.

Températures moyennes en °C, normales 1991-2020 ; DJU publiés par les fiches Météo-France, base 18 °C.

La moyenne ne dit pas tout. L'écart entre juillet et janvier vaut 15,5 K à Paris, 17,5 K à Marignane, 15,0 K à Nice, que la mer adoucit en hiver, et 18,2 K à Embrun. L'amplitude jour-nuit, écart moyen entre T_x et T_n, est de 4,4 K en janvier et 9,5 K en juillet à Paris, où les nuages d'hiver bloquent le refroidissement nocturne ; elle atteint 9,6 K en janvier et 14,5 K en juillet à Embrun, dont l'air sec et le ciel clair laissent la chaleur partir la nuit. Les records, enfin, sont hors d'échelle pour le dimensionnement : −23,9 °C et 42,6 °C à Paris, en 1879 et en 2019.

L'altitude refroidit. L'atmosphère type de l'ISO 2533 décroît de 6,5 K par kilomètre ; entre Marignane et Embrun, 864 m plus haut, la règle prévoit 5,6 K et les normales montrent 4,8 K. L'ordre de grandeur tient, mais la règle n'est qu'un repère : l'exposition, la distance à la mer et les inversions de température en fond de vallée pèsent autant que l'altitude.

12.3 Les températures de base

La température extérieure de base d'hiver sert à dimensionner le chauffage (chapitre 17). Ce n'est ni la moyenne de janvier ni le record, mais une valeur basse que l'on ne dépasse vers le bas que quelques jours sur plusieurs hivers ; l'inertie du bâtiment et une courte relance couvrent ces creux. La norme EN 12831-1:2017 fixe la méthode ; chaque pays donne ses valeurs dans une annexe nationale ou un document équivalent, par zone climatique et par tranche d'altitude, la température baissant de quelques degrés à chaque palier. En France, ce tableau figure dans le complément national NF P52-612/CN, écrit pour l'ancienne EN 12831 et toujours au catalogue de l'AFNOR ; aucun complément propre à l'EN 12831-1 n'a été trouvé. On prend la valeur de la zone et de l'altitude du projet, pas celle de la ville la plus proche.

Le cours ne reproduit pas ces tableaux. Pour comprendre ce qu'ils représentent, il en construit un repère statistique à partir des fiches : la température que T_n atteint ou franchit en moyenne une demi-journée par an, interpolée sur les nombres moyens de jours avec T_n ≤ 0, −5 et −10 °C. À Paris, la fiche compte 20,8, 1,6 et 0,1 jours par an ; l'interpolation donne −7,1 °C, arrondi à −7 °C, la valeur que le chapitre 17 retient pour la maison. Le même repère vaut −6 °C à Marignane, −1 °C à Nice et −14 °C à Embrun. C'est un repère pédagogique construit par le cours, pas une valeur réglementaire : un projet prend la valeur du texte national pour sa zone et son altitude.

Ces températures sont rares. Dans l'année reconstituée de 12.5, Paris passe 2,1 h par an à −7 °C ou moins, soit 0,024 % du temps ; Marignane 1,0 h sous −6 °C, Nice 1,6 h sous −1 °C, Embrun 0,9 h sous −14 °C. C'est voulu : le générateur fonctionne presque toute l'année à charge partielle, ce qui fait l'objet du chapitre 49.

L'été se traite autrement. Pour les charges de climatisation (chapitres 19 à 21), l'usage international, celui de l'ASHRAE dans son Handbook Fundamentals, est de retenir les températures sèches dépassées pendant 0,4 %, 1 % ou 2 % des heures de l'année, avec une humidité coïncidente. Sur 8 760 heures, 0,4 % représentent 35 heures. Le plateau de bureaux du cours retient 31 °C et 10 g/kg (chapitre 42). L'année reconstituée en donne 27 heures à 31 °C ou plus à Paris, soit 0,31 % : le même ordre de grandeur, mais il faut lire la limite de 12.5 avant de s'en servir.

12.4 Les degrés-jours

Un bâtiment perd sa chaleur à peu près en proportion de l'écart entre l'intérieur et l'extérieur. Ses apports gratuits, soleil, occupants et appareils, couvrent une part de ces pertes, si bien qu'il cesse de chauffer au-dessus d'une température dite de non-chauffage, T_nc. Les degrés-jours additionnent, jour après jour, l'écart entre une température de base b et la température moyenne du jour, quand il est positif :

À la base de 18 °C, ce sont les degrés-jours unifiés (DJU) que publie Météo-France ; la moyenne du jour est la demi-somme du minimum et du maximum, comme au chapitre 74. Le besoin de chauffage d'une saison s'en déduit par la pente de la signature du bâtiment, H en W/K :

Le choix de la base est le point délicat. 18 °C correspond à un bâtiment ancien, tenu vers 19 ou 20 °C avec peu d'apports. Un bâtiment isolé reçoit, pour une même consigne, des apports qui pèsent davantage par rapport à ses pertes, et sa température de non-chauffage descend. Elle se calcule à partir de la consigne T_i, des apports moyens Φ_g et de H :

Pour la maison du cours, tenue à 20 °C, avec 488 W d'apports moyens et H = 121,95 W/K, T_nc = 20 − 488 / 121,95 = 16 °C. Le plateau de bureaux, aux apports internes plus forts, travaille en base 15 (chapitre 74). Les DJ₁₅ de Paris valent 1 424, soit 0,657 fois les DJU : un tiers de moins.

Quand on ne dispose que des moyennes mensuelles, on ne peut pas faire la somme jour par jour. Appliquer la formule à la seule moyenne du mois, N · max(0 ; b − T_m), oublie les jours froids d'un mois doux et donne 2 075 DJU à Paris au lieu de 2 168. La méthode de Hitchin (1983), reprise par le mémento TM41 du CIBSE, suppose une répartition des moyennes journalières autour de la moyenne du mois et donne pour un mois de N jours :

Le paramètre k, en K⁻¹, traduit la dispersion des jours : plus elle est faible, plus k est grand. Les fiches ne le donnent pas : le cours l'ajuste lui-même, par moindres carrés sur les douze DJU mensuels publiés de chaque station. Il vaut 0,80 à Paris, 0,88 à Marignane, 1,16 à Nice, où la mer tient les jours serrés, et 0,74 à Embrun. Ce sont des valeurs du cours, pas des valeurs publiées. Ajustée ainsi, la formule redonne les DJU annuels des fiches à 0,2 % près, ce qui mesure la qualité de l'ajustement et non une validation indépendante : 2 166,6 contre 2 168,0 à Paris, 1 492,3 contre 1 490,7 à Marignane, 1 255,6 contre 1 253,1 à Nice, 2 744,7 contre 2 745,6 à Embrun. L'écart mensuel le plus grand ne dépasse pas 5 degrés-jours. C'est une méthode d'interpolation, pas une mesure : elle sert à changer de base quand seules les moyennes mensuelles et les DJU base 18 sont publiés.

1. Paris, normales 1991-2020. DJU publiés : 2 168,0. Hitchin, k = 0,80 : 2 166,6. Base 16 : 1 654 DJ.
2. Signature de la maison : 2 804,8 W à −7 °C (chapitre 17 : 2 805 W) pour une température de non-chauffage de 16 °C, soit H = 2 804,8 / (16 + 7) = 121,95 W/K.
3. Besoin annuel : 24 × 121,95 × 1 654 = 4 841 kWh. C'est le chiffre que le chapitre 58 obtient par degrés-jours ; ses classes horaires donnent 5 072 kWh, l'écart venant de l'amplitude jour-nuit que les moyennes journalières ignorent.
4. Avec les DJU base 18 au lieu de la base propre : 24 × 121,95 × 2 166,6 = 6 341 kWh, soit 31,0 % de trop.

Les degrés-jours de froid se définissent à l'inverse, en cumulant l'écart de la moyenne du jour au-dessus d'une base. Paris en compte 293 au-dessus de 18 °C et 95 au-dessus de 21 °C ; Marignane 740 et 366, Nice 637 et 275, Embrun 255 et 87. Ils situent un climat, mais prédisent mal la consommation de climatisation : le soleil et les apports internes (chapitres 19 à 21) pèsent plus que l'écart de température, et un bureau climatise dès le printemps quand l'air dehors est à 15 °C.

12.5 Les heures de l'année par température

Les degrés-jours suffisent tant que la puissance varie en ligne droite avec la température et que le rendement reste constant. Pour une pompe à chaleur dont le COP baisse avec l'air extérieur, il faut savoir combien d'heures l'air passe à chaque température : c'est la méthode des classes du chapitre 58. Le cours reconstitue ces heures à partir des normales, avec le modèle commun du cours : pour chaque mois, la loi de Hitchin distribue les moyennes journalières autour de la moyenne mensuelle, puis chaque jour reçoit un profil horaire en cosinus, du minimum moyen du mois au maximum moyen, atteint à 15 h. Les classes ont 1 K de large.

À Paris, l'air passe 177 h par an à 0 °C ou moins et 5 625 h sous 16 °C, soit 64,2 % de l'année. Il passe 476 h à 25 °C ou plus, 48 h à 30 °C ou plus.

Heures par an de l'année reconstituée, sur 8 760.

La reconstitution a une limite qu'il faut connaître : elle tient bien le cœur de la distribution, mais elle aplatit ses queues. Elle compte à Paris 14,4 jours par an avec T_n ≤ 0 °C quand la fiche en observe 20,8, et 6,1 jours avec T_x ≥ 30 °C contre 14,0. Les vagues de froid et de chaleur durent plusieurs jours de suite, ce que la loi de Hitchin ne représente pas. Les heures au-delà de 30 °C sont donc sous-estimées, et un point de projet d'été se prend sur des séries horaires observées, jamais sur une reconstitution à partir de moyennes.

12.6 L'humidité extérieure

L'humidité relative ne décrit pas bien l'air extérieur, parce qu'elle suit la température : à teneur en eau constante, elle monte la nuit et baisse l'après-midi. La teneur en eau x, en g/kg d'air sec, varie beaucoup moins dans la journée ; c'est elle qui fixe la charge latente d'une batterie froide, et le point de rosée qui lui correspond fixe le risque de condensation. Au point de projet du plateau, 31 °C et 10 g/kg, l'humidité relative n'est que de 35,8 %, mais l'enthalpie vaut 56,8 kJ/kg et le point de rosée 14,1 °C. Une batterie qui refroidit cet air sous 14,1 °C le déshumidifie ; c'est le calcul du chapitre 42, qui en tire aussi le point d'hiver.

Pour l'été, l'ASHRAE publie, à côté des températures sèches de projet, des températures humides et des enthalpies de projet, dépassées pendant les mêmes fractions d'heures. Pour une batterie froide ou une tour de refroidissement, le cas dimensionnant est souvent un jour lourd moins chaud qu'un jour sec à 31 °C. Les stations côtières ont des teneurs en eau d'été plus élevées que les stations de l'intérieur à température égale.

12.7 Comparer des climats

La même maison, mêmes parois, même consigne, même température de non-chauffage, change de besoin avec le climat. La comparaison isole l'effet du climat seul ; en pratique, une maison de montagne serait plus isolée, et sa température de base plus basse demanderait un générateur plus puissant.

1. Degrés-jours base 16 par la méthode de Hitchin : Paris 1 654, Marignane 1 087, Nice 851, Embrun 2 200.
2. Besoin, 24 × 121,95 × DJ₁₆ : Paris 4 841 kWh, Marignane 3 182 kWh, Nice 2 492 kWh, Embrun 6 438 kWh.
3. Rapport à Paris : −34,3 % à Marignane, −48,5 % à Nice, +33,0 % à Embrun.
4. Rapport des DJU base 18 : 1 491 / 2 168 = 0,69 à Marignane, 1 253 / 2 168 = 0,58 à Nice. Les écarts relatifs en base 16 sont plus forts qu'en base 18 : plus la base est basse, plus les jours doux disparaissent du compte, et les climats doux en ont davantage.

Le règlement (UE) n° 813/2013 sur l'écoconception des dispositifs de chauffage définit un « climat moyen » européen pour comparer les générateurs (chapitre 49). La maison y demanderait 6 549 kWh, l'équivalent de 2 238 degrés-jours base 16, plus froid que Paris. Le SCOP d'une pompe à chaleur annoncé pour ce climat ne vaut donc pas tel quel pour Paris ou Nice.

12.8 Année de référence, années réelles

Les normales décrivent une année moyenne qui n'existe pas. Une simulation horaire utilise une année météorologique type, bâtie en mettant bout à bout des mois réels choisis pour être proches de la moyenne, ce qui garde la succession des jours chauds et froids. Les années réelles s'en écartent nettement : le plateau d'exemple du cours compte 2 173 DJU l'an 1, 1 861 l'an 2, doux, et 2 465 l'an 3, froid, contre 2 167 pour l'année normale. Comparer la consommation d'une année à celle de la précédente sans tenir compte du climat, c'est comparer deux hivers, pas deux installations.

La correction climatique ramène une consommation mesurée Q_a à l'année normale, en proportion des degrés-jours, pour la seule part de la consommation qui dépend du climat :

1. L'an 2, doux, la maison compte 1 368 degrés-jours base 16 et 1 861 DJU. Son besoin mesuré est de 4 005 kWh, 17,3 % sous l'année normale.
2. Correction avec la bonne base : 4 005 × 1 654,2 / 1 368,4 = 4 841 kWh. On retrouve exactement le besoin de l'année normale : la maison n'a pas changé.
3. Correction avec les DJU base 18 : 4 005 × 2 166,6 / 1 861,3 = 4 662 kWh, soit 3,7 % sous la normale. Une maison inchangée paraît avoir gagné 3,7 %.

L'erreur vient de la base. Un hiver doux supprime proportionnellement plus de degrés-jours en base 16 qu'en base 18, car les jours entre 16 et 18 °C ne comptent que dans la seconde. Le chapitre 74 montre le même effet sur le plateau, où une dérive réelle disparaît derrière une correction en DJU ; le chapitre 75 en tire les clauses d'un contrat d'exploitation, où la correction fixe ce que l'exploitant doit garantir.

12.9 Un climat qui se réchauffe

Les normales glissent d'une période à l'autre. Selon Météo-France, la normale 1991-2020 de la température moyenne en France est plus chaude d'environ 0,4 K que la normale 1981-2010 ; l'ordre de grandeur suffit ici. Pour voir l'effet, le cours abaisse de 0,42 K toutes les moyennes de Paris, ce qui imite l'ancienne normale : les DJU passent de 2 167 à 2 283, 5,4 % de plus, et le besoin de la maison de 4 841 à 5 139 kWh, 6,2 % de plus. Un degré de plus sur toute l'année retire 12,2 % des DJU. Un bureau d'études qui travaille encore sur des degrés-jours 1971-2000 surestime donc le chauffage et sous-estime les heures chaudes.

12.10 Erreurs fréquentes

DJU base 18 pour un bâtiment isolé. Sa température de non-chauffage est plus basse ; base 18, la maison du cours voit son besoin surestimé de 31,0 % et ses économies faussées par la correction climatique.

Normales anciennes. Une série 1981-2010 ou plus ancienne compte quelques pour cent de degrés-jours en trop. Il faut vérifier la période de la fiche.

Température de base prise pour une moyenne. −7 °C à Paris n'est pas un hiver typique mais un froid de quelques heures par an (2,1 h dans l'année reconstituée, qui aplatit les queues). À l'inverse, la moyenne de janvier, 5,4 °C, ne dimensionne rien.

Oublier l'altitude. Quelques centaines de mètres valent plusieurs degrés de base et des centaines de degrés-jours ; la station de référence doit être choisie à une altitude comparable.

Moyenne mensuelle seule. N · (b − T_m) sous-estime les degrés-jours, surtout aux intersaisons et en base basse : 2 075 au lieu de 2 168 DJU à Paris.

Sonde mal placée. Une sonde au soleil ou contre un mur chauffé fausse la courbe de chauffe d'une chaudière (chapitre 28) et la comparaison avec la station ; elle doit être à l'ombre, en façade nord, loin des rejets d'air.

À retenir

• La température de l'air se mesure à l'ombre et ventilée, dans un abri, vers 1,5 m au-dessus d'un sol gazonné. Une sonde au soleil mesure le soleil.
• Les normales sont des moyennes sur trente ans ; la période en vigueur est 1991-2020, publiée par Météo-France station par station.
• La température de base d'hiver est une valeur rare, que le texte national fixe par zone et altitude ; le repère statistique du cours donne −7 °C à Paris, atteint quelques heures par an.
• Les degrés-jours se calculent à la base propre du bâtiment, sa température de non-chauffage, pas systématiquement à 18 °C.
• Depuis des moyennes mensuelles, la méthode de Hitchin interpole les degrés-jours ; la moyenne seule les sous-estime.
• La teneur en eau, pas l'humidité relative, décrit l'air d'été ; le point de projet se prend sur des fréquences de dépassement observées.
• Une consommation se corrige du climat avec les degrés-jours de la bonne base, sur la seule part qui dépend du climat.

Sources publiques : Météo-France, fiches climatologiques, statistiques 1991-2020, de Paris-Montsouris (75114001), Marignane (13054001), Nice (06088001) et Embrun (05046001), éditées le 06/06/2025, donneespubliques.meteofrance.fr (normales mensuelles, records, nombres de jours, DJU) ; Météo-France, communication sur les normales 1991-2020 (écart d'environ 0,4 K avec 1981-2010, ordre de grandeur) ; OMM, Guide des instruments et des méthodes d'observation (OMM-n° 8, volume I, édition 2024), et règles de calcul des normales climatologiques (OMM-n° 1203), cités par leur nom ; EN 12831-1:2017 et complément national NF P52-612/CN (décembre 2010, rattaché à l'ancienne NF EN 12831), cités par leur nom, sans valeur reprise ; ASHRAE Handbook, Fundamentals, chapitre des données climatiques de projet, cité par son nom ; R. Hitchin, « Degree-days in Britain », Building Services Engineering Research and Technology 4(2), 1983, et CIBSE TM41, Degree-days : theory and application, 2006 ; ISO 2533 (atmosphère type, gradient de 6,5 K/km) ; règlement (UE) n° 813/2013 (climat moyen, par le chapitre 49). Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours.