De nombreuses recherches démontrent qu'un contact visuel avec la nature et l'accès à la lumière du jour dans le milieu scolaire favorise le bien-être et la réussite éducative des élèves. Au moment où la majorité des bâtiments du milieu scolaire québécois doivent être rénovés, il existe peu de méthodes d'évaluation et de visualisation permettant aux architectes d'identifier les enjeux et opportunités des écoles québécoises en termes d'éclairage naturel et de lien visuel avec l'extérieur. L'objectif de cette recherche consiste à évaluer et représenter l'éclairage centré sur l'humain et les vues sur l'extérieur dans le milieu scolaire, afin d'informer le processus de requalification des écoles primaires québécoises. Elle aborde l'analyse d'espaces intérieurs dans trois écoles de Québec par une approche d'évaluation post-occupationnelle (EPO), soit le relevé environnemental. Cette méthode permet de quantifier la connexion visuelle avec l'extérieur en termes d'angles de vue (°), et l'éclairage centré sur l'humain en termes de température de couleur (K), ainsi que d'éclairement photopique (Lux) et mélanopique (Equivalent melanopic lux - EML). La recherche développe également des méthodes de représentation permettant de spatialiser les données quantitatives recueillies lors des relevés sur des plans et coupes architecturaux, ainsi que des photographies panoramiques. Ces spatialisations permettent d'étudier le lien entre la position et le champ visuel des occupants en relation aux caractéristiques architecturales d'un espace scolaire qui modifient les relations intérieures extérieures. L'analyse simultanée de plusieurs représentations illustre la manière dont les obstructions naturelles, la configuration des fenêtres et la matérialité des salles de classe modifient l'éclairage centré sur l'humain et les possibilités de vues extérieures. Ultimement, les visualisations spatiales développées dans cette recherche informent la manière dont diverses stratégies d'éclairage naturel et de connexion visuelle avec la nature contribuent au bien-être des occupants, permettant le transfert des connaissances générées par les EPO vers la conception architecturale. / Numerous studies have shown that a visual contact with nature and daylighting in the school environment promotes children's well-being and academic achievement. At a time when most Quebec school buildings require major renovation, there exist few evaluation and visualization methods that allow architects to identify the challenges and opportunities of Quebec schools in terms of daylighting and visual connection with the exterior. The objective of this research is to evaluate and represent human-centric lighting and views in the school environment, to inform the requalification process of Quebec primary schools. It addresses the analysis of interior spaces in three Quebec City schools through a post-occupancy evaluation (POE) approach, namely the environmental survey. This method quantifies the visual connection with the exterior in terms of viewing angles (°), and human-centric lighting in terms of colour temperature (K), as well as photopic (Lux) and melanopic illuminance (Equivalent melanopic lux - EML). The research also develops representation methods to spatialize the quantitative data collected during the surveys on architectural plans and sections, as well as panoramic photographs. These spatializations make it possible to study the link between the position and the visual field of the occupants in relation to the architectural characteristics of a school space that modify the interior-exterior relations. Simultaneous analysis of several representations illustrates how natural obstructions, window configurations and the materiality of classrooms alter human-centric illumination and opportunities for outdoor views. Ultimately, the spatial visualizations developed in this research inform how various daylighting strategies and visual connections to nature contribute to occupant well-being, and enables the transfer of knowledge generated by POE to architectural design.

Dans les bâtiments scolaires existants, la ventilation naturelle constitue souvent l'unique solution pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique. Cependant, de nombreuses études montrent que les salles de classe sont insuffisamment ventilées et entrainent des problèmes de qualité de l'environnement intérieur. Plusieurs études ont été menées sous différents climats, mais peu dans des climats très froids où l'usage de la ventilation naturelle peut entraîner une surconsommation énergétique. Cette recherche vise à étudier l'impact de la ventilation naturelle sur le confort thermique, la qualité de l'air intérieur et l'efficacité énergétique des bâtiments scolaires dans les climats froids. Divers paramètres architecturaux associés aux fenêtres ont été analysés pour une classe type du corpus Schola. Dans cette recherche, l'orientation des fenêtres, leur taille, leur position, la taille et la position de l'ouverture des fenêtres, le programme de ventilation naturelle et les méthodes de ventilation naturelle (unilatérale et transversale) ont été simulés numériquement avec le logiciel Ladybug Tools. Les résultats des simulations produisent données numériques annuelles de température, humidité, température radiante moyenne, concentration de CO₂, pour traiter les conditions thermiques et de Qualité de l'Air Intérieur QAI dans les bâtiments scolaires et de leur impact sur la performance énergétique. L'analyse des résultats utilise les modèles standards 55 ASHRAE, Predicted Mean Vote PMV et extended Adaptive Thermal Comfort ATC pour l'analyse du confort thermique, la Santé Canada et le Centre de collaboration nationale en santé environnementale, la Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations REHVA pour le contrôle de la COVID-19. Les résultats montrent que l'ouverture répétitive des fenêtres de courte durée pourrait être une solution optimale en termes de confort thermique, de qualité de l'air intérieur et d'efficacité énergétique. Étant donné que la plupart de ces bâtiments scolaires ne sont pas équipés de systèmes CVC et qu'ils ne disposent que de systèmes de chauffage classiques, le manque de qualité de l'air intérieur est un problème inévitable. La solution de la ventilation naturelle pourrait compenser le manque de qualité de l'air intérieur et le coût de la rénovation du système CVC ; cependant, elle devrait être appliquée avec précision pendant les périodes hivernales pour éviter un inconfort thermique et une surconsommation énergétique. / In existing school buildings in Quebec, natural ventilation is often the only solution for thermal comfort and indoor air quality control. However, many studies show insufficiently ventilated classrooms, leading to indoor environment quality problems. Where the arbitrary use of natural ventilation can lead to energy over consumption, several studies have been conducted on the role of natural ventilation on this issue, but few of them are addressed in very cold climates. This research investigates the impact of natural ventilation on thermal comfort, indoor air quality, and energy efficiency of school buildings in cold climates. Various architectural parameters associated with windows were analyzed for a typical classroom in the Schola.ca corpus. Since most of these school buildings are not equipped with HVAC systems and have only infrastructures for conventional heating systems, the lack of indoor air quality is an inevitable problem. In this research, the windows' orientation, position, opening size, and opening position, natural ventilation program, and window-opening modes (single-sided and cross-window openings) were numerically simulated with the Ladybug Tools software. The software outputs consist of annual numerical data (temperature, humidity, mean radiant temperature, CO₂ concentration, energy, and thermal) representing thermal comfort and IAQ performances in school buildings and their impacts on energy consumption efficiency. In analyzing the result, several standards and guidelines were used, including ASHRAE 55 standard models (Predicted Mean Vote PMV and Adaptive Thermal Comfort models ATC for thermal performance), the Health Canada and National Collaboration Centre for Environmental Health guideline, and the Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations REHVA to evaluate the building thermal and IAQ performances compared to there commended benchmark models. The results show that repetitive short-term opening of the windows could be an optimal solution in terms of thermal comfort, indoor air quality, and heating energy consumption efficiency. Natural ventilation solutions could retrieve the lack of indoor air quality and the cost of HVAC system renovation; however, they should be only applied during cold seasons to avoid thermal discomfort and energy over consumption.

Les enfants passent plus du tiers de leur journée à l'école où la plupart de leurs activités d'apprentissage se déroulent à l'intérieur. Au Québec, Canada, la plupart des écoles primaire sont atteint la fin d'un premier cycle de vie et doivent être rénovées pour assurer un environnement d'apprentissage de qualité. Ces rénovations offrent le potentiel de favoriser la réussite éducative et le bien-être des élèves et du personnel scolaire en améliorant la qualité de l'environnement visuel, thermique, olfactif et auditif. Au Québec, des variations saisonnières importantes influencent l'expérience de la nature et la relation entre les espaces intérieurs et extérieurs. Cette recherche vise à développer une approche de rénovation biophilique des écoles primaires québécoises qui tient compte de la diversité saisonnière. Dans le contexte de la rénovation des écoles québécoises pour améliorer l'expérience et le bien-être des occupants, cette thèse s'appuie sur l'évaluation post-occupationnelle et le design informé par les données probantes (evidence-based design) pour caractériser les déterminants mesurables et perceptuels de l'architecture biophilique en climat froid. Cette recherche vise à (1) recenser les études sur les relations entre le design biophilique et le bien-être, avec une attention particulière pour les écoles en climats froids, (2) diagnostiquer les qualités biophiliques des bâtiments existants avant de réaliser des visites de sites, (3) évaluer les expériences biophiliques lors de visites d'écoles dans une démarche d'évaluation post-occupationnelle et (4) examiner les configurations spatiales qui engendrent des expériences biophiliques et proposer une approche de conception pour les environnements d'apprentissage des enfants. Cette thèse développe des outils pour soutenir la réalisation de diagnostics et proposer des solutions à plusieurs échelles architecturales qui favorisent les expériences multisensorielles liées aux forces naturelles et aux organismes vivants (ex. lumière, vent, neige et végétation). Cette approche multiméthodes comprend des analyses de dessins d'architecture, des visites d'écoles et des mesures des conditions environnementales dans un échantillon d'écoles primaires québécoises. Dans une optique de recherche et développement, des analyses de précédents et des ateliers d'architecture ont permis d'étudier l'expérience multisensorielle des ambiances physiques dans des projets d'agrandissement d'écoles. Premièrement, l'outil diagnostique basé sur la géométrie spatiale des bâtiments utilise les éléments mesurables des dessins d'architecture pour évaluer le design biophilique. Une combinaison des critères de certification des bâtiments, des principes de conception bioclimatique et des stratégies de design biophilique offre un moyen simple d'analyser les qualités architecturales d'une école, ce qui s'avère bénéfique aux étapes préliminaires du diagnostic et de la conception. Deuxièmement, l'outil de représentation des expériences biophiliques (BERT) évalue subjectivement des caractéristiques environnementales (comme le soleil, la neige et la végétation) et décrit les sensations, les sentiments, la compréhension et l'affiliation à la nature que les espaces engendrent. Utilisé lors des visites de site, il permet aux architectes de confirmer ou d'infirmer les possibilités de design identifiées à l'aide de dessins d'architecture. BERT permet d'évaluer plusieurs espaces dans un court laps de temps tout en minimisant les perturbations pour les élèves et le personnel. Cet outil diagnostique a servi lors de visites d'écoles en hiver pour indiquer où les caractéristiques environnementales pourraient être améliorées pour favoriser le bien-être des occupants. Alors que les outils diagnostiques concernent des dessins d'architecture ou des expériences in situ, les outils d'aide à la conception développés dans la thèse intègrent ces deux aspects pour favoriser le bien-être en milieu scolaire. Le vocabulaire de design biophilique illustre les possibles expériences multisensorielles d'un espace. Il classe les éléments architecturaux et les espaces selon le degré d'intériorité - extériorité et de contiguïté. Les schémas de design biophilique complètent le vocabulaire de design biophilique pour aider les architectes à explorer les configurations spatiales qui engendrent des expériences biophiliques dans les écoles. Les 38 schémas proposés sont organisés par échelle architecturale et type d'espace (intérieurs, semi-fermés et extérieurs). Ces outils offrent une représentation visuelle simplifiée des expériences de la nature et une organisation des stratégies de design à diverses échelles du bâtiment. Les méthodes développées dans cette thèse aident à caractériser les opportunités et défis architecturaux pour les expériences biophiliques dans les écoles québécoises. Ces outils guident les architectes dès l'évaluation préliminaire d'un bâtiment, lors des visites de sites, à l'étape de la conception et dans l'évaluation post-occupationnelle des écoles rénovées. / Children spend over a third of their day at school where most of their learning activities occur indoors. In the province of Quebec, Canada, most primary schools have reached the end of a first life cycle and require renovations to ensure a quality learning environment. Renovating these buildings offers the potential to foster academic success and the well-being of students and school staff by enhancing the quality of the visual, thermal, olfactory and auditory environment. In Quebec, the relationship between interior and exterior spaces is a fundamental aspect in architectural design considering the important seasonal variations that generate different experiences of nature throughout the year. This research aims to develop an approach to the biophilic redesign of learning environments in Quebec schools by taking into consideration seasonal diversity. In the context of renovating Quebec schools to enhance occupant experiences and well-being, this thesis uses a post-occupancy evaluation and evidence-based design framework to characterise measurable and perceptual determinants of biophilic architecture in cold climates. This research aims to (1) review studies into the relationships between biophilic design and well-being, with particular consideration for schools in cold climates, (2) diagnose the biophilic qualities of existing buildings before site visits are carried out, (3) assess people's experiences of nature during building walkthroughs in post-occupancy evaluations and (4) examine the forms and spatial configurations that engender biophilic experiences and propose a design approach for children's learning environments. This thesis develops an ensemble of architectural tools to support the realisation of diagnoses and to identify solutions at several building scales that promote multisensory experiences of natural forces and living organisms (such as light, wind, snow and vegetation). This multi-method approach includes analyses of architectural drawings, school visits and measurements of environmental conditions in a sample of primary schools in Quebec. Within a research and development framework, precedent analyses and architectural design studios offer the opportunity to investigate visual, thermal, olfactory and auditory experiences in simulated school addition projects. Firstly, the diagnostic tool based on spatial geometry uses the measurable elements contained in architectural drawings to assess biophilic design. A combination of building certification criteria, bioclimatic design principles and biophilic design guidelines offers a simple means of assessing architectural qualities while considering the climatic context, which can be highly beneficial in the early diagnostic and design stages. Secondly, the Biophilic Experience Representation Tool (BERT) subjectively evaluates a selection of environmental features (such as sun, snow and vegetation) and describes the sensations, feelings, understanding and affiliation with nature that the settings engender. Used during site visits, it enables architects to confirm or disprove the design opportunities identified using architectural drawings. The value of using BERT lies in its ability to enable architects to evaluate multiple spaces in a short period of time while minimising disruptions for school children and staff. This diagnostic tool was used during school visits in winter to indicate where environmental features could be enhanced to foster the well-being of occupants. While the diagnostic tools focus on architectural drawings or in situ experiences, the design tools combine both aspects to offer a design approach that fosters experiences of nature in children's learning environments. The biophilic design vocabulary offers a common way of describing potential biophilic experiences. It categorises architectural elements and spaces in terms of spatial enclosure, adjacency, abiotic nature and biotic nature. The biophilic design schemas expand on the biophilic design vocabulary to help architects explore the spatial configurations that engender biophilic experiences in schools. Drawing on pattern thinking, the 38 schemas are organised across design scales and indoor, semi-enclosed and outdoor spaces. These design tools provide a simplified visual representation of experiences of nature and an organisation of design strategies throughout building scales in the preliminary design stages. The diagnostic and design methods developed in this thesis help to characterise current challenges and opportunities for biophilic experiences in Quebec schools. These tools therefore provide valuable guidance from the early assessment of a building, during site visits, in the design development process and in the post-occupancy evaluation of the renovated schools.