20150320 bioclimatisme architecture c3

DPEA Post Carbone – ENSAVT 2 Paramétriser la thermique

Le bioclimatisme Et si on finissait

Master IPE – Université Paris Diderot 3 Bioclimatisme & Architecture

Metropol Parasol Jürgen Mayer-Hermann


https://alliages.wordpress.com


DJU

Les DJU signifient littéralement Degrés Jours Unifiés. Ils permettent d’estimer en première approche, une consommation de chaud ou de froid selon une température de consigne donnée. Pour le bâtiment en France, les DJU base 18 (i.e. température de consigne de 18°C) font en général référence pour estimer en première approche les besoins de chauffage d’un logement.


Weingut Gantenbein Gramazio & Kohler


Pavillon de McGill School of Architecture


ICD/ITKE | research pavilion | 2011


Espace culturel AAVP Architecture


Chartier Dalix Groupe scolaire et gymnase


Shigeru Ban | Pompidou Metz


Zaha Hadid | Galaxy Soho Beijing


Renzo Piano | Fondation Pathe


Tadao Ando


OMA (Rem Koolhaas) | london bridge


Rem Koolhas | Casa da Musica


Rudy Riccioti | MUCEM Marseille


Manuelle Gautrand | Citroen


Nicolas Michelin (ANMA)


la réduction des consommations de ventilation


Les techniques de ventilation selon les saisons

Pourquoi ventiler ? Renouveler l’air (éviter le développement de moisissures,

évacuation des polluants…)

Débit d’air neuf hygiénique à respecter : Bureaux : 25 m3/h/pers Enseignement : 18 m3/h/pers Logements : selon la taille

Rafraichir les locaux : entre 4 et 8 VOL/h

Bactéries Virus Moisissures COV Humidité

http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://abcbois.free.fr/article5/images/M1.0champignons plafond et angle de murs froids web.jpg&imgrefurl=http://abcbois.free.fr/article5/article.html&usg=__6zkMH26hRhtjJCGbDZAoClVf5nQ=&h=380&w=419&sz=19&hl=fr&start=1&um=1&tbnid=co6CnCKJ2VEKyM:&tbnh=113&tbnw=125&prev=/images?q=moisissures+mur&hl=fr&lr=&rlz=1G1GGLQ_FRFR291&sa=N&um=1

http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.linternaute.com/bricolage/magazine/traiter-humidite/images/humidite_une.jpg&imgrefurl=http://www.linternaute.com/bricolage/magazine/traiter-humidite/1.shtml&usg=__C5K8z8728FwHUi8s3DHE_e3rM2I=&h=335&w=440&sz=94&hl=fr&start=8&um=1&tbnid=ZLXr8pL2yCXUlM:&tbnh=97&tbnw=127&prev=/images?q=humidit%C3%A9&hl=fr&lr=&rlz=1G1GGLQ_FRFR291&um=1


Les techniques de ventilation selon les saisons

Nécessité d’adapter le type de ventilation selon la saison : Hiver : ventilation double flux avec

récupération de chaleur sur l’air extrait

Été et mi- saison chaude : ventilation naturelle Provoquée par une différence de

température ou de pression entre les façades d’un bâtiment

Permet d’évacuer des locaux les apports internes et solaires

Ventilation traversante

Ventilation verticale


La ventilation naturelle : les moteurs

• (1) Le vent (hauteur, voisinage, pression) • (2) La convection naturelle

• La détermination de la quantité d’air pénétrant dans le

local est incertaine et nécessite des calculs complémentaires

• Cette conception va impacter l’enveloppe du bâtiment • Sa prise en compte peut modifier totalement l’aspect

architectural du bâtiment

1

1

1



Le vent : hauteur, voisinage, pression



La convection naturelle 2

2

• (2) La convection naturelle (Stratification, quantité de chaleur, taille des ouvrants, hauteur de cheminée)

• La détermination de la quantité d’air pénétrant dans le local est incertaine et nécessite des calculs complémentaires

• Cette conception va impacter l’enveloppe du bâtiment • Sa prise en compte peut modifier totalement l’aspect architectural

du bâtiment


La ventilation naturelle : les techniques

3 techniques : ventilation unilatérale, traversante (sous la pression du vent), par effet cheminée


Ventilation unilatérale

Principe

« Effet cheminée » dans le local

Fenêtres ou grilles de ventilation

Avantages : traitement local par local Inconvénients : multiplicité des systèmes, petits débits car petits delta_t




Ventilation traversante (sous la pression du vent)

Principe

Différences de pression dues au vent

Portes ouvertes

Fenêtres ou grilles de ventilation

Avantages : ne nécessite pas d’avoir un ouvrant à chaque trame Inconvénients : nécessite portes ouvertes (si cloison)



Ventilation traversante (sous la pression du vent)

• La quantité d’air qui va pénétrer dans un local va provoquer des vitesses d’air dites résiduelles

• Ces vitesses d’air doivent être contrôlées pour ne pas provoquer de gènes

• Ces vitesses d’air sont fonction du rapport d’ouverture entre l’entrée et la sortie

• En l’absence de vent, la ventilation transversale s’opère naturellement de la façade à l’ombre vers la façade ensoleillée

S1 S2



Ventilation par effet cheminée

Principe

Effet cheminée dans atrium

Fenêtres ou grilles de ventilation en façade

Ouverture sur atrium

Avantages : lumière naturelle, fonctionne avec les deux moteurs (thermique, vent) Inconvénients : nécessite des ouvertures vers l’atrium


La ventilation naturelle : exemple de projets

Ventilation traversante

GSW Headquarter, Sauerbruch & Hutton, berlin, 1999

22 étages, 11 m de profondeur



Ventilation effet cheminée + traversante

Lycée de Fréjus, Foster

Ventilation naturelle + cheminée d’extraction centrale



Ventilation effet cheminée

BRE Headquarter, Fielden Clegg, UK, 1997

Bâtiment de faible hauteur de bureau, avec une ventilation traversante et effet cheminée (période caniculaire)



Ventilation effet cheminée + récupération de chaleur sur air extrait

BedZED, Bill Dunster, UK

Cheminée de ventilation naturelle avec récupération d’énergie


Des truc en plus


Morphologie d’un bâtiment - Exercice

Le rapport à la ville / densité bâtie

Trois formes urbaines différentes pour une même densité bâtie…

…mais différence dans la manière d’occuper l’espace

Une opération environnementale doit limiter son empreinte au sol



Le rapport à la ville / compacité

Même densité bâtie mais différence de compacité

Une opération environnementale doit limiter son empreinte au sol

La barre est ici plus compacte que la tour qui est plus élancée

Quel compromis entre densité et compacité?

30% + compacte



Compacité et lumière naturelle

Les formes plus compactes vont nécessairement moins capter les apports de chaleur et de lumière

Nécessité donc de connaître les besoins du bâtiment



Nuisances et gestion des surfaces

Intégrer les nuisances acoustiques, olfactives, pollutions de l’air, de l’eau, du sol

Des gabarits différents pour des performances différentes (acoustique, pollution)

La bonne orientation bâtie joue aussi un rôle



Nuisances et gestion des surfaces

Surfaces minérales VS surfaces végétales

Pour une même densité, limiter les surfaces imperméables implique de bâtir haut…

…A moins de vouloir récupérer l’eau


Morphologie d’un bâtiment - Synthèse

Empreinte au sol

Densité / compacité

Lumière naturelle

Bruit

Infiltration d’eau

Récupération d’eau


Espaces tampons


Morphologie d’un bâtiment – Espaces tampons

Principe : Améliorer la compacité d’un bâtiment (espace inter-climatique)

Captage solaire en orientation sud (conduction, convection) Réduction des déperditions en façade nord (protection aux

vents…) Orientations Est / Ouest non conseillées (surchauffe été)

Exemple d’espaces tampons : hall, atrium, patio, véranda, double

peau…

hiver Effet de serre été

Respiration


hiver


Espaces tampons - hiver : Plusieurs fonctions : protection contre les vents, réduction de

l’amplitude thermique int/ext, apports solaires, confort et pièce de vie agréable

Espaces rarement chauffés, prise d’air dans le volume préchauffé

La performance dépend : du rayonnement incident, de la surface de captage, du facteur solaire du vitrage



Espaces tampons - été : Protection solaire à intégrer (stores ou toiture opaque selon configuration) Espace ventilé naturellement : prévoir des ouvrants en partie haute rejet d’air chaud possible

été

Protection solaire


Morphologie d’un bâtiment : exemple de réalisation

Espaces tampons bioclimatiques

Institut de recherche à Wageningen – Pays-Bas - Behnisch


Morphologie d’un bâtiment : exemple de réalisation

Espaces tampons bioclimatiques

Agence fédérale de l’environnement de Dessau – Allemagne – Sauerbruch & Hutton


Mobilisation de l’inertie dans le bâtiment

Principes Mobiliser l’inertie dans le bâtiment consiste à stocker de l’énergie

dans la structure du bâtiment puis à la déstocker quelque soit la saison

Plus l’inertie est forte (murs épais, matériaux lourds), plus le bâtiment se réchauffe / refroidit lentement

En hiver, la chaleur restituée la nuit réduit la baisse des températures dans le bâtiment (et donc le pic de consommation pour la relance)

En été, un bâtiment non climatisé se doit de préférence d’être inerte afin d’amortir les pics de surchauffe et de stocker un peu de fraîcheur la nuit (ventilation nocturne)



Principes - hiver

Jour : apports internes + apports solaires réchauffent les dalles de béton

Le bâtiment se charge

Apports internes

Apports internes

Apports solaires

Jour



Principes - hiver

51

Nuit hiver

Le bâtiment se décharge et se maintient en température



Principes - été

Jour: apports internes + apports solaires réchauffent les dalles de béton

Le bâtiment se charge

Apports internes

Apports internes

Apports solaires

Jour



Principes - été

53

Surventilation

Nuit été

Le bâtiment se décharge



Principes - été

Matin été

Le bâtiment est déchargé



Exemple


Rafraichissement / Préchauffage passif de l’air

Les puits canadiens : principes Utiliser l’inertie du sol pour prétraiter l’air ventilant les bâtiments : circulation d’air

(fluide caloporteur) dans des tuyaux enterrés dans le sol (échangeur)

Echanges entre le sol et l’air permet de récupérer : Les « calories » en hiver (Text < Tsol) – puits canadiens Les « frigories » en été (Text > Tsol) – puits provençal

Les éléments impactant sur l’efficacité :

La longueur d’échange : conditionne la différence de T° entre l’entrée et la sortie

Le type de sol : conductivité varie selon la composition du sol

La vitesse de l’air : échange moins efficace avec vitesse élevée

Le matériau utilisé (conductivité)



Les puits canadiens : principes hiver

T° soufflage = 4°C

T° sol = 12°C



Les puits canadiens : principes été

T° soufflage = 21°C

T° sol = 12°C


Photovoltaique


L’utilisation active de l’énergie solaire : panneaux photovoltaïques

Les grandes catégories de panneaux - Capteurs plans - Couches minces (souples)

Silicium Polycristallin (52.3% du marché) Silicium Monocristallin (38.3% du marché)

Couches minces et divers - Silicium amorphe (4.7%) - CdTe – Cadmium Tellure (1.6%) - CIS – Cuivre Indium Sélénium (0.2%) - Silicium cristallin en ruban 2.9%)



Déterminer le potentiel d’utilisation

- Impact de l’orientation et de l’inclinaison

- Orientation préférentielle : Sud est à Sud ouest

- Inclinaison préférentielle : 30°

- Réduction de l’efficacité en fonction de ces deux données



Exemples d’intégration : intégré au bâti



Exemples d’intégration : surimposition en toiture ou façade



Exemples d’intégration : membrane d’étanchéité



Exemples d’intégration : semi-transparent



Exemples d’intégration : électricité, étanchéité, éclairage



Exemples de recherches : ombrières photovoltaïques

Ombrières photovoltaïques à concentration solaire – ELIOTH


Panneaux solaire thermique


L’utilisation active de l’énergie solaire : panneaux solaires thermiques

- Production d’eau chaude grâce à l’énergie solaire : - pour couvrir les besoins d’ECS - pour assurer le chauffage (piscine, plancher…) - pour la climatisation…

- Deux types de panneaux :

- les capteurs plans - les tubes sous vide

- Une production variable selon :

- le potentiel solaire du site (irradiation) - le contexte local (présence de masque) - l’inclinaison et l’orientation des capteurs - le type de capteurs et le schéma de production

Principe



- Pour quels usages ?

- Quels répartition des besoins dans l’année ?

- Quelle inclinaison ?

- Chauffage : besoins en hiver => privilégier une inclinaison forte (45° en France) - Eau chaude sanitaire toute l’année : besoins constants => inclinaison moyenne (30-45°) - climatisation solaire d’été : besoins estivaux => inclinaison faible (20°)

- En moyenne : 50-60 % des besoins d’eau chaude couverts - Trouver un compromis entre inclinaison et espacement des panneaux

Dimensionnement : analyser les besoins



Exemples de recherches : stockage solaire intersaisonnier

Appel à idées pour la valorisation d’un château d’eau Stockage solaire pour chauffage d’un quartier


Eolien


L’éolien

Exemples d’intégration au bâtiment – Axe vertical

• Fondation de recherche médicale de l’Oklahoma

• Plus grande ferme éolienne en toiture du monde

• 18 éoliennes à axe vertical


L’éolien

Exemples de projet - intégration au bâtiment – Axe horizontal

• Bahreïn World Trade Center, Atkins Architect

• Toiture d’un bâtiment de logement dans le Nord de la France


L’éolien

Exemples de projet - intégration au bâtiment – Axe horizontal

• Tour Cor – Miami, Oppenheim Architecture


L’éolien

Exemples d’application aux mobilités

• Recherche sur le rechargement de véhicules électriques par éoliennes à axe vertical

• General Electric


Autres ENR


La géothermie

- La géothermie consiste à capter la chaleur contenue dans le sol pour produire du chauffage (T°C < 90°C) et de l’électricité (90°C < T°C < 150°C)

- 3 Types de géothermie :

- Peu profonde et basse température (< 30°C) - Profonde à haute température (30-90°C) - Très profonde et à très haute température (>150°C)

- Source quasi-continue mais épuisement possible sous certaines conditions

- indépendante des conditions atmosphériques (pluie, soleil, vent)

Principe


La géothermie

- Pour savoir s’il existe un potentiel d’utilisation de la géothermie sur un site :

- Carte du BRGM - Etude géotechnique de sol (présence de nappe, constitution des sols)

Evaluer le potentiel d’un site


La biomasse / Bois énergie

- Production de chaleur à partir de bois (ou dérivés), énergie renouvelable (forêts gérées)

- Bilan carbone considéré comme neutre (carbone rejeté à la combustion = carbone absorbé pendant la croissance des arbres)

- Technique éprouvée et courante

- 1 m3 bois = 100 litres de fioul = 250 kg/eqCO2 -Coût compétitif et peu de variation de prix

- Nécessité de vérifier la présence d’une filière locale

Principe



Directement de la forêt -Buches -plaquettes forestières Industrie du bois - Ecorce de bois - Copeaux et sciures - Plaquettes et briquettes - Granulés De la filière déchets - Bois de rebut

Pour les particuliers : cheminées, poêles, cuisinières, chaudières Pour les entreprises et les collectivités : chaudières, réseau de chaleur

La forme


Le lycée HQE «Emulation Dieppoise», 2003 Chaufferie biomasse 13 000 m² de bâtiments Puissance de 1,2 MW, couverture de plus de 98% des besoins Projet "biomasse métropole" de la CPCU, Port de Gennevilliers, en cours Valorisation thermique du bois déchet Centrale cogénération (chaleur et électricité) Combustibles fournis dans un rayon de 150 km Objectif CPCU : 50% d’ENR en 2014 Serres de l'EARL du Relais, Andiran (47), 2005 Puissance de 2,5 MW Alimentation en chaleur d'une serre de 3 hectares 4 000 tonnes de bois consommées par an


Exemples


La biomasse / Biogaz

- Production de chaleur ou d’électricité à partir de la fermentation des déchets ménagers, boues des stations d’épuration et effluents agricoles

- Production de compost réutilisable ensuite

Principe

Exemples

Unité Bionerval, Etampes : - déchets organiques de la grande distribution, de la restauration et de l'industrie agroalimentaire - 5,1 millions de m3 de biogaz - 11,5 GWh d’électricité, 12,5 GWh de chaleur Usine de méthanisation de Varennes-Jarcy -30 000 tonnes de bio-déchets -70 000 tonnes d'ordures ménagères résiduelles traitées par an


Recherches sur les façades micro-algues / photo-bioréacteurs

- Culture de "micro-algues" dans des tubes en façade dans lesquels les eaux grises des bâtiments circulent

- Production énergétique possible (création de biomasse) et prétraitement des eaux usées

- Biomasse valorisable en énergie (non opérationnel pour le moment) et en agriculture (alimentation pour bétail…)

- Intégrable en façade ou toiture

Principe



La production énergétique envisageable



Tour la défense

Tour Hong Kong Projet d’intégration en façade d’une usine / X-TU + GEPEA – Saint-Nazaire


Bibliographie


Bibliographie Sun, wind and light : Architectural Design Strategies

Auteurs : G.Z. Brown / Mark De Kay

Édition : John Wiley & sons

Année de parution : réédition (2001)

La conception bioclimatique

Auteurs : Samuel Courgey / Jean-pierre Oliva

Édition : Terre vivante

Année de parution : 2006


Bibliographie Climate Design

Auteurs : Gerhard Hausladen / Michael de Saldhana

Édition : Birkhauser


Climate Skin

Auteurs : Gerhard Hausladen / Michael de Saldhana

Édition : Birkhauser



Bibliographie Manuel d’architecture naturelle

Auteurs : David Wright

Édition : Parenthèses

Année de parution : réédition

Traité d’architecture et d’urbanisme bioclimatique

Auteurs : Alain Liebard & André de Herde

Édition: Le moniteur



Bibliographie

Qualité environnementale des bâtiments

Auteurs : Ademe & TRIBU

Édition : Ademe


Concevoir des bâtiments bioclimatiques : Fondements et méthodes

Auteurs : Pierre Fernandez & Pierre Lavigne

Édition: Editions du Moniteur


Et le Référentiel NF-HQE bien sûr…


http://elioth.com/fr/about/presse


Sites internet intéressants…

Données météorologiques (base de données)

http://apps1.eere.energy.gov

Énergie

http://www.manicore.com/

http://www.theshiftproject.org/

http://www.outilssolaires.com/

http://www-energie.arch.ucl.ac.be/

Eau

http://www.eaudanslaville.fr/

http://www.eaufrance.fr

Énergie renouvelables

http://ines.solaire.free.fr/

http://www.tecsol.fr/

http://www.pvdatabase.org/

http://www.windfinder.com/

http://www.thewindpower.net/

http://www.geothermie-perspectives.fr/

Confort thermique


Confort visuel



Exemples


1 / Réhabilitation d’un groupe scolaire à Chatenay Malabry (chantier)

Intégration des contraintes de site occupé et de réhabilitation

Le site : plusieurs bâtiments à réhabiliter ou détruire

Bâtiments conservés


Le concours : concepts (avril 2010)

Conception bioclimatique (enveloppe, vitrages au sud dans l’existant, position sud de l’extension)

Protection solaire : création de débords de toiture (extension) et lames horizontales (extension)

Construction bois fortement isolée, à faible impact carbone et permettant une rapidité de mise en œuvre (préfabrication)

Ventilation mixte : naturelle en été (diurne et nocturne) / double flux en hiver

Préchauffage / pré rafraichissement passif de l’air par des puits canadiens

Toiture / couverture végétalisée (extension) protégeant la toiture des apports solaires d’été et limitant l’impact de la construction en termes d’imperméabilisation

Récupération des eaux de pluie pour réutilisation (arrosage, lavage des sols, camions de nettoyage de la Ville)



Le concours : concepts (avril 2010) Compensation énergétique (option) - Chaudière gaz pour le chauffage

- Proposition de panneaux PV en membrane (3

toitures)

- Panneaux solaires thermiques sur les façades du gymnase




Les études : affinement des calculs et évolutions

APS : L’option photovoltaïque n’a pas été retenue Les panneaux solaires thermiques sont positionnés sur le bâtiment central

(toiture) pour produire l’ECS du restaurant Etude fine des protections solaires de l’existant : comparaison brise-soleil

/ Zinc perforé (solution retenue)



Les études : affinement des calculs et évolutions

APD : Approfondissement des études thermiques (confort et consommations) Etudes d’éclairage naturel / FLJ pour tous les locaux à occupation

prolongée Puits canadien réduit au centre de loisirs (présence des enfants en été)

PRO / DCE : Approfondissement des études thermiques (confort et consommations) Suppression du puits canadien (raison économique) Etude FLJ pour optimiser le nombre de puits de lumière dans la

couverture Suppression de la ventilation naturelle (motorisation) dans les calculs


2 / Bibliothèque Multimédia à Vocation Régionale de Caen (chantier)

Présentation du projet

OMA

Master IPE – Université Paris Diderot 103 Bioclimatisme & Architecture 103


Présentation du projet

OMA



Historique / évolution

Evolution de la thermique Concours : RT2005 – 70% Début APS : RT2005 – 50% + Pas de PAC sur eau de mer Courant APS : Réduction des linéiques de menuiserie Fin APS : Suppression double peau APD : Mise en place de triple vitrage Fin APD : Identification du delta sur le Ucw Phase PRO : Travail sur le % vitré, l’augmentation des allèges et impostes Calcul détaillé du Ucw Entre PRO et DCE : mise en place du vitrage bombé et remplacement des protections solaires extérieures



Technologies innovantes : inertie

OMA



Les études / Etudes aérauliques



L’intégration des prescriptions dans les CCTP / GTB

20150320 bioclimatisme architecture c3

Documents

bioclimatisme architecture

bioclimatisme architecture

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m3hpers enseignement

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