CONCEPTION « Passivhaus » : ces bâtiments qui ne consomment presque rien !

Les Passivhaus allemandes ont été conceptualisées au milieu des années 90 par le docteur ­Wolfgang Feist (1) à partir d’une idée simple : si l’on baisse suffisamment les besoins de chaleur en construction neuve, ces derniers peuvent être couverts soit par une simple récupération de chaleur sur l’air extrait, soit par l’emploi d’énergies renouvelables, principalement du « solaire actif ». Ce qui aboutit à une formidable réduction des consommations d’énergie dans le bâtiment, à un confort plus important et constitue l’une des pistes les plus intéressantes pour le développement durable. Le standard Passivhaus ­débouche sur des constructions qui, pour le chauffage, ont consommé 80 % de moins que le niveau réglementaire en Allemagne en 1995. La conception des Passivhaus ­repose sur des principes logiques et simples. Il faut avant tout isoler, isoler plus et isoler encore pour réduire les besoins au maximum. Ensuite, il faut maximiser les apports de chaleur solaire l’hiver et les maîtriser en été, pour réduire les besoins de chauffage et de climatisation, tout en garantissant le confort aux occupants. Enfin, l’utilisation et la récupération d’énergie doivent être optimisées. Remarquons que les deux premiers principes sont « passifs »: leur efficacité ne demande aucune maintenance et, sauf dégradation exceptionnelle, leur effet se maintient tout au long de la vie du bâtiment. Après la maison individuelle, le standard Passivhaus se développe maintenant en tertiaire, en logements collectifs, en usines et même en rénovation lourde. Pour être certifiée par le Passiv Haus Institut (PHI), la construction doit impérativement respecter trois critères de performances :

une consommation annuelle d’énergie pour le chauffage inférieure à 15 kWh/m2;

une consommation annuelle en énergie primaire comprenant le chauffage, la production d’eau chaude, la ventilation, l’éclairage et l’électricité domestique plafonnée à 120 kWh/m2;

une perméabilité à l’air du logement (défauts d’étanchéité du clos-couvert) plafonnée à 0,6 Vol/h, avec une différence de pression de 50 Pa entre l’intérieur et l’extérieur du local. Cette perméabilité est mesurée selon la norme EN 13 829, avec un test réel : le « Blower Door test ».

Les spécifications du PHI s’arrêtent là. Les concepteurs ont toute liberté pour atteindre ces performances. Cependant, fort de son expérience, le PHI leur tient la main et propose une série de buts intermédiaires qui facilitent l’obtention des trois valeurs clefs. Tout d’abord, une isolation performante des parois extérieures – murs, sols et plafonds – dont le niveau atteint Uv = 0,15 W/m2K en immeubles collectifs et en tertiaire et au maximum Uv = 0,10 W/m2K en maison individuelle. Des valeurs faciles à atteindre en utilisant des épaisseurs d’isolant supérieures à 30 cm en collectif et à 35 cm en maison individuelle.

Parallèlement, les ponts thermiques doivent être traités, quelle que soit la construction. Le PHI recommande une transmissivité linéaire thermique ? inférieur à 0,01 W/mK qui implique l’utilisation de rupteurs de ponts thermiques – 7 marques différentes sur le marché allemand – pour les constructions traditionnelles en béton, une isolation par l’extérieur, une reprise de l’isolation ou encore des enveloppes particulières (ossature bois, etc.).

Ne pas lésiner sur l’isolant. Quelle que soit la matière utilisée, une construction passive ne lésine pas sur l’épaisseur de l’isolant. En effet, elle n’est jamais inférieure à 30 cm et peut dépasser 40 cm. Conséquence immédiate : les consommations de chauffage oscillent entre 8 et 15 kWh/m2/an… pour la moins performante ! Les matières isolantes sont très diverses : polystyrène expansé ou extrudé, polyuréthanne, laines de verre et laines de roche, vieux pneus concassés et agglomérés, etc. On observe un développement conséquent des isolations « naturelles »à base de cellulose. Toutes sortes de techniques sont utilisées : isolation projetée sur les murs extérieurs et en sous-face de dalle, isolation épandue en combles perdus (elle polymérise en quelques minutes au contact de l’air). Les doublages intérieurs classiques sont très présents, ainsi que l’isolation en sandwich – le plus souvent en cellulose – entre poteaux et panneaux dans le cas des maisons à ossature bois. Cinq ou six industriels proposent également des coffrages isolants en polystyrène ou en polyuréthanne. Les systèmes de toitures multifonction – isolation, étanchéité, résistance mécanique, parfois couverture, voire même production d’électricité grâce à des cellules photovoltaïques incorporées – se multiplient pour la maison individuelle et le secteur tertiaire. On voit aussi des éléments de façades multifonction pour le logement et le tertiaire : isolation cellules photovoltaïques.

Le triple vitrage est la norme. En matière d’ouvrants, le PHI préconise un Ug de 0,75 W/m2K maximum pour les vitrages et de 0,8 W/m2K pour le cadre, avec un facteur solaire g > 50 %. Uw ; les déperditions totales « jour » de la fenêtre selon la norme EN 10077-1 doivent être inférieures à 0,8 W/m2K. Mêmes valeurs pour les façades vitrées et les murs rideaux utilisés en tertiaire. Ce genre de performance n’est possible qu’avec des fenêtres à triples vitrages et rupteurs de ponts thermiques ou à l’aide de doubles vitrages à verre très performant et remplissage de gaz. Selon le PHI, une fenêtre double vitrage avec remplissage à l’Argon et joints performants contribue aux économies d’énergie, supprime la sensation de paroi froide et élimine la nécessité d’un émetteur de chaleur en allège : la température de la face intérieure de la fenêtre ne descend pas en dessous de 17°C dans une maison chauffée à 19°C. Le PHI estime que la perte d’énergie annuelle par m2 de fenêtre dans ces conditions, équivaut à moins de 8 litres de fioul.

Le succès des spécifications Passivhaus du PHI a largement concouru au développement du triple vitrage en Allemagne, en Suisse et en Autriche. Quantité de fabricants de vitrages, de fenêtres et de portes proposent des matériels certifiés « conformes aux critères des maisons passives » par le PHI de Darmstadt qui a trouvé une source de revenus non négligeable. Le PHI publie sur son site Internet des listes de fabricants et de matériels «certifiés ». Saint-Gobain Glass y figure en bonne place, ainsi qu’Interpane Glas Industrie, Rehau ou Veka AG et des petits fabricants régionaux de menuiseries.

Une étanchéité du bâti presque parfaite. Le troisième point de focalisation concerne l’étanchéité du bâti. Jusque dans les années 90, en Allemagne, le débit de fuite était mesuré entre 4 et 10 Volumes/heure avec une différence de pression de 50 Pa entre intérieur et extérieur. EnEv, la réglementation thermique, appliquée à partir de 2002, introduisait pour la première fois une valeur plafond pour le débit de fuite : 3 Vol/h sous 50 Pa en l’absence de VMC et 1,5 Vol/h dans un logement pourvu d’une VMC. Pour l’instant, le standard Passivhaus limite ce débit de fuite à 0,6 Vol/h. Pourtant, les nombreuses réalisations instrumentées, tant en logement qu’en tertiaire, depuis 5 ans montrent que cette valeur n’est pas difficile à atteindre. Par exemple, un gymnase de 1 000 m2 construit en 2001 à Munich Unterschlessheim par les architectes Pfletscher et Steffan a atteint une valeur de débit de fuite de 0,1 Vol/h lors du test d’étanchéité « Blowerdoor » pratiqué avant sa réception. Des valeurs comprises entre 0,2 et 0,45 sont couramment atteintes dans les constructions actuelles conformes au standard, quelle que soit la technique de gros œuvre : brique, béton banché, coffrages isolants, structure bois, etc. Le PHI réfléchit donc à rendre plus sévères les exigences actuelles pour les porter à un maximum de 0,2 V/h sous 50 Pa.

Cette excellente étanchéité à l’air du bâti résulte simplement de la qualité du travail des entreprises, du respect des règles de l’art et du fait que toutes les personnes présentes sur le chantier sont formées et conscientes des buts à atteindre. De plus, la certification « Maison passive » n’est attribuée qu’à l’issue d’un essai de l’étanchéité du bâtiment avant sa livraison. L’étanchéité presque parfaite impose une ventilation centralisée qui, jointe à la performance thermique de l’enveloppe, permet de couvrir la totalité des besoins de chauffage, par la simple récupération de chaleur sur l’air extrait. Avec une température extérieure qui peut aller jusqu’à -10°C.

Selon le PHI, dans un logement neuf de 100 m2, en l’absence de récupération de chaleur, les déperditions d’énergie par renouvellement d’air représentent entre 20 et 30 kWh/m2 par an. Le PHI impose donc la ventilation double-flux avec des échangeurs pour la récupération de chaleur l’hiver et, éventuellement, de froid l’été. Les taux de récupération des échangeurs doivent atteindre au moins 85 % . Les systèmes les plus récents, proposés par plus d’une quinzaine de marques allemandes, autrichiennes, suisses ou suédoises, dépassent 90 %. Le record est détenu par l’allemand Paul Wärmerückgewinnung (www.paul-lueftung.de) avec des taux de 99 %. Avec de tels systèmes, les déperditions d’énergie par renouvellement d’air retombent entre 2 et 7 kWh/m2 par an en moyenne, sur toutes les constructions passives instrumentées par le PHI. Ce qui devient très acceptable.

Puits canadiens pour l’air neuf. Dans ces ­constructions, l’air fait donc office de vecteur de chaleur et de rafraîchissement. Cela supprime la nécessité d’un système de chauffage autonome et ouvre la voie à des appareils multifonction : ventilation double-flux avec récupération de chaleur, chauffage, préparation d’eau chaude sanitaire (ECS) et parfois rafraîchissement pendant l’été. En chauffage, l’air offre une puissance d’environ 10 W/m3. La réglementation allemande prévoit un débit de ventilation hygiénique minimum de 30 m3/heure/personne. Sachant que les besoins de chauffage d’une maison passive sont de l’ordre de 500 à 800 W par -12°C à l’extérieur et pour une température ambiante de 20°C, le débit d’air suffit pour les couvrir.

Toutes les constructions passives sont équipées systématiquement d’un système double-flux avec récupération de chaleur. L’entrée d’air neuf centralisée passe par un puits canadien. Il s’agit d’une canalisation ou d’un réseau de canalisations enterrées qui se rassemblent sur un collecteur avant d’entrer dans l’échangeur double-flux. Le but est de préchauffer l’air neuf introduit en hiver et de le pré-rafraîchir en été. Le passage de l’air dans les canalisations enterrées et la température relativement stable du sol peut augmenter de 3 à 8°C à la température de l’air neuf en hiver et l’abaisser de 3 à 6°C en été. Cette technique est mise à profit pour toutes les constructions passives : maisons individuelles, immeubles collectifs et bureaux (voir encadré). Elle se banalise et s’applique désormais aux constructions neuves classiques. Des entreprises spécialisées dans la fabrication, la pose et l’entretien des puits canadiens font leur apparition.

Une fois l’air neuf préchauffé, il parvient au système double-flux. Au cœur du système, se trouve l’échangeur double-flux, complété par une pompe à chaleur (PAC) sur l’air extrait en sortie d’échangeur pour récupérer sa chaleur latente, raccordé à des capteurs solaires thermiques pour la production d’ECS, etc. Ces appareils possèdent de plus en plus souvent des ventilateurs à fréquence variable pour moduler les débits d’air, en fonction de l’occupation des locaux ou des températures intérieures et extérieures.

Pour la rénovation ou en cas de besoins d’ECS importants, la PAC sur l’air extrait est remplacée par une Pac sur capteurs enterrés : des PAC eau/eau ou eau glycolée/eau. L’ECS est produite par un ballon de 200 à 400 ­litres dans l’appareil. La plupart des industriels du chauffage et de la ventilation proposent des systèmes de ce genre en Allemagne : Maico et Aerex, Helios, Dimplex, Pluggit, Tecalor, Spartec et M-WRG, mais aussi Buderus, Viessmann, Stiebel-Eltron ou Vaillant.