Quand l’enveloppe s’approprie le lot génie climatique

Le nouveau ­label BBC 2005 du 3 mai 2007 étant encore plus ambitieux que le standard Passivhaus allemand, nous sommes à la veille d’une révolution dans la conception et dans la façon de construire des bâtiments neufs, trop consommateurs d‘énergie. En effet, les besoins de chauffage des immeubles de bureaux neufs performants construits en Allemagne aujourd’hui sont pourtant extrêmement réduits : de l’ordre de 20 à 30 W par – 12 °C à l’extérieur. Tandis que leurs besoins d’absorption de chaleur pour le confort d’été (défini comme une température ambiante de 26 °C au maximum) ne dépassent pas 20 à 40 W par 35 à 39 °C à l’extérieur. Cela se traduit par des consommations d’énergie très réduites : 15 à 20 kWhep/m².an pour le chauffage et 10 kWhep/m².an pour le rafraîchissement. Dans ces conditions, les solutions classiques de chauffage, de climatisation et de traitement d’air n’ont plus lieu d’être. Elles cèdent la place à de nouveaux systèmes qui font la part belle aux énergies renouvelables et permettent une gestion beaucoup plus fine en fonction de la réelle occupation des locaux. Les concepteurs allemands ont ­développé deux technologies nouvelles et, de plus, exploitent au maximum les énergies renouvelables.

Deux technologies pour façades étanches

Les deux solutions développées en Allemagne – le béton activé et les ­façades multifonctions – ont dépassé le stade des expérimentations. Le béton activé est devenu « standard » dans les immeubles de bureaux tandis que les convecteurs multifonctions incorporés aux façades se multiplient. Dans l’une et l’autre technique, les ouvrages d’émission et d’absorption de chaleur ne sont plus mis en œuvre par les entreprises de génie climatique. Elles sont prises en charge par le lot gros œuvre et par les spécialistes de la façade. L’intérêt de ces deux solutions est proportionnel à la performance thermique de l’enveloppe. Elle est obtenue en Allemagne grâce à des façades en double peau, souvent avec du triple vitrage, une isolation très importante de l’ordre de 40 cm de laine de roche pour l’isolation à l’extérieur, 30 cm de polyuréthanne (PUR) ou de polystyrène expansé (PSE). Tous les ponts thermiques sont traités et l’étanchéité à l’air est élevée. Les besoins de chaleur et de rafraîchissement sont encore réduits grâce à la mise en œuvre systématique de puits canadiens, associés à une ventilation double-flux avec récupération de chaleur à haute efficacité (un rendement de récupération supérieur à 90 %) et à des protections solaires efficaces. Les nouveaux immeubles de bureaux ­allemands s’équipent maintenant de stores à lamelles gérés de deux manières différentes selon leur hauteur de positionnement. La partie haute se charge de renvoyer la ­lumière naturelle vers le plafond pour bénéficier de son éclairage. Tandis que le segment bas occulte la lumière directe du soleil afin de supprimer les éblouissements et maintenir de bonnes conditions de travail. Les concepteurs allemands sont toujours des équipes mixtes qui associent architectes et bureaux d’études thermiques et structures. Aucun ­bâtiment de bureau n’est lancé sans d’importantes études préalables. En effet, comme les solutions de chauffage, rafraîchissement et ventilation sont très largement incorporées au gros œuvre, y compris aux fondations, mieux vaut intégrer ces techniques lors des phases d’études. Il est bien plus facile et moins coûteux d’atteindre des performances élevées dans un bâtiment neuf, si un travail de réflexion a lieu préalablement à la construction.

Technique du béton activé

Le concept de « Betonkernaktivierung » ou « Cœur de Béton Activé », encore appelé TABS (pour ThermoAktiv BauteilSysteme) est apparu il y a environ quinze ans dans la littérature technique allemande et suisse. Ses premières applications remontent à plus de dix ans en Suisse – le Dow Building (1991) à Horgen et l’immeuble Sarinaport construit à Villars-sur-Glâne (Canton de Fribourg) en 1993 – et à 7 ans environ dans les premiers bâtiments tertiaires conformes au standard Passivhaus, comme l’immeuble Energon de Ulm, par exemple (voir Les Cahiers techniques du bâtiment, n° 271, p. 60).

Le béton activé consiste en un système de tubes multicouches, de diamètres 15 à 22 mm le plus souvent, posés à mi-hauteur dans les banches des dalles pleines ou à mi-épaisseur dans les banches des murs porteurs en béton, selon des pas de 20 à 30 cm. Ensuite, on coule le béton. Les tubes sont rarement déroulés sur le chantier. Ils sont plutôt fournis préposés dans des doubles treillis métalliques qui les positionnent directement à la hauteur voulue dans la banche. Il n’y a aucune connexion entre tubes encastrés dans le béton. Des attentes de tubes dépassent au-dessus ou en dessous des dalles ­finies qui seront ensuite raccordées aux canalisations d’alimentation. Ces éléments pré-équipés sont confectionnés sur mesure pour chaque chantier, afin de s’adapter exactement à la forme des dalles et murs porteurs. Pour les immeubles de bureaux importants, ils sont livrés au fur et à mesure de l’avancement du chantier. En Allemagne, toutes les marques de plancher chauffant classique – Polytherm, Rehau, Roth, Unipipe, etc. – proposent des éléments sur mesure préferraillés pour le béton activé et des services de ­livraison en fonction de l’avancement des chantiers.

Aujourd’hui, les bâtiments tertiaires neufs allemands sont suffisamment performants pour que cette solution soit devenue la référence en chauffage et rafraîchissement. Un grand nombre de bâtiments très ­divers (des lycées, des tours comme la Post Tower de Bonn, des immeubles de bureaux plus classiques) ont été traités de cette manière. En 2001, 60 bâtiments tertiaires mis en chantier utilisaient le béton activé. Dès 2005, pratiquement tous les bâtiments tertiaires mis en chantier faisaient appel à cette technique pour la totalité ou pour une partie de leurs surfaces. La plupart du temps, le rafraîchissement ne repose pas sur des machines thermo­dynamiques : donc pas de climatisation au sens technique du terme. Nous pourrions nous en inspirer. Depuis le 1er janvier 2007, la RT 2005 restreint les possibilités de climatisation dans les bâtiments neufs. La RT 2010 et les versions ultérieures devraient poursuivre dans le même sens. La performance des bâtiments tertiaires neufs allemands et la technique du béton activé nous donnent donc une solution pour maintenir le confort d’été, sans climatisation.

Développement des façades multifonctions

Tablant sur sa grande inertie thermique, le béton activé n’est pas ­véritablement régulé. Il fournit une base de chaleur en hiver et le rafraîchissement de locaux standard en été. Dans un bâtiment à expositions contrastées, les concepteurs fractionnent l’installation en zones alimentées à des températures différentes. Mais le béton activé n’est pas capable de réagir à des variations importantes d’apports de chaleur : un excès de chaleur à absorber dans une salle de réunion, par exemple. L’ajustement fin de la température en chauffage et en rafraîchissement est donc confié à des ventiloconvecteurs multi­fonctions. Ils sont encastrés dans le sol ou intégrés aux façades et assurent la ventilation double-flux avec récupération de chaleur, le chauffage et le rafraîchissement. Ce sont des ventiloconvecteurs 4 tubes avec les fonctions ventilation hygiénique et récupération de chaleur en plus. Chaque appareil est pourvu d’un conduit de prise d’air et d’un autre pour le rejet, de deux ventilateurs et d’un échangeur pour la récupération de chaleur, dont le rendement de récupération se situe entre 75 et 90 % selon les modèles. Cette solution présente l’avantage de supprimer la quasi-totalité des ouvrages centralisés pour le traitement de l’air neuf hygiénique. Moins de CTA, moins de larges gaines pour la distribution et la reprise d’air. On gagne en ­hauteur sous plafond dans les bureaux. Seule la ventilation des locaux communs – circulations, escaliers, etc. – est traitée de manière centralisée. Il existe en Allemagne une bonne douzaine de fabricants de ce type d’appareil, dont ­Kampmann, GEA, Emco et Trox.

Par l’intermédiaire de sa filiale FSL (FassadenSystemLüftung ou systèmes de ventilation de façade), Trox a développé des appareils spécifiques pour certains bâtiments, ­notamment Capricorn Haus, conçu par les ­architectes Gatermann Schossig et construit à Dusseldorf dans le quartier Medienhafen, ou pour le bâtiment Leimer/Würfel (21 500 m², 66 ME) à Münich. Le modèle développé pour Leimer/Würfel sera incorporé verticalement à la façade. Pour une température extérieure de 32 °C, une température intérieure de 26 °C et une température d’eau de 12 °C, il atteint une puissance froid de 500 W avec un débit d’air de 90 m3/h et de 600 W avec un ­débit de 110 m3/h. Chez Emco, la puissance du modèle « compact Kqkl » varie de 1 400 à 4 500 W/m linéaire en chauffage et de 300 à 1 040 W/m linéaire en rafraîchissement. Il est intéressant de remarquer que ces ventiloconvecteurs multifonction ne sont pas installés par une entreprise de génie climatique.

Ils sont achetés directement par des spécialistes des façades, comme Schüco ou Wicona, et sont incorporés à une façade multifonction préfabriquée. Elle est livrée sur le chantier prête à poser, segment par segment.

Pour le bâtiment Capricorn Haus, Schüco a mis au point des éléments de façade prémontés dont 55 % de la surface est transparente. Le reste est fermé sur 1,80 m de hauteur par un bardage acier recouvert d’émail rouge, protégé par une couche d’isolation. Elle dissimule le ventilo­convecteur fourni par FSL. Juste au-dessus de la partie pleine, une tablette ­blanche montée sous la vitre se charge de renvoyer la lumière du jour vers le plafond pour favoriser l’éclairage naturel. Cette tablette porte en sous-face le luminaire électrique, précâblé et asservi à une sonde d’éclairement ambiant.

Ces éléments de façade préfabriqués sont livrés sur chantier avec l’éclairage, le ventiloconvecteur prémonté, avec l’ensemble des finitions intérieures et extérieures, avec les réseaux en attente prêts à être raccordés. Ils ne sont pas porteurs et sont vissés à l’ossature de la façade du bâtiment.

Dans la construction du bâtiment Capricorn Haus, les tâches des ­entreprises de génie climatique ont été réduites à une portion congrue : la ventilation, le complément du chauffage et de rafraîchissement sont pris en charge par la façade préfabriquée Schüco.

Le chauffage et le rafraîchissement de base sont assurés par le béton activé, mis en œuvre par l’entreprise concernée. Il reste la pose des pompes à chaleur, des réseaux primaires et de leurs pompes et le raccordement des éléments de façade.