ETUDE : « Architecture & Changement Climatique »

1. URGENCE

Les climatologues craignent que notre planète devienne invivable à la fin du siècle, la température moyenne dépassant alors de plus de 1.5°C celle de l’aire préindustrielle.
Ce réchauffement résultant de la surabondance du gaz à effet de serre qui résulte de notre usage de combustible fossile, nous devons modérer aussi rapidement que drastiquement l’usage de celui-ci. Ce devoir s’imposant encore plus aux professionnels dont dépend le besoin d’énergie, il s’impose à ceux qui choisissent la forme des nouveaux bâtiments.
Or, tous ces concepteurs doivent renoncer à leur choix actuel. Bien sûr, ceux qui continuent de vitrer abondamment les façades, bien que cette évolution architecturale accroisse leur besoin en énergie. Mais aussi ceux qui sont déjà conscients de leur responsabilité climatique, car tous se trompent de priorité en rendant d’abord l’enveloppe de leurs projets compacte.
Car on va voir que si leur priorité avait au contraire été de donner à chaque local du bâtiment la volumétrie qui minimise la surface vitrée qui y suffira, ils exigeraient bien moins d’énergie. Et si cette option morphologique pouvait être comparée à une qui représenterait la moyenne de tout ce que l’on bâti aujourd’hui, sa performance apparaitrait bien plus proche de celle qui devrait préserver le climat.
Cette option si sobre minimisant également son coût constructif, elle nous permettra heureusement d’y conserver plus de qualités non-énergétiques. Aux concepteurs, cette option morphologique offrira donc aussi le rare honneur de devoir inventer une autre architecture.

2. MOYENS MORPHOLOGIQUES

Il s’agit de réduire la surface d’échange thermique entre la partie d’un bâtiment exigeant un confort thermique continu et celle où la température sera indifférente.

Mais cette surface d’échange comporte des surfaces opaques et des surfaces vitrées, et on verra qu’il est rare de pouvoir conjointement minimiser leur surface.

Avant de chercher laquelle de ces deux types de surface réduire d’abord, voyons comment chacune d’elles pourrait être réduite au maximum.

2.1 ENVELOPPE OPAQUE

Selon l’ampleur du programme constructif, minimiser l’enveloppe opaque d’un projet peut exiger deux étapes : regrouper les espaces à maintenir confortables dans le moins de volumes distincts possible, puis doter chacun de ces volumes de la plus grande compacité possible.

2.1.1 REGROUPER LES VOLUMES A MAINTENIR CONFORTABLE

Quand le programme d’un projet comporte plusieurs parties fonctionnellement indépendantes, on est tenté d’adoucir son impact sur le paysage en donnant à chacune de ces parties un volume distinct. Or, chacune de ces distinctions ajoutant plus de pignons à la surface des façades principales, la surface d’échange thermique totale du projet avec l’air extérieur s’en trouve accrue. L’évolution du climat incite donc à rassembler chaque programme dans le moins de volumes distincts possible.

Pour les logements par exemple, cela pousse à ne plus faire que du logement collectif. Encore faut-il les faire admettre par ceux qui rêvaient d’un logement individuel. Mieux vaut donc leur offrir aussi quelques avantages inédits, dont ceux-ci :

• Atténuer la promiscuité due à cette mitoyenneté obligée : Pour consoler du grand jardin on rêvait, compléter chaque logement d’un espace privatif extérieur : jardinet, grande loggia, portion privative de la toiture-terrasse, etc. Chacun en jouxtant toutefois beaucoup d’autres, renforcer spécialement leur séparation visuelle, phonique, olfactive même à cause des grillades.
• Offrir des services collectifs supplémentaires : Par exemple : chambres permettant de dépanner momentanément les familles qui en auront besoin, locaux abritant diverses activités collectives, jardins-ouvriers, véhicules empruntables par chacun.

Si ces avantages ne pourront leur être offerts gratuitement, ils leur seront largement remboursés par l’économie constructive d’un collectif par rapport à des individuels, puis par toutes les économies dues à la densité urbaine, voire par le moindre bétonnage de l’espace naturel.

2.1.2 COMPACITÉ DU VOLUME SOUHAITÉ CONFORTABLE

Que le volume dans lequel on attendra un confort thermique continu résulte, ou non, du regroupement évoqué ci-dessus, sa surface d’échange thermique avec l’extérieur doit être minimisée. Ce qui réduira d’ailleurs aussi le coût constructif de cette enveloppe.

Comparons par exemple trois bâtiments capables d’abriter la même activité et ayant même hauteur et même surface vitrée. Leurs échanges thermiques avec l’extérieur ne dépendront donc que du périmètre de leurs plans, compté en unités de trame :

Ces périmètres résultent de priorités différentes de conception :

1. Le plan A veut rendre perceptible de l’extérieur le volume de chacun de ses locaux. Son périmètre mobilise 23 unités de trame.
2. Le plan B réduit son périmètre en respectant les exigences fonctionnelles des locaux. Regroupant donc au maximum ses locaux, il exploite la tolérance des deux petits locaux pour un plan à pan coupé, mais au local le plus grand, il laisse le plan longiligne qui y est fonctionnellement indispensable. Son périmètre a besoin de 18,2 unités de trame, soit 17 % moins que celui du plan A, ce qui réduit d’autant le besoin thermique du bâtiment.
3. Le plan C minimise le périmètre exigé par sa surface utile totale, quitte à priver son grand local du plan longiligne qu’exige son besoin fonctionnel. Son périmètre n’a plus besoin que de 17,7 unités de trame, soit 23 % moins que le périmètre du plan A.

Le respect du programme fonctionnel primant sur la compacité maximale de son volume bâti, malgré la meilleure compacité du plan C, choisir le plan B.

2.2 PARTIES VITRÉES

2.2.1 CRÉNEAU RENTABLE

Un vitrage produit deux effets énergétiques dans son local :

• Il dispense d’éclairage artificiel lorsqu’il y a suffisamment de soleil.
• Il transmet bien plus de chaleur que la paroi opaque et bien isolée dont il a pris la place. Ce qui contrarie toujours le confort thermique du local, bien que cette transmission puisse changer de sens selon l’heure et la saison.

Ces deux effets ayant un intérêt énergétique opposé, donner à chaque vitrage la surface à partir de laquelle il éclairera gratuitement son local ; mais pas supérieure à ce minimum, afin de limiter au maximum sa transmission de chaleur. D’après la RT2000, ne placer donc cette surface vitrée qu’entre les deux extrêmes ci-dessous :

• Surface vitrée minimale : Av = Aloc*((Pf/h)-1)/(20*Tdf)
• Surface vitrée maximale : Av = Aloc*(Pf/h)/(20*Tdf)
• Où :
  • Av = surface du vitrage (m²)
  • Aloc = surface du local (m²)
  • Pf = profondeur local (m)
  • h = hauteur du linteau (m) au-dessus d’un « plan utile » à + 0,8 m du sol.
  • Tdf = facteur de transmission diffuse du vitrage (0,76 pour vitrage double)

2.2.2 RÉDUIRE LA SURFACE VITRÉE NÉCESSAIRE

La coupe ci-dessous illustre les formules ci-dessus : la surface vitrée Av suffisant à l’éclairement d’un local d’une surface au sol Aloc dépend aussi de sa profondeur Pf et de la hauteur h du linteau sur le plan à bien éclairer :

D’où 2 moyens de réduire la surface vitrée qui suffit à une certaine surface de local :

• Si les 3 dimensions de celui-ci sont déjà fixées, hausser h au maximum (si possible jusqu’au plafond, comme illustré ci-dessus).
• Mais si on peut choisir les 3 dimensions de cette surface de local, on peut minimiser Av : réduire la profondeur Pf du local en lui donnant un plan carré et hausser le plafond au dessus de son minimum fonctionnel afin de pouvoir haussant encore plus la hauteur h du linteau. Mais ces nouvelles dimensions rendant l’enveloppe du bâtiment moins compacte, il restera à en évaluer l’intérêt économique global (cf chapitre 3).

Dans cette coupe, noter aussi que le faux-plafond n’atteint pas la façade, pour éviter une hausse du plancher qui augmenterait la transmission thermique du bâtiment.

2.2.3 DURÉE D’OCCUPATION DIURNE

Chaque local aura deux besoins distincts d’énergie, l’un pour y maintenir le confort thermique, l’autre quand il faut l’éclairer artificiellement. Mais chacun de ces besoins aura une durée différente. D’abord, alors que le besoin de lumière ne débute que lorsqu’on entre dans le local, son besoin thermique commence avant pour que le confort soit devenu parfait à l’entrée d’un occupant. Ensuite, la durée de l’anticipation thermique sera la même dans tout le bâtiment, alors que celle du besoin de lumière pourra différer dans chaque local.

Différences qui comptent pour accroitre l’économie globale d’énergie du bâtiment :

• Local peu occupé chaque jour. Son anticipation thermique restant la même que dans l’autre cas, sa durée par rapport à la brève occupation qui lui succède augmente son importante relative. La longueur du besoin lumineux étant donc minimisée par rapport au besoin thermique, en profiter pour réduire l’importance de celui-ci en adoptant la surface vitrée qualifiée de « minimale » en 2.2.1. Par exemple dans une salle de repas, où il n’y a quasiment qu’à l’heure du déjeuner qu’on pourra se passer de lumière artificielle.
• Local occupé toute la journée. Si sa durée d’anticipation thermique sera la même que ci-dessus, sa supériorité paraissant amoindrie par rapport à la longueur accrue du besoin de lumière. Y favoriser plutôt l’économie de lumière artificielle grâce à la surface vitrée dite « maximale » en 2.2.1. Par exemple dans les locaux hospitaliers, les bureaux ou les salles de cours.
• Si le local a une durée d’occupation intermédiaire entre ces deux extrêmes, lui donner une surface vitrée également intermédiaire.

Mais le rendement de l’éclairage par LED peut changer cela, on le verra en 5.1.3.

2.2.4 AIRE FAVORISÉE PAR LE VITRAGE

On avait vu en 2.2.1 que la surface vitrée qui permet d’offrir tous les services attendus par un local dépend de sa profondeur et de sa durée d’occupation. Mais en fait, ces services n’y seront pleinement offerts que dans l’arc capable (en pointillés dans les dessins ci-dessous) qui part de chaque côté du vitrage et qui frôle le fond du local. Pour que cet arc profite au mieux à un local dont le plan est orthogonal, donner donc à celui-ci la largeur la plus pertinente par rapport à son futur usage :

• Si le local doit être occupé par des gens qui disposeront de beaucoup de temps pour profiter de la vue dehors, ne lui donner que la largeur dans laquelle on disposera partout des avantages offerts par l’intérieur de l’arc capable :

  

• Dans les autres cas, donner un plan carré à la surface du local car, sa moindre profondeur exigeant moins de surface vitrée par rapport à sa surface au sol, le confort thermique du local consommera moins d’énergie :

  

  Son arc capable y devenant complètement intérieur au plan, il est relativement moins grand que dans l’autre option. Mais ses faveurs sont rarement indispensables partout. Les quatre angles du plan, qui minorent éclairement naturel et vue dehors, conviendront aux activités secondaires, comme l’entrée dans le local, le coin porte-manteaux et celui de toutes sortes d’équipements.

3. OPTIONS ÉNERGÉTIQUES

On constate que tous les concepteurs soucieux de ménager au maximum le climat commencent par donner à l’enveloppe de leurs projets le moins de surface possible.

Ils ne cherchent qu’ensuite à réduire la surface vitrée nécessaire aux locaux contenus dans cette enveloppe. Or, la compacité maximale de celle-ci maximisant la profondeur de ses locaux vitrés, on a vu en 2.2.2 qu’elle maximise aussi la surface vitrée capable de bien les éclairer. Et comme cette surface vitrée accrue sera ensuite multipliée par un coefficient de transmission thermique bien plus important que celui de la partie opaque de la paroi, cette approche ne sera pas forcément celle qui parviendra à minimiser le besoin énergétique total des bâtiments.

Pour connaitre la meilleure approche, comparons donc le besoin énergétique total de trois formes de bâtiment qui ont pour priorité des choix morphologiques distincts :
-* La première choisit d’abord une ENVELOPPE COMPACTE

• La seconde minimise d’abord TOUS SES VITRAGES
• La troisième ne minimiser d’abord que ses VITRAGES AU NORD

Ces trois formes répondant au même programme fonctionnel :

• Surface utile totale de 1030 m².
• 4 niveaux utiles, dont chacun contient :
  • 12 bureaux vitrés orthogonaux de 14,33 m² chacun.
  • Largeur de ces bureaux ne doit pas être inférieure à 2.70 m.
  • Les locaux non vitrés d’une surface globale égale à la moitié de celle de tous les bureaux vitrés, soit à 86 m².

• Hauteur des plans de travail : 0.80 m
• Vitrages :
  • Expositions au sud et au nord.
  • Surface donnant l’éclairement « maximal » à son bureau.
  • Linteaux atteignant le plafond pour réduire ces surfaces vitrées.

Pour simplifier les calculs, on négligera l’épaisseur des parois, ce qui paraitra ramener les dimensions extérieures de chaque bâtiment à l’addition des dimensions intérieures de ses locaux.

Chaque option ne sera illustrée que par son plan d’étage courant.

3.1 OPTION À ENVELOPPE COMPACTE

Cette option donne classiquement la priorité à la compacité de l’enveloppe du bâtiment, n’en minimisant qu’ensuite les surfaces vitrées.

3.1.1 VOLUMÉTRIE

• Le plan du bâtiment est rendu le plus compact possible, c’est-à-dire le plus carré possible puisqu’il ne doit contenir que des locaux orthogonaux. Pour l’obtenir, il réduit la largeur de ses locaux vitrés au maximum, soit à 2.70 m. Leur surface être de 14,33 m², leur profondeur atteint donc 5.31 m. L’ensemble des locaux non-vitrés (en gris ci-dessous) devant égaler 1/3 du total, sa largeur égale donc elle aussi 5.31 m. Ce plan est donc large de 3x5.31 m = 15.93 m et long de 6x2.70 m = 16,20 m.

  

• La hauteur du bâtiment devant également être minimale, chaque niveau en reste à 2.5 m sous plafond, sa hauteur totale égalant donc 4 x 2.5 m = 10 m.

3.1.2 VITRAGES

Chaque bureau conjuguant donc le plan le plus profond possible et le plafond le plus bas possible, comme vu en 2.2.2, la surface vitrée qui lui est nécessaire s’en trouve maximisée. Compte-tenu de sa longue durée d’utilisation quotidienne et son linteau haut de 2.5 m, il exige un vitrage de 2.93 m², large donc de 1.95 m.

Cette surface vitrée est nécessaire mais surabondante, l’arc limitant sa zone d’efficacité pouvant satisfaire un local plus large. Si on retrouve donc l’étroitesse du bureau vu en 2.2.3, ici elle est due à la volonté de rendre l’enveloppe compacte, pas à l’intérêt d’une vue généreuse :

Minimiser d’abord l’enveloppe d’un bâtiment économise certes de l’énergie, mais pas forcément assez par rapport à la transmission thermique accrue de ses vitrages.

3.2 OPTION MINIMISANT TOUS SES VITRAGES

Dans cette seconde option, on commence au contraire par minimiser la surface vitrée qui suffira à la surface de ses bureaux. Ne cherchant qu’ensuite à rendre compacte l’enveloppe du bâtiment qui rassemble ces bureaux.

3.2.1 LOCAUX VITRÉS

Leur vitrage doit offrir tous les services qu’on en attend mais avec le moins de surface possible. Comme déjà envisagé en 2.2.2, laissons la même surface au local, mais en changeant ses trois dimensions :

• En plan, on avait remarqué en 3.1 que la surface de vitrage indispensable à un local plus profond que large pourrait satisfaire un local plus grand car plus large. A nos bureaux de 14,33 m², donnons donc un plan carré. Leur profondeur Pf en étant diminuée, la surface vitrée qui suffit aux besoins du local est proportionnelle à 3.78 m et non plus à 5.31 m. Ce qui réduit aussi la transmission thermique de ce vitrage. S’y ajoute une seconde réduction de la surface vitrée, inspirée celle-là de 2.2.3. Elle ne maximise plus les avantages lumineux dans tout le local, seulement dans l’arc capable plus petit que son plan carré :

  

• En hauteur haussons linteau, la surface vitrée nécessaire étant inversement proportionnelle à cette hauteur. L’appui du vitrage devant laisser la même vue extérieure horizontale que la précédente option à une personne assise, cette hausse du linteau réduit aussi la largeur du vitrage. Mais avec une limite : dans ce lieu de travail la largeur de vue jugée minimale doit être, comme ci-dessus de Pf /4 = 3.78 m / 4 = 0.95 m. La durée d’utilisation quotidienne du local restant maximale, la formule vue en 2.2.2 hausse son linteau à 2.04 m au dessus du plan de travail, soit à 2.84 m au dessus du sol. Ce qui hausse le plafond par rapport à son minimum.

Cette double évolution du plan et de la hauteur sous plafond n’exige donc plus que 1.74 m² de vitrage par local, soit 40% moins que les 2.93 m² du plan COMPACT. Mais apparaissent d’inédites contraintes dimensionnelles : local de plan carré, vitrage dans l’axe de la façade du local, plafond haussé.

En outre, la vue offerte sur l’extérieur dépendra de l’épaisseur de la façade. Si celle-ci est mince comme ci-dessous à gauche, cette vue bénéficiera de toute la surface de l’arc capable. Mais si la façade est épaisse, comme ci-dessous à droite, la surface de cet arc s’en trouve réduite, malgré l’évasement des tableaux de la baie :

3.2.2 BÂTIMENT ENTIER

Le rassemblement de locaux vitrés au plan carré ne permet plus de maximiser la compacité du volume bâti, mais améliorons-la néanmoins :

Horizontalement, le plan reste strictement rectangulaire. Mais il est plus long que dans l’option précédente, avec 6 x 3.78 m = 22.68 m, alors que sa largeur diminue, avec 3 x 3.78 m = 11.34 m :

Verticalement, le total des 4 étages atteint 4 x 2.84 m = 11.36 m, et non plus 10,00 m, ce qui réduit aussi la compacité verticale du bâtiment.

En augmentant la surface de l’enveloppe du bâtiment, cette priorité à la minimisation des vitrages parait confirmer la difficulté de tout minimiser à la fois.

3.3 OPTION NE MINIMISANT QUE LES VITRAGES NORD

Dans cette option, on commence aussi par choisir les surfaces vitrées, mais différemment de l’option précédente :

• Au nord, sans soleil, les surfaces vitrées sont minimisées comme en 3.2.
• Au sud, bien ensoleillé en hiver et modérément l’été, les surfaces vitrées restent maximales comme en 3.1.

  

3.3.2 HATEUR DU BÂTIMENT

Bien que chaque façade hérite d’options initiales aux hauteurs sous-plafond différentes, la cohérence du volume bâti oblige à rendre ces hauteurs égales.

Prenons donc 2.84 m par niveau, cette hauteur étant indispensable au nord pour que ses vitrages puissent être aussi réduits que dans l’enveloppe au vitrage MINIMAL.
Créés avec 2.50 m sous plafond, les bureaux au sud exigent donc une hausse de leur linteau de 0.34 m. Ceci améliorant le rendement de leur vitrage, le maintien de l’éclairement initial n’y exige plus que 2.44 m² de vitrage, au lieu de 2.93 m².

La hauteur totale du bâtiment atteint dès lors 4 x 2.84 m = 11.36 m (les épaisseurs de plancher y restant toujours négligées).

4. ÉVALUATIONS

Rappelons d’abord à la même échelle le plan d’étage des options à évaluer. Et la hauteur totale du bâtiment de gauche est de 10.00 m, celle des autres de 11.36 m :

4.1 BESOINS ÉNERGÉTIQUES

4.1.1 UTILISATION ET VALEURS ÉNERGÉTIQUES

Durée d’occupation diurne des locaux : 9 heures / jour ouvrable.
Renouvellement d’air : 0.5 volume / heure
Nombre d’occupant par bureau : 1
Éclairage artificiel : 6 W/m².
Usage des prises de courant : 6 W/m²K
Inertie thermique du bâtiment : moyenne.
Transmission thermique des façades et pignons opaques : 0.32 W/m²K
Transmission thermique des doubles vitrages : 2.80 W/m²K
Transmission thermique des planchers hauts et bas : 0.36 W/m²K

4.1.2 TRANSMISSIONS THERMIQUES

4.1.3 BESOINS THERMIQUES

Les températures extérieures et les apports solaires variant nettement dans l’Hexagone, le besoin thermique annuel des trois options est calculé dans ses deux villes au climat bien différent, TRAPPES et NICE.

Ces besoins thermiques ont été calculés heure par heure avec un logiciel de simulation thermique dynamique du à Alain Cordier et qui exige moins d’entrées que les autres gros logiciels :

Le maintien du confort d’été y est dû à une climatisation car son besoin s’évalue comme le chauffage, en kWh.
Dans les cas réels, on aurait bien sûr commencé par améliorer le confort d’été d’une façon économe en énergie (inertie thermique forte, rafraîchissement par l’air extérieur nocturne, etc.).

4.1.4 BESOINS ÉNERGÉTIQUES TOTAUX

Pour connaitre l’option globalement la plus sobre en énergie, à ces besoins thermiques il faudrait ajouter ceux de l’éclairage artificiel des locaux. Mais ceux-ci furent rendus égaux dans toutes les options, toutes les surfaces de vitrage étant ajustées au besoin lumineux qui résulte de la morphologie particulière de leur local. Dès lors, le classement que leur besoin énergétique total reste celui du besoin thermique de chaque option.

Leur classement s’avère le même dans tout l’Hexagone :

1. L’option au vitrage MINIMAL a le plus faible besoin total d’énergie.
2. L’option au CHAUFFAGE SOLAIRE exige 7 % plus d’énergie que la 1°. Plus de surface vitrée au sud accroit donc plus le besoin total d’énergie que cela réduit le besoin de chauffage.
3. L’option d’abord voulue COMPACTE exige 20 % plus d’énergie que la 1°. Approfondissant les locaux intérieurs vitrés, cette compacité accroit suffisamment leur surface vitrée pour que leur transmission thermique excède l’économie thermique qu’offre la compacité maximale de l’enveloppe.

4.2 COÛTS CONSTRUCTIFS

Ne sont évalués ici que le coût des parois dont la quantité a changé d’une option à l’autre, car cela n’altère pas le classement de leurs coûts constructifs totaux :

L’option au vitrage MINIMAL parait donc également la moins chère à construire. Mais, contrairement aux besoins énergétiques, les coûts constructifs sont également sensibles au budget de chaque projet.

Mais même si la morphologie la plus sobre en énergie devenait la plus chère à construire, son coût constructif n’atteindrait pas celui d’un bâtiment qui ne doit son économie d’énergie qu’à d’importantes améliorations techniques.

5. GÉNÉRALISATION

La réduction du besoin énergétique de la morphologie de bâtiment proposée ci-dessus parait applicable à d’autres programmes que les immeubles de bureaux, voire à des programmes auxquels un règlement particulier l’interdit aujourd’hui.

5.1 TRIPLE VITRAGE

Un vitrage triple plutôt que double modifie le besoin d’énergie de 2 façons opposées : une moindre transmission thermique (de 1.28 W/m²K au lieu de 2.80 W/m²K) mais une moindre luminosité (coefficient de 0,76 au lieu de 0,66) :

L’option du VITRAGE MINIMAL’’’ reste bien sûr énergétiquement préférable.
Mais son triple vitrage est surtout bénéfique en hiver, en été, le plus important est de le mettre à l’ombre.
Mieux vaut dès lors investir son net surcoût constructif dans des améliorations qui seront plus bénéfiques lors d’étés s’annonçant de plus en plus redoutables.

5.2.1 PREMIÈRE VARIANTE

Par rapport à l’option au VITRAGE MINIMAL, cette variante garde à chaque étage 12 bureaux carrés ayant gardé la même surface et (en gris) la même surface de locaux annexes ; et elle garde aussi le même nombre d’étages :

Son plan quasiment carré offre donc l’avantage thermique d’exiger moins de surface de façades que le plan longiligne plan au VITRAGE MINIMAL.

Mais d’abord cette diminution est faible. Le périmètre du plan égale en effet 17 largeurs de bureau, seulement 1 de moins que celui du plan au VITRAGE MINIMAL. De plus que parmi ces largeurs, celles qui sont vitrées et qui transmettent donc bien plus de chaleur que les autres, restent dans les deux plans égaux à 12.

De plus le confort y est menacé, le tiers de ses locaux devenant vitré à l’est et à l’ouest, ils seront surchauffés en été ou plus coûteux à climatiser. Défauts que l’on ne peut qu’atténuer en leur donnant la surface vitrée dite « minimale » en 2.2.1.
Et comme l’évolution du climat allant aggravera ce handicap, mieux vaut en rester à l’option au VITRAGE MINIMAL.

5.2.2 SECONDE VARIANTE

Le plan de cette variante est lui aussi carré et sur quatre niveaux. Mais son plan ne copiant que la moitié de celui au VITRAGE MINIMAL, elle a moins de surface utile :

Par contre, elle a l’intérêt de montrer que certains bâtiments peuvent avoir une morphologie qui conjugue tous les facteurs économisant l’énergie :

1. Ses locaux vitrés minimisent la surface du vitrage qui suffira à leur bon éclairement, leur plan étant de forme carrée et leur hauteur sous-plafond supérieure à la normale permettant de hausser son linteau.
2. Ces locaux réduisent leur surchauffe estivale, car vitrés au nord et au sud.
3. Le bâtiment qui rassemble ces locaux minimise son périmètre, la forme de son plan étant carrée.
4. Le volume de ce bâtiment est même compact dans ses 3 dimensions, sa hauteur étant de 11.36 m et sa largeur de 11.34 m.

Ce rassemblement de tous les optima énergétiques parait cependant réservé aux bâtiments ne contenant que peu de locaux vitrés.

5.3 DÉVELOPPEMENTS

5.3.1 MINIMISER LES SURFACES VITRÉES

On a vu que les bâtiments qui consomment le moins d‘énergie seront ceux auxquels leur locaux pas plus profonds que larges et au plafond plus haut que d’habitude permettent de minimiser leur vitrage. Ceci quelle que soit l’orientation de celui-ci.

Et comme on a aussi vu que cette géométrie s’avère aussi économe en hiver qu’en été dans notre climat, on peut en déduire qu’elle l’est également dans les climats principalement froids et ceux qui sont principalement chauds.

Mieux vaut donc minimiser toutes les surfaces vitrées, quelles que soient leur exposition solaire et le genre de climat à affronter.

5.3.2 LARGEUR DE VUE

Dans les locaux où on a assez de temps pour regarder le paysage, on peut souhaiter jouir d’une vue plus large que celle qui a été proposée ci-dessus pour un bureau.

Comparons dès lors la conséquence énergétique de divers élargissements du vitrage d’un local de 14,29 m², au plan carré de 3,78 m de côté :

On constate que ces élargissements de la vue augmentent la surface vitrée nécessaire à l’éclairement du local, donc aussi sa transmission thermique totale. Même si cet élargissement abaisse le plafond, ce qui n’atténue que la transmission thermique de la partie opaque de la façade.
Mais comme il n’y a que 6 % d’écart entre les transmissions des hauteurs les plus extrêmes, il parait raisonnable d’élargir la vue sur un paysage qui le mérite.

5.3.3 ÉCLAIRAGE ARTIFICIEL

Bien que l’éclairage artificiel compte aussi dans la consommation énergétique des bâtiments, il n’influençait guère le choix de l’architecture. Ceci d’autant moins que par rapport à la puissance électrique qu’il absorbe, son rendement s’améliore régulièrement : de 2,5 % avec l’incandescent, il est passé à 10 % avec le fluorescent, et il atteint maintenant 20 % avec les diodes électro luminescentes, dites LED.

Or, cet exceptionnelle hausse du rendement des LED peut remettre en question l’habitude actuelle d’adopter une surface vitrée qui profitera au maximum de la gratuité que l’éclairement naturel peut offrir. Surface vitrée maximale qui transmet malheureusement aussi un maximum de chaleur.

En confiant aussi aux LED tout l’éclairage diurne, on pourrait réduire cette surface vitrée à ce qui suffira pour regarder dehors. Voire carrément se passer de vitrage là où cette vue ne parait pas indispensable.

Cette évolution rendant ainsi l’éclairement indifférent à la profondeur des locaux et à la hauteur de leur éventuel linteau, elle justifierait enfin cette compacité purement géométrique rituellement adoptée par tous les concepteurs.

5.4 OBSTACLES RÉGLEMENTAIRES

Dans notre pays, salles de classes et logements ont des règlements qui les privent de la morphologie économe en énergie que l’on vient de proposer.

Voyons-en néanmoins l’intérêt, en attendant l’évolution de leur règlement.

5.4.1 SALLES DE CLASSE

Toutes les salles de classe devant avoir 3,00 m sous plafond et 7,20 m de profondeur, c’est la capacité d’accueil de chacune qui décide de leur largeur en façade : celle-ci étant de 7,20 m pour 30 élèves, de 8,40 m pour 36 élèves, de 9,60 m pour 40 élèves.

Moins profondes que larges, ces deux dernières classes semblent faciliter ce que l’on a proposé pour minimiser la surface vitrée capable de bien les éclairer. Mais la vue donnée sur l’extérieur en serait sacrifiée : si la classe est dotée d’un vitrage unique, les élèves lui faisant le moins face verraient l’extérieur trop en biais ; et si on divise en deux baies espacées la surface vitrée totale nécessaire, les élèves au fond de la classe auraient deux vues trop étroites.

Mieux vaut donc minimiser leur surface vitrée en donnant à toutes les surfaces de classe un plan carré. Chaque taille de classe héritant dès lors d’une profondeur différente, la mitoyenneté entre deux classes de surfaces différentes impose un décrochement. Comme ce serait énergivore si on le faisait du côté de la façade, le faire du côté du couloir intérieur. Et celui-ci s’en trouvant élargi par endroits, les percer d’une trémie distribuant à tous les niveaux la lumière d’un vitrage zénithal.

Une classe de 36 élèves hérite ainsi d’un plan carré de 7,78 m de côté et d’un vitrage dans l’axe de sa portion de façade. En donnant à celui-ci la largeur minimale pour la vue, il ferait 7,78 m / 4 = 1,94 m. Un vitrage de 7,56 m² lui suffirait donc, soit 1/8° seulement de sa surface au sol. Mais son linteau monterait à 4,90 m du plancher.

Cette hausse du linteau parait d’autant plus exagérée qu’elle s’impose aussi aux liaisons verticales. Voici donc l’économie thermique résultant de hauteurs moindres :

Des plafonds et linteaux hauts de 4 m offriraient donc déjà une bonne économie thermique. En prime, les élèves auraient une vue sur la cour de récréation élargie à 3.22 m au lieu 1.94 m.

5.4.2 LOGEMENTS FUTURS

Bien que dans notre pays la surface vitrée totale d’un logement ne puisse réglementairement être inférieure au 1/6° de sa surface habitable, appliquons notre minimisation du vitrage à un type 3 de 63 m² habitables placé en immeuble collectif :

Chaque pièce principale hérite dès lors d’un plan carré, d’un vitrage placé dans l’axe de ce plan, d’un linteau qui atteint le plafond. Un logement méritant une vue plus large qu’un lieu de travail, élargissons ses vitrages au 1/2,7° de la profondeur de la pièce ; rapport dont on a vu en 5.1.1 qu’il se contente de linteaux à 2,50 m du sol :

Malgré ces vues délibérément élargies, les vitrages capables d’offrir la lumière et la vue souhaitées ne font au total que 6,32 m² de surface. Soit le 1/10° de la surface habitable, bien moins donc que le 1/6° actuellement obligatoire.
Lorsque le paysage ne justifie pas cette largeur de vitrage, revenir même à ce qui suffirait aux bureaux, le confort thermique y exigeant encore moins d’énergie.

5.4.3 LOGEMENTS À CONSTRUIRE DÈS MAINTENANT

Si les logements à construire aujourd’hui doivent avoir une surface vitrée totale au moins égale au 1/6° de leur surface habitable, rien n’empêche de les préparer à profiter dès qu’elle sera permise de l’économie d’énergie proposée ci-dessus.

Cherchons par exemple quel type 3 aujourd’hui réglementaire pourra, dès ce sera permis, devenir aussi sobre que le type 3 vu en 5.2.2.

Commençons par tout copier de celui-ci : pièces principales sur plan carré, surfaces vitrées minimisées (soit 1.99 m² et 1.66 m² dans les chambres) et placées dans l’axe de leur pièce, plafond peut être haussé.

Mais ajoutons à son séjour la surface vitrée qui rend aujourd’hui ce logement réglementaire. Sa surface vitrée totale juxtapose dès lors :

• Le vitrage qui devra suffire au séjour quand tout le vitrage du logement ne devra plus atteindre 1/6° de la surface habitable totale. Soit celui qui est prévu en 5.2.2, de 2.67 m² de surface, de 1.78 m de large et 1.50 m de haut ; il doit être ouvrant, et bien sûr placé dans l’axe de la façade du séjour.
• La surface vitrée qui reste à ajouter à tous les vitrages déjà cités du logement pour que celui-ci soit aujourd’hui réglementaire. Soit (63 m² / 6) - (2.67 m² + 1.99 m² + 1.66 m²) = 4.18 m². Ajout qu’il faut diviser en 2 vitrages (pas forcément ouvrants) de 2.09 m², car il faut les accoler de part et d’autre du premier vitrage, celui-ci étant dans l’axe du séjour. En laissant à ces ajouts la hauteur de 1.50 m du premier vitrage, chacun doit être large de 1.39 m. Ces 3 largeurs vitrées égalent donc 1.39 m + 1.78 m + 1.39 m = 4.56 m. Le local étant large de 4.80 m, leurs menuiseries n’ont plus que 24 cm de large.

Jusqu’à la fin de ce règlement énergivore, le séjour dispose donc d’une vue aussi panoramique que celle que permettait l’abondance du pétrole. Par contre, dès que le confort en sera menacé on pourra l’améliorer et économiser beaucoup d’énergie en fermant, fut-ce en plein jour, les volets des vitrages latéraux (le vitrage du milieu suffisant pour bien éclairer et bien montrer le paysage).

Puis dès que les logements seront libérés de leur actuelle surface vitrée règlementaire, on pourra rendre le séjour aussi économe en énergie que le sont déjà les autres pièces. Il suffira de remplacer ses vitrages latéraux par une paroi opaque aussi isolante que le reste des parois pleines.

Ceux qui ne pourront financer ce remplacement et ceux qui apprécient trop leur paysage, garderont certes ces vitrages. Continuant donc à économiser beaucoup d’énergie en fermant leurs volets dès qu’il fera trop froid ou trop chaud dehors.

5.5 ETAPES DU CHOIX MORPHOLOGIQUE

Pour permettre aux futurs bâtiments d’économiser le plus d’énergie possible, il faut donc choisir leur morphologie dans l’ordre qui suit :

1. Locaux vitrés thermiquement confortables :
   • Plan de forme carrée.
   • Vitrage :
     • Orienté si possible au sud et au nord.
     • Baie dans l’axe de la façade du local.
     • Tableaux de baie évasés si la façade est épaisse.
     • Appui de baie d’une hauteur maximale pour offrir une vue horizontale (Pour convenir à un occupant assis, l’appui était ci-dessus à 1 m du sol).
     • Largeur vitrée minimale pour offrir la vue désirée depuis le fond du local. (Pour un lieu de travail, elle peut égaler sa profondeur / 4).
     • Surface vitrée à calculer selon la durée d’utilisation quotidienne prévue dans le local avec les formules données en 2.2.
     • Hauteur du linteau à déduire de cette largeur et de cette surface.
   • Hauteur sous plafond excédant le moins possible celle du linteau. (Pour qu’un faux-plafond n’oblige pas à hausser la dalle porteuse, l’arrêter avant la façade à 2,5 fois sa propre retombée).
2. Regroupement des locaux  :
   • Rassembler dans le moins de bâtiments distincts possible les locaux ci-dessus et leurs annexes non vitrées.
   • Volumétrie de chacun des bâtiments :
     • Largeur additionnant trois profondeurs, celles de chaque file de locaux vitrés s’ouvrant sur l’une des façades principales et, intercalée entre celles-ci, celle de l’ensemble des locaux annexes non vitrés.
     • Longueur et hauteur le plus égales possible.
     • Saillies et renfoncements dans ce volume à réduire au maximum.
3. Locaux n’exigeant pas de confort thermique
   • A accoler aux bâtiments exigeant le confort mais sans altérer leur compacité.

6. ARCHITECTURE

L’abondance initiale du pétrole ayant atténué le coût de l’énergie, on se mit à agrandir le vitrage des bâtiments, que ce soit pour offrir plus de vue sur l’extérieur ou pour mieux afficher leur activité interne. Or, ces plaisirs visuels n’ont pas été démodés par l’enchérissement de cette énergie, nombre de réalisations ne devant encore leur obligatoire sobriété qu’à la sophistication de leur installation thermique.

L’évolution du climat doit pourtant inciter tous les concepteurs de nouveaux bâtiments à ne négliger aucun des moyens qui les rendront économes en énergie. Soit, avant d’améliorer leur installation thermique, de commencer par donner aux bâtiments une enveloppe dont la forme réduira au maximum son besoin thermique.

Nombre de concepteurs s’y emploient certes déjà, mais tous le font en rendant la plus compacte possible l’enveloppe de leurs projets, sûrement persuadés que sa transmission d’énergie en sera minimisée. Or, cette enveloppe juxtapose deux types de paroi. Celles qui sont opaques y occupant le plus de surface, cela réduit certes leur transmission thermique. Mais bien que celles qui sont vitrées totalisent moins de surface, leur coefficient de transmission thermique est très supérieur à celui des parois opaques. De plus, le choix d’une compacité maximale de l’enveloppe ayant maximisé la profondeur des locaux internes, la surface vitrée capable de bien les éclairer s’en trouve également maximisée.

Il paraissait donc possible d’économiser plus d’énergie en commençant au contraire par réduire la surface vitrée capable de bien éclairer les locaux. Nous avons donc comparé le besoin énergétique de trois morphologies répondant au même programme mais adoptant des priorités morphologiques différentes : l’une minimisait classiquement d’abord la surface de toute son enveloppe, l’autre d’abord celle de tous ses vitrages, la dernière seulement celle des vitrages au nord.

La morphologie la plus sobre en énergie s’avère être celle dont a commencé par minimiser tous ses vitrages. La pire étant celle que choisissent pourtant aujourd’hui tous les concepteurs, celle dont on minimise d’abord la surface de son enveloppe.

Nous n’y avons toutefois comparé que des morphologies désireuses d’économiser de l’énergie. Si la plus sobre des trois pouvait être comparée à une synthèse de tout ce que l’on construit aujourd’hui, son économie d’énergie paraitrait bien plus proche de celle que l’on attend pour sauver le climat.

Comme cette meilleure option déploie moins de surface vitrée que les autres, son impact carbone en sera également minimisé. Et comme elle est aussi la moins coûteuse à construire, bien plus de gens pourront en profiter.

De cet optimum climatique, il ne reste aux concepteurs qu’à en faire une architecture.