ARCHITECTURE ET , , , EFFICACITE ENERGETIQUE PRINCIPES DE CONCEPTION ET DE CONSTRUCTION ROBERTO GONZALO KARL J. HABERMANN BIRKHAUSER BASEL· BOSTON· BERLIN SOMMAIRE AVAN~PROPOS 5 LESORIGINESDELACONSTRUCTIONSOUCIEUSE DESRESSOURCESETDE L'ENERGIE 7 URBANISMEENERGETIOUEMENTEFFICACE:PRINCIPESETSTRATEGIES 25 Situation dedepart 26 Developpement 28 Conditionsclimatiques 30 Typeset proportionsdebatiments 33 Orientationdubatiment 34 Densitedeconstruction 34 Desserte 35 Stationnement 38 Environnementetespaces libres 38 Aidesalaconception 40 Approvisionnementen energie 41 URBANISMEENERGETIOUEMENTEFFICACE:EXEMPLES 43 a Construction demaisons passives: lotissementdemaisonsjumelees Kriens, 44 LischerPartnerArchitekten, Lucerne Densification urbaine: maisonsen bandeaAffoltern, MetronArchitektur, Brugg 50 Comblementd'unedentcreuse: immeubled'habitation aMunich, 56 H2RArchitekten, Huther, Hebensperger-Huther,R6ttig, Munich Reparation urbaine: immeubledebureauxetd'habitation aMunich, 62 Martin Pool, Munich Comblementd'unedentcreuse: immeubledebureauxetdelogementsa 68 Wiesbaden,A-ZArchitekten, Wiesbaden Construction delogementssociauxenergetiquementefficaces: 74 immeubled'habitation aMadrid, GuillermoYanez, Madrid Requalification d'unefriche industrielle:campus universitaireaNottingham, 80 HopkinsArchitects, Londres CONCEPTIONDEBATIMENTSENERGETIOUEMENTEFFICACES: PRINCIPESETMESURES 87 Situation dedepartetperspectives 88 Construction delogementsenergetiquementefficaces 89 La piece 90 Proportionsdu batiment 91 Orientation d'un batiment 92 Fa((adessolaires 95 Espacesdetransition 98 Utilisation etbilan energetique 99 Rehabilitation energetiquementefficace 101 Rehabilitation au lieudeconstruction nouvelle: avantages 101 Conditionspourla rehabilitation 102 Isolationthermique 104 Ventilation 105 Systemedechauffage 106 Batimentsd'activitesenergetiquementefficaces 107 Exigences 107 Bilan energetique 107 Protection solaire 109 Eclairage naturel etartificiel 110 Ventilation etclimatisation 112 Activation thermique deselementsdu batiment 112 Fonctions mixtes 112 Batimentsculturelsenergetiquementefficacesetequipementspublics:specificites 113 CONCEPTIONDEBATIMENTSENERGETIQUEMENTEFFICACES: 115 EXEMPLES Rehabilitation au standard basseenergieetmaison passive: residence 116 universitaireaWuppertal, PPp, Muller, Schluter Utilisationflexible: batimentd'habitation etdebureauxaSchwarzach, 122 Christian Lenz, Hermann Kaufmann,Schwarzach Systemevoisin delamaison passive: immeubledebureauxetde 128 logementsaSursee,Scheitlin-Syfrig +Partner, Lucerne Fa~adesdifferenciees:complexedebureauxaDuisbourg, 134 SchusterArchitekten, Dusseldorf Ventilation naturelled'unetour: batimentdebureauxaMunich, 140 HennArchitekten, Munich Projectiond'ombreetguidagedela lumiere:complexedebureauxa 146 Wiesbaden,Thomas Herzog +Partner, Munich a Immeubledebureauxdurable: batimentdu Parlement Londres, 152 HopkinsArchitects, Londres Ecologie integree: bureauxetateliersaWeidling, 158 GeorgW. Reinberg, Vienne a Batimentd'entrepriseau standard passif: immeubled'activites Steyr, 164 WalterUnterrainer,Feldkirch Etablissementscolaireau label basseenergie: ecoledePichling, 170 Loudon +Habeler,Vienne a Batimentscolaireau standard passif: ecole Montessori Aufkirchen, 176 Walbrunn GrotzVallentin Loibl, Bockhorn Projetdeconstruction participatif: collegeaGelsenkirchen, 182 plus+ bauplanung, Neckartenzlingen a a Reponse desconditionsextremes: etablissementscolaire Ladakh, 188 ArupAssociates, Londres Systemed'eclairagenaturel reglable: museed'artaRiehen, 194 Renzo Piano BuildingWorkshop, Paris/Genes CONCEPTIONDESDETAilSETAMENAGEMENTTECHNIQUE 201 ENERGETIQUEMENTEFFICACES Dispositionsetmateriaux 202 Situationdedepart 202 Surfacesvitrees 202 Murs 202 Materiauxisolants 203 Inertiethermique 204 Perspectives 205 Conceptsdeventilation etsystemesenergetiques 206 Conceptsdeventilation 206 Zonesdeventilation 206 Installationsdeventilation avec recuperation dechaleur 206 Installationsdeventilationcentraliseesou decentralisees 207 Conceptsdechauffageetdeclimatisation:sourcesd'energie 207 Productioncombineedechaleuretd'electricite(cogeneration) 207 Combustiblesd'originevegetale(biomasse) 208 Energiesolairethermiqueetphotovolta'ique 208 a Pompe chaleuretgroupefrigorifique 209 Rafraichissement 209 Systemesdechauffage 210 ANNEXES 211 Glossaire 212 Bibliographie 215 Institutions- Adresses utiles 216 Index 217 Intervenants 219 Credits iconographiques 221 AVANT-PROPOS Les utopies et les experimentations sont des conceptiondebatimentsenergetiquementeffi moteurs importants pour Ie developpement cacesjusqu'auxdetailsinnovants.D'importants de nos technologies. Les visions de voyages chapitres sont consacres a des exemples soi dans I'espace deJulesVerne sontentre-temps gneusement tries de projets novateurs en devenues realite, tout comme celles d'Eugl'me Allemagne, enAutriche,enSuisse,en Espagne Henard en matiered'urbanisme. L'ideedebati eten Grande-Bretagne. Dans Iecadre de I'aide ments energetiquement autonomes reappa aux pays en developpement, on s'arretera sur raitdefa90n recurrente depuisquelquetemps. un bel exemple d'architecture durable: I'ecole Buckminster Fuller, Norman Foster et Richard Dans Ie ciel au Ladakh. La aussi, les resultats Rogersdoiventetrecites ici. de la phase pionniere de I'utilisation de I'ener gie solaire trouvent une reelle application. La Apres la phase experimentale vient la mise en priseencomptedesressourcesdisponiblessur pratiquedesdecouvertesconcluantes.L'objectif placeetde laconstructiontraditionnellelocale, des auteurs est de faire concorder, d'une part, tres marquee par Ie rude climat, est un aspect les connaissances disponibles et les innova essentiel de la construction energetiquement tionsenphysiquedubatimentetentechniques efficace. deconstructionet,d'autrepart,lesexperiences Nous avons aussi tente de faire un tres large desnombreuxintervenantsdu BTP. eventaildesutilisationspossibles.Sanspreten dre etre exhaustifs, nous avonsvoulu montrer «II n'existe pas de style propre a la construc la multitude des solutions envisageables pour tion econome en energie. Celle-ci ne reclame repondre auxdifferentessituations. pasd'esthetiqueparticuliere, nimemederegie Nous tenons a remercier en priorite tous les generale, juste une attitude respectueuse de collegues qui ont mis adisposition leursdocu I'environnement (du moins qui ne Ie pollue mentsentouteconfiance,acceptelesentretiens pas).» Ainsi s'exprimait Robert Kaltenbrunner et repondu a nos questions. Les ingenieurs en 1993dansla revue Bauwelt. charges des realisations techniques et de fa physique du batiment ont eux aussi permis L'utilisation des documents originaux des la diffusion d'une grande quantite d'informa architectestantdans la description des projets tions. Nous voudrions remercier en particulier que dans les chapitres theoriques resulte d'un John Berry, Klaus Eggert, Helmut Krapmeier, choixdelibere. Cestenfait laseule manierede Andreas Lackenbauer, Clemens Pollok, restituer avec fidelite la marque personnelle Wolfgang Scholkopf, Peter Schossig, Matthias de chacun. On maitrise maintenant assez bien Schuler, Michael Weese et Jan Wienold; sans la CAO pour pouvoir y laisser son empreinte oublier nos epouses, Susana Gonzalo et Ulla dans les documents graphiques. Ainsi ce livre Fulde-Habermann qui, par leurs conseils, leur ne presente-t-il pas les informations detaillees aide et leur patience, ont permis a ce livre de de fa90n uniforme. II est done important d'in paraitre. sister sur Ie fait que, en matiere d'innovation, reprendre des details de fa90n trop rapide et Munich,janvier2006 irretlechie peut se reveler risque. Seuls des RobertoGonzalo echanges directs avec des collegues procu Karl J. Habermann rent une certaine securite grace au partage Gauche: d'experiencesenrichissantesetaux«transferts Vuepartielledela fa,aded'unenisi de technologies» essentiels et souhaitables. dencepouretudiantsil L'appendice rappelle ainsi les noms des par Wuppertal, 1"tranche detravaux,Architekten ticipants aux differents projets et de certains PPPencollaboration avecChristianSchluter fabricants. Nouspresenteronsdonedesmode etMichaelMuller les eprouves. Apres un regard analytique sur Enhaut: I'histoirede la construction qui nous menera a ProjetAutonomous House,Aspen,Richard la situation presente,Ietheme sera developpe, Rogers,1978.Siltiment pasapas,depuisI'urbanismeen passantparla utilisantlesseules energiesrenouvelables 5 LES ORIGINES DE LA CONSTRUCTION SOUCIEUSE DES RESSOURCES ET DE L'ENERGIE ChristianLenz,Hermann Kaufmann:biitimentde bureauxetd'habitation Schwarzach,Vorarlberg. DansIegarde-corpsdela terrassesetrouventdes collecteurssolairesintegres destinesa!'eauchaude sanitaire. Voiregalementp.122 LES ORIGINES DE LA CONSTRUCTION SOUCIEUSE DES RESSOURCES ET DE L'ENERGIE «S'agit-il de construire une ville? La premiere ainsi qu'une grange, constituent deux rectan chose it faire est de choisir un endroit sain. II gles etroits et paralleles. Au centre, les salles doit etre eleve, it I'abri des brouillards et du pourvivreetdormirfontfaceitI'ecurie.Durant givre, situe sous la douce temperature d'un I'hiver,lesanimauxcompletentparleurpropre ciel pur,sansavoiritsouffrirnid'unetropgran chaleur Ie foyer ouvert alimente en tourbe: de chaleur ni d'un trap grand froid. [...J» (1) une vache de 600kg genere un apport de cha DanssoncelebretraiteDearchitectura,Vitruve leur d'environ 1200W selon les connaissan pose unedespremieres pierresde latradition ces actuelles. Acette epoque, les habitations de I'architectureet de I'urbanisme. II s'inspire etaientpratiquementhabiteesenpermanence. pourcefairedecequ'ontlaisselesGrecsdans Pas decheminee, mais la fumee s'echappe au ces domaines. II explique en detail I'influence traversdepetiteslucarnesetparlesinterstices du soleil sur les differentes fonctions urbai de la couverture. Les parois interieures sont nes. Les Grecs et les Romains connaissaient noircies par la fumee et Ie seul equipement en effet depuis longtemps I'importance d'une technique est un crochet suspendu par une bonne orientation pour I'utilisation d'un bati chaine metallique au-dessus du feu. Tous les ment. composants du batiment sont reutilisables ou Pour Ie choix des materiaux de construction recyclables. Cependant,cette habitation «eco adaptes, on trauve aussi chez cet auteur les logique» primitive n'a jamais constitue un premieres preoccupations ecologiques. De logement sain dans ces rudes conditions cli I'emploi de materiaux disponibles sur place matiques: la duree devie moyenne ne depas comme la pierre, Ie bois, la chaux ou I'argile saitguere30ans. decoule toute une variete de murs, jusqu'it I'opus caementicium, sorte de beton primitif; Une breve description detaillee de Lewis rend mais les Romains se sont reveles moins bien compte des conditions de vie et des moments inspires pour transmettre leurs acquis techni peu romantiques vecus dans la Maison noire: ques. Leurs systemescomplexes dechauffage «L'hiver,denombreuxvoisinsviennentchaque parlesmursetlessolssonttombesdansI'oubli soir. Nous formons un cercle autour du feu et et durent attendre leur redecouverte par les discutons de tout. Le feu peut iHre aussi haut archeologuesdeI'epoquemoderne. qu'on Ie souhaite car la cheminee ne risque pasd'etreincendiee.»(2)Construiteen 1875,la La recherche de bases exploitables pour une maison aete habiteejusqu'en 1964.Remiseen construction soucieuse des ressources etdonc etat ettransformee en musee, elle est ouverte energetiquement efficace passe par I'etude de au publicdepuis 1988. cequeI'on appelle la construction autochtone, traditionnelle ou vernaculaire. Ces formes pri Leclimatfavorable dela Mediterraneeoffre un mitivesdeconstruction nousrenseignentaussi autre exemple d'habitat respectueux de I'envi sur les debuts des equipements domestiques. ronnementnatureltoutitfaitdifferent,celuides Les conditions de confort de ces premieres troglodytes. L'ensemble de grottes de Guadix habitations it basse energie (voire nulle) sont est depuis longtemps connu des touristes. On toutefoisitsituerparrapportitchaquesituation ytrouvememeunhotel.IIconvientneanmoins (1) Vitruve:DeArchitectura, textelatin,ed.Bils, climatique, au niveau de confort atteint et it la de considerer ce site avec plus d'attention, Mouzeuil-Saint-Martin, 2004,traduction dureedeviemoyenne. Seules les entrees peintes en blanc, ainsi que fran9aiseparCH.-L. leschemineessortantunpeu partoutdusol,se Maufras,Paris 1847 (texteoriginal:({In Avec sa ma!(onnerie de pierres grossierement remarquent dans Ie paysage. Les habitations ipsisveramoenibuses eruntprincipia. Primum taillees et sa toiture recouverte d'herbe, la sont en effet it I'abri des regards. La tempera e/ectioJocisaluberrimi. Blackhouse (ou Maisonnoire)- unehabitation ture constante tout au long de I'annee (entre Is8utemeritexcelsus etnonnebulosus,non archa'ique situee sur I'archipel ecossais des 18°C et 20°C) assure Ie confort interieur sans pruniosusregionesque cael;spectansneque Hebrides - se fond dans un paysage rude et qu'il faille recourirauxhabituellesinstallations aestuDsasnequefrigi sans arbre. Elle est en toute logique construi techniques modernes: suffisamment chaude dassedtemperatas...}}) (2)AlexanderFenton:The te avec des materiaux disponibles sur place. en hiver,elleestapprecieeenetecartresrafrai IslandBlackhouse, L'habitat pour les hommes et les animaux, chissante. Edinburgh 1978,p.6 8 3 CoupedelaMaisonnoire (Blackhouse) aveclagrangeetI'aile d'habitation.Une etroitebandedegazon surunefinecouchede terreconstitueI'extra mitedumurd'enceinte grossierementappa reHleenpierresseches. Maisonnoire (BlackhouselII ArnolsurI'ileLewis, aujourd'huimusee 3 Photointerieure d'epoque:familleII Ballallanen1934,par S.T.Kjellberg,avec I'aimableautorisation dumuseed'Histoirede Goteborg 9 4 Coupeetplande Les habitations troglodytiques situees dans la maisonstroglodytiques dansunsolenloess, ceinture de Icess du fleuve Jaune en Chine provinceduHenan, sont enfouies avec leurs cours dans la couche Chine 5 Maisonstroglodytiques argileuse. Le sol naturel situe au-dessus est dansunsolrocheux cultive.On nepeutqu'admirerIesoucidesres ilGuadix,Espagne 6 Maisonsenterrea sourcesmanifesteparcemodedeconstruction Humahuaca,Argentine vieux de 6000ans. Dans cette region au c1imat 7 TviolluargseddeevNenetwilaBtiaornis,du extreme,lesecartsdetemperaturesaI'interieur presdeI'oasisde ne depassent pas 10°C, ete comme hiver. Par Kharga,Egypte,Hassan Fathy1967 contre, en raison de I'humiditeelevee lors des grandespluiesetdelacondensation dueaune mauvaiseaeration,laqualitedevien'estguere satisfaisante. La densite d'habitation atteinte estelleaussi limitee. Dans les regions chaudes, et quand la couche superieure du sol est constituee d'argile pure ou d'argile melee adu sable, laterre glaise est souvent choisie par les populations sedentai res,LaplasticitedeI'argile(feldspathdecompo se)melangeaI'eauetlamultituded'utilisations possibles expliquent I'usage tres repandu a I'echellemondialedelaterreglaise,Lesmodes de construction les plus simples ont recours au pise et aI'adobe. En raison de sa densite, ce materiau permet de conserver la chaleur, sesqualitesd'isolationthermiquepouvantetre ameliorees par I'ajoutde paille. II assure aussi Ieconfortinterieurgraceasonpouvoirderegu lation hygrometrique. Hassan Fathy, Ie celebre architecte egyptien, a repris Ie modele de construction tradition nelle en terre glaise pour realiser ses lotis 6 sements sociaux destines ades populations detavorisees, et obtenu des resultats saisis a a sants New Gourma en 1946 et, en 1967, Kharga, la ville-oasis. Les ouvertures redui tes au minimum empechent les rayons de soleil directs de penetrer dans les pieces. a Grace des conduits d'aeration et en tirant parti de la thermique naturelle, Fathy assure une bonne circulation de I'air atravers la construction.L'orientationdesbatimentstient compte du soleil, mais aussi desvents domi nants: malgre des temperatures exterieures tres chaudes, les courants d'air permanents assurent un reel confort interieur. Cet archi tecte a rassemble toutes ses connaissances acquises, par I'experience, dans son livre Natural Energy and Vernacular Architecture, 10