Ce projet est tout d’abord, dans sa genèse, un cas particulier : nous avons commencé à travailler sur la conception de la crèche et c’est lors de la présentation de l’esquisse qu’avec le BET AMOES, nous avons proposé au maitre d’ouvrage, «tel un pari», non seulement d’atteindre le niveau Passif mais de faire labelliser le bâtiment. Preuve que les professionnels peuvent être demandeurs si le dialogue avec le maître d’ouvrage est ouvert. En ce sens nous pouvons aujourd’hui remercier Mr Le Maire et ses services de leur confiance.
Pourquoi «un pari» ? Nous avons tous en tête le modèle du bâtiment «passif» comme une construction très compacte, avec une enveloppe suffisamment performante pour que couplée aux apports solaires et à une ventilation double flux, elle permette de se passer d’un système de chauffage traditionnel. Or, les contraintes du programme et surtout de ce site, nous ont emmenés loin de ce modèle dans la recherche de solutions architecturales et techniques face au choix du passif.
I. CONCEPTION ARCHITECTURALE
Une crèche de 70 berceaux est rarement un bâtiment très compact, puisque l’idéal en serait un plain pied total. Ici, en zone urbaine proche de Paris, un terrain suffisamment vaste pour une telle implantation est rarissime, aussi le programme avait été élaboré en admettant que les bambins puissent profiter d’une terrasse en remplacement du jardin. Cependant, pour ménager les accès et des espaces extérieurs aux autres enfants il eut fallu disposer d’une surface de terrain environ 30% supérieure à nos besoins de construction (un bon millier de mètres carrés pour nos 770 m2 de surface de plancher). Or notre terrain d’assise n’est que de 835 m2 !
Pour simplifier l’exercice, le plan local d’urbanisme imposait une implantation en retrait des limites latérales, et le PPRI (plan de prévention des risques d’inondation, la Marne est à proximité) un niveau bas surélevé d’un mètre par rapport à la rue !
Enfin pour couronner cette insertion urbaine délicate, le projet est à proximité immédiate d’un monument historique puisque qu’il se trouve sur le même terrain que le pavillon Baltard. L’esthétique du bâtiment devait donc être soumise à l’approbation de l’architecte des bâtiments de France. Une contrainte supplémentaire pour ce bâtiment dont M. le Maire voulait qu’il soit le premier bâtiment public de la ville intégrant des panneaux solaires photovoltaïques.
Plan de masse
Du pain sur la planche…
Quelques solutions ont rapidement été adoptées comme la longue allée latérale (à l’est) qui permet d’accéder au niveau imposé par le PPRI, tout en distribuant le bâtiment de façon centrale. Celle-ci est bordée par des annexes (autorisées en limite) composées de petites cabines pour les poussettes, les locaux techniques liés au photovoltaïque ou encore les locaux poubelles. Ceci a permis de sortir de l’enveloppe de la construction tous les locaux non chauffés. A l’opposé, l’utilisation d’une petite construction existante implantée en mitoyenneté permet de s’adosser à la limite latérale.
Puis nous avons longuement hésité entre un bâtiment homogène sur deux niveaux et la solution plus complexe retenue sur un, puis deux, puis trois niveaux. En effet la première solution, plus compacte, minimisait les apports solaires par les ombres portées d’une partie de bâtiment sur l’autre, de plus elle ne permettait pas de trouver les espaces extérieurs nécessaires en terrasse pour les sections de l’étage.
Ainsi, la crèche s’insère en douceur dans la continuité de la pente naturelle de la butte du haut de laquelle domine le Pavillon Baltard. Les trois toitures en pente descendent graduellement vers l’avenue en contrebas, un choix apprécié par l’Architecte des bâtiments de France. La toiture devient un des éléments majeurs du projet : le choix du matériau avait son importance, et le maître d’ouvrage souhaitait, nous le rappelons, y intégrer des panneaux solaires.
La conception des volumes, l‘enveloppe du projet : une insertion «au chausse-pied»
En plan : Le plan local d’urbanisme imposait on l’a vu des retraits, chacun d’eux est calculé au plus juste en fonction des façades ouvertes ou non. Au nord, les locaux du personnel trouvent leur place au deuxième étage. Le local technique, assez conséquent pour la centrale de traitement d’air, se positionne au centre du bâtiment, aussi bien en plan qu’en coupe. Ceci pour une meilleure distribution du réseau de ventilation de la crèche, qui émerge dans le faux plafond du rez-de-chaussée.
En coupe : Le faîtage maximal imposé par la réglementation urbaine et le niveau du plancher le plus bas, imposé par les contraintes du PPRI prennent en «sandwich» le bâtiment : les hauteurs sous plafonds sont donc très limitées, et y intégrer les gaines du réseau de ventilation est un vrai défi. Nous avons pu travailler ici ou là un faux plafond en courbes qui permet d’optimiser le plénum avec des hauteurs variables, finalement c’est une réponse architecturale à cette question technique.
Conjuguer toutes ces contraintes nous a conduit à modeler un bâtiment relativement complexe et qui tient son parti pris architectural de la finesse de sa modélisation. C’est tout particulièrement en ce sens qu’obtenir le label «la maison passive» pouvait être un «pari»!
Coupe sur terrain
Une crèche en ossature bois :
Le bâtiment est construit en ossature bois. Outre le fait que nous avons été retenus à l’appel d’offre en grande partie pour nos références sur ce critère, ce mode constructif permet de minimiser les épaisseurs de murs. Ceci est atout non négligeable, mais qui complexifie l’étanchéité à l’air du bâtiment.
L’ossature est en 160 mm avec un OSB extérieur, doublée en extérieur de deux fois 55 mm de laine minérale croisée, puis d’un pare-pluie et d’un bardage ventilé. En intérieur, le frein vapeur est mis en place sur une surface dure, l’OSB, puis doublé d’un vide technique avant la plaque de plâtre en 18 mm. Ici le vide technique est rempli d’une laine minérale de 40 mm. En dehors du niveau bas sur maçonnerie (poutrelles hourdis polystyrène et 200 mm d’isolant complémentaire sous chape), les planchers sont traditionnels en bois avec chapes sèches en Fermacel. La charpente est elle aussi traditionnelle, isolée par 400 mm de laine de verre. Là encore le frein vapeur est positionné sur une surface rigide entre les deux couches de plaques de plâtre coupe-feu. Nous construisons 80% de nos bâtiments avec ce type de murs et les détails nous en sont bien connus.
Les menuiseries extérieures en dehors de leurs performances techniques intrinsèques, ont été positionnées selon l’orientation des façades, en termes de surface, mais également selon la qualité de leur vitrage qui a été ajustée selon leur orientation. Elles sont en profils Rehau en fibre de carbone labélisées PassivHaus. La rigidité de ces profils permet de minimiser les montants au profit du vitrage.
Les vitrages sud et ouest sont protégés par des volets qui se relèvent en casquette et font alors office de brise soleil, ils participent également à l’esthétique générale tout en répondant aux critères du label passif.
La conception des détails techniques, labellisation :
Nous avons l’habitude de fournir aux entreprises, lors du chantier, les détails techniques des parois et jonctions de parois. Ici, la complexité des volumes et la labellisation, nous ont menés à joindre ces croquis lors de l’appel d’offre. Ceux-ci ont dus être complétés et repris après certains choix des entreprises et nous nous retrouvons avec une soixantaine de détails en phase chantier, chacun étudiant un pont thermique particulier. Laisser la synthèse de ceux-ci à une entreprise générale nous est très vite apparu hasardeux puis impossible, aussi, la mission complémentaire négociée avec le maitre d’ouvrage pour la labellisation est elle loin d’être suffisante.
Détails
A quel prix ?
Une crèche n’est pas un bâtiment bon marché, ici, la démolition (avec du désamiantage et du plomb), les fondations profondes (pieux à 21m), la surélévation du RDC (PPRI) la complexité du bâtiment (ratio de surface des murs supérieur de 15% environ), et le choix de la production photovoltaïque font s’élever le prix au m2. Mais au regard de l’appel d’offre, le surcoût du passif par rapport à tous les éléments précédents est assez négligeable (<5%).
Perspectives
II. CONCEPTION DES INSTALLATIONS TECHNIQUES
Le bâtiment, relativement complexe et développé sur 3 niveaux, induit de fait des contraintes sur l’architecture des réseaux hydrauliques et aérauliques. Cela a été une difficulté pour la conception de la distribution de l’ECS et de la ventilation mais plutôt avantageux pour la distribution de chauffage et l’émission de chaleur.
II.1 Choix de la distribution de l’ECS
Généralement, la distribution bouclée de l'ECS est source de pertes énergétiques importantes. Dans certains cas, ces pertes peuvent représenter plus de 50% des consommations totales d'ECS d’un bâtiment, et elles sont bien souvent du même ordre de grandeur que l'énergie que peut apporter une installation solaire thermique en préchauffage de l’ECS. Dans les bâtiments tertiaires, la démarche de conception est de réduire puis regrouper les points de puisages, éviter le bouclage et généralement disposer des ballons électriques localisés.
La crèche à Nogent-sur-Marne est un bâtiment d’une surface d’environ 670 m², composé de 3 niveaux. Les points de puisages y sont nombreux et dispersés (32 points ECS, 49 points d’EF), et les puisages peuvent être rapprochés dans le temps (change des bébés notamment). La taille du bâtiment implique qu’il n’est pas possible de réaliser une production d’ECS unique et une distribution sans bouclage où le volume de bras mort est inférieur à 3 L pour tous les points de puisage.
Une étude a donc été réalisée sur ce projet pour optimiser la consommation énergétique du poste ECS. Les conclusions qui suivent peuvent être extrapolées sur d’autres types de bâtiments.
3 solutions ont été étudiées :
1. Ballons terminaux électriques : une production par ballons électriques terminaux au plus près des points de puisage. Les ballons thermodynamiques ont été envisagés puis rapidement écartés pour des raisons d’encombrement.
2. Une production gaz-solaire centralisée, une distribution sans bouclage, des ballons électriques terminaux pour rehausser la température d’ECS.
3. Une production gaz-solaire centralisée, une distribution avec bouclage.
L’étude montre que :
- La solution 1 est vraiment défavorable sur un plan énergétique car les consommations d’ECS sont importantes dans une crèche et qu’il vaut mieux se « payer » des pertes de distribution. En effet, une production par effet Joule représente une consommation de 40 kWhep/m².an ce qui ne paraît pas acceptable pour respecter l'objectif passif.
- Les solutions 2 et 3 sont équivalentes en termes de consommations en énergie primaire : 21 kWhep/m².an. En revanche, la solution 3 de réseau bouclé est plus simple et moins chère à l’investissement.
Consommations annuelles d'énergie (finale et primaire) pour l'ECS pour les solutions 2 et 3.
A la lumière de cette étude nous préconiserions donc pour une crèche de cette taille une production d’ECS centralisée et la plus renouvelable possible, avec une distribution par bouclage (dont on aura optimisé au maximum les longueurs).
Il a aussi été étudié la pertinence d’isoler ou non la distribution terminale. Considérant que si l’eau se refroidit jusqu’à une température de 30°C, l’eau chaude contenue dans la distribution terminale est « perdue » (l’usager va faire couler l’eau jusqu’à ce que l’eau chaude revienne), le temps entre puisages pour que l’eau reste suffisamment chaude est de :
- 42 minutes dans le cas d’une distribution terminale isolée.
- 12 minutes dans le cas d’une distribution terminale non isolée.
Dans le cas de la crèche du « Moulin de Beauté », les puisages étant plutôt répartis uniformément dans la journée, nous n’avons pas jugé utile d’isoler la distribution terminale. Néanmoins, dans le cas de puisages rassemblés (par exemple aux heures des repas) et particulièrement pour des linéaires importants (par exemple, 10 m du bouclage ou de la production jusqu’au point de puisage), on voit qu’il peut être avantageux d’isoler la distribution terminale pour s’éviter des consommations inutiles d’eau et d’énergie.
La répartition des puisages au cours du temps n’est pas un critère qui avantage une solution par rapport à l’autre. En revanche, c’est un critère sur le choix d’isoler ou non la distribution terminale.
Ouverture : les paramètres qui conditionnent une solution plutôt qu’une autre, dont la sensibilité n’a pas été étudiée dans le présent rapport, sont :
- Le volume total des ballons électriques, qui impacte directement les pertes de stockage.
- La longueur du réseau bouclé (96 m pour 32 points puisages, soit 3 m par point de puisage).
II.2 Dimensionnement de l’émission de chaleur
Zonage de l’émission de chauffage
L’émission de chauffage par air a nécessité de respecter un certain nombre de critères :
- Une taille des zones de chauffage adaptée au chauffage par air (entre 100 et 125 m²) : cela a été évident pour les 3 zones d’éveil des enfants (Grands, Moyens et Petits). Il est aussi important de limiter le nombre de batteries, car cela peut s’avérer plus cher qu’une solution par radiateurs.
- Bien regrouper les autres pièces pour constituer des zones de chauffage : pour ce faire, le travail de l’architecte a été essentiel.
- Isoler les zones d’utilisation intermittente : une batterie a été dédiée à la salle des jeux d’eau ; la cuisine n’est pas équipée d’émetteur de chaleur (la température intérieure y varie entre 16 et 19°C sans apports internes).
Pour certaines pièces, la température intérieure a été calculée pour juger de la nécessité d’y installer un émetteur d’appoint :
- La salle de repos des Moyens est dépourvue d’émetteur de chaleur, les autres sont équipées d’un panneau rayonnant. Toutefois, pour l’une d’entre elles, on peut s’interroger sur la nécessité d’un émetteur puisque la température intérieure est toujours supérieure à 17,5 °C en inoccupation (ie sans apports internes) et elle s’élève à 20°C en présence des enfants.
- La cage d’escalier, très empruntée, est située dans un angle du bâtiment, ce qui en fait une zone très déperditive. Sa température varie entre 10 et 17°C sans apport de chaleur, d’où le choix d’y installer un radiateur.
- Dans la salle de douche, la température oscille entre 16 et 19°C en inoccupation. Un moyen astucieux a été de dévoyer la canalisation de chauffage dans la gaine technique attenante à la pièce pour en faire un émetteur de chaleur d’appoint.
Calcul des puissances d’émission
Bien que la puissance véhiculable par l’air soit suffisante à l’échelle de tout le bâtiment, il reste à valider que cela l’est aussi zone par zone. En visant une température d’air soufflé de 35°C, la puissance d’émission s’est avérée suffisante pour chaque zone. La zone la plus défavorable est l'atrium pour lequel la batterie offrait un dépassement de puissance de seulement +13 %.
La température de soufflage de 35°C est une condition (caractéristiques des diffuseurs) pour assurer une bonne diffusion de l’air en occupation. La relance autorise des températures plus élevées.
Dimensionnement de petites batteries
Au droit de certaines batteries, le débit d’air est relativement faible (90 m3/h) (NB : cela concerne un grand nombre d’émetteurs pour des logements collectifs). Parmi tous les fabricants consultés, les données de la plus petite batterie ne sont pas disponibles en dessous d’un certain débit : 350 m3/h (France Air), 150 m3/h (Trox), 200 m3/h (CIAT), 150 m3/h (Zenhder). A l’heure où nous écrivons cet article, aucun fabricant n’a été capable de nous fournir les abaques de puissance (P (W) = f (Q (m3/h)) pour des petits débits.
Abaque de puissance de batterie P = f(Q) [CIAT]
Si de façon inattendue, une puissance devait s’avérer insuffisante, cela induirait de revoir le régime de température à la hausse, ce qui n’est pas sans conséquence sur la condensation sur le retour en chaudière gaz, les pertes de distribution...
Calcul de la puissance de chauffage du générateur
Le calcul PHPP donne une puissance globale du bâtiment de 7000 W. Le bâtiment étant à très forte intermittence, il n’est pas possible d’utiliser cette valeur [Méthode PHPP, 2012]. Issu de retours d’expérience de campagnes de mesures [Enertech, 2013] et de simulations thermiques dynamiques [Amoès - Bougival, 2009], la puissance thermique totale a été calculée comme suit : on calcule la puissance dans les conditions de base (température extérieure de base, débit d’infiltrations selon méthode PHPP) : soit 13 900 W. On considère que cette puissance calculée inclut la puissance de relance qui compte pour 40% de surpuissance : soit une puissance hors relance de 9 900 W.
II.3 Choix du matériel de régulation en tête
Le chauffage par air dans un bâtiment à usage intermittent implique de jouer à fond la carte de l’intermittence en arrêtant complètement le chauffage la nuit (consigne de 21°C en occupation, 17°C en inoccupation). Sans arrêt du chauffage ou avec une consigne de température trop élevée en inoccupation, le risque est la mise en route répétée des ventilateurs et une surconsommation importante d’électricité. Il faut donc prévoir une régulation qui permette correctement la relance.
Pour la crèche, la production de chauffage et d’ECS est assurée par une chaudière gaz de type maison individuelle. Avec ce type d’équipement, il a été surprenant de constater qu’il était possible de « presque » tout faire en termes d’asservissement. Presque... En échangeant longuement avec le fabricant de chaudière, il s’est avéré utile de prévoir 2 petites chaudières gaz en cascade (9 kW et 17 kW), pour permettre une production simultanée du chauffage et de l’ECS. Par ailleurs, il se trouve que le maître d’ouvrage souhaitait une chaudière de secours en cas de panne, donc 2 chaudières en cascade font très bien l’affaire. En revanche, le régulateur de chaudière ne permettait pas l’essentiel : la commande marche/arrêt simultanée de la CTA, de la chaudière et de la pompe de chauffage pour la relance en période d’inoccupation, ce qui a valu de prévoir un thermostat indépendant supplémentaire asservi par une sonde d’ambiance intérieure.
Le matériel à prévoir et les règles d’asservissement peuvent paraître complexes pour une crèche de 700 m² ! Ils nous ont semblé indispensables pour respecter l’objectif passif « au compteur ». Il faut sans doute continuer de chercher des produits de régulation plus simples adaptés aux petits bâtiments passifs.
CONCLUSION
Ce projet nous démontre il nous semble que répondre à des ambitions contradictoires est possible : un niveau passif malgré une architecture riche de détails et de complexité dans un cadre réglementaire contraignant.
Si notre projet n’a cessé d’évoluer à la marge pendant toutes les phases de conception, en répondant à de nombreuses contraintes sans perdre de sa richesse architecturale, ceci n’a été possible il faut l’avouer qu’au prix d’un casse tête incessant. Mais l’objectif du label passif et la satisfaction du maître d’ouvrage en valent certainement ce prix.
BIBLIOGRAPHIE
Méthode PHPP, 2012, Version 7. Page concernant l’intermittence du chauffage et de la ventilation, avec référence à deux documents : 133 „Passivhaus Schulen“ Protokoll Band Nr. 33 Juillet 2006 ; norme DIN EN 15251 : Bewertungskriterien für den Innenraum einschliesslich Temperatur, Raumluftqualität, Licht und Lärm.
Enertech, 2013, rapports de campagnes de mesures, disponibles sur www.enertech.fr.
CIAT, 2013. Documentation technique des batteries d’air BCV.
Amoès - Bougival, 2009. Rapport de simulation thermique dynamique pour la rénovation d’un groupe scolaire à Bougival.