the grangettes building shows that natural ventilation

THE GRANGETTES BUILDING SHOWS THAT NATURAL VENTILATION
AND COOLING MAY BRING EQUAL OR BETTER PERFORMANCES
THAN AIR CONDITIONING IN GENEVA?
Flourentzos FLOURENTZOU, Dr ès Sciences, Estia SA, Science Park – EPFL – Lausanne
Eric Dunant, Architecte, Geneva
ABSTRACT
Low energy buildings are often imagined as efficient machines with lots of ducts, cables,
micriprocessors and high tech look.
This article shows that, for the climate of central Europe, high-energy performances and high
comfort standards may be obtained also with technical sobriety, using passive techniques.
One m2 of the Grangettes Medical Centre dissipates only 100 kWh to offer a comfortable
ambiance and hot water to its occupants, due to its well-insulated envelope (16/20 cm of
insulation, window U value 1.3 W/m2K). It finds 52 kWh in the sky in the form of passive
solar heat and in the emitted heat by its occupants. Remain 48 kWh to find elsewhere. The 31
kWh are found in the earth through geothermal heat pumping. Remain only 17 kWh to find
from external sources. 30% of this energy is covered by 35 m2 of translucent photovoltaic
panels used also as solar protection and light filter.
Indoor environment quality and energy efficiency were optimised using mainly the LESO
software (lesocool for natural ventilation and passive cooling, lesosai for the envelope
performance, lesokai for the wall humidity behaviour, DIALeurope for natural lighting
optimisation). Very good envelope well dimensioned and positioned windows, high thermal
mass, correctly dimensioned and positioned openings, make the building behaviour
compatible with its local climatic environment. Instead of the building fighting against
climatic conditions, it is adapted to them and takes profit from its immediate environment. A
1-year monitoring shows that energy performance, summer thermal comfort, light, quality and
air quality correspond to the predicted ones. This realisation shows that for Geneva climate it
is possible to build naturally conditioned buildings also for the requirements of prestigious
buildings like a private clinic. During the extrement temperatures of June 2006, whet outside
it was 34, in the Grangettes medical center temperature did not excided 27°C while in
standard buildings it was at 32.
The article shows the steps of integrated design procedure, showing the appropriate software
for each step and the obtained results after one year of use.
LE BATIMENT RESPECTE LES PRINCIPES DU DEVELOPPEMENT DURABLE PARCE QUE :
Il offre un confort hivernal et estival doux et naturel, flattant la physiologie humaine. En
hiver, température maximale d’une surface intérieure de 25°C, minimale 19°C; en été,
température intérieure inférieure de 2°C en moyenne et de 5°-7°C pendant les heures de
canicule; absence de courants froids. Lumière naturelle est douce et suffisante. La protection
acoustique des nuisances de la route de Chêne est optimale.
Il consomme moins de 40 kWh d’énergie pour chauffer, refroidir et produire l’eau chaude
sanitaire par m² de surface. Une pompe à chaleur puise la chaleur à 180 m de profondeur pour
l’amplifier et chauffer le bâtiment. En été, une petite pompe de circulation fait circuler dans
les dalles du sol de l’eau rafraîchie dans les sondes géothermiques. 1/3 de l’énergie nécessaire
pour faire fonctionner la pompe à chaleur est fournie par le soleil à travers 33 m² de cellules
photovoltaïques.
Il respecte et valorise le patrimoine bâti existant ainsi que son environnement naturel et urbain
proche, revalorise les bâtiments existants pour cadrer l’accueil des visiteurs, crée une relation
intérieure directe entre bâtiments anciens et bâtiments nouveaux, rend l’élément végétal du
parc arrière visuellement accessible depuis la route de Chêne, retient la pluie d’orage et
favorise la biodiversité avec son toit bio végétalisé et favorise l’infiltration de eaux par ses
parkings perméables.
Il a utilisé une quantité minimale de matériaux, locaux et non agressifs à l’environnement,
soit, du béton pour la structure et les dalles, du bois faiblement élaboré pour la structure et le
bardage de la façade, du bois et du verre pour les portes et les fenêtres, du plâtre pour les
galandages, de la laine de roche pour l’isolation.
-Il fait appel à des techniques sobres et robustes pour les éléments architecturaux. Les
installations techniques sont simples. Un local technique unique de 8 m² contenant les
installations, une pompe à chaleur d’une durée de vie de plus de 25 ans, 2 sondes
géothermiques enterrées d’une durée de vie de 100 ans, l’onduleur pour les 33 m² de cellules
photovoltaïques d’une durée de vie de plus de 25 ans, une quinzaine de moteurs pour ouvrir
automatiquement quelques fenêtres. Pas de matière en acier ou en pvc, ni de "volume
habitable" pour les canaux de ventilation, pas de couches supplémentaires pour de faux
plafonds etc.
CARTE D’IDENTITE DU BATIMENT
Centre médical des Grangettes
Construction du bâtiment d'accueil
Maître de l'ouvrage
Architecte
Physique du bâtiment
Projet
Réalisation
Adresse
Coût de construction
Centre médical des Grangettes SA
Chemin des Grangettes
1224 Chêne-Bougeries
Eric Dunant
Pont-de-Ville 13
1224 Chêne-Bougeries
Estia SA
Parc scientifique EPFL
1015 Lausanne
2003
2004-2005
Route de Chêne 110
1224 Chêne-Bougeries
Fr. 3'100'000.
QUELQUES PRINCIPES REALISES
Intégration : reprise de tons de caractère végétal de l’environnement naturel et minéral de
l’environnement construit. La couleur claire des façades ensoleillées et des protections
solaires, combinés avec une matérialisation végétale du sol extérieur réduit la température
estivale des environs. L’utilisation du bois réduit l’énergie grise des matériaux de la façade.
Le traitement des surfaces extérieures favorise l’infiltration des eaux de pluie. Le toit bio
végétalisé favorise la retenue des pluies d’orage et l’installation d’une flore indigène qui aime
les prairies maigres.
Flexibilité / pérennité
fonctionnelle: Un plan
ouvert laisse la liberté
totale
pour
les
transformations
futures. Le traitement
différencié des zones
de passage permet de
faire des économies
pour le niveau de
finition et de limiter les
surfaces chauffées.
Qualité thermique de l’enveloppe : Techniquement, tout commence avec une enveloppe de
bonne qualité (16 cm d’isolation pour les murs et 20 cm pour le toit) réalisée sans techniques
de pose spéciales, avec comme surcoût uniquement le prix de l’isolant supplémentaire. Les
ponts thermiques des raccords avec le sol et des pourtours des fenêtres sont optimisés avec
soin car un bâtiment basse consommation peut perdre autant par les murs que par les ponts
thermiques.
ancien rénové
SIA 380/1 (2001)
MINERGIE® (2005)
Estia
Dans le parc des Grangettes existent plusieurs bâtiments construits ou rénovés à des époques
différentes. Nous pouvons comparer la performance thermique de 2 autres bâtiments avec le
bâtiment Minergie :
Ancien rénové :T mur: 2-5°C, T pont thermique sol: 1.2°C, T vitrage 5.5°C, T pont thermique
fenêtre : 6.8°C, Mur non isolé, fenêtre récente, consommation typique ~150 kWh/m²a.
Récent SIA 380/1 (2001) : T mur: 0.2°C, T pont thermique sol: 4.3°C, T vitrage 2.3°C, T pont
thermique fenêtre:4.2°C : Mur isolé 12cm, vitrage 1.5W/m²K, consom. typique ~77 kWh/m²a
Récent MINERGIE® (2005) :T mur: -2°C, T pont thermique sol: -1°C, T vitrage 0.7°C, T
pont thermique fenêtre:1.8°C. Mur isolé 16cm, vitrage 1.2 W/m²K, ponts thermiques
optimisés, consommation 15 kWh/m²a
sorties d’air
entrées d’air
Ventilation naturelle et températion estivale : Toutes les fenêtres en façade sont ouvrables.
Leur forme avec grande hauteur (280cm) favorise la ventilation naturelle. Deux ouvrants par
étage en façade et six en haut de la verrière de circulation sont commandés automatiquement
pour créer un effet de cheminée.
En hiver, les fenêtres automatiques s’ouvrent pendant quelques minutes en dehors des heures
d’occupation, pour garantir une ventilation minimale de sécurité indépendamment du
comportement des utilisateurs. En été, les fenêtres automatiques s’ouvrent de minuit à 11h du
matin pour déstocker la chaleur accumulée dans la masse thermique des dalles apparentes au
sol et au plafond. En été, l’eau continue à circuler dans les sondes géothermiques pour
rafraîchir les dalles sans passer par la pompe à chaleur (free cooling).
Tem pérature dans les cabinets de consultation du 17 au 25 juin
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
Salle de conférence au R ez
14
C abinet de consultation 1er
C abinet de consultation 2èm e
12
10
17.juin
Extérieur
19.juin
21.juin
23.juin
25.juin
Confort estival : L’ensemble des techniques douces, protection solaire, masse thermique,
ventilation nocturne, rafraîchissement géothermique offrent un confort estival naturel, sans
allergies, sans chocs thermiques, sans refroidissements et rhumes.
Le bâtiment a été conçu et dimensionné avec la météo des 10 ans 1990–2000. En 2003 il y a
eu la canicule la plus longue et en en 2006 la semaine de juillet le plus chaude jamais vues à
Genève. Le rez-de-chaussée et le premier étage du bâtiment supporteraient même des
canicules plus fortes que celles vécues les 3 dernières années. Si le changement climatique
s’accentue ou s’installe durablement, il se peut qu’au 2ème étage, soumis à la stratification de
l’air, des ajustements soient entrepris pour garantir le confort pendant les jours jadis hors du
commun. Pour les bâtiments standard, dans ces conditions climatiques, le seul ajustement
possible sera l’installation d’une climatisation.
Géothermie : Après avoir d’abord minimisé les déperditions de chaleur en hiver et les gains
solaires en été, le bâtiment va chercher l’énergie qui lui manque dans la terre avec un système
géothermique, à travers une pompe à chaleur de 12 kW pour le chaud et un système géocooling avec une simple pompe de circulation de quelques Watt en été. Deux sondes
géothermiques pénètrent à 180 m de profondeur dans la terre. Les techniques de forages sont
homologuées avec une durée de vie espérée de 100 ans. La pompe à chaleur est de quelques
milliers de francs plus chère à l’achat, mais l’investissement est vite rentabilisé par l’absence
d’abonnement (comparé au gaz), l’absence de citerne, l’absence de systèmes de protection
incendie et par la faible quantité de kWh consommée.
Les faibles besoins de chaleur et la distribution dense du chauffage au sol permettent une
autorégulation du bâtiment. La température du sol ne monte jamais à plus de 22°C-25°C. S’il
y a des gains solaires, la température de l’air s’égalise à la température du sol et le système de
chauffage arrête automatiquement de fournir de l’énergie dans l’espace. C’est la régulation
sans régulateur.
CONCLUSION
Le bâtiment d’accueil du Centre des Soins des Grangettes émet 0.7
tonnes de CO2 par année au lieu de 9 si elle était construite de
manière conventionnelle. Il consomme 15 kWh/m² d’énergie
électrique au lieu de 77 kWh/m² de mazout ou de gaz d’un bâtiment
standard.
La Suisse aujourd’hui est une société de 5.8 kW par tête d’habitant (la
société américaine de 11.2). Selon les calculs des scientifiques de
l’EPFZ, une société de 2kW serait durable. L’environnement peut
fournir cette énergie à chaque être humain né sur terre et la géosphère
peut assimiler les déchets qui en résultent. D’aucuns estiment qu’il est
possible d’atteindre l’objectif 2000W pour 2050. D’autres le jugent
comme de la pure utopie.
Avec la réalisation de son nouveau bâtiment, la Clinique des
Grangettes a fait le pas que la Suisse devra faire avant 2050. L’utopie de certains dans un
avenir lointain est réalisée en 2005 pour la Clinique des Grangettes.