3-for-2 : moins d'énergie, plus d'espace

L'ONU prévoit que d'ici 2050, 70% de la population mondiale vivra dans des villes. Les villes se manifestent par leurs b?timents, et les b?timents sont parmi les plus grands contributeurs aux émissions de gaz à effet de serre. Singapour, par exemple, les b?timents et les ménages consomment près de 50 % de l'électricité, ce qui représente une part tout aussi importante des émissions de CO₂ emissions .

La climatisation, tout comme Internet, a été qualifiée de "technologie transformatrice". Elle a changé les lieux où nous vivons et travaillons - et la manière dont nous vivons et travaillons. En conditionnant l'intérieur d'un b?timent, nous sommes en mesure de le découpler du climat extérieur, ce qui permet de vivre et de travailler confortablement à l'intérieur. Le problème est que la climatisation des espaces intérieurs nécessite une grande quantité d'énergie. ? Singapour, 70% de l'énergie utilisée dans les b?timents sert au refroidissement, à la déshumidification et à la ventilation.

La température et l'humidité de l'air intérieur et la température des surfaces intérieures déterminent le confort thermique intérieur. La climatisation conventionnelle utilise de grandes quantités d'air froid et sec pour atteindre le confort thermique. Les très basses températures associées à ce processus (jusqu'à 6°C) sont nécessaires pour déshumidifier l'air et atteindre un niveau d'humidité confortable. Fournir ces basses températures nécessite une grande quantité d'énergie. De plus, l'air n'est pas un moyen de transport de chaleur très efficace. C'est pourquoi de grandes quantités d'air doivent être distribuées dans le b?timent, ce qui nécessite de grands systèmes de canalisations pour être acheminés verticalement et horizontalement. ? Singapour, jusqu'à un tiers du volume d'un étage est nécessaire pour les canalisations de distribution d'air. Cela signifie qu'une grande partie d'un b?timent est construite non pas pour ses occupants, mais pour abriter les systèmes techniques nécessaires à la climatisation.

Faire face à un climat chaud et humide en permanence

En 2010, nous avons commencé nos recherches au Singapore-ETH Centre (SEC) sur des moyens plus efficaces de fournir un climat intérieur confortable. Au Future Cities Lab Module 1, nous explorons de nouveaux systèmes techniques et leur impact sur la conception des b?timents, la construction et le confort des occupants. Nous sommes arrivés équipés de nos concepts "européens" de chauffage et de refroidissement pour des climats modérés, bien conscients que le contexte climatique à Singapour est bien plus exigeant et extrême. Alors que dans notre climat, nous sommes habitués à l'alternance de chaud et de froid, de périodes sèches et humides, le climat tropical à Singapour est constamment chaud et humide, ce qui en fait le "pire scénario" pour la création d'espaces intérieurs confortables.

Le concept que nous avons développé se compose de trois éléments principaux. Le premier est la division entre le refroidissement (refroidissement sensible) et la déshumidification (refroidissement latent). Au lieu d'utiliser de l'air froid et sec pour les deux, nous faisons la distinction entre l'élimination de la chaleur de l'intérieur du b?timent et l'élimination de l'humidité de l'air provenant de l'extérieur. L'avantage de cette approche réside dans le fait que le processus de refroidissement, qui contribue à environ 60% de la charge totale de refroidissement, peut être réalisé en utilisant des températures beaucoup plus élevées (jusqu'à 18°C) que celles requises pour la déshumidification ; la séparation de ces fonctions réduit ainsi la quantité d'électricité nécessaire. Une condition préalable de cette approche est de changer la méthode par laquelle la chaleur est extraite de l'espace. Les systèmes conventionnels utilisent le transfert de chaleur par convection tel qu'il est assuré par l'air en circulation. Dans notre approche, nous nous concentrons sur le transfert de chaleur radiatif fourni par de grandes surfaces froides qui permettent de refroidir à des températures beaucoup plus élevées. Le défi de l'utilisation de cette technique, cependant, est d'éviter la condensation qui pourrait se produire lorsque de grandes quantités d'air chaud et humide entrent en contact avec les surfaces froides.

Le deuxième élément est l'utilisation de l'eau au lieu de l'air pour le transport de la chaleur. L'eau a une capacité de transport de chaleur beaucoup plus grande que l'air, ce qui permet d'utiliser des tuyaux beaucoup plus petits qui peuvent être facilement intégrés dans la construction. Les faux plafonds et planchers extensifs destinés à dissimuler les systèmes techniques deviennent inutiles, ce qui permet d'économiser du volume.

Le troisième élément consiste à utiliser de petites unités de ventilation décentralisées au lieu d'une unité de ventilation centrale [1]. Ces petites unités transportent l'air nécessaire à la qualité de l'air intérieur à travers la fa?ade, le déshumidifient dans le processus et le soufflent dans la pièce dans laquelle elles sont installées. La distribution d'air dans tout le b?timent est ainsi inutile, ce qui permet d'économiser de l'espace et du volume. De plus, l'unité peut être intégrée dans la fa?ade ou le sol, par exemple, pour économiser encore plus d'espace.

Libérer l'espace et le volume

Ces trois mesures permettent une interaction beaucoup plus étroite entre les systèmes de service et les éléments de construction, libérant ainsi de l'espace et du volume. Elles recèlent également un potentiel intéressant pour des approches différentes de la conception des espaces intérieurs et des fa?ades. En conséquence, il est possible d'économiser jusqu'à un tiers du volume d'un étage d'immeuble singapourien typique. D'où le titre du projet "3-for-2" [2] : à l'avenir, trois étages pourraient être construits dans le volume pris par deux étages d'un b?timent conventionnel.

En utilisant des simulations, nous avons comparé notre approche à un "b?timent vert" standard à Singapour. Nous avons constaté que le "3 pour 2" offrirait non seulement 20% d'espace de bureau supplémentaire, mais réduirait également l'utilisation d'énergie de 40% et les matériaux de construction de 16%.

Considérant le prix élevé des loyers pour les espaces de bureaux à Singapour, cela ouvre des opportunités économiques entièrement nouvelles. Tout d'un coup, un "b?timent vert" ne signifie pas des co?ts plus élevés mais des retours plus importants, les développeurs commerciaux devraient donc aussi monter à bord. Plus le b?timent est grand, plus l'effet de levier est important, ce qui rend ce concept particulièrement intéressant dans les environnements urbains denses.

Testing under real-life conditions

Pour la recherche et les tests de l'approche et des composants techniques, nous avons construit un laboratoire transportable, le BubbleZERO [3], qui a été installé et exploité pendant plusieurs années dans le cadre du Future Cities Lab de Singapour. Les résultats prometteurs ont appelé à une nouvelle étape dans la mise à l'échelle d'un espace utilisé au quotidien, ce qui implique de transformer le concept d'une échelle de laboratoire en une application réelle.

Depuis février 2014, une première mise en ?uvre du concept 3 pour 2 est réalisée dans le cadre d'un nouveau b?timent en construction sur le campus de l'United World College (UWC), Singapour. Soutenue par des collaborations industrielles, l'installation sur 500 m2 d'espace de bureau permettra de tester et d'optimiser le système dans des conditions réelles à partir de la rentrée 2015. La mise en ?uvre représente une opportunité unique pour la recherche et les tests de performance énergétique et l'évaluation du confort thermique et de l'acceptation des occupants [4].