L’expérience internationale dans la conception des immeubles « zéro carbone » et leurs technologies

La question de la pollution de l’environnement par le secteur industriel tel que le bâtiment est toujours d’actualité. Pour résoudre le problème, , il est proposé et exigé l’introduction des technologies vertes dans les immeubles résidentiels à plusieurs étages, car ce type de bâtiments est massivement construit dans les nuveaux quartiers des villes. Nous essayons de donner un bref aperçu des bâtiments à zéro carbone dans le contexte du réchauffement climatique et examiner les aspects urbanistiques et sociaux de la construction de ce que l’on appelle les « bâtiments à zéro carbone ». À l’aide d’exemples d’expériences étrangères en matière de conception et de construction, quatre critères importants définissant les bâtiments zéro carbone sont définis : la décarbonisation, l’électrification, l’efficacité et la numérisation. Les grands principes de ces bâtiments sont identifiés, y compris l’utilisation de nouveaux matériaux tels que les panneaux CLT dans la construction. 

Le réchauffement climatique concerne toute personne consciente, ses conséquences devenant de plus en plus évidentes chaque année. Cependant, les actions individuelles pourraient ne pas suffire, car les industries continuent de se développer sans se soucier de l’environnement.

L’industrie de la construction est un secteur majeur, qui représente 36 % de la consommation d’énergie, 38 % des émissions de carbone et 50 % de la consommation de ressources. 

D’ici 2060, le parc immobilier mondial aura doublé, mais seulement 3 % des nouvelles constructions seront écologiques et efficaces, ce qui entraînera de fortes émissions de CO2.

La pollution de l’environnement se produit tout au long du cycle de la construction : outre les gaz d’échappement des engins de chantier du BTP, la pollution de l’air par la poussière des chantiers, la pollution lumineuse, une grande quantité de CO2 produite pendant le processus de durcissement du béton [1]. Souvent, au stade du projet, les promoteurs ne considèrent pas l’intégralité de l’impact du chantier sur l’environnement. La raison en est que, dans de nombreux cas, le chantier est effectué avec des irrégularités dans l’évacuation des déchets de chanteir, le stockage des matériaux de construction, la protection de la couche fertile du site.

Les technologies vertes en construction comme principale méthode d’aborder le problème

La réduction de la consommation d’énergie dans les bâtiments représente un moyen efficace pour lutter contre le changement climatique, alors que l’amélioration de la qualité des matériaux des bâtiments peut apporter d’importants avantages connexes, tels que l’amélioration de la santé et de la qualité de vie des personnes qui y habitent. La réduction des émissions de dioxyde de carbone dans les bâtiments sera essentielle pour atteindre les objectifs climatiques [2] d’ici 2050, adoptés à la vingt et unième session de la Conférence des Parties à la Convention-Cadre des Nations Unies en 2015 à Paris.

La solution à ce problème dans l’expérience mondiale sont les bâtiments « zéro carbone » (zero carbon buildings). L’objectif de ces bâtiments est de protéger l’environnement, car ils ne produisent pas de monoxyde de carbone lors de l’exploitation, de la construction ou de la production des matériaux qui les composent. La plupart de ces bâtiments sont construites selon les principes suivants: réduire l’énergie requise, utiliser l’énergie excédentaire, réduire le besoin de refroidissement artificiel, fournir des systèmes de gestion du microclimat très efficaces et d’autres systèmes, y compris l’éclairage, et bien entendu la fourniture de sources d’énergie renouvelables [3].

Il existe quatre critères essentiels pour qualifier les bâtiments à zéro émission de carbone: la décarbonisation, l’électrification, l’efficacité et la numérisation [4]. Ces quatre critères s’accorde pour réduire les émissions de carbone et le coût total des travaux de construction comme celles des infrastructures connexes. Les bâtiments peuvent atteindre une productivité sans carbone en éliminant complètement l’utilisation de combustibles fossiles pour son chauffage, ou en utilisant des énergies renouvelables propres et / ou exterieures. En réduisant l’utilisation de réfrigérants à fort potentiel ou l’utilisation des matériaux à faible teneur en carbone, réutilisés ou recyclés dans la construction, ce type de bâtiment réduit considérablement sa part rechauffement climatique.

Quelques exemples de bâtiments à zéro émission de carbone

Nous nous sommes limités à un certain nombre de bâtiments résidentiels et hôtelièrs situés dans des conditions climatiques similaires au climat continental, avec une saison hivernale marquée, pour mettre en évidence le sujet du chauffage de ces bâtiments.

1. L’hôtel GSH sur l’île de Bornholm, au Danemark

Le premier hôtel neutre en carbone du Danemark. Il est construit comme une annexe de l’hôtel Green Solution House (hôtel GH), à Rønne sur l‘île danoise de Bornholm. La nouvelle aile du bâtiment, qui comprend 24 chambres, une salle de conférence et un spa sur le toit, offre une empreinte climatique positive lors de la construction. Le matériau de construction principal de l’ensemble du bâtiment est le bois. Il est utilisé pour les structures porteuses, mais également comme isolant et matériel de finition. Dans son projet, le Studio GXN a essayé autant que possible d’abandonner l’utilisation du métal et du béton, omniprésents dans la construction aujourd’hui, qui représentent 16% du total des émissions de CO2 dans le monde.

Tous les éléments du bâtiment sont recyclables et les déchets provenant du processus de construction seront utilisés pour fabriquer des meubles et des finitions, tandis que les débris provenant des carrières de granit locales de Bornholm seront utilisés dans la salle de conférence. Toute la ventilation dans le bâtiment, qui est d’inspiration naturelle, passe à travers les baies vitrées et les terrasses ; la nouvelle aile de l’immeible n’a pas besoin de solutions mécanisées.

2. Powerhouse Telemark à Porsgrunn, Norvège 

Sindre Ellingson

Le nouveau bâtiment de 11 étages, situé dans la ville industrielle historique de Porsgrunn, dans les comtés de Westfold et de Telemark, marque une continuation symbolique de la fière histoire de la région, car Telemark abrite l’une des plus grandes centrales hydroélectriques du début du XIXe siècle. PowerhouseTelemark souligne l’investissement croissant de la région dans l’économie verte, positionnant le comté comme un chef de file dans la décarbonisation de nouvelles constructions. La façade Sud-est et le toit du PowerhouseTelemark, au moyen de panneaux solaires, généreront chaque année 256 000 kWh, soit environ vingt fois la consommation d’énergie annuelle du ménage norvégien moyen, et le surplus d’énergie sera réinjecté dans le réseau électrique. Lélectricité solaire  que produit l’immeuble comprend l’énergie d’exploitation nécessaire à l’entretien courant du bâtiment et, d’autre part, l’énergie grise contenue dans les matériaux utilisés, de sorte que le bilan CO₂ du bâtiment est équilibré après une durée d’utilisation théorique de 60 ans. L’immeuble zéro émission, qui a reçu le certificat de durabilité « BREEAM Excellent », est déjà la quatrième Powerhouse en Norvège, mais le premier immeuble de bureaux de ce type dans une petite localité.

Sindre Ellingson

Le bâtiment biseauté et légèrement conique présente une encoche inclinée de 45° sur la façade orientée à l’est, ce qui lui donne une image clairement identifiable qui se démarque dans le contexte industriel du parc industriel Herøya environnant. À l’intérieur du bâtiment, il y a un hall d’accueil avec une réception, des espaces de bureau, y compris deux salles de réunion, un restaurant, des chambres penthouse et une terrasse sur le toit donnant sur le fjord. Deux grands escaliers relient tous les étages du bâtiment. Au neuvième étage, les visiteurs sont accueillis par un escalier en bois unique qui relie visuellement le restaurant et la salle du bar et mène les visiteurs à la terrasse sur le toit du bâtiment.

Le système de façade Schüco FWS 50.HI a été choisi pour ses vastes travées architecturales et sa compatibilité environnementale démontrable grâce à la certification Cradle to Cradle. Le système de façade FWS 50 SG.SI de Schüco offre une largeur visible étroite, permettant un aspect entièrement en verre affleurant avec des joints filiformes, ce qui donne à l’énorme bâtiment une apparence gracieuse.

3. Hôtel Bauhofstrasse à Ludwigsburg, Allemagne

L’hôtel Bauhofstrasse [6] est le premier bâtiment zéro carbone de la ville de Ludwigsburg. Le bâtiment est très sensible dans le contexte de la partie historique de la ville, ce qui contribue à revitaliser le quartier et à raviver l’intérêt pour le patrimoine historique.

Le bâtiment est construit selon un principe modulaire. L’ensemble de l’hôtel est composé de modules en bois de la taille d’une pièce. Il établit de nouvelles normes en matière de respect de l’environnement, d’efficacité énergétique, de calendrier de construction et de qualité des bâtiments. Les modules ont été fabriqués en Autriche, transportés à Ludwigsburg et installés sur place dans un délai de cinq jours ouvrables. Le bâtiment est fini avec des Carreaux blancs Eternit, dont ne peut pas deviner à première vue que tout le bâtiment est en bois. À l’intérieur, les créateurs ont décidé de ne pas masquer le bois sous d’autres matériaux, ce qui ajoute à l’intérieur du confort et du charme particulier. Le noyau constructif du bâtiment était un escalier en béton, la Fondation est également faite de béton.

4. Le Cross-Laminated-Timber House (CLT), Boston, USA

https://www.dezeen.com/2020/02/14/model-c-carbon-neutral-clt-apartment-block-boston-generate/

Le Cross-Laminated-Timber House (CLT) [système de bois lamellé en croix appelé « kit de parties »] est le premier projet de démonstration d’un immeuble d’appartements neutre en carbone. Le projet a été développé par le bureau d’architecture Generate en partenariat avec le promoteuré Placetailor, qui s’occupe depuis 10 ans de la création de bâtiments neutres en carbone. Dans ce projet, ils ont mis l’accent sur les technologies à faible émission de carbone et préfabriquées.

https://www.dezeen.com/2020/02/14/model-c-carbon-neutral-clt-apartment-block-boston-generate/

L’immeuble à usage mixte de cinq étages, composé de 14 unités modulaires résidentielles et d’un espace de Coworking commun destiné aux résidents au rez-de-chaussée, permettra de ressentir les avantages d’un système d’unités résidentielles modulaire préfabriqué tout en maximisant la diversité des images architecturales. Le projet est un excellent exemple de logements sains, confortables et neutres en carbone pour les classes ouvrières de Boston. Dans leur projet, ils ont remplacé les structures traditionnelles en béton et acier, qui contribuent grandement à l’émission de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, par un cadre en bois.

De plus, c’est la grande quantité de fibre de bois dans les panneaux de bois lamellé-croisé qui agit comme un puits de carbone, s’attaquant à la fois à l’énergie opérationnelle et intrinsèque avec un seul système, – John Klein a déclaré.

Les bâtiments sont équipés d’une toiture en pente adaptée à l’installation facile de panneaux solaires. Une autre caractéristique du bâtiment se sont les salles de bains modulaires, qui sont préfabriquées en usine et ne nécessitent pas de finition après l’installation. Ensuite, ils sont transportés et facilement installés dans le bâtiment, ce qui réduit le temps de construction du bâtiment et réduit la quantité de déchets de construction.

Cette approche permet au bâtiment de réduire ses charges de chauffage et de refroidissement, – a déclaré Klein.

L’agence Generate a utilisé l’application du système Model-C sur sur son projet jusqu’au dernier étage (18), sur la base des nouveaux codes de construction en bois de grande hauteur 2021 [new 2021 Tall Wood building codes]. Pour l’instant, les prototypes en bois massif aux États-Unis sont limités à six étages.

L’effort de conception numérique initial requis pour la construction en bois massif permet aux architectes de considérer les bâtiments comme des assemblages en kit fabriqués numériquement, fabriqués avec des tolérances extrêmement élevées, – a déclaré KLEIN

Le projet est la dernière entreprise en date pour tester les limites de la construction en bois. Sidewalk Labs, la branche architecture et urbanisme de la société mère de Google, Alphabet, a dévoilé un modèle numérique de ce qui serait le plus haut bâtiment en bois massif du monde, atteignant 35 étages.

5. La résidence Kajstaden à Västerås, Suède

https://www.cfmoller.com/p/Kajstaden-Tall-Timber-Building-i3592.html

L’immeuble résidentiel Kajstaden est une étape importante dans le développement de l’architecture durable et un projet phare qui démontre que la transformation vers une architecture respectueuse du climat est possible. Grâce à des projets de recherche et à un travail actif avec les structures en bois, C.F. Møller Architects a mis l’accent sur l’innovation, ainsi que sur le développement et l’introduction dans la construction d’immeubles à plusieurs étages avec une ossature en bois massif.

https://www.cfmoller.com/p/Kajstaden-Tall-Timber-Building-i3592.html

L’avantage décisif du bois, par rapport à d’autres matériaux de construction, est que la chaîne de production du matériel produit une quantité limitée d’émissions de dioxyde de carbone. Au lieu de cela, il fait partie d’un cycle fermé, où le carbone est retenu dans l’ossature du bâtiment. La tour résidentielle en bois Kajstaden, haute de neuf étages, avec un premier étage surélevé et un dernier étage sur deux niveaux, est construite en bois lamellé croisé avec un faible ajout de bois lamellé collé. Chaque étage résidentiel comprend 3 appartements : un appartement d’une pièce et deux appartements duplex de 3 pièces.

https://www.cfmoller.com/p/Kajstaden-Tall-Timber-Building-i3592.html

La particularité du projet réside dans la présence à chaque étage d’un hall commun pour les résidents avec une loggia ouverte. Des locaux publics intégrés sont situés au rez-de-chaussée. Au nord du bâtiment considéré se trouve un parking en surface à plusieurs niveaux, conçu pour les habitants de tout le quartier. Un centre commercial et des bureaux sont attenant à ce bâtiment.

L’utilisation de panneaux CLT comme matériau des structures de clôture conduit à l’étanchéité de l’air et à l’efficacité énergétique de la maison. Le faible poids du matériau signifie que moins de pression est exercée sur les fondations. Lors de la construction, des ensembles de montage avec fixation métallique ont été utilisés, ce qui permet de démonter et de recycler facilement tous les éléments du bâtiment.

Les principes clés des bâtiments à zéro émission de carbone

Sur la base de l’expérience acquise, on peut identifier les principales techniques permettant d’atteindre le zéro émission de carbone 

1. Les nouveaux matériaux de construction. Un facteur fondamental pour atteindre le niveau zéro émission de carbone est le désitement des matériaux le plus utilisés dans les systèmes de clôture, y compris la minimisation de l’utilisation du béton. Il est principalement utilisé pour créer les fondations ou l’axe porteur d’un immeuble de grande hauteur.

Les panneaux CLT ont été largement utilisés dans les projets présentés récemment par les agences d’architecture. CLT peut être traduit comme « bois lamellé-croisé », ce qui indique que le matériel principal de ces panneaux est le bois. Parfois, un isolant compressé (la laine de bois) est intégré dans les panneaux CLT, ce qui permet d’utiliser ce matériel jusqu’à -70°C. Les avantages de ce matériau sont : l’efficacité énergétique, la facilité d’installation, un impact minimal sur l’environnement tout au long du cycle de production et d’exploitation, et le confort pour l’homme. On connaît bien la propriété unique des bâtiments en bois notamment sur le contrôle du microclimat intérieur en fonction de la saison.

2. L’utilisation de l’énergie provenant de sources renouvelables. La solution la plus courante est l’utilisation de panneaux solaires, mais d’autres systèmes peuvent aussi être utilisés en fonction du contexte de l’emplacement (éoliennes, énergie thermique, etc).

3. L’énergie passive. Étant donné que la minimisation de la consommation de l’énergie électrique nécessite l’utilisation de toutes les possibilités de chauffage, les technologies de bâtiment passif deviennent indispensables. La technique la plus courante est l’absorption du rayonnement solaire par les façades sombres orientées vers le sud.

4. La construction modulaire entièrement assemblés. Cette technique peut résoudre deux problèmes majeurs de la construction. Premièrement, la construction modulaire a toujours un cycle de construction plus court, ce qui réduit l’impact négatif sur l’environnement. Deuxièmement, dans le cas où des modules prêts à l’emploi sont livrés sur le chantier, la quantité de déchets de construction est considérablement réduite.

5. La réutilisation des matériaux. Les déchets de construction (par exemple, le bois) peuvent être utilisés pour la décoration intérieure. Ce même principe peut être appliqué au bâtiment lui-même à la fin de sa période d’utilisation. Le bois (le panneaux CLT) peut être facilement recyclé ou utilisé comme ressource pour le chauffage.

6. Le refus des systèmes de ventilation automatisés. Les systèmes automatisés nécessitent de l’électricité supplémentaire. Leur mise en œuvre n’est donc pas judicieuse. La préférence est donnée aux systèmes à tirage naturel, et l’utilisation de matériaux « respirants » réduisant le besoin d’augmenter le renouvellement de l’air.

Tous les projets examinés montrent l’importance de l’application des technologies vertes dans la conception et la construction de bâtiments modernes, créant des conditions de vie confortables pour les gens. Le confort d’une personne ne dépend pas seulement de la qualité des locaux où elle se trouve, mais aussi des conditions naturelles dans lesquelles le bâtiment est situé. Préserver les écosystèmes naturels et prévenir la crise environnementale – ces formulations sont incluses dans l’Accord de Paris [Nations Unies]. Sans aucun doute, la construction de bâtiments à émissions zéro carbone peut prévenir les problèmes imminents. Cependant, pour que de telles mesures soient efficaces, les gouvernements de nombreux États doivent prendre des mesures pour promouvoir la construction écologique, qu’il s’agisse de subventions ou des procédures simplifiées de certification des matériaux de construction écologiques.

Sources

1. Смитюк Ю. Отказ от бетона и цемента может сократить выбросы CO2 / Ю. Смитюк // Сайт ТАСС [Электронный ресурс]: URL:https://nauka.tass.ru/nauka/7618061 (дата обращения: 12.04.2022)
2. La Convention de Paris, 12.04.2022
3. Смирнов О.О. Влияние высотной застройки на город и городскую среду/ О.О. Смирнов // Жилищные стратегии. – 2019. – Том 6. – № 1. – С. 45-64. – DOI: 10.18334/zhs.6.1.40471
4. Laustsen J. Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for new buildings / J. Laustsen – 2008. – P. 5-85. – [Electronic resource]. URL https://clck.ru/gwFiU (accessed: 12.04.2022)
5. Chiffres, données, faits, lieu : Porsgrunn, Province de Telemark – Durée de planification/construction : 2015 – 2020 – Surface brute de plancher (SBP) : 8 403 m² – Systèmes Schüco : FWS 50 SG.SI FWS 50.HI – Architecte : Snøhetta, Oslo, Norvège – Maître d’ouvrage : R8 Property, Porsgrunn, Norvège
6. Architects: VON M, Area: 2058 m², Year: 2019, Photographs:Brigida González, Manufacturers:  Cinca, Glutz, Hafele, Heradesign, Okalux, Engineering: Merz Kley Partner, Site Management: Jo Carle Architekten, Stuttgart, Germany, Wood Construction: Kaufmann Bausysteme GmbH Building Physics: Kurz + Fischer GmbH
7. Oficial’nyj sajt Mirovogo Soveta po Zelenomu stroitel’stva [Official website of the World Green Building Council]. [Electronic resource]: URL: https://www.worldgbc.org/our-mission (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
8. Oficial’nyj sajt Nacional’noj Organizacija Podderzhki proektov pogloshhenija ugleroda [Official website of the National Organization for the Support of Carbon Sequestration Projects]. [Electronic resource]: URL: http://ncsf.ru (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
9. Smirnov O.O. Vlijanie vysotnoj zastrojki na gorod i gorodskuju sredu [The influence of high-rise buildings on the city and the urban environment] / O.O. Smirnov // Zhilishhnye strategii [Housing strategies]. – 2019. – Volume 6. – No. 1. – pp. 45-64. – DOI: 10.18334/zhs.6.1.40471. [in Russian]
10. Smityuk Yu. Otkaz ot betona i cementa mozhet sokratit’ vybrosy CO2 [Abandoning concrete and cement can reduce CO2 emissions] / Yu. Smityuk // TASS website [Electronic resource]: URL: https://nauka.tass.ru/nauka/7618061 (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
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12. Laustsen J. Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for new buildings / J. Laustsen – 2008. – P. 5-85. – [Electronic resource]. URL https://clck.ru/gwFiU (accessed: 12.04.2022)
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18. Sustainability Report 2021, R8 Property
19. Tall Wood Buildings in the 2021 IBC
20. New approach to sustainable building takes shape in Boston
21. Generate and Placetailor to build carbon-neutral CLT apartment block in Boston, DeeZeen
22. Le petit guide du passif, 2023-2024
23. «Международный научно-исследовательский журнал» (МНИЖ) I https://research-journal.org/en/articles/economics

Organismes

1. World Green Building Council

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1. Agence d’architectes (DK) https://3xn.com/

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