CONCEPTION DE BÂTIMENTS SOLAIRES : MÉTHODES ET OUTILS DES ARCHITECTES DANS LES PHASES INITIALES DE CONCEPTION
Mémoire
Émilie Bouffard
Maîtrise en sciences de l’architecture Maître en sciences de l’architecture (M.Sc.Arch)
Québec, Canada
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Résumé
L’énergie solaire disponible sur la terre constitue une ressource naturelle abondante et renouvelable. Toutefois, l’utilisation de cette énergie demeure, à ce jour, relativement peu répandue dans la pratique courante de l’architecture. Afin de contrer cette tendance, l’Agence Internationale de l’énergie (AIE) a mis sur pied la Tâche 41 "Énergie solaire et Architecture", dont le but principal est d’encourager et d’accélérer le développement d’une architecture solaire de haute qualité à l’échelle internationale.
Réalisée dans le cadre de la Tâche 41 de l’AIE, cette recherche a pour objectif d’analyser des projets d’architecture choisis pour leur utilisation de l’énergie solaire, afin d’élargir les horizons des créateurs du domaine de la construction et, de manière plus générale, des citoyens concernés par leur environnement bâti. En marge de cet objectif, la recherche vise à présenter des méthodes et des outils d’exploitation du solaire pour les phases initiales du processus de conception de projets par les architectes.
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TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ... III ABSTRACT... VII AVANT-PROPOS ... IX REMERCIEMENTS ... XI LISTE DE TABLEAUX ... XIII LISTE DES FIGURES ... XV
1. INTRODUCTION ... 1
1.1DÉVELOPPEMENT DURABLE EN ARCHITECTURE : LES ÉNERGIES RENOUVELABLES ... 1
1.1.1 Le rayonnement solaire jusqu’au bâtiment ... 5
1.1.2 L’intégration de l’énergie solaire à l’architecture ... 9
1.1.3 Les obstacles à l’intégration ... 12
1.2OBJECTIFS DE RECHERCHE ... 15
1.3MÉTHODES ET OUTILS ... 16
1.3.1 Constats ... 19
2. ARCHITECTURE SOLAIRE ... 23
2.1 ÉCLAIRAGE NATUREL ... 23
2.2PRODUCTION DE CHALEUR UTILE ... 26
2.2.1 Le solaire thermique passif ... 26
2.2.2 Le solaire thermique actif ... 29
2.2.2.1 Production de chauffage de l’eau ... 31
2.2.2.2 Production de chauffage de l’air ... 36
2.3PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ ... 40
2.4SYSTÈMES HYBRIDES ... 45
2.5CONSTATS DE L’INTÉGRATION DES SYSTÈMES SOLAIRES ÀL’ARCHITECTURE ... 48
3. PROCESSUS DE CONCEPTION DES ARCHITECTES ... 55
3.1PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES CARACTÉRISTIQUES ... 55
3.2PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES ACTIONS ... 58
3.3PROCESSUS DE CONCEPTION PAR LE BIAIS DES PHASES ... 60
3.3.1 Processus de conception traditionnel ... 60
3.3.2 Processus de conception intégré ... 62
3.4PROCESSUS DE CONCEPTION ABORDÉ À PARTIR DES MÉTHODES DE CONCEPTION EMPIRIQUES ... 68
3.5CONSTATS DE L’INTÉGRATION DE LA VARIABLE SOLAIRE DANS LE PROCESSUS DE CONCEPTION DES ARCHITECTES ... 72
4. EXEMPLE DE MÉTHODES ET D’OUTILS DE CONCEPTION SOLAIRE ... 75
4.1LES GUIDES SOLAIRES EXISTANTS ... 75
4.2LES MÉTHODES ET OUTILS SOLAIRES ... 78
4.2.1 Les méthodes et outils qui concernent l’éclairage naturel ... 78
4.2.2 Les méthodes et outils qui concernent la production de chaleur utile ... 89
4.2.3 Les méthodes et outils qui concernent la production d’électricité ... 92
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5. EXEMPLES D’OUTILS INFORMATIQUES BASÉS SUR LA SIMULATION NUMÉRIQUE ... 95
5.1OUTILS INFORMATIQUES POUR ÉVALUER L’ÉCLAIRAGE NATUREL ... 96
5.1.1 Radiance ... 96
5.1.2 DAYSIM ... 100
5.2OUTILS INFORMATIQUES POUR ÉVALUER LA PRODUCTION DE CHALEUR UTILE ET D’ÉLECTRICITÉ ... 105
5.2.1 RETScreen pour évaluer l’efficacité énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment ... 105
5.2.2 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de l’eau chaude de piscine .... 107
5.2.3 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de l’eau chaude domestique .. 108
5.2.4 RETScreen pour dimensionner un système solaire de production de chauffage de l’air ... 109
5.2.5 RETScreen pour dimensionner un système de production d’électricité ... 110
5.3CONSTATS DES EXEMPLES D’OUTILS INFORMATIQUES SOLAIRES... 111
6. ÉTUDES DE CAS ... 113
6.1PAVILLON EUGENE-H.-KRUGER ... 113
6.1.1 L’architecture solaire ... 113
6.1.2 Le processus de conception intégré ... 119
6.1.2.1 Phase pré-conceptuelle ... 120
6.1.2.2 Phase esquisse ... 120
6.1.2.3 Phase préliminaire et définitive ... 122
6.1.3 Les méthodes et outils solaires utilisés ... 124
6.3CONSTAT DE L’ÉTUDES DE CAS ... 128
7. CONCLUSION... 131
7.1LIMITES ... 133
7.2DÉVELOPPEMENT FUTUR ... 134
BIBLIOGRAPHIE ... 135
ANNEXES ... 143
ANNEXE 1-VUE D'ENSEMBLE DES OUTILS INCLUS DANS LE RAPPORT DB1:STATE OF THE ART OF EXISTING SOFTWARE USED BY ARCHITECTS (HORVAT,DUBOIS ET AL.,2011) ... 144
ANNEXE 2–PROJET DE FIN D’ÉTUDES EXPLOITANT L’ÉNERGIE SOLAIRE (ÉMILIE BOUFFARD) ... 145
ANNEXE 3-LISTE DE CONTRÔLE LEED® UTILISÉE DANS LES PHASES INITIALES DE CONCEPTION (BINETTE ET BINETTE ARCHITECTES) ... 148
ANNEXE 4-ÉCLAIREMENT ET FACTEUR LUMIÈRE DU JOUR (FLJ) RECOMMANDÉ SELON LE TYPE DE TÂCHES (TREZENGA&LOE,1988) ... 149
ANNEXE 5-RAPPORT DE SIMULATION DAYSIM ... 150
ANNEXE 6-PRÉSENTATION DÉTAILLÉE DES PROFESSIONNELS AYANT PARTICIPÉS AU PROCESSUS DE CONSTRUCTION POUR LE PAVILLON EUGENE-H.-KRUGER DE L’UNIVERSITE LAVAL ... 153
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Abstract
Solar energy available on earth is an abundant renewable resource. However, the use of this energy remains, to this day, relatively uncommon in the practice of architecture. To counter this trend, the International Energy Agency (IEA) has established Task 41 “Solar Energy and Architecture” whose main purpose is to promote and accelerate the development of a high quality solar architecture internationally.
Realized within the framework of IEA Task 41, this research aims to analyze architectural projects chosen for their use of solar energy to broaden the horizons of designers in the field of construction, in addition to citizens concerned by their built environment. Alongside this objective, the research aims to provide solar methods and tools for initial phases of the design process of architects.
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Avant-propos
La présente recherche est particulièrement dédiée aux architectes de la pratique privée afin de les soutenir dans le développement d’une architecture solaire de haute qualité. Elle se fonde sur l’intégration de l’énergie solaire dans le bâtiment comme une solution viable sur les plans environnemental, économique, social et des ambiances physiques architecturales. Ayant une visée plus large que les recherches habituelles dans le domaine, celle-ci se distingue volontairement de la structure conventionnelle d’un mémoire de maitrise. Elle se s’organise en cinq chapitres, qui correspondent aux thèmes suivants :
1) l’architecture solaire, comprenant une revue des principaux systèmes et concepts solaires pouvant être utilisés en architecture;
2) le processus de conception des architectes, présenté par le biais des caractéristiques, des actions, des phases et des méthodes;
3) des exemples de méthodes et d’outils de conception solaire, soit de guides existants, de règles du pouce, d’outils graphiques, physiques et informatiques;
4) des exemples d’outils informatiques basés sur la simulation numérique; 5) une étude de cas de projets québécois exploitant l’énergie solaire.
La recherche vise à présenter et expliciter des méthodes et des outils pour les architectes qui conçoivent des bâtiments solaires ou qui s’y intéressent simplement, l’accent étant mis sur les notions solaires essentielles aux phases initiales de conception.
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Remerciements
Le présent mémoire prend appui sur la formation reçue au programme de maîtrises simultanées, qui a permis d’acquérir des connaissances spécialisées dans le domaine du développement durable et de l’énergie. Ces compétences ont pu être acquises grâce au support de Marie-Claude Dubois, à qui j’attribue une profonde gratitude. Je tiens aussi à remercier sincèrement Jaques White et les professeurs de l’École d’architecture de l’Université Laval pour leur contribution, leur soutien et leur passion pour la profession. Pour leur encouragement et leur assistance, je remercie en particulier Jacques Binette, Jean Dallaire, les membres de la Tâche 41, mes amis et ma famille. Enfin, je remercie Ressources Naturelles Canada pour le soutien financier apporté sous forme de bourse d’études lors des conférences internationales de la Tâche 41.
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Liste de tableaux
Tableau 2 Demande en eau chaude annuelle ... 90
Tableau 3 Dimensionnement des chauffe-eau solaires ... 91
Tableau 4 Dimensionnement du volume de stockage d’eau chaude ... 91
Tableau 5 - Résultats détaillés de la simulation (DAYSIM) ... 103
Tableau 6 - Les méthodes et outils solaires utilisés pendant le processus de conception .. 125
Tableau 7 - Premières simulations démontrant l’importance de l’éclairage naturel sur la performance énergétique (Potvin and Demers, 2007) ... 126
Tableau 8 - Processus de construction du bâtiment Eugene-H.-Kruger (selon Laurent Goulard) ... 129
xv
Liste des figures
Figure 1 - Consommation mondiale totale des énergies primaires en quadrillions de Btu, 1980-2035 (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EIA, 2011) ... 1 Figure 2 - Disponibilité actuelle et prévisible des hydrocarbures dans le monde (Reproduit
et sous réserve de l’auteur : World Energy Council, 2007) ... 2 Figure 3 - Potentiel énergétique théorique des sources renouvelables comparé à la demande énergétique mondiale (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EREC, 2011) ... 3 Figure 4 - L’énergie solaire communautaire à Okotos, Alberta (RNcan, 2012a) ... 4 Figure 6 - Types de ciel présents annuellement à Québec, Québec, Canada (Reproduit et
sous réserve de l’auteur : Demers, 2001) ... 5 Figure 7 - Puissance solaire approximative pour différents types de ciel en W/m2
(Reproduit et sous réserve de l’auteur : Énergie+, 2011) ... 5 Figure 8 - Rendement lumineux de différentes sources lumineuses (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Lechner, Heating, Cooling, Lighting, 2001) ... 6 Figure 9 - Rayonnement solaire mondial en kWh/m2, an (Meteonorm, meteonorm.com/) ... 7 Figure 10 - Rayonnement global quotidien moyen reçu sur une surface horizontale en
kWh/m2, jour (RNcan, 2012c) ... 8 Figure 11 - Potentiel photovoltaïque annuel en kWh/ kW installé selon une orientation sud
et une inclinaison égale à la latitude (±46°) (RNcan, 2012c) ... 9 Figure 12 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur
résidentiel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008)... 10 Figure 13 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur
commercial et institutionnel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008) ... 10 Figure 14 - Degrés-jours de chauffage et de climatisation pour le Québec, Canada
(MétéoMédia, 2011) ... 11 Figure 15 - Relation entre le rayonnement solaire hivernal et le besoin de chauffage
(Vachon, 2007) ... 11 Figure 17 - Différents professionnels impliqués dans le processus de conception des
architectes ... 14 Figure 18 - Les phases du processus de construction d’un bâtiment (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Pfitzner et al., 2007) ... 17 Figure 20 - Projets d’architecture comprenant des cellules photovoltaïques pour la
production d’électricité, à l’international (n=344) et au Canada (n=43) (Horvat,
Dubois et al., 2011) ... 20 Figure 21 - Projets d’architecture comprenant des systèmes solaires thermiques pour la
production d’eau chaude, à l’international (n=346) et au Canada (n=43) (Horvat, Dubois et al., 2011) ... 21 Figure 22 – Compétences des architectes perçues avec différentes méthodes graphiques
solaires, à l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011) 22 Figure 23 - Compétences des architectes perçues avec différentes fonctions solaires
intégrées aux outils CAAO, à l’international (n=306) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011) ... 22
xvi
Figure 24 - Compétences des architectes perçues avec différents outils solaires avancés, à l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011) ... 22 Figure 25 - Types de systèmes solaires classés selon différents besoins pour le bâtiment .. 23 Figure 26 - Exemple d’éclairage naturel omniprésent pour les occupants (Haut : Altius
Architecture Inc, Bas : Binette et Binette architectes) ... 24 Figure 27 - Exemple de système d’éclairage naturel servant à occulter le soleil (Spridd
architecte) ... 25 Figure 28 - Le solaire passif et actif (Reproduit et sous réserve de l’auteur : LIÉTARD et
al., 1996) ... 26 Figure 29 - Principes du chauffage solaire passif (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
Cofaigh et al., 1996) ... 27 Figure 30 - Mur trombe de la bibliothèque des sciences de l’université de Versailles (Badia Berger architectes) ... 28 Figure 31 - Exemple de chauffage solaire passif (Triptyque Architecture) ... 29 Figure 32 - Système solaire thermique à air LubiMD, Québec, Canada (Enerconcept
Technologies et Solaris) ... 30 Figure 33 - Rendement de trois types de panneaux solaires thermiques (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Munari Probst et al., 2012) ... 31 Figure 34 - Schéma technique du panneau solaire thermique pouvant servir à différentes
applications ... 33 Figure 35 - Panneaux solaires thermiques non vitrés QUICK STEP® intégrés au bâtiment
(RHEINZINK, 2011) ... 33 Figure 36 - Panneaux solaires thermiques non vitrés S-Solar faisant office de brise-soleil
(S-Solar et White architectes) ... 34 Figure 37 - Panneaux solaires thermiques à tubes sous vide RobinSun Solar Thermal Glass
intégrés au bâtiment (ROBIN SUN, 2011) ... 34 Figure 38 - Panneaux solaires thermiques vitrés Doma flex holz intégrés au bâtiment (AKS DOMA Solartechnik, 2011) ... 35 Figure 39 - Schéma technique du mur solaire (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
SolarWall®, 2012) ... 36 Figure 40 - Bâtiment et site existant, Québec, Canada (Jean Dallaire architectes) ... 37 Figure 41 - Option 1 qui intègre une enveloppe SolarWall® (Jean Dallaire architectes).... 38 Figure 42 - Option 2 qui intègre une enveloppe SolarWall® (Jean Dallaire architectes).... 38 Figure 43 - Intégration d’un mur SolarWall® dans un concept de pliage architectural (Jean
Dallaire architectes) ... 39 Figure 44 - Industek, Victoriaville, Québec (Binette et Binettes architectes) ... 39 Figure 45 - Intégration du produit SolarWall® à l’aéroport international de Toronto Pearson
(KMA architectes) ... 40 Figure 46 - Systèmes solaires photovoltaïques à bases de cellules organiques (Konarka,
http://www.konarka.com/) ... 41 Figure 47 - L’effet de la température sur l’efficacité normalisée des systèmes solaires
suivants : a) de silicium cristallin à haut rendement, b) de silicium monocristallin, c) de silicium multicristallin, d) de silicium amorphe, e) de type "Micromorph" tandem, f) composé de tellure de cadmium (CdTe), g)-h) à couche mince composé de cuivre,
xvii indium, gallium et sélénium (CIGS) (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Munari
Probst et al., 2012) ... 42
Figure 48 - Schéma technique du panneau solaire photovoltaïque pouvant être utilisé de trois façons : 1) directement sur place, 2) envoyé au réseau, 3) stocké dans des batteries (Reproduit et sous réserve de l’auteur : A.E.R Sud, 2011) ... 43
Figure 49 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium monocristallin intégrés au bâtiment (Panasonic, 2012) ... 44
Figure 50 - Panneaux solaires photovoltaïques de silicium multicristallin intégrés au bâtiment (Solarfassade.info) ... 44
Figure 51 - Système solaire photovoltaïque de silicium amorphe intégré au bâtiment (RHEINZINK, 2011) ... 45
Figure 52 - Avalon Discovery 3, Red Deer, Alberta, Canada (SCHL) ... 46
Figure 53 - ÉcoTerraMC, Eastman, Québec, Canada (SCHL) ... 46
Figure 54 - Schéma technique de solaire actif couplé avec le solaire thermique (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Athienitis, 2011) ... 47
Figure 55 - Bâtiment John Molson à Montréal, Québec, Canada (Gauche : KPMB architectes, Fichten Soiferman et Associés, Droite : Athienitis, 2011) ... 47
Figure 56 - Système technique SolarWall® photovoltaïque/thermique (PV/T) (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Athienitis, 2011) ... 48
Figure 57 - Les possibilités d’intégration solaire architecturale (Munari Probst et al., 2012) ... 49
Figure 58 - Habitation Imagine Rommen, Norvège (PUSHAK AS) ... 50
Figure 59 - Laboratoire d’énergie Xelios, Italie (Studio Marco Acerbis) ... 50
Figure 60 - Siège social Tobias Grau, Allemagne (BRT architecte) ... 51
Figure 61 – Perspective d’ambiance, implantation et analyses solaires exploitant la diversité des ambiances lumineuses du bâtiment de bois et des serres solaires (Émilie Bouffard, 2012) ... 52
Figure 62 - Coupe bioclimatique et perspective d’ambiance exploitant le concept de serres solaires (Émilie Bouffard, 2012) ... 53
Figure 63 - Les représentations graphiques (Binette et Binette architectes) ... 55
Figure 64 - Premiers croquis, dessins réalisés à la phase préliminaire et projet en construction (Binette et Binette architectes) ... 56
Figure 65 - Un processus de construction impliquant différents professionnels (Reproduit et sous réserve de l’auteur : WBCSD) ... 57
Figure 66 - Une coordination et une communication complexes et essentielles (Reproduit et sous réserve de l’auteur : École polytechnique Jönköping, 2012) ... 57
Figure 67 - Trois propositions élaborées à la phase esquisse (Binette et Binette architectes) ... 59
Figure 68 - Les différentes itérations qui caractérisent le processus de conception (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Gray, Hughes et al., 1994) ... 59
Figure 69 - Le processus de conception (Reproduit et sous réserve de l’auteur : MacMillan et al., 2002) ... 61
Figure 70 - Dessins réalisés dans les phases initiales de conception (Binette et Binette architectes) ... 61
xviii
Figure 71 - Le processus de conception intégré (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Keen-Green Engineering) ... 64 Figure 72 - Phase de conception préliminaire décomposée en sous-phases (Reproduit et
sous réserve de l’auteur : Wilde et al., 1999) ... 65 Figure 73 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs permettant l’évaluation des
valeurs de luminance, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel
Radiance sous l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ... 66 Figure 74 - Mise en contexte de la situation avec l’ajout d’une sérigraphie dans le verre
(Groupe A Bélanger Beauchemin Morency Architectes & Urbanistes, 2012; Émilie Bouffard, 2012) ... 67 Figure 75 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation avec l’ajout
d’une sérigraphie dans le verre de 30%, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel Radiance sous l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ... 67 Figure 76 - Comparaison du facteur Lumière du Jour (FLJ), calculé à 0,8 m du plancher
selon la fonction Lighting Analysis du logiciel Radiance Daylight Factors sous
l’interface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ... 68 Figure 77 - Analyse hiérarchique selon le modèle d’une conception de système énergétique optimal (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Andresen, 2000) ... 70 Figure 78 - Analyse hiérarchique selon la traduction de Vitruve par Sir Henry Wotton
(Gauche : Reproduit et sous réserve de l’auteur : Duerk, 1993) et selon le modèle d’une "conception idéale" (Droite : Reproduit et sous réserve de l’auteur : Wilde, Augenbroe et Voorden, 2002) ... 70 Figure 79 - Analyses morphologiques pour organiser de l’information (Reproduit et sous
réserve de l’auteur : Andresen, 2000) ... 71 Figure 80 - Analyse morphologique comparative (Gauche : Potvin et al., 2004, Droite :
Reproduit et sous réserve de l’auteur : Andresen, 2000) ... 71 Figure 81 - Analyse pondérée méthode SAW (Reproduit et sous réserve de l’auteur :
Ghafoori et Seyyed ali) ... 72 Figure 82 - L’orientation (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Neufert, 2002) ... 79 Figure 83 - Rendus de couleurs réelles et de fausses couleurs de la situation au sud, au nord
et au sud avec occultation solaire, à 12h, selon la fonction Luminance Image (cd/m2) du logiciel Radiance sous la surface d’Ecotect (Émilie Bouffard, 2012) ... 80 Figure 84 - Projection stéréographique et orthographique à 8h00 et midi selon la hauteur
solaire α et l’azimut du soleil γ, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram) ... 82 Figure 85 - Projection stéréographique selon la hauteur solaire α et l’azimut du soleil γ,
Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram,
Stereographic Diagram. Les types de représentations sont les suivants : Stereographic diagram, Spherical projection, Equidistant projection, BRE Sun-Path Indicator, Orthographic projection, Waldram diagram, Tabular) ... 83 Figure 86 - Projection stéréographique, Masque d’ombrage, Québec, Canada, 46,8°, -71,4° (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram) ... 84 Figure 87 Projection stéréographique, Rayonnement solaire, Québec, Canada, 46,8°,
xix Figure 88 - Calendrier d’occultation sur une projection stéréographique (Sun, Wind and
light, 2001) ... 86
Figure 89 - Comparaison entre la simulation et la réalité (Garde, 2011) ... 86
Figure 90 - Héliodon pour la ville de Québec, Canada (Ecotect selon la fonction Sun-Path Diagram) ... 87
Figure 91 – Droite : Utilisation d’un héliodon à l’extérieur (Émilie Bouffard), Gauche : Positionnement de l’héliodon (Moore, 1985) ... 88
Figure 92 - Gauche : Ciel artificiel de l’École d’architecture de l’Université Laval, Droite : Maquette de l’ITA de Saint-Hyacinthe (GRAP) ... 89
Figure 93 - Exemples de tests réalisés avec le ciel artificiel et la maquette de l’ITA de Saint-Hyacinthe (GRAP) ... 89
Figure 94 - L’effet de l’orientation sur la performance du chauffage solaire passif (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Brown et DeKay, 2001) ... 90
Figure 95 - Rayonnement solaire annuel moyen en lien avec l’orientation et l’inclinaison, pour Québec, Qc, Canada (selon la fonction Absorbed Solar Radiation, Ecotect) ... 92
Figure 96 - Bâtiments étudiés (Jouri Kanters) ... 96
Figure 97 - Détermination des vues à étudier ... 97
Figure 98 - Interface d’Ecotect ... 98
Figure 99 - Différents types de rendus réalisés avec l’outil Radiance sous l’interface d’Ecotect ... 99
Figure 100 - Détermination des points de mesures à simuler (Google SketchUp) ... 101
Figure 101 - Interface DAYSIM à l’ouverture ... 102
Figure 102 - Interface DAYSIM à l’étape 5 ... 103
Figure 103 – Feuille de calcul RETScreen concernant l’efficacité énergétique de l’enveloppe d’un bâtiment ... 106
Figure 104 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’eau chaude de piscine ... 107
Figure 105 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’eau chaude domestique ... 109
Figure 106 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de chauffage de l’air ... 110
Figure 107 – Feuille de calcul RETScreen concernant la production de l’électricité ... 111
Figure 108 - L’utilisation des ouvertures zénithales avec des puits de lumière (Potvin et Demers (2007) ... 114
Figure 109 - Entrées offrant un accueil chaleureux et attrayant grâce à un système judicieux d’éclairage naturel (Laurent Goulard; Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 114
Figure 110 - L’orientation dans l’axe nord-est/sud-ouest et la volumétrie en forme de " L " (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 116
Figure 111 - Les ouvertures importantes dans les espaces publics et les aires de circulation, mi-octobre 10h00 (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 116
Figure 112 - Coupe illustrant l’intégration d’occultation solaire et avancé de toit (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 117
Figure 113 - Les angles solaires des occultations solaires orientées sud-ouest et sud-est (Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie Bouffard) ... 117
xx
Figure 114 - Les occultations solaires orientées nord-ouest servant à bloquer le soleil de fin de journée (Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie Bouffard) ... 118 Figure 115 - L’occultation solaire orientée nord-ouest servant à diffuser le rayon lumineux
(Gauche : Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes, Droite : Émilie Bouffard) ... 118 Figure 116 - Gauche : Mur solaire SolarWall®, Droite : Image infrarouge en fausse couleur prise avec une caméra thermique qui enregistre les rayonnements électromagnétiques infrarouges (André Potvin) ... 119 Figure 117 - Premières esquisses réalisées par l’équipe de conception (Laurent Goulard,
Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 121 Figure 118 - Deuxième série d’esquisses réalisées par l’équipe de conception (Laurent
Goulard; Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 122 Figure 119 - Mis au point des systèmes bioclimatiques (Laurent Goulard, Gauthier
Gallienne Moisan architectes) ... 123 Figure 120 - Dessin de présentation illustrant le concept de mur solaire, réalisé avec l’outil
Form•Z (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 123 Figure 121 - Dessin de présentation représentant les concepts bioclimatiques, réalisé avec
l’outil Form•Z (Laurent Goulard, Gauthier Gallienne Moisan architectes) ... 124 Figure 122 - Pont thermique avant l’installation d’un matériau isolant sur les parties
métalliques des occultations solaires (Alexander Salenikovich) ... 124 Figure 123 - Analyses qualitatives et quantitatives de plusieurs propositions de puits de
lumière dans le ciel artificiel de l’Université Laval (Potvin and Demers, 2007) ... 126 Figure 124 - Analyses qualitatives démontrant des vues intérieures variant selon différents
positionnements des puits de lumière (Potvin and Demers, 2007) ... 127 Figure 125 - Simulations montrant la consommation énergétique de deux modèles réalisées pour un laboratoire type avec l’outil Energy-10 (Potvin and Demers, 2007) ... 127 Figure 126 - Simulations associant la performance énergétique au coût opérationnel en
1 1. INTRODUCTION
1.1DÉVELOPPEMENT DURABLE EN ARCHITECTURE : LES ÉNERGIES RENOUVELABLES
Le réchauffement planétaire, l’augmentation des gaz à effet de serre et l’épuisement des ressources naturelles sont autant d’enjeux actuels qui engagent l’humanité à se sensibiliser, à se mobiliser et à se responsabiliser (Reeves, 2003). Un tel engagement consiste inévitablement à réduire, d’une part, la consommation énergétique mondiale et à profiter, d’autre part, des énergies primaires renouvelables, avec pour conséquence une réduction de l’exploitation des énergies fossiles telles le pétrole, le charbon et le gaz naturel. Comme le montre la figure 1, la consommation des énergies primaires fossiles est aujourd’hui beaucoup plus importante que celle des énergies renouvelables, même si la disponibilité prévisible de ces énergies tend à diminuer (figure 2).
Figure 1 - Consommation mondiale totale des énergies primaires en quadrillions de Btu, 1980-2035 (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EIA, 2011)
2
Figure 2 - Disponibilité actuelle et prévisible des hydrocarbures dans le monde (Reproduit et sous réserve de l’auteur : World Energy Council, 2007)
Il importe également de constater qu’une grande partie de l’énergie primaire est consommée dans le secteur du bâtiment, soit dans la construction et dans l’opération des bâtiments. À lui seul, le secteur du bâtiment utilise environ 40% des ressources énergétiques dans les pays industrialisés et plus de 50% si on considère les produits manufacturés utilisés dans la construction (WBCSD, 2011). L’industrie de la construction doit donc adopter de nouvelles mesures pour réduire sa dépendance aux énergies fossiles. Dans cette même perspective, le défi 2030, lequel est parrainé par l’Institut américain des architectes (AIA, 2011) et l’architecte de renom dans la conception solaire passive Ed Mazria, vise à réduire drastiquement la consommation de combustibles fossiles et à orienter la consommation vers des énergies primaires renouvelables de tous les bâtiments neufs et rénovés.
Parmi les sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire se présente comme l’une des plus prometteuses pour l'avenir (EREC, 2011). L’intérêt pour le solaire est notamment dû à son abondance à la surface de la Terre. Comme le font remarquer plusieurs auteurs à propos du rayonnement solaire théorique, celui-ci peut :
représenter une énergie 3000 fois plus grande que celle subvenant aux besoins de l'humanité (Schittich, 2003);
couvrir 2850 fois la demande mondiale en énergie (figure 3);
combler, en une seule journée, la demande énergétique mondiale de huit années (Bernardo, 2011);
3 cumuler, en une heure, une énergie supérieure à celle nécessaire pour combler les
besoins de l'humanité d'une année (Thirugnanasambandam, 2009).
Figure 3 - Potentiel énergétique théorique des sources renouvelables comparé à la demande énergétique mondiale (Reproduit et sous réserve de l’auteur : EREC, 2011)
En analysant seulement la variable solaire, le quartier solaire Drake Landing d’Alberta (figure 4), comprenant 52 maisons unifamiliales, a démontré qu’en hiver, 90% des besoins en chauffage et 60% en eau chaude pouvaient être comblés par 800 panneaux solaires thermiques communautaires (Funk, 2010). Le Réseau de recherche du CRSNG sur les bâtiments solaires (RRBS, 2010) a aussi établi que la surface d’une maison moyenne canadienne pouvait recevoir suffisamment de rayonnement solaire pour combler les besoins annuels de la maison et d’une voiture (figure 5). D’après le RRBS, un petit système solaire photovoltaïque et thermique de 4kW pourrait réduire la consommation énergétique d’une maison conventionnelle canadienne de 50%. Enfin, selon des installateurs professionnels ayant participé au programme de l’Agence de l’efficacité énergétique du Québec (AEE), un seul panneau solaire thermique suffirait pour sabrer minimalement 50% des besoins annuels d’eau chaude domestique d’une famille de cinq personnes (Centre Énergie Solaire Ltée).
4
Figure 4 - L’énergie solaire communautaire à Okotos, Alberta (RNcan, 2012a)
Figure 5 - Maison Alstonvale Énergie nette zéro (Pogharian, Ayoub et al., 2008)
L’énergie solaire dans le secteur du bâtiment constitue donc une réponse pertinente au contexte de développement durable, en raison notamment de son abondance, mais également des possibilités qu’elle offre d’éclairer naturellement et efficacement, de produire de la chaleur utile, de l’électricité et même de climatiser. La "climatisation solaire" est toutefois encore expérimentale et ses dispositifs se résument à quelques systèmes solaires thermiques (Munari Probst et al., 2012). Enfin, il semble évident que l’architecture doive évoluer en tenant davantage compte des sites, notamment de leur orientation, en utilisant mieux l’enveloppe pour à la fois capter l’énergie du soleil et s’en protéger et enfin, en exploitant la lumière comme moyen d’expression, inspiration et fondement de l’architecture (Baker & Steemers, 2002). Une telle approche implique toutefois un changement majeur dans la pratique architecturale et surtout, dans la façon d’appréhender et de penser le bâtiment. Dans la pratique, une telle approche implique également d’aborder
5 les questions d’accessibilités, d’applications à plus grande échelle en plus des résiliences et des analyses de cycle de vie (ACV).
1.1.1 Le rayonnement solaire jusqu’au bâtiment
Le rayonnement solaire parvient à la Terre sous forme directe, diffuse et réfléchie, en fonction notamment de la couverture nuageuse, de la pollution de l’air, de la région géographique et de la période de l’année (Robertson et Athienitis, 2010). Il est également disponible sous différents types de ciel, partiellement couvert, partiellement dégagé et dégagé. Ces types de ciel au Québec sont présentés à la figure 6, selon leur occurrence mensuelle. Un ciel clair transmet approximativement 1000W/m2 de puissance sur une surface perpendiculaire, tandis qu’un ciel partiellement dégagé et couvert transmet respectivement 500 et 250 W/m2 (figure 7).
Figure 6 - Types de ciel présents annuellement à Québec, Québec, Canada (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Demers, 2001)
Figure 7 - Puissance solaire approximative pour différents types de ciel en W/m2 (Reproduit et sous
6
Selon le type de ciel, le rayonnement solaire peut servir pour 1) éclairer naturellement, 2) produire de la chaleur utile et 3) produire l’électricité d’un bâtiment.
Dans le premier cas, l’éclairage naturel s’explique par la lumière visible qui représente 46% de l’énergie totale émise par le rayonnement solaire (Architecture et climat, 2011). Il offre un spectre continu caractérisé par une densité élevée de flux lumineux ainsi qu’une variabilité riche en couleur et en intensité. La densité du flux lumineux à l’extérieur varie entre 5 000 et 100 000 lux, ce qui peut largement suffire aux besoins habituels de quelques 300-500 lux pour éclairer naturellement l’intérieur des bâtiments (Brown et DeKay, 2001). Enfin, l’efficacité lumineuse de l’éclairage naturel est plus élevée que la plupart des sources lumineuses artificielles (figure 8). Seules les sources lumineuses d’une efficacité comparable à l’éclairage naturel sont les sources lumineuses au sodium et DEL (PowerDEL) ayant une efficacité lumineuse entre 80 et 140 lm/W.
Figure 8 - Rendement lumineux de différentes sources lumineuses (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Lechner, Heating, Cooling, Lighting, 2001)
Dans le deuxième cas, la production de chaleur utile renvoie à l’énergie du rayonnement solaire, présente sous forme de chaleur et qui contribue à chauffer, passivement et/ou activement, le bâtiment. Le rayonnement solaire est particulièrement abondant :
7 il peut atteindre jusqu’à 2 300 kWh/ m²,an dans les régions les plus ensoleillées du
monde et peut atteindre jusqu’à 1500 kWh/ m²,an au Canada (figure 9); il atteint moyennement 3,3 kWh/ m²,jour au Canada (figure 10);
il atteint moyennement, 1,62 kWh/m²,jour au mois de janvier à Québec comparativement à 0,3 kWh/m², jour au mois de janvier à Olso (tableau 1).
Contrairement à ce que l’on pourrait être porté à penser, le rayonnement solaire est en effet particulièrement élevé en hiver au Canada en comparaison à l’Europe, notamment dans le nord de l’Europe. Il peut même excéder quotidiennement celui des pays scandinaves, où l’utilisation de l’énergie solaire est fortement encouragée et promue depuis les années 1970.
8
Figure 10 - Rayonnement global quotidien moyen reçu sur une surface horizontale en kWh/m2, jour
(RNcan, 2012c)
Tableau 1 - Rayonnement solaire quotidien moyen reçu sur une surface horizontale en kWh/m², jour (NASA, www.nasa.gov/)
Mois de l’année Québec (Qc), Canada Olso, Norvège Janvier 1,62 0,30 Février 2,66 0,86 Mars 4,09 2,20 Avril 4,92 3,40 Mai 5,46 5,05 Juin 5,72 4,91 Juillet 5,65 4,61 Août 4,83 3,49 Septembre 3,49 2,12 Octobre 2,25 1,31 Novembre 1,40 0,37 Décembre 1,25 0,19 Total 43,34 28,81 Moyenne 3,6 2,4
Dans le troisième cas, la production d’électricité solaire se traduit surtout par des systèmes actifs, notamment photovoltaïques, et constitue une réelle possibilité pour combler les besoins en énergie de la population de tout le pays. Le Canada, en l’occurrence, bénéficie
9 d’un potentiel photovoltaïque annuel suffisant, ce qui prouve une fois de plus la pertinence d’y exploiter l’énergie solaire (figure 11).
Figure 11 - Potentiel photovoltaïque annuel en kWh/ kW installé selon une orientation sud et une inclinaison égale à la latitude (±46°) (RNcan, 2012c)
1.1.2 L’intégration de l’énergie solaire à l’architecture
L’intégration de l’énergie solaire à l’architecture sous-tend des dimensions environnementales, économiques, sociales et d’autre plus proprement architecturales, relatives aux ambiances physiques. Sur le plan environnemental, l’intégration est durable, efficace et propre, puisque l’énergie solaire est utilisée directement sur place (ne nécessite aucun transport, donc aucun pétrole) et est renouvelable (Suzuki et Boyd, 2008).
Sur le plan économique, l’intégration peut grandement réduire le cout opérationnel (d’exploitation) et le cout capital (système de stockage, de distribution et d’entretien) relatifs aux besoins des bâtiments. Au Canada, les besoins en chauffage (air et eau chaude domestique), en éclairage et en climatisation sont considérables, puisqu’ils constituent 86% de la consommation énergétique dans les bâtiments résidentiels et 71 % dans les bâtiments commerciaux et institutionnels (figure 12 et 13).
10
Figure 12 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur résidentiel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008)
Figure 13 - Consommation énergétique secondaire par utilisation finale du secteur commercial et institutionnel canadien (Office de l'efficacité énergétique, 2008)
Une autre façon d’évaluer cet apport considérable en besoins de chauffage est la méthode des degrés-jours de chauffage, soit « la mesure de la différence entre la température moyenne d’un jour donné par rapport à une température de référence et qui exprime les besoins en chauffage domestique » (MétéoMédia, 2011). Au Québec, cette différence de température s’évalue à 5 080 degrés-jours de chauffage annuellement, laissant paraitre une assez longue saison de chauffage (figure 14). Dès lors, une corrélation possible entre la méthode des degrés-jours et le rayonnement solaire reçu au Québec est possible, démontrant une fois de plus le climat avantageux de plusieurs villes du Québec pour l’exploitation de l’énergie solaire afin de subvenir au chauffage des bâtiments et ce, même par rapport aux pays nordiques européens (figure 15).
63% 17%
14% 4% 2%
Chauffage des locaux Chauffage de l'eau Appareils ménagers Éclairage Climatisation 48% 7% 19% 9% 11% 5% 1%
Chauffage des locaux Chauffage de l'eau Équipement auxiliaire Moteurs auxiliaires Éclairage
Climatisation
11
Figure 14 - Degrés-jours de chauffage et de climatisation pour le Québec, Canada (MétéoMédia, 2011)
Figure 15 - Relation entre le rayonnement solaire hivernal et le besoin de chauffage (Vachon, 2007)
Sur le plan social, l’intégration peut, en plus d’offrir un potentiel d’attraction en matière de développement durable et de haute technologie, contribuer à augmenter significativement la qualité architecturale; une qualité architecturale qui, tout comme l’architecture, se définit à partir de différentes dimensions. Pour Vitruve, l’architecture se définit selon trois principes fondateurs : firmatas pour la durabilité, utilitas pour l’utilité et venustas pour la beauté. Pour Le Corbusier (1995), l’architecture se définit comme le jeu savant, correct et magnifique des volumes assemblés sous la lumière. Selon le Conseil de l’union européenne (2008) : « l’architecture, discipline de création culturelle et d’innovation, y compris technologique, constitue une illustration remarquable de ce que la culture peut apporter au développement durable, compte tenu de son impact sur la dimension culturelle des villes,
12
mais également sur l’économie, la cohésion sociale et l’environnement ». Enfin, Dufaux (2011) mentionne que l’architecture est la concrétisation et l’affirmation de notre existence sur un territoire, demeurant ainsi « le projet de construire de ce que nous voulons devenir ». Bref, ces définitions rappellent toute l’importance des impacts positifs sur la société que pourrait avoir une architecture efficace au plan énergétique, notamment sur le taux de croissance des émissions de GES et la lutte contre le changement climatique, en visant une approche territoire (iolt, éco-quartier et ville) plutôt qu’une approche pour des bâtiments isolés.
En dernier lieu, sur le plan des ambiances physiques architecturales, l’intégration peut générer, entre autres, des ambiances appréciées par les usagers ainsi que des lieux riches et significatifs, pour produire des environnements globalement sains, cohérents et équilibrés. Le Groupe de recherche en ambiances physiques de l’Université Laval (GRAP) soutient qu’ « [e]n amont de la démarche ambiante réside la nature, élément fondamental, omniprésent du projet d'architecture. Plus la forme d'expression entre l'homme et la nature est grande, plus le paysage devient signifiant, et plus grande devient la possibilité d'interprétation symbolique et poétique de ce paysage. La dynamique cyclique de l'environnement naturel en termes de matière et d'énergie constitue donc une source d'inspiration pour nous faire redécouvrir le sens du lieu et créer des solutions originales et fonctionnelles stimulant les sens ». Effectivement, l’intégration de l’énergie solaire à l’architecture permettrait sous certaines conditions de concevoir des bâtiments mieux adaptés à leur site, en relation directe avec l’environnement extérieur, dans le respect des lois de la nature et favorisant le confort de ses occupants. Ce constat n’est pas sans rappeler que l’intégration de l’énergie solaire en architecture appartient à une tradition architecturale qui demeure " certainement vénérable " (Heschong, 1981) qui a longtemps fait partie des environnements de travail.
1.1.3 Les obstacles à l’intégration
En dépit de ce qui précède, une très grande partie de l’énergie solaire reste à ce jour inexploitée (RNcan, 2012b). Ceci serait dû à plusieurs obstacles qu’il convient d’identifier.
13 Le premier, possiblement le plus évident, est l’obstacle économique, largement étudié dans le rapport de Lucuik (2005) traitant du bâtiment écologique. Selon l’auteur, cet obstacle est souvent considéré comme un frein d’envergure dans les projets, puisque c’est une variable rarement évaluée sur un calcul incluant le cycle de vie du bâtiment, lequel comprend les dépenses en immobilisation directe, les couts opérationnels directs, l’effet de la productivité des travailleurs, les valeurs des propriétés et le taux d’occupation, ainsi que d’autres avantages indirects tels l’augmentation des ventes dans les magasins et la réduction des congés de maladie. Spécifiquement, le surcoût des technologies vertes peuvent réduire de façon importante leur accessibilité. Deuxièmement, le style de vie et les typologies d’habitation sont en outre partie des enjeux majeurs à l’intégration, sachant que les maisons unifamiliales sont typiquement responsables de plus d’émissions de carbone que les maisons intégrés dans un contexte de densification (Newton et Tucker, 2011). D’autre part, l’Institut royal d’architecture du Canada référant à la recherche de Ryghaug et Sørensen (2009) qui examinait les contraintes au développement des bâtiments énergétiques, note les obstacles suivants :
la faiblesse politique et les efforts gouvernementaux limités; la pratique conservatrice dans l’industrie de la construction;
le manque de recherche, de développement et de communication des nouvelles connaissances et technologies.
Dans le même ordre d’idées, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) mentionne : l’insuffisance des connaissances techniques;
la réticence à utiliser les nouvelles technologies; les variables architecturales (esthétiques);
l’insuffisance de méthodes et d’outils de conception solaire pour les architectes.
L’importance de modifier la pratique professionnelle traditionnelle au profit de bâtiments plus performants est ainsi identifiée. Au cœur de cette pratique, l’architecte est considéré comme un professionnel clé pour intégrer l’énergie solaire et ce, pour plusieurs raisons. D’abord, il est un des seuls à pouvoir développer des solutions spatiales basées sur la théorie et la pratique. En outre, il travaille sur la valeur ajoutée d’un bâtiment à long terme.
14
L’architecte est aussi un des rares professionnels qui puisse avoir une vue d’ensemble de la conception et considérer toutes les variables en un tout intégral (Ryghaug et Sørensen, 2009). Enfin, l’architecte travaille fondamentalement en équipe et peut, de ce fait, collaborer avec un grand nombre de professionnels, notamment des consultants et des ingénieurs (figure 17).
Figure 17 - Différents professionnels impliqués dans le processus de conception des architectes
L’architecte est également amené à prendre des décisions et à faire des choix importants parmi un vaste éventail de variables conceptuelles, toutes cruciales pour le succès du projet (Andresen, 2000). Comme l’indiquent plusieurs auteurs (Hamza et Greenwood, 2009; Macmillan et al., 2002; Potvin, 2005), l’architecte doit prendre des décisions qui ont de lourdes conséquences au plan énergétique, et ce, très tôt dans le processus de conception, notamment en ce qui a trait à l’orientation, à la volumétrie et à la fenestration. Ces décisions sont d’autant plus importantes puisqu’elles guident le projet jusqu’à la fin, ont un impact majeur sur la durabilité et la performance du bâtiment (Larsson, 2004) et peuvent accroitre l’énergie solaire utile (Robertson et Athienitis, 2010). Enfin, selon Ellis et Mathews (2002), l’architecte est d’autant plus un acteur clé puisqu’il peut utiliser des méthodes et des outils de conception pouvant avoir une influence importante sur la performance énergétique du bâtiment qu’il conçoit et ainsi entrainer des économies allant jusqu’à 70 % de la demande en énergie. Dès le début, il peut aussi encourager le client d’approprier la vision autant que tous les autres consultants. Somme toute, l’importance de
15 s’attarder aux phases initiales du processus de conception des architectes est essentielle. C’est précisément sur ces phases que se concentre la présente recherche.
1.2OBJECTIFS DE RECHERCHE
Cette recherche a pour objectif d’analyser des projets d’architecture choisis pour leur utilisation de l’énergie solaire par le biais de projets internationaux et québécois, et d’analyser des méthodes et des outils solaires pour les phases initiales de conception des architectes. L’intention de cette recherche est, dans un premier temps, de présenter une image globale concernant l’architecture solaire et, dans un deuxième temps, de contribuer à l’amélioration et l’enrichissement des méthodes et des outils de conception de la pratique architecturale, ce qui, à long terme, encouragera l’exploitation et l’intégration de l’énergie solaire en architecture.
Les mots clés suivants ont été utilisés dans le cadre de cette recherche pour naviguer dans les revues scientifiques telles que Design Studies, Building and Environment, Energy and Buildings et Solar Energy :
Architecture Architectes Solaire Énergie solaire Efficacité énergétique Sustainable design Développement durable Solaire passif Solaire actif Méthodes de conception Processus de conception Processus de conception intégré Questionnaires Entrevues Simulations
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1.3MÉTHODES ET OUTILS
Cette recherche est réalisée dans le cadre de la Tâche 41 "Énergie solaire et Architecture" mise sur pied en décembre 2008 par le programme "Chauffage et climatisation solaire" de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) afin d’encourager et d’accélérer le développement d’une architecture solaire de haute qualité (Wall, Windeleff et al., 2008). Comme son nom l’indique, la Tâche 41 porte à la fois sur les qualités architecturales du bâtiment et sur l’intégration du solaire visant une haute performance énergétique. Cette tâche s’appuie sur le travail de chercheurs, architectes et ingénieurs des 14 pays suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Canada, Corée du Sud, Danemark, Espagne, Italie, France, Norvège, Portugal, Suède et Suisse. Un des paradigmes de départ de cette tâche consiste à utiliser la conception architecturale comme une des forces motrices pour l’exploitation de l’énergie solaire dans le bâtiment. En plus de l’intégration architecturale, la Tâche 41 vise également l’étude des compétences des architectes et d’autres acteurs impliqués dans le projet architectural.
La Tâche 41 se subdivise en trois sous-tâches. La sous-tâche A s’intéresse aux critères d’intégration et de qualité architecturale des bâtiments solaires, pour les architectes et les manufacturiers de produits solaires. La sous-tâche B, sur laquelle porte principalement la présente recherche, se concentre sur les méthodes et les outils qu’utilisent les architectes dans les phases initiales de conception, incluant les outils informatiques et les critères d’évaluation de qualité architecturale. La sous-tâche C concerne les compétences des architectes en regard de leur façon de communiquer et de vendre un projet d’architecture solaire. Elle comprend des études de cas.
La Tâche 41 revoit donc globalement les processus de construction et de conception selon différents angles possibles. Selon l’Institut royal d’architecture du Canada (IRAC, 2009), le processus de construction se divise en sept phases :
1. la phase pré-conceptuelle; 2. l'esquisse;
3. la phase préliminaire; 4. la phase définitive;
17 5. l'appel d'offre et négociations
6. l'administration du contrat; 7. l'après-construction.
Ce processus de construction comprend le processus de conception des architectes, incluant les phases suivantes : pré-conceptuelle, esquisse et préliminaire. Tel que vu précédemment, ces phases initiales sont très critiques quant à l’intégration de l’énergie solaire (figure 18). Elles représentent le moment où il est encore possible de changer des paramètres de conception importants, sachant qu’« il devient de plus en plus difficile et problématique de le faire à mesure que le projet avance » (Larsson, 2004).
Figure 18 - Les phases du processus de construction d’un bâtiment (Reproduit et sous réserve de l’auteur : Pfitzner et al., 2007)
En effet, les phases initiales sont importantes, puisqu’elles correspondent au premier contact avec le client, aux premières volumétries, à une orientation choisie et ultimement, à un parti architectural. Elles sont aussi conditionnelles au bon déroulement et à la réussite de tous les aspects d’un projet. Selon l’IRAC (2009), de façon résumée, la phase pré-conceptuelle comprend entre autres les premières études spatiales, économiques et environnementales. C’est le moment de trouver des synergies contextuelles qui dépassent le programme statique. La phase esquisse comprend essentiellement l’évaluation du programme, du budget et l’élaboration des premiers croquis; la phase de conception préliminaire comprend la sélection des composantes du bâtiment : matériaux, structure, systèmes mécaniques et électriques, soit une conception suffisamment détaillée pour évaluer la performance, le cout et l’échéancier du projet. L’importance des phases initiales est ainsi soulignée, puisque les phases subséquentes, qui portent essentiellement sur le développement des détails, deviennent davantage techniques et que les décisions initiales deviennent plus difficilement modifiables.
18
Par ailleurs, un nouveau type de processus de conception serait en voie de succéder à la pratique architecturale traditionnelle, soit le processus de conception intégrée. Celui-ci est abordé par plusieurs études, qui concordent à dire que le processus traditionnel de conception est un processus linéaire où les professionnels interviennent souvent de façon successive, ce qui « limite les possibilités d’optimisation, si bien que lors des étapes ultérieures, l’optimisation cause des difficultés ou devient même impossible » (Larsson, 2004). Le processus de conception intégrée, mis au point en 1993 avec le programme C-2000 faisant la promotion de bâtiment de haute performance, propose de mettre en interaction les acteurs du projet plus tôt, afin de prendre en amont les meilleures décisions possibles en termes de développement durable. Les décisions prises dans ce processus se caractérisent notamment par un travail multidisciplinaire et transdisciplinaire qui implique d’autant plus le partage de connaissances et de notions à la fois systémiques et perceptuelles (Boivin, 2007). En effet, comme le note Boivin (2007), « [a]lors que les architectes travaillent avec l’espace et la matière, les ingénieurs travaillent en systèmes et par flux. ». L’amélioration de ces collaborations permettra donc d’accroitre, voire même d’optimiser, la performance non seulement du point de vue de la durabilité (optimisation des énergies renouvelables, de la consommation énergétique, de la qualité intérieure, etc.), mais aussi du point de vue de l’économie, de l’accessibilité universelle, de la productivité pour les occupants, de la préservation historique, de l’esthétique, de la fonctionnalité et de la sécurité (figure 19).
Figure 19 - Les objectifs de conception du processus de conception intégré relatifs à la haute performance du bâtiment (Reproduit et sous réserve de l’auteur : National Institute of Building Science, http://www.nibs.org/)
19 Enfin, les travaux de la sous-tâche B de la Tâche 41 incluent la production de trois rapports de recherche principaux. Le premier rapport présente une revue exhaustive des outils informatiques disponibles pour les architectes. La revue couvre la plupart des outils largement connus et utilisés par la communauté architecturale. Les outils étudiés ont été divisés en trois groupes, dont la liste est disponible à l’annexe 1 (Dubois, Horvat et al., 2010) :
les outils CAAO (conception architecturale assistée par ordinateur); les outils de visualisation;
les outils de simulation.
Ce rapport explique les principales fonctions de chaque outil, incluant les fonctions solaires. Le deuxième rapport présente les résultats complets d’une enquête internationale identifiant 1) les obstacles actuels empêchant les architectes d’utiliser les méthodes et les outils solaires ainsi que 2) les besoins des architectes concernant les méthodes et les outils d’aide à la conception et à l’intégration architecturale solaire (Horvat, Dubois et al., 2011). L’enquête internationale, en ligne du 3 mai 2010 au 25 octobre 2010, a permis de recueillir quelques 350 questionnaires internationaux dument remplis, dont 31 questionnaires canadiens. Enfin, le troisième rapport présente la fonctionnalité des méthodes et outils de conception solaire pour les architectes, en l’occurrence ceux du premier rapport (Horvat, Wall et al., 2012).
1.3.1 Constats
En premier lieu, la revue des outils de Dubois, Horvat et al. (2010) a permis de démontrer que peu d’outils CAAO offrent des analyses solaires puisqu’ils portent principalement sur la modélisation du bâtiment. Certains outils CAAO permettent des analyses solaires particulières, comme Allplan, ArchiCAD, DDS-CAD, MicroStation, Revit et Vectorworks. Le rapport a aussi permis d’illustrer que la plupart des outils de visualisation comprennent des algorithmes avancés ou très avancés pour évaluer l’effet de la lumière naturelle. Il n’est cependant pas clair que les algorithmes utilisés aient été validés. Aucun des outils de
20
visualisation étudiés n’inclut la prédiction des gains solaires passifs et peu de ces outils fournissent des données quantitatives comme peut le faire, par exemple, l’outil Flamingo, où l’intensité lumineuse est spécifiée en Watt. Enfin, les outils de simulation sont spécialisés selon différentes analyses solaires :
la prédiction des gains solaires passifs (bSol, DesignBuilder, DPV, Ecotect, EDGII, ENERGIEplaner, eQuest, l'IDA ICE, VE IES, LESOSAI, VisualDOE);
l’estimation de l’éclairage naturel (DAYSIM, DesignBuilder, Ecotect, eQuest, l'IDA ICE, VE IES);
le dimensionnement des systèmes solaires actifs (Polysun, PVsyst, RETScreen).
En deuxième lieu, l’enquête internationale de Horvat, Dubois et al. (2011) a démontré que plus de 80% des répondants canadiens et internationaux considèrent l’utilisation de l’énergie solaire comme une donnée importante dans un projet d’architecture. En contrepartie, l’enquête démontre que les projets intègrent rarement des systèmes solaires, démontrant ainsi un écart important entre la théorie et la pratique. À ce sujet, la figure 20 montre que seulement 22% (n=344) des répondants internationaux et 2% des répondants canadiens (n=43) intègrent des cellules photovoltaïques dans leurs projets d’architecture. La figure 21 montre que seulement 46% (n=346) des répondants internationaux et 12% des répondants canadiens (n=43) intègrent des systèmes solaires thermiques dans leurs projets d’architecture.
Figure 20 - Projets d’architecture comprenant des cellules photovoltaïques pour la production d’électricité, à l’international (n=344) et au Canada (n=43) (Horvat, Dubois et al., 2011)
21
Figure 21 - Projets d’architecture comprenant des systèmes solaires thermiques pour la production d’eau chaude, à l’international (n=346) et au Canada (n=43) (Horvat, Dubois et al., 2011)
De plus, les résultats indiquent que, de façon générale, les architectes qui intègrent la variable solaire le font par eux-mêmes, sans l’implication de spécialistes, dans les premières phases de conception, ce qui réitère l’importance des méthodes et des outils qu’utilisent les architectes dans les premières phases du processus de conception. Concernant les outils et les méthodes en question, les résultats de l’enquête indiquent que les architectes utilisent notamment les outils informatiques, les outils graphiques, les outils physiques, les guides contenant des lignes directrices et les méthodes approximatives (règles du pouce), appuyant une fois de plus la pertinence de cette recherche. Enfin, les résultats montrent que rares sont les architectes qui possèdent des compétences avancées dans l’utilisation des méthodes graphiques et des outils informatiques solaires :
seulement 30% (n=313) des répondants internationaux et 23% des répondants canadiens (n=40) ont considéré avoir des compétences très avancées ou avancées avec les méthodes graphiques de conception solaire (figure 22);
seulement 20% (n=306) des répondants internationaux et 15% des répondants canadiens (n=40) ont considéré avoir des compétences très avancées ou avancées avec les outils informatiques CAAO qui intègrent des fonctions solaires (figure 23);
seulement 20% (n=313) des répondants internationaux et 8% des répondants canadiens (n=40) ont considéré avoir des compétences très avancées ou avancées avec les outils solaires spécialisés (figure 24).
22
Figure 22 – Compétences des architectes perçues avec différentes méthodes graphiques solaires, à l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011)
Figure 23 - Compétences des architectes perçues avec différentes fonctions solaires intégrées aux outils CAAO, à l’international (n=306) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011)
Figure 24 - Compétences des architectes perçues avec différents outils solaires avancés, à l’international (n=313) et au Canada (n=40) (Horvat, Dubois et al., 2011)
Tout compte fait, les résultats de l’enquête internationale montrent que les outils et les méthodes de conception solaire sont souvent perçus comme étant complexes et difficiles à apprendre, ce qui peut décourager leur utilisation. L’importance de s’attarder à ces problèmes en vue d’augmenter le nombre d’utilisateurs et la fréquence d’utilisation de ces outils et méthodes se présente ici comme une évidence. Le prochain chapitre présente les différents systèmes solaires pouvant être intégrés à l’architecture.
23
2. ARCHITECTURE SOLAIRE
L’architecture solaire de haute qualité est une architecture qui intègre au mieux l’exploitation de l’énergie solaire dans le bâtiment afin d’y accroitre le confort des occupants ainsi que les performances environnementales (énergétiques, etc.), économique, social et des ambiances physiques architecturales (thermiques, visuelles, etc.) (Fernandez & Lavigne, 2009; Liebard, 2007). La qualité d’intégration architecturale dépend, entre autres, du contrôle et de la cohérence des systèmes solaires des points de vue fonctionnel, constructif et formel (esthétique) (Munari Probst et al., 2012). Pour y arriver, la variable solaire doit être manipulée avec soin lors de la conception d’un espace (Heschong, 1981) et doit être appréhendée comme un élément à part entière de la conception, au même titre que les différentes variables physiques, architecturales, urbanistiques et économiques. Andresen (2000) ajoute que la variable solaire doit faire partie des objectifs de conception et non seulement être liée aux objectifs de performance énergétique. Enfin, la variable solaire peut être intégrée architecturalement aux bâtiments pour différentes intentions, soit pour l’éclairage naturel, pour la production de chaleur utile et/ou pour la production d’électricité (figure 25).
Figure 25 - Types de systèmes solaires classés selon différents besoins pour le bâtiment 2.1 ÉCLAIRAGE NATUREL
L’éclairage naturel consiste à utiliser la lumière naturelle comme source lumineuse principale pour les occupants (figure 26). En plus de réduire la consommation énergétique de l’éclairage artificiel et de diminuer la densité de puissance installée (W/m2), les avantages de l’éclairage naturel sont nombreux. Il permet entre autres :
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de favoriser la santé et le bien-être des occupants (Osterhaus, 2005; Veitch, 2007); d’améliorer le confort des occupants, de stimuler le système visuel et circadien
humain puisqu’« un confort trop stable peut être ennuyeux et que des variations sont parfois les bienvenues » (Roulet, 2004);
d’influencer l’humeur, la motivation, la réponse biologique, la productivité et le stress (Boyce, 2003; Küller, 2002; Lucuik (2005); Marty et al., 2003; Menzies et Wherrett, 2005).
Figure 26 - Exemple d’éclairage naturel omniprésent pour les occupants (Haut : Altius Architecture Inc, Bas : Binette et Binette architectes)
Puisque l’éclairage naturel varie constamment, son utilisation constitue un réel défi pour l’architecte. Ce dernier doit notamment établir des stratégies pour limiter les risques
25 d’éblouissement, de réflexions indésirables sur les écrans d’ordinateur, etc. Selon Demers (2003), les principes fondamentaux de l’éclairage naturel sont :
le contexte (nature); le volume (accès);
les ouvertures (modulation); les surfaces (matérialisation).
Le contexte comprend les caractéristiques climatiques du site selon le climat, la latitude, le type de ciels, la présence de neige et les obstructions externes. Le volume concerne la forme et la largeur du bâtiment pour y optimiser l’éclairage naturel. Les ouvertures doivent ensuite être modulées afin de privilégier la vue sur le ciel, en s’attardant à la forme, à la position et au pourcentage des ouvertures en façade (ratio d’opacité et de transparence). En ce qui a trait aux ouvertures, il importe de savoir que les occultations solaires contribuent efficacement à contrôler l’éclairage naturel et à éviter l’éblouissement (Littlefair, 1999). En effet, le phénomène de l’éblouissement pourrait diminuer la productivité de 15 à 21%, suite à une exposition trop intense de lumière susceptible de créer des contrastes lumineux inconfortables (Lucuik, 2005). Enfin, les surfaces concernent le choix des réflectances des matériaux utilisés afin d’optimiser les diffusions internes. La figure 27 présente un exemple de système d’éclairage naturel qui, en plus d’être alimenté par l’énergie solaire, est utilisé pour limiter le phénomène d’éblouissement (qui est bien important de contrôler car cette solution peut aussi engendrer des problèmes d’éblouissement puisque la lumière naturelle est redirigée vers l’œil des visiteurs). Le système comprend neuf ballons qui se déploient, si nécessaire, en fonction de la chaleur reçue. Le système permet donc de diffuser la lumière lorsque le soleil y est trop intense.
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2.2PRODUCTION DE CHALEUR UTILE
Plusieurs systèmes solaires peuvent être intégrés architecturalement aux bâtiments pour produire de la chaleur utile. Ces systèmes peuvent être catégorisés en deux groupes distincts, soit passifs ou actifs (figure 28). Le solaire thermique passif ou "chauffage solaire passif" consiste à utiliser l'énergie solaire le plus simplement possible, sans avoir recours à une mécanique particulière, pour chauffer le bâtiment par "effet de serre". Le solaire thermique actif consiste à utiliser l’énergie solaire en ayant recours à des systèmes actifs (mécaniques) qui convertissent l’énergie solaire en énergie thermique pour produire de la chaleur utile. Le solaire thermique passif et actif demeurent des volets particulièrement importants pour les architectes, puisqu’ils sont directement liés à la conception architecturale et donc au travail qui les concerne en propre, notamment aux premières phases de conception.
Figure 28 - Le solaire passif et actif (Reproduit et sous réserve de l’auteur : LIÉTARD et al., 1996)
2.2.1 Le solaire thermique passif
Le solaire thermique passif ou chauffage solaire passif est l’utilisation des gains solaires passifs pour chauffer le bâtiment en saison froide. En plus de réduire la consommation énergétique du chauffage, les avantages du chauffage solaire passif sont nombreux. Selon Heschong (1981), il permet entre autres :
