Façade est .

Façade nord.

Façade sud.

Résumé

Le centre administratif de Powergen (compagnie de production d’électricité en Angleterre) se situe à Westwood, dans un site suburbain à proximité de Coventry. Il regroupe principalement des bureaux paysagers, sur trois niveaux, autour d’un atrium, ainsi que des salles de réunion et de conférence, une cafétéria et des locaux techniques.
Dans les bureaux paysagers, une ventilation naturelle (donc gratuite) de jour et/ou de nuit est organisée pour limiter la température intérieure en été et en mi-saison.
L’air entre par les fenêtres supérieures des bureaux, et est extrait par les fenêtres hautes de l’atrium. L’ouverture et la fermeture de ces fenêtres sont commandées automatiquement en fonction des conditions extérieures et intérieures.

  • En mi-saison, le refroidissement des locaux se fait par ventilation diurne, l’air extérieur étant plus frais que l’air intérieur.
  • En été, le refroidissement des locaux se fait principalement par ventilation nocturne. Les dalles de plafond en béton sont refroidies pendant la nuit par l’air frais extérieur. En journée, ces dalles agissent comme des « radiateurs de froid ».

Pour que le refroidissement par ventilation soit efficace, il a fallu réduire les apports du bâtiment.

  1. Limitation de l’éclairage artificiel : 
    • L’apport de lumière naturelle de l’atrium permet de limiter le besoin en éclairage artificiel.
    • Les luminaires installés ont un très bon rendement et sont groupés, par plateau, en fonction de l’éclairage naturel disponible.
    • Une gestion automatique de l’éclairage artificiel permet d’éviter les gaspillages.
  2. Les équipements informatiques les plus importants (serveurs, imprimantes laser, etc.), ainsi que les photocopieuses, sont regroupés dans des locaux séparés, refroidis séparément.
  3. Les apports solaires sont limités grâce à des pare-soleil fixes sur la façade sud et des stores extérieurs sur les façades du volume vitré et sur les vitrages inclinés de l’atrium.

D’autres équipements URE sont prévus sur le reste des équipements. Par exemple :

  • En hiver, une ventilation mécanique complémentaire assure l’apport d’air hygiénique et le chauffage des bureaux paysagers. L’air est pulsé par des bouches de sol intégrées dans les faux-planchers, et extrait par 4 grandes bouches dans la partie supérieure de l’atrium. L’air extrait est récupéré jusqu’à concurrence de 90 % pour limiter la consommation d’énergie de chauffage.
  • Tout au long de l’année, les locaux à fortes charges internes (cuisine de la cafétéria, locaux avec ordinateurs, photocopieuses, etc.) sont refroidis mécaniquement. Tant qu’elle peut être utile dans le bâtiment, la chaleur dispersée au condenseur de la machine frigorifique est récupérée pour le préchauffage de l’air ou le chauffage de certains locaux.

Résultats

La ventilation naturelle permet de maintenir la température intérieure 3°C en dessous de la température extérieure et la consommation du bâtiment est inférieure de 20 % par rapport à celle du bâtiment voisin, de même type et équipé d’air conditionné.

Description

Powergen est une compagnie de production d’électricité en Angleterre. Son centre administratif se situe à Westwood, dans un site suburbain à proximité de Coventry.

Construit en 1994, le bâtiment est rectangulaire, étroit, orienté nord-sud, et a une surface brute totale de 13 600 m² sur 3 niveaux (12 700 m² net), pour une occupation d’environ 600 personnes. Dans le volume principal, chaque niveau réunit deux plateaux de 12 m de profondeur de chaque côté d’un grand atrium, chaque plateau étant divisé en 2 zones de bureaux paysagers. À l’est, un volume vitré regroupe le hall d’entrée, la salle de conférence et la cafétéria. À l’ouest sont concentrés les locaux techniques et informatiques.

Refroidissement par ventilation naturelle

La particularité de ce bâtiment réside dans le mode de refroidissement des bureaux paysagers, par ventilation naturelle, diurne en mi-saison et nocturne en été. La ventilation est organisée grâce à des fenêtres commandées automatiquement et permet de limiter la température intérieure grâce à l’inertie du bâtiment.

Principe de fonctionnement

Ventilation naturelle.

Le principe de ventilation combine la ventilation transversale, d’une façade à l’autre (à partir d’une vitesse de vent de 2.5 à 3 m/s), et la ventilation par effet de cheminée utilisant l’atrium.

L’air est introduit par les fenêtres des bureaux. Celles-ci sont divisées horizontalement en trois parties : les fenêtres des deux rangées inférieures sont commandées manuellement pour une ventilation locale au niveau des occupants, et les fenêtres de la rangée supérieure sont commandées automatiquement pour la ventilation globale de jour ou de nuit.

L’air est extrait par les fenêtres hautes de l’atrium, autour de la coursive du quatrième niveau qui sont également commandées automatiquement.

 

Fenêtre des bureaux :

  • les grandes fenêtres des rangées inférieures sont ouvertes manuellement,
  • les petites fenêtres de la rangée supérieure sont commandées par la GTC

 

Au 4 ème niveau, fenêtres hautes d’extraction, commandées par la GTC.

Une gestion technique centralisée (GTC) commande l’ouverture et la fermeture de ces fenêtres en fonction des températures extérieures et intérieures, ainsi que de la vitesse du vent et de la nébulosité. Elle intervient également dans la gestion de l’éclairage, du chauffage et du refroidissement, ainsi que dans la gestion des stores extérieurs.

Enfin, les dalles de plafond en béton, apparentes et de forme particulière, permettent un refroidissement efficace et confortable par ventilation.

L’absence de faux plafond permet l’accessibilité de la masse thermique aux charges internes. Elles fournissent donc une certaine inertie thermique au bâtiment. Celle-ci est particulièrement importante pour le refroidissement en été par ventilation nocturne : les charges internes de la journée sont stockées dans la dalle et évacuées la nuit par l’air frais extérieur de ventilation. La journée suivante, la dalle rafraîchie agit comme un « radiateur de froid ».

Les dalles présentent des creux de section elliptique qui guident l’air perpendiculairement aux façades et permettent d’éviter les courants d’air froid au niveau des occupants en ventilation diurne. Ces creux reçoivent un élément technique suspendu regroupant les équipements de plafond : luminaires, capteurs d’éclairement, détecteurs et alarmes incendie, sprinklers, et un absorbant acoustique.

Dalle de plafond.

Régulation de la ventilation

Ventilation nocturne

L’ouverture de toutes les fenêtres supérieures des bureaux et des fenêtres verticales de l’atrium (« 4 ème niveau ») est commandée par la GTC lorsque les conditions suivantes sont réunies :

  1. la température moyenne des bureaux à la fin de la journée dépasse 23°C,
  2. la température extérieure maximale de la journée dépasse 21°C,
  3. le système de chauffage est coupé.

Les fenêtres sont refermées, zone par zone, dès que la température des bureaux de la zone est redescendue à 18°C ou est inférieure ou égale à la température extérieure.

Certaines fenêtres sont également refermées en cas de pluie ou en fonction de la vitesse du vent :

  • En cas de pluie, les fenêtres de la façade face au vent sont fermées.
  • Si la vitesse du vent dépasse 5 m/s, les fenêtres sur la façade au vent sont progressivement refermées pour être complètement fermées quand la vitesse du vent atteint 15 m/s; au-dessus de 20 m/s, les fenêtres de l’autre façade sont également refermées.

Ventilation diurne

Quand le chauffage fonctionne, les fenêtres de bureau de la rangée supérieure sont fermées. Les occupants ont néanmoins la liberté d’ouvrir manuellement les fenêtres des deux rangées inférieures.

Quand le chauffage ne fonctionne pas, et que la température d’une zone dépasse 23°C, les fenêtres hautes de cette zone sont ouvertes automatiquement ainsi que les fenêtres de l’atrium qui leur font face. Les fenêtres sont refermées si la température extérieure est supérieure à la température intérieure et si la vitesse du vent est trop importante (2.5 m/s pour la façade au vent et 5 m/s pour l’autre)

Mesures prises pour limiter les charges internes

Pour que le refroidissement par ventilation garantisse un confort correct dans le bâtiment, les charges internes ont dû être limitées.

Apports internes

Éclairage

L’apport de lumière naturelle de l’atrium permet de limiter le besoin en éclairage artificiel.

 

Les luminaires suspendus sont conçus de façon à maximaliser le rendement de l’éclairage : 95 % de la lumière est dirigée vers le bas, et seulement 5 % vers le haut; ces 5 % sont récupérés par le local sous forme de lumière diffuse par réverbération dans les creux elliptiques de la dalle. Ils comportent chacun un tube fluorescent de 36 W (T8) et des lampes fluorescentes compactes biaxiales (2L) avec ballast électronique haute fréquence.

Pour augmenter la souplesse de gestion de l’éclairage, les luminaires sont groupés, par plateau, de chaque côté de l’atrium, en trois zones longitudinales :

  1. extérieure, près des façades vitrées,
  2. centrale, au milieu du plateau de bureau,
  3. intérieure, côté atrium.

On peut donc par exemple éteindre les luminaires près de la fenêtre où l’éclairage naturel suffit et les allumer plus en profondeur dans le bâtiment.

Luminaires intégrés dans les équipements suspendus.

Une gestion centralisée de l’éclairage artificiel en fonction des horaires élimine les gaspillages en dehors des heures d’occupation. De plus, l’éclairage est régulièrement éteint suivant les indications des détecteurs de présence. Enfin, certaines zones sont gérées en fonction de l’éclairage naturel disponible : bureaux proches des fenêtres extérieures, atrium, parkings et jardins. La possibilité de régler le niveau d’éclairement est néanmoins laissée aux occupants. L’économie réellement réalisée sur l’éclairage n’est donc pas aussi importante qu’elle ne pourrait l’être théoriquement.

Dans les salles de réunion, la commande de l’éclairage est manuelle.

À l’encontre de ces mesures, des arbres à l’intérieur de l’atrium sont éclairés par éclairage artificiel en dehors des heures de bureau (de 0h00 à 6h00) car ils ne reçoivent pas suffisamment de lumière naturelle. Cet apport d’énergie non indispensable est sans doute critiquable au niveau consommation d’énergie, mais il prouve qu’on peut faire des bâtiments à faible consommation énergétique tout en se permettant certaines « fantaisies architecturales ».

Arbres éclairés une partie de la nuit, dans l’atrium.

Equipements de bureau

Les équipements informatiques les plus importants (serveurs, imprimantes laser, etc.), ainsi que les photocopieuses, sont regroupés dans des locaux séparés, en dehors des bureaux paysagers. On peut donc traiter ces locaux séparément et diminuer la charge interne des bureaux.

Remarque : une étude sur la puissance réelle des équipements de bureaux type utilisés par Powergen a été réalisée. Les puissances relevées se sont révélées bien inférieures aux chiffres habituellement utilisés pour le dimensionnement des équipements de climatisation : environ 7 W/m² de bureau contre 30 W/m². Par mesure de sécurité, la valeur utilisée pour les simulations et le dimensionnement est de 14 W/m².

Apports solaires

Différents éléments participent à la limitation des apports solaires :

> L’orientation nord/sud des façades principales du bâtiment limite le problème posé par les apports de chaleur dus à l’ensoleillement :

  • Il n’y a pas d’apports sur la façade nord.
  • La façade sud, exposée à un soleil haut, peut être protégée efficacement par des éléments fixes.

> Les pare-soleils fixes de la façade sud : grilles métalliques horizontales.

Auvents métalliques fixes sur la façade sud.

> Les stores intérieurs déroulants :

  • Complètent les auvents dans leur le rôle de protection contre les apports de chaleur en façade sud.
  • Permettent d’éviter l’éblouissement des utilisateurs sur les deux façades.

Stores intérieurs déroulants.

> On trouve des stores extérieurs autour du volume vitré à l’est du bâtiment, ainsi que sur les vitrages inclinés de l’atrium.

  • Le volume est du bâtiment, reprenant le hall d’accueil, la cafétéria et la salle de conférences, est protégé par des stores déroulants sur les façades sud et est. Ils sont abaissés et remontés automatiquement en fonction de l’ensoleillement, du vent et des intempéries.

 

Stores extérieurs en façade est et sud,
pour protéger la cafétéria des apports solaires.

Volume vitré à l’est du bâtiment.

  • Les vitrages inclinés de l’atrium sont orientés au sud et sont protégés par des stores extérieurs à lamelles. Leur position sur la longueur du bâtiment est modifiée manuellement selon les saisons.

Stores extérieurs à lamelles au-dessus des vitrages
de l’atrium inclinés, orientés au sud.

Équipements

Ventilation

Une ventilation mécanique complémentaire assure :

  1. l’apport en air hygiénique,
  2. une partie du chauffage des bureaux en hiver,
  3. un apport de froid limité pour les journées de forte chaleur.

Le système de ventilation mécanique est divisé en 4 réseaux, chacun desservant le quart du bâtiment sur ses trois niveaux. L’air est préparé dans 4 locaux techniques, situés aux 4 coins du dernier étage. Il est pulsé par des bouches de sol intégrées dans les faux planchers (diamètre d’environ 25 cm), et extrait par 4 grandes bouches dans les parois des locaux techniques (environ 4 m²). Pour limiter la consommation d’énergie destinée au chauffage des bureaux, l’air extrait est récupéré jusqu’à concurrence de 90 %.

 

Bouches de pulsion et grille d’extraction intérieures.

Vue extérieure d’un des locaux de préparation de l’air,
avec sa grille de reprise et d’extraction d’air.

Chauffage

Le chauffage des bureaux est assuré par :

  1. le chauffage de l’air pulsé (batteries à eau dans les groupes de préparation de l’air, et post-chauffe électrique par étage),
  2. des résistances électriques de faible puissance sous les fenêtres,
  3. la dissipation de la chaleur du condenseur de la machine frigorifique dans les radiateurs de l’atrium.

L’atrium (lieu de réunion) et le hall d’entrée sont chauffés par le sol, la cafétéria est chauffée par des radiateurs traditionnels. Les salles de réunions sont chauffées et refroidies par des ventilo-convecteurs.

Remarque : Le chauffage est dimensionné pour un fonctionnement quasi continu, et tient compte des apports internes; Le bâtiment connaît donc un problème de relance en cas de fermeture exceptionnelle du bâtiment pendant un congé prolongé. Par exemple, lors de la semaine de congé à l’occasion du passage à l’an 2000 (fermeture exceptionnelle), les équipements n’ont été stoppés que quelques jours. Le chauffage a été relancé dès le milieu de la semaine de congé.

Refroidissement

Les locaux à fortes charges internes (cuisine de la cafétéria, locaux avec ordinateurs, photocopieuses, etc.) sont refroidis mécaniquement par des unités de traitement d’air une grande partie de l’année.

Les bureaux sont refroidis par ventilation naturelle comme décrit ci-dessus. En complément, pour les quelques journées les plus chaudes de l’année (utilisé jusque maintenant environ 5 jours par an), l’air pulsé dans les locaux peut être refroidit par une batterie à eau.

Préparation de chaleur et de froid

La boucle d’eau chaude peut prendre sa chaleur à trois sources différentes :

  1. récupération de chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique,
  2. pompe à chaleur air/eau qui prépare de l’eau à basse température,
  3. chaudière au mazout pour les besoins exceptionnels de pointe.

Exemples.

  1. Lorsqu’il fait chaud, et qu’une ventilation naturelle est organisée, l’eau de refroidissement du condenseur de la machine frigo est utilisée pour chauffer l’eau sanitaire, et est ensuite refroidie dans les radiateurs de l’atrium. Ces radiateurs chauffent l’air devant les fenêtres d’extraction, pour améliorer l’effet de tirage et favoriser la ventilation. Le reste de la chaleur est évacuée dans des refroidisseurs à air.
  2. Quand des demandes de chaleur apparaissent, l’eau chauffée au condenseur sert :
    • au chauffage de locaux comme la cafétéria, la partie inférieure de l’atrium, le hall d’entrée, etc..,
    • au chauffage de l’air pulsé dans les bureaux,
    • au chauffage de la partie haute de l’atrium pour empêcher les coulées de froid.

Lorsque la demande de chaud augmente, la pompe à chaleur air/eau est mise en fonction et produit de l’eau à basse température qui vient en complément de l’eau du condenseur. Enfin, en cas de forte demande, la chaudière peut également fournir de la chaleur.

 

Equipement techniques extérieurs.

Radiateurs sous les fenêtres d’extraction de l’atrium : ils empêchent les « coulées de froid » en hiver, et favorisent l’effet de tirage quand les fenêtres sont ouvertes.

Encombrement du système

Le système de ventilation mécanique prend peu de place :

  • Il n’y a pas de gainage de reprise d’air grâce à l’atrium.
  • Les gaines de pulsion sont peu encombrantes : 4 gaines verticales aux 4 coins du bâtiment, le gainage horizontal de pulsion est inclus dans le faux plancher (hauteur de 45 cm, et il n’y a pas de gainage d’extraction, celle-ci étant réalisée via l’atrium.

L’installation pour le refroidissement mécanique est moins importante que dans un bâtiment climatisé.

Néanmoins, le 4 ème niveau (le niveau a une surface réduite par rapport au trois premiers niveaux puisqu’il se résume à une coursive) et l’atrium ont un encombrement non négligeable. Mais l’atrium participe également à l’apport de lumière naturelle, à l’aspect architectural global et au fonctionnement du bâtiment.

Le bilan comparatif du point de vue encombrement entre un bâtiment climatisé et ce bâtiment est donc difficile à faire.

Confort et sécurité

Températures

La ventilation naturelle permet de maintenir la température intérieure 3°C en-dessous de la température extérieure. Cela s’est vérifié même durant l’été très chaud de 1995.

Confort acoustique

Les éléments techniques suspendus aux plafonds ont des « ailes » qui sont des absorbants acoustiques. La forme elliptique des creux dans le plafond focalise les ondes sonores vers ces absorbants.

De plus, dans les zones où apparaît une source de bruit importante, une onde est diffusée pour noyer ce bruit, sorte de « bruit de fond parasite » non perceptible. Les diffuseurs, comme les autres éléments techniques de plafond, sont intégrés dans les éléments complexes suspendus.

Sécurité incendie

Le concept d’un seul et même espace pour la quasi-totalité du bâtiment est en principe contraire à la réglementation incendie en vigueur dans notre pays. En Belgique, chaque étage doit être séparé par des cloisons Rf 1 ou 2 heures en fonction des cas. Cependant, la nouvelle législation belge (AR de 97) prévoit la possibilité de contourner cette exigence si des moyens adéquats sont prévus pour assurer le désenfumage. Appliquer le concept de ce bâtiment chez nous demande donc une étude approfondie de la sécurité incendie, étude qui devra être approuvée par les pompiers. Il faudra, par exemple, être attentif à ne pas utiliser les balcons comme chemin d’évacuation, peut-être prévoir des écrans de fumée automatiques entre les étages, étudier correctement le désenfumage (amenée d’air de compensation, fermetures automatiques des amenées d’air naturelles, …), … En gros, il faudra convaincre les pompiers !

Dans l’exemple présenté ici, les équipements de sécurité incendie sont les suivants :

  • nombreux escaliers de secours extérieurs (trois par façade),
  • détecteurs de fumée,
  • système d’alarme incendie relié aux centrales de préparation d’air et aux commandes des fenêtres,
  • sprinklers.

En cas d’incendie, les fenêtres automatiques au niveau des bureaux sont fermées, le système de ventilation est coupé, mais les fenêtres hautes de l’atrium sont ouvertes pour évacuer les fumées.

 

Escaliers de secours sur la façade sud .

Coût et consommation

Coût global de 900 £/m² (hors mobilier de bureau) (environ 1 404 €/m²), soit parmi les plus bas pour un tel type de bâtiment de bureaux.

Coûts relatifs

£/m²

%

Fondations

19.5

2.2

Structure

383.9

42.6

Finitions internes

74.4

8.3

Mobilier

10.4

1.1

Équipements techniques

348.7

38.7

Divers

63.7

7.1

TOTAL

900.6

100

La consommation du bâtiment peut être comparée avec celle du bâtiment voisin, équipé d’air conditionné. Il est nouveau, de même type d’architecture et de même type d’occupation. La consommation annuelle au m² du bâtiment ventilé naturellement est inférieure de 20 % à celle du bâtiment conditionné.

Remarque : ce nouveau bâtiment, occupé pour le moment par Powergen, risque d’être loué ou revendu à plus ou moins long terme. C’est pour cette raison que le choix a été fait de le construire de façon plus traditionnelle, et de l’équiper d’air conditionné.

Nouveau bâtiment de Powergen.

Commentaires

Il semble que le choix de conception d’un bâtiment « basse énergie » résulte plus d’un souci d’image de marque de la société que d’une préoccupation énergétique.

Vont notamment à l’encontre de cette préoccupation énergétique

  • L’éclairage la nuit des arbres de l’atrium.
  • Le pompage de l’eau des étangs extérieurs pour maintenir les chutes entre les mares construites à différents niveaux.

 

Malgré tout, le bâtiment fonctionne bien : la consommation est inférieure à celle d’un bâtiment conditionné, les occupants semblent satisfaits, et l’aspect architectural n’a pas été négligé.

Il faut noter deux éléments importants qui ont permis la réalisation d’un tel projet, et qui font qu’il ne peut être généralisé partout :

  • L’organisation des bureaux est essentiellement paysagère, cette organisation ne peut convenir à tous les bâtiments.
  • Le site suburbain permet l’ouverture des fenêtres sans gêne pour les utilisateurs (bruit, pollution,…).

Remarque : si l’implantation sur un site à l’extérieur de la ville permet une ventilation naturelle de jour, elle entraîne une consommation en déplacements. Cet aspect devrait entrer dans une réflexion plus globale.

Conclusion

Avec des aménagements pour respecter la législation incendie en Belgique (ou des négociations…), la ventilation naturelle de bureaux paysagers dans des sites suburbains est une bonne solution pour diminuer la consommation d’énergie d’un bâtiment.

  • Architectes : Bennetts Associates
  • Ingénieurs stabilité : Curtins Consulting Engineers
  • Ingénieurs techniques spéciales : Ernest Griffith & Son Consulting Engineers

Le Queen’s Building est un bâtiment de la faculté d’ingénieur de l’université de Montfort regroupant auditoires, salles de cours, bureaux, laboratoires et ateliers. Les gestionnaires du bâtiment l’ont voulu faible consommateur d’énergie. Il a donc été conçu pour :

  1. limiter la consommation due à l‘éclairage artificiel :L’enveloppe du bâtiment est pensée pour apporter un maximum d’éclairage naturel à tous les locaux, soit directement par des fenêtres en façade et en toiture, soit indirectement par des fenêtres intérieures donnant sur l’atrium central.Une étude complète de l’éclairage artificiel a été réalisée afin de limiter la puissance installée au minimum nécessaire.
  2. Eliminer les consommations de refroidissement et de ventilation.Les apports calorifiques d’été sont limités par la protection de certaines ouvertures extérieures.Une ventilation naturelle est organisée dans tout le bâtiment : l’air est introduit par les fenêtres et extrait, selon les locaux, par des fenêtres (en façade ou en toiture), ou par des cheminées. Dans un souci de simplicité, les équipements accessibles sont commandés manuellement. La ventilation est exclusivement diurne pour l’ensemble des locaux à l’exception des auditoires dans lesquels une ventilation nocturne est également organisée. L’inertie thermique du bâtiment combinée à cette ventilation permet de réduire la température de pointe en été.

Ces moyens ont réellement permis de limiter la consommation annuelle moyenne à 145 kWh/m², ce qui est un très bon résultat pour ce type de bâtiment en Angleterre.
Pour découvrir le fonctionnement du bâtiment, consultez les détails du projet.