VENTILATION ET CLIMATISATION
Install Magazine 981 – février 2022

L’utilisation d’eau de pluie comme élément dans une architecture à l’épreuve du climat

Le changement climatique se fait également ressentir dans nos régions. Nous pouvons nous adapter aux effets de celui-ci, à l’aide de quelques techniques simples. Le refroidissement des bâtiments avec de l’eau de pluie en est une. L’Institut fûr Physik à l’Université Humboldt de Berlin Adlershof étudie depuis plus de 20 ans déjà diverses variantes de cette technique. Un certain nombre d’entre-elles sont déjà appliquées dans la pratique avec succès.

Tout le monde se rappelle des pluies diluviennes du mois de juillet dernier, alors que nous avons connu des périodes de sécheresse en 2018 et 2019. De tels phénomènes extrêmes sont de plus en plus fréquents. En réduisant la problématique climatique aux émissions de CO₂, on a négligé l’importance de l’eau dans les processus climatiques locaux et globaux. A l’échelle mondiale, environ la moitié du rayonnement solaire est absorbé par l’évaporation de l’eau. L’évolution dans l’utilisation des terres et une perte globale de surfaces végétalisées de 800 km² par jour dans le monde ont des conséquences sur le cycle hydrologique sur terre. Le climat local est essentiellement déterminé par l’évaporation de l’eau. Les périodes de sécheresse ont souvent des causes locales. Une sécheresse qui dure des mois est également synonyme d’augmentation des températures. D’après des études, de 42 à 45% du rayonnement solaire total serait consommé par l’évaporation de l’eau.

Protection climatique low-tech

Il convient donc de protéger le climat local en restaurant le cycle hydrologique. Seule une goutte qui peut être évaporée naturellement, se transformera à nouveau en pluie pour refroidir l’environnement. Parmi les méthodes locales importantes, citons la réutilisation des eaux usées pour l’arrosage, le recyclage des eaux grises et l’utilisation de l’eau de pluie. On doit tenir compte de ces aspects dans la construction neuve et dans les rénovations profondes. Si, par exemple, aucun second réseau de conduites pour l’eau de pluie n’est prévu dès le début, il sera dès lors difficile voire impossible de corriger cela en cas de rénovation éventuelle.

Après quelques expériences peu réussies avec des systèmes high-tech, les solutions low-tech ont de plus en plus la cote : façades vertes en lieu et place des pare-soleil, et du refroidissement à l’aide d’eau de pluie au lieu de faire appel à un système à compresseur. Les systèmes décentralisés allègent la charge sur les réseaux énergétiques et sont plus résistants au climat que les systèmes centralisés.

Refroidir des bâtiments à l’aide d’eau de pluie

Une des études les plus importantes en matière d’utilisation d’eau de pluie décentralisée pour un refroidissement éco-énergétique se déroule dans le bâtiment de l’Institut fûr Physik de l’Université Humboldt de Berlin Adlershof. Depuis que ce bâtiment a été mis en service en 2003, la TU Berlin y étudie le rendement de trois refroidisseurs différents. On étudie aussi l’effet de 450 plantes grimpantes par rapport à des pare-soleil traditionnels. Les frais de fonctionnement sont également repris dans l’évaluation.

Les installations frigorifiques conventionnelles sont habituellement basées sur un cycle de compresseur et consomment donc de l’électricité. On restitue plus de chaleur dans l’air extérieur qu’on ne produit de froid : chaque kWh d’électricité consommé se traduit automatiquement par un kWh de production de chaleur. Ce qui renforce le réchauffement climatique local et conduit à l’effet dit d’îlot de chaleur. Le refroidissement adiabatique de l’air évacué fonctionne de manière totalement différente. Ici, de l’eau est vaporisée dans l’air évacué, alors que l’air se trouve encore dans le bâtiment. L’air ainsi refroidi arrive dans l’échangeur de chaleur qui est utilisé en hiver pour réchauffer l’air entrant et le refroidir en été. Une autre variante est l’utilisation de refroidisseurs avec un cycle à absorption. Ceux-ci peuvent par ex. utiliser en été la chaleur résiduelle des systèmes de cogénération pour produire du froid.

Si on compare les coûts de fonctionnement des systèmes frigorifiques conventionnels, le refroidissement adiabatique à l’aide d’eau de pluie est alors imbattable : il suffit en effet de quelques circulateurs. Même si on utilise de l’eau potable à la place de l’eau de pluie (gratuite), les frais supplémentaires dus à la consommation d’eau sont encore très raisonnables. Une installation avec compresseur a une consommation de courant bien plus élevée par kWh, et pour ce qui est du refroidissement à absorption, dont un exemple est étudié sur le site d’Adlershof, les coûts sont encore considérablement supérieurs à ceux d’un compresseur. Pour déterminer le coûts de fonctionnement, il convient de mesurer le rendement avec précision, par rapport aux coûts réels du courant, de l’eau et du réseau de chaleur. Abstraction faite, dans ce cadre, de l’entretien et d’éventuelles réparations.

Des systèmes pour refroidissement adiabatique de l’air évacué sont disponibles chez tous les grands fournisseurs de techniques d’aération. Ils peuvent également être utilisés dans de plus petits bâtiments. Afin de garantir l’hygiène, il faut prendre certaines mesures. On doit tout d’abord veiller à avoir les bonnes pressions différentielles dans l’échangeur de chaleur : l’air frais doit être en surpression par rapport à l’air évacué. Autre possibilité : les systèmes indirects avec un circuit hydraulique distinct entre l’air entrant et l’air évacué, avec à chaque fois des échangeurs de chaleur distincts. Cette méthode de refroidissement sera appliquée dans l’hôpital universitaire de Francfort, afin d’évacuer efficacement les gains thermiques internes élevés en été.

Refroidissement par évaporation à l’aide de façades vertes

Dans l’Institut für Physik, on a aussi étudié l’effet des façades vertes. Les plantes grimpantes poussent aussi bien dans le sol, naturellement, que dans 150 bacs à plantes installés sur la façade, avec des systèmes d’arrosage à l’eau de pluie. Ce système permet aussi de surveiller la consommation d’eau exacte par jour. On a ainsi, en été, un effet de refroidissement moyen de 280 kWh par jour par façade. De l’étude, il ressort que cela garantit non seulement un meilleur microclimat dans l’environnement immédiat, mais que cela permet aussi d’économiser 25% d’énergie primaire et que cela diminue de moitié le besoin de recourir à du refroidissement conventionnel. Les frais de fonctionnement sont par ailleurs largement inférieurs. En moyenne, l’université de Berlin paie environ 16.525 euros par an pour des réparations et l’entretien de pare-soleil conventionnels. Avec des façades vertes, les coûts s’élèvent à seulement 1.300 euros pour l’arrosage, l’engrais et l’élagage.

De par ses performances élevées et le faible investissement, il s’agit clairement d’une solution win-win. Pourtant, la technique reste encore assez méconnue. Les performances des façades vertes en termes d’économies d’énergie devraient ainsi pouvoir être valorisées dans les règlements de performance énergétique.

La figure 5 montre une comparaison pour le chauffage et le refroidissement d’un complexe de bureaux orienté sud, sur base de mesures et de simulations. Les trois premiers diagrammes à barres sont le résultat d’une simulation en TRNSYS pour le bâtiment, avec ou sans pare-soleil. Les diagrammes 4 et 5 montrent de leur côté l’ombrage mesuré du bâtiment à Adlershof. Les résultats des pare-soleil à commande automatique correspondent en général aux valeurs mesurées. On notera le bon score inattendu de la façade verte en comparaison avec le pare-soleil conventionnel (diagramme à barres 5).

Projets à Hambourg

Avec un programme de soutien pour toitures vertes et façades vertes, Hambourg fait figure de pionnier en Allemagne. Il y a aujourd’hui deux projets en préparation ou à peine démarrés. Sur le campus de recherche DESY, le Halle 36 a été mis en service en mai 2021. Un bâtiment zéro émission est également en phase de conception à Hambourg. Les deux projets recourent à l’utilisation de l’eau de pluie pour l’arrosage d’une façade verte, qui non seulement refroidit le bâtiment même, mais crée de plus un microclimat agréable.

Réferences

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BUKEA 2021: Behörde für Umwelt, Energie, Klima und Agrarwirtschaft (Hamburg), www.hamburg.de/gruendach/15087716/pilotprojekt-vorher-nachher/ (c) BUKEA, L+ Landschaftsarchitektur, Visualisierung: luminousfields (ZIP, 31,3 MB), Desy Halle 36, Download DESY Halle 36: Vision 2

Kravčík, M.; J. Pokorný, J. Kohutiar, M. Kováč, E. Tóth (2007): “Water for the Recovery of the Climate – A New Water Paradigm”. Publisher Municipalia. http://www.waterparadigm.org/

Matzinger, A. et. al. 2017: KURAS-Leitfaden der zielorientierten Planung von Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung. 142 S.; www.kuras-projekt.de

SenStadt 2010: Konzepte der Regenwasserbewirtschaftung – Gebäudebegrünung, Gebäudekühlung. Leitfaden für Planung, Bau, Betrieb und Wartung. 72 S. Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, www.stadtentwicklung.berlin.de/bauen/oekologisches_bauen

Trenberth, K.E., J.T. Fasullo, J. Kiehl (2009): Earth’s global energy budget. Bulletin American Meteorological Society, 90, No. 3, S. 311-324.

TU Berlin 2014: HighTech-LowEx: Energieeffizienz Berlin Adlershof 2020 - Abschlussbericht Teil 8 Energieeffiziente Gebäude. BMWi EnEff: Stadt, Förderkennzeichen 03ET1038A und B. 258 S.

Par: Marco Schmidt (TU Berlin)