L'optimisation d'un projet immobilier à la fois au niveau énergétique et économique est possible en recourant aux modèles de simulation dynamiques. Cette modélisation présente de multiples avantages par rapport aux méthodes de calcul statiques. Le bureau d'études 3E utilise ces simulations dynamiques qu'il a notamment appliquées à trois projets bruxellois dans le but d'optimiser la conception d'une école passive et d'un immeuble de bureaux neuf et pour améliorer le fonctionnement d'un immeuble de bureaux existant.

Les simulations dynamiques requièrent une modélisation thermique et géométrique du bâtiment. En fonction du niveau d'affinement de la simulation, le bâtiment est subdivisé en une ou plusieurs zones thermiques auxquelles il est possible d'affecter des caractéristiques thermiques sur la base d'une modélisation en 3D. A cet égard, il est essentiel que le modèle tienne compte de l'orientation de l'immeuble et de son ombrage. Ensuite, on lui associe une série de données météorologiques et de profils d'utilisation détaillés. Ces profils définissent les gains calorifiques internes, mais aussi les paramètres de confort requis, voire la stratégie d'aération. C'est au départ de ces valeurs que l'on peut ensuite déterminer la demande énergétique ponctuelle et le niveau de confort voulu.

Les modèles de simulation dynamiques permettent également d'établir un lien entre la modélisation de la construction et les installations techniques. La production de chaleur, l'utilisation de la chaleur résiduelle, les circuits de chauffage à basse température ou les systèmes à énergie solaire sont remodélisés et leurs émissions au niveau du bâtiment peuvent être intégrées à la simulation. Par rapport aux méthodes statiques, cette méthodologie permet une précision beaucoup plus fine lors du dimensionnement des installations techniques. L'opération s'effectue au départ d'une courbe temporelle de mise en charge afin que l'on puisse tenir compte de la masse thermique du bâtiment ainsi que de l'inertie et de la capacité-tampon des installations.

Une école passive à Etterbeek

Pour le compte de l'Athénée Royal d'Etterbeek, les architectes du bureau Evr ont conçu une nouvelle école maternelle destinée à compléter le complexe scolaire existant. En collaboration avec 3E, ils se sont mis en quête d'un concept énergétique combinant l'efficience pécuniaire et un climat ambiant qui soit à la fois sain et confortable. Le niveau d'ambition standard visé était celui de la maison passive. Concrètement, cet objectif implique une demande totale nette en chaleur et climatisation inférieure à 15 kWh/m² et par an, une consommation d'énergie primaire totale annuelle ne pouvant excéder 120 kWh/m², une enveloppe extérieure étanche à l'air (coefficient n50 inférieur à 0,60 l/h) et un niveau E ne dépassant pas E55.

Les architectes du bureau Evr peuvent se prévaloir d'une longue expérience dans l'érection de bâtiments passifs et à basse énergie. Dès lors, l'avant-projet présentait déjà une épure largement optimisée. Le bureau 3E a apporté son soutien à l'équipe de conception en mettant ses simulations dynamiques à sa disposition. Ces simulations ont été utilisées pour élaborer un concept énergétique se justifiant pleinement d'un point de vue économique pour l'école passive, une attention spécifique étant portée au confort en période estivale.

C'est ainsi qu'un grand débord de toiture a été prévu pour protéger les façades vitrées au sud et à l'ouest et que le bâtiment a été conçu comme une construction massive, destinée à créer une masse thermique suffisante. Grâce à un taux d'occupation important et aux gains calorifiques internes élevés allant de pair, la maîtrise du confort estival constitue un élément crucial dans l'optimisation du concept énergétique. La première mesure consistait à mettre en place un by-pass sur le circuit de récupération de chaleur et à utiliser la masse thermique existante par l'activation d'une ventilation nocturne recourant à un groupe d'aération hygiénique. Cette intervention a permis de réduire de 250 à 20 par an le nombre d'heure de dépassement calorifiques au-delà de 28°C.

La seconde mesure mise en œuvre porte sur l'enveloppe du bâtiment. Les façades intégralement vitrées de la salle polyvalente ont été operculées de sections opaques disposées aléatoirement, ce qui a permis d'abaisser à 15 heures annuelles le nombre d'heures où la température excède 28°C. En cas de situations extrêmes, comme durant la canicule de 2003, il est toutefois apparu que ces deux mesures seraient insuffisantes lorsque la salle polyvalente est occupée au maximum de sa capacité. Mais à supposer que trois quarts environ des bambins utilisent les espaces extérieurs durant les mois d'été, le confort restera garanti même en cas de conditions météorologiques extrêmes.

L'immeuble de bureaux Solaris

Le nouvel immeuble de bureaux Solaris, conçu à Bruxelles par les architectes Assar et dont l'optimisation énergétique a été assurée par 3E, produit 50.000 kWh d'électricité verte par an. Il combine en effet une installation photovoltaïque placée en toiture, une façade équipée de panneaux photovoltaïques intégrés et un système géothermique. S'érigeant en démonstration visuelle probante d'un système de production d'énergie renouvelable, ce bâtiment s'est ainsi vu décerner le Green Building MIPIM Award en mars 2010.

Le Solaris est une bâtisse couvrant 13.700 m² sur huit étages, organisée autour de deux atriums de trois niveaux qui permettent à la lumière naturelle d'y pénétrer à profusion. Il est le premier immeuble de Belgique certifié Valideo. 3E s'est impliqué dans le projet dès sa phase initiale au cours de laquelle il a commencé par réaliser une étude complète de faisabilité financière et d'efficacité énergétique. Ensuite, les professionnels du bureau d'études se sont joints aux développeurs et aux architectes pour concevoir ce cas d'école que constitue cette unité de production d'énergie renouvelable intégrée au bâtiment visé.

Au départ des modèles de simulation dynamiques, l'étude de faisabilité a analysé la consommation énergétique, l'étanchéité à l'air, la physique architectonique, les systèmes HVAC et la production intégrée d'énergie renouvelable à la lumière des possibilités financières du marché immobilier bruxellois. Le bâtiment a été construit en prévoyant un niveau d'isolation élevé, ce qui limite considérablement les besoins calorifiques. Comparé à un bâtiment E100, la consommation d'énergie primaire y est revue à la baisse de 32% et les rejets de CO2 sont amputés de 44 tonnes par an, soit une diminution de 25%.

Un système photovoltaïque installé en toiture et développant 65 kWp produit la majeure partie de l'électricité verte utilisée en interne, soit près de 50.000 kWh par an. La façade photovoltaïque semi-transparente fournit 10.000 kWh annuels supplémentaires. Les panneaux de façade (module monocristallins) servent en outre de protection solaire pour l'immeuble.

Une pompe à chaleur géothermique assure par ailleurs la production de chauffage durant l'hiver et d'air frais pendant l'été (en mode geo-cooling). L'air est distribué à l'intérieur par un plafond rayonnant et un dispositif d'aération mécanique à air pulsé, avec récupération de chaleur. Deux chauffe-eau au gaz et une petite unité de climatisation assurent le chauffage et l'air conditionné de secours. Le bâtiment est également équipé d'un système de collecte des eaux pluviales.

Caractéristiques techniques du Solaris
Installation PV en toiture		Panneaux PV en façade		Pompe géothermique
Modules polycristallins	331	Modules monocristallins	98	Puissance nominale	220 kWth
Superficie	498 m²	Superficie	300 m²	Coefficient de performance de la production calorifique	4,4
Puissance	65 kWp	Puissance	32 kWp
Production	49.394 kWh / an	Production	10.000 kWh / an

Un complexe de six immeubles de bureaux

Un complexe de bureaux bruxellois, composé de six bâtiments existants, vient de subir un audit énergétique approfondi. Cette analyse a mis en évidence une consommation très importante – tant en chauffage qu'en électricité. Grâce à cet audit et à l'élaboration d'une simulation dynamique des immeubles, il a été possible d'imaginer une série de mesures destinées à améliorer sensiblement leur efficacité énergétique. Parmi elles, plusieurs interventions ont été mises en œuvre et permettront de récupérer l'investissement consenti en cinq ans. Ces opérations étaient plus particulièrement axées sur l'amélioration des paramètres de réglage des équipements techniques (HVAC et éclairage), mais portaient aussi sur le renouvellement de l'un des climatiseurs et le remplacement d'un chauffe-eau par un boiler à condensation.

Les interventions proposées revêtaient plusieurs avantages. Le confort des utilisateurs s'en trouvait amélioré, les nouveaux équipements étaient plus faciles à intégrer aux locaux existants et le projet n'exerçait qu'un impact limité sur les utilisateurs durant sa phase d'exécution. Par ailleurs, de substantielles économies allaient pouvoir être réalisées : 7.085 MWh d'énergie primaire par an, soit une réduction de 27% des coûts énergétiques pour un total de 234.055 euros par an, ou encore 1.147 tonnes annuelles de rejets de CO2 en moins. L'investissement total revenait à 592.000 euros, dont 154.000 étaient couverts par une subvention et le retour sur investissement était estimé à trois ans. Ce projet atteste qu'il est possible de réduire la consommation énergétique opérationnelle tout en récupérant l'investissement consenti sur un bref laps de temps. Dans une ville comme Bruxelles, où les bâtiments représentent 70% de la consommation énergétique totale, les simulations dynamiques comme celles appliquées ici permettent une diminution de la consommation de 20% environ, de sorte que les investissements sont presque immédiatement récupérés.