Au Bourget-du-Lac (73), le bâtiment Hélios, équipé d'un atrium CMF, vient de faire l'objet d'une étude thermique réalisée par l'Ines (Institut national de l'énergie solaire) et le laboratoire Liten du CEA Tech.
À cette occasion, une conférence a été présentée dans l'atrium du bâtiment, sur le thème de la “gestion du climat sous les verrières et dans les atriums”. CMF, spécialiste du bâtiment vitré bioclimatique, est intervenu à ce sujet, en partenariat avec Solener, bureau d'études thermiques en ingénierie durable, l’agence d'architecture Apache, concepteur du bâtiment Hélios, et le pôle de recherche technologique CEA Tech. Ils ont présenté les caractéristiques de ce projet, les solutions techniques choisies pour une maîtrise optimale du climat intérieur et les résultats obtenus in situ.

Résultats de tests et d'analyses réalisés dans le bâtiment

Cette conférence avait pour but de présenter la mise en œuvre de verrières et d'atriums bioclimatiques permettant une gestion de climat optimisée dans ces espaces à fortes surfaces vitrées, grâce à la ventilation naturelle et à la maîtrise de l'effet de serre. Elle a présenté à la fois le travail des concepteurs du bâtiment, de l'entreprise CMF, et les résultats de tests et d'analyses réalisés dans le bâtiment par deux de ses occupants : l'Ines et le laboratoire Liten du CEA Tech.

La conférence présentée dans l'atrium du bâtiment

Cette étude faisait également partie du projet Comis (Commissionnement des systèmes thermiques innovants dans les bâtiments thermiquement performants) soutenu par l'Agence nationale de la recherche.
Depuis 1962, CMF a développé son savoir-faire dans le domaine de la gestion du climat, d'abord pour la production végétale, puis, depuis 2010, dans la gestion du climat des espaces vitrés (verrières, atriums...) pour des espaces recevant du public. Au cours de cette démarche, la maîtrise de l’effet de serre et la ventilation naturelle sont devenues le savoir-faire particulier de CMF Bâtiment. L'effet de serre est provoqué par les rayons infrarouges provenant du rayonnement solaire : la lumière visible du soleil pénètre les parois vitrées, ainsi qu'une partie des rayons infrarouges, les plus courts. Ces rayons échauffent les éléments placés sous la verrière et sont réémis sous la forme d'infrarouges longs, qui restent piégés sous la verrière et échauffent l'atmosphère. En termes d'aération, le système Eco Klima de CMF propose une surface de ventilation vingt fois supérieure aux verrières classiques, ce qui permet d'évacuer la chaleur en été.
À l'occasion de cette conférence, Éric Laget, directeur commercial de CMF, est revenu sur la genèse du projet et a précisé : « Depuis dix ans, CMF détient un savoir-faire empirique dans la gestion des atriums. Pour ce projet, la conception et la mise en œuvre ont été réalisées avec les deux concepteurs : l'atelier d'architecture Apache et le bureau d'études thermiques Solener. L'atrium contribue à la performance générale du bâtiment, parce que l'atrium et les bureaux sont gérés en même temps, de façon à maîtriser le climat jusque dans les bureaux. Les objectifs ont été d'une part de réduire de 80 % le nombre d'heures d'inconfort en été, et d'autre part de limiter la température maximale du 1er étage à 28 °C ».

Conception générale du bâtiment

Le bâtiment Hélios est un bâtiment tertiaire emblématique, à l'enveloppe performante. Il a été concu̧ de manière bio-climatique, en tenant compte de la météorologie locale, et il inclut un atrium, des façades performantes et des ventilations traversantes variables. Les bureaux, d'une surface globale de 2 000 m2, présentent des ouvrants en façades qui permettent des transferts d'air vers les circulations. Les laboratoires, sur 1 500 m2, sont dotés d'extractions spécifiques. L'un des objectifs de ses concepteurs a été de ne pas utiliser d'énergie fossile pour son chauffage, ni de liquide frigorigène pour son refroidissement en été. Le chauffage est assuré à 100 % par des ENR : 40 % par des capteurs solaires thermiques, et 60 % par une chaufferie au bois. Le bâtiment dispose en plus de capteurs photovoltaïques.
Ce bâtiment comprend un rez-de-chaussée et deux niveaux autour d'un atrium central, qui est surmonté par une verrière située au-dessus du dernier niveau. Son enveloppe est performante, grâce à une inertie forte, une sur-isolation, un traitement des ponts thermiques, et ses besoins sont de 25 kWh/m2. La conception de ce projet devait permettre d’assurer un confort d’été avec moins de 100 heures à plus de 27 °C par an, grâce aux protections solaires, à la forte inertie du bâtiment, à la ventilation naturelle, et à la ventilation nocturne en été.
Le bâtiment est compact autour de son atrium, et protégé par une enveloppe très isolée, avec des façades différenciées filtrantes. Au nord, un mur-écran filtre la brise du Nord, surmonté par une écope monumentale située au-dessus du bâtiment. Cette écope permet une ventilation naturelle optimisant cette brise : elle permet de ventiler l'atrium, par dépression, via des ouvrants en façade et dans les cloisons pour une ventilation transversale nocturne à chaque niveau. Les façades Est sont tournées vers le lac et dotées de fenêtres horizontales. Ces ouvertures filtrent le soleil en conduisant la lumière au cœur du bâtiment : surnommées des “étagères à lumière”, elles laissent passer la ventilation, tout en coupant le rayonnement. Elles orientent la lumière vers le plafond et maintiennent une visibilité vers l'extérieur. Côté sud, la même disposition a été choisie en limitant les percements, et des brise-soleil horizontaux placés au-dessus des baies complètent le dispositif.
À l'ouest, face à la montagne, une grande paroi mobile est composée de brise-soleil orientables qui s'adaptent aux apports solaires et lumineux en suivant les saisons et l'heure de la journée. Ces BSO en verre portent une sérigraphie serrée en haut, plus claire en bas.
Enfin, l'atrium central lumineux présente un climat contrôlé limitant les déperditions grâce à des vélums horizontaux. Il est ventilé à la fois par une ouverture au nord, sous l'écope, et par un carneau en sous-sol pour des amenées d'air.
L'atrium a une surface de 900 m2 pour un volume global de 11 000 m3. Sa verrière est dotée d'aérations, de velums, de ventelles au nord et de ventelles intérieures.
Il s'agit d'un atrium non chauffé, avec une verrière en simple vitrage, dotée d'un verre feuilleté 44.2 de 9 mm (Saint-Gobain). Son coefficient de transmission lumineuse est de 87 %, son facteur solaire g de 0,76 et son coefficient d'isolation thermique Ug de 5,7 W/m2.K.

Principe de fonctionnement de la ventilation naturelle

La conception et la réalisation de la verrière ont été confiées à CMF Bâtiment pour son savoir-faire en termes de gestion du climat intérieur. La verrière de 700 m2 a été installée au-dessus de l'atrium central, et, en jouant avec l'association aération naturelle et ombrage par vélums, elle permet de réguler la température du lieu.
En hiver, les ventilations de l'atrium sont fermées ; les vélums sont repliés le jour pour laisser rentrer les rayons du soleil, et dépliés la nuit pour conserver la chaleur dans la serre. En été, la serre est ouverte et laisse passer la brise du Nord ; le vélum est déplié le jour pour empêcher les rayons du soleil de pénétrer et replié la nuit pour laisser toutes les aérations se faire (via les ventelles des bureaux, l'écope, etc.).
L'ouverture des aérations de la verrière est régulée selon l’écart entre la température extérieure et la température de consigne. Lorsque la température est très haute, l'ouverture est complète (100 %) et, lorsque la température est très basse, la fermeture est complète (0 %). Plus l’écart entre la température extérieure et celle de consigne est élevé, plus les aérations bougent rapidement. Une partie des aérations est prioritaire et s’ouvre en premier selon la consigne principale, puis le côté non prioritaire s'ouvre également, selon l'écart de température.
Les conditions météorologiques (température extérieure, vent, pluie, ensoleillement) influencent le degré d’ouverture des aérations. Par exemple : plus il y a de vent, plus les aérations se ferment. Les vélums (ou voiles d'ombrages) sont pilotés en fonction de l’énergie solaire incidente.
Les ventelles intérieures et côté nord sont pilotées par une programmation horaire : en été, l'ouverture des ventelles a lieu à 20 h et leur fermeture à 14 h. En hiver, ces ventelles sont fermées (il n'y a pas d’asservissement entre la verrière et les ventelles).
Question sécurité, des ventelles sont positionnées dans les cloisons adjacentes aux portes des bureaux. Elles participent à la gestion climatique du bâtiment et elles permettent également de garder une confidentialité pour les occupants des bureaux. Des grilles anti-intrusion fixées au droit des menuiseries permettent de sécuriser l’atrium tout en apportant une ventilation naturelle.
Éric Laget précise : « Pour l'été, il faut une éducation des collaborateurs car, si les bureaux ont des portes qui se ferment pour travailler au calme, il faut penser à laisser sa porte ouverte le soir en partant, pour la ventilation nocturne. »

Retour d'expériences

Des équipes de l'Ines et du Liten (Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nano-matériaux) du CEA Tech occupent une partie des bureaux. Dans le cadre d'un programme d'études du Liten, elles ont réalisé une campagne de mesures pour évaluer la performance réelle du bâtiment.
Ainsi, apprécie Éric Laget, « Le savoir-faire de CMF a été mesuré en réel dans un bâtiment réalisé. » Les essais visaient à mesurer la gestion d'un bâtiment avec une conception par ventilation naturelle : cette technique, non sophistiquée mais astucieuse, donne un bâtiment “vert”, peu coûteux en exploitation.
Des mesures de stratification de la température dans l'atrium ont eu lieu, grâce à trois mâts équipés de trois sondes de température chacun, positionnées à 2,5 m du sol, puis 7 m et 11 m au-dessus du sol.
En hiver, grâce à la chaleur apportée par l'atrium, ce sont de 11 à 12° qui sont gagnés par rapport à l'extérieur, ce qui aide à la performance thermique du bâtiment.
En été, le bénéfice est de 5 à 6° par rapport à la température extérieure dans l'atrium, et le confort thermique estival dans les bureaux est un gain en rafraîchissement de 4 à 5 °C. De plus, des mesures du taux de renouvellement d'air ont eu lieu dans l'atrium et dans les bureaux. Le CEA Tech a réalisé une expérience par saturation de CO2 : celui-ci a été injecté pour saturer l'espace, puis son taux d'évacuation a été mesuré, ce qui correspond au taux de renouvellement de l'air qui baisse la charge calorifique du bâtiment. Pour cela, dix sondes à CO2 ont été réparties dans le bâtiment, afin de mesurer l'évolution de la saturation. La mesure par décroissance du CO2 dans l'atrium a révélé un taux de renouvellement de 34,5 volumes par heure. Le taux de renouvellement dans les bureaux est variable, jusqu'à 30 volumes d'air par heure la nuit.
À noter que l'étude a mis en valeur que les conditions locales de vent au Bourget-du-Lac n'avaient pas été suffisamment lisibles pour les concepteurs. Alors que les vents moyens dominants donnent une orientation plutôt nord / nord-ouest, une inversion de la brise a été mise en valeur en fin de journée chaude. Les soirs d'été, l’air est surchauffé au-dessus des massifs rocheux par rapport à la masse d’air située au-dessus du lac du Bourget, créant ainsi un vent de terre du sud vers le nord, qui sévit entre 18 h et le début de la nuit. Ce vent circule à l'inverse de ce qui avait été étudié, et gêne l’effet escompté sur le bâtiment Hélios. Dans les bureaux, la circulation d'air peut être à l'inverse de ce qui a été prévu, avec une surpression de l'atrium induisant des sorties d'air en façade.