Lycée de Villefranche de Lauragais : en route vers le BEPOS

Par Stéphane LEMEY – Responsable Etudes Fluides et Energies BET OTCE Midi-Pyrénées

Naissance : rentrée 2016
Enseignements : général et technologique de la seconde à la terminale, et professionnel avec un CAP et un bac pro.

Signes distinctifs :

• Démarche s’inspirant du bâtiment à énergie positive (BEPOS / cf. plus bas)
• 10ème lycée construit en 10 ans par la Région Midi-Pyrénées (Région maintenant élargie par le Languedoc et Roussillon)

L’équipe :

• Architecte mandataire : FILIATRE-MANSOUR
• Architectes cotraitants : HIRSH & ZAVAGNO et Cabinet Atelier d’Architecture du Prieuré
• Paysagiste : Delphine BEAUDOIN
• BET VRD / Structure / Cuisine : TASSERA
• BET Fluides, génie climatique, énergétique et électricité : OTCE Midi-Pyrénées

Nota : Lien vers vidéo du chantier réalisée par drone (l’occasion également pour nos équipes de tester la vectorisation selon photos)

Le lycée occupe une partie d’une parcelle de 7,7 ha mise à disposition par la commune, et située au-dessus du centre ancien de Villefranche-de-Lauragais.
Le terrain d’implantation du lycée de Villefranche-de-Lauragais se situe dans un site naturel remarquable, doté de nombreux atouts :

• Sa dimension et la qualité de ses composantes paysagères : la coulée verte très boisée en partie basse accompagnant le ruisseau, les plantations d’alignement de platanes le long du chemin du Tracas et au-delà sur les arêtes, comme autant de repères du paysage Lauragais.
• Sa position en partie haute de la ville, offrant de larges vues dégagées du sud à l’ouest, sur le centre-ville et son clocher, sur les collines lauragaises et au-delà sur les Pyrénées.
• La proximité du centre-ville : tout en étant à la lisière de la ville dans une partie destinée à un développement futur, le terrain est proche du centre. (proximité renforcée par la création d’une liaison douce destinée aux vélos et aux piétons se rendant au lycée ou aux équipements sportifs).

Plan masse de l’opération

Selon la volonté de la Région, le projet a été retenu en raison de ses qualités bioclimatiques : compacité, protection au vent d’Autan, orientation favorable (nord/sud). Par ailleurs, le projet propose un véritable aménagement paysager, avec une organisation simple et cohérente des espaces.
Le bâtiment principal reprend la direction traditionnelle des fermes lauragaises qui permet de gérer efficacement le soleil et les vents.
Les structures du réfectoire, du foyer, des ateliers, des galeries ainsi que des charpentes sont conçues en bois et le remplissage des façades est du type ossature bois avec un habillage en bardage bois. Tous les bois sont labellisés (FSC ou PEFC et issus de forêts gérées durablement).
Le choix a été fait de matériaux régionaux, en particulier le bois Douglas de la Montagne noire et des monts de Lacaune, laissé naturel.

La Région Midi-Pyrénées a souhaité faire de ce nouveau lycée un bâtiment exemplaire en terme de consommations énergétiques.
Les objectifs étaient les suivants :

• Gain de 20 % sur Bbio max ;
• Gain de 20 % sur Cep max ;
• Bâtiment s’inspirant du BEPOS (bâtiment à énergie positive).

Au stade des études du projet (2012-2013), la définition du terme « bâtiment à énergie positive » était encore assez ambigüe en France, le label BEPOS-Effinergie étant rentré en application uniquement vers début 2013.
Le programme exigeait que le bâtiment soit à énergie positive, tout en se limitant à la compensation des consommations énergétiques « réglementaires » totales.
Nous avons donc pris le parti de dimensionner le système de production solaire photovoltaïque de façon à compenser les consommations réglementaires hors consommations de biomasse, à savoir celles liées aux 5 usages de la RT 2012 : chauffage (hors biomasse), eau chaude sanitaire, éclairage intérieur, auxiliaires de distribution et auxiliaires de ventilation.
L’enjeu était donc de s’orienter vers une conception bioclimatique. Toutefois, cette notion a évolué (le bioclimatisme des années 60 n’est plus le bioclimatisme des années 2000) et notre approche s’est inscrite de façon générale dans la démarche promue par l’association Negawatt. Celle-ci reposant sur le tryptique : « sobriété, efficacité et renouvelables ».

Généralités
Sur ce point, et dans l’optique d’une réduction des consommations d’énergie, des émissions de gaz à effet de serre des bâtiments (et de la pollution engendrée par les matériaux), la conception proposée a été le fruit d’une réflexion collégiale entre les architectes du projet et les différents spécialistes techniques.
Dans ce cadre, des simulations thermiques dynamiques et des études de solarisation nous ont permis, par modélisation numérique, d’affiner les solutions techniques proposées (conception de l’enveloppe et des dispositifs de protection solaire) afin de mettre en place des solutions permettant de réaliser des économies sur le coût d’exploitation et d’optimiser le confort de mi-saison tout en limitant l’impact environnemental. A savoir (liste non exhaustive) :

Design des façades et parois :
- Niveau d’isolation très performant :

• Murs extérieurs béton RDC : Duomur isolant PSE 16cm, R=5,00 m².K/W
• Murs extérieurs ossature bois : isolant laine de verre 25cm (2 couches), R=6,90 m².K/W
• Planchers bas sur TP : isolant PSE 22cm, R=5,75 m².K/W
• Planchers bas sur VS : isolant PSE 20cm, R=5,85 m².K/W
• Planchers bas sur extérieur : isolant laine de roche 30cm, R=8,70 m².K/W
• Toitures terrasses : isolant mousse polyuréthane 22cm (2 couches), R=9,60 m².K/W
• Toitures bois : isolant laine de roche 29cm, R=8,15 m².K/W

- Traitement spécifique des ponts thermiques ;
- Caractérisation des vitrages (transmission thermique, transmission lumineuse et facteur solaire) :

• Menuiseries extérieures aluminium double vitrage : Uw=1,50W/m².K
• Portes vitrées aluminium double vitrage : Uw=1,80W/m².K
• Portes pleines métalliques : Uw=2,00W/m².K

- Traitement spécifique de l’étanchéité à l’air (sans déroger toutefois à la valeur par défaut i4 = 1,7 m3/h/m2 / valeur validée par des tests intermédiaires et finaux)
- Ratios surfaces opaques / surfaces vitrées.

Design des protections solaires (réalisé sur la base de vues depuis le soleil et d'études de solarisation par l’intermédiaire du logiciel Ecotect).

Vue depuis le soleil pour identification des surfaces vitrées à traiter

Etude de solarisation sur façade sud pour optimisation du design des protections solaires

Illustration / protections solaires (1)

Illustration / protections solaires (2)

En parallèle, des simulations d’éclairage naturel ont également été réalisées par modélisation numérique afin d’affiner l’éclairage naturel (taille, type et position des vitrages, facteurs de réflexion des différents éléments constructifs, transmission lumineuse des vitrages) et d’affiner la sélection, la répartition et le fonctionnement des équipements d’éclairage artificiels :

• Puissance ;
• Rampage ;
• Types de commande (détection présence, luminosité, etc.).

Calcul FLJ sur salle de classe type

Nota : Les simulations d’éclairage naturel ont été réalisées par l’intermédiaire d’un moteur de calcul réputé pour sa fiabilité (logiciel Ecotect couplé à Radiance).

Confort de mi-saison
Outre les dispositifs de protections solaires, un certain nombre de dispositions ont été prises de façon à optimiser le confort de mi-saison.

Ainsi, ont été intégrées les dispositions suivantes :

• Planchers béton ;
• Plafonds en béton thermiquement accessibles (faux-plafonds ajourés/perforés) offrant une inertie thermique importante ;
• Toiture végétalisée offrant un déphasage thermique de l’ordre 10 à 12h et donc favorable au confort de mi-saison (les apports solaires diurnes parviennent dans l’ambiance avec 12h de décalage et donc hors occupation) ;
• Ventilation nocturne mécanique (night-cooling) pour rafraîchissement des ambiances si besoin et si les conditions extérieures le permettent (y compris ouverture par dérogation des registres motorisés terminaux / cf. plus bas).

Ouverture sur faux-plafond côté façade
(Des grilles sont mises en place côté circulations)

Extrait de l’analyse fonctionnelle pour définition des séquences de démarrage et d’arrêt du night-cooling (hors temporisation et offset de réglage)

Généralités
Elément capital afin d’assurer une maîtrise des consommations énergétiques et donc de l’impact environnemental, notre démarche a été, au travers de la conception des installations techniques et le choix des équipements, la recherche de l’efficacité. Celle-ci consistant en une optimisation de la chaîne de transformation de l’énergie (énergie primaire, énergie finale et énergie utile) et une adaptation du fonctionnement des installations aux besoins réels.

Dans ce cadre, notre démarche a principalement reposé sur les éléments suivants :

• Optimisation de la production biomasse (choix d’une chaudière à large plage de modulation et mise en place d’un ballon tampon pour valorisation optimale de biomasse / appoint fioul) ;
• Récupération d’énergie sur air extrait pour les locaux traités en ventilation double-flux (les salles de classe sont traitées en ventilation simple-flux) ;
• Optimisation des réseaux de distribution (systématisation du débit variable, étanchéité, isolation) ;
• Optimisation de l’émission (choix d’émetteurs adaptés à l’usage, sélection d’émetteurs présentant des pertes de charges minimales, régulation terminale, etc.) ;
• Sélection d’équipements à haute efficacité énergétique (systématisation de l’utilisation de moteurs à courant continu pour les équipements de ventilation) ;
• Description précise des règles de fonctionnement des installations dès les premières phases (analyse fonctionnelle) afin d’optimiser le rendement de la régulation ;
• Etablissement d’un « plan de comptage » selon les différents vecteurs (gaz, calories, électricité, eau) ;
• Mise en place d’une supervision pour contrôle du fonctionnement des installations, gestion des défauts, et acquisition / stockage / transmission des dispositifs de comptage ;
• Commissionnement (notre mission intègre un suivi de deux ans des consommations / conditions de fonctionnement).

Débit variable pour les réseaux aérauliques et hydrauliques
Permettant de larges gains sur la consommation des auxiliaires, le débit variable a été généralisé aux réseaux de distribution hydraulique et aéraulique :

• Asservissement du débit de ventilation à des sondes CO₂ (régulation type « peu vers tout » dans les locaux dont l’occupation nominale est supérieure à 10 personnes) ;
• Distribution d’eau chaude à débit variable pour les réseaux primaires et secondaires (hors circuits avec loi d’eau disposant de circulateurs, la circulation est assurée de façon générale par deux pompes primaires à débit variable avec régulation à pression constante situées en chaufferie).

Toutefois, cette disposition nécessite un certain nombre de précautions et des prescriptions techniques adaptés. En particulier :

• Utilisation de registres motorisés avec croix de mesure pour une bonne maîtrise des débits aérauliques ;
• Mise en place de régulateurs de pression différentielle et/ou vannes terminales indépendantes de la pression pour les réseaux hydrauliques. Ainsi que des dispositifs de bypass en bout de réseau.

Registre motorisé dans salle de classe

Extrait du schéma de principe aéraulique

Extrait du schéma de principe hydraulique
Sous-station type (absence de bouteille de découplage)

A noter que la démarche a également été appliquée aux dispositifs d’extraction spécifiques. Dans ce cadre, nous avons opté pour la mise en place d’un dispositif de régulation des débits de marque Halton (Marvel) pour les hottes de cuisine.
Ce dispositif permet aux ventilateurs d’extraction (hottes pianos) de démarrer automatiquement lorsque les équipements de cuisson sont mis en route et de s’arrêter dès qu’ils sont éteints. Par ailleurs, des sondes de température permettent d’adapter le débit d’extraction aux besoins réels.

Illustration du dispositif Marvel

Adaptation du type d’émission selon les usages
Les émetteurs sont adaptés à l’usage et permettent de façon générale d’assurer une réactivité adaptée aux usages :

• Plancher chauffant dans le hall et le CDI ;
• Aérothermie pour les salles de restauration via centrale double-flux avec dispositif de récupération d’énergie et caisson de mélange (y compris sonde d’ambiance permettant la mise à l’arrêt hors occupation en période de chauffe / dérive sur température de consigne) ;
• Plafonds rayonnants dans salle de classe et autres grands locaux à occupation importante (asservissement à sonde d’ambiance par local). Ce pour une meilleure adaptation aux variations de charges internes ;
• Radiateurs dans les autres cas (irrigation contrôlée par robinets thermostatiques ou sondes d’ambiance agissant sur vanne thermoélectrique dans les locaux accessibles aux élèves).

Radiateurs eau chaude de type Charleston marque Zehnder

Plafonds rayonnants eau chaude de type Carboline marque Zehnder

Plan de comptage
Elément capital à la bonne conduite de ce type de projet, une attention particulière a été portée au suivi des consommations énergétiques. Ce projet étant par ailleurs « pilote », un grand nombre de dispositifs de comptage a été mis en place.
La démarche s’est inscrite dans le cadre d’un plan de comptage, fruit de discussions entre la Maîtrise d’Ouvrage et la Maîtrise d’œuvre.

Extrait du plan de comptage

Ce plan de comptage, qui servira ensuite de base à l’élaboration de l’outil informatique de suivi, porte sur éléments suivants :

• Consommations d’eau selon usages ;
• Consommations électriques selon usages (auxiliaires de chauffage/ventilation, éclairage, prises de courant, ascenseur) ;
• Consommation de fioul (appoint / production biomasse) ;
• Consommations énergétiques (comptage général et par circuit de distribution).

Analyse fonctionnelle
L’analyse fonctionnelle doit être l’élément capital d’un cahier des charges de génie climatique. Sans quoi, il ressemblerait à un inventaire à la Prévert. Laissant la programmation et le réglage des équipements au libre arbitre des intégrateurs et/ou fournisseurs d’équipements de régulation / supervision.
En effet, la maîtrise des consommations énergétiques ne peut se faire sans une définition précise des règles de fonctionnement, des tables horaires. Ces éléments étant, pour partie, une conséquence directe des hypothèses prises dans le cadre des simulations thermiques dynamiques. En résumé, ne pas faire l’impasse sur élément essentiel qui peut mettre à bas tous les efforts par ailleurs : Le rendement de la régulation.

ηglobal = ηproduction x ηdistribution x ηémission x ηrégulation

En l’occurrence, cet aspect avait été particulièrement développé dans le cahier des charges et a fait l’objet de réunions spécifiques avec l’entreprise de génie climatique. Celle-ci devant la réécriture complète de l’analyse fonctionnelle avec indication des capteurs et actionneurs en référence aux différents schémas de principe.

Commissionnement
Notre mission comprend un suivi des consommations énergétiques et du fonctionnement des installations pour deux ans. Ce qui nous permettra de contrôler les consommations énergétiques de l’ouvrage ainsi que d’appliquer d’éventuelles actions correctives si nécessaires (réglage des paramètres de régulation, table horaires, températures, etc.).

Chaufferie bois centralisée
La production de chaleur sera majoritairement assurée depuis une chaudière bois (200 kW) dont la puissance a été estimée d’après une monotone de chauffe réalisée par simulation thermique dynamique. Cela permettant de couvrir plus de 80% des besoins.
Un emplacement et silo supplémentaire ont également été prévus pour permettre l’augmentation de la puissance disponible en cas d’extension.
Enfin, deux ballons tampons de 2m³ permettront d’optimiser le taux de couverture par biomasse. Les séquences de démarrage et d’arrêt des chaudières (biomasse et appoint) et le positionnement des sondes de température sur ballons ayant été spécifiquement étudiés dans ce sens.

Extrait du schéma de principe hydraulique

Production d’eau chaude sanitaire solaire pour la cuisine
Etant donné l’absence de besoins en été et la problématique des vacances scolaires, notre choix s’est porté vers la mise en place d’une installation solaire auto-vidangeable pour la production d’eau chaude sanitaire solaire de la cuisine.

A ce titre, 65 m² de panneaux solaires thermiques sont installés en toiture terrasse, au-dessus des cuisines, pour un volume de stockage solaire de 3 000 litres.

L’appoint étant assuré par chaufferie (y compris secours par résistance électrique).
Le principe n’a pas été appliqué aux vestiaires sportifs. L’expérience nous montrant que l’utilisation des douches y est très faible et/ou aléatoire.

Principe de l’auto-vidangeable

A noter que, la Région souhaitant que les productions d’eau chaude sanitaire soient de type production instantanée sur stockage primaire, des dispositions particulières ont été prises concernant la décharge solaire.

En effet, la pompe de décharge solaire est asservie à un détecteur de débit (flowswitch) sur l’arrivée d’eau froide (et des sondes de température sur stockage). Ce afin de limiter le fonctionnement de celle-ci et empêcher toute déstratification inutile du stockage solaire.

416 m² de panneaux solaires photovoltaïques
La surface de panneaux photovoltaïque mise en place est de 416 m², pour une puissance installée de 85 kWc, ce qui permet une production annuelle d’électricité de 92 000 kWh.
Les panneaux sont installés sur la toiture terrasse du bâtiment enseignement.
Les modules sont de type poly-cristallin et sont posés à plat.
L’installation est associée à 5 onduleurs, installés en toiture terrasse à proximité des panneaux, offrant un rendement de conversion supérieur à 96 %, de 25 à 100% de charge.
L’installation alimente un TGBT implanté dans un placard, au niveau rez-de-chaussée.
La totalité de la production sera réinjectée sur le réseau et revendue.

Panneaux photovoltaïques en toiture

Au-delà de la mise en place de réducteurs de débit, détecteurs de fuite, est prévue la mise en place d’un dispositif de récupération des eaux pluviales pour l’alimentation des WC et l’arrosage extérieur.

Généralités :

• Capacité : 645 élèves
• Surface : 8 100 m²

Enveloppe financière :

• Coût : 24 M€ HT (entièrement financé par la Région)
• Montant lot CVC-PB : 2 M€ HT (entreprise SPIE Sud-Ouest)
• Montant lot ELEC : 1 M€ HT (entreprise LAGREZE et LACROUX)

Performances énergétiques :

• Bbio = 31,70 points < Bbiomax = 40,45 points ;
• Cep = 51,60 kWhEP/m².SRT.an < Cepmax = 68,00 kWhEP/m².SRT.an (résultats hors solaire PV).

La difficulté majeure pour mener à bien ce type projet réside principalement dans la qualité du dialogue entre les architectes et les ingénieurs. Il s’agit de donner des orientations principales mais également de faire des concessions sur certains points. L’architecture ne pouvant résider en l’application stricte de principes dictés par la technique et le calcul. Sans parler des contraintes liées aux règles d’urbanisme.

Autre problématique : le temps accordé aux études (et son corollaire, la rémunération des équipes de Maîtrise d’œuvre). En effet, les délais accordés aux études tendent à diminuer fortement et ce type de projet nécessite non seulement des études complémentaires mais également un nombre important d’aller et retour en les cabinets d’architecture et les cabinets d’ingénierie.

Enfin, la complexité des équipements mis en place sur de tels projets impose presque de fait que soit entrepris une démarche dite de commissionnement. D’une part pour assurer la coordination des différents corps d’état sur les points relatifs à la performance énergétique et d’autre part pour assurer un suivi / réglage des installations. Il est en effet illusoire de croire que la performance est assurée de fait à la livraison. Des actions correctives seront à apporter. Nous le savons et nous y préparons.

Par Stéphane LEMEY – Responsable Etudes Fluides et Energies BET OTCE Midi-Pyrénées

SOURCE ET LIEN

Plus d’info sur le projet : contacter le BET OTCE Midi-Pyrénées au 05 61 23 13 55 ou slemey@octe.fr