Conseils pour concevoir une maison à énergie nette zéro
En 2015, nous avions rédigé un article sur l’Iowa Nest, une maison unifamiliale à énergie nette zéro située dans l’Iowa rural. Conçu par Carl Sterner de Sterner Design, désormais chez Sol Design + Consulting, le projet a combiné une forme optimisée avec des stratégies de conception passives et actives pour atteindre le statut énergie nette zéro et une facture annuelle exceptionnelle de services publics, de seulement 24 $ !
En 2015, nous avions rédigé un article sur l’Iowa Nest, une maison unifamiliale à énergie nette zéro située dans l’Iowa rural. Conçu par Carl Sterner de Sterner Design, désormais chez Sol Design + Consulting, le projet a combiné une forme optimisée avec des stratégies de conception passives et actives pour atteindre le statut énergie nette zéro et une facture annuelle exceptionnelle de services publics, de seulement 24 $ !
Alors que la plupart des concepteurs se contentent de rêver, Carl Sterner et ses clients ont rigoureusement suivi et comparé les performances de son projet tel que construit par rapport à ses propositions. Nous récapitulerons certaines mesures de conception de haut niveau et partagerons cinq enseignements tirés de son évaluation après occupation.
Données du projet
- Type de projet : objectif d'énergie nette zéro, résidentiel unifamilial
- Emplacement : Iowa, États-Unis
- Type de bâtiment : maison unifamiliale
- Surface au sol : deux niveaux, 223 m2 de surface habitable (avec lieu d’entreposage et garage sans chauffage ni climatisation)
- Étape du projet et date d’achèvement des travaux : achevé en 2019
- Niveau de performance : IECC 2012
- Performance recherchée : énergie nette zéro, bon éclairage naturel
La maison après la construction. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
Le processus de conception
Le cabinet a testé plusieurs itérations de conception différentes pour atteindre ses objectifs d'énergie nette zéro et d'éclairage naturel. Tout d’abord, six formes ont été modélisées dans SketchUp et analysées dans Sefaira dans le but de maintenir un éclairage naturel d’au moins 200 lux pendant 60 % de l’année dans les principaux espaces de vie.
Études des itérations de la forme du bâtiment, modélisées dans SketchUp et analysées via le plugin Sefaira Daylight Analysis. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
La conception finale intègre une plaque étroite, une forme compacte, des fenêtres plus hautes et un ‘puits de lumière’ intérieur. Une fois trouvé le plan idéal, le défi de maintenir une température stable et passive dans un climat mixte avec des hivers très froids et des étés chauds et humides a été relevé. Onze stratégies de conception ont été analysées à l'aide de Sefaira, ce qui a conduit à la décision de spécifier un coffrage en béton isolé (ICF) et une combinaison de petits surplombs fixes et d'écrans d'ombrage opérables au-dessus des fenêtres orientées au sud.
Analyse de l’éclairage naturel à l’aide de SketchUp et Sefaira. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
Toutes les décisions de conception ci-dessus, auxquelles s'ajoutent des stratégies passives (ventilation naturelle, tissu du bâtiment optimisé, dispositifs d’ombrage) et des systèmes mécaniques efficaces, ont résulté en une réduction estimée à 79 % de la consommation d’énergie. Des panneaux solaires photovoltaïques montés sur le toit et orientés vers le sud ont été conçus pour répondre à la demande d'énergie de la famille et ont permis au projet d'atteindre le statut net zéro. »
Comparaison de la consommation d’énergie entre une conception traditionnelle et le modèle de l’Iowa Nest. La combinaison des stratégies de conception a permis une réduction de 79 % par rapport au niveau de référence du Code international de conservation de l’énergie de 2012. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
Afin de tester la performance de ces stratégies de conception au fil du temps, les occupants ont suivi avec diligence la température et l’humidité relative de la maison en trois endroits distincts, tandis que la consommation d’énergie a été mesurée par circuit. Cela a permis aux propriétaires de cartographier avec précision la consommation d’énergie dans des espaces spécifiques. Voici cinq leçons à retenir des chiffres et du processus de conception.
1] Il n'y a pas de mal à changer de forme.
Les concepteurs connaissent très bien le concept d’itération des idées de conception, et ce projet renforce la valeur de l'essai et de l'analyse de plusieurs formes de bâtiments avant d'arrêter un choix.
Le projet initial s’étant révélé deux fois plus onéreux que le budget imparti, Sterner Design en a simplifié la structure tout en réduisant légèrement la surface au sol, ce qui a permis de respecter le budget, mais aussi de réduire de 30 % les charges de chauffage et de refroidissement.
Comparaison des charges de chauffage et de refroidissement entre diverses options de conception. L’alternative B a permis de réduire de 30 % l'indice d'efficacité énergétique. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
En réfléchissant au chemin parcouru jusqu'à la forme bâtie finale, Sterner recommande que « la réalisation d’une étude comparant les formes compactes aux formes allongées aurait permis d’identifier plus efficacement la forme de construction idéale. »
La modélisation et l’analyse rapides de ces modèles Whitebox élémentaires dans SketchUp et Sefaira permettent une comparaison efficace des bâtiments en fonction de leur forme. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
L'apprentissage : Modéliser et analyser rapidement plusieurs formes pour trouver les possibilités d’économies d’énergie et de coûts.
2] Toujours chercher à affiner et à simplifier.
La modification de la forme et la complexité ont entraîné une diminution de 10 % de la consommation d'énergie.
L'une des caractéristiques d'une bonne architecture est que la créativité et la fonction fusionnent pour créer une forme bâtie raffinée, presque indiscutable. Les avantages de la « simplification » pour cristalliser votre conception vont au-delà de la simple fourniture d’une architecture d’excellence et d’optimisation de la constructibilité ; elle peut également réduire la consommation d'énergie. En réduisant le nombre de jonctions, d'angles et de connexions dans sa proposition initiale tout en répondant aux exigences spatiales de son client, Sterner Design a obtenu une réduction considérable de 10 % la consommation d’énergie. Selon Carl Sterner : « cette expérience m’a montré à quel point conception et performance sont étroitement liées. En reconsidérant certains éléments de conception élémentaires, nous avons obtenu une conception plus efficace sur le plan énergétique et une réduction de 50 % du coût d'investissement par rapport à la conception initiale. La conception d'un bâtiment à consommation zéro ou d'une maison passive n'est pas quelque chose que l'on peut facilement ajouter à la fin d'une conception -, elle doit faire partie intégrante de l’ADN de la conception. » Une analyse à la fois précoce et régulière des diverses options de conception a permis d’avoir des échanges particulièrement constructifs avec les clients. En effet, être en possession de données concrètes leur a donné la confiance nécessaire pour approuver les modifications apportées au projet tout en permettant de réduire les coûts d’investissement et d’exploitation.
La leçon : il vaut la peine de garder les choses (relativement) simples. Cristallisez votre conception pour obtenir une architecture de qualité, améliorer la constructibilité et réduire la consommation d'énergie.
3] Choisir les solutions CVC appropriées.
Les concepteurs s'accordent à dire que le choix du bon système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) peut rehausser ou anéantir vos efforts passifs. Non seulement il peut conduire à des économies d'espace et à un meilleur environnement interne, mais votre choix de CVC peut également faire grimper les coûts d'investissement et de fonctionnement pour votre client.
Encore une fois, en utilisant l'analyse CVC de Sefaira tôt et souvent pour tester les combinaisons de systèmes qui pourraient fonctionner pour votre site et votre projet spécifiques, votre client pourrait dépenser ou économiser des milliers de euros.
L’Iowa Nest s'est retrouvé avec des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation moins chers que les systèmes conventionnels, mais qui offraient un meilleur confort et une meilleure qualité de l’air intérieur, ce qui lui a permis d'atteindre le niveau net zéro. Comment ? Tout d’abord, en supprimant la climatisation, ce qui n’est pas une mince affaire dans le climat contrasté de l’Iowa.
Comparaison du coût du système CVC pour la conception. La proposition initiale figure au centre, tandis que le choix final apparaît à droite. Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
Le projet intègre des stratégies de conception passive telles que l'aménagement de bermes de terre, ombrage, ventilation naturelle et réduction des charges internes, ce qui a réduit les charges de refroidissement à tel point que le concepteur a pu éviter complètement la climatisation. De même, une isolation renforcée, une bonne étanchéité à l’air et une conception solaire passive ont permis de réduire les charges de chauffage à un point tel qu’un petit système bon marché par rayonnement électrique suffit.
Bien que l'inefficacité du chauffage électrique par rayonnement ne soit généralement pas adaptée à une maison nette zéro, dans ce cas, les charges étaient si faibles que la pénalité énergétique était marginale et pouvait facilement être compensée par l’ajout de panneaux photovoltaïques.
La leçon : Examiner les stratégies de CVC et d'enveloppe en combinaison.
4] Dessiner les détails.
Remarques détaillées relatives à l’isolation des fenêtres de la maison. Modélisé dans SketchUp avec des dessins créés dans LayOut. Images reproduites avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
Sterner a utilisé SketchUp et LayOut pour dessiner et obtenir un ensemble complet de détails sur mesure afin de garantir une étanchéité à l’air et un environnement interne stable. Il a précisé de quelle façon les éléments des murs, fenêtres, portes et raccords muraux sur-mesure devaient être isolés et étanches à l’air.
La membrane d’étanchéité à l’air de la maison est mise en évidence (à gauche). L’isolation thermique de la maison est mise en évidence (à droite). Image reproduite avec l’aimable autorisation de Sterner Design.
Ce niveau de rigueur a permis d’obtenir un intérieur étanche à l’air et donc sans courants d’air et quasiment dépourvu de fluctuations thermiques internes, malgré un écart de température annuel enregistré sur le site équivalent à 21°C.
Données comparatives montrant les températures intérieures (lignes bleues, roses et rouges) par rapport aux températures extérieures (ligne noire) sans chauffage actif pendant le vortex polaire de février 2021. La conception permet d’obtenir des températures intérieures stables et confortables malgré les fluctuations extérieures. Image reproduite avec l’aimable autorisation de iowanest.com.
La leçon : Il faut aller jusqu'au bout des détails et des spécifications pour garantir une construction d’excellence et le confort de ses occupants.
5] Au-delà de l'EUI : Stratégies et mesures passives.
Bien que l'indice d'efficacité énergétique soit excellent pour l'évaluation comparative et la compréhension de la qualité globale d'une conception, il ne s'agit pas d'une excellente mesure de conception. Il peut cacher des problèmes potentiels, en particulier autour du confort thermique et des problèmes de charges élevées. Plus en aval du processus de conception, un ingénieur a observé que la proposition initiale, qui aurait coûté le double du budget, aurait probablement eu des chambres à coucher froides en hiver et un bureau étouffant en été. Cette distribution inégale de la chaleur peut nécessiter un système CVC plus complexe, plus coûteux et / ou de capacité supérieure pour y remédier.
En effectuant une analyse du confort thermique à l'aide de la mesure de la température opérationnelle, l’équipe a pu supprimer le besoin de climatisation, opter pour un système CVC plus petit et moins cher et éviter que certaines pièces de la maison soient inconfortables.
Une fois qu'une base de référence raisonnable de l'indice d'efficacité énergétique est établie, il est utile d’évaluer d’autres mesures telles que les charges de pointe, la température opérationnelle et l’autonomie thermique (le pourcentage de temps pendant lequel un espace maintient le confort de manière passive), ce qui permet d’obtenir des informations plus détaillées et significatives pendant la conception.
Le pouvoir des stratégies de conception passive - En considérant le coût final du projet, y compris le temps d’autoconstruction passé par le propriétaire et évalué à un taux horaire standard, le coût de la construction reste 9 % moins cher que celui d’une maison conventionnelle.
De plus amples informations sur le projet, notamment sur le confort thermique et les données énergétiques, sont disponibles sur le site Web de la maison, www.iowanest.com.
À propos de Carl Sterner
Carl est le directeur de la conception et du développement durable chez Sol Design + Consulting. Il supervise la conception et la réalisation de projets hautement durables, notamment les conceptions certifiées Passive House, LEED Platinum et Living Building Challenge. Il croit au pouvoir du design pour aider à créer un monde plus humain, équitable et joyeux.