Est-il économiquement justifiable d'appliquer la norme Passivhaus pour la construction de laboratoires ?

Figure 1 : Coupe d'une maison passive. (Source : Passivhaus-Institut Deutschland, www.passiv.de)

Abbildung 2: Vergleich des Primärenergiebedarfs von Passivhäusern und Laborgebäuden

Tableau 1 : Résumé

Illustration de la consommation d'énergie du laboratoire (Source : Carpus+Partner AG, Jörg Stanzick)

Étant donné que les bâtiments de laboratoire présentent une consommation d'énergie particulièrement élevée, l'efficacité énergétique lors de la planification de la construction est un facteur essentiel. Cependant, pourquoi l'application simple de la norme Passivhaus aux bâtiments de laboratoire, en raison de leur forte consommation d'énergie, n'est pas pertinente, explique le Dr.-Ing. Tino Born, chef de projet en énergie + environnement chez Carpus+Partner AG.

Lors de la planification de bâtiments écoénergétiques, il est souvent demandé d'appliquer et de mettre en œuvre les critères Passivhaus. Ces critères et conditions limites, tout à fait judicieux, ne sont cependant pas transférables directement à tous les types de bâtiments et ne peuvent pas être appliqués de manière pertinente, en particulier pour les bâtiments de laboratoire. Leur spécificité d’utilisation complique le respect des critères basés sur les besoins et entraîne également des coûts élevés. La mise en œuvre de la norme d’isolation des Passivhäuser peut même avoir un effet contre-productif. Une comparaison des caractéristiques principales des Passivhäuser et des bâtiments de laboratoire montre clairement que la réalisation de la norme Passivhaus ne conduit pas nécessairement à une efficacité énergétique accrue, et que le respect des indicateurs de consommation d’énergie dans les bâtiments de laboratoire n’est pas facilement réalisable. La faisabilité est clairement limitée.

Énergie primaire, énergie finale et facteurs d’énergie primaire

Les Passivhäuser désignent des bâtiments dans lesquels, en raison d’une isolation thermique particulièrement efficace, le confort thermique est assuré uniquement par le chauffage ou le refroidissement du flux d’air neuf (Fig. 1). L’utilisation active d’un chauffage classique n’est donc pas nécessaire. Pour pouvoir évaluer ces bâtiments selon cette condition, un standard a été défini, traduisant les exigences des Passivhäuser en objectifs et limites concrètes, et servant également de référence dans la planification quotidienne. Ce standard, dérivé du secteur résidentiel, indique par exemple pour un climat tempéré une consommation de chaleur de 15 kilowattheures par mètre carré et par an (kWh/(m²a)) et une consommation maximale d’énergie primaire de 120 kWh/(m²a).

Pour expliquer : l’énergie primaire est liée aux sources ou vecteurs d’énergie naturels. Pour l’utiliser, la stocker ou la transporter, elle doit être convertie en énergie secondaire. Comme cette conversion – par exemple en chaleur de chauffage – entraîne inévitablement des pertes d’énergie, l’énergie finale disponible pour le consommateur est inférieure à l’énergie primaire théorique, qui n’est cependant souvent ni possible ni judicieuse à utiliser directement.

Pour rendre comparables les différentes formes d’énergie primaire – avec leurs propriétés variées en termes de sécurité d’approvisionnement et de nocivité pour le climat – des facteurs d’énergie primaire ont été attribués à chaque vecteur d’énergie. En multipliant la consommation réelle par ces facteurs, on détermine le besoin en énergie primaire – fixé à un maximum de 120 kWh/(m²a) pour les Passivhäuser.

En comparaison : si l’on considère, comme ci-dessus, une consommation de chaleur de 15 kWh/(m²a), la consommation d’énergie primaire pour une fourniture par fioul ou gaz naturel – tous deux avec un facteur de 1,1 – s’élève à 16,5 kWh/(m²a). Le bois se voit attribuer un facteur d’énergie primaire de 0,2, ce qui donne une consommation d’énergie primaire de seulement 3 kWh/(m²a) lors du chauffage au bois. L’utilisation de l’électricité (facteur 2,6) augmente la besoin en énergie primaire à 39 kWh/(m²a). Dans le cas le plus favorable, le chauffage thermique est couvert par une chaleur à distance avec un facteur d’énergie primaire de 0,0. La consommation maximale autorisée de 120 kWh/(m²a) d’énergie primaire reste alors entièrement disponible pour le fonctionnement technique du bâtiment.

Besoin nettement supérieur

Contrairement aux bâtiments résidentiels, les bâtiments de laboratoire supportent de fortes charges internes et nécessitent un renouvellement d’air élevé lors du fonctionnement. Les indicateurs typiques sont des charges internes totales de 80 W/m², comprenant appareils (55 W/m²), éclairage (15 W/m²) et personnes (10 W/m²). S’y ajoute un renouvellement d’air généralement d’environ 25 mètres cubes par mètre carré par heure (m³/m²/h).

Pour une puissance d’éclairage installée de 15 W/m², avec 2 500 heures de fonctionnement par an, cela représente un besoin énergétique de 37,5 kWh/(m²a). La consommation d’énergie primaire, en tenant compte du facteur de 2,6, s’élève alors à 97,5 kWh/(m²a). La ventilation mécanique, à son tour, nécessite de l’énergie électrique. La consommation électrique pour assurer le renouvellement d’air requis est d’environ 25 W/m². Sur 2 500 heures d’utilisation par an, cela correspond à une consommation de 62,5 kWh/(m²a), soit un besoin en énergie primaire de 163 kWh/(m²a).

Au total, la seule consommation pour l’éclairage et le transport d’air s’élève à 260,5 kWh/(m²a) d’énergie primaire. En supposant également un besoin de 38,5 kWh/(m²a) d’énergie électrique finale (soit 100 kWh/(m²a) d’énergie primaire) pour des applications telles que l’alimentation d’appareils électroniques ou la production de froid, cela mène à une consommation totale d’énergie primaire de 360,5 kWh/(m²a). Ce chiffre est déjà trois fois supérieur à la limite maximale autorisée selon la norme Passivhaus, alors même que l’on suppose que le chauffage peut être entièrement couvert par une chaleur à distance, sans consommation supplémentaire d’énergie primaire. En pratique, on considère souvent un besoin de 20 kWh/(m²a) d’énergie primaire pour couvrir le chauffage dans un Passivhaus. Pour une évaluation plus réaliste et une meilleure comparabilité, cette valeur sera également retenue ici. La consommation d’énergie primaire de notre bâtiment de laboratoire fictif s’élève donc à 380,5 kWh/(m²a) (Fig. 2).

Il apparaît clairement : en raison de leur usage, les bâtiments de laboratoire nécessitent une consommation d’énergie minimale bien supérieure à celle d’un Passivhaus. La limite maximale de 120 kWh/(m²a) d’énergie primaire ne couvre que les besoins en chauffage et éclairage – le bâtiment ne serait donc pas utilisable en tant que laboratoire.

Une isolation selon la norme Passivhaus offre peu d’avantages

De même, l’impact de la coque du bâtiment sur la consommation d’énergie pour le chauffage et la refroidissement des bâtiments de laboratoire diffère fortement des résultats obtenus pour les bâtiments résidentiels. Des simulations thermiques de bâtiments dans le cadre de plusieurs projets concrets ont montré que la mise en œuvre de la norme d’isolation Passivhaus pour des bâtiments de laboratoire est certes énergétiquement pertinente dans certains cas, mais économiquement injustifiable.

En améliorant la coque du bâtiment du standard habituel EnEV-2009 au niveau Passivhaus, la consommation totale d’énergie pour le chauffage diminue d’environ 25 %, et les puissances de raccordement nécessaires baissent : de 10 % pour les générateurs de chaleur, d’1 % pour les refroidisseurs. En combinant cela avec une récupération efficace de chaleur (WRG), jusqu’à 43 % de la consommation totale d’énergie pour le chauffage peut être économisée. La puissance de raccordement du générateur de chaleur diminue de 28 %, celle du refroidisseur de 2 %.

Les coûts financiers pour atteindre ces économies, cependant, remettent en question la rentabilité économique de cette amélioration : le surcoût pour une coque selon la norme Passivhaus s’élève déjà à 40 euros par mètre carré, et avec WRG, à 45 euros. Les économies sur les coûts d’exploitation dues à la réduction de la consommation d’énergie ne représentent que 35 ou 64 centimes par mètre carré et par an. La période de rentabilisation avec WRG n’intervient qu’après 70 ans, voire seulement après 114 ans. Des durées qui dépassent largement le cycle de vie moyen d’un bâtiment de laboratoire, estimé à 25 ans. De plus, la consommation totale de refroidissement augmente de 5 % dans tous les cas (voir tableau 1).

Une planification spécifique est indispensable

Un véritable standard Passivhaus, répondant à tous les critères pour des bâtiments classiques, n’est pas réalisable pour un bâtiment de laboratoire en raison de sa consommation énergétique accrue. La surcharge en planification et en investissement est également, surtout compte tenu du cycle de vie typique d’un bâtiment de laboratoire, économiquement injustifiable.

Pour concevoir un bâtiment de laboratoire écoénergétique, il faut prendre en compte les particularités liées à l’usage et à la construction, qui ne peuvent pas être modélisées par des critères standardisés. Il reste essentiel d’étudier au cas par cas toutes les conditions et possibilités, et de concilier efficacité énergétique, rentabilité, fonctionnalité et confort.