Contre la clim, concevoir des "villes éoliennes" en zone tropicale

Antoine Perrau, chercheur en architecture, École Nationale Supérieure d'Architecture Montpellier (ENSAM)

Les 140 pays de la zone tropicale abritent 34 % des habitants de la planète et occupent une part beaucoup plus conséquente que les pays des latitudes moyennes dans l'accroissement actuel de la population mondiale.

Dans le contexte de crise climatique et sanitaire, se pose dans ces régions où les épisodes de grande chaleur se multiplient la question de la climatisation, qui représente une dépense énergétique colossale et engendre des problèmes de qualité de l'air. Comment réduire au maximum son usage et favoriser une conception passive et plus saine des bâtiments ?

Poursuivre cet objectif exige un travail de conception à l'échelle du bâtiment, avec des protections solaires et une ventilation naturelle efficaces. Mais également à l'échelle du quartier et de la ville, pour favoriser les écoulements d'air, et non les réduire. L'idée est de promouvoir un " urbanisme éolien ". Des bâtiments naturellement ventilés

La conception d'un édifice en climat tropical repose sur ce que l'on appelle le concept de l'arbre : l'occupant doit ressentir la même sensation de confort thermique qu'à l'ombre d'un arbre, à savoir un système d'air ventilé et une protection solaire efficace.

La convection (c'est-à-dire ici le transfert de chaleur entre l'air et le corps humain) liée à la vitesse de l'air représente entre 35 % et 50 % des échanges du corps humain, en fonction de son intensité. Ceci souligne l'importance fondamentale de la ventilation naturelle dans le confort, que ce soit à l'échelle du quartier ou du bâtiment dans lequel on vit ou l'on travaille. La conception bioclimatique en milieu tropical humide repose, en partie, sur l'optimisation de celle-ci.

Pour ressentir les effets " rafraîchissants " d'une vitesse d'air en climat chaud et humide, celle-ci doit être a minima de l'ordre de 1 mètre par seconde. Garantir de telles conditions implique de maîtriser la " chaîne de la ventilation naturelle " est donc essentielle : il faut assurer une vitesse minimale de circulation de l'air sur l'occupant et dans le bâtiment à partir d'une vitesse initiale connue, issue de la station météo de référence la plus proche. Pour cela, il faut concevoir un bâtiment qui tienne compte d'obstacles tels que la topographie du terrain, sa rugosité, l'urbanisme environnant, la forme bâtie, ou l'organisation interne des bâtiments, autant d'éléments qui peuvent freiner ou empêcher la circulation du vent.

Il s'agit donc au préalable d'assurer une bonne conception thermique et aéraulique du bâtiment, avec une ventilation naturelle des espaces habitables doublée d'une bonne conception thermique de l'enveloppe du bâtiment et de ses abords. Une expérimentation de ville éolienne à La Réunion

Mais un bâtiment bien ventilé ne suffit pas. Pour pérenniser sa performance dans le temps, il faut éviter que les constructions à venir autour ne viennent altérer cette circulation d'air à l'échelle de son environnement proche.

La littérature est riche en exemples de villes prenant en compte la ventilation de leur trame urbaine, depuis l'Antiquité avec Vitruve vers - 15, en passant de nos jours par Masdar city ou Hongkong dans leurs plans d'urbanisme.

On constate toutefois qu'aucune ne se préoccupe vraiment de la ventilation des bâtiments dans cette trame, c'est-à-dire qu'elles ne tiennent compte que de l'échelle urbaine et pas de l'échelle bâtiment. La ville est ainsi ventilée, mais sans pouvoir garantir que les immeubles qu'elle abrite le soient. Le recours à la climatisation risque alors de s'imposer sans autre alternative possible.

C'est à ce travail que nous nous sommes attachés pour concevoir une Zone d'aménagement concerté (ZAC) à La Possession, une commune localisée au nord-est de l'île de La Réunion, située en climat tropical humide. À terme y est prévue l'implantation de 1700 logements, ainsi que les services et équipements liés. La première phase est achevée et a déjà fait l'objet d'une reconnaissance internationale avec un second prix aux Green Solutions Awards lors de la COP 24.

Vue aérienne du quartier.

Pour penser ce quartier de 34 hectares en tenant compte de l'enjeu éolien, nous avons développé une stratégie " aéroclimatique " fondée sur la prise en compte de l'environnement existant, d'une intégration des effets topographiques (plaine, talweg, colline, montagne), d'une réflexion à toutes les échelles (de l'environnement lointain, de l'organisation de la ville, de la forme du bâtiment et de son organisation intérieure).

En effet, le site du projet ne bénéficie pas d'un fort potentiel de ventilation compte tenu de sa position géographique sous le vent de l'île. Une optimisation de la conception était donc indispensable, ce qui a motivé le choix d'une étude aéraulique poussée et le recours à la simulation en soufflerie physique avec le laboratoire Eiffel.

Nous avons superposé cette stratégie aéroclimatique à la stratégie urbaine en plusieurs étapes : nous avons tout d'abord élaboré des scénarios d'aménagement qui ont été validés ou modifiés par les échanges avec un expert aéraulique. Ceci nous a permis de définir des organisations différenciées : bâtiments plots (typologie de bâtiment où la largeur est équivalente à la profondeur et à la hauteur), bâtiments en forme de barres (bâtiments plus longs que larges et de profondeur inférieure à 12 mètres ici), échelle bâtie (variation de la hauteur bâtie de R+1 à R+6). Il est en effet établi qu'une variété de hauteurs favorise le potentiel de ventilation d'un quartier, là où les règles urbaines des plans locaux d'urbanisme (PLU) préconisent trop souvent des hauteurs uniformes dans une zone.

Ce travail fait, nous sommes passés à l'échelle des bâtiments pour optimiser leur morphologie au regard de leur potentiel de ventilation naturelle, dans cette trame urbaine préalablement définie.

Par exemple, nous avons précisé des principes de formes architecturales de type plots organisées autour d'un patio central ou en forme de U ouvert vers les vents dominants.

Nous avons par ailleurs implanté les bâtiments en décalage les uns par rapport aux autres selon la direction des vents, afin d'éviter ce que l'on appelle les effets de masque, lorsqu'un bâtiment tiers vient " protéger " du vent le bâtiment considéré et donc empêcher sa ventilation. L'ensemble de ces différents choix permet au final d'obtenir un confort thermique sans recours à la climatisation.

Le plan du quartier a ainsi pu être finalisé et transcrit réglementairement : ces dispositions sont désormais opposables aux tiers dans le Plan local d'urbanisme, afin de préserver le potentiel de ventilation naturelle de chaque construction dans la trame urbaine du quartier.

La première tranche de travaux est maintenant achevée et nous a permis d'en faire l'évaluation. Ce nouveau quartier, grâce à ses préconisations urbaines, laisse la part belle aux jardins, aux modes de transports doux et aux respirations entre bâtiments, eux aussi essentiels au confort des habitants.

Le résultat est satisfaisant sur de nombreux aspects, mais la complexité de l'aéraulique dans la conception d'un bâtiment a montré quelques dysfonctionnements pour certaines réalisations (porosité trop faible, forme architecturale non efficace). Ceci a mis en évidence la nécessité impérative pour les architectes d'intégrer l'ingénierie aéraulique dès la genèse de leurs projets en co-conception dès la phase d'esquisse, où se dessinent des choix déterminants pour le potentiel de ventilation d'un bâtiment.

Ce travail nous a permis de montrer la possibilité de définir et valider le concept de ville éolienne tropicale dans laquelle le " droit à la ventilation naturelle " pour tous serait assuré. Ceci réduit de manière notable le recours aux systèmes actifs énergivores, l'impact carbone de la ville et la concentration des polluants.

Il est aussi envisageable de transposer une partie de ces concepts dans les villes tempérées, de plus en plus soumises aux conséquences du réchauffement climatique.

Article publié en partenariat avec The Conversation.