Convection thermique

Le projet commence par une étude approfondie du phénomène naturel de la convection thermique. Ce phénomène se lit dans les différentes échelles qui nous entourent, de l'échelle physiologique jusqu'à l'échelle terrestre. À la suite de cette recherche, une suite de dispositifs conceptuels sont dérivés de la compréhension de ce phénomène et appliqués à l'architecture.

Ce projet d'étude répond à la consigne de concevoir un nouvel institut du climat de 10 000 m² sur le campus de l'EPFL à Lausanne. Ce projet théorique ambitionne une minimisation des dépenses énergétiques de chauffage et de ventilation, par le biais d'une conception architecturale radicale fondée sur le phénomène de convection.

Les espaces sont divisés en plusieurs bâtiments ayant chacun une température d'usage cible, et donc une réponse convective spécifique.

L'espace enseignement regroupe des activités diverses, qui nécessitent différentes températures ambiantes suivant le niveau d'activité physique des usagers.

Pour cela, le bâtiment enseignement a été conçu comme un milieu continu de 3 niveaux à travers lesquels se déploie la stratification thermique verticalement (de 1 °C par mètre environ). Les planchers sont perforés (caillebottis bois et panneaux acoustiques perforés) pour permettre à l'air chaud de monter. Au sein de ce milieu, des « bulles » sont aménagées afin de retenir l'air chaud à certains endroits pour offrir des alcôves thermiques.

En toiture, des cheminées permettent l'aspiration de l'air chaud, dont la chaleur est récupérée via des échangeurs thermiques.

Le bâtiment recherche est composé exclusivement de bureaux. Il se développe face au Sud, selon une forme incurvée afin de maximiser le linéaire de façade exposée Sud.

Les salles de bureaux sont traversantes afin que l'air circule librement dans la largeur du bâtiment. L'espace de circulation est placé le long de la façade Nord. Il est vitré de part et d'autre, permettant une ventilation naturelle fraîche en été. D'une profondeur de 12 mètres, les bureaux sont irrigués de lumière naturelle des 2 côtés.

En hiver, un dédoublement de la paroi exposée Sud permet de créer un mur Trombe, assurant le réchauffement de l'air par rayonnement solaire d'une épaisseur tampon. En été, les stores protègent de la surchauffe et le mur Trombe devient une cheminée solaire qui fait entrer de l'air frais à sa base et évacue l'air chaud en toiture.

Les salles de conférence sont des endroits généralement très consommateurs d'énergie, car durs à chauffer en hiver et durs à refroidir en été. De plus, ces espaces peuvent accueillir un public variable, selon qu'a lieu un cours magistral réservé à une promotion ou une conférence ouverte au public. Or un humain en position assise dégage en moyenne 100 W de chaleur, ce qui explique pourquoi une salle pleine en été est suffocante, alors que la même salle à demi-vide en hiver est glaciale.

Le projet propose donc une salle qui puisse adapter son volume au climat désiré, selon le nombre de participants et la saison. Un plancher mobile permet de monter et descendre le plafond par un système de pignon-crémaillère. Des rideaux y sont également suspendus afin de permettre une division de la salle en 2 ou 4 ; thermiques et phoniques, ils isolent au mieux la portion de salle concernée. Des ouvertures en façade permettent la ventilation des lieux.

Cette conception permet une économie de moyens et d'énergie en chauffage et climatisation, ainsi qu'un confort thermique en toute saison et pour tout évènement.

Le campus est généré à partir de ces différents espaces. Chaque bâtiment répond ainsi à une température d'usage cible, et donc à une réponse convective spécifique. Ces différents ensembles se rejoignent autour d'une cour intérieure, qui fait figure de lieu central de circulation, de rencontre et de rassemblement des différents publics du campus.

Pour éviter l'artificialisation de nouveaux sols, le projet est construit en structure légère poteaux-poutres en bois, et implanté sur un toit existant du campus de l'EPFL. Ce choix permet également de traiter la surface de toit restant en végétalisation et panneaux photovoltaïques afin de créer de l'énergie et de rafraîchir le rez-de-chaussée existant.