Atteindre l’énergie net zéro avec l’acier
Analyse des avantages et des performances de la construction en acier
La prise de conscience croît grâce à des technologies de construction durables et à la nécessité de réduire la consommation d'énergie. Pour les architectes, les concepteurs, les ingénieurs, les entrepreneurs et les développeurs, cette conscience environnementale croissante se traduit par une ouverture à explorer de nouvelles techniques de construction et à évaluer comment minimiser notre impact à long terme sur la planète.
ArcelorMittal Dofasco contribue à cette conversation avec une étude de cas de bâtiment passif à consommation énergétique « net zéro ». L'étude a examiné comment l'acier, le béton et le bois se comparent sur les plans environnemental et financier dans un immeuble résidentiel de hauteur moyenne.
Le bâtiment passif et le net zéro se concentrent tous deux sur l'efficacité énergétique pour réduire les émissions de carbone et de gaz à effet de serre. Les bâtiments construits selon des méthodes conventionnelles consomment des quantités importantes d'énergie. Le chauffage, la climatisation, l’eau chaude, les appareils électroménagers, l’éclairage, les fenêtres et les portes contribuent tous à l’empreinte carbone d’un bâtiment.
Les normes de bâtiment passif concernent la consommation d'énergie, l'étanchéité à l'air et le confort intérieur. Le label « passif » est né de la très faible consommation d'énergie requise pour faire fonctionner ces types de bâtiments. L'Association internationale des bâtiments passifs explique que les bâtiments ne nécessitent « pratiquement aucun chauffage ou refroidissement actif pour rester confortables toute l'année ».
La minimisation de la consommation d'énergie est essentielle pour un bâtiment prêt à consommer une énergie nette zéro, dans le cadre de l'objectif d'atteindre la norme zéro nette totale exigeant qu'un bâtiment n'utilise que la quantité d'énergie produite sur place à partir de sources renouvelables.
Ces normes de construction modernes peuvent être mises en œuvre de diverses manières en fonction des conditions climatiques, des traditions de construction locales et des préférences individuelles. En tant que tels, ce sont des sujets idéaux pour une étude comparative.
Dans cette étude de bâtiment passif, ArcelorMittal Dofasco a analysé un hypothétique immeuble commercial et résidentiel à usage mixte de six étages situé dans la région du Grand Toronto et de Hamilton. Le bâtiment mesurait 6 916 m2 et comportait un podium au rez-de-chaussée pour un espace commercial séparé par une passerelle piétonne et 75 unités résidentielles aux étages supérieurs.
L’étude a été réalisée dans le cadre de l’initiative Steligence® d’ArcelorMittal. Ce programme utilise la technologie et les connaissances pratiques d'experts indépendants de l'industrie pour évaluer différentes méthodes de construction.
Trois scénarios de conception différents ont été analysés, couvrant la construction en acier, en béton et en bois. Chaque scénario incorporait un système de mur structurel et extérieur unique pour atteindre la norme énergétique du bâtiment passif.
David Riley, ingénieur mécanique principal chez mcCallumSather, a supervisé le processus de modélisation énergétique et développé le concept de système mécanique pour le projet. Il explique que l'enveloppe du bâtiment était le principal objectif de l'étude, que le bâtiment soit en bois, en béton ou en acier. « En fin de compte, les objectifs énergétiques que nous devons atteindre sont les mêmes, dit-il. Cela dépend vraiment de la façon dont le bâtiment est construit… et de la performance thermique. »
Toutes les conceptions présentaient la même conception structurelle pour le premier niveau avec des mises à niveau supplémentaires :
- Dalle et semelles isolées
- Mur-rideau à triple vitrage, fenêtres
- Isolation accrue du toit
- Système de récupération d'énergie centralisé
- Assemblages de plancher à rupture thermique et connexions de balcon
La technique la plus importante pour obtenir une énergie nette zéro est de construire des enceintes thermiquement efficaces et étanches à l'air. Chaque matériau présente ses propres défis pour atteindre cette norme. Pour l'acier, ses niveaux de conductivité plus élevés exigent qu'il soit entièrement protégé des conditions extérieures.
Une technique est celle des ruptures thermiques structurelles pour les composants qui s'étendent à travers la couche isolante.
Une autre consiste à utiliser des panneaux muraux de grand format avec des assemblages de renfort à ossature d'acier. Ces assemblages sont entièrement isolés à l'extérieur avec des assemblages de revêtement légers fixés de manière thermiquement efficace.
Dans certains cas, les fenêtres peuvent également être préinstallées en usine pour un assemblage mural complet qui est expédié sur le site et installé. Cette approche peut réduire considérablement le calendrier de construction, enfermant le bâtiment plus rapidement et permettant aux finitions intérieures de commencer plus tôt.
Pour évaluer l'impact environnemental des scénarios de conception, une analyse du cycle de vie (ACV) du berceau à la tombe a été réalisée. L'ACV a mesuré le réchauffement climatique, l'acidification, l'eutrophisation, l'appauvrissement de la couche d'ozone et la demande d'énergie primaire pour le bâtiment sur une durée de vie de 60 ans.
« Les analyses du cycle de vie et d'autres mesures avancées fourniront des informations encore plus précieuses, allant au-delà des simples... coûts de construction initiaux, déclare Brant Oldershaw, directeur du génie structurel, mécanique et électrique chez WSP. Trop souvent, nous avons vu des équipes de conception et leurs clients décider de leurs matériaux de construction en se basant sur la familiarité, au lieu de prendre des décisions fondées sur des preuves. En s'engageant dans une comparaison de matériaux sur des bâtiments identiques… SteligenceMD permet à la communauté du design de prendre des décisions plus éclairées pour ses clients. »
Dans l'étude de cas de bâtiment passif, la conception de l'acier a surpassé le béton et le bois dans la majorité des catégories de l'ACV.
L'acier présentait le plus faible potentiel d'acidification, d'eutrophisation, de formation de smog et de demande d'énergie. Pour le réchauffement climatique, l'acier et le bois étaient similaires, et tous deux étaient significativement inférieurs à ceux du béton en émissions d'équivalent CO2.
Dans les trois scénarios, la consommation d'énergie annuelle a été réduite de 55 % par rapport à la référence SB-10 du code du bâtiment de l'Ontario et de 50 % par rapport à un bâtiment non passif similaire.
La réduction a réduit les coûts des services publics d'un tiers ou de 40 000 $ par année (en supposant des tarifs d'électricité et de gaz naturel de 0,125 $/kWh et de 0,09 $/m3). Dans l'ensemble, l'ACV a déterminé que la construction à base d'acier avait la plus petite empreinte environnementale.
Bien qu'il existe une perception selon laquelle les bâtiments respectueux de l'environnement coûtent plus cher, Riley soutient qu'une simplification excessive et qu'une analyse minutieuse au stade de la planification peut éclairer le coût réel. « Vous investissez un peu plus pour renforcer l'isolation de votre bâtiment afin de minimiser vos systèmes mécaniques et électriques... À moins d'avoir cette analyse, cela se perd dans les chiffres globaux. »
L'étude de cas comprenait des estimations des coûts de construction pour les trois scénarios de conception. En termes de coût total, la conception en acier était la plus économique à 17,2 millions de dollars (CAD). L'estimation concrète était 7 % plus élevée que l'acier, tandis que le bois massif était significativement plus élevé à 19 %. La différence a été attribuée à l'augmentation des coûts de matériaux et d'installation du béton et du bois massif dans les étages supérieurs et le toit.
Riley et Oldershaw notent que les coûts d'exploitation continus pour un bâtiment net zéro ou passif entraîneront des économies importantes, qui peuvent compenser les coûts de construction supplémentaires.
« Le bâtiment passif offre un bâtiment plus confortable et moins énergivore et peut se traduire par un actif plus durable avec une valeur à long terme plus élevée, dit Oldershaw. D'après notre expérience, le « coût » du développement est opaque et il n'est pas clair pour les consommateurs potentiels comment le choix de le bâtiment passif influence les coûts – conception, coût ou opérations. Les consommateurs peuvent opter pour un bâtiment passif plutôt que pour d'autres équipements si les choix sont clairement et précisément reflétés. »
Le changement climatique est l'un des plus grands défis auxquels le monde est confronté aujourd'hui.
L'industrie de la construction et les gouvernements ont reconnu l'impact des bâtiments sur les émissions de gaz à effet de serre et sont en train de mettre à jour les codes nationaux de l'énergie des bâtiments du Canada pour atteindre des bâtiments prêts à zéro net pour 2030. Les normes de bâtiment passif aideront les bâtiments de l'avenir à atteindre leurs objectifs.
Dans cette étude de cas Steligence, la conception à base d'acier s'est avérée la plus durable et la plus économique sur le plan environnemental par rapport aux alternatives en béton et en bois.
Alors que le secteur de la construction continue d'évoluer vers des bâtiments prêts à consommer de l'énergie nette zéro, l'acier constitue une solution à la fois viable et favorable. Il peut répondre aux besoins énergétiques tels que définis dans la norme de bâtiment passif, tout en conservant l'impact environnemental et le coût de possession les plus bas.
MINIMISER LA CONSOMMATION D'ÉNERGIE EST LA CLÉ D'UN BÂTIMENT PRÊT POUR L’ÉNERGIE NETTE ZÉRO, MAIS AVEC LES NORMES NETTE ZÉRO COMPLÈTES, EXIGEANT ÉGALEMENT QU'UN BÂTIMENT N’UTILISE QUE L’ÉNERGIE QUI EST PRODUITE SUR SITE À PARTIR DE SOURCES RENOUVELABLES.
