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Micro habitat bioclimatique,
B A N G K O K
Latitude : 13°45’ N Longitude : 100° 31’ E Altitude : 1.5 m
CARACTÉRISTIQUES ET POTENTIALITES DU SITE Géographie / Histoire / Culture Contexte environnemental Données et analyses climatiques
STRATÉGIES DU PROJET Intentions Stratégies Concept bioclimatique Spatialité et usages Structure et matériaux
RÉPONSES ÉNERGÉTIQUES Besoins Productions Comparatifs
SYNTHÈSE Diagramme de Sankey Conclusions 4
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CARACTÉRISTIQUES ET POTENTIALITES DU SITE Géographie / Histoire / Culture Contexte environnemental Données et analyses climatiques
BANGKOK
Géographie / Histoire / Culture
Le site de ce Diogène se situe en Thaïlande. Bangkok, sa capitale, est une métropole qui compte plus 8,2 millions d’habitants ce qui représente environ 15% de la population du pays. Elle s’étend sur une superficie de 1568km2. Cette ville est 11 fois plus peuplée que chacune des trois autres plus grandes villes de province. Anciennement construite sur un réseau de canaux, la ville était principalement composée d’habitats individuels. Dans les années 1950, l’image de la ville horizontale imbriquant deux modèles urbains prévalait encore. D’une part, la ville est composée de « villages urbains », centrée sur la citadelle et organisée par le réseau hydrographique (fleuve et canaux), le végétal y est très présent. D’autre part, on trouve la « ville consolidée » composée de compartiments mixtes sur une trame parcellaire étroite, le long du réseau viaire avec pour centres les quartiers commerçants.
5 km
8
9
Caractères majeurs du site A partir des années 1980, l’urbanisation massive se développe, superposant réseaux d’infrastructures aériennes, verticalisation des formes urbaines à l’ancien tissu traditionnel. Les différents types d’urbanisation cohabitent de manière inattendue. L’apparente incohérence de leurs natures et de leurs échelles, est en réalité cousue et connectée par l’usager qui lie et harmonise. Le commerce notamment ambulant contribue beaucoup à favoriser ces connexions. Trente-cinq ans après les fortes mutations urbaines transformant la ville, on trouve toujours un micro tissu traditionnel urbain et une forme de végétation spontanée en plein cœur de la mégapole. * SITE : Etendue naturelle en coeur de ville.
De même que perdurent les tissus urbains anciens, les modes de vie traditionnels sont toujours présents. Le fleuve Chao Praya demeure un lieu de vie, de commerces et d’échanges. De nombreuses habitations flottantes ou sur pilotis longent le cours d’eau, les marchés flottants deviennent une curiosité touristique, mais les commerces ambulants sur bateaux sont toujours actifs. Ces dispositifs permettent à la fois l’exploitation du fleuve comme ressource territoriale mais également de s’adapter aux périodes de moussons.
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Risques majeurs du site Bangkok est une ville de climat chaud et humide. Les amplitudes de température au cours de l’année sont faibles, elles varient entre 19°C et 38°C. En revanche, les précipitations et leur saisonnalité amènent de forts contrastes climatiques dans cette région du globe et conditionnent les modes de vie et de construction.
* MONTEE DES EAUX En raison de sa faible altitude et de sa situation à l’embouchure du fleuve Chao Phraya, Bangkok fait partie des villes du monde les plus exposées au risque de montée des eaux. A l’heure actuelle, la ville s’enfonce d’environ 3cm par an. source : http://www.thailande-fr.com/
* SOLEIL L’impact du soleil est fort et constant au long de l’année, au zenith il oscille entre 50° et 85° environ par rapport à l’horizontale selon les saisons.
* SEISMES Le risque de séisme induit des contraintes structurelles telles que la continuité verticale des éléments porteurs, le recours à des assemblages articulés.
* PRECIPITATIONS Considérables, principalement entre mai et septembre. Elles conditionnent fortement les modes de vie et de construction.
* VENT Forces faibles, entre 0 et 8 m.s selon les moments de l’année.
* FLEUVE La vie des habitants de Bangkok est fortement rythmée par la présence du fleuve Chao Phraya : marchés flottants, acheminement de materiaux et denrées alimentaires.
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* BAMBOU -Provenance: Thaïlande -Matériau creux . Section cylindrique pouvant atteindre 22cm de diamètre et 40m de hauteur. -Densité (parois) = 0.6 -Envisageable en toiture * FEUILLES DE PALMIERS -Provenance: Thaïlande -Couverture par recouvrements -Biodégradable -Contrainte de pente minimum * BOIS DE BANGKIRAI («Chan») -Provenance: Thaïlande -Propriétés hydrofuges. Densité = 0.9 -Bois structurel
* FIBRE DE COCO -Provenance: Thaïlande -Fibre longue, rigide
Contexte environnemental Matériaux et ressources
* SOLEIL Un rayonnement global annuel de l’ordre de 1800 kWh/m²/an. En comparaison, le rayonnement global annuel parisien est d’environ 1000 kWh/m²/an.
* ENERGIE HYDRAULIQUE Le débit du fleuve Chao Phraya est de 883m3/s. Cependant, la navigation y est très dense, ce qui implique une attention particulière sur la manière d’en capter l’énergie.
* BIOMASSE Climat tropical : fort potentiel de culture, de phyto-épuration, possibilité de cultiver notamment en zone ombragée.
* TOLE ONDULEE DE REEMPLOI -Provenance: Thaïlande -Etanchéité en toiture, modularité future recyclabilité
* LATEX -Provenance: Thaïlande -Extrait de l’Hévéa, essence locale -Transformations mutiples : caoutchouc naturel, imperméabilisation de textiles -Hydrofuge -Biodégradable 14
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Données et analyses climatiques Soleil / Précipitations / Vents
(mm) 280
Mousson : le soleil est au nord
Mousson
260 240 220 200 180 160 140 120 100
Saison fraîche : le soleil est au sud
BANGKOK VENTS SYNTHESE ANNEE
Diagramme solaire
80 60 40 20
Précipitations mensuelles en mm
Le soleil est globalement haut tout au long de l’année. Au nord et au sud, il est 0 jan fev mar avr mai jui jui aou sep oct nov dec relativement aisé de maîtriser les rayonnements très verticaux par protections Le total annuel des précipitations est de 1600 mm, ce qui représente environ le horizontales de faible longueur, tandis qu’à l’est et à l’ouest, les parois verticales double des précipitations parisiennes. sont fortement soumises à la pénétration des rayons obliques durant la majeuresource : Windfinder. observaSource : Météonorm. Données 2005. tions entre 06/2009 - 09/2014 partie de la journée. tous les jours de 7h à 19h, heure locale
Source : Ecotect analysis
kWh/m²/mois 210 180 150 120 90 60 30
0 jan fev mar avr mai jui jui aou sep oct nov dec
Rayonnement global mensuel. L’intensité du rayonnement global au long de l’année est peu variable.
Source : Météonorm. Données 2005.
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Rose des vents: Synthèse annuelle - directions principales Source : Windfinder
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Températures / Humidité de l’air H_Gn1
(°C)
%
50
30
30
81 78 91 89 80 70 68 50 46 59 74 87
174 172 197 208 204 179 178 161 143 178 160 176
20
146
1
2
874
2129
80
50 40
-10
D-RR
0 2 5 5 3 3 3 3 1 7 8 8
60
0
H_R
1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0
20 10
RR
91 115 143 150 124 164 164 164 170 297 227 54
70
40
H_Lin
294 19.0 273 34.0 316 60.0 309 120.0 316 241.0 305 177.0 315 168.0 317 186.0 306 258.0 314 261.0 295 57.0Colonne N 296 12.0
-20 -30 -40
3654 1593.0
10
-50
Avril
Janvier
Température de confort Températures : Mois le plus chaud, mois le plus froid avec leurs températures minimum et maximum, et température de confort à 20°C.
(°C)
0
jan fev mar avr mai jui jui aou sep oct dec 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 nov 11 12
Humidité relative de l’air : moyennes mensuelles
Les taux d’humidité moyens oscillent, la plupart du temps, entre 60% et 75%, ce qui est supérieur à une situation confortable considérée entre 30% et 60%. Il est à noter également que l’humidité relative peut monter jusqu’à près de 100% la nuit lors de la mousson. Sources : Météonorm. Données 2005.
38 36 34 32 30 28 26 24 22 20
0
Page 5 jan
fev
mar
avr
mai
jui
jui
aou
sep
oct
nov
dec
Températures journalières - minimales et maximales : Faible différence en terme de températures au long de l’année. Celles-cis varient entre 19°C et 38°C. Sources : Météonorm. Données 2005.
Par ailleurs, les écarts de température entre jour et nuit sont de l’ordre d’une dizaine de degrés au maximum. 18
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Synthèse : vers une stratégie bioclimatique
Cas de Bangkok : besoin d’au moins 1,5 m.s de mouvement d’air lors de fortes chaleurs et de forts taux d’humidité. Modèle de Givoni : Rapport entre humidité relative, température et besoin de mouvement d’air pour situation de confort thermique. Un courant d’air est globalement perçu à partir d’une vitesse de 0,25 m.s en climat «d’été».
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L’ensemble des données climatiques permet de dégager des axes principaux vers une réponse architecturale : Atténuation de l’inconfort lié à l’humidité et la chaleur, par maximisation de la ventilation naturelle, ainsi que protection contre les précipitations, le rayonnement solaire. Au même titre qu’un vêtement adapté à un climat dit «lourd», la proposition architecturale répondant au climat de Bangkok considèrera l’air et l’eau comme éléments naturels fondamentaux de définition d’un habitat dans lequel il fait bon vivre, au coeur de la nature.
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STRATÉGIES DU PROJET Intentions Stratégies Concept bioclimatique Spatialité et usages Structure et matériaux
Storyboard climatique Le climat de Bangkok est caractérisé par un découpage en trois saisons principales: SAISON SECHE A.S
:4
70
A.S W
/m
²
:3
90
A.S W
/m
²
H.R : 63 % V.V : 4.3 m.s
70°
1er AVRIL, 00h00
:4
00
W
V.V : 3.1 m.s
85°
²
H.R : 56 % V.V : 0.4 m.s
50°
31° C
29° C 1er AOUT, 12h00
La mousson de mai à octobre, puis la saison «fraîche» de novembre à février et enfin la saison «sèche», de mars à mai.
/m
H.R : 69 %
35° C 1er AVRIL, 12h00
SAISON FRAICHE
MOUSSON
1er JANVIER, 12h00
H.R : 76 %
H.R : 99 %
H.R : 85 %
V.V : 0.9 m.s
V.V : 0.3
V.V : 0.3 m.s
29° C
25° C 1er AOUT, 00h00
28° C 1er JANVIER, 00h00
H.R : Précipitations avril : 120 mm.
MARS --> MAI
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Précipitations aout : 180 mm.
MAI --> OCTOBRE
Précipitations janvier : 20 mm. NOVEMBRE --> MARS
Humidité relative
A.S
Apport solaire (rayonnement global)
V.V :
Vitesse du vent
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Recherches
Une constante : la surtoiture ventilée
* PRINCIPE FLOTTANT
* PRINCIPE HAUT SUR PATTES
La «cale» d’une petite embarcation comme refuge de fraicheur.
Porosité des parois, rôle du textile, principe de voiles modulables d’occultation de la lumière et de l’intimité.
Intégration et mise en valeur de la collecte d’eaux pluviales dans la structure, inclinaison des parois extérieures pour capter l’énergie solaire à l’est et à l’ouest.
26
27
Concept bioclimatique
Stratégies *ANTI COMPACITE Eclatement des volumes : rapport volume interieur / surfaces d’enveloppe dans lequel celles-ci sont maximisées afin de rendre l’habitat le plus poreux possible aux mouvements d’air.
N
* VENTILATION NATURELLE Implantation Nord-est / Sud-ouest face aux vents dominants. Les vents sont suffisamment faibles pour favoriser une ventilation naturelle sans gêne excessive.
O
E
S Orientation par rapport aux vents dominants : ventilation naturelle maximale.
* RECUPERATION D’EAUX PLUVIALES Volume élevé de précipitations mais une forte intermittence selon les saisons, à prévoir dans le système d’adduction des eaux. * PHOTOVOLTAIQUE Le fort ensoleillement (1800 kWh/m²/an - donnée 2005), relativement constant au long de l’année, permet de capter le rayonnement solaire en toiture avec inclinaison des panneaux de l’ordre de 13°, latitude locale. * HYDROELECTRICITE Fleuve Chao Phraya. Pico-centrale hydroélectrique «au cours de l’eau», d’une puissance installée de 20kW, partagée à l’échelle du quartier par une quarantaine de foyers. * PHYTO EPURATION Bactéries, algues, phytoplancton, roseaux, massettes ou lentilles d’eau.
28
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Parti-pris architectural
N.E
S.O
I. MAXIMISER L’APPORT DES VENTS DOMINANTS - Référence Une cabane dans les airs. « L’observatoire » (2007), © Tadashi Kawamata.
II. S’ELEVER DU SOL
III. SE PROTEGER ET COLLECTER LA PLUIE
Une proportion étroite permet aux vents dominants de traverser le plus amplement l’habitation. Le dégagement par rapport au sol et l’importante toiture assurent une protection contre l’humidité et les intempéries. Les eaux pluviales sont acheminées depuis la toiture jusqu’au socle technique sous le premier plancher. 30
Principes de ventilation naturelle : ultra porosité des parois verticales et horizontales (planchers ajourés), éclatement des volumes (anti-compacité). 31
Habiter la hauteur
Prise au vent
Un pliage de toiture
Habiter la faible épaisseur?
Vivre «à la verticale» ?
Maquette d’étude : première mise au point structurelle. 32
33
Se reposer
S’a
brit er d
e la ch aleur
s
uie pl
ple
in a ir
N
34
N
er
en
Se douch
cuisin
er s ou
sl
a
Observer dehor
Plan niveau 1
Plan niveau 2
1m
1m
35
Habiter la structure
1m
Coupe transversale S.O - N.E. 36
Maquette finale, vue depuis l’ouest sur la double hauteur. 37
Materiaux, construction, détail Schéma structurel de la toiture et positionnement des descentes d’eaux pluviales.
Détail de façade toute hauteur à échelle 1:1 vue partielle 0.5 m
E.P E.P E.P * COUVERTURE BAMBOU
* OSSATURE BAMBOU Poteaux 200 mm.
* FIBRE DE COCO Nattes, carpettes, hamacs
Poutres, poutrelles 130 mm. Brise-soleils. 30 mm.
* PIETEMENT BETON ET ROTULE ACIER GALVANISE
La construction en bambou : un savoir-faire ancestral en Asie du sud-est.
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RÉPONSES ÉNERGÉTIQUES Besoins Productions Comparatifs
Besoins énergétiques Appareils
*Un ventilateur plafonnier, à puissance maximale de 75W, peut générer un courant d’air allant jusqu’à 1,5 m.s, ce qui permet de créer une impression efficace de rafraîchissement, indispensable en climat chaud et humide.
BESOIN DE FROID
Petit réfrigerateur Grand ventilateur
1 1
0,2kW 0,07kW
24h 12h
4,8kWh/j 0,84kWh/j
4 15 1
0,007kW 0,007kW 0,007kW
2h 3h 1h
0,056kWh/j 0,315kWh/j 0,007kWh/j
Eclairage LED cuisine Eclairage LED circulations, passerelles
3 1
0,007kW 0,007kW
2h 2h
0,042kWh/j 0,014kWh/j
Téléphone PC PC modem
1 1 1 1
0,002kW 0,015kW 0,015kW 0,009kW
24h 3h 3h 24h
0,048kWh/j 0,045kWh/j 0,045kWh/j 0,216kWh/j
plaques de cuisson Douche solaire
1 1
2kW 2,8kW
1h 0,5h
2kWh/j 1,4kWh/j
Eclairage LED chambre Eclairage LED séjour Eclairage LED salle de bains
ECLAIRAGE, MATERIEL DIVERS
*La douche semi-exterieure capte les rayonnements solaires au sud-est par un chauffe-eau placé en toiture.
BESOIN DE CHAUD
Quantité Puissance Temps Energie unitaire d’utilisation/j dégagée/ (kW) pour 2 jour (kWh/j) personnes(h)
TOTAL
9,8kWh/j
Soient 3587kWh/an
Or la douche solaire consomme 510 kWh/an. Les besoins en électricité représentent donc 3587-510 soient 3077 kWh/an 42
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Production énergétique
Besoins et production d’électricité Synthèse annuelle
TOTAL
2385 W
2000 W
Un mix énergétique, mêlant panneaux photovoltaïques sans stockage et raccord à une pico-centrale hydroélectrique permet d’éviter l’utilisation de photopiles au plomb ou au lithium, encombrantes et dont la fin de vie peut encore poser question en terme d’empreinte environnementale.
Les variations de température et d’ensoleillement sont très peu élevées à Bangkok. Nous pouvons donc en déduire une synthèse des besoins et des productions d’électricité valable, à quelques nuances près, tout au long de l’année. Cuisson
570 W 1500 W
2000 W 1000 W
Avec un ensoleillement moyen de 1800kWh/m²/an et un rendement de 15% des panneaux, il faudrait 11,5 m² de panneaux en toiture. Par conséquent, 3077/ 0,15 x 1800 = 11,5 m² )
*Enfin, un chauffe-eau solaire d’un rendement de 50% placé en toiture permettra d’assurer la production d’eau chaude sanitaire à 60°C sur une surface de captage de minimum 0,6 m².
44
500 W
Besoins chaud
Eau chaude sanitaire
60 W
Besoins froid
270 W
Ventilation mécanique
500 W
Journée couverte
(*HYPOTHESE EN TOTAL PHOTOVOLTAIQUE POUR COUVRIR 3077kWh/an - non retenue
1760 W
Journée ensoleillée
Par conséquent, 2154 / 0,15 x 1800 = 8 m² Avec un ensoleillement moyen de 1800kWh/m²/an et un rendement de 15% des panneaux, il faut 8 m² de panneaux, ce qui représente moins d’ 1/7 de la surface de la toiture.
2385 W
Besoin s froid, besoins chaud
*MIX PHOTOVOLTAIQUE-HYDROELECTRIQUE POUR COUVRIR 3077 kWh/an : TOTAL BESOIN P.V / jour à l’année = 2154 kWh/an TOTAL BESOIN HYDRO / jour à l’année = 923 kWh/an
BESOINS Besoins energetiques APPORTS / PRODU CTIONS
Hydroélectricité locale Rayonnement solaire (valeur moyenne mensuelle)
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Besoins et production d’eau
Quantité consommée/j pour 2 personnes Boisson Cuisine Douche Ménage, lessive Vaisselle TOTAL
1,7 l /p 9 l/p 30 l/p 15 l/p 12 l/p
3,4l 18l 60l 30l 24l 135,4l
Ces besoins sont estimés d’après le site économiedenergie.fr et le centre d’information sur l’eau cieau.com. Le besoin en eau est donc de 135 l par jour, soit environ 4m3 par mois. Avec une toiture de 60m², il est possible de récupérer en moyenne 8m3 par mois. Mais il importe de considérer les forts contrastes de volumes de précipitations spécifiques au climat de Bangkok : en décembre par exemple, elles n’atteignent qu’une vingtaine de millimètres cumulés ce qui représente environ 40 l par jour. Dans ce cas, il serait donc nécessaire de coupler l’installation d’eau sanitaire avec le réseau local. En revanche, aux jours les plus pluvieux ,il est possible de récupérer jusqu’à 500 litres (ordre de grandeur. Base: septembre). Cet excédent pourra être réutilisé pour l’arrosage des cultures sous la structure. Enfin, les toilettes sèches permettent d’économiser jusqu’à 80l par jour pour deux personnes.
46
47
Besoins et production d’eau par saisons 400 L
360 L 300 L
240 L
200 L
95 L
100 L
135 L
135 L
135 L
135 L
135 L 40 L
AVRIL
BESOINS
AOUT
JANVIER
RESSOURCES Besoins en eau
Appoint sur réseau local Eau récupérée des précipitations Précipitations en excédent
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SYNTHĂˆSE Diagramme de Sankey Conclusions
Diagramme de Sankey Production énergétique moyenne/jour : 500W
Chauffe-eau solaire
Panneaux photovoltaïques
EAU CHAUDE SANITAIRE 510 kWh / an Pertes 50% ELECTRICITE 3070 kWh / an Usage diurne
GISEMENT SOLAIRE ANNUEL 1800 kWh/m²/an 1800x8 m² de panneaux =14400 kWh/an.
BESOIN DE FROID
ECLAIRAGE, MATERIEL DIVERS Pertes 85% ELECTRICITE 1030 kWh / an Relai nocturne Pico-centrale hydroélectrique Pmax = 20kW = 175 200 kWh/an FLEUVE CHAO PHRAYA Puissance estimée 5300 MW
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Pertes 20% 53
Synthèse énergétique et bioclimatique
* PHOTOVOLTAIQUE - 8m² sans stockage. Inclinaison optimale de 13°. Possibilité d’augmenter cet angle afin de suivre la pente de la toiture (20°) à condition d’augmenter la surface de captage en conséquence.
* VENTILATION NATURELLE Ultra-porosité des parois verticales mais aussi horizontales, par le maillage ajouré des brise-soleils et des planchers.
* RECUPERATION D’EAUX PLUVIALES Par trois descentes obliques reliant les points bas de la toiture et le socle de stockage sous l’habitat.
* PHYTO EPURATION , CULTURES VIVRIERES, COMPOSTAGE. Bactéries, algues, phytoplancton, roseaux, massettes ou lentilles d’eau. Bananiers, cacaoyers, poivriers.
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* HYDROELECTRICITE Pico-centrale locale, puissance installée 20 kWh. Alimentation nocturne
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