Recueil de publications. Février 2015.

Recueil de publications Raphaël Ménard )pYULHU 2015

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A.

SOMMAIRE

B.

PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES.

Sommaire

C.

RAPPORTS DE RECHERCHE, MEMOIRES. Projet Reforme, programme Ignis Mutat Res. Resilis, programme Villes Durables de l’ANR. Recherche PUCA Mémoire de diplôme DPLG : Le Classement, Mode d’Emploi

D.

OUVRAGES. Petit manuel pratique de transition énergétique Guide d’interaction énergieͲclimat, volume 2, résilience climatique Guide d’interaction énergieͲclimat, volume 1, enveloppes Naissances et renaissances de mille et un bonheur parisien Collection

E.

CATALOGUES D’EXPOSITION. Matière grise Work in Process. Nouveaux bureaux, nouveaux usages.

Architecture = durable So Watt, du design dans l’énergie

F.

ARTICLES. L'Architecture d'Aujourd'hui Tracés L'Architecture d'Aujourd'hui Ecologik Le Moniteur

G.

BREVETS. Pour WindͲit Pour WindͲit Pour les Montagnes solaires

H.

EXTRAITS DE REVUE DE PRESSE PAR PROJET. Autour de la verrière de la bibliothèque de Rennes Autour du Château d’eau du BelͲAir, pile thermique solaire Autour de WindͲit Autour des Montagnes Solaires

I.

WEB ET APPLICATIONS. SolarͲreforme.org FeelEgis.com ClimElioth.org

J.

CONTACT.

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Publications scientifiques.

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2014 Ciminieri D., Ménard R., Meunier G., Ciuccarelli P., Energetical streams visualization using interactive Sankey diagrams, ISGG, 16th international conference on geometry and graphics, 4-8 août 2014.

Cet article a été rédigé dans le cadre de « Reforme », nom du projet et d’équipe de recherche pour la première session du programme Ignis Mutat Res. Ce texte comporte sept pages et est rédigé en anglais. Il contient des graphiques issus du site internet dédié aux résultats de « Reforme ».

Publié conjointement par les membres de l’équipe du Density Design Lab (Daniele Ciminieri et Paolo Ciuccarelli) et d’Elioth (Guillaume Meunier et Raphaël Ménard), ce texte décrit le canevas analytique de l’outil numérique, l’un des livrables de « Reforme ».

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Ce papier explicite les équations de bilan des flux énergétiques, comme leurs traductions graphiques, sous forme de diagramme de Sankey. Une partie de ce livrable de recherche est visible à l’adresse solar-reforme.org

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6/188 16TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON GEOMETRY AND GRAPHICS 4–8 AUGUST, 2014, INNSBRUCK, AUSTRIA

©2014 ISGG

ENERGETICAL STREAMS VISUALIZATION USING INTERACTIVE SANKEY DIAGRAMS Daniele Ciminieri1, Raphaël Ménard2, Guillaume Meunier2, Paolo Ciuccarelli1 1 Politecnico di Milano, Italy 2Elioth, France ABSTRACT: The topics of energy and environment are nowadays much discussed in the research context, as issues like climate change and global pollution become more and more pressing; such knowledge is also relevant for common people though, as it concerns the whole natural environment. Communicating the research is not easy, as the topic itself include the description of complex systems and processes. In this paper a novel, interactive method for representing energy fluxes is described, based on the well known Sankey diagrams. First, the notion of energy and its underlying conceptual model will be introduced. Every stream needed by life and society can be described as debit, credit and stock. These metabolic patterns are the foundation of the systemic model “the limits to growth” formalized in 1972 by the Club of Rome. All of those streams are linked together in space and in time and create a balance that will be discussed in the paper.

Sankey diagrams will then be introduced: invented by Riall Sankey to analyze the thermal efficiency of steam engines, they have since been applied to depict the energy and material balances of complex systems. This visual model is built upon a network graph made of nodes and weighted edges, and may be considered the easiest and most intuitive way to represent incoming and outgoing flows from arbitrary elements. The advancement in web technologies allows the development of interactive and modular visualizations that facilitate the comprehension of the scope and the complexity of the phenomenon, as well as their diffusion through a web application accessible by any modern browser. ”The Reforme energy simulator” is a web platform proposing a solution to the issues raised by this research, enabling the visual analysis and interaction with the energy fluxes taking place in a set of spaces. Users may explore a preset scenario focusing on the French and Parisian area ranging on 300 years, or submit their own data regarding an arbitrary region and get their respective visualization automatically generated.

Keywords: Energy, streams, diagram, Sankey, Data, visualization, web, simulator.

1. INTRODUCTION More than two centuries ago, almost all of the energy consumed by humanity was provided by direct or derived forms of solar energy. In the first half of the 21st century, almost all of the world's energy consumption comes from our stock: coal, gas, oil, nuclear fissile.

Renewables are a very small minority in the Paper #169

totality of the world used energy. The average conversion efficiency of solar energy irradiation remains exceedingly low: about 80W to 2100W consumed on average per person in the early 21st century. Yet on average about 170W / m² of energy lies on the earth's surface.

Most of our energetic needs are satisfied by our stocks. However, the problems caused by this approach (depletion of the non-renewable

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area taken into account, and let them insert information about their own territories in order to visualize them.

The second section, FORmalization, aims at providing a mathematical formal model of demand, offer and stock to precisely define the qualitative dimensions of energy.

Finally the third section, MEtamorphosis, focuses on the future transformations that could be enacted to cope with the need of balancing energy demand and offer, ranging from a global scale (by presenting possible future scenarios) down to a local one (by proposing urban solar infrastructures that can relocalize the energy basins).

energy sources, high CO2 and other pollutants levels), push us towards a resolarization of our consumption model.

All the flows necessary for life and society can be described by a model composed of debit, credit and stock (see equation 1): water, energy, materials, population, economy, pollution etc.

On the basis of this metabolic scheme, and in the context of a request of the Club of Rome, a team led by Donella and Dennis Meadows produced a world famous report in 1972, The Limits to Growth [7].

(1)

According to this relation, the inevitable end of energy stocks will impose an unavoidable equality between debit and credit. Therefore, a certain energy supply will forcibly be generated by: -

2. THE DESIGN PROCESS As discussed above, one of the aim of the project is to develop a digital, interactive visualization of the energetic model described. The design of such tool was carried on by the DensityDesign lab (which is part of the Reforme team).

Based on past experiences in developing interactive visualization applications for a general public [1, 6], the platform structure as well as the views and the interfaces were discussed with the domain experts in the team, in order to understand the main goals that should have been achieved and the best approaches to reach them.

The main issue in the design of the visualization was to communicate the complexity of the proposed model while preserving its completeness, and to stress the importance of the consequences deriving from its perpetuation.

In order to introduce non-expert users to the topic and let them fully comprehend the problem starting from the data, a communicative approach [5] was chosen, hence graphically stressing the most important insights and avoiding a purely analytical visualization of the information.

Also, by providing multiple levels of interactions (more specifically exploration and reconfiguration, see [10]), we encourage the user to engage with the application and discover him-

Solar energy and derived forms; Geothermal energy; Tidal energy.

On average and on a global scale, the deposit provided by the last two is negligible compared to terrestrial solar radiation.

1.1 The Reforme project Reforme is an interdisciplinary research project participating to the Ignis Mutat Res programme organized by the French ministry of culture and communications. Its aim is to address the issue described in the previous section, analyze it and propose tools and novel approaches to expose its critical points and foster new urbanization patterns.

The project is structured in three main sections: REpresentation, aimed at representing in a simple and didactical way the flows of demand, offer and stock in space and time. The analysis is focused on the French territory, scaling down to a single zone of Paris. The final output of this section, which is also the main topic of this paper, is the realization of an interactive web platform which will help the users understand the energetic landscape of the 2

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The diagram itself takes its name from the irish engineer Riall Sankey, who used it to depict the energy flows of steam engines (see Figure 1).

In more recent years, it was widely used to represent dynamic processes like transport flows [3] or trade exchanges [4].

A web tool to design interactive Sankey diagrams can be found in [8]: the application takes as input an XML file describing the data and renders the graph thourgh a Java applet, enabling users to zoom, pan, select a particular flow to get additional details and animate the whole system.

We tried pushing further the technical implementation, using native web technologies.

The visualization is drawn in SVG format, allowing its accessibility from computers as well as tablets and smartphones, while also mantaining an acceptable level of interaction.

self new meanings and interesting patterns deriving from the representation of data.

2.1 The Sankey diagram Talking specifically about the most suitable way to visualize the energetic model, different visual tools were taken into account. Many diagrams have been developed to describe architectures based on flows; in particular, the Sankey diagram is one of the most widely used due to its completeness and ease of reading. It shows not only the transfers involved but also the quantitative distribution of values in the transfers, instantly returning an intuitive overview of the system.

2.2 Raw data As discussed before, the data used to build the visualization is mainly focused on the french and parisien area, and ranging from 1750 to 2050 in five steps (1750, 1850, 1950, 2000, 2050).

In particular, for each time step, we take into account 5 spaces: -

Earth Europe France Paris Business district

Each space is contained into the previous one.

For each step at each time, we have many information regarding its energetic equilibrium, i.e.:

Figure 1 - Sankey's original 1898 diagram showing energy efficiency of a steam engine A first prototype of this model can be seen in the “Napoleon’s Russian campaign of 1812� map by Charles Joseph Minard, drawn in 1861.

Such illustration shows the losses of the french troops during their march through the russian territory, and has been acknowledged by Edward Tufte as one of the best statistical graphics ever drawn [9].

3

Population (absolute) Surface (in Km2) Stock (in TEP) Demand (in TEP) Offer (in TEP) Energy exchanges with the other spaces (in TEP)

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outgoing energy flows. On the inside, each circle as two arcs (see figure 3).

The dark grey inner arc describes two values of the space stock: its amount Sp with respect to the world total for the current year (mapped to the angle of the arc), and its variation over time St (mapped to the height of the arc). Similar mappings are used for population in the outer green circles: Pp is the population percentage compared to the world total, while Ps Represent its variation over time.

The flow O coming from the sun represents the offer, i.e. the solar energy actually exploited by the target space. Note that this is a minimal part of the overall solar radiation.

THE PLATFORM The platform is composed by two main modules: -

The simulator, a visualization of the model developed in the project focusing on the french area; A user data driven section, where information on a custom space may be inserted in order to be visualized.

Both modules rely on the same visualization model, built upon the data collected for the Reforme project. In this main view the screen is divided into three main horizontal sections, described below.

2.3 Flows and exchanges The first section is the Sankey diagram of the flows of energy exchanged between the spaces taken into account; the aim of this visualization is to let the user understand the generic architecture of the model, and to convey the role and importance of the renewable energies in the global energetic equilibrium.

The view is automatically generated for each year taken into account from the research project. Changes over time can be seen by selecting a specific year from the button set in the top left panel of the page.

Figure 3: Detail of a territory in the Sankey diagram The flow D going out from each space is the demand, i.e. the amount of energy needed by the territory. The sum of all the demand flows is the global consumption of energy. Finally, the red arcs ei represent the energy net exchanges between spaces.

Note that all the energy data presented above (demand, offer, stock and exchanges) can be shown both as absolute values (measured in Joules) or as relative values by dividing them by the space population or surface amount.

By pointing the mouse or tapping on a specific arc or flow of the visualization, the user can see its value on a popup. Clicking or tapping on a space will instead cause it to merge

Figure 2: Sankey diagram of the simulator The fundamental building block of the view are the spaces, represented by horizontally aligned circles. Each space is a node of the Sankey diagram, hence having incoming and 4

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sible as described before.

with its leftmost sibling (e.g. clicking on the Parc Des Ports space will cause it to merge with the Paris space). If a space is already grouped, clicking on it will cause it to expand and reveal the previously merged spaces.

The buttons merge all and expand all allow the user to see the union of speaces as a single territory (so that he can see the diagram relative to the entire world), and to reset the view to its default, i.e. with every single space shown.

2.5 Trends The aim of this section is to guide the user in finding connections between the trends of the values shown in the previous sections over time.

The correlation between population, solar yield and stock variation is clearly visible, as the lines of each variable are drawn on the same graph (see figure 5).

Note that the graph is purely qualitative and the scales of the variable values are not respected.

The view acts only as a comparison between the trends, to understand how the variation of a variable affects the others.

2.4 Ins and outs The second section is focused on the single spaces, showing the details of their incoming and outgoing energy amounts. Each space is represented by a skyline image (see figure 4); once again the D and O vectors are shown, indicating the demand and offer of the territory (or their density). Exchanged are also shown, but in this section they are grouped in two main arrows: Ein (incoming exchanges) and Eout (outgoing exchanges).

Figure 5: Line graph of Population, demand and solar yield over time

3. USER DATA DRIVEN VISUALIZATION As discussed before, a second module of the platform lets the user build his own visualization by inserting data of a custom space. This feature is important not only to get a more complete understanding of the model, but to see how it fits for an environment that the user already knows. By looking at the visual output resulting from personal data, one can see new perspectives and find hidden issues of his territory (how much stock energy is needed to fullfill the demand of my city? How much my country depends on foreign forniture? And so

Figure 4: inputs and outputs of a space Under the space the user can find visual information about the territory stock. The light grey area Stot represents the maximum value of stock over time, while Sa is its actual value. Finally, Su is the stock amount used to fullfill the demand, i.e. Su = O-D. Interaction is similar to the previous section: by hovering or tapping on an arrow or area, the user may read its value as a number in a popup; clicking on a territory causes it to merge with its leftmost sibling, and ungrouping i salso pos5

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The back-end framework, Django, is a powerful yet easy to use application server wirtten in Python. It was chosen for its seamless integration with the MySQL database and the possibility to quickly code user authentication and database administration pages.

on).

The data input procedure is provided by a set of interactive graphs (see figure 6). Each graph is bound to a variable of the model (offer, demand, stock, etc), and its evolution over time is determined by 5 main steps, corresponding to the years taken into account by the research (1750, 1850, 1950, 2000, 2050).

By moving the handle of a given variable in a given time, the user automatically changes its value in the model. Such change is reflected in real time in the visualization, which is a custom instance of the one presented in the previous section. Hence the final outcome gets built step by step, and may be modified at any time.

5. CONCLUSIONS In this paper, an interactive visualization for representing energy flows was presented. The application addresses a general public and aims at highlighting the importance of renewable energy sources in the current and future scenarios.

The data underlying the visualization is focused on the french and parisien zone, ranging from 1750 to 2050 in order to follow the evolution of the human footprint on environment.

In order to visually express the complexity of the energetic model, Sankey diagrams among other visual tools were used. Moreover, several levels of interaction have been included in order to foster the exploration of the application and the discovery of relevant patterns and findings.

In addition to the scenario taken into account as example, the user has the possibility to add information about an arbitrary territory and get the resulting visualization as output.

Figure 6: user data input view Compared to filling a form, which is the standard way to insert data on the web, this graph-driven interface provides a more engaging and direct input method. This approach may be preferable when dealing with non expert users, as the speed and ease of use are relevant as much as precision and reliability.

REFERENCES [1] Azzi, M., Caviglia, G., Ricci, D., Ciuccarelli, P., Bontempi, L., & Bonetti, E. Dust: A Visualization Tool Supporting Parents’ School-Choice Evaluation Process. Parsons Journal for Information Mapping, 3(4). 2010.

[2] Bostock, M., Ogievetsky, V., & Heer, J. DÂł data-driven documents. Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on, 17(12), 2301-2309. 2011 [3] Cox D., Patterson R. Visualization Study of the NSFNET. http://archive.ncsa.uiuc.edu/SCMS/DigLib/t ext/technology/Visualizaion-Study-NSFNE T-Cox.html

4. TECHNICAL DETAILS The Reforme simulator was developed as a web platform focused heavily on the front-end side.

The need for complex visualizations and interactions was fullfilled by a heavy use of javascript: in particular the d3.js library [2] was adopted for the main views, while the angular.js library was chosen to handle the data underlying the views. In order to make the application usable from tablets and responsive to various screen sizes we used the Bootstrap CSS framework.

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3. Guillaume Meunier, project manager, Elioth.

[4] Krempel L., Plümper T. International Division of Labor and Global Economic Processes: An Analysis of the International Trade in Automobiles, Journal of World-Systems Research, Vol. V, 3, 487-498, 1999 [5] Masud, L., Valsecchi, F., Ciuccarelli, P., Ricci, D., & Caviglia, G. From data to knowledge-visualizations as transformation processes within the data-information-knowledge continuum.

In Information Visualisation (IV), 2010 14th International Conference (pp. 445-449).

IEEE. 2010.

[6] Mauri, M., Pini, A., Ciminieri, D., & Ciuccarelli, P. Weaving data, slicing views: a design approach to creating visual access for digital archival collections.

In Proceedings of the Biannual Conference of the Italian Chapter of SIGCHI (p. 21).

ACM. 2013.

[7] Meadows D.H., Goldsmith E., Meadow P. The limits to growth. Universe books, New York, 1972.

[8] Riehmann, P., Hanfler, M., & Froehlich, B. Interactive sankey diagrams. In Information Visualization, 2005. INFOVIS 2005. IEEE Symposium on (pp. 233-240). IEEE. 2005 [9] Tufte, E. R., & Graves-Morris, P. R. The visual display of quantitative information (Vol. 2). Cheshire, CT: Graphics press. 1983 [10] Yi, J. S., ah Kang, Y., Stasko, J. T., & Jacko, J. A. Toward a deeper understanding of the role of interaction in information visualization. Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on, 13(6), 1224-1231. 2007.

4. Paolo Ciuccarelli, scientific coordinator at DensityDesign lab and associate professor, Design faculty, Politecnico di Milano.

ABOUT THE AUTHORS 1. Daniele Ciminieri, research assistant, DensityDesign lab, Design faculty, Politecnico di Milano.

2.

Raphaël Ménard, director, Elioth.

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2014 Horsin A., Ménard R., Pouchain F., A Fast Smart Grid Simulation Tool for Urban Designers, ICEEE 2014.

Ce texte expose les travaux de recherche et la formulation de l’outil de modélisation énergétique mis au point chez Elioth. L’algorithme développé permet d’évaluer des scénarios de demande, de stock et de flux de production à l’échelle d’un quartier urbain.

2013 Menard R., Fayette E., Azzopardi P., The Solar Mountains, Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2013.

Ce papier synthétise une partie des recherches menées par Elioth autour du concept de « Montagnes Solaires » et du principe associé de production d’électricité renouvelable. Il comprend quatre pages et est rédigé en anglais.

| Publications scientifiques.

Cet article fait état des techniques constructives possibles des Montagnes Solaires et compare leur efficacité de production énergétique à celle des cheminées solaires traditionnelles. Pour plus de précisions, se reporter également au brevet déposé et à la revue de presse.

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14/188 Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2013 „BEYOND THE LIMITS OF MAN” 23-27 September, Wroclaw University of Technology, Poland J.B. ObrĊbski and R. Tarczewski (eds.)

The Solar Mountains Raphaël Menard1, Etienne Fayette2, Paul Azzopardi3 1

Director (Arch., Dpl. Ing.), Egis Concept // Elioth, Montreuil, France, r.menard@elioth.fr 2 Dpl. Ing, Egis Concept // Elioth, Montreuil, France, e.fayette@elioth.fr 3 Dpl. Ing, Egis Concept // Elioth, Montreuil, France, p.azzopardi@elioth.fr

Summary: The paper presents a variation of the solar updraft power: the solar mountain, fitted for rural, mountainous and sunny areas. The potential of this specific situation has been explored to propose a design, and then develop the technical and economic studies which confirm the feasibility.

Keywords: solar updraft tower, rural electrification, ETFE, dual-power strategy, tensile structure, greenhouse

1.

THE SOLAR MOUNTAIN AT A GLANCE

The energy challenges of the next decades will not be overcome by widespread standardised solutions. Ignoring each site specificity has led to leave aside vast potential energy sources. The ecological and economic cost of concentrating and transporting energy to meet spikes in demand becomes less and less sustainable. At the same time, it appears that energy efficiency relies as much on technology as on user sensitiveness. All these elements push forward the overall idea to relocalize energy to both avoid expensive distribution costs and associate the energy sources to the development of local communities.

Based on basic and proven technologies such as greenhouses and turbines, the Solar Mountains are a way to provide electricity night and day at a local scale. The facility is easy to erect and to maintain, making it suitable to virtually any situation. It produces no waste or pollution.

The impact on the environment and the land occupation is minimal as the Solar Mountains may be implemented in addition to several other activities: agriculture, biomass crop, photovoltaic production, emergency shelters…(see Fig. 2)

In this context, rural and mountainous areas are the frontier where economic development is restrained by the cost of energy. This situation may only get worse as the barrel price rises, broadening the gap between urban and rural standards of living and development potential.

Meanwhile, many of these developing areas are bathed with sun: the Solar Mountains are the simple idea to turn a natural setting into a clean and reliable source of energy, servicing local development.

The principle is easy to figure out: a large scale greenhouse located at the foot of the mountain warms up vast quantities of air, which subsequently rises in a high chimney leaning on the mountain slope. The air flow is accelerated in the chimney, fast enough to drive turbines and produce electricity (see Fig. 1).

Fig.2: Inner view of the Solar Mountains The Solar Mountains project is also innovative by its modesty: when humanity uncovers a clean and efficient energy source, Solar Mountains will be dismantled easily, will not leave scars on the landscapes thanks to their construction method and will be easily recycled.

2.

2.1.

PRESENTATION OF THE CONCEPT Reference technology: the solar updraft tower

The Solar Mountains builds on the insights collected on solar updraft towers.

This technology uses the same physical principle as the Solar Mountain: a large greenhouse, enables to warm up vast quantities of air. The warm air tends to rise in the hollow tower and triggers a continuous and accelerated air flow, which propels a wind turbine located at the basis of the tower.

The concept of solar towers was first proposed in 1903 by Spanish Coronel Isidoro Cabanyes and the first representations of this technology were made by Hanns Günther in 1931.

The engineering office SBP (Pr. Jörg Schlaich’s consulting company) conceived in 1982 a 200 m-height prototype in Manzanares, in Andalusia, Spain with a nominal power of 50kWe. It comprised a collection area (greenhouse) of 46,000 m² (about 11 acres).

Fig.1: Conceptual view of the Solar Mountains

This pilot power plant operated for approximately eight years and was decommissioned in 1989 (see Fig.3)

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2.3.

Respecting the environment

The Solar Mountains collector structure may be supported by softimpact foundations. This synthesis enforces the modularity and removability of the Solar Mountains.

Fig.5: Gradually expansion of the greenhouse

Fig.3: The Solar Updraft Tower in Manzanares, Spain (construction in 1982, SBP)

All the structural elements are made of tensile elements and ETFE membranes. Installing or removing parts of the greenhouse does not necessitate trucks nor roads: the elements can be carried in backpacks.

Materials are subjected to change of definition due to local availability and prices (see Fig.6).

However, it helped determine that the true energy efficiency of this technology should be met by a 1 km-high tower. The solar conversion yield is indeed proportional with the height of the chimney.

A project currently under consideration provides for a 200 MW power plant in Australia with a 900 m to 1000 m-high stack. Other projects are in feasibility in Spain (Fuente El Fresno) and Namibia.

Building such a tower remains cost-intensive, time-consuming for chimney erection and hardly suitable in seismic area, in territories where hurricanes could occur, or places where such building capacities are not available.

2.2.

The Solar Mountains principle: a simple idea

The idea behind the Solar Mountains is actually very simple. Why spend efforts building a high-rise tower while mountains already provide an elevated support? The concept of solar tower is therefore re-shaped in accordance with this favourable natural disposition to become the Solar Mountains. The greenhouse collector is located downhill and favourably exposed on the mountain slopes. The chimney bends to lean on the mountain side up to the highest accessible points (see Fig.4)

Fig.6: Backpack transportation and construction example

This new approach enables the chimney to reach higher altitude with less structural effort. The Solar Mountains are thus a more efficient and cheaper evolution of the solar updraft tower. These features make the Solar Mountains a perfectly suited source of energy for sunny mountain areas, usually hard to connect to the grid.

2.4.

Fig.4: Early sketches of the concept

Delivering large amounts of renewable and stable energy

Unlike many other solar-powered energy sources, the Solar Mountains are little sensitive to the day / night cycle (see Fig.7).

Day

Night

Water bags capture sun rays

Water bags release sun heat

Fig.7: The thermal storage as a buffer for electricity production

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Indeed, the use of thermal tanks (rocks, water or sand bags), that participate to the structure itself, enables heat to be captured in the day time and released at night to smooth production and profit from continuous resource availability (see Fig. 8).

The Solar Mountains are also completely suitable for agriculture, indeed water supply is available (the surface of the greenhouse can also serve as a condensation and sky water collector) (see Fig.11).

In this way, the Solar Mountains are solar-based electricity generators that natively include “clean natural batteries” to supply reliable energy.

Fig.11: Combining electricity production and farming

Fig.8: Thermal mass as generator inertia 3.

ENABLING USE COMBINATIONS

Thanks to the thermal tanks, the Solar Mountains are a reliable energy source 24 h a day. Still, the field under the glasshouse collector is practicable and the cover filtrates only partially the sun rays, which enables a dual-energy strategy.

4.

COMPARISON WITH TWO COMPETING TECHNOLOGIES

Solar updraft tower and the Solar Mountains may be compared on technical grounds: 4.1.

Ability to catch the sun

If one wants to put the emphasis on energy production, additional photovoltaic fields can be laid under the greenhouse to increase daily production (see Fig.9).

Fig.12: Computer model of annual solar income: comparison between a solar updraft tower (left) and a Solar Mountain (right) For the same greenhouse surface, the annual solar income is 10% higher for a Solar Mountain than for a solar updraft tower: while solar updraft towers always shade part of their collector, this does not occur with the Solar Mountains solution.

Furthermore, the slope of the mountain provides optimal orientation to catch sun rays.

Fig.9: Additional photovoltaic panels increase electricity production Fast-growing crops for biomass production can be grown inside the greenhouse (see Fig.10).

4.2.

Chimney structure

The chimney of the solar tower rises vertically over the landscape, up to 1000 m. This position demands structural efforts to stand lateral wind forces or event seismic vibrations whereas the chimney of the Solar Mountains leans on the mountain side: it is almost unaffected by outside wind forces or earthquakes. Structurally speaking, it is hardly more than a rigid tube anchored to the ground.

Latest structural developments envisage light-weight tensile structure made of cables and ETFE membrane. This design is compatible with man-scale erection processes, cheaper transportation to remote locations, and leaves ridiculous impact on the power plant site in the long term, compared with most traditional power plants (hydro-power, nuclear, coal, …). This lightness also implies modularity and flexibility in the expansion of the power plant with time, by simply expanding the surface of the collector greenhouse.

Fig.10: Combining electricity production and biomass production

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4.3.

Photovoltaic cells and their necessary counterpart: batteries

Photovoltaic cells present a major drawback: the electricity produced needs to be stored in batteries.

Fig.13: Scheme of a casual photovoltaic installation For the same annual electricity production (ie kWh of electricity per year), the investment for a photovoltaic farm needs to take into account the cost of the night storage by batteries (+20 % at least). Moreover, this type of system is hindered by the lifespan of electrochemical storage and environmental impact (heavy metals).

4.4.

Economic forecast

It is difficult to realize economic projections on the solar mountains at large. Local conditions such as materials available, labor costs and the possibility of connecting the Solar Mountain to a pre-existing local grid play a crucial role. Major trends are nonetheless observable: -

the cost of electricity produced by the Solar Mountains is interesting from the outset and rapidly falls under 0.15â‚Ź/kWh with generators over 30 MW, which is a highly competitive option regarding rural mountainous areas (Fig.14) with the capacity to tune energy supply with energy demand thanks to thermal inertial.

-

the investment remains much lower than that of a Solar Updraft Tower.

0,40 SOLAR TOWER (@1800kWh)

electricity cost (â‚Ź/kWh)

0,35

SOLAR TOWER (@2300kWh) SOLAR MOUNTAIN (@1800kWh)

0,30

SOLAR MOUNTAIN (@2300kWh)

0,25

SOLAR MOUNTAIN 2000m DUCT (@2300kWh)

0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0

50

100

150

200

Power capacity in MW

Fig.14: Cost of electricity for investment rate @6% 5.

CONCLUSION

The Solar Mountains are an easy and sustainable way to produce energy, support biomass production and farming while having low investment costs.

The following development is focused on making the structure lighter, simpler and reproducible.

Indeed, the success of the Solar Mountains will be reached with the involvement of local actors and the use of open-source materials.

The calculation tools developed by Elioth are aimed to be widespread and profitable to anyone who tends to develop the Solar Mountains.

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2013 Menard R., Fayette E., Azzopardi P., Approximating a funicular shape with a translational surface – Example of a glass canopy, Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2013, 2013.

Cet article relate la genèse de la géométrie du projet de couverture pour la verrière de la bibliothèque de l’université de Rennes (architecte, Bruno Gaudin). Ce texte comprend quatre pages et est écrit en anglais.

Il détaille la génération d’une double-courbure pavable par des quadrangles plans et dont l’efficacité structurelle est également avérée. De façon formelle, ce papier décrit le type de surface de translation permettant de générer cette propriété remarquable.

| Publications scientifiques.

Pour de plus amples précisions, se reporter à la revue de presse consacrée à la verrière de la bibliothèque universitaire de Rennes.

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20/188 Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium 2013 „BEYOND THE LIMITS OF MAN” 23-27 September, Wroclaw University of Technology, Poland J.B. ObrĊbski and R. Tarczewski (eds.)

Approximating a funicular shape with a translational surface – Example of a glass canopy Raphaël Menard1, Etienne Fayette2, Paul Azzopardi3 1

Director (Arch., Dpl. Ing.), Egis Concept // Elioth, Montreuil, France, r.menard@elioth.fr 2 Dpl. Ing, Egis Concept // Elioth, Montreuil, France, e.fayette@elioth.fr 3 Dpl. Ing, Egis Concept // Elioth, Montreuil, France, p.azzopardi@elioth.fr

Summary: The paper presents the method to generate the geometry of an actual glass canopy project in Rennes, France, by architect Bruno Gaudin, with aim to achieve the best structural efficiency possible using only quadrangle meshing. The paper includes equation of the translational surface generated, the level of accuracy in approximating the funicular shape and the method of constructive implementation.

Keywords: funicular shape, glass canopy, mathematics, glass panels, shell structure, lowered arches, panelization

1.

INTRODUCTION AND MAIN GOALS

The glass canopy of the university library in Rennes, France, by Bruno Gaudin Architect, was completed in 2012. It features a grid of hollow steel beams acting as a shell, supporting a double-curvated glass canopy.

Aside from the passive climatic design of this glass roof, the geometrical challenge was to design a grid that is adapted to support flat glass quadrangles, structurally efficient and constructively consistent (Fig.1).

1.3.

A systemic approach

As in many construction projects, the design process passed through multiple solutions before ending with the actual canopy.

Indeed, all the issues mentioned above where linked together and it was not possible to treat each aspect unitarily.

As an example, the shape of the canopy is linked to the choice of the glazing span and the frame frequency that have huge influence on the structure optimization, the thermal performances, the light distribution and the acoustics.

Thus by performing an iterative work with all the team specialists, we ended up on a possible compromise between architectural concept and complex engineering issues processing several simulation models on structure stability, day lighting, thermal comfort, acoustic diffusion.

However we will mainly discuss in this publication the aspects relating to the geometry generation and the structural performance of the canopy.

2.

Fig. 1: Under the glass canopy 1.1.

Multiple issues to deal with

GENERATING THE SHAPE

The design of the canopy had to take into account that the support is an old existing structure, with an elevation difference along the patio perimeter.

The glass canopy was devoted to the creation of an area of high architectural quality over an existing building courtyard in order to create more covered floor area in a very dense and constrained urban environment prohibiting any kind of lot extension.

The choice has easily been made to use a lightweight and isostatic structure to minimize constraints on the existing surrounding structure.

By covering the courtyard, the canopy allowed us to deal with multiple issues of the program at the same time, typically:

One of the most important challenges was to land smoothly a curved structure on a rectangular support and the only way to do it was to generate a “pillow canopy” involving necessarily double curvature geometry with inflection points directed toward the patio corners.

-

Increasing areas to receive more people

-

Making the building more compact limiting energy losses

-

Preserving the existing façades according to the high heritage dimension

-

Providing a full naturally lit space reducing consistently energy consumption

Thus, all these issues where at the basis of the architectural concept and only an integrated architecture/engineering approach encompassing that plurality of topics could lead to this kind of achievement.

1.2.

Multiple aspects to be treated

Beyond structural aspects and stability, every topic of a traditional glass roof had to be addressed by the composition of that canopy in an integrated way. Including among others: -

Solar filtering to ensure thermal comfort

-

Light filtering to avoid glare

-

Sound reverberation reduction

Also, the architectural concept excluded very angular roofing shapes for a smooth curvature of the canopy.

2.1.

Finding optimal geometry

Combining all these different aspects, the shape of the canopy derived from a form-finding process using dynamic relaxation to find the funicular shape of the deadweight loading geometry.

To get maximum transparency and lightness, the roof structure was generated as a homogeneous steel gridshell made of tubes crossing in the 2 diagonal directions and spanning over the 28 m long by 21 m large courtyard.

2.2.

Rationalizing the shape

The grid-shell generated by the form finding process is necessarily a warped surface and there is no reason for this structure to be formed by 4-edges planar elements.

Thus, this kind of shape is often decomposed into triangular cells to be compatible with an external skin.

Yet in terms on envelope design, it is very cost-effective, when possible, to deal with 4-edges planar elements instead of 3-edges elements. It

1

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proposes also 4-branches node compared to 6-branches node in the classical triangular panelization.

Thus, the rationalization phase was to investigate the way to find the shape approaching the funicular one and permitting a tessellation of the skin with 4-edges planar elements.

This has been achieved by using a translation surface, that is to say a surface generated by the translation of a generatrix polyline along a directrix polyline (see Fig. 2).

3.

-

A systematic production of steel elements due to geometric repeatability allowing conserving arc sections in the same plane and so avoiding a twist of them.

-

A waste reduction of glazing quadrangles instead of triangles.

-

The absence of a strong structural hierarchy.

-

The reduction of the number of panels saving money and implying less embodied energy.

-

The replacement of 6 branches nodes in favor of nodes with 4 branches.

material

considering

-

The creation of only two drainage plans along the diagonals.

-

Fewer frame linear involving less heat loss.

PRIMARY STRUCTURE COMPOSITION

Once the shape generated and rationalized to support the skin the static scheme could be (re)define.

Fig. 2: Principle of translation surface

Thus the primary structure (Fig.4) was composed with: According to the architectural concept whose aim was to produce diamond cells grid and to preserve the rectangular symmetry of the courtyard, we decided that the shape should result from the translation of one diagonal along the other one.

f (u ) + f ( L − u ) = cst

(1)

This set of constraints led to narrow down the spatial definition of the curve that would be generatrix (and directrix at the same time) The need of a surface with constant altimetry at the edges, for example, led to an odd-type definition of the centreline curve (Fig.3).

g (u + L ) = − g (−u + L ) 2 2

∀U , g (U ) = − g ( −U )

-

Metallic arcs with tubular circular sections ensuring the support of permanent and variable vertical loads.

-

A peripheral frame collecting forces from lateral pushing of the arcs and avoiding uplift.

-

Horizontal tie elements connected to the peripheral frame and permitting to avoid the frame deformation induced by the arc structural behavior.

-

Bracing cables used to stabilize diamond cells against shear constraints – these braces have eventually been removed without altering the overall stability against snap-through.

(2)

Fig. 3: Equation of the selected centerline superimposed over a picture of the built canopy

This way of generation led to a shape with several specificities which are inherent to the geometrical process and are: -

A synclastic curvature zone with positive Gaussian curvature

-

An anticlastic zone with negative Gaussian curvature

-

A curvature continuity at the top center

-

Horizontal tangents in the diagonal directions starting from the 4 corners

-

Inflection points located around the diamond shape formed by the middle of perimeter edges

Beyond the possibilities of getting a 4-edges paneling, this generation method offer a lot of advantages that could be list among others such as:

2

Fig. 4: Axonometric view of the glass roof components

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With this static scheme the structure was auto-stable, transferring only vertical forces and avoiding horizontal one to be transferred to the existing building.

Parametric analysis where lead to define the frame frequency (arcs) and the global bending of the canopy.

Due to cost optimization and welded nodes of the arcs, the bracing cables where canceled by the construction company benefiting also to the architectural concept wanting of a single structural hierarchy.

4.

STRUCTURAL VERIFICATION

Once the definition of the curve was set, the structural efficiency of the translational surface it generates has been checked and optimized by comparison with a shape obtained by form-finding.

This round of optimisation enabled us to keep the definition of a translational surface, with a structural behaviour close to the optimum.

The final development of the analysis focused on the sensitivity to global instability related to the shell behaviour of the beam grid. We followed the approach exposed in the Eurocode EN 1993-1-1, using an eigensolution global buckling method.

This method proposes to introduce a geometrical imperfection in the model, which derives from the most sensitive buckling mode shape. The ultimate limit state worst combination of loads was determined as the one resulting in the highest stress in the system. This load case actually placed as the greatest variable load the snow load falling from a higher roof onto the glass roof, generating a dissymmetrical load case (Fig.5).

Fig. 6: Instability modes left: translation surface, right: form-finding result

This analysis was, once again, performed as a comparison between the translational surface and the shape resulted from the form-finding (Fig.6). This comparison shed light on some weaker zones in the translational surface, due to local curvature inversion of the steel beams, which could therefore not act like arches anymore. In the detailed design stage, we went further into the details of the nonlinear behavior of the structure to make sure that the proposed geometry met all the required normative dimensioning criteria.

5.

BUILD-UP PERIPHERAL STEEL FRAME

The steel frame at the perimeter of the courtyard, collecting the arches feet is actually a boxed build-up member, with the cross-section shape of a diamond (See Fig.7).

This specific shape is the result of the architectural will to have a neat edge around the light-bathed glass roof. The build-up section is wide in order to increase the planar bending inertia. Stiffeners are regularly located inside of the boxed section and align with the steel “fins” which receive the feet of the arches. Due to the offset between the glazing surface, that is the actual translation surface, and the grid shell surface, the arches feet do not meet at a constant height along the perimeter. The extension of the “fins” atop of the steel frame is useful to collect arches at various heights using the same systematic design.

Fig. 5: Snow load case used to assess the sensitivity of the structure to general buckling (snap-trough, in this case)

The modal buckling was performed using this combination of loads.

Then the geometry of the first buckling mode is amplified so that the greatest out-of-plane displacement reaches L/200, L being the length between to points of inflection, that is to say in this case the length of the arch with the most displacement.

On this deformed geometry, the same load case was applied again so as to have a first iteration representing the way efforts in the structure evolve when instability arises. At this point, we checked that the displacements and efforts in the structure had not evolved to a point that threatens the structure capacity or stability.

Fig. 7: Cut-section of the peripheral steel frame, which shows the diamond shape, the “fin” at the top and the arches feet reaching the fin.

The horizontal tie which reduces the horizontal bending is visible on the left.

3

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6.

SECONDARY STRUCTURE & NATURE OF THE SKIN

²As we saw above, the canopy had to assume many functions as solar and light filtering, acoustic absorption, waterproofing and others.

The main challenge was to provide a maximum of daylight avoiding at the same time glare and greenhouse effects.

Thus the spectrophotometric characteristics of the skin where studied precisely to find the best selectivity system for the glazing panels.

The complex selected is composed of triple glazing panels filled with argon gas and metallic mesh in the external cavity to provide a solar shading device, lighting filter and ensure high thermal insulation of the entire canopy (See Fig.8 and Fig. 9).

Fig. 10: The candles are short members, with the section of a cross, welded onto the arches top faces, located at every arches intersection.

Theses candles link the glazing surface (actual translation surface) and the grid shell surface, with a length of approximately 300mm. The grid shell surface results from the glazing surface via a normal offset, that is to say the integration of local translations along the local normal vector, by a given distance. This resulted in the candles being perpendicular to both surfaces, enhancing the sensation of an open volume.

Yet, the consequence of this geometrical constitution is that the grid shell surface basically becomes a surface with no specific definition, leaving the arches as free-form double curved steel tubes.

Fig.8: Okalux’s Okatech served as a reference product on this public tender

This point has been extensively questioned at the beginning of the execution phase, for cold-bending tubes in two directions is a lot more complex, therefore expensive than in one direction only. The conclusion of the quantitative study showed that neglecting the out-of-plane curvature led to relocating the grid shell nodes by the order of magnitude of the fabrication tolerance. The steel tubes of the grid shell were fabricated as planar without any consequence on the validity of the structural calculations made previously.

7.

Fig.9: A major reference of this system is OMA’s Seattle Library

This integrated complex offers the advantage of gathering multiple functions in the same element allowing people in the library to see the sky at any time without other external shading device.

Finally the complex of glazing is supported by traditional rectangular tubular secondary frame linked to the primary structure through vertical elements called candles (Fig. 10).

Let aside the global approach of integrated design over envelope and structure, the glass canopy of the university library in Rennes, France,

by Bruno Gaudin Architect shows very good results in terms of approximation of a form-finding optimized geometry with a translational surface. The grid shell tubes are very thin and the glass roof gives a striking feeling of lightness and openness to the sky. This success opens the door to new incentives of this kind, with fewer (or more exotic) geometric constraints, so as to step in the fields of free-form geometry, with the eye of an engineering optimization.

This project also documented the various steps of the process of surface rationalization and optimization, later taken a step further with our work on the Nice Stadium, by the architect Wilmotte.

References [1] [2]

4

CONCLUSSIONS & DISCUSSIONS

Pottmann H., Asperl A., Hofer M. and Kilian A., Architectural Geometry, Bentley Institute Press, (2007).

Shiftner A., Raynaud J., Baldassini N., Bo P. and Pottmann H., Architectural Freeform Structures Using Single Curved Panels, Advances in Architectural Geometry, TU Wien (2008) pp. 45-48.

| Publications scientifiques.

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2012 E. Tromeur, R. Ménard, J.-B. Bailly, and C. Soulié, Urban vulnerability and resilience within the context of climate change, Natural Hazards and Earth System Sciences, 31 mai 2012.

Cet article comporte onze pages et est rédigé en anglais. Il a été publié en 2012 dans la prestigieuse revue Natural Hazards and Earth System Sciences.

Ce texte synthétise une partie des résultats de Resilis (recherche effectuée dans le cadre du programme Villes Durables de l’Agence Nationale de la Recherche), en particulier autour de la problématique de la résilience énergétique associée au réchauffement climatique : quels incidences du changement climatique sur la demande énergétique du bâti et quelles conséquences sur le confort des espaces extérieurs ?

| Publications scientifiques.

Ce papier expose la méthodologie employée pour évaluer les évolutions tendancielles des besoins chauds et froids dans le futur et ce, dans différentes géographies. Cet article met plus particulièrement en lumière l’augmentation tendancielle importante des besoins en rafraîchissement dans plusieurs agglomérations françaises. Pour plus d’informations, se reporter également à la section « Ouvrages. », Guide d’interactions énergie-climat, vol 2.

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Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012 www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/ doi:10.5194/nhess-12-1811-2012 © Author(s) 2012. CC Attribution 3.0 License.

Natural Hazards and Earth System Sciences

Urban vulnerability and resilience within the context of climate change E. Tromeur, R. M´enard, J.-B. Bailly, and C. Souli´e Egis Concept/Elioth, 4 rue Dolor`es Ibarruri, 93188, Montreuil, France Correspondence to: E. Tromeur (eric.tromeur@egis.fr) Received: 22 November 2011 – Revised: 16 February 2012 – Accepted: 31 March 2012 – Published: 31 May 2012

Abstract. Natural hazards, due to climate change, are particularly damaging in urban areas because of interdependencies of their networks. So, urban resilience has to face up to climate risks. The most impacting phenomenon is the urban heat island (UHI) effect. The storage capacity of heat is depending on shapes of buildings, public spaces, spatial organization, transport or even industrial activities. So, adaptive strategies for improving urban climate could be possible in different ways. In the framework of the French project Resilis, this study characterises urban vulnerability and resilience in terms of energy needs of buildings and outside urban comfort according to the IPCC carbon dioxide emission scenarios B2 and A2 for the period 2050–2100 for 10 French cities. The evolutions of four climate indicators in terms of heating and cooling needs and number of hours when the temperature is above 28 ◦ C are then obtained for each city to analyse climate risks and their impacts in urban environment.

1

Introduction

Urban society is more and more complex: new sets of social relations, high degrees of connectivity and competitiveness objectives. If urbanity is made of resources accumulation, power concentration, territorial attractiveness and cultural life; it is also a new vector of risk, particularly due to concentration issue. External hazards, especially those due to climate change, become more significant when occurring in an urban environment: hazards are often magnified by urbanity. Meanwhile, risks and damages are less and less accepted by populations and economic activities. When cities are supposed to embody security and development, the latest events (heat waves, Xynthia) have highlighted their weaknesses and questioned the way risks are anticipated and man-

aged. Today’s policies in risk management and assessment usually focus on a single risk, though the urban context induces domino effects and can spread damages. Indeed, interdependencies between organisations, infrastructures and activities are strong in urban areas. Unfortunately, policies are mainly focused on crisis management, whereas prevention measures are needed prior to the crisis and recovery plans have to be considered before the event occurs. Thus, risk management cannot be tackled without a global approach.

These facts have led local authorities to the expression of new needs to improve city resilience. Defined as the ability of a city to absorb disturbance and recover its functions after a disturbance (Lhomme et al., 2010), urban resilience has become a new paradigm in risk management methods enabling to tackle the challenges identified above. Resilis project aims precisely at the development of those innovative solutions dedicated to improving urban resilience. The main outcome is the development of methods and tools addressed to local authorities, networks operators, populations and all stakeholders. On the long term, the objective is to develop tools to prepare, adapt and conceive technical and social systems so they are able to cope with, absorb and recover from disturbances.

The weather conditions can be a stress factor for buildings and infrastructures. They are usually adapted to the climate they are built in (e.g., traditional housing in warm countries), but modifications of climate standards can affect the comfort of both external and internal living places. Urban climate is a complex system, which is different from one city to another. The most impacting phenomenon is the urban heat island (UHI) effect. This effect characterises an urban sector where air and surface temperatures are superior to the ones in rural suburb. This phenomenon appears in big cities and is mainly felt during the night when heating trapped during the

Published by Copernicus Publications on behalf of the European Geosciences Union.

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1812 day is released in the atmosphere. The storage capacity of heat is depending on shapes of buildings, public spaces, spatial organization, transport or even industrial activities. So, adaptive strategies could be possible in different ways.

The main consequence of the UHI could be a lack of comfort due to possible heat wave intensification (Rosenzweig et al., 2005). This happened during the 2003 summer in lots of European countries, in particular, in France during two weeks in average. All microclimatic phenomena as heating retention, evapotranspiration reduction or heating emission due to human activities would be affected and would be intensified which could lead to a stronger lack of comfort for urban citizens (Colombert, 2008). The way of life of people could change. For instance, one can imagine that people would have to stay home most of the time during the day in summer, which would imply changing of plans during the day and having the main activity during evenings or nights for instance. In that case, economic consequences could happen as well. People working outside and exposed to heat could see a decrease of their activities or, even worse, might have to stop working. However, people could adapt to this new situation and way of life during a warm season and have working conditions as in southern countries.

However, impacts to urban climate with respect to the countryside climate are not obvious, outside and inside comfort being a function of physical parameters and microclimatic locations, of people activity and their psychology.

Brandt (2006) raised the question Does an “ideal” urban climate exist? Few scientists tackle the problem that way. They prefer to compare an urban climate to a rural one and propose some solutions for urban heat island effect reduction.

Another impact from an increase of heat waves concern health risks (IPCC, 2007). Health issues could be due to direct exposures to extreme climate events (physical impacts because of heat or psychological impacts because of an extreme event itself) or indirectly via air and water quality, mosquitoes, and so on (First Assessment Report of the Urban Climate Change Research Network, 2011; IPCC, 2007).

In the case of hot weather, a lot of institutions advise people to stay home or to find shadow and a cool place for at least two hours during the hottest hours in the day. Numerical simulations of climate change show that heat waves, as in 2003, will not be an exception in the future. The frequency of occurrence in the increase of hot days in the future being very likely (IPCC, 2007; Desplat et al., 2009; Best and Betts, 2004). The climate in Paris could be the one in Cordoba from the second part of the 21st century (Hallegate et al., 2007).

So, cooling systems, urban planning or buildings would have to be revised.

Heat waves and UHI effect have big consequences on people’s health, in particular, older persons with respiratory disease (Rey et al., 2007). Indeed, urban climate slows down pollution dispersion and increases night temperatures. So, an increase of ozone and a lack of cooler temperatures during the night could lead to increase mortality of the populaNat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

tion (Hallegate, 2007). Since this summer event in 2003 in France, hot day alert systems based on meteorological data have been created to warn people about risks (INVS, 2006), the goal being to detect hottest days coming if the temperature is above a certain threshold. However, this system is not perfect and would have to take into account an increase of temperature in the future, which could imply revising this threshold, alert system and prevention.

Risks coming from heat waves are double. Actual building standards are not adapted to support warm days longer than those during the heat wave in France in 2003 (Hallegate, 2007). In our latitudes about 44◦ , buildings are not built to support temperatures higher than 40 ◦ C for more than two weeks. If tomorrow Paris is at Cordoba’s latitude, building standards have to be totally changed, apartments oriented in the South-West direction becoming too hot and less comfortable during summer. The comfort in habitations would get worse. So, one can predict a massive usage of cooling systems in apartments which would contribute to the urban heat island effect due to warm air exchanged with outside air in the atmosphere. Therefore, energy peak consumptions would increase drastically and energy production installation would have to support these power peaks.

The goal of this paper is then to study impacts of building and urban area vulnerabilities to climate change. It is indeed necessary to quantify existing and future vulnerabilities in order to anticipate future climate risks for improving urban resilience. Data and methodology involving multi-climate datasets are first presented in Sect. 2. Climate data is obtained for the period 2050 to 2100 for two climate scenarios A2 (the worst case carbon dioxide emission scenario) and B2 (moderate case) (IPCC, 2000) for 10 French cities. The potential evolutions of heating and cooling needs and comfort and health indicators are, thereafter, obtained for each city in Sect. 3 to analyse climate risks in urban environment. The vulnerabilities and impacts on comfort, health and energy are then discussed in Sect. 4.

2

Data and methodology

The first part of this study consists of calculating the desired hourly climate data from 2050 to 2100. To do so, data from the Swiss software Meteonorm are used as meteorological basis in the calculi. They are supposed to be calculated and representative of the period 1996–2005 and have an hourly time-scale.

Data from the French Meteorological Agency, M´et´eoFrance, are also used as inputs. They result from a climate change simulator which computes daily climate simulations for the 2050–2100 period according to the scenarios B2 (moderate) and A2 (worse case) from the IPCC Special Report of Emissions Scenarios (2000). Interpolations between Meteonorm and M´et´eo-France datasets (methodology www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

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E. Tromeur et al.: Urban vulnerability and resilience

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presented hereafter) are then carried out in order to create data on an hourly time-scale basis for the period 2050–2100.

2.1

M´et´eo-France data

In their study, the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) predicts a global mean temperature increase between 1.1 ◦ C and 6.4 ◦ C before the end of this century, which could change the radiative equilibrium of the Earth.

These predictions are based on several carbon dioxide emission scenarios going from the moderate one (B2) to the worst case scenario A2 (IPCC, 2000).

In our study, climate data are obtained from the climate change simulator realised by the French Meteorological Agency (http://climat.meteofrance.com/chgt climat/ simulateur/interpretation). This simulator simulates daily climate consequences in France for the period 2050–2100 for the two different scenarios B2 and A2 by means of the ARPEGE-Climat model developed by this agency with a spatial resolution of about 40 km. The use of this simulator allows us to get a possible estimation of a future climate, despite uncertainties of model and chaotic behaviour of the climate system evolution. The uncertainties considered here are the range of temperature changes in 2100 produced by IPCC models: ±0.7 ◦ C for the scenario B2 and ±1 ◦ C for the scenario A2. We can note that only the tendency of climate parameter evolution needs to be considered and not a specific result for a specific day, season or year.

The climate simulator computes the minimum and maximum temperatures at 2 m, the global horizontal radiation, the precipitation and the relative humidity for both scenarios for the period 2050–2100 in France. For our study, minimum and maximum daily temperatures are obtained from this simulator for B2 and A2 scenarios for 10 French cities: Paris, Orl´eans, Mante-la-Jolie, Nantes, Bordeaux, Toulouse, Clermont-Ferrand, Marseille, Besanc¸on and Strasbourg. The choice of these cities is first based on pilot cities chosen in the French Resilis project (Paris, Orl´eans and Mante-la-Jolie) because of flooding and urban heat island risks and secondly on their location having a different climate behaviour. Locations of cities are shown on Fig. 1.

2.2

Meteonorm data

The global climate database Meteonorm (www.meteonorm.com) is primarily a method for the calculation of solar radiation on arbitrarily building orientated surfaces at any desired location. The method is based on databases and algorithms coupled according to a predetermined scheme. It commences with the user specifying a particular location for which meteorological data are required, and terminates with the delivery of data of the desired structure and in the required format.

The database was initiated by the Swiss Federal Office of Energy in 1985. Since 2010 the version 6.1 is available. Mewww.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

Fig. 1. Locations of the 10 French cities on Google Earth.

teonorm software delivers radiation parameters on horizontal and inclined planes. Aside from this, many other meteorological parameters like temperature, dew point temperature or wind speed are included. The values can be obtained in the form of monthly and yearly long-term means, as well as stochastically generated time series in hourly and minute time resolution, which correspond to typical years.

The main source of global radiation is the Global Energy Balance Archive (GEBA) of the ETH Zurich. The main source of all other parameters is the World Meteorological Organization (WMO) climate normals from 1961–1990 (WMO, 1998). Descriptions of the chain of algorithms can be found in Remund et al. (1998), Remund and Kunz (2003), Remund et al. (2007) or Badescu (2008).

Depending on specific user requirements, the user must choose the most suitable method from among the numerous procedures available in Meteonorm. A whole series of dependent parameters in addition to the measured data are available. In choosing the data, the quality and relevance of the basis datasets must be considered: – Measured and interpolated monthly values are of similar precision. Although measured data reflect the specific characteristics of a local site, they are always subject to measurement errors, and these tend to be compensated by the interpolation process. Interpolated data should, therefore, be used at sites with no weather station in the vicinity (approx. 20 km distance).

– Dependent parameters such as diffuse radiation, celestial radiation, dew point temperature, etc., which are determined from calculated as opposed to measured data, are subject to greater inaccuracy owing to error propagation.

Certain inconsistencies could not be avoided then. However, it is always possible to establish which data basis and algorithms were used. Differences between the various databases and algorithms may be summarized as follows: Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

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1814 – The radiation data was subjected to extensive tests. The error in interpolating the monthly radiation values was 9 % and for temperature 1.5 ◦ C. The Meteonorm radiation database is based on 20-yr measurement periods, the other parameters mainly on 1961–1990 and 1996– 2005 means. Comparisons with longer term measurements show that the discrepancy in the average total radiation, due to choice of time period, is less than 2 % for all weather stations.

– In general, the hourly model tends to overestimate slightly the total radiation on inclined surfaces by 0– 3 % (depending on model). The discrepancy compared to measured values is ±10 % for individual months and ±6 % for yearly sums.

In order to build hourly temperature data from daily temperature data obtained by M´et´eo-France (methodology discussed in the next section), hourly temperature data are generated for the same 10 cities from the database Meteonorm for the averaged period 1996–2005 (Remund, 2007). An interpolation of M´et´eo-france daily temperature data is then realised on Meteonorm hourly temperature data. The principle is explained in the following section.

2.3

Interpolation principle for hourly temperature data

The goal of this methodology is to get hourly temperature data for the period 2050–2100 from existing climate data.

So, M´et´eo-France data are interpolated based on data such as: – daily minimum and maximum Meteonorm data are calculated; – use of an interpolation function for each day j makes the assumption that hourly evolution during the day in a future climate will be sensibly the same than today.

Therefore, minimum, maximum and mean temperature tendencies evolve more than hourly temperature evolution itself.

– hourly M´et´eo-France data are computed for the period 2050–2100 based on daily minima and maxima (Fig. 2).

Knowing the hourly temperature evolution fj (t) for the day j, with a daily minimum and maximum aj and bj , respectively, from Meteonorm data, the daily temperature evolution for a future climate Fj (t) can be interpolated via an empirical function such as: ∀j ∈ [1; 365] , Fj (t) =

βj − αj fj (t) + Kj bj − aj

(1)

where αj and βj are, respectively, the minimum and the maximum of temperature given by M´et´eo-France data, and Kj is a constant given by: βj − αj Kj = − aj + αj bj − aj Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

(2)

Fig. 2. Interpolation principle.

This function allows us to get hourly data for the period 2050–2100. The continuity over the year is verified since each function fj (t) is continuous (Lang, 1997).

2.4

Unified Degree Day

According to the French Meteorology Agency, the Unified Degree Day (UDD) is representative of annually heating and cooling energy needs. The degree day is taken here as the difference between an outside temperature at a specific hour Tout during the day and an inside temperature. The unified degree day is based on a temperature of reference Tref taken inside the building. Two different temperatures of reference Tref are considered as a function of the heating and cooling period (U.R.E, 1999) in order to get annually UDD from hourly climate data for the period 2050–2100: – For the heating period (from the 1 October to the 20 May): Tref = 18 ◦ C. – For the cooling period (the entire year): Tref = 25 ◦ C In France, these temperatures of reference are classical values to estimate energy needs for building (U.R.E., 1999).

Considering the number of heating hours (NHH) during a day when Tout ≤ Tref , and the number of cooling hours (NHC) during a day when Tout ≥ Tref , heating and cooling UDDs are then given by: ⎧ NHH

⎪ ⎪ 1 ⎪ UDDheat = NHH (Tref − Touti ), for Tout ≤ Tref ⎨ i=0 (3) NHC ⎪ 1 ⎪ ⎪ (Touti − Tref ), for Tout ≥ Tref ⎩ UDDcool = NHC i=0

Using Tref = 18 ◦ C and Tref = 25 ◦ C for the heating and cooling periods, respectively, Eq. (3) becomes: ⎧ NHH

⎪ ⎪ 1 ⎪ (18 − Touti ), for Tout ≤ 18 ◦ C ⎨ UDD18 = NHH i=0 (4) NHC ⎪ 1 ⎪ ◦C ⎪ UDD25 = (T − 25), for T ≥ 25 outi out ⎩ NHC i=0

The total annually UDD is obtained by summing the daily UDDs over the heating and cooling periods for every year between 2050 and 2100. www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

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E. Tromeur et al.: Urban vulnerability and resilience

1815

Fig. 3. Annual distribution of the number of hours for the temperature for Paris in the case of the scenario A2.

3

Climate indicators

City shapes impact on local climate. What would the city’s vulnerability be to face the climate change then? What kind of information could be useful to mitigate risks and make easier urban resilience? In order to analyse the impact of climate change on urban environment and to characterise vulnerability scenarios, four indicators are built: – the number of hours when the temperature is above 28◦ C (NHT28); – the heating UDD (UDD18); – the cooling UDD (UDD25); – the cross-energetic indicator.

These indicators are climate-energy indicators: the first one allows us to estimate the evolution of heat waves in the future, while the cross-energetic indicator allows us to look at the evolution of energy needs in percentages.

3.1 3.1.1

A case study: the city of Paris Comfort and health indicator

The number of hours when the temperature is above 28 ◦ C (NHT28) relates to energy outside urban comfort and urban climate, but also can anticipate an impact on health. Within the context of climate change, the tendency of NHT28 should increase. Figure 3 shows, for instance, the distribution of the number of hours for the temperature evolving between −15 ◦ C and 45 ◦ C for both the years 2050 and 2100 for the worst case scenario A2 in Paris, compared to the averaged period 1996–2005. In general, the annually mean temperature would increase by 1.2 ◦ C in 2050 in comparison with the averaged period 1996–2005 going from 12.1 ◦ C to 13.3 ◦ C. This increase would be equal to 3.4 ◦ C in 2100 given an annual mean temperature of about 15.5 ◦ C. Moreover, NHT28 www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

Fig. 4. Number of hours when T > 28 ◦ C for the scenarios A2 (a) and B2 (b), in Paris.

would increase to about more than 300 % in 2100, going from 30 h for the period 1996–2005 to 120 h in 2100. Therefore, these results clearly show an increase in temperature on average in the city and are in favour of a climate change.

This increase is also well shown in Fig. 4 when looking at NHT28 for the period 2050–2100 for both scenarios. Indeed, a significant increase of NHT28 during these 50 yr is obtained for the scenario A2 (Fig. 4a). The slope coefficient of the linear regression calculated for the period 2050–2100 is above 7.5. Moreover, the variability of this tendency is important as emphasized by the correlation coefficient which is less than 0.3. Noting that the calculated mean NHT28 follows the linear regression (not shown), the variability of NHT28 can double in some years in comparison with the mean, reaching a peak close to 900, while NHT28 is divided by two the year after, getting back close to the mean value.

The same kind of tendency is obtained for the scenario B2 (Fig. 4b) but moderate, showing an increase of NHT28 of about 200 % between 2050 and 2100.

Averaging NHT28 from the two Meteonorm climate databases for the periods 1960–1990 and 1996–2005, NHT28 is equal to 67, while the NHT28 average from M´et´eo-France climate data for the period 2050–2100 is equal to 296 for the scenario A2 and 225 for the scenario B2. So, we can see an increase of about 341 % (235 %) for the worst case scenario A2 (B2) in Paris between the period 1960– 2005 and the period 2050–2100. These results show that even for the moderate scenario B2, the increase of the number of hours when T > 28 ◦ C would be very consequential and important during the 21st century. This could imply different consequences that will be discussed later.

Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

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1816

Fig. 6. Cooling UDD for the scenario A2 (a) and B2 (b) in Paris.

Fig. 5. Heating UDD for the scenario A2 (a) and B2 (b) in Paris.

3.1.2

Heating UDD

As NHT28, the tendency of UDD18 is observed for fifty years between 2050 and 2100 and is compared to observations from the past climate (Fig. 5). In that case, Eurostat data coming from a European statistic database (Eurostat, 2010) is also used to look at the evolution of UDD18 for the period 1998–2009, Meteonorm data being still used as a reference.

The linear regression calculated for the period 2050–2100 shows a clear decrease in the future for both scenarios, while a slight increase is observed today when looking at Eurostat data. For the scenario B2, UDD18 decrease is slightly less than in the scenario A2. This shows the impact of the climate scenario. On average over the period 2050–2100, the decrease is about 13 % in the worst case scenario and about 5 % for the scenario B2.

In these results, the observed variability could come from different kinds of uncertainties due to input data, modelling or computation (IDDRI, 2010): 1. uncertainties due to climate scenarios; 2. uncertainties due to modelling (cloud formation, climate feedback, etc. . . ); 3. uncertainties due to the intrinsic natural climate variability which is a chaotic phenomenon (El Nino for instance); 4. uncertainties due to the temporal and spatial downscaling.

3.1.3

Cooling UDD

The principle is the same here as for heating. The temperature of reference is equal to 25 ◦ C inside buildings. So, every Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

temperature outside above this temperature of reference implies energy needs for cooling. So, we can expect that cooling needs would increase in the context of climate change in the city, in particular because of the increase of the number of hours when the temperature is above 28 ◦ C and the increase of heat waves in the future. As for heating, results from M´et´eo-France for the period 2050–2100 are compared to the observations coming from Meteonorm for the past climate. Figure 6 shows UDD25 for both climate scenarios A2 and B2. On average, UDD25 goes from 18 (average over the two Meteonorm databases) to 82 (average over the period 2050–2100 of M´et´eo-France data for the scenario A2). As a consequence, cooling needs would blow up with an increase of about 355 % (230 %) for the scenario A2 (B2) between 2050 and 2100. So, these needs would increase at least by a factor of 3 despite the moderate climate scenario.

3.2

Geographical influence

The tendencies of these three indicators described previously are calculated for nine other French cities to look at the geographical influence over the country. Figure 7 shows these climate indicators for all the 10 cities. Each indicator value corresponds to an average value obtained for the period 2050–2100 in the case of future climate M´et´eo-France data.

For observational data, the value is averaged between the two databases (1960–1990 and 1996–2005) for Meteonorm and for the period 1996–2005 for Eurostat data. Averaged values are summarized in the Table 1.

For NHT28 and UDD25, their tendencies are clearly correlated (R 2 > 0.97). For all cities, these indicators show an increasing tendency. The strongest NHT28 and UDD25 increase occurs for the city of Nantes in the west part of France, which reaches a value of about 770 % for both indicators for scenario A2, followed by Toulouse with an increase in www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

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1817

Table 1. NHT28, UDD18 and UDD25 averaged values for 10 French cities for observational data and climate data from the period 2050– 2100 for the scenarios A2 and B2.

NHT28 Cities Besanc¸on Bordeaux Clermont-Ferrand Mantes la Jolie Marseille Nantes Orl´eans Paris Strasbourg Toulouse

UDD18

UDD25

MNRM

A2

B2

Eurostat

A2

B2

MNRM

A2

B2

74 126 61 60 278 50 85 67 61 158

348 705 357 200 970 434 400 296 189 1066

249 582 247 134 826 324 299 225 117 878

2788 1853 2891 2376 2192 2117 2336 2376 2637 2156

2484 1642 2679 2278 1777 1717 2098 2153 2702 1723

2556 1722 2768 2337 1869 1779 2166 2215 2759 1814

20 32 15 16 67 14 22 18 18 44

103 215 105 54 271 121 112 82 55 343

70 172 69 35 218 87 82 60 33 270

In general, UDD18 decreases in all cities except in Strasbourg where UDD18 increases a little bit by 5 % for the scenario B2 and about 2 % for the case A2. Moreover, UDD18 for cities in the south of France is globally going down with the strongest decreases which could be directly linked to a more pronounced global warming in these regions. Indeed, Nantes, Toulouse or Marseille show an UDD18 decrease of about 20 % for in the worst case scenario A2 for instance.

Globally, energy needs for heating would decrease in France during the 21st century.

3.2.1

Fig. 7. NHT28, UDD18 and UDD25 mean values for 10 French cities for the scenarios A2 and B2.

the number of hours when the temperature is above 28 ◦ C of about 575 %. Strasbourg has the lowest value with still an increase of 210 % for NHT28, slightly more for UDD25 with an increase of 215 %. In general, tendencies for scenario B2 is equivalent, but smaller than for the worst case scenario. www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

Cross-energetic indicator

The evolution of these energetic indicators is correlated with climate change. The comfort indicator, NHT28, shows clearly an increase in the number of hours when the temperature is above 28 ◦ C, whatever the city, as well as an increase of heat waves (not shown). So energy needs would have to evolve in the future considering this increase in cooling needs.

However, indicator values are dependent of the climate model which is ARPEGE-Climat from M´et´eo-France. So, another way to observe the tendency of these indicators is to look at the evolution of energy needs in percentage between the periods 1996–2005 and 2050–2100 as a function of the climate scenario. Figure 8 shows this evolution for each heating and cooling needs, while the evolution of NHT28 corresponds to the diameter of bubbles. This one is equal to 50 % for a bubble equivalent to the legend which never occurs. It is interesting to see for Nantes, for instance, that cooling needs would increase by about 780 % when heating needs would decrease by about 19 %.

Globally, the energy policy will have to take into account these needs in the future and diversify available energies for cooling needs. In the case of Strasbourg, we can note that this is the only city where UDD18 is positive about 3 to 5 % depending of the climate scenario. Since this city is more on the East part of France, the continental climate would stay Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

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1818

Fig. 9. Vulnerability models and impacts on energy, comfort and health.

Fig. 8. Evolution of heating and cooling needs (Unified Degree Day or UDD) from 1996–2005 to 2050–2100 periods (Bubble diameters function of the evolution of number of hours where temperature is above 28 ◦ C: +50 % in the legend). (A) Scenario A2, (B) Scenario B2.

quite cold during the winter having extreme weathers sometimes, despite the global warming, which could explain this tendency.

4

Discussion

Due to the global warming, UDD18 tends to decrease while UDD25 and NHT28 tend to increase. These tendencies are accentuated for the worse case climate scenario A2. A decrease of UDD18 could prevent a decrease in heating needs and consumptions. The more the outside temperature is high, the more UDD18 is low and the less necessary it is to heat a building. The global warming should logically imply less energy consumption for heating in mid-latitudes. However, these evolutions are tendencies and the climate variability is still present every year.

On the opposite side, the more NHT28 is increasing, the more UDD25 is expected to increase as well. Potential impacts could be urban heat island effect intensification, comfort and health risk increase and more energy needs for cooling. These vulnerabilities can be classified into two vulnerability models (Fig. 9), the functional and the bio-physical vulnerability models (Arnaud, 2011), showing possible imNat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

pacts on energy, comfort and health. Our climate indicators allow us to put forward working or malfunction issues related to urban climate. For instance, industrial sectors and services in France would be more concerned about energy needs to cool buildings, since just a few apartments have cooling systems. Although these indicators are independently studied and presented, they are all connected. For instance, UDD25 and NHT28 have the same tendency, data for a temperature above 28 ◦ C being taking into account for both indicators.

Moreover, in general, if more cooling is needed, this implies less heating in buildings.

New environmental building conception tries to avoid cooling systems since this implies more energy consumptions. So, either a massive reform of environmental conceptions and building standards would be necessary (Roaf et al., 2005) or a massive installation of cooling systems would have to be done. There will be a price to pay: price of energy or a new vision of building conception. Hallegatte (2007) raised a fundamental question when he asked if population will accept the use of cooling systems everywhere in Paris as in big cities in the USA. Of course, there will be an economic impact added to energy and carbon dioxide emission impacts which are the basis of the adaptation to climate change in urban areas. Answering this question is not so easy since urban climate studies are complex because of the multidisciplinary fields and actors.

Due to climate change, a frequency and intensity increase of extreme events would probably occur (IPCC, 2007). An increase of very cold winters would be possible and could influence peaks of energy demands and energy needs, and heating installations. The heating systems are designed from building energy losses and function by an extreme outside temperature of reference defined for each region in France, www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

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E. Tromeur et al.: Urban vulnerability and resilience called base temperature, and equal to the lowest outside mean temperature in the year. For instance in Paris and its region, this base temperature is equal to −7 ◦ C. No data reaches this base temperature in the M´et´eo-France data for the period 2050–2100. So, it would not be necessary to change heating systems already installed in Paris in the future which are well designed in the case of a global warming. But problems could come from extreme colds and a massive demand of energy for heating at the same time. So, heating systems are not questioned per say. This is more the network itself, the mean of energy production and distribution which are questioned, in particular, for electricity. A strong energy demand would imply a strong energy production. This situation could generate crisis situations difficult to manage.

As for heating demands, we could get the same problems during heat wave events with cooling systems. NHT28 and UDD25 tendencies show a strong vulnerability about the electricity network during hot days with a possible crash in the network depending on power peak limits and energy demands for cooling. Power peaks would happen mainly in the summer. But if demands are too strong, this could generate electricity production problems upstream in the network.

Considering a hydraulic production, what would be the energy production if rivers drying out occur more frequently in the context of a global warming? Therefore, several adaptation scenarios can be imagined for cooling building in the future. The first one would consist of installing cooling systems in all old and new buildings. However, this extreme scenario is not recommended for environmental purposes (CO2 emissions for instance) or building design, in particular, if cooling systems are installed on facades. Moreover, this solution would lead to the same power peak and demand problem during extreme hot events.

Another scenario would be to replace old cooling systems by new ones to get better installations in terms of energy consumptions. But the right technology has to be used. For instance, replacing cooling systems with humid air waste heat by dry air waste heat would increase the temperature by 2 ◦ C in the city (CNRM-GAME, CNAM, Climespace, 2010). The use of air conditioners would then reinforce heat waste, increasing outside air temperature, which could heat buildings again, leading to a massive use of air conditioning, and so on.

So, we have to pay attention to the choice of technology we want to use to adapt to climate change. In some cases, adaptable solutions could be worse than doing nothing. Moreover, the city itself can have a negative impact on cooling needs.

The cities are very attractive and density is increasing. These continuous demographic increases tend to reinforce cooling needs during hot events. It is a vicious circle.

To break down this circle, several actions are possible to improve urban climate. However, how to evaluate the efficiency of these actions? What would be the evolution of the UHI phenomenon in the future? How to integrate new climatic criteria in the urban planning? What would be available tools for decision-makers to evaluate impacts of www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/12/1811/2012/

1819 changes? The perspective of resilience within the context of climate change is then uncertain and difficult to do. Several levers of action for the UHI exist and are quite large, but all do not have the same efficiency. This one could vary during a day or as a function of a season (Colombert, 2008).

The main work will be to adapt current buildings, new ones representing only 1 % to 1.5 % of the French market.

But communities and local authorities have to face a lot of legal constraints to plan and regulate space to improve urban climate. Besides, evaluation and quantification tools would be necessary to judge project qualities and urban resilience.

The multiplicity of shapes in cities does not allow us to obtain a general answer or general law. For instance, UHI analysis in Paris showed that thermal anomaly is dependent of seasons or weather depressions in the region (Cantat, 2004), but mainly is due to radiation and wind speed (Bouyer, 2009).

The use of morphological indicators as the sky view factor (Messaoud, 2009) or the aspect ratio is used to get empirical laws, but developed models cannot be reused as it is, in particular, for cities where climate is different (Bozonnet, 2006). If projections give a real increase in the lack of comfort in cities, it is possible to attenuate undesirable effects by changing some urban characteristics. It is, however, necessary to rethink city planning and to adapt this one in order to keep a pleasant way of life and comfortable activities in cities.

One possible lever of action is to modify building shapes and city’s configurations. Height and width of buildings have to be thought over again to avoid canyon street formations where some radiation could get trapped and heat the air temperature. Acting on materials and their colour is another pathway to follow for modifying urban albedo, the reflective power of surfaces exposed to the light. The use of clear material (roofs and facades) would allow us to catch less heat which would be reflected towards the space and limit heating the city. So, the attenuation of UHI could be possible by increasing albedo of buildings (Akbari et al., 2001, 2009; Gaffin, 2012). Despite this solution for cooling a city, this cannot avoid extreme hot events as predicted in climate scenarios and lack of comfort in public space.

To improve this public comfort, shapes, aspects or geometry of public roads could be modified to increase albedo.

Moreover, the increase of green roofs, vegetal facades or parks could limit heating a city as well. This green revolution could attenuate UHI and would offer shadows and relaxation spaces. Desplat et al. (2009) show that albedo and green surfaces are the two main levers which could contribute to cooling a city and reducing urban heat island effect. In their study, they put forward that these solutions would reduce the mean air temperature of a city by 2 ◦ C and then attenuate the lack of comfort by the horizon 2030.

Of course, people have a role to play in this adaptation by limiting air pollution, traffic or industrial activities. During heat waves, atmospheric pollution is intensified and increase the lack of comfort and health risks by the time. Possible Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

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1820 solutions would be to move polluting activities outside the city, reduce car traffic and allow more space for bikers or buses to avoid traffic jams and peak pollution, in particular, during rush hour. So, spatial city organization would have to be rethought like city density (building density, human density, green density, etc.) or green space location in cities.

Again, all these solutions call city planners, architects or policy makers to adapt a city planning face to the global warming. The single fact that urban heat island effect would be increased because of the global warming and possible negative consequences on people would happen, should lead actors to think cities differently by proposing adaptive strategies. This suggests a reframing of the traditional role of climate on a building in the architectural field to be reversed and look at the role of the building on local climate. The resilience to climate change will then be possible with an adaptive design, but with an adaptive consciences as well.

Acknowledgements. The authors address their thanks to the Resilis partners. Resilis gathers researchers from the private sector (Egis, Iosis, Sogreah) involved in urban development or risk prevention, research laboratories (EIVP – Paris School of Engineering, LEESU – University of Marne-la-Vall´ee department of research in urban engineering, REEDS – University of Versailles-Saint Quentin department of research in economy, ecology and sustainable development), public research (Cemagref – risk assessment, Fondaterra – foundation for sustainable territories). This complementariness in skills and knowledge will ensure the more holistic approach possible with the analysis of both technico-functionnal and socio-organizational resilience.

Edited by: B. Barroca Reviewed by: M. Colombert and another anonymous referee

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Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1811–1821, 2012

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2011 Menard R., Dense Cities in 2050: The Energy Option ?, Summer Study Proceedings, ECEEE, juin 2011.

Cet article, en anglais et de quinze pages, examine les corrélations liées à la densité urbaine et à l’énergie. Dans le prolongement des travaux menées par Newman et Kenworthy, il réinterroge la relation densité et demande individuelle d’énergie.

Ce texte scénarise l’évolution de l’efficacité énergétique du parc automobile, et de l’autre, la diffusion des énergies renouvelables.

Cet article conclue sur une inversion possible et probable à horizon 2050 de la relation liant densité et demande énergétique nette des territoires.

| Publications scientifiques.

Il est un prélude à la méthodologie développée plus tardivement dans le cadre de Réforme, programme Ignis Mutat Res. Ce document fait aussi un premier état des gisements renouvelables disponibles à l’échelle territoriale et propose une quantification de l’offre énergétique ainsi générée.

B

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Dense cities in 2050: the energy option?

Raphaël Ménard 31 rue du Repos 75020 Paris, France menard.raphael@gmail.com

Keywords car industry, energy-neutral, renewable energy, zero-carbon technologies, vehicles, urban model, smart grids, population density, long-term policy, land use, fuel consumption, electric vehicles, car transportation, density

Abstract In 1989, a widely-publicized article by Newman and Kenworthy revealed the correlation between urban density and energy consumption linked to the car. It summarized in a “logocurve” the chaos of urban sprawl. In its apology, this paradigm of hyper density has most certainly over encouraged land speculation in urban centres, this phenomenon causing in turn urban sprawl. The present paper re-examines this correlation: we assess the energy consumption loads generated by the use of the automobile and productions due to renewable energies installed in urban areas. A prospective vision is associated to two major technological developments.

Cars: 20 years after the publishing of the Australian article, the automobile industry has slowly started to initiate a change in energy policy: downsizing the engines, efforts to reduce weight, reducing friction, generalization of micro-hybrids, plug-in hybrids and the popularizing of electric vehicles.

Renewable energies: for the photovoltaic market as an example, where one can expect in 2015 a crossover between the cost of production of photovoltaic electricity and the sales price of the network. As a result, the decentralized storing capacities made possible by the use of electric vehicles shall offer a more satisfying answer to the intermittency of renewable. More generally, annual production of renewable energies is in direct relation to the spatial extent of their surface.

As a result, low density implies the increase of potential production (brought to the inhabitant of the urban area). The addition of these two phenomena is outlined and analyzed in this paper. Nearing 2040, it’s very likely that the energy balance be more favourable for urban areas of low density (and for CO2 emissions as well). This tendency should therefore influence political incentives in order to develop first and foremost automobile efficiency and a decentralized production in those urban locations.

Introduction BACKGROUND

Urban density and car use

Twenty years ago, Newman and Kenworthy (Newman, 1989) highlighted the relation between urban density and energy consumption due to individual car use. From data collected worldwide over large metropolitan areas, this correlation revealed that as urban density increased, fuel consumption was reduced. This asymptotic behaviour has been largely popularized for the past twenty years. The said curve became the logo and an introductory slogan for ecological advantages of the compact city. On the other side of the mirror, this study quantified the impact of automobile devastation as a result of urban sprawling. Fouchier (Fouchier, 1997) furthered this study taking for examples some new towns in outer Paris. The correlation revealed an identical behaviour to the one demonstrated by the Australian researchers. In other works (Banister, 1997), urban density is the predominant parameter on modal

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4-165 MENARD

PANEL 4: TRANSPORT AND MOBILITY

choices for ground transportation, annual distances and energy consumption.

Shortly after Newman and Kenworthy had published their article, other articles appeared which challenged their conclusions (Gordon, Richardson, 1989). Breheny (1995), and Gordon and Richardson again in 1996, did not agree at all with the idea that the compact city was the answer to reducing pollution, underlining the effects of congestion that would be generated and the drastic measures that the diffusion of a model based on high densities would impose. This research strives to demonstrate that a territory with more than one hub-andspoke network, can also reduce the distances of displacements (Breheny, 1995).

A “decentralized concentration” would be, for the opponents of density in the strictest sense of the word, a more effective model of urban development to reduce automobile displacements (Jenks et al., 1996). Owen refocused the debate a year later by demonstrating that although density is an essential element it is not enough to noticeably reduce car transportation.

In spite of notable divergences in the quantitative results, the majority of research accepts the idea that the role of combinations between rate of compactness, level of concentration around an economic centre, density, structure of displacements and localization of employment and services are as many urban levers to reduce consumption of energy and the GHG emissions.

systems authorizing the conversion of the renewable energy flows.

In few cases development of green neighbourhoods encourage integration of renewable power plants like photovoltaic and solar thermal, wind power often in an anecdotal way, geothermal heating when the resource is available and finally biomass (famous case of the eco-neighbourhood, Vauban, Freiburg in Germany). In the latter case, pellets are imported: places of collecting energy remain broader than the perimeter of consumption.

Considering photovoltaics (Weller, 2010), its detractors evoke either the consequences of a bad architectural integration (multiplicity of micro-production without a good e-m strategy), or the complexity generated by the management of connection to the local electricity grid (and also polemic surrounding policies of feed-in tariff). In particular, the fall of the production cost of solar panels (Euros per Watt peak) and the global capacity of world production (MW peak produced per year as a unit of panel production) makes grid parity tangible after ten years (BCG, 2008).

And photovoltaics (PV) are certainly the renewable energy source with the greatest potential for integration in cities. The type of energy provided (electricity) is perfectly adapted to the needs of the electric car or the hybrid (Menard, 2008): 20 m² of PV-panels produce each year the equivalent of 10,000 to 20,000 km for an electric-driven car.

Climate change and energy outlook in car industry

MOTIVATION OF THE STUDY

The Automobile is a key issue in global warming context: cars are responsible for 10 to 15 % of fossil carbon dioxide emission. Considering this background, the European Parliament has adopted a compromise which envisages bringing back the average of the CO2 emissions of the new cars to 130 grams per km by 2015. Jointly, the recurring tensions on the price of oil, like the uncertainties upon peak oil, encouraged the car manufacturers to progress in the efficiency of the motorizations (cars absorb nearly 35 % of the world oil consumption).

With the diffusion of gasoline engines, the development of «downsizing» (reduction of the engine’s cubic capacity and addition of a turbo-charger), the reduction in solid and aerodynamic frictions, generalization of the micro-hybrid systems and the appearance of plug-in hybrids (hybrid motorization and electric capacity with an autonomy of about 30 to 50 kilometres in electric mode), all aim to reducing the average consumption of the new cars on the worldwide market (CCFA, 2009).

There remains nonetheless the danger caused by the race for hyper-comfort, and advertisements encouraging the purchase of the “big car” (success of the Sport Utility Vehicle, all-wheeldrive vehicle, imposing minivans and other Crossovers) generate overweight and also contribute to reducing the lever of energy efficiency (Roby, 2006; MacKay, 2009)

The present study reconsiders this interdependence and advances a theoretical explanation for this correlation: the more the density increases, the less the dimensions of the mean cell of territory occupied by the inhabitant decreases. This typical length is proportional to the reverse of the root of the urban density: a preliminary power law.

In this paper is presented notably some scale invariants for annual average car displacements by inhabitants. Secondly, the study establishes the relationship between urban density and the mean surface of territory virtually allocated for each inhabitant. Consequently, considering a broad diffusion of renewable energies (BCG, 2008), and more specifically of solar technologies whose collective surface is more or less a horizontal plane, low density implies the increase of the potential production by renewable energies.

On these bases, the present paper reveals a new type of behaviour pattern of the density-energy curve, as a function of the average producibility of the considered urban land. We define producibility as the average annual production of renewable energy converted into primary energy per urban hectare (MJ.ha-1.yr-1) The next part evokes some orders of magnitude of producibility for various renewable energies: solar, wind, geothermal power and biomass (Lhomme, 2001; MacKay, 2009).

This paper develops the feasibility of large scale integration in urban situations of these renewable energies: which ones are the most likely to balance energy consumption caused by the use of the automobile? For synthesis, the last part proposes several scenarios up until 2050 on the implementation of renewable energies, associated with the prospects for evolution of the average consumption of the automobile fleet.

Contemporary integration of energies in urban context

As a rule, cities do not produce energy. The presence of a heating district network or power plants inside cities need essentially routing of energy vectors extracted from urban areas: fuel, gas, wood, electricity etc: the cities convert or consume fossil and final energies. They are poorly equipped with

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Limit and assumptions of the study

In the projected scenarios, we have considered that the relationship binding annual displacements and urban density is constant: it is possible obviously that this correlation may evolve according to circumstances and the economic future.

The formulas developed in the following section must be considered as a global trend and a probable change of scatter plot.

One might also bear in mind that the estimation of producibility – and in particular for solar technology- is based on typical solar gain in Europe around 50 ° of latitude (global horizontal ~1100kWh.m-2.yr-1).

Renewable energy production For the energy production, we expect to fit into the following power law definition [E4]:

( )

β

Îľ âˆ? β ≥ −

Note that the minus sign. The convention is: >0 corresponds to an energy debit; <0 an energy credit. With: â&#x20AC;˘ p, average urban land producibility for urban density of ref-

erence (in MJ.pers-1.yr-1); â&#x20AC;˘ β, power law exponent of the fitting curve.

A preliminary theoretical approach Basic equation in power law [E5] GENERAL PRINCIPLE

Îľ 727 â&#x2030;Ą .ĆŤÎą â&#x2C6;&#x2019; Sƍβ

Basic equation

The framework of this article consists in evaluating the sum (as annual primary energy consumption per person) of the two following contributions, and then to exhibit the relationship with urban density, d ([E1] and [E2])

With the unitless parameter ĆŤ = G , we write down the exG trema ĆŤFU and the zero ĆŤQHXWUH

( ) ( )

.ÄŽ ĆŤFU = SČ&#x2022;

Îľ â&#x2030;Ą Îľ + Îľ

ĆŤ QHXWUH

Îľ â&#x2030;Ą Îľ â&#x20AC;˘

ĆĄ Ć

Îľ corresponds to the annual consumption, related to personal use of car (in MJ.pers-1.yr-1). The dependence with urban density will be based on the results from Newman and Kenworthyâ&#x20AC;&#x2122;s work. When the final energy is electricity, one retains the national coefficient selected to translate the content in primary energy delivered energy (2,58Â units of primary energy for 1 unit of electricity delivered as French coefficient for example)

â&#x20AC;˘

. = S

ĆĄ Ć

Îľ is the annual renewable energy production per person (in MJ.pers-1.yr-1). When the production is electricity, this value is multiplied by the coefficient of the national mix: it is considered that this production avoids the equivalent drain to the electricity network.

Power law deďŹ nition

TRAVEL AND MOBILITY MODEL

Pudding and density

To popularize the cosmic expansion after the Big-bang, astrophysicists frequently employ the metaphoric image of raisins in a fruit cake (Stephen Hawking in A Brief History of Time, 1988): stellar galaxies move away from one another, not so different from the raisins moving away from one another as the cake rises during baking time. The same applies to urban density: the more sprawled the city, the more specific the distance separating myself to the others increases. Let us call a, the typical length of the personal cell (if urban ground is equally shared between all users). For example, if urban density is 100Â personas per hectare, the typical distance between the nearest inhabitants is 10Â meters. We note [E6], with a is in meter:

Mobility The aim of this study consists in writing [E3]:

â&#x2030;Ą

( )

Îą

Îľ â&#x2C6;? Îą â&#x2030;Ą

First theoretical power law deďŹ nition for mobility

With: â&#x20AC;˘ L, annual distance per year and per person for the density of

reference (in km.pers-1.yr-1) â&#x20AC;˘ d0, urban density of reference (in pers.ha-1)

This characteristic distance separating two individuals (or two functions of the city) seems able to provide the typical scale of any displacement and thus, the temporal sum of those individual displacements. According to this logic, it is not unreasonable to suppose Îą â&#x2030;&#x2C6; â&#x2C6;&#x2019; . Using [E3] and [E6], one writes [E7] as:

â&#x20AC;˘ c, average consumption of the car fleet, translated into pri-

mary energy (in MJ.km-1). We note that energy density is 36Â MJ for one litre of gasoline (resp. 33Â MJ for fuel) and _ as power law exponent.

Îľ 02% â&#x2030;&#x2026; .ĆŤ â&#x2C6;&#x2019; â&#x2030;Ą / F

G

G

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RENEWABLE ENERGY PRODUCTION: A FIRST MODEL

Cars

Flow energies

CAR FLEET AND PROSPECTIVE OF EVOLUTION

As introduced previously, the development of a decentralized energy production proposes a simplistic relationship with density. As non-concentrated energy but distributed along the surface (Lhomme, 2006), the horizontal plan determines the annual production for solar production (resp. vertical plan for wind power). The denser the city, the more the horizontal surface offered to the elements by user decreases; consequently the potential energy output per individual decreases.

First theoretical power law definition for renewable energy production

( )

β

=

Table 1 shows the drop in average fleet specific consumption in the French car fleet between 1990 and 2005. Under the effect of the tax incentive via the bonus-malus, it is probable that this decrease will be more important for 2010–2020 decade. For example, the average emissions from personal vehicles sold in France in 2008 were 139 grams per kilometre: that means for petrol an average consumption of 5,9 litres per 100 km and 5,3 for gaseous fuel.

The electric car

The reverse of the density characterizes the quantity of urban territory per inhabitant. Also, by taking as a first assumption a low correlation between density and urban form, the reverse of the density is then proportional to the average roof surface per user. According to this preliminary axiom, one concludes [E8]:

ε ≡ −

Example of the French car fleet

After a stumbling start (Paine, 2006), it is to be noted that the car industry has recently initiated its conversion to electrification, and envisages the integration of this offer in a not too distant future: plug-in hybrid, the Prius III at Toyota, the Volt at Chevrolet for 2011, and 100 % electric (arrivals on the market in 2011 of Peugeot Ion, Citroen C-Zéro, Renault Kangoo ZE, …), etc. Beyond the obvious advantages in terms of noise and pollution, the electric car presents an inherent energetic efficiency (the output tends to up 90 % of mechanical conversion of the electricity) with the following arguments:

FIRST GLOBAL ENERGY EQUATION • The thermodynamic machine of the thermal vehicle has its

Combining [E7] and [E8], we find [E9] as:

maximum output on a reduced range of power.

. S ≡ .ƫ − Sƫ = − ƫ ƫ

• The electric motor delivers its maximal torque at 0 rpm: a

Characteristic values and relationships

• The electric motor (and hybrid devices also) authorizes re-

ε

727

α

β

real advantage in city driving.

From this preliminary equation, one can note (and the inequality [E10]):

( ) ( )

ƫ QHXWUDO =

ƫ FU =

S .

S .

The question of the autonomy and the infrastructure of charging stay problematic for the electric vehicle.

However: • The cars available on the market in 2010, promise a range

about 100 to 200 kilometres: it is well adapted to daily displacements home to work, since at least one of these places proposes a terminal of charge. For this reason, a terminal at individual residences allows undoubtedly a better optimization, with the assumption that charging takes place during the off-peak hours for the electricity grid. Low density will eventually help the diffusion of charging points in individual garages.

= ƫ QHXWUDO

727 ≡ ε 727 ȝFU ≡ ε 727 ≤ ε 0$;

.

S

The first value refers to the reduced density which allows the objective of neutral energy urban land. The second relationship corresponds to the critical reduced density: it represents the maximal energy consumption per person and per year. From [E10], one can notice the energy consumption is limited by a maximum value for any scenario of evolution of urban density.

This maximum ( ε ) depends in a stronger way on specific consumption of the car fleet (K) rather than the typical producibility of renewable energies (p).

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cuperation of energy in deceleration or braking.

• One awaits the imminent launch of plug-in hybrids (which

have a thermal engine as an autonomy extender).

• The houses in low density statistically increase the poten-

tial rate of equipment with PV-roof on individual parking: a chance for the installation of individual terminals.

In France, consumption in primary energy of an electric car (with a typical 15 kWh for 100 km and a specific primary energy-electricity ratio of 2,58) is identical to a gaseous fuel run vehicle consuming 3,5 liters/100 km: very few petrol-driven cars provide this performance. It is also important to keep in mind the advantages of the electric car in terms of noise, air pollution and hydrocarbon pollution. Also let us note the potential

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Table 1: Evolution of the French car ďŹ&#x201A;eet speciďŹ c consumption.

!. .# && , * ,% $( & /+/ ,+/ 1 2$ ) % # )! & .,$ $.3 3 , )( # . , - )! * ,%$(" , ( .# '$ & *&/" $( #3 ,$ .# ,$/- )(( . .) * ( &- !), , &) $"#. 51# & ,6 ,$4 1$(( , /,$(" .# ,) $( .# -# * - & 0 , !), !!$ $ ( 3 Figure 1: From renewable electricity to friction efďŹ ciency.

Table 2: Scenario of evolution of the average car ďŹ&#x201A;eet consumption in primary energy.

consequences of the broad diffusion of the electric cars on dimensioning at a peak of production for national electricity. It is necessary also to point out the symbioses awaited between electric mobility (as potential decentralized storage), smart grids and the renewable energies.

ymptote of friction: a very good shaped car (with S.Cx=0,5m²) needs 5 kW of power to oppose aerodynamic forces at 100 km per hour.

UPDATE OF THE CORRELATION BETWEEN URBAN DENSITY AND ENERGY CONSUMPTION

Scenarios of ďŹ&#x201A;eet evolution

The French National Strategy for the deployment of the infrastructures for recharging the electric vehicles and plug-in hybrid estimates 100,000Â vehicles by 2015 in order to launch the market. While based on the Ademe document and by assuming that as from 2020, 10Â % of new cars shall be electric, one then projects the scenario summarized in the table below: we retain however a lower value in the 2020.

By 2020, the inertia of the vehicle fleet in France (2Â million new vehicles sold per year, on more than 30Â million light vehicles) will not allow to imagine a â&#x20AC;&#x153;tsunamiâ&#x20AC;? of electric vehicles. If the options of development evoked in the various works in progress are reached, they are a little more than one million electric vehicles which are conceivable at this horizon, that is to say approximately 3Â % of the fleet.

(Ademe, 2009) This scenario also projects a continuous fall of the average fuel consumption of ICE vehicles of one half-litre less in each decade after 2020: the current trend is about double that. However, the optimization of sobriety will be confronted with an as-

Newman and Kenworthy (1995)

As expressed in energy consumption, the paper of Newman and Kenworthy (1989) unveiled the link with urban density without taking into account local specificities of car fleet and in particular the average automobile consumption. American cars are well known for consuming more fuel than European and Asian ones. In their article of 1995, Newman and Kenworthy mitigated this difficulty, to highlight the distance covered on average by town dwellers. The power law found by Newman (Newman 1995) was [E11]:

( ) â&#x2030;Ą

â&#x2030;Ą

Îą

â&#x2C6;&#x2019;

â&#x2030;ĄÎľ

With Îą â&#x2030;Ą â&#x2C6;&#x2019; , this exponent is close to theoretical result (-0,5, as found in last section). One could also interpret this coefficient as a â&#x20AC;&#x2DC;virtualâ&#x20AC;&#x2122; fractal dimension of the automotive infrastructure: it will be thus equal to 1,32.

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Update of equation [E3]

Synthesis of scenarios

We define urban density d0 as Ld0 equals 10000Â km. With [E11] and [E3], we have:

We approach in this last part of the synthesis, highlighting the total energy balance based on:

â&#x2030;Ą

1. The scenario of the car fleet evolution and the power law

( )

â&#x2030;Ą

â&#x2C6;&#x2019;

curve of annual distance [E13];

2. The scenario of the potential energy urban production,

based essentially on photovoltaics technology.

For this density, the specific length of the cell is 17Â meters (remember [E6]). We could also interpret ([E12]): GLOBAL ENERGY EQUATION

The update of the energy balance can thus be written [E14]:

â&#x2030;&#x2C6; â&#x2030;Ą â&#x2030;&#x2C6;

â&#x2C6;&#x2019;

It means the typical annual distance is almost 60,000Â times the length of the typical length of individual urban cell.

In this case, we have:

We note then [E13]:

Îľ 02% â&#x2030;&#x2C6; .ĆŤ

()

G â&#x2030;Ą / F G

() ( )

ĆŤQHXWUDO =

Conclusion for mobility equation

²

Îľ 727 â&#x2030;&#x2C6; .ĆŤ â&#x2C6;&#x2019; SĆŤâ&#x2C6;&#x2019;

()

â&#x2030;Ą F G

ĆŤFU =

S .

S .

=

ĆŤQHXWUDO â&#x2030;&#x2C6; ĆŤQHXWUDO

727 Îľ 727 â&#x2030;¤ Îľ 0$; â&#x2030;Ą Îľ 727 ĆŤFU â&#x2030;Ą

Renewable energies

Like the first theoretical case (recall [E10]), the last inequity [E15] revealed a stronger dependence toward the typical car consumption (K) rather than the average producibility (p).

PROSPECTIVE

Evolution of photovoltaic technologies

From an economical point of view, one expects a coincidence between the marginal production cost of photovoltaic with the sales price of the electricity network operators. The sweet-spot (or grid parity) is hoped for by 2015â&#x20AC;&#x201C;2020 (BCG, 2008). The probable development of tracking device will also permit to maximize the annual productivity. In addition, we can note the potential evolution of photovoltaic combined with heat production: pre-heating beneath the photovoltaic panel (and thus a reduction of the building heating needs), combination of wafers with optical concentration (Fresnel lens, parabolic mirrors etc.) and collection of the heat generated.

A FIRST PARAMETRIC SCENARIO

We investigate in this paragraph the effect of renewable integration (see Figure 4). As a first step, the car fleet corresponds to the one in France in 2010. The basic scenario presents thus the consequences of a volunteer program which would strongly encourage investment into urban renewable technologies. p~0 MJ.ha-1.yr-1

The left curve shows the contemporary total balance in France (negligible integration in urban context). The shape fits with the Newmanâ&#x20AC;&#x2122;s asymptote. p~500 000 MJ.ha-1.yr-1

Large scale technologies into city?

Within the framework of the consultation for Grand Paris (2008), a proposal consisted of integrating renewable energies in an urban situation on a large scale definition: great urban voids (parks, parking â&#x20AC;Ś) could participate in the metropolitan energy production. A further development of this proposal could consist of the adaptation on a large scale of the CSP technologies into the urban landscape: the output of the annual solar gain would be maximized by developing production of electricity, of heat even also of chilled production.

The graph in the middle simulates a reasonable integration of eco-energies: it corresponds to the average electric productivity of 5 kWh per m² of urban land and per year (and equivalent also 1/20 of urban landscape covered with PV-panels with a typical productivity of 100 kWh.m-².yr-1). We also note that the curve is much flatter: the dependence to density is lowered. At low density, the curve lost a maximum to infinite. But urban land keeps a global negative-energy behaviour: personal use of automobile require energy out of the considered urban area. p~1 000 000 MJ.ha-1.yr-1

SCENARIO OF PHOTOVOLTAIC INTEGRATION IN URBAN AREAS

Table 4 synthesizes a possible scheme of integration of urban producibility. In order to evaluate a typical potential of production, we chose here to equip mainly the roofs with photovoltaic panels, and estimate a possible evolution of equipment of the roofs linked with the increase of the typical output in future years.

878

.

S

For a double quantity of producibility, the curve takes an opposite shape. At low density, the production exceeds the consumption of cars. Beyond 100Â persons per hectare, the dependence with the density becomes very weak: there is a relative balance between the reduction in consumption associated with individual displacements and reduction with the production per capita.

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Table 3: A brief panorama of renewable energies and their capacity to integrate into cities.

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423 :@?;@? :1 >:7,= .:9A0=>4:9

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4-165 MENARD

PANEL 4: TRANSPORT AND MOBILITY

Figure 2: Histograms with estimates for maximal annual producibility (in MJ per hectare and per year).

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Figure 3: Prospective drawings with in particular urban CSP-integration.

Figure 4: Curves of density-energy.

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PANEL 4: TRANSPORT AND MOBILITY

4-165 MENARD

Table 4: Synthetic scenario of car ďŹ&#x201A;eet evolution and integration of renewable technologies.

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With:

GLOBAL SCENARIO: A CHANCE FOR CORRECTING THE EFFECTS OF URBAN SPRAWL?

Figure 5 zooms in on urban densities lower than 150 persons per hectare. A quick reference to the curve of Newman and colleagues, it is not unreasonable to imagine a ranking inversion of the efficiency between American, European and Asian cities in 2050. Let us note that on the eve of 2030 the dependence with density becomes weaker. In 2040, it is possible that the correlation is reversed.

Low densities make the diffusion of eco-technologies easier on an individual level: quote as example the decentralized production of electricity by biomass (example of Volkswagen Blue Power). In this last case, it is useful to recall that the quantity of heat rejected by a fuel driven car during 20,000 kilometres, corresponds more or less to the annual heating needs for a house of 100 m². With the electric car and this type of individual cogeneration, consumption in primary energy could then be almost divided by two: tomorrow, whereas the power unit reloads the car at night, its heating â&#x20AC;&#x153;wasteâ&#x20AC;? will warm the house and generate hot water.

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GXFWLRQ H J IURP WKH JULG DQG UHQHZDEOH SURGXFWLRQ DW WKH XUEDQ UHIHUHQFH GHQVLW\ NJ&2 KD NP

This last parameter is the most difficult to assess. It is indeed a function of: 1. Effective substitution: does self-production erase or attenu-

ate conventional production?

2. GHG intensity of power plants distributed to electricity grid

(grCO2.kWh of electricity delivered) 3. Management of the intermit production: which capacity

of storage for the producibility one is for example stored to propose an availability equivalent to the traditional resources?

While transposing the increase carried out on the assessment incorporated in energy, one can deduct: [E17]

Discussion 727 *+* 727 â&#x2030;¤ *+*0$; â&#x2030;Ą *+* 727 ĆŤ â&#x20AC;˛FU â&#x2030;Ą

Further development 1: GHG emissions approach

This study largely concentrated on energy balance. However, it is obviously necessary to consider GHG emissions. If this point is reserved for the discussion, it is because the assessment is much more complex than the energy sum: it is largely depend on the GHG intensity of the supply for electricity production (including variation in space and time). Jointly, the taking into account or not of a life cycle analysis associated with renewable technologies is also up for debate. Table 5 shows when energy mix for electricity production provides CO2 intensity under 500 grams, the electric car presents a more favourable balance.

As the intensity reaches 700Â grams, the equivalent GHG emissions of the electric car are equivalent with those of a specific fuel consumption of 5l/100Â km.

Thus let us lay down the terms of future developments of this article by rewriting the equation of the total assessment: [E16] â&#x2C6;&#x2019;

â&#x2C6;&#x2019; *+* 727 â&#x2030;&#x2C6; / U&2 ĆŤ â&#x2C6;&#x2019; δ &2 ĆŤ

ĆŤFUâ&#x20AC;˛ =

( ) δ &2

/ U&2

δ &2

/ U&2

In this last case, it is much more effective to bet on GHG emissions reduction of cars, for two reasons. One because of cubic dependency in the equation of GHGTOT with δ . The other due to uncertainties around δ as explained. For those reasons, the introduction of a bonus-malus policy for the purchase of a new car showed the effectiveness of this tax incentive to decrease the global GHG impact of the French car fleet: a strategy to be amplified in a low density zone?

Further development 2: economic approach

What is the best lever to prevent energy poverty? First of all, the aim of a positive mobility would require nowadays as a first approach, an investment in photovoltaic panels of at least

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PANEL 4: TRANSPORT AND MOBILITY

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Figure 5: probable evolution of the correlation curve between urban density and energy consumption.

Table 5: GHG emission of an electric car (15 kWh/100 km) and scenario of GHG emission from car ďŹ&#x201A;eet in 2040.

50,000Â Euros per person in low density situation: this is not achievable. As value analysis, let us imagine governmental aids of about 10,000Â Euros per household, the latter living in a low density area. â&#x20AC;˘ (XURV LV D VLJQLĂ&#x20AC;FDQW DPRXQW WR HQFRXUDJH DQG HYHQ

Ă&#x20AC;QDQFH WKH UHSODFHPHQW RI DQ ROG FDU ZKLFK FRQVXPHV OL WUHV E\ D QHZ RU VHFRQG KDQG EXW UHFHQW ZLWK D VSHFLĂ&#x20AC;F FRQVXPSWLRQ RI 5Â litres per 100Â km. Thus, for 20,000Â km a year, it represents an economy of 600Â liters. With 1,50Â Euros per litre, this economy represents almost 1,000Â Euros a year. â&#x20AC;˘ (XURV FRUUHVSRQGV LQ IRU WKH W\SLFDO SHUVRQDO

LQYHVWPHQW IRU D SKRWRYROWDLF URRI RI DERXW N:S a (X ros per Wp). The forecast annual production, under European climate, will then be about 2,000Â kWh. With a feed-in tariff of 0,40Â Euro, this is a credit of about 800Â Euros a year This very approximate budget approach shows a relative equivalence between both strategies. One should neverthe-

882

less opt for the more reasonable choice: better in terms of GHG emissions reduction and easier to perform. Lastly, the dynamics of incentive could also encourage â&#x20AC;&#x201C; starting with the registration of the building permit â&#x20AC;&#x201C; to install a complete kit of autonomy integrating renewable energies, solution of storage and electric mobility: the key of automobile autonomy. In 2010 and very first estimate, the additional investment would be about 75,000Â Euros: that remains obviously prohibitive for a budget of acquisition of a house of 200,000Â Euros. In horizon 2020, it is extremely probable that the appreciation of this autonomous mobility corresponds to an acceptable over-investment, in particular if it is supported by inciting tax policies.

Further development 3: integration of all ground transportation

Hessi recalls works of François Asher, then Orfeuil and Soleyret: the famous â&#x20AC;&#x153;barbecue effectâ&#x20AC;? recalls that high densities generate an increase in leisure outings. Therefore, it is possible that the full writing out of the power consumption of total

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PANEL 4: TRANSPORT AND MOBILITY

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individual mobilities highlights an asymptotic character less extremely than when only the automobile curve is taken in to account.

Further development 4: integration of building energy consumption

In a later development, it will also be crucial to integrate building energy consumption. The relationship between urban density and typical building energy consumption becomes difficult when: % The correlation with urban density and compactness of building is weak; % The type of construction and the efficiency of the envelope is not related to urban density; • Climate (in particular heating degree days) is an important

determinant of heat consumption (Kennedy, 2009) In contrary, it might be possible that major effect could be due to correlation between density and the average individual surface of housing. This last point would point to a better efficiency of dense urban lands. These speculations however remain to be even confirmed to quantify.

Conclusion This study proposes an update of the curve revealed by Newman and Kenworthy. With different scenarios, the curve of the algebraic sum of car consumption and renewable production shows a climax: it is probable that the improvement of car consumption efficiency, diffusion of the electrical car and the development of renewable production will result in a weaker relationship between energy consumption and density in the time horizon 2030–2040.

It reveals the potential in the medium-term of positive energy urban land at low densities: the latter would be finally more efficient than the high densities by compensating higher distances travelled by car with a greater potential of auto-production of energy. The conclusion of this theoretical model also shows that aggregate consumption is controlled much more by the average consumption of the car fleet than by the producibility of urban land: a good argument to encourage car efficiency and car sharing.

Also let us point out the important correlation between household incomes and density. The households with lesser means are more largely represented in suburbs: low density implies an increased risk of energy poverty. Also, with a tax incentive, it seems necessary to accelerate the technological change for households located in very low density areas: specific feedin tariff for renewable energies, incentives for efficient car purchase and the development of smart grids in these urban areas.

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PANEL 4: TRANSPORT AND MOBILITY

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Acknowledgements The author acknowledges Jillian Anable for her comments, which have permitted to really improved the clarity of the document. The author acknowledges also Alexis Hannart, Mindjid Maïzia and Eric Tromeur for their advices and their support.

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| Publications scientifiques.

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Cet article fait état des résultats provisoires issus du programme de recherche Resilis (programme ANR).

2002 Bardsley H., Menard R., Consigny F., Vaudeville B., The Bercy-Tolbiac Footbridge in Paris, Footbridge 2002, Paris.

Cet article décrit les investigations qui ont été conduites pour augmenter le confort vibratoire de la passerelle Simone de Beauvoir, ouvrage métallique de près de 200 mètres de portée à Paris. Ce document résume une partie des investigations mathématiques que j’ai pu mener lorsque je travaillais sur ce projet chez RFR, en particulier sur l’identification d’une valeur optimale d’amortissement à intégrer dans cet ouvrage de grande portée.

| Publications scientifiques.

Il détaille également la solution proposée permettant l’intégration discrète des amortisseurs dans l’ouvrage, permettant ainsi de préserver l’élégance technique et architecturale de ce franchissement emblématique.

B

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Footbridge 2002

1

The Bercy-Tolbiac footbridge in Paris (Feichtinger Architect - RFR Engineers)

Henry BARDSLEY RFR - Paris

François CONSIGNY

Raphaël MENARD RFR - Paris

Bernard VAUDEVILLE RFR - Paris

AI

T

The future footbridge links the Tolbiac and Bercy development zones in eastern Paris, crossing the Seine as well as the dual carriageways running along its banks. With a central span of 190m without columns in the river, its slender structure is made up of two arches and two catenaries, linked by vertical fingers. In this way two structural systems with similar stiffnesses work in tandem (arches/catenaries and semi-vierendeel trusses).

Due to its span and its slenderness, this footbridge is subjected to recently discovered dynamic phenomena under crowd loading, requiring considerable horizontal damping. An original solution is to install viscous dampers at the far edges of the lateral footbridges, which transform them into restraining levers.

Introduction

EX

1

TR

Keywords: Footbridge – Slenderness – Arch – Catenary – Semi-Vierendeel – Gerber system – Dynamic crowd loads – Dampers – TMD – Damped lever

In March 1999, the Austrian architect Dietmar Feichtinger and the engineering firm RFR won the international competition, organised by the City of Paris, for the construction of a footbridge over the Seine connecting the quarters of Tolbiac and Bercy in Paris.

Construction is to begin at the end of 2003 and is due to be completed at the end of 2005.

Fig.1 Elevation of the structure of the Bercy-Tolbiac footbridge in context The footbridge consists of two levels which cross through each other, permitting pedestrians to access the lower banks of the Seine on one path and the esplanade of the New National Library and Bercy Park on the other path.

53/188

Footbridge 2002

6

Fig.10 Axonometric view, calculation model of the footbridge structure

3

Dynamic behavior

3.1

TR

AI

T

Dynamic analysis of the Bercy-Tolbiac footbridge was carefully considered from the earliest stages of the project.

The span and slenderness of the steel frame predict that the bridge will be sensitive to low frequencies. Pedestrian use demands increased attention to comfort requirements.

The recently-discovered phenomena of dynamic horizontal coupling between pedestrian movements and footbridge sway, are the object of complementary studies currently being pursued by RFR. These indicate the necessity to include for a high level of horizontal damping.

Vertical dynamic behaviour

EX

The vertical dynamic pressures generated by the pedestrians are well documented in National and European Standards. Modal analyses (frequency, modal mass, and deflection curves) indicate that the bridge will require reinforced damping of three modes in order to achieve the required comfort criteria. This damping will be obtained by the installation of four Tuned Mass Dampers (TMD).

Shown below are the three vertical modes and their corresponding damping device : th

7 mode : fourth symmetrical vertical mode at 1,68Hz Installation of a TMD at mid-span to the lower part of the main footbridge.

Fig.11 Elevation of the mode 7 deformation th

9 mode : second asymmetrical torsion mode at 2,04Hz Installation of two TMD to the belly of the mode 9 deformation. The masses are pushed out towards the exterior in relation to the primary structure.

Fig. 12 Axonometric view of the mode 9 deformation

54/188

Footbridge 2002

7

th

10 mode: fifth asymmetrical vertical mode at 2,15Hz Installation of one TMD in the cantilever zone on the underside of the principal structure.

Fig. 13 Elevation of the mode 10 deformation 3.2

Horizontal dynamic behaviour

The documentation of horizontal dynamic behaviour of bridges in national and european Standards is not sufficient for design of lightweight longspan pedestrian bridges. The dynamic phenomena that developed at the inaugurations of the Solférino footbridge in Paris and the Millennium Bridge in London illustrate the need for high critical damping ratios for those modes whose frequency falls between 0,4 et 1,3Hz and which develop significant transverse displacements (torsional modes, in particular).

3.2.1

AI

T

Initially we envisaged using horizontal TMD to develop the required damping. But in view of the level of damping required (between 5% and 10%), this solution seemed heavy and over-targeted toward a few specific frequencies. Our current studies are oriented towards the use of internal or external viscous dampers.

Treatment with viscous dampers

EX

TR

This solution consists of making the structure more « viscous » by integrating dampers into the large-deflection zones of the modes that we wish to treat. Unlike the TMD, this solution allows damping of several modes. However, its efficiency varies with the positioning of the dampers within of the structure.

A large deformation does not constitute a condition sufficient in and of itself for optimum positioning of the damper connections: in addition, the equivalent rigidity linking the two extremities must also be substantial. The following analysis describes the theory of this « competition » between rigidity and damping.

Preliminary calculations

We consider that the rheologic model flow+damper in parallel is submitted to a variable instigating force t  F (t ) . This model characterizes the apparent placement of an integrated damper between the two joints of the structure where we wish to improve the damping of the pulse  . A joint is the origin of the reference point.

(1) The movement of the other extremity is regulated by : Cv  Kx  F (t )

~ ~ F i . ω .

F The Fourier transformations are written : ~ and ~ x v  K  i.ω .C K  i.ω .C We are looking for a consistent damping

(2)

Copt such that at the pulse O, the energy of

damping dissipated in one cycle is at its maximum. This energy is proportional to the quantity

 Cv² dt .

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Footbridge 2002

8

By Fourier transformation, we have : 2 ~ v² dt  v   dω therefore  Cv² dt  

~2 Cω ² F K ²  C ²ω ²

dω

~ F  δ  (ω ) . The dissipated energy is C ² (3) therefore proportional to K ²  C ².² This quantity is maximum for C  C opt  K (4)  Taking

Damping generated in the structure

T

The diagram shows the relationship between the value of the damping constant C and the optimal value of a given pulse. The adjustment of each damper can therefore be optimised in relation to the frequency that we wish to treat.

AI

In order to calculate the ratio of critical damping generated by a damper, we establish the following calculation : ξ str , the ratio of critical damping of the structure

EX

TR

M and  , modal mass and pure pulse X& , normalized modal speed x& , speed of the lengthening of the damper 2 By applying virtual strengths, we write : 2.ξ str .M .. X&  C opt .x& ² (5) Considering that

X  1 , we deduce :

ξ str 

Copt .x ² 2.M .

(6)

Optimal location of internal dampers

We initially examined the installation of viscous dampers parallel to the diagonal braces of the horizontal beams under the decks.

We carried out a theoretical analysis, following the approach outlined above, of the efficiency of each potential location. This calculation showed that the optimum locations are situated on the cells 3, 5, and 7 of the horizontal beam linking the two arches, an arrangement which generates a gain in critical damping of the order of 3,3%. Computer analysis using the software package “Algor” allowed us to confirm this value.

Although analysis shows that the installation of a structurally-intrinsic damper allows us to substantially increase the ratio of critical damping, the physical application of this device comes up against some difficulties due to the smallness of the relative displacements of the installed

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Footbridge 2002

9

dampers. Furthermore, the required damping constants are very high : it would be necessary to design a kinematic principle capable of increasing displacements whilst at the same time reducing damping forces.

3.2.2

Treatment by external viscous dampers

A more efficient alternative consists of placing the damper between a fixed point independent of the footbridge and a point on the bridge structure that shifts significantly under horizontal modes.

The solution described below is still at the preliminary design stage, but is looking promising.

AI

T

The main footbridge is flanked by linking footbridges spanning the dual carriageways situated to either side of the river. In the initial design, the connections between the linking footbridges and the main footbridge are articulated in both the horizontal and the vertical planes. If instead we choose to fix the connection in the horizontal plane between the link bridges and the lateral cantilevers of the main structure, we can mobilise a large additional mass in rotation which translates into a large-amplitude displacement at the outer ends of the link bridges. These two points are ideal locations for external dampers.

In physical terms, the viscous dampers would be installed between the outer ends of the link bridges and independent consoles built into the Bercy wall and the Tolbiac bankside, respectively.

EX

TR

In this configuration, the plan diagrams below indicate the deformation patterns which we obtain for the most-highly-damped modes :

Mode 1

Mode 2â&#x20AC;&#x2122;

Mode 4

Mode 5

Mode 5â&#x20AC;&#x2122;

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Footbridge 2002

10 Mode 9’

T

The graphic below shows the time-transverse displacement relationship (transverse displacement in Oy) of the following nodes : Node 477 : arch at mid-span ( continuous black line ) Node 506 : upper tip of the boomerang prop, left bank ( dashed red line) Node 492 : upper tip of the boomerang prop, right bank ( dotted green line )

The future of « restraining lever » footbridges

TR

3.3

AI

The fade-away corresponds to a damping ratio of 10,7% : this value is very close to the theoretical result of 10,6%.

EX

If current theoretical descriptions of the Millenium-bridge-type phenomena are confirmed, long-span footbridges of the future will have to be designed to achieve very high critical damping ratios for horizontal excitation modes.

Our studies show that the principle of « restraining levers » allows high levels of horizontal damping to be attained. This principle consists of creating or mobilising the lateral approaches that are often part of a footbridge design (in our case, the link bridges spanning the dual carriageways) by using them as levers whose rotation can be actively damped.

| Publications scientifiques.

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| Rapports de recherche, mĂŠmoires.

C. Rapports de recherche, mĂŠmoires.

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| Rapports de recherche, mĂŠmoires.

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2014 Projet Reforme, programme Ignis Mutat Res. « Reforme », rapport final de l’équipe Reforme, programme de recherche Ignis Mutat Res, 292 pages, avril 2014. Première session, 2011-2013. Composition de l’équipe Reforme : Raphaël Ménard, responsable scientifique, Maurizio Brocato, responsable institutionnel, Alain Dervieux et Paolo Ciuccarelli.

Ignis mutat res, Penser l’architecture, la ville et les paysages au prisme de l’énergie est un des programmes de recherche incitatif initié et piloté par le Bureau de la recherche architecturale, urbaine et paysagère du Ministère de la Culture et de la communication. Il est organisé en trois sessions de deux années chacune, en partenariat dès l’origine avec le ministère de l’Écologie, du développement durable et de l’énergie et l’Atelier international du Grand Paris. Le projet Reforme est lauréat de la session 1 (2011-2013) de ce programme.

Le projet Reforme s’articule autour de trois parties : les Représentations (Re), la Formalisation (For) et enfin les Métamorphoses (Me). En tachant de dépasser la dualité traditionnelle productionconsommation énergétique, nous introduisons la trilogie suivante : les énergies renouvelables (l’offre) sont distinctes des ponctions sur les réserves fossiles et fissiles (le stock) tandis que la demande commande.

La deuxième partie - la Formalisation- s’attarde sur une description mathématique des valeurs de demande, de stock et d’offre pour préciser les dimensions qualitatives de l’énergie. A cet égard, nous introduisons une représentation vectorielle de l’énergie en lieu et place d’un scalaire. Les annexes du rapport final fournissent le détail de ce formalisme mathématique ; il est adapté et potentiellement puissant pour décrire les opérations successives sur les flux d’énergie, « du berceau exergique à la tombe anergique». Nous analysons ensuite les données techniques permettant d’évaluer l’offre énergétique. A l’issu de cette partie, nous introduisons de nouveaux outils de projet, les « plans de récolte énergétique ». Nous illustrons plusieurs situations planétaires à différentes échéances temporelles.

Cette approche sert les principes d’évaluation des taux de solarisation pour un territoire donné et illustre l’intérêt de l’outil numérique Reforme (solar-reforme.org).

| Rapports de recherche, mémoires.

La première partie -les Représentations - introduit une comptabilité entre ces trois valeurs pour permettre une représentation simple et didactique des dynamiques de ces trois scalaires dans l’espace et dans le temps. Pour illustrer ces prémices d’ « éléments finis énergétiques territoriaux », est développée une corrélation selon la latitude terrestre illustrant un très fort contraste entre pays du Nord et pays du Sud. Nous explorons ensuite différentes cartographies du territoire parisien et mettons en lumière les spécificités de la transition énergétique à l’échelle du Grand Paris, en partie liée à la question de la densité et de ses limitations sur l’autonomie énergétique.

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La dernière partie - Les Métamorphoses- décline formellement les principes de dimensionnement des parties précédentes. La première métamorphose concerne l’exploration de plusieurs scénarios globaux pour le « vaisseau terrestre planétaire », en reprenant l’expression popularisée par Fuller. Forts de ces estimations de la demande et de l’offre, sont esquissées plusieurs prospectives globales depuis 1750 jusqu’en 2250 avec comme paramètres, la population mondiale, la demande individuelle d’énergie ainsi que le niveau de solarisation planétaire. Ces variables sont celles de l’outil numérique Reforme.

La deuxième métamorphose est à une échelle intermédiaire et questionne les découpages administratifs français afin d’assurer une cohérence des « bassins versants énergétiques », permettant d’homogénéiser densité de demande et densité d’offre potentielle.

Cette deuxième métamorphose fait l’objet d’un livrable dédié, un logiciel d’aide à la décision pour le découpage territoriale avec l’hypothèse qu’il puisse être un outil d’aide à la décision politique.

| Rapports de recherche, mémoires.

Enfin, la dernière métamorphose présente les « Infrastructures Solaires Urbaines » : une stratégie locale, une réponse architecturale et urbaine pour un circuit court entre offre, stock et demande. Cette typologie hybride entre infrastructure et architecture fournit une hypothèse typologique d’une nouvelle couture entre ville et campagne et la « relocalisation du bassin versant énergétique ». Les Métamorphoses concluent un résultat important de cette recherche : la forme urbaine gouverne davantage l’offre énergétique que la demande.

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Ignis Mutat Res

AI

T

Penser l’architecture, la ville et les paysages au prisme de l’énergie | Session 1

EX TR

Reforme Reform

5DSSRUW ÀQDO _ (TXLSH 5HIRUPH SRUW ÀQDO _ SRUW ÀQDO _ (

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Rapport final| Ignis Mutat Res | Session 1|Equipe Reforme |Avril 2014|

Avant-propos.............................................................................7 Evolutions de la problématique ........................................7 Synthèse des livrables finaux .............................................8 Implémentations et publications .......................................9 Contributions .................................................................... 11 Introduction générale ............................................................ 13 Préambule .......................................................................... 13 Le projet Reforme ............................................................ 16 Partie 1. Les Représentations ............................................... 25 Introduction....................................................................... 25 Espace, temps, énergie ..................................................... 29 Analyse selon la latitude ............................................. 29 Conséquences territoriales ......................................... 34 Analyse en Ile-de-France ................................................. 35 Le bassin versant énergétique .................................... 35 Les transitions de Paris ............................................... 36 Une Ile-de-France agrandie ?..................................... 37 Première cartographie de la demande ...................... 39 L’exemple du Parc des Portes de Paris .................... 42 L’outil de visualisation Reforme .................................... 43 Introduction.................................................................. 43 Etat de l’art des représentations ................................ 43 Début de formalisation ............................................... 44 Présentation de l’outil ................................................. 47 Partie 2. La Formalisation .................................................... 59 Mesurer l’énergie ............................................................... 61 Quelles variables pour définir l’urbain ? .................. 64 Fonctions d’offre et de demande .............................. 73 Mesurer la demande ......................................................... 76 Introduction.................................................................. 76 Une typologie des besoins ......................................... 81 Modèle pour la mobilité ............................................. 88 Le modèle (d,e) de la demande ................................. 90 Mesurer le stock ................................................................ 96 Introduction.................................................................. 96 Stocks de long terme ................................................... 96 Stocks de court et moyen terme ............................... 98 Stocks incorporés ........................................................ 99 Mesurer l’offre ................................................................. 112 Introduction................................................................ 112 Récolter le soleil ......................................................... 116 Récolter la photosynthèse ........................................ 128 Récolter les gisements locaux .................................. 132 Cartographies d’offre ................................................ 136 Synthèse de la deuxième partie..................................... 147 Dimensionnement architectural .............................. 147 Faire adhérer demande et offre ............................... 154 Demande et stocks .................................................... 155 Augmenter l’offre ...................................................... 157

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Rapport final| Ignis Mutat Res | Session 1|Equipe Reforme |Avril 2014|

Partie 3. Les Métamorphoses ............................................ 163 Conclusion #1 : scénarios globaux.............................. 164 Scénariser le long terme ............................................ 165 Les scénarios Reforme .............................................. 166 Conclusion #2 : réforme en France ............................ 169 Introduction................................................................ 169 Remembrer les régions selon l’énergie ? ................ 170 De la science (politique) ........................................... 177 Les Infrastructures Solaires Urbaines ......................... 179 Une utopie locale pour la solarisation .................... 179 Premier principe ........................................................ 179 Deuxième principe, stocker ..................................... 180 Troisième principe, contenir .................................. 180 Dimensionnement des ISU ...................................... 181 Quelques représentations des ISU.......................... 186 Cas pratiques pédagogiques ............................................... 193 DPEA Architecture Post-Carbone .............................. 194 Introduction................................................................ 194 Enseignements de projet .......................................... 195 La modernité après ......................................................... 202 Introduction................................................................ 202 Le 30-30 & le 30-30scope ........................................ 203 Pédagogie du projet ................................................... 212 Influence sur un enseignement contemporain ..... 215 Solar Decathlon .............................................................. 235 Contexte ...................................................................... 235 Projet Astonyshine .................................................... 236 Projet « LivLib » ......................................................... 240 Annexes ................................................................................. 241 Compléments pour les Représentations ..................... 242 Extrait d’état de l’art des représentations .............. 242 Structure de données pour l’outil Reforme ........... 246 Compléments pour la Formalisation ........................... 248 Espace vectoriel de l’énergie.................................... 248 Algèbre de la géonergie ............................................ 252 Démolition sélective.................................................. 264 Compléments pour les Métamorphoses ..................... 272 Trajectoires de solarisation équilibrées .................. 272 Cartographie de la demande énergétique .............. 280 Glossaire ................................................................................ 283 Bibliographie ......................................................................... 286

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2013 Resilis, programme Villes Durables de l’ANR. Résilience urbaine et vulnérabilité climatique. Impacts sur l’énergie, le confort et la santé - développer la résilience urbaine par l’amélioration des aides à la gouvernance des systèmes urbains. Projet labellisé par le Pôle de compétitivité Advancity.

Le projet Resilis vise à développer des solutions innovantes pour l’amélioration de la résilience de la ville. Dans ce projet, un des principaux objectifs est d’étudier l’impact du changement climatique au sein des régions urbaines. En effet, les conditions climatiques sont un facteur de stress pour les bâtiments et les infrastructures. Ils sont habituellement bien adaptés au climat dans lequel ils ont été construits.

Cependant, les changements du climat peuvent affecter le confort de vie interne et externe. Le GIEC prévoit une augmentation de la température moyenne mondiale de 1,1°C à 6,4 °C d’ici à la fin du siècle, venant à modifier la température d’équilibre de la Terre. De façon plus locale, dans la communauté urbaine en particulier, cette augmentation pourrait s’avérer d’autant plus drastique.

Les incidences seraient également importantes pour réduire les effets d’ilots de chaleur urbains (conséquences sur le confort, limitation des risques sanitaires d’exposition aux épisodes caniculaires, réduction des consommations de climatisation etc.). La définition et l’estimation d’indicateurs de la résilience auront besoin d’être réalisés afin de caractériser les évolutions potentielles du climat en termes de température de l’air (degrés jours chauds et froids), de radiation solaire et de nombres d’heures affichant une température supérieure à 28°C. Ainsi, les tendances à adopter dans les villes françaises face au changement climatique et ses impacts en termes de dérives de consommations d’énergie dans les bâtiments et pour le confort extérieur des espaces publics seront caractérisées pour deux scénarios climatiques B2 (modéré) et A2 (case le plus pessimiste).

Finalement, des méthodes, des outils ou un guide de bonnes pratiques devront être adressés aux autorités locales, aux décisionnaires et à la population. Sur le long terme, l’objectif sera de développer des outils pour préparer, adapter et concevoir des systèmes techniques et sociaux tels qu’ils pourront faire face, absorber et recouvrir les perturbations dues au changement climatique.

| Rapports de recherche, mémoires.

L’albédo est une composante importante dans la quantification du forçage radiatif. L’idée de l’effet d’albédo consisterait alors à limiter localement le chauffage radiatif des villes et des infrastructures par augmentation de l’albédo via une redistribution de l’énergie : utilisation de peinture réfléchissante par exemple, modification simple de la colorimétrie surfacique.

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2010 Recherche PUCA Maïzia M, Houdant N. , Joliton D., Rimmel L., Menard R., Berge S. , Teller J., Viejo Garcia P., Lacoste G., Lerolles H., Les gisements du développement urbain : analyse quantitative à l’horizon 2050 des consommations énergétiques et des émissions de CO2 des tissus urbains, PUCA, 2010.

Dans le cadre de cette recherche, Elioth avait plus particulièrement contribué à l’estimation de la demande de chauffage dans plusieurs configurations de tissus urbains.

2003 Mémoire de diplôme d’architecte : Le Classement, Mode d’Emploi Menard R., Le Classement, Mode d’Emploi, Mémoire sur les organisations du savoir et les classifications bibliographiques, 67 pages, décembre 2002.

En prélude au projet de diplôme d’architecte DPLG, ce mémoire explorait l’histoire et la « phylogénèse des taxinomies du savoir ».

Concernant les classifications bibliographiques, cette recherche revisitait l’émergence des classifications multidimensionnelles, dont les qualités et intérêts ont été largement supplantées au cours du 19ème et 20ème siècle par les classifications unidimensionnelles : la classification Dewey et la classification décimale universelle.

Le mémoire concluait ainsi sur le canevas bidimensionnel, départ d’une « grille manhattanienne » pour une bibliothèque composée de tours de livres, et dont la matrice tridimensionnelle correspondrait à un ordonnancement didactique du savoir.

| Rapports de recherche, mémoires.

En amont du projet architectural d’une bibliothèque universitaire scientifique pour le campus de Jussieu, ce mémoire préfigurait le réemploi de la classification mis au point par Claude Braffort –un membre éminent de l’Oulipo – lors de son expérience au sein du CEA.

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68/188 %,%/,27+(48( 81,9(56,7$,5( &$0386 '( -866,(8 81( 0,6( (1 (63$&( '( /$ &/$66,),&$7,21 '( %5$))257

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LE CLASSEMENT MODE D’EMPLOI LES CLASSIFICATIONS ET LEURS ESPACES DE REPRESENTATION

Raphaël Ménard École d’Architecture de Paris Belleville Olivier Gahinet, directeur d’études décembre 2002 / Code séminaire 0235350T04

70/188 LE CLASSEMENT MODE D’EMPLOI

AVANT-PROPOS________________________________________2 INTRODUCTION ________________________________________5 A. Qu’est qu’une classification ? _______________________________ 5 1. La nature des entités à classer 6 2. L’ensemble des entités à classer 7 3. Partition et représentation 8 B. Le classement de ce travail _________________________________ 10

PARTIE I : TEMPS / ESPACES _____________________________12 A. Une chronologie des classifications du savoir __________________ 12 1. L’invention de l’écriture 12 2. L’Antiquité 13 3. Le Moyen Âge 15 4. Renaissance et Age Classique 18

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____ 21 _____ B. Quelques espaces des classifications systématiques____________ 1. L’Encyclopédie 22 2 2. L’herbier et le Jardin des Plantes 23 27 3. Les premières bibliothèques publiques

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PARTIE II : ARBORESCENCES / TREILLIS ___________________29 ____________ _______________2

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A. L’essor des classifications bibliographiques ___________________ _________________ _____________ 30 1. Dispositifs communs 31 2. La classification de la Bibliothèque du Congrès 32 grès 3. La classification Décimale de Dewey 33 e 4. La classification Décimale Universelle 34 scent ____________ _____ B. Les critiques du schéma arborescent _________________________ 35 1. Les limites des classifications 35 que ue 2. L’exemple du tableau périodique 38

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PARTIE III : HYPERESPACES ACES / HYPERTEXTES________________40 HYPE HYPERTEX A. L’apparition des classifications assifications b bibliog bibliographiques multidimensionnelles_________________________________________ 41 es_______________ es ____________ 1. Les caractères communs 43 2. La classification Co 47 Colon lon de Ranganathan Rang 3. La classification de Cordonn Cordonnier 48 lisé de Braffort 4. La classification spécialisée 49 B. Les classements du savoir à l’ère du numérique________________ 50 1. Le classement des objets numériques 50 2. Les objets numériques dispersés en réseau 52

CONCLUSION __________________________________________56 APPENDICES___________________________________________60 A. Enquête dans la Bibliothèque de Babel _______________________ 60 B. Résumé de quelques classifications __________________________ 61 C. Bibliographie _____________________________________________ 67

1

71/188 LE CLASSEMENT MODE D’EMPLOI

Avant-propos 1 BIBLIOTHEQUE DANS UN LIVRE

Je suis étudiant en architecture. Pour le diplôme, le sujet de mon projet est une bibliothèque universitaire dont la problématique vise à organiser l’espace selon une nouvelle hypothèse classificatoire des ouvrages. Le projet cherchera notamment à résoudre l’absence de corrélation analysée par Eliséo Veron1«Dans l’étalement spatial d’un fonds soumis au libre accès […] la tridimensionnalité joue à plein, en imposant un ensemble de décisions de localisation, qui sont totalement étrangères à la structure de la classification elle-même : proche/lointain, haut/bas, gauche/droite, centre/périphérie, devant/derrière, etc. Autant de relations créées par la nature métonymique à la fois de l’espace et de la dynamique des corps qui vont le parcourir, relations vis-à-vis desquelles la grille conceptuelle de la classification ne fournit aucune règle d’engendrement » 2 UN RAYON DE LA BIBLIOTHEQUE PUBLIQUE D’INFORMATION A PARIS

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Si on classe les bibliothèques selon le type classificatoire de leurr fonds, une un ge correspond grande majorité de bibliothèques sont «arborescentes» : l’étage uivaut à une à une ou plusieurs classes ; l’allée ou un groupe d’alléess équivaut division de classe ; une étagère est associée à une subdivision. Enfin habétique bétique des auteurs. auteur auteu l’alignement des tranches propose le classement alphabétique héma linéaire de L’espace du livre se crée avec la contrainte du schéma e, l’allée de la bibliothèque biblio classement des ouvrages (§122) Comme la ville, dis est une rue dont la dénomination renvoie à un thème ou une discipline du urr nom «mécanique du solide», savoir. Les rues de la bibliothèque ont pour «allergolog »… «littérature nord-américaine, auteurs de KE à MI», «allergologie

3 LA BIBLIOTHEQUE D’EXETER, LOUIS I.KAHN ARCHITECTE

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La question de la classification cation on est étroitement étroitem étroite associée à une onomie d du savoir » représentation d’une « ergonomie ». Comment caractériser le re l’institution et son usager ? Réserve de projet de relation entre e être conçue d’abord d’abo comme un lieu tourné vers le connaissances, doit-elle uis I. Kahn projète la bibliothèque d’Exeter, il énonce en lecteur ? Lorsque Louis omme avec un livre l préambule : « Un homme se dirige vers la lumière. Une e comme cela. ce Il ne fera pas quinze mètre vers un bibliothèque commence bi éclairage électrique » « La bibliothèque d’Exeter commença par la périphérie, où est la lumière » 4 LA BIBLIOTHEQUE DE L’UNIVERSITE DE DUISBURG, ARWED TOMM ARCHITECTE

Est-elle au contraire une forteresse du savoir (§46) ? La bibliothèque dans Le Nom de la Rose décrite par Umberto Eco est un sanctuaire de livres, renfermant une multitude de pièges et de procédés dissuasifs (§43) Elle emprunte la topologie du labyrinthe, le rangement et l’indexation des codex sont cryptés. Argan rapporte le projet de bibliothèque secrète de MichelAnge, accolée à la Laurentienne : 2« […] destiné à la protection des manuscrits les plus précieux, il nous reste le dessin, triangle massif et labyrinthique, fortifié comme un bastion : comme la République, la culture humaniste de Florence était menacée et, dans ce contexte, l’association mentale entre bibliothèque et bastion n’était pas le fruit du hasard. » 1 Espace pour le livre, perception et usages de la classification et du classement en bibliothèque , p10 2 G.C. Argan et B.Contardi, Michel-Ange architecte, Gallimard / Electa, Milano, 1990, Paris, p117

2

72/188 LE CLASSEMENT MODE D’EMPLOI

Conclusion 157

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Le réseau est-il destiné à devenir l’espace hégémonique de rassemblement et de diffusion du savoir ? Le caractère le distinguant de ces prédécesseurs –encyclopédie, bibliothèque…- est qu’il n’opère pas de tri. Toutes les informations diffusées sur le web ne passent par un lieu de contrôle –ligne éditorial, dépôt légal…-. La sélection ne se crée que par la citation, par le lien hypertexte qu’une autre page envoie vers la page de support de l’information en question. Christian Jacob72 rappelle : «La conservation résulte d’une décision politique autant qu’intellectuelle : on décide de conserver en anticipant les usages futurs de l’information, en portant des jugements sur ce qui mérite ou non d’être archivé. Sélectionner, c’est aussi assumer le risque d’une élimination irrémédiable. Toute politique de la mémoire se bâtit sur une part d’amnésie. La mémoire est ainsi un processus volontariste et la gestion du passé se projette dans sa finalité future. » Doiton envisager de voir naître des bibliothécaires du web, qui, comme dans la galima bibliothèque de Babel serait chargé de supprimer les galimatias hypertextuels ?.. (§6) 158

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arc La Bibliothèque Nationale prend déjà ce rôle en charge : elle trie et archive les sites internet pertinents. Les bibliothèques et less médiathèques se n de catalogues talogues collectifs colle col transforment à l’heure du numérique : organisation e de liaisons en ligne, techniques de numérisation, outils d’indexation et rés hypertextuelles. L’architecte hollandais, Rem Koolhaas, résume leur nventer la bibliothèq bibliothèque : non plus évolution : 73« L’enjeu est de redéfinir / réinventer e au livre, mais une réunion une institution exclusivement dédiée nciens & nouveaux nouvea – cohabitant dans d’informations à tous les médias – anciens le. A l’âge où l’accès à l’information peut les conditions d’une égalité nouvelle. sim multanéité des médias, mé se faire de partout, ce sont la simultanéité la qualité de leur ction qui renouvellent renouvellen la bibliothèque. Que l’on présentation et de leur interaction bibliothè ssur une simple puce, qu’une puisse stocker le contenu d’une bibliothèque e contenir toute la m seule bibliothèque puisse mémoire numérique, voilà qui mes de stockage nouvelles nou change tout. Les formes permettent de concentrer l’espace dédié au livre, tandis que de nouveaux modes de lecture rehaussent son aura. »

159 LE « SERPENT

En avant-propos, je mentionnais que ce travail constituait la base théorique d’un projet de bibliothèque pour mon diplôme (§1) Le site est situé à l’intérieur du Campus de Jussieu à Paris. Le fonds bibliographique –dont les trois quarts seront proposés en libre accès- est constitué principalement d’ouvrages et de périodiques scientifiques. La problématique du projet consiste à développer l’espace du bâtiment à partir d’une hypothèse classificatoire. La forme de l’édifice sera en partie issue de la représentation du système d’ordonnancement des connaissances scientifiques.

72

Christian Jacob, La Bibliothèque, Miroir de l’Ame, Mémoire du Monde, « La Leçon d’Alexandrie », p23 73 Techniques & Architecture juin-juillet 2001

56

» DE LA DEWEY

73/188 LE CLASSEMENT MODE D’EMPLOI

Appendices

A. Enquête dans la Bibliothèque de Babel 165

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La nouvelle de Borges commence par ces mots : « L'univers (que d'autres appellent la Bibliothèque) se compose d'un nombre indéfini, et peut-être infini, de galeries hexagonales, avec au centre de vastes puits d'aération bordés par des balustrades très basses. De chacun de ces hexagones on aperçoit les étages inférieurs et supérieurs, interminablement. La distribution des galeries est invariable. Vingt longues étagères, à raison de cinq par côté, couvrent tous les murs moins deux ; leur hauteur, qui est celle des étages eux-mêmes, ne dépasse guère la taille d'un bibliothécaire normalement constitué. Chacun des pans libres donne sur un couloir étroit, ut lequel débouche sur une autre galerie, identique à la première et à toutes. pe […] À proximité passe l'escalier en colimaçon, qui s'abîme et s'élève à perte ement les de vue. Dans le couloir il y a une glace, qui double fidèlement e porte cinq cin apparences. [...] .Chacun des murs de chaque hexagone ous de même étagères ; chaque étagère comprend trente-deux livres, tous ous indique dique que la format ; chaque livre a quatre cent dix pages» L’auteur nous ement ment de 2 mètres. mètres mè hauteur sous plafond d’une cellule est approximativement on considère qu’un qu Chaque étagère est donc haute d’environ 0,4m. Si l’on ntaine taine de cent centimètre imètre on ouvrage comportant 410 pages et haut d’une trentaine centimètres, centimètre Si chaque peut supposer que son épaisseur est de l’ordre de 3 centimètres. p près 1 étagère comporte 32 ouvrages alors le côté de l’hexagone fait à peu mètre : le volume occupé par une cellule hexagonale est donc approximativement de 7m3

166

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s, et chaque ligne, l « chaque page, quarante lignes, environ quatre-vingts d do de chaque livre ; ces caractères noirs. Il y a aussi des lettres sur le dos figurent ce que diront diron les pages : incohérence lettres n'indiquent ni ne préfigurent mystérieuse. [...] [ » « Deuxième axiome : le qui, je le sais, a parfois paru mystérieuse. orthographi nombre des symboless orthographiques est vingt-cinq76 […] »Chaque onc 410x40x90 caractères. cara c ouvrage comporte donc Et puisque la bibliothèque liste l’ensemble des combinaisons de «codes-livres», elle comporte ainsi 25410x40x90ouvrages.

Chaque cellule abrite 640 volumes (20x32) : on en déduit que la bibliothèque contient (25410x40x90 /640) cellules soit environ 102000000 (§150) !

En considérant que la bibliothèque est contenue dans une sphère77 de rayon R, on a alors R~10700000 années-lumière ! Le rayon R de l’univers est lui de l’ordre de 15.109 années-lumière. L’Univers est donc une poussière oubliée dans la Bibliothèque de Babel ! Pour que la bibliothèque ait au maximum les dimensions de l’Univers, elle devrait alors uniquement consigner l’ensemble des codes de 36 caractères soit moins d’une ligne ! A l’heure où l’ensemble du savoir est numérisable (cinéma, musique), le format type d’un film ou d’un morceau de musique nécessite un nombre borné de « bits » définissant son contenu. On pourrait de ce fait imaginer une « Médiathèque de Babel » listant par exemple l’ensemble des DVD ou CD possibles !

76 « Le manuscrit original du présent texte ne contient ni chiffres ni majuscules. La ponctuation a été limitée à la virgule et au point. Ces deux signes, l’espace et les vingt-deux lettres de l’alphabet sont les vingt-cinq symboles suffisants énumérés par l'inconnu ( Note de l’éditeur. ) » 77 « La Bibliothèque est une sphère dont le centre véritable est un hexagone quelconque, et dont la circonférence est inaccessible », p72

60

167

| Rapports de recherche, mĂŠmoires.

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Ouvrages.

| Ouvrages.

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| Ouvrages.

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2013 Petit manuel pratique de transition énergétique Petit manuel pratique de transition énergétique pour le bâtiment et la ville, Convictions et solutions d’ingénieurs-concepteurs, éditions Egis, 96 p, juin 2013. Ménard R., directeur de publication.

Rédigé et conçu dans le cadre de mes fonctions chez Elioth et Egis, cet ouvrage avait pour objet de diffuser et partager plusieurs débats afférents à la transition énergétique. Cet ouvrage, rédigé à plusieurs mains, tache de rendre didactique plusieurs enjeux liés à la sobriété, à l’efficacité et à la production d’énergies renouvelables dans le bâtiment et la ville.

| Ouvrages.

Il met aussi à jour les problématiques liées aux verrous techniques, réglementaires et économiques. En introduction à cet ouvrage, ai aussi décrit le principe de la « Kaya-bat », une autre façon de résumer les enjeux de transition liés au bâtiment ! Cet ouvrage présente aussi un article présentant les avantages liés à la transposition du calcul du LEC (pour Levelized Energy Cost) ou LCOE pour la rénovation énergétique.

D

2

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Voir :

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Voir :

2

Voir la question de l’énergie grise

Pour mémoire, un baril de brut contient environ 158 litres de pétrole. L’emprise énergétique totale d’un mètre-carré construit correspond donc à environ à trois barils !

EX TR

8

Prendre conscience et mesurer ce rôle constitue un levier formidable et installe un chantier pédagogique unique pour refonder les stratégies de conception. C’est aussi la preuve que l’investissement dans un peu de matière grise permet sans doute d’économiser beaucoup de kWh…

Pour nos activités de conception en bâtiment, si nous résumions nos interventions à l’échelle de chaque concepteur, nous interviendrons individuellement sur environ un millier de mètre-carré livrés chaque année. Nous avons un impact sur environ 500TEP par an : cela constitue une responsabilité gigantesque !

L’ingénieur, démultiplicateur de la transition

Ainsi, le poids énergétique sur ce temps de vie (naissance et première vie) est de l’ordre de 3000 à 5000 kWh par mètre-carré sur une trentaine d’années. Cela représente le contenu énergétique d’une demi-tonne d’équivalent pétrole!

Donnons quelques ordres de grandeur : un mètre-carré neuf construit, c’est environ 1000 à 2000 kWh d’énergie primaire nécessaire lors de son édification jusqu’à sa livraison . Considérons également que maîtrise d’ouvrage, maîtrise d d’œuvre et constructeurs portent une responsabilité de l’ « inné énergétique » sur environ une période d’usage d’une trentaine d’année, le temps caractéristique d’une vie du bâti (avant une rénovation ou une démolition, et cette valeur constitue un ordre de grandeur).

500 litres de pétrole par mètre-carré

L’enjeu est de taille : il s’agit ni plus ni moins que de d diminuer l’intensité énergétique de tout acte de construction. Cet et o objectif est développé dans la section suivante dans notre « Kaya-Bat Bat ».

9

Transformons cette dernière en remplaçant la donnée macro-économique (celle du PIB) par la surface du parc bâti portons ensuite uniquement une attention aux émissions de gaz à effet de serre engendrées par le parc bâti. Sur un périmêtre spécial donné, l’équation devient alors :

On ne e se refait p pas. Ingénieurs, nous aimons bien les chiffres.

Nous ous us av avons ain ainsi tenté de résumer la responsabilité des parties prenantes antes du bâtiment, en reformulant l’équation de Kaya.

L’équation app ppliquée au bâtiment : notre «Kaya-Bat »

AI T

L’objectif du facteur 4 consiste à diviser par quatre la quantité annuelle des émissions de gaz à effet de serre à horizon 2050 ; a ce cela ela suppose dès lors nécessairement une répartition de cet effort en re les quatre termes de droite. Et pour que la transition soit entre heureuse use, il s’agirait de faire porter l’essentiel de la contrainte sur les deux de derniers termes !

4. l’intensité d’émission de CO2 par unité d’énergie consommée.

3. l’intensité énergétique (quantité nécessaire d’énergie primaire pour produire une unité de valeur de PIB)

2. le PIB par habitant à la date considérée,

1. la population,

L’équation de Kaya a été développée par Yoichi Kaya, un économiste de l’énergie japonais. Cette égalité indique que les émissions annuelles de gaz à effet de serre (ou d’équivalent CO2) peuvent s’exprimer comme le produit de quatre facteurs :

NOTRE ÉQUATION FONDAMENTALE

Les concepteurs ont une responsabilité essentielle sur l’ « inné énergétique » de notre paysage bâti. Pour le bâtiment en exploitation, nos ingénieurs sont évidemment de talentueux chasseurs pour économiser les kilowattheures de consommation. Mais prenons un peu de recul pour estimer la quantité globale e d’énerg d’énergie sur laquelle les concepteurs et maîtres d’ouvrage agissent : les choix de parti de construction, la durée d’obsolesce scence des diffédiffé rentes parties du bâti, le coût énergétique de la déconstruction... déconstructio déc

3 L’équation de Kaya

L’EFFET DE LEVIER DU CONCEPTEUR

L’inné énergétique

2

Pouvant être la planète, l’Europe, la France, une aire métropolitaine ou un territoire de projet architectural et/ou urbain

En savoir plus en flashant ce code :

L’exégète de l’équation de Kaya, Jean-Marc Jancovici.

Yoichi Kaya

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2013 Guide d’interaction énergie-climat, volume 2, résilience climatique Guide d’interaction énergie-climat, volume 2, résilience climatique, ISBN : 978-2-8760-2052-8, 106 pages, mars 2013. Ménard R., directeur de publication.

Inspiré par le premier volume, cet ouvrage a pour ambition de diffuser quelques résultats issus du programme de recherche Resilis et en particulier, des recherches effectuées par Elioth dans le cadre de son « work package » : l’évolution drastique de la demande de froid dans les bâtiments, les problématiques d’inconfort estival et à mi-saison ainsi que les solutions permettant de tempérer les effets d’îlot de chaleur urbain.

Ce guide constitue un outil de compréhension des enjeux d’adaptation au changement climatique au regard des besoins énergétiques et du confort, en phase amont des projets d’aménagement. Il se focalise sur les questions d’interactions entre énergie et climat à l’échelle du bâti et notamment l’impact du changement climatique sur la diminution ou l’augmentation des besoins en chauffage et climatisation des bâtiments ainsi que les aspects de confort microclimatique des espaces extérieurs.

| Ouvrages.

Au travers de scénarios prospectifs, il renseigne sur la prise en compte de stratégies d’adaptation du bâti et met en évidence l’évolution tendancielle des besoins énergétiques de différentes typologies bâties.

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Tropical

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Tempéré

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La course solaire de Paris et Salt Lake City est relativement semblable alors que leurs climats sont différents. Par exemple, l’orientation de panneaux solaires sera identique mais il n’en sera pas de même pour les choix de parti urbains et architecturaux. Notons dans les deux cas une diminution tendancielle de la demande de chaleur à horizon 2050 associée à une augmentation importante de la demande de froid en valeur relative.

180°

2012 20500

3681

2422

Khartoum KHARTOUM

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0

Moscou MOSCOU

N

T° de consignes DJU Chaud / ville

DJU Froid / ville

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Les DJU signifient littéralement Degrés Jours Unifiés. Ils permettent d’estimer en première approche, une consommation de chaud ou de froid selon une température de consigne donnée.

Pour le bâtiment en France, les DJU base 18 (i.e. température de consigne de 18°C) font en général référence pour estimer en première approche les besoins de chauffage d’un logement. Dans la planisphère ci-dessous, nous avons également évalué la demande potentielle de rafraîchissement avec une température de consigne haute de 26°C.

DISPARITÉS CLIMATIQUES

41 Indicateurs climatiques >> Tendances mondiales

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* Calculs réalisés sur la base du scénario A2 du GIEC. ** Pour les typologies logement, les besoins en rafraîchissement ne sont pas comblés mécaniquement, ainsi, un travail sur la

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ORLEANS

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TOULOUSE

passivité du bâti s’avère d’autant plus crucial dans ces cas de figures.

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STRASBOURG S ST STRASBO TRASBOU ASB BOURG OUR RG

Logement individuel

Logement collectif

CDT / ERP

IGH

Besoins en rafraîchissement (kWheu/m².an)

Besoins en chaleur (kWheu/m².an)

Ces résultats permettent d’observer les tendances mises en évidence page 49 à savoir, les baisses et hausses tendancielles respectives des besoins en chaleur et en rafraîchissement.

esoins éner énergétiques, la tendance globale elle, est à la hausse si l’on considère les intrants primaires nécesénergé rsque sque l’on prend p en compte dans le bilan global l’énergie nécessaire au besoin de mobilité qu’elle génère.

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BORDEAUX

Si certaines configurations particulières d’habitat individuel semblent présenter une diminution ution des es b tière ère lo saires pour combler ces besoins. Egalement, la question de l’habitat individuel diffus reste entière

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BESANÇON

IMPACTS SUR LES CONSOMMATIONS ET LE CONFORT DES BÂTIMENTS S *

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Infrarouges

Rayonnement emen solaire

ALBEDO

L’albédo moyen du globe terrestre est de 0.28 (0.34 pour les continents et 0.26 pour les océans).

Changer l’albédo sur une grande échelle pourrait modifier la balance énergétique terrestre.

Selon Akbari, en utilisant des toits et des sols à fort pouvoir réfléchissant, on pourrait modifier l’albédo urbain de 0.1, ce qui aurait pour conséquence un forçage radiatif négatif de 0.044 W /m², équivalent à une réduction de 44 Gt d’émission de CO2.

L’albédo est, pour un matériau donné, une donnée physique qui exprime sa capacité de réflexion lumineuse. A une échelle spatiale supérieure, on peut définir l’albédo d’un toit, d’une ville ou de la Terre. L’albédo dépend alors de la forme du tissu urbain, des matériaux, de l’angle zénithal du soleil et se définit, comme pour un matériau, comme le ratio entre le flux reflété et le flux solaire incident. On parle alors d’albédo effectif.

Flux d’énergie et de rayonnement au-dessus d’une zone urbaine et d’une zone rurale [Les ICU, IAU 2010]

Infrarouges

Rayonnement solaire

On appelle émissivité le rapport du pouvoir émissif d’une surface, exprimée en W/m²) m ) au pouvoir d’un corps noir à la même température e = E/Eb (avec Eb représentant le pouvoir ouvoir émissif ém d’un corps noir à la même température, en W/m²). L’émissivité de la surface est fonction de la température et de la longueur d’onde. L’indice est exprimé entre 0 et 1.

L’émissivité exprime donc la capacité d’un matériau à rayonner la chaleur ur qu’il a emmagasiné. emmaga

Ciment 0.10 - 0.35

Goudron 0.05 - 0.20

Bitume et gravier 0.03 - 0.18

Tulles 0.10 - 0.35

Toit en tôle ondulée 0.10 - 0.15

Divers albédos de l’environnement urbain (source : http://www.espere.net )

Pelouse 0.25 - 0.30

Arbres 0.15 - 0.18

Peinture blanche 0.50 - 0.90

Peinture colorée 0.15 - 0.35

Toit très réflechissant 0.60 - 0.70

Briques / Pierre 0.20 - 0.40

"JOTJ MFT DPODFQUFVST POU VO SÙMF JNQPSUBOU Ë KPVFS EBOT MB MJNJUBUJPO EFT FGGFUT EV DIBOgement climatique et tous nos réflexes ou automatismes sont à revoir et à requestionner lorsqu’il s’agit de concevoir et de prescrire les revêtements de demain.

A ce titre le groupe Egis, à travers l’ensemble de ses filiales métiers participe à divers projets de recherche visant à définir les conditions d’augmentation et d’évaluation de l’albédo des routes, des façades et des toitures de la ville.

EX TR AI T

Pour un matériau, on appelle albédo (ou solar reflectance en anglais) le pourcentage de rayonnement (solaire dans ce cas) incident réfléchi. Cette valeur est dépendante de la longueur d’ondes du rayonnement incident. L’indice est exprimé entre 0 et 1.

Il exprime donc la capacité d’un matériau à réfléchir l’énergie incidente et donc à ne pas l’absorber et à ne pas chauffer.

FOCUS SUR LE COUPLE ALBÉDO/ÉMISSIVITÉ

63 Constats et enjeux urbains >> Confort microclimatique

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2011 Guide d’interaction énergie-climat, volume 1, enveloppes Guide d’interaction énergie-climat, volume 1, enveloppes, ISBN : 978-2-8760-2048-1, 134 pages, Novembre 2011. Ménard R., directeur de publication.

L’ambition de cet ouvrage consiste à proposer un outil de conception et de dimensionnement rapide d’une enveloppe, sans avoir recours à une simulation thermique-dynamique. Fondé sur la rapidité de calcul de l’outil ClimElioth développé depuis 2005, il propose des abaques de calculs énergétiques selon plusieurs scénarios programmatiques et ce, pour différents choix de parti d’enveloppe (fraction vitrée, isolation moyenne etc.) et de contrôle climatique (mise en œuvre ou non de ventilation naturelle, valorisation ou non de l’inertie constructive etc.).

| Ouvrages.

Ce guide constitue un outil d’aide à la décision sur les choix de partis d’enveloppe au regard des performances énergétiques, en phase amont des projets de bâtiment. Il s’adresse principalement aux concepteurs désireux d’orienter leur projet vers une démarche de sobriété énergétique et de conception responsable.

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2009 Naissances et renaissances de mille et un bonheur parisien Menard R., Introduction au développement durable (p134 à 139) et contributions dans le reste de l’ouvrage, Naissances et renaissances de mille et un bonheur parisien, J. Nouvel, JM Duthilleul et M Cantal-Dupart, Les éditions du Mont Boron, avril 2009, 638 pages.

Elaboré par l’équipe Jean Nouvel, Jean-Marie Duthilleul et Michel Cantal-Dupart dans le cadre de la consultation de 2008 pour le « Grand Pari(s) », j’ai participé à la rédaction de cet ouvrage et plus particulièrement contribué par les textes et quelques dessins à la section dévolue au développement durable.

Ai en particulier question dans ce texte : de l’intégration des énergies renouvelables en situation urbaine (le dessin d’un Parc de la Courneuve transformé en champs de culture énergétique : éolien, solaire thermique et stockage intersaisonnier, production de biomasse. Sont également évoqués : les stratégies développées permettant de réduire l’empreinte écologique de la métropole, préparer le « macro-urbain » au changement climatique, repenser la place de l’automobile.

2006 Collection

| Ouvrages.

Collection, publication issue du workshop « A la recherche d’éléments imaginaires de l’architecture » organisé par Encore Heureux. Metavilla, Pavillon de la France, 10ème exposition internationale d’architecture de Venise, Septembre 2006.

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Catalogues d’exposition.

| Catalogues d’exposition.

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2013 Matière grise Menard R., Le pic de l'architecture, pp161-168, extrait du catalogue « Matière Grise », Direction de l'ouvrage Encore Heureux, architectes, Edition et distribution exclusive, Pavillon de l’Arsenal, 2014 Cet article de huit pages, en français, a été commandé et rédigé dans le cadre de l’exposition « Matière Grise ». Il intègre le catalogue de l’exposition, édité par le Pavillon de l'Arsenal.

Bâti comme une collection de 24 paragraphes relativement indépendants les uns des autres, le « pic de l’architecture » attire l’attention sur la nécessité de revisiter le principe économique fondateur des concepteurs (payés sur une fraction des coûts de construction et non sur le temps passé à exercer leur matière grise), sur le besoin d’installer de nouveaux systèmes économiques (comme la création d’une fiscalité incitative, la taxe sur la matière ajoutée). L’article interroge finalement l’exercice même de l’architecture comme « art de la croissance » depuis ses origines qui nécessitera tôt ou tard une refondation eue égard la déplétion de toutes les ressources.

Commissaires : Encore Heureux architectes, Nicola Delon, Julien Chopin. Exposition présentée du 26 septembre 2014 au 4 janvier 2015.

« Consommer «plus de matière grise» pour consommer «moins de matières premières» est l’un des enjeux de cette manifestation qui convoque l’intelligence collective pour reconsidérer la matière de nos constructions. «Matière grise» interroge le matériau comme une stratégie. Partant du constat de la crise des matériaux et de l’ambition «Métropole Zéro Déchet», les architectes de l’agence Encore Heureux explorent la question du réemploi à un instant décisif où l’architecture aspire à se réinventer entre contraintes environnementales, économiques et nouveaux usages. Réemployer revient à considérer que les matières premières ne sont plus sous nos pieds ou à l’autre bout du monde mais dans nos villes, nos bâtiments, nos infrastructures. Cela revient aussi à considérer la matière présente non plus comme un déchet à évacuer le plus loin possible, mais comme un capital à valoriser et à préserver. Toute une chaîne de production et de savoir-faire doit donc être réinventée ou adaptée. L’exposition formule l’hypothèse que ce nouveau regard porté sur la matière génère et générera une nouvelle approche de l’architecture et de la construction. L’ingéniosité ne sera plus uniquement celle du dessin sur la page blanche mais la capacité et l’opportunité de faire avec ce qui est là.» […] «Matière grise» pose l’acte de construire comme une actualité susceptible de faire évoluer l’architecture, replace l’architecte au centre du cycle de la matière et interpelle tous les métiers du bâtiment : ingénieurs, contrôleurs techniques, industriels, assureurs, entreprises de construction, maîtres d’ouvrage privés et publics. Et si construire passait d’abord par le réemploi des matériaux qui existent en leur trouvant une seconde vie ? »

| Catalogues d’exposition.

Extrait du communiqué de presse du Pavillon de l’Arsenal :

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MATIÈRE ET ÉNERGIE

n 7M PE HYV«I HI ZMI QS]IRRI HI GLEUYI TVSHYMX GMVGYPERX HERW PŠ«GSRSQMI LYQEMRI pouvait être multipliée par deux, si l’on pouvait recycler deux fois plus de matériaux, si on avait besoin de mobiliser moitié moins de matière pour fabriquer un produit, on TSYVVEMX HMZMWIV PI ƫY\ HI QEXMªVI TEV LYMX }:SMGM PŠYRI HIW RSQFVIYWIW VIGSQQERHEXMSRW JSVQYP«IW MP ] E TPYW HI UYEVERXI ERW TEV PI JEQIY\ n VETTSVX 1IEdows ». Ce cercle vertueux de la matière aiderait aussi RSXVI WSFVM«X« «RIVK«XMUYI )R IJJIX PE n QMWI IR SVHVI } HIW QEX«VMEY\ ZIVW YR «XEX ƪREP n ETXI ¢ YR certain usage », réclame une somme de transformaRaphaël Ménard tions ; et chaque étape implique consommation d’énerArchitecte et ingénieur KMI IX TVSHYGXMSR HŠI\XIVREPMX«W IRZMVSRRIQIRXEPIWc émissions de gaz à effet de serre, consommation d’eau, TSPPYXMSRW HMZIVWIWŨ -P ] E YRI VIPEXMSR WSYW NEGIRXI IRXVI PE QEXMªVI GSRWXVYGXMZI IX PŠ«RIVKMIc PIW XVERWJSVQEXMSRW GLMQMUYIW TEV I\IQTPI TSYV ƪPXVIV YR QMRIVEM PE GYMWWSR TSYV I\XVEMVI PE GLEY\ EZERX HI JEMVI HY GMQIRX PŠ«RIVKMI Q«GERMUYI TSYV YR GSRGEWWEKI HI VSGLIW EZERX WSR MRGPYWMSR HERW YR F«XSR IXG

LE PIC DE L’ARCHITECTURE

ÉNERGIE GRISE (OU ÉNERGIE INCORPORÉE)

2SYW GSRWSQQSRW HSRG YRI «RIVKMI QSMRW TEPTEFPI UYI GIPPI HI RSW YWEKIWc PŠEQSVXMWWIQIRX HI PE HIXXI «RIVK«XMUYI HI PŠ«HMƪGEXMSR ŝcUYI RSYW RSQQSRW n «RIVKMI KVMWI » en rappel de la couleur des matériaux de construction.

Préférons cependant le terme d’énergie incorporée, qui correspond à la traduction d’IQFSHMIH IRIVK] IX V«ZªPI HEZERXEKI PŠMH«I HŠn «RIVKMI HERW PI GSVTW } HŠYR «XEX cristallisé et irréversible de l’énergie au sein de la matière. Une mémoire en quelque sorte des transformations subies par la matière.

Du fait de la mondialisation, une fraction importante des chaînes de transformation se situe hors de nos territoires. Les transferts d’énergie incorporée se lisent alors davantage dans nos volumes de marchandises et de matières importées que dans le décompte de notre consommation énergétique nationale.

-P IWX HSQQEKI UYI RSYW RI TYMWWMSRW ZMWYEPMWIV PE K«SKVETLMI HI WIW XVERWJIVXWc dès le XIXecWMªGPI 'LEVPIW .SWITL 1MREVH VITV«WIRXEMX TSYVXERX H«N¢ HI RSQFVIY\ ƫY\ IR QEVMERX EZIG K«RMI GEVXSKVETLMIW IX HMEKVEQQIW HI 7EROI] PE PEVKIYV HI PE ƫªGLI I\TVMQERX PŠMQTSVXERGI HY ƫY\

PIERRE ET PAUL

%YNSYVHŠLYM GSQQIRX VITªVI X SR YR F¤XMQIRX n HYVEFPI } # 3R WGVYXI HŠEFSVH WE TIVformance énergétique… en omettant l’ensemble des externalités engendrées par l’acte même de construction 1EMW UYIP IWX V«IPPIQIRX PI WYVGS½X «GSPSKMUYI PM« ¢ PE complexité constructive permettant EcTVMSVM PŠIJƪGEGMX« IR YWEKI # Dans l’industrie automobile, une voiture hybride est certes plus sobre à l’usage, mais mesure-t-on l’impact d’une plus grande complexité constructive ? C’est invisible pour PI GSRHYGXIYV QEMW PI GSRWXVYGXIYV EYXSQSFMPI IX WE GEWGEHI HI WSYW XVEMXERXW ZSMX sans doute, lui, sa facture énergétique augmenter.

En architecture, les concepteurs sont volontiers friands des derniers vitrages ultrasoTLMWXMUY«W SY HIW XIGLRSPSKMIW HŠIRZIPSTTI ZIRHERX YRI IJƪGEGMX« VIHSYXEFPI HMKRI de l’anorak que portait Jean-Louis Étienne pour une expédition polaire5.

(ERW PI GEW HŠYR F¤XMQIRX I\XV¬QIQIRX TIVJSVQERX WM PŠSR RI TV¬XI TEW EXXIRXMSR ¢ WE n WYVGSRWXVYGXMSR », cela peut assurément conduire à un bilan global négatif.

0I VMWUYIc GLIVGLIV ¢ XVST H«WLEFMPPIV 4MIVVI 9WEKI TSYV ƪREPIQIRX WYVZ¬XMV 4EYP 'SRWXVYMXŨ %ZIG YRI HIXXI GIVXEMRIc PI F¤XMQIRX TPYW TIVJSVQERX TIYX JEMVI TE]IV d’emblée sa vertu.

PLUS DE MATIÈRE GRISE

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ORDRES DE GRANDEUR

4SYV UYERXMĆŞIV GIX IRNIY UYIPUYIW ZEPIYVWc IRZMVSR cO;L HĹ ÂŤRIVKMI TVMQEMVI TEV QÂŞXVI GEVVÂŤ TSYV YR PSKIQIRX MRHMZMHYIP ¢c cO;L TSYV YR MQQIYFPI HI FYVIEY\ IX HI PĹ SVHVI HI ¢ cO;L TSYV YRI XSYV7 *EGI ¢ PĹ SFNIGXMJ HĹ YRI GSRWSQQEXMSR ERRYIPPI VÂŤKPIQIRXEMVI HI PĹ SVHVI HI cO;L SR ZSMX UYI GIXXI n SVHSRRÂŤI ¢ PĹ SVMKMRI GSRWXVYGXMZI } TIYX VITVÂŤWIRXIV NYWUYŠ¢ YRI XVIRXEMRI HĹ ERRÂŤIW HĹ YWEKI . cO;L TEV QÂŞXVI GEVVÂŤ GSRWXVYMX GĹ IWX IRZMVSR cPMXVIW ÂŤUYMZEPIRXW TÂŤXVSPI )R France, si lâ&#x20AC;&#x2122;on considère que la somme des IQTVMWIW MRHMZMHYIPPIW HERW PI F¤XM IWX HI PĹ SVHVI HI cQt TEV MRHMZMHY IX UYI GIcTEVG est renouvelĂŠ environ tous les cinquante ERW GIPE VITVÂŤWIRXI cO;L TEV MRHMZMHY IX TEV ER WSMX TEW PSMR HI cPMXVIW HI GEVburant. Pour un foyer de quatre personnes, câ&#x20AC;&#x2122;est autant dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie que pour une voiture TEVGSYVERX cOMPSQÂŞXVIW .

ExprimĂŠ en consommation ĂŠnergĂŠtique indiviHYIPPI PĹ EQSVXMWWIQIRX EY WIRW GSQTXEFPI HI PĹ ÂŤRIVKMI MRGSVTSVÂŤI IWX EPSVW JSRGXMSRc Ĺ? HIW GS½XW ÂŤRIVKÂŤXMUYIW GSRWXVYGXMJW EWWSGMÂŤW ¢ PĹ ÂŤHMĆŞGEXMSR ¢ PE XVERWJSVQEXMSR IX au maintien en usage ; Ĺ? HI PE HYVÂŤI HĹ SFWSPIWGIRGI HY F¤XM IX HI WIW HMJJÂŤVIRXW GSQTSWERXW VIXIRSRW aussi que lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie incorporĂŠe en architecture, câ&#x20AC;&#x2122;est ĂŠgalement ce lien fondamental EY XIQTW ¢ PE TIVQERIRGI HI PE QEXMÂŞVI EY XVEZIVW HIW KÂŤRÂŤVEXMSRW ¢ GIXXI n TEXMRI } UYM GSRWXMXYI YRI GSQTSWERXI WYFWXERXMIPPI HI PĹ ÂŤQSXMSR WTEXMEPI Ĺ? IRĆŞR HI PĹ IQTVMWI HĹ YWEKI MRHMZMHYIPPI 'I HIVRMIV TSMRX IWX IWWIRXMIP GEV MP GSRHMXMSRRI YR MQEKMREMVI n )X WM PI PY\I GĹ ÂŤXEMX PĹ IWTEGI # } GPEQEMX YRI TYFPMGMXÂŤ MP ] E UYIPUYIW ERRÂŤIW 0I PY\I GĹ IWX WERW HSYXI FMIR TPYW PE UYEPMXÂŤ UYI PE UYERXMXÂŤ HĹ IWTEGI %XXIRXMSR HSRG ¢ GIXXI KÂŤRÂŤVSWMXÂŤ UYM GSRWMWXI ¢ ZSYPSMV SJJVMV XSYNSYVW TPYW HI WYVJEGI TSYV YR budget constant.

TROP MODERNES, LA DETTE DU HIGH-TECH

La ModernitĂŠ a souhaitĂŠ ĂŠpouser un mythe, la perfection de la machine. Lâ&#x20AC;&#x2122;architecture devait tendre vers la complexitĂŠ technique du paquebot, la rigueur millimĂŠtrique de lâ&#x20AC;&#x2122;automobile, la prĂŠcision clinique de lâ&#x20AC;&#x2122;avion.

Tout au long du XXecWMÂŞGPI GIXXI n KVERHI FMJYVGEXMSR } HERW RSXVI PMIR ¢ PE QEXMÂŞVI construite sâ&#x20AC;&#x2122;est aussi rĂŠvĂŠlĂŠe avec lâ&#x20AC;&#x2122;essor du high-tech. En parallèle, le monde industriel E HÂŤZIPSTTÂŤ HIW TVSGÂŤHÂŤW HI GSRWXVYGXMSR HI TPYW IR TPYW ÂŤPEFSVÂŤW ÂŤPSMKRERX PI F¤XMment des matières primaires. 1EXMÂŞVIW TVMQEMVIW QEXMÂŞVIW ĆŞREPIW GSRWXVYMXIWc HIY\ continents Ă la dĂŠrive lâ&#x20AC;&#x2122;un de lâ&#x20AC;&#x2122;autre.

Chez certains architectes et ingĂŠnieurs, la quĂŞte absolue de la lĂŠgèretĂŠ sâ&#x20AC;&#x2122;opère parfois EY TVM\ HĹ YR GS½X ÂŤGSPSKMUYI ÂŤPIZÂŤ HIW QEXÂŤVMEY\ YXMPMWÂŤWc ÂŤRIVKMI KVMWI GSRWMHÂŤVEFPI de lâ&#x20AC;&#x2122;acier inoxydable, aluminium Ă très haute limite ĂŠlastiqueâ&#x20AC;Ś Lâ&#x20AC;&#x2122;impact ĂŠcologique HI PE QEXMÂŞVI TIYX WI HÂŤGSQTSWIV ¢ PE JSMW IR UYERXMXÂŤ UYĹ IPPI WSMX QEWWI SY ZSPYQI IX IR GS½X YRMXEMVI 1EMW WM PE TIVXI HI UYERXMXÂŤ RI GSQTIRWI TEW PĹ MQTEGX MRXVMRWÂŞUYI plus ĂŠlevĂŠ, la planète nâ&#x20AC;&#x2122;a rien gagnĂŠ... On trouve lĂ un deuxième faux ami conceptuel.

BIM ET BAM

_  Carte des exportations françaises de vins par la mer.

Une reprĂŠsentation graphique WTEXMEPI HĹ ÂŤGLERKIW HI ĆŤY\ HI QEXMÂŞVI } )\XVEMXI HI Charles-Joseph Minard, (IW XEFPIEY\ KVETLMUYIW IX HIW GEVXIW ĆŞKYVEXMZIW 1845-1869.

:S]SRW HÂŤN¢ GSQQIRX PIW GSRGITXIYVW SRX KPSFEPIQIRX ÂŤGLSYÂŤ ¢ WI JSVKIV YR VIXSYV dâ&#x20AC;&#x2122;expĂŠrience, une intuition de la performance dâ&#x20AC;&#x2122;usage. La complexitĂŠ des modèles dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvaluation et de simulation GSRĆŞÂŤW ¢ HIW MRKÂŤRMIYVW HÂŤHMÂŤW E HÂŤN¢ IRKIRHVÂŤ YRI n QMWI ¢ HMWXERGI } TSYV NEYKIV HI PE TIVXMRIRGI IRZMVSRRIQIRXEPI HY GSYT HI GVE]SR %YWWM PĹ IWWSV HI PE QEUYIXXI RYQÂŤVMUYI RI TEVXMGMTI X MP TEW ¢ EKKVEZIV GIXXI QMWI ¢ HMWXERGI EZIG PE QEXMÂŞVI GSRGVÂŞXI # 0Ĺ MPPYWMSR HI TIVJIGXMSR RYQÂŤVMUYI HY &-1 omet WSR HSYFPI VÂŤIP HI PE n QEXMÂŞVI PMZVÂŤI }c PIW HÂŤGLIXW IR EQSRX HI PE GSQQERHI ĆŞREPI 2SYW EXXIRHSRW EZIG MQTEXMIRGI PĹ ÂŤQIVKIRGI HY &%1 , la maquette numĂŠrique HIW HÂŤGLIXW TVSFEFPIW IRKIRHVÂŤW TEV PI TVSNIX 4SYV PĹ MRHYWXVMI EYXSQSFMPI 1G2IMPP VETTIPEMX UYĹ IR PE TVSHYGXMSR HĹ YRI ZSMXYVI IRKIRHVEMX cXSRRIW HI HÂŤGLIXW .

l &MFPMSXLÂŞUYI HI PĹ Â&#x2039;GSPI REXMSREPI HIW TSRXW IX GLEYWWÂŤIW

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CONCEVOIR

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SAINTE INTUITION

4SYV I\TVMQIV PI TVSNIX EVGLMXIGXYVEP IR HMWWSGMERX PIW TMÂŞGIW KVETLMUYIW HIW TMÂŞGIW ÂŤGVMXIW PIW GSRGITXIYVW EZEMIRX HÂŤN¢ EFWXVEMXMWÂŤ PI VETTSVX ¢ PE QEXMÂŞVI GSRWXVYMXI 'SQQIRX GSQTVIRHVI IJĆŞGEGIQIRX PE QEXÂŤVMEPMXÂŤ HI PE QMWI IR Ä&#x201D;YZVI IRXVI YR HIWWMR TIY PÂŤKIRHÂŤ HĹ YR GÂśXÂŤ IX HI PĹ EYXVI YR XI\XI HIZIRY WSYZIRX YR GSTMÂŤ GSPPÂŤ NYVMHMGS technique ? +EVHI ¢ GI UYI PĹ ENSYX HĹ YRI GSYGLI EREP]XMUYI GSQTPÂŤQIRXEMVI TSYV ÂŤPEFSVIV YRI ETTVSGLI KPSFEPI XIPPI YRI EREP]WI HI G]GPI HI ZMI XSXEPMWERXI HY TVSNIX RI GSRXVMFYI IRGSVI ¢ XVERWJSVQIV PI TVSNIX IR YR SFNIX XIGLRSGVEXMUYI IX ZMVXYIP 4SYV PMQMXIV PIW contresens de conception et les faux amis conceptuels, restaurons en premier lieu lâ&#x20AC;&#x2122;intuition de la matière, celle dĂŠdiĂŠe Ă lâ&#x20AC;&#x2122;habitĂŠ. Les concepteurs risquent de perdre FIEYGSYT HI XIQTW ¢ EREP]WIV PI G]GPI HI ZMI EPSVW UYI PI FSR WIRW HSMX NYKIV de la mutabilitĂŠ potentielle.

MATIĂ&#x2C6;RES SOLAIRES

0IW GSRGITXIYVW HSMZIRX VÂŤETTVIRHVI ¢ F¤XMV EZIG PIW QEXMÂŞVIW VIRSYZIPEFPIW IX WERW GIWWI VIRSYZIPÂŤIWc PE FMSQEWWI WSYW WIW HMJJÂŤVIRXIW JSVQIW IX IR TVIQMIV PMIY PI FSMW Toutefois, cette matière pousse lentementâ&#x20AC;Ś et la matière renouvelable ne saura tout VÂŤWSYHVI (Y JEMX HĹ YR VIRHIQIRX HI GSRZIVWMSR FMIR MRJÂŤVMIYV ¢ HY KMWIQIRX WSPEMVI PE GSRWXVYGXMSR IR FSMW VÂŤGPEQI WSR n FEWWMR ZIVWERX GSRWXVYGXMJ }c EY QSMRW HM\ JSMW TPYW MQTSVXERX UYI PE WYVJEGI EY WSP HY F¤XM -P IWX HSRG EFWSPYQIRX RÂŤGIWWEMVI HI n JEMVI XSYVRIV } PIW ÂŤPÂŤQIRXW HI QEXMÂŞVI HERW PIW ZMIW WYGGIWWMZIW HY TEXVMQSMRI F¤XM 1EMW PĹ EVGLMXIGXYVI HSMX QEWWMZIQIRX WI VÂŤETTVSTVMIV PIW ZIVXYW HI PE QEXMÂŞVI qui pousse.

PLAN B ET RĂ&#x2030;EMPLOI

Faire circuler la matière. Mais quel futur Ă nos programmes neufs devenus des bĂŞtes de course programmatiques ? Dans la logique dâ&#x20AC;&#x2122;une inĂŠvitable optimisation technicoĂŠconomique, nous avons produit des monstres typologiques, incapables de devenir autre chose quâ&#x20AC;&#x2122;eux-mĂŞmes.

(ERW PĹ EVXMGPI n 1YXEXMSRWcHIW TVSKVEQQIW Âť, ĂŠtait testĂŠe lâ&#x20AC;&#x2122;hypothèse dâ&#x20AC;&#x2122;une mise ¢ NSYV HI TVEXMUYI VÂŤKPIQIRXEMVIc PSVW HY HÂŤTÂśX HY TIVQMW HI GSRWXVYMVI TSYVUYSM RI TEW HIQERHIV EY GSRGITXIYV IX ¢ WSR QE°XVI HĹ SYZVEKI HI TVSTSWIV YR TPERc& # 'IXXI obligation de la mutabilitĂŠ potentielle interrogerait Ă rebours spatialitĂŠ et matĂŠrialitĂŠ du TVSNIX De la capacitĂŠ dâ&#x20AC;&#x2122;un amoncellement savant de matières Ă ĂŞtre pluriel dans le temps.

Il sâ&#x20AC;&#x2122;agirait tout simplement de proposer une faisabilitĂŠ pour une autre destination proKVEQQEXMUYIc GSQQIRX HIW FYVIEY\ TIYZIRX HIZIRMV PSGEY\ HĹ IRWIMKRIQIRX GSQQIRX YR LÂśTMXEP TIYX WI QYIV IR PSKIQIRXW 0E ZMPPI WI GSRWXMXYIVEMX HI n WUYIPIXXIW GETEFPIW } ETXIW ¢ ÂŤZSPYIV HERW PI XIQTW HI PĹ YVFEMRc GIPE VINSMRX PĹ YRI HIW L]TSXLÂŞWIW JSRHEXVMGIW des ISU .

VERS UNE ARCHITECTURE OULIPIENNE

4SYV WĹ EXXIPIV IX WI TVÂŤTEVIV ¢ GIX LSVM^SR VMIR HI XIP UYĹ YR NIY TVSNIX =ZIW 'SGLIX ERRSRŠEMX UYŠ¢ cHSPPEVW PI FEVMP HI TÂŤXVSPI MP RĹ ] EYVEMX GIVXEMRIQIRX TPYW HĹ EZMEXMSR GMZMPI 4PYW HI GSRWXVYGXMSR RIYZI EYWWM ¢ cIYVSW PI QÂŞXVI GYFI HI FÂŤXSR # 7ERW HSYXI TEW GEV PI KVSW Ä&#x201D;YZVI RI VITVÂŤWIRXI UYĹ IRZMVSR PI XMIVW HY GS½X HI PE GSRWXVYGXMSR 1EMW MP IWX GIVXEMR UYĹ IR EQSRX PI FEVMP ¢ cHSPPEVW QIXXVEMX YR WÂŤVMIY\ GSYT HI frein au XETMW VSYPERX HI PĹ MRHYWXVMI MQQSFMPMÂŞVIŨ 9R TIY HI TSPMXMUYI ĆŞGXMSRc MQEKMRSRW UYI PI KSYZIVRIQIRX IYVSTÂŤIR ait mis IR TPEGI PE 81% YRI XE\I WYV PE QEXMÂŞVI ENSYXÂŤI 'IXXI ĆŞWGEPMXÂŤ MRGMXEXMZI IX MRRSZERXI MRZMXI PĹ IRWIQFPI HIW EGXIYVW HI PE GLE°RI EY VÂŤIQTPSM IX SY ¢ PĹ YWEKI HI QEXMÂŞVIW renouvelables issues de la transformation solaire, Ă lâ&#x20AC;&#x2122;instar, par exemple, des mĂŠcanismes de bonus-malus existant pour lâ&#x20AC;&#x2122;achat de vĂŠhicules neufs.

Sur la totalitĂŠ de la chaĂŽne, chaque acteur est alors vertueusement incitĂŠ Ă rĂŠduire EY QE\MQYQ PĹ ENSYX HI QEXMÂŞVIW RIYZIW RSR VIRSYZIPEFPIW 0IW EVGLMXIGXIW WSRX VEZMWc GIPE JSRHI YR RSYZIEY VIWWSVX HI GVÂŤEXMZMXÂŤ TSYV ÂŤPEFSVIV HIW WGÂŤREVMSW HI XVENIGXSMVIW ZIVXYIYWIW IRXVI EGXIYVW 0IYV VÂśPI GSPPIGXMJ IWX ÂŤKEPIQIRX VIJSRHÂŤc MPW HIZMIRRIRX littĂŠralement les architectes du mĂŠtabolisme de la matière construite. Georges Perec a KÂŤRÂŤVÂŤ YRI PMXXÂŤVEXYVI WERW PE ZS]IPPI n I Âť et lâ&#x20AC;&#x2122;OuLiPo a dĂŠmontrĂŠ que la contrainte ÂŤXEMX ĆŞREPIQIRX YRI WTPIRHMHI STTSVXYRMXÂŤ GVÂŤEXMZIŨ

PLUS DE MATIĂ&#x2C6;RE GRISE

163

95/188

DES ARCHITECTURES TROP PRÉPARÉES

1EYZEMWI RSYZIPPI TSYV PIW QEX«VMEY\ RSYW RŠIR WSQQIW TEW XSYX ¢ JEMX P¢ %YNSYVHŠLYM l’architecte choisit et rédige une commande qui appelle en amont plein de matières.

Tel un chef cuistot, il convoque soit des matières primaires (bois, minéraux disponibles WYV WMXI WSMX HIW QEXMªVIW H«N¢ XVERWJSVQ«IW IX SY GSQTSWMXIW ZIVVIW Q«XEY\ F«XSR WSMX IRGSVI HIW JVEKQIRXW HŠEVGLMXIGXYVIW H«N¢ GSRWXMXY«IW (un élément de JE©EHI GEHVI YRI GPSMWSR «UYMT«I Comme pour les arts culinaires, une fraction de la production architecturale contemTSVEMRI WŠIWX JEMX IQTSVXIV TEV PI GSYVERXc SR GYMWMRI SR GSRWXVYMX EYNSYVHŠLYM HEZERXEKI ¢ TEVXMV HŠ«P«QIRXW TV«TEV«W ZSMVI n TV¬XW ¢ PŠIQTPSM } 0ŠSTXMQMWEXMSR KPSFEPI HIW TVScessus technico-industriels a entraîné des choix de conception très en aval des chaînes de transformation de la matière.

La plupart des revues contemporaines d’architecture présentent d’ailleurs souvent PIW KVERHIW RSYZIEYX«W MRHYWXVMIPPIW HI RSW TPEXW EVGLMXIGXYVEY\ H«N¢ GYMWMR«Wc PE HIVnière maille à oxyde de titane miroitante pour des effets visuels remarquables en bardage, le dernier triple vitrage à cristaux liquides, la nouvelle céramique à ultrahautes performances avec inclusion de matériaux à changement de phase…

TOP CHEF

Des produits et des processus de plus en plus élaborés au service d’une architecture XSYNSYVW TPYW «GPEXERXI HI RSYZIEYX« HI WYVTVMWI IX HI WMRKYPEVMX« 7I JEMVI VIQEVUYIV pour conserver les étoiles de son établissement.

(ERW PŠYRMZIVW HI PE WERX« EƪR HI RI TEW ¬XVI IR TVMWI EZIG PE TYMWWERGI HI JVETTI de l’industrie pharmaceutique, les médecins ont leur revue, Prescrire . Elle est indéTIRHERXI IX EYXSƪRERG«I TEV WIW EFSRR«W WERW VIZIRYW TYFPMGMXEMVIW RM WYFZIRXMSRW 4SYV VIXVSYZIV PŠMRH«TIRHERGI XSYX TVSNIX HIZVEMX «XEFPMV PI H«XEMP ZMWYIP HI PŠSVMKMRI HI GIW QEXMªVIW GSRWXMXYXMZIW IR X¤GLERX HŠI\TVMQIV WTEXMEPIQIRX PŠSVMKMRI HI WIW constituants. 0ŠEVGLMXIGXYVI HIZVE X¶X SY XEVH HIZIRMV YRI WGMIRGI IX YR EVX HIW Q«XEFSPMWQIW

L’ARCHITECTE, CE GRAND GEEK

0I TVSNIX EVGLMXIGXYVEP IWX ŝc¢ WSR XIVQIcŝ YR GSHI YR TVSKVEQQI HŠI\«GYXMSR Par son travail de compréhension du contexte et par sa créativité, l’architecte crée HI PŠMRJSVQEXMSRc MP GSHI PI TVSKVEQQI HI PŠ«HMƪGEXMSR SY HI PE XVERWJSVQEXMSR HY F¤XM IX du paysage.

'IXXI EGXMZMX« V«GPEQI YR TIY HŠ«RIVKMI IR IRXV«I 'ŠIWX PI TVIQMIV n XETMW VSYPERX }c de la matière alimentaire pour nourrir le ventre de l’architecte, de l’électricité pour son ordinateur, du papier, des crayons et quelques déplacements…

(ERW YR HIY\MªQI XIQTW PI TVSKVEQQI HI GSRGITXMSR WŠI\«GYXI HERW PŠ«HMƪGEXMSR Comme le compositeur musical, l’architecte contrôle et organise la réalisation par PŠSVGLIWXVI GSRWXVYGXMJ %PSVW UYI PI TVSNIX TEWWI HY ZMVXYIP EY V«IP MP V«GPEQI VIWWSYVGIW et énergie pour sa concrétisation. L’architecture est livrée, sa gestation est terminée.

Lors de la prochaine étape, le XETMW VSYPERX HI PŠLEFMXERX PŠEVGLMXIGXYVI ZMX IX n JEMX LEFMXIV } en réclamant ressources et énergie pour assurer bien-être et protection et favoriser NSMI IX «TERSYMWWIQIRX

LE FORDISME INVISIBLE DE L’ART DE BÂTIR

Selon le modèle économique actuel, un architecte livre en moyenne près d’un millier de mètres carrés par an, soit un mètre carré toutes les deux heures. Prenons l’hypothèse HŠYRI EGXMZMX« HI cIYVSW TEV EVGLMXIGXI IX TEV ER 'SQQIRX GV«I X MP QENSVMXEMVIment ce revenu ?

Quelques indemnités de concours perdus, une pincée d’études sans suite construcXMZIŨ QEMW XVªW QENSVMXEMVIQIRX HIW VIZIRYW EWWSGM«W ¢ YR TVSGIWWYW GSRHYMWERX ¢ PŠEGXI HI GSRWXVYGXMSR 6MWUYSRW EPSVW YR GLMJJVIc IR QS]IRRI HY QSRXERX HIW XVEZEY\ Dès lors, notre architecte a ainsi contrôlé environ vingt fois ses honoraires, soit un million d’euros, soit un petit millier de mètres carrés.

9R QªXVI GEVV« TªWI IRZMVSR YRI XSRRIc KVSW ĔYZVI IRZIPSTTI JSRHEXMSRW «UYMTIQIRX IX ƪRMXMSRW 0ŠEVGLMXIGXI GSRXV¶PI IRZMVSR cOMPSW TEV LIYVI 'IXXI HIQM XSRRI MP TIYX choisir de la rendre plus légère ; ces matières peuvent aussi être d’origine locale, issues pour partie de la photosynthèse et rentrer dans un cercle vertueux de réutilisation des QEX«VMEY\ 0ŠEVGLMXIGXI GSRXV¶PI YR ƫY\ MQTSVXERX HI PE XVERWJSVQEXMSR HY QSRHI

164

CONCEVOIR

96/188

ScĂŠnario 4 1SYIXXI 'LERHVSR IWX YRI EKIRGI importante, intervenant dans le domaine du PY\I )PPI IWX GSQTSWÂŤI HI EVGLMXIGXIW UYM VÂŤEPMWI IYVSW HI GLMJJVIW HĹ EJJEMVIW HSRX IYVSW IR WSYW XVEMXERGI 'LEUYI GSPPEFSVEXIYV KÂŤRÂŞVI IRZMVSR IYVSW de production propre.

ScĂŠnario 1 % & IWX YRI NIYRI EKIRGI HĹ EVGLMXIGXYVI GSQTSWÂŤI HI EWWSGMÂŤW UYM VÂŤEPMWIRX IRZMVSR IYVSW HI GLMJJVI HĹ EJJEMVIW HSRX euros en sous-traitance. Chaque associĂŠ KÂŤRÂŞVI IRZMVSR IYVSW HI TVSHYGXMSR TVSTVI % IX & XVEZEMPPIRX IRZMVSR LIYVIW TEV NSYV WYV NSYVW XVEZEMPPÂŤW

7GÂŤREVMS

7GÂŤREVMS

ScĂŠnarMS

7GÂŤREVMS

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

ActivitĂŠ par architecte (production propre)

Ć&#x20AC; ER

Taux honoraires moyen

Ć&#x20AC; Q construit

Part de lâ&#x20AC;&#x2122;activitĂŠ conduisant Ă la construction effective

ratio

Temps de travail moyen de lâ&#x20AC;&#x2122;architecture

heures par an

Part du temps de travail consacrĂŠ au projet

ratio

CoĂťt moyen construction

Ć&#x20AC; Q livrĂŠs

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Poids surfacique des m2 livrĂŠs

OK Q

Ă&#x2030;nergie incorporĂŠe construction

O;L Q construit

Consommation ĂŠnergĂŠtique totale en usage

O;L Q par an

DurĂŠe de vie prĂŠvisionnelle avant rĂŠhab/dĂŠmolition

annĂŠes

Ć&#x2018; 'S½X HI PĹ EVGLMXIGXYVI ¢ PE PMZVEMWSR

LSRSVEMVIW Q livrĂŠs

Ć&#x2018;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x2018; 'S½X HI PĹ EVGLMXIGXYVI WYV HYVÂŤI HI ZMI

Ć&#x20AC; Q .an

Ć&#x2018;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x20AC;

Ć&#x2018; *PY\ GSRWXVYGXMSR PMZVÂŤI TEV ER

kâ&#x201A;Ź de travaux livrĂŠs par an

Ć&#x2018;

Ć&#x2018; *PY\ HI WYVJEGI PMZVÂŤI TEV ER

m livrĂŠs par an

Ć&#x2018;

Ć&#x2018; (ÂŤFMX HI WYVJEGI PMZVÂŤI (par heure consacrĂŠe au projet)

m livrĂŠs par heure

Ć&#x2018;

Ć&#x2018; (ÂŤFMX QEWWMUYI (par heure consacrĂŠe au projet)

kg livrĂŠs par heure

Ć&#x2018;

Ć&#x2018; 'SRWSQQEXMSR GSRXVÂśPÂŤI PSVWUYI lâ&#x20AC;&#x2122;architecte se consacre au projet)

litres pĂŠtrole par heure

Ć&#x2018;

2SXE PE ĆŤÂŞGLI Ć&#x2018; mentionne un rĂŠsultat de calcul

DĂ&#x2030;TAIL DES TAPIS ROULANTS

0I XEFPIEY GM HIWWYW I\EQMRI UYEXVI WMXYEXMSRW HĹ EGXMZMXÂŤ TSYV UYEXVI EKIRGIW dâ&#x20AC;&#x2122;architecture distinctes. Ces scĂŠnarios ont permis dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠtablir les quelques rĂŠsultats HY n XETMW VSYPERX } 0Ĺ EGXMZMXÂŤ GSVVIWTSRH ¢ PE TVSHYGXMSR TVSTVI 0I XEY\ HĹ LSRSVEMVIW W]RXLÂŤXMWI PI TSYVGIRXEKI QS]IR WYV PĹ IRWIQFPI HIW EGXMZMXÂŤW HI PĹ ERRÂŤI )RĆŞR PE TEVX HĹ EGXMZMXÂŤ GSRWXVYMXI TIVQIX HI UYERXMĆŞIV PE TEVX HIW GSRXVEXW HSRRERX IJJIGXMZIQIRX lieu Ă lâ&#x20AC;&#x2122;acte de construire.

COMBIEN PĂ&#x2C6;SE UN ARCHITECTE ?

Sur sa carrière, un architecte aura livrĂŠ près dâ&#x20AC;&#x2122;un million de fois son propre poids .

Cette grossière estimation nâ&#x20AC;&#x2122;inclut pas lâ&#x20AC;&#x2122;ensemble des dĂŠchets engendrĂŠs en amont HI GIW QEXMÂŞVIW ĆŞREPIW QEMW PI &%1 TIVQIXXVE ¢ XIVQI HI PI QIWYVIV

_ ScĂŠnarios et rĂŠcapitulatif non I\LEYWXMJ HIW ĆŤY\ GSRXVÂśPÂŤW par lâ&#x20AC;&#x2122;architecte. l 6ETLE­P 1ÂŤREVH

QUEL VOLUME PREND UN ARCHITECTE ?

9R EVGLMXIGXI EYVE PMZVÂŤ EY GSYVW HI WE GEVVMÂŞVI YR GYFI TPIMR HI cQÂŞXVIW HI GÂśXÂŤ . %ZIG PIW HÂŤGLIXW MP EYVE WERW HSYXI VÂŤTPMUYÂŤ PI ZSPYQI SGGYTÂŤ TEV WSR GSVTW IRZMVSR un demi-million de fois.

PLUS DE MATIĂ&#x2C6;RE GRISE

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QUELLE QUANTITĂ&#x2030; Dâ&#x20AC;&#x2122;Ă&#x2030;NERGIE ?

%Y GSYVW HI WIW GMRUYERXI ERRÂŤIW HI TVSNIXW PĹ EVGLMXIGXI EYVE IY YR TSYZSMV WYV PE VÂŤHYGXMSR TSXIRXMIPPI HI PE GSRWSQQEXMSR HĹ IRZMVSR cFEVMPW HI FVYX .

4EV ER PĹ EVGLMXIGXI QERMTYPI YR ĆŤY\ HI cQMPPMSRW HI O;L TIRHERX PIW cLIYVIW GSRWEGVÂŤIW EY\ TVSNIXW . Il est le machiniste dâ&#x20AC;&#x2122;une centrale virtuelle, consommant cPMXVIW HI GEVFYVERX ¢ PĹ LIYVI IX HSRX MP HÂŤXMIRX PIW GPIJW TSYV STXMQMWIV PI VIRHIQIRX %Y QÂŹQI MRWXERX MP E FIWSMR HI c; HĹ ETTSVXW QÂŤXEFSPMUYIW IX HĹ YR TIY HĹ ÂŤRIVKMI KVMWI TSYV TVSNIXIV 0Ĺ EVGLMXIGXI IWX YRI QEGLMRI ÂŤRIVKÂŤXMUYI LEPPYGMRERXIc MP GSRXVÂśPI cJSMW WIW TVSTVIW FIWSMRW 'SQTEVÂŤ EY\ FIWSMRW QS]IRW HĹ YR 8IVVMIR en ce dĂŠbut de XXIecWMÂŞGPI PĹ EVGLMXIGXI IWX KVERH ÂŤPIGXIYV EY WYJJVEKI GIRWMXEMVI HI PĹ ÂŤGSPSKMIc un vote UYM ZEYX cZSM\ HI GMXS]IRW HI RSXVI Spaceship Earth !

SUPPĂ&#x201D;TS DU SYSTĂ&#x2C6;ME ?

Comment limiter la force de ce levier ? Comment faire pour quâ&#x20AC;&#x2122;il actionne les transformations WSYXIREFPIWcHY QSRHI # 1EMW PI ZIV RI WIVEMX MP TEW HERW PI JVYMX # %VGLMXIGXIW MRKÂŤRMIYVW GSRGITXIYVWc XSYW VÂŤQYRÂŤVÂŤW TEV YRI H°QI TSRGXMSRRÂŤI WYV PI ĆŤY\ HI GSRWXVYGXMSR TEV YR TSYVGIRXEKI GETXÂŤ WYV PIW RSVMEW HI XSYTMIW ¢ FÂŤXSR par une quote-part sur les mètres carrĂŠs livrĂŠs. Comment trouver dès lors la libertĂŠ de TSYZSMV n HMVI RSR } TSYV GSRWXVYMVI QSMRW Ĺ?cZSMVI RI TEW GSRWXVYMVI HY XSYXcĹ? PSVWUYI notre conscience nous susurre lâ&#x20AC;&#x2122;inutilitĂŠ de la programmation ?

4EV GI TVMRGMTI HI VÂŤQYRÂŤVEXMSR Ĺ?cGSRWMWXERX ¢ GETXIV UYIPUYIW TSYV GIRX HY GS½X HI GSRWXVYGXMSRcĹ? PIW GSRGITXIYVW WSRX VÂŤQYRÂŤVÂŤW W]QFSPMUYIQIRX GSQQI HIW ETTSVXIYVW HĹ EJJEMVIWc YRI QSXMZEXMSR PEVKIQIRX WYJĆŞWERXI TSYV VIZSMV HI JSRH IR comble notre modèle ĂŠconomique.

Le paysage construit de nos villes et de nos territoires devrait pourtant davantage ETTEVIRXIV PĹ EVGLMXIGXI ¢ YR QÂŤHIGMR IX MRGMXIV ¢ TVÂŤJÂŤVIV n GSRWYPXIV YR TVSNIX } IX ¢ n WSMKRIV YR UYEVXMIV } EZIG HIW LSRSVEMVIW HEZERXEKI EWWSGMÂŤW ¢ PE TVIWXEXMSR MRXIPlectuelle quâ&#x20AC;&#x2122;Ă lâ&#x20AC;&#x2122;horizon du volume de matières transformĂŠes.

PAS DE LIMITES Ă&#x20AC; LA CROISSANCE

Mais les forces ĂŠconomiques en prĂŠsence incitent implicitement Ă favoriser lâ&#x20AC;&#x2122;obsolesGIRGI TVSKVEQQÂŤI HY TEVG F¤XM DĂŠtruire-reconstruire ou EVXMĆŞGMEPMWIV F¤XMV sont Ă PĹ Ä&#x201D;YZVI TSYV KEVERXMV PI ĆŤY\ WYJĆŞWERX HI RSW GVSMWWERGIW ¢ XSYXIW ÂŤGLIPPIW GIPPI HI mon agence, celle de mon entreprise de construction, la performance de mes actifs immobiliers, la croissance de notre ĂŠconomie nationale, notre participation au dĂŠvePSTTIQIRX QSRHMEP UYERH PIW ZSPYQIW ÂŤGSRSQMUYIW GETXÂŤW RI WSRX TEW PIW QMIXXIW de pain des concepteurs. La grande chaĂŽne de valeurs de lâ&#x20AC;&#x2122;immobilier est alors Ă PĹ Ä&#x201D;YZVI TSYV IRGSYVEKIV PIW XVEZEY\ EZIG RSYW PĹ EZSRW IRXVETIVŠY WE GSLSVXI dâ&#x20AC;&#x2122;externalitĂŠs ĂŠcologiques associĂŠes.

OBSOLESCENCES PROGRAMMĂ&#x2030;ES

%VGLMXIGXIW IX MRKÂŤRMIYVW WSRX TEVXMIW TVIRERXIW HI GIXXI FIPPI QÂŤGERMUYI Dans un contexte de tassement dĂŠmographique, il y a ĂŠvidemment une incitation implicite Ă lâ&#x20AC;&#x2122;obsolescence du parc pour assurer la commande de travauxâ&#x20AC;Ś Pour le maĂŽtre dâ&#x20AC;&#x2122;Ĺ&#x201C;uvre, ĂŞtre reconnu par ses pairs et ĂŞtre convenablement rĂŠmunĂŠrĂŠ WYTTSWIRX EYNSYVHĹ LYM HI PMZVIV FIEYGSYT HI WYVJEGIW 7MKRI UYM RI XVSQTI TEW PSVWUYI PIW EVGLMXIGXIW ÂŤGLERKIRX WYV PIYV EGXYEPMXÂŤ TVSJIWWMSRRIPPIc PĹ MRHMGI HI FSRRI WERXÂŤ ÂŤGSRSQMUYI WĹ I\TVMQI WYV PE XEMPPI IR QÂŞXVIW GEVVÂŤW HY TVSNIX UYĹ MPW ZMIRRIRX de gagner ou de celui sur lequel ils sont en train de travailler.

Ă&#x2030;CONOMIES ET IMAGINAIRES Ă&#x20AC; RĂ&#x2030;INVENTER

%MRWM PĹ ÂŤGSW]WXÂŞQI HIW GSRGITXIYVW WĹ IWX VETMHIQIRX EHETXÂŤ TSYV GEXEP]WIV PE GSRWSQQEXMSR MQQSFMPMÂŞVI 7ÂŤHYMVI MQEKMRIV IX TVSNIXIV PI QMVEKI HI PE GSQQERHI Ĺ?cPIW VIRHYW TLSXSVÂŤEPMWXIW HY GSRGSYVWcĹ? QEMW YRMUYIQIRX ¢ PĹ MRWXERX HI PE PMZVEMWSRŨ Un stigmate encore de professions dont le rythme IWX ĆŞREPIQIRX PI GSYVX XIVQI Les architectes en sont peu responsables du fait du modèle de leur mode de rĂŠmunĂŠVEXMSR %YGYRI VÂŤGYVVIRGI HĹ EGXMZMXÂŤ YRI JYMXI IR EZERX TIVTÂŤXYIPPI TSYV EPPIV GLIVGLIV HI PE GSQQERHIŨ %ĆŞR HI VIGVÂŤIV XSYXIW PIW MRHÂŤTIRHERGIW MRXIPPIGXYIPPIW IX PMFIVXÂŤW conceptuelles, il y a donc urgence Ă revisiter le modèle ĂŠconomique.

166

CONCEVOIR

98/188 Le pic de lâ&#x20AC;&#x2122;architecture

QMPPMEVHW HI Q

Surfaces F¤XMIW HERW le monde

QMPPMEVHW

Population mondiale

(MZIVWMĆŞGEtion charbon, pĂŠtrole, gaz

Exploitation du charbon

NĂŠolithique

Homo sapiens sapiens

DĂŠbut des grandes dĂŠplĂŠtions

(IW VIRHYW HI GSRGSYVW WMQYPERX PI TVSNIX ¢ c cERW ETVÂŞW WE PMZVEMWSR # -QEKMRIV PE TEXMRI Ĺ?cZSMVI PI HÂŤPEFVIQIRXcĹ? QEMW EYWWM PIW ÂŤZSPYXMSRW TSWWMFPIW HY F¤XMQIRX MRXIVTVÂŤXIV PIW WMKREY\ HI PĹ EZIRMV IX PE GETEGMXÂŤ UYI XVSYZIVE PI TVSNIX ¢ WĹ EHETXIV EY GLERgement climatique, par exemple.

CONCLUSION POUR RĂ&#x2030;EMPLOI Ă&#x2030;VENTUEL

2SYW EXXEUYSRW PI n WMÂŞGPI HIW TMGW }c IR TVIQMIV PMIY PI JEQIY\ peak oil (sur lequel RSYW RSYW XVSYZSRW TIYX ÂŹXVI HÂŤN¢ TYMW PIW TMGW WYMZERXW WYV PIW EYXVIW ÂŤRIVKMIW fossiles PIW TMGW HIW QEXMÂŞVIW IX HIW HMJJÂŤVIRXW QMRÂŤVEY\c PE HÂŤTPÂŤXMSR HY WEFPI IWX HÂŤN¢ IR VSYXI . Crises de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie et tensions sur les matières, lâ&#x20AC;&#x2122;architecture sera le point focal de ces profondes mutations Ă opĂŠrer. En parallèle, la population mondiale HIZVEMX EYWWM WI WXEFMPMWIV EY GSYVW HI GI WMÂŞGPI 0E ĆŞR HI PE GVSMWWERGI HÂŤQSKVETLMUYI conduira inĂŠluctablement Ă une stabilisation, voire Ă une dĂŠcroissance Ă terme du parc F¤XM QSRHMEP 2SYW XVEZIVWIVSRW TVSGLEMRIQIRX PI QE\MQYQ HIW WYVJEGIW F¤XMIW Lâ&#x20AC;&#x2122;architecture, art conquĂŠrant de la croissance, devra alors apprendre Ă devenir un art de la dĂŠcroissance ; transformations et renouvellements seront plus Ă lâ&#x20AC;&#x2122;Ĺ&#x201C;uvre que PĹ ÂŤHMĆŞGEXMSR RIYZI

EN RĂ&#x2030;SUMĂ&#x2030; :

_ ÂŤ Le pic de lâ&#x20AC;&#x2122;architecture Âť.

Diagramme reprĂŠsentant lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠvolution des surfaces bâties dans le monde par rapport Ă lâ&#x20AC;&#x2122;augmentation de la population mondiale. l 6ETLE­P 1ÂŤREVH

6IZSMV PI QSHI HI VÂŤQYRÂŤVEXMSR HI PĹ EVGLMXIGXI 'I HIVRMIV RĹ IWX TPYW VÂŤQYRÂŤVÂŤ IR fonction du montant des travaux mais selon lâ&#x20AC;&#x2122;effort de matière grise ayant encouragĂŠ la rĂŠduction dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie grise. *SRHIV YRI VIZYI XVEMXERX HĹ EVGLMXIGXYVI HĹ YVFERMWQI IX HĹ MRKÂŤRMIVMI MRHÂŤTIRHERXI des forces ĂŠconomiques participant au cycle global de la matière. En toute libertĂŠ, GIXXI VIZYI MRXIVVSKIVE XLÂŤSVMIW IX TVEXMUYIW EVGLMXIGXYVEPIW ¢ PĹ LIYVI HI PE n VEJEPI HIW TMGW }c TMG TÂŤXVSPMIV TMGW HIW QEXÂŤVMEY\ TMG HIW WYVJEGIW GSRWXVYMXIW %TTVÂŤLIRHIV PI TVSNIX HĹ EVGLMXIGXYVI TEV PI XIQTW EYXERX UYI TEV PĹ IWTEGI 4VSTSWIV des solutions constructives permettant dâ&#x20AC;&#x2122;augmenter la durĂŠe de vie, en encourageant les conceptions qui favorisent la pluralitĂŠ des mutations.

PLUS DE MATIĂ&#x2C6;RE GRISE

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99/188 %KMV WYV PIW TVSKVEQQEXMSRW EVGLMXIGXYVEPIW IX YVFEMRIW TV«J«VIV PE UYEPMX« WTEXMEPI à la quantité. Les volumes de matériaux sont en premier lieu proportionnels aux besoins spatiaux.

5. Revenir aux matières primaires. Développer une connaissance des matériaux favorisant le réemploi et évitant les faux amis conceptuels, qui donnent à croire que la technologie est la solution.

6IRHVI PIW TVSGIWWYW HI GSRGITXMSR V«WMPMIRXW IX GETEFPIW HI WŠEJJVERGLMV HIW béquilles numériques. Proposer des computerless studios plutôt que des paperless studios dans les écoles d’architecture, de design et d’ingénierie.

(SGYQIRXIV IX XIWXIV PŠL]TSXLªWI HI PE XE\I WYV PE QEXMªVI ENSYX«I GSQQI SYXMP MRGMXEXMJ ETXI ¢ JEMVI QYXIV PE XSXEPMX« HI PE ƪPMªVI HI PE QEXMªVI

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CONCEVOIR

| Catalogues dâ&#x20AC;&#x2122;exposition.

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2012 Work in Process. Nouveaux bureaux, nouveaux usages.

Menard R., « Don Drapper, la voiture et le climat », article p237 à p265 du catalogue de l’exposition Work in Process - Nouveaux bureaux, nouveaux usages, 2012 Cet article de vingt-neuf pages, en français et en anglais, a été commandé et rédigé dans le cadre de l’exposition « Work in Process ». Il intègre le catalogue de l’exposition, édité par le Pavillon de l'Arsenal et comporte quelques dessins et graphiques réalisés par l’auteur, dont un « arbre phylogénétique imaginaire » mettant en parallèle l’évolution de l’archétype du bureau avec celui de l’automobile. Ce dessin avait été agrandi et présenté dans le cadre de l’exposition.

Pavillon de l'Arsenal, exposition du 29.11.2012 au 24.03.2013.

Commissaires invités : François Bellanger, Raphaël Ménard, Soline Nivet, Catherine Sabbah. Design graphique : Sylvain Enguehard.

Scénographie : Thomas Raynaud, architecte.

« Le Grand Paris compte plus de 50 millions de mètres carrés de bureaux.

Tours, campus, immeubles réhabilités ou reconversions lourdes, emblématiques ou méconnus, ces lieux sont l’architecture de notre quotidien. L’exposition et l’ouvrage Work in process - Nouveaux bureaux, nouveaux usages explorent les réalisations et projets les plus emblématiques depuis 1900, analysent leurs enjeux sociaux, environnementaux, économiques et urbains et dessinent une cartographie francilienne inédite. […] Work in process présente la complexité de ces lieux, détaille leur incroyable diversité typologique, explique les préoccupations environnementales qui révolutionnent l’art de les bâtir et affirme le rôle aujourd’hui primordial de ces architectures dans la fabrique des métropoles contemporaines. A travers une sélection de réalisations récentes et de projets en cours, le visiteur est invité à découvrir un large panorama de formes urbaines innovantes en réponse à des situations plurielles : réhabilitations, quartiers en devenir, «campus», business HUB, tours… […] Et demain ? A l’heure des échelles métropolitaines et des enjeux internationaux, le Pavillon de l’Arsenal interroge l’avenir des pratiques et des usages du bureau. Meuble ou pièce, lieu ou espace virtuel, collectif ou individuel, co-working ou «ruche», connecté, nomade ou encore délocalisé, le bureau révèle sous son nom générique une variété complexe de styles et typologies. […] Par l’ampleur du parc métropolitain qui a doublé en moins de quarante ans, mais aussi la place qu’ils occupent dans nos vies, les bureaux représentent certainement la création architecturale la plus emblématique de notre temps. Explorer cet univers permet, plus qu’ailleurs, de saisir la dimension pluridisciplinaire de l’architecture. »

| Catalogues d’exposition.

Extrait du communiqué de presse du Pavillon de l’Arseanal :

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© Calq Architecture

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Janvier 2012

Surface totale : 12 073 m2

Programme : Restructuration lourde d’un ancien entrepôt à grain du XIXe siècle en un immeuble de bureaux R + 6

Spécificités de l’opération Certification environnementale : HQE, BBC Rénovation ; 1er immeuble labellisé BBC Rénovation à Paris

Architecte mandataire : Calq Architecture / Bureaux d’études techniques : Somete (structure) – Sipec (fluides) – CEEF (façades) – Impedance (acousticien) – Casso (sécurité incendie) - Benefficience (Elithis) – Egis

Maître d’ouvrage : Icade Parcs tertiaires / Investisseur, promoteur et aménageur : Icade

11, rue de Cambrai, Parc du Pont-de-Flandre – 75 019 Paris

LE BEAUVAISIS

/ Industrial city to city tertiary

Architecte et ingénieur Directeur de la Prospective groupe Egis Co-gérant Elioth

Raphaël Ménard

Don Draper, the car and the climate.

Don Draper, la voiture et le climat.

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Le Prêteur et sa femmee par Quentin Metsys, 1514

/ Don Draper, the car and the climate

Depuis Mad Men n, la typologie du bureau a continué à œuvrer afin d’optimiser son rendement. Cet article interroge les critères d’efficacité économique et comme ceux d’intensité énergétique de nos petites usines de l’immatériel. Vu sous un prisme productiviste, le bureau est l’espace privilégié de fabrication de la complexité, le lieu de la structuration de l’information (cette dernière étant ellemême au service de l’économie et de la bonne marche des institutions). Bref, analysons le bureau comme machine architecturale à produire ou à catalyser la production de valeur ajoutée.

Le Grand Ordinateur

Projetons-nous quelques siècles plus tard et, après nous être émus du spectacle des errances amoureuses de Don Draper, regardons une nouvelle fois la série Mad Men n pour un parcours chronologique dans les couloirs de l’agence de publicité new-yorkaise. Cette élégante série télévisuelle nous donne en effet à voir l’évolution de l’espace du tertiaire du début à la fin des années 1960. Un véritable medleyy de la phylogénèse du bureau contemporain. Au début des sixtiess, les premières saisons de la série exhibent des bureaux de l’agence Serling-Cooper2 qui, dans leur code d’aménagement, empruntent beaucoup à l’espace domestique. A contrario, la dernière saison de la série (qui se déroule, elle, pendant les late sixtiess) dévoile une agence réaménagée, meublée par du mobilier dédié au bureau, exhibant des espaces plus compacts : une recherche évidente de rationalisme et d’efficacité.

Les bureaux de Don

L’architecture adore les métonymies. La dénomination du bâti épouse souvent le nom de la pièce ou de l’objet qu’il protège et met en valeur. Le foyerr pour le logement, l’établii1 pour l’usine. Le bureau : record d’occurrences pour désigner l’espace de nos vies tertiaires. On confond de fait le plan avec le mobilier, le contenu avec le contenant, la partie avec le tout. L’étymologie de bureau renvoie même à une sous-partie du meuble, puisque le mot « bureau » désigne originellement le « tapis sur lequel on fait les comptes ».

Figure de style

Un bref essai sur nos espaces de production d’informations

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2 / Située sur Madison Avenue à Manhattan, comme la plupart des autres agences de publicité de l’époque, d’où le titre Mad Men, diminutif de Madison Men.

1 / Pensons au livre de Robert Linhard, L’Établi, Paris, Éditions de Minuit, 1978.

Don Draper, la voiture et le climat / Work

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2 / Located on Manhattan’s Madison Avenue like most of the other agencies of the era; hence the title Mad Men, short for Madison Men.

? INFORMATION PRODUCTIVITY = ENERGY

Testing this hypothesis, we’ll set down several orders of magnitude as related to the production of activity per unit of space and, attempting a global energy consolidation, the quantity of energy necessary for the production of one unit of economic activity. The question may thus be summarized as follows:

After “Mad Men,” office typology continued working to optimize productivity.

This article means to examine the criteria for economic efficiency and energy intensity in our little factories of the immaterial. Seen through the productivist prism, the office is the privileged theater of the fabrication of complexity and the structuration of information (the latter itself a soldier in the service of the economy and smooth functioning of institutions). The office: an architectural machine for producing or catalyzing the production of value added.

The great organizer

Let’s jump forward several centuries and, once we’re over the emotions aroused by the amorous errantries of Don Draper, watch Mad Men once again for the chronological journey it offers through the corridors of a New York advertising firm. Indeed, this elegant series allows us to observe the evolution of the tertiary space from the beginning to the end of the 1960s – a veritable medley of the contemporary office’s phylogenesis. The first seasons of the series showed us the early 1960s Sterling-Cooper agencyy2 with an interior decor borrowing a great deal from the domestic sphere. By contrast, the last season (taking place in the late 1960s) reveals a redesigned agency now equipped with specifically office furniture and functioning in more compact spaces, the clear aim being rationalism and efficiency in the work place.

Don’s office

Architecture loves metonymies. The designation of a structure often derives from the name of the room or the specific object it’s sheltering or meant to highlight.

Foyer (hearth) for a dwelling, établi (work bench)1 for a factory, and bureau (desk) to designate, more than any other competitor, the space of our tertiary lives – le bureau (office). We confuse, in fact, the furniture with the plan, the content with the container, and the part with the whole. And it happens that the etymology of bureau actually refers to a secondary part of the object; once upon a time the word meant “mat on which one does one’s accounts.”

Stylistic device

Introduction

/ Don Draper, the car and the climate

1 / A book by Robert Linhard comes to mind: L’Établi, Paris, Éditions de Minuit, 1978.

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Dans un second temps, après avoir évoqué le changement climatique et ses conséquences énergétiques pour nos bureaux, nous tâcherons de questionner l’horizon d’une neutralité énergétique globale, puis d’interroger, en conclusion, la définition de paramètres de design n en matière de rénovation et de construction neuve des bureaux.

Entre Dogvillee et Holy Motors : le « Modulor-automobile » appliqué au bureau (ou comment un archétype de mobilité individuelle fonde les invariants géométriques d’un archétype architectural).

Parallèlement, cet article interroge une analogie entre l’industrie tertiaire et celle de l’automobile : toutes deux ne partagent-elles pas des processus semblables de convergence d’archétypes ? Nous verrons en quoi cette transposition se joue également sur la question du confort climatique comme sur la perception du bien-être hygrothermique. De façon anecdotique et coïncidente, rappelons que la surface d’emprise de la voiture n’est pas tellement éloignée de celle du bureau encloisonné. Gardons à l’esprit que la fameuse trame de 1,35 mètre, référence dimensionnelle des bureaux actuels, est issue du calepin de notre stationnement automobile…

? INFORMATION RENDEMENT = ÉNERGIE

En testant cette hypothèse, ce papier s’efforcera de donner plusieurs ordres de grandeur : en terme de production d’activité par unité d’espace puis, en tentant une consolidation énergétique globale, la quantité d’énergie nécessaire pour produire une unité d’activité économique. La question se résume alors ainsi :

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7 / The turnover per employee is 50 000 to 200 000 euros a year for one surface of 10 to 20 m2 per person.

6 / Architects, engineers, landscape architects, acousticians…

5 / About 220 days at 10 hours a day, or around 2,200 hours of the 8,760 hours in a year.

4 Weighted average of our spatial situation over one life.

Ever a place where social ties are developed, the office is also a factory. Neither transforming nor assembling materials, it essentially produces information. Our dozen pro persona square meters is the quantum of our workspace. Space, time, energy. Translated into economic terms, how much activity does one square meter of functional office space generate in a year?

For our field, that of designers and project managers,6 let’s first allow that one surface unit generates between 5,000 and 20 000 euros of annual activity per functional square meter.7 Is this comparable to the surface productivity of a factory or a farm?

The information factory

In the 700,000 or so hours that a typical human life numbers,3 a sixth of this time is spent in offices (for those who exercise their profession in this kind of space).

In counterpoint to this temporal density, the spatial grip of offices on our lives is much weaker, adding up to 10% of our lived-in spaces.4 This is very much due to the fact that the density of office usage is more or less a third of that of dwellings.

As a way of beginning (and a clearly imperfect one), let’s see if we can put together an account of the spatial distribution our occupancies assume through the different stages of life The collage below sketches out the densities of our occupancies over a year by program type. At peak office intensity (meaning, during our working life), the average rate of presence is close to 30 %.5

An intense space

Compact factories

Productivity prototypes

Next, after a consideration of climate change and its energy-related consequences for our offices, we will probe the potential for global energy neutrality and, in conclusion, the definition of design parameters with regard to office renovation as well as new construction.

This paper will also be testing an analogy between the tertiary sector and the automobile industry: don’t they share similar procedures for the development of prototypes? We will see how this transposition is also linked to questions of climatic comfort, just as it is to those of hygrothermal well-being. Of more coincidental and, perhaps, superficial interest, let us note that the surface area of a car is not far from that of an enclosed office, and that the famous 1.35 meter grid frame – the benchmark measure for the office of today – descended from a blueprint for a parking space...

/ Don Draper, the car and the climate

3 / Based on an average life span of 80 years.

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Histogramme du mix programmatique des usages en fonction des âges de vie. Collage de l’auteur.

Sur les quelque 700 000 heures que compte une existence humaine typique3, un sixième de ce temps se déroule dans des bureaux (pour celles et ceux qui exercent leur profession dans ce type d’espace). En contrepoint à cette densité temporelle, l’emprise spatiale semble a contrarioo bien plus faible : elle correspond à moins de 10 % de nos habités foisonnéss4 (. Ceci est très fortement lié au fait que la densité d’usage au bureau est peu ou prou le tiers de celle de l’habitat.

De façon préliminaire (et franchement imparfaite), essayons-nous à rendre compte du répartitif de nos occupations spatiales selon nos différents moments de vie. Le collage ci-dessous constitue un brouillon de représentation de nos densités d’occupation annuelle par type programmatique. Lors du pic d’intensité du bureau (soit, pendant notre vie active), le taux de présence moyen annuel est proche de 30 %5.

Un espace intense

Des usines compactes

Archétypes de rendement

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5 / Environ 220 jours à 10 h/j, soit environ 2 200 heures sur les 8 760 heures que compte une année.

4 / Moyenne pondérée de nos emprises spatiales au cours d’une vie.

3 / Fondée sur une espérance de vie d’environ 80 ans.

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11 See Cosima Dannoritzer’s documentary film “Prêt à jeter” (2010).

10 / Lucien Kroll, “Changement climatique – actions globales.

Des réponses humanistes aidées par les basses technologies,” La Revue, no. 5, May 2011 (www.lrdb.fr).

9 / “Les designers, les vrais, sont des masochistes,” Télérama, 30 January 2011.

In the kingdom of architecture, the “office genus” does not of course escape this paradigm. On the contrary, our tertiary spaces would seem to find themselves meekly shuffled to the side and reduced to has-been status much more easily than other architectural programs... all of which allows us to complete our parallel with the automobile industry: UÊ Ê > > } V> Ê V ÛiÀ}i ViÊ vÊ «À Ì ÌÞ«iÃ°Ê Ê Ì iÊ Ã> iÊ }i ÕÃ]Ê iÊ Ã«iV iÃÊ vÊ typology becomes clearly dominant. Consider the predatory capacity of the traditional new office: it must meet marketing standards at least as constrictive as those inflicted on our famous multi-purpose vehicles or regular compacts (Mégane, Golf...) were faced with: optimal comfort for everyone and a safe design that troubles no one.

UÊ }ÊÌ iÀiv ÀiÊ>}> ÃÌÊÌ ÃÊ L iVÌ Ûi]ÊÃÌÕLL À Ê`iÌiÀ >Ì Ê> `ÊÌ iÊÃiÌÌ }Ê forth of design principles ultimately anchored in the basic needs and profile of the user.

UÊ `]ÊÌ ÊV V Õ`i]Ê> ÊiµÕ Û> i ÌÊ i>ÃÕÀiÊ vÊ« > i`Ê Là iÃVi Vi°Ê ÌÊ ÃÊà « ÞÊ primordial to maintain the economic growth of these sectors so crucial to our national economies...11

In a recent interview w9 given shortly before he died, the designer Roger Talon held that, in the field of automotive creation, stylism had definitively replaced design.

At a time when stock premiums and the wow effect are praised to the skies while the SUV and its “crossover” cousin reign like end-of-the-chain predators (anointed by planetary marketing campaigns) over the automotive fauna, an important part of contemporary architectural production would seem to be following in the footsteps of this disturbing trend.10

Planned obsolescence

Transposing cybernetic theories into the realm of the office works perfectly. In fact, the high-tech movement in architecture – along with the diverse flock of its offspring – clearly saw itself in this world of “value added clinicians” and “profit interns.” The workspace was therefore in keeping: sober, neat, prophylactic, aseptic. One has only to think of the settings recently filmed in “The Company Men” and “Margin Call” which recruited their illustrious set decorators out of major English and American architectural agencies.

As if caught in its own natural history narrative, the office has marked out optimum routes, the competition between different typological species, and convergence towards several global prototypes.

Indeed, as efforts to optimize logistics and ergonomics in the factory proceed, the office certainly warrants similar attention. And to extend the computer analogy, the circuit paths in a microchip may also leave nothing to chance, optimizing the speed of information circulation without overheating the microprocessor. This design ambition is the Holy Grail as long as the Moore law applies.8

Making the brain available

The ergonomics of economics

/ Don Draper, the car and the climate

8 / This empirical law has the number of transistors on a chip doubling every two years.

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Mad Men, fin des années 1960 : les Madison Men en cours de rationalisation de leur espace de production dédié à la créativité.

Comme entraîné dans sa propre histoire naturellee, le bureau a défini ses trajectoires d’optimisation, la compétition entre différentes espèces typologiques et la convergence vers quelques archétypes globaux.

En effet, à l’instar des efforts continus d’optimisation logistique et ergonomique dans une usine, le bureau réclame une attention au moins équivalente.

En prolongeant l’analogie informatique, les tracés des circuits au sein d’une puce électronique ne doivent eux aussi rien laisser au hasard : optimiser la vitesse de circulation de l’information tout en limitant l’échauffement du microprocesseur.

Cette ambition de conception constitue le Graal pour ne pas faire mentir la loi de Moore8.

Rendre le cerveau disponible

L’ergonomie de l’économie

Lieu évident de création de liens sociaux, le bureau est aussi une usine. Il ne transforme ni n’assemble des matières : il produit pour l’essentiel de l’information.

Notre douzaine de mètres carrés pro personna est le quantum m de notre espace de travail. De l’espace, du temps, de l’énergie. Traduits en termes économiques, quelle activité un mètre carré utile de bureau génère-t-il annuellement ?

Pour notre champ professionnel – celui des concepteurs et des maîtres d’œuvre6 –, considérons en toute première approche qu’une unité de surface génère entre 5 000 et 20 000 euros d’activité par an par mètre carré utile7. Est-ce comparable au rendement surfacique d’une usine ou d’une exploitation agricole ?

L’usine informative

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8 / Cette loi empirique montre que le nombre de transistors sur une puce informatique double tous les deux ans.

7 / Le CA/pers est compris entre 50 000 et 200 000 euros par an pour une surface par personne comprise entre 10 et 20 m2.

6 / Architectes, ingénieurs, paysagistes, acousticiens…

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15 / Simulation carried out on the ClimElioth® which corresponds to an enclosed office space of two grid frames built in accordance with current regulatory standards.

Office facing southeast, featuring two meters of glazing height with a solar factor of 15 %.

14 / Just as a factory depends on its production equipment.

13 / Which is to say almost none.

Our tertiary spaces are also noteworthy for their great sensitivity to the exterior climate as well as technological evolutions,14 with the latter influencing interior conditions to a certain extent, for example, by the quantity of heat office equipment gives off. The following diagrams juxtapose demands for more heat or cold with changes in the outside temperature.15 In each graphic, the internal heat gain is given in increments of 10 W/m², starting with a value of 10 W/m² and rising to 40 W/m².

Let us recall that the value usually settled upon for a thermal dynamic simulation is on the order of 30 to 35 W/m² for an office. First observation: the more the interior provision of heat rises, the higher the intensity of demand for cooling and the greater the quantity (number of dots per hour). The plume of blue dots grows.

A singular species

Work atmosphere

This comparison with the automobile doesn’t stop here. Let’s test another hypothesis: have we not lived for too long in the interior climate offered by our cars? Has not our body become too accustomed to their ventilation ducts? Might not our hygrothermal comfort reflexes be alienated by this subversive, ever creeping, climatic culture of the car?

The appearance of control, the multitude of dials, the adjustable louvers, the hot and cold levels at our fingertips: would not the modern office wish us to have a like “climate kit” and all its profusion of gadgets? The same humming air, the same pleasure fiddling with thermostats and electronic shutters?

Several options to spice up our choices: can I afford automatic air conditioning?

Would a double skin façade crash my budget? The second half of the wonderful film “Wall-e” challenges us with regard to the mirages of illusionary comfort, as well as the excesses of our coddling civilization and its underlying decadence.

Making due allowances, an enclosed office is not far from offering us the windowed surface of a large monospace and the thermal inertia that goes with it.13

The office, avatar of the car?

Comfort transitivity

“If the average life span of each product circulating in the human economy could be multiplied by two, if we could recycle two times as much material, if we could manage with half of what we mobilize to manufacture a product, we could reduce the flow of material by a factor of eight.”12

/ Don Draper, the car and the climate

12 / Donella Meadows, Dennis Meadows, Jorgen Randers and William Behrens The Limits To Growth, Universe Books, New York 1972.

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« Si la durée de vie moyenne de chaque produit circulant dans l’économie humaine pouvait être multipliée par deux, si l’on pouvait recycler deux fois plus de matériaux, si on avait besoin de mobiliser moitié moins de matière pour fabriquer un produit, on pourrait diviser le flux de matière par huitt12. »

Au sein du règne architectural, le « genre bureau » n’échappe évidemment pas à ce paradigme. A fortiorii, nos espaces tertiaires semblent subir une facilité de mise au rebut, une capacité à devenir has been n bien supérieures à d’autres programmes architecturaux. En cela, nous pouvons achever notre parallèle avec l’industrie automobile : UÊ1 iÊV ÛiÀ}i ViÊ> > }ÕiÊ`iÃÊ>ÀV jÌÞ«iÃÊ`iÊ}> i°Ê ÕÊÃi Ê`½Õ Ê k iÊ}i Ài] une espèce typologique devient largement prédominante. Pensons à la force de prédation du bureau neuf traditionnel : il doit correspondre à des critères marketing au moins aussi contraignants que ceux infligés au fameux segment C ou M1 de l’automobile, celui de nos compacts (Mégane, Golf...) : le confort optimall pour tout le mondee, un design prudentt afin de ne heurter personne.

UÊ ÊÀiL ÕÀÃÊ` VÊ`iÊViÌÊ L iVÌ v]Ê >Êv ÀViÊ`iÊ ½ « VÀ>Ì iÊiÌÊ >ÊÌi `> ViÊDÊj ViÀÊ des critères de design à partir des attentes moyennées et profilées de l’utilisateur final.

UÊ Ì]Ê « ÕÀÊ w À]Ê Õ iÊ obsolescence programméee sans doute équivalente. Il est absolument primordial de maintenir la croissance économique de ces activités cruciales pour nos économies nationales11...

Au cours d’une interview récente9, donnée peu de temps avant sa disparition, le designer Roger Talon énonçait qu’en matière de création automobile, le stylisme avait définitivement supplanté le design. En ces temps où le premium m et le waouh effectt sont portés au pinacle, où le sport utility vehiclee et le crossoverr règnent comme prédateurs finaux de notre faune automobile (adoubés par un marketing devenu planétaire), une partie importante de la production architecturale contemporaine semble parfois emboîter le pas à cette dérangeante tendance de fond10.

Obsolescence programmée

La transposition des théories de la cybernétique à l’univers du bureau fonctionne à merveille. D’ailleurs, le mouvement high-tech h en architecture – et sa large descendance diversifiée – s’est amplement reconnu dans cet univers dédié aux « cliniciens de la valeur ajoutée » et aux « internes du profit ». L’espace est donc à l’avenant : sobre, épuré, prophylactique, aseptisé. Rappelons-nous les univers récemment filmés dans The Company Men n ou dans Margin Calll, qui ont pour illustres scénographes les grandes agences d’architecture anglo-saxonnes actuelles.

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12 / Donella Meadows, Dennis Meadows et Jorgen Randers, Les Limites à la croissance (dans un monde fini)) [2004], Paris, Rue de l’échiquier, 2012.

11 / Revoir le film documentaire Prêt à jeter de Cosima Dannoritzer (2010).

10 / Lucien Kroll, « Changement climatique – actions globales.

Des réponses humanistes aidées par les basses technologies », La Revue, e n° 5, mai 2011 (www.lrdb.fr).

9 / « Les designers, les vrais, sont des masochistes », Télérama, 30 janvier 2011.

Don Draper, la voiture et le climat / Work

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/ Don Draper, the car and the climate

Tentative de généalogie comparée entre typologie des bureaux (en partie haute) et typologie des automobiles.

La partie centrale correspond à un entremêlement fictif des arbres phylogénétiques de chaque espèce (une forme de symbiose avec échanges de gènes de design) : la convergence des archétypes contemporains du bureau R+5 et de la berline du segment M1. La suite de l’article pose l’émergence nécessaire et urgente de nouveaux types.

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19 / The Resilis research program. For more information, see http://www.resilis.fr/ et http://elioth.com/ fr/2010/09/resilis/.

18 / Average strength of Information and Communication Technology (ICT) present in this office.

17 / Charge of artificial light.

We must immediately cease planning architecture simply for what it will be on delivery, and better concern ourselves with its well-being as an adult. This would follow for our visual renderings – project managers calling for perspectives simulating buildings twenty years hence would provide a great excuse for a serious public debate regarding future prospects – as well as our thermodynamic

The durability of our offices should also be gauged in relation to the issue of climate change. In a French National Research Agency study, we assessed the fundamental consequences of climate evolution on a building’s need of hot and cold. Our investigation revealed a drastic increase over the next century in the demand for cold to maintain the usual recommended temperatures.19 By virtue of the intensity of their utilization, tertiary spaces will be particularly sensitive to this relentless trend. In the framework of inquiries into the outlook for the future by the Elioth team, we also produced a summary of this trend on a global scale.

In the vast majority of geographical locations, the demand for cold (and therefore the final consumption of energy associated with this demand) is soaring. Not immediately incorporating this fact into office programs means barreling fullspeed towards some very unpleasant surprises, both in the area of consumption as well as that of managing demand peak levels in our energy networks.

Forecast uncertainties

It is therefore crucial that the office be contextualized with regard to climate.

How many contemporary offices flout any effort to adapt design features to their façade’s aspect? How many times has transparency been held up as the ultimate marketing credo? The following map underlines the absurdity of promoting the same architectural prototypes from Moscow to Kuala Lumpur (but also, on a national scale, from Brest to Strasbourg and Toulouse to Dunkirk). The histogram below shows, moreover, the inequalities caused by climate while demonstrating the theorem positing the foolishness of international style and contemporary generic prototypes.

Controlling the envelope

These charts highlight the thin range of outside temperatures allowing the interior space a relatively stable climate. It’s an interval corresponding to exterior climatic situations during which the office is making no active provision of cold or hot; from a thermal standpoint, the office is “cruising” in the structure’s passive zone.

In this way, the office fluctuates unendingly between a need for heat and need for cooling in order to maintain an interior temperature between 21 and 25° C. This is partially the fault of weak internal inertia: for a great portion of offices, constructive inertia is masked by drop ceilings and false floors. Here, once more, we have an analogy to the weak thermal inertia of the car interior: discomfort may result from inconsistency.

With these four diagrams, we also see a gradual movement of the stable temperature: at 15 °C during limited use (10 W/m²), it nears 5 °C when the internal heat gain rises. Superpositioning the two clouds of dots ultimately reveals the extreme dependence of climatic behavior on usage,16 but also on buildingg17 and furnituree18 technology. To conclude, let us note that the dispersion of dots indicates strong dependence on the sum of solar rays coming through the plate glass windows.

Thermal instability

/ Don Draper, the car and the climate

16 / For example, the m2/pers.

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Fantasme climatique

Ce comparatif automobile ne s’arrête pas là. Testons une autre hypothèse : n’avons-nous pas vécu trop longtemps le climat intérieur proposé par nos automobiles ? Notre corps ne s’est-il pas exagérément habitué à leurs buses de ventilation ? Nos réflexes de confort hygrothermique ne seraient-ils pas aliénés à cette rampante et subversive culture climatique automobile ?

L’apparence du contrôle, la multitude des réglages, les ouïes orientables, le rhéostat de chaud et de froid à portée de main : le « kit climatique » du bureau contemporain ne souhaite-t-il pas nous offrir une similaire profusion de gadgets ? Même feulement de la climatisation, même plaisir de la manipulation des thermostats et des stores asservis électriquement.

Quelques options aussi pour pimenter le choix : puis-je m’offrir la climatisation automatique ? Une double-peau rentre-t-elle dans mon budget ? La deuxième partie du merveilleux Wall-ee nous interpelle sur ces mirages de l’illusion du confort, des excès d’une civilisation ultra-assistée et de sa décadence sous-jacente.

Toutes proportions gardées, un bureau encloisonné n’est pas loin d’offrir la surface vitrée d’un grand monospace et une inertie thermique à l’avenant13.

Le bureau, avatar de la voiture ?

Transitivité du confort

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13 / C’est-à-dire quasi nulle.

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21 / [Re][For][Me] Team – (Représentations de l’énergie, Formalisations mathématiques et Mécanismes économiques): Raphaël Ménard (science), Maurizio Brocato (institutions), Paolo Ciucarelli, Yves Cochet, Alain Dervieux, and Jian Zhuo.

With the Ignis Mutat Res program,20 our team – [Re][For][Me]21 – is working on the question of energy catchment areas: what are the geographical origins of our different energy inputs? In the course of this investigation, we also plan to explore the question on a local level as it applies to architecture. For today’s offices, what is the typical location for energy collection? If the current is delivered via our national network, then the roots of our computers and printers would be reaching all the way to the uranium mines of Niger…

In the hopes of compensating this dilution in our collection efforts, there are several morphological approaches that we might test in order to reduce our footprint and evaluate the maximum densities compatible with this goal. The office that supplies itself, that compensates for the expenditure of its embodied energy, that covers 50 % of the home-work trip’s energy needs and produces the necessary nourishment for its occupants five times a week... might such an office be more than a dream? What would the consequences for energy intensity in our metropolitan areas accommodating a large portion of our offices be?

In an even more global approach, it would also be necessary to take into account the costs of embodied energy – renovation and replacement of carpets, furniture, and all the consumables connected to office life... By buying an ink cartridge, we draw into the office’s perimeter a charge of embodied energy, its utilization leading to amortization and depreciation of its value. This additional line will be added as charges to the energy balance sheet shown below.

Let’s put the climate economy equation to rest for a moment and have a look at the office’s energy metabolism. What in fact is its energy input? Electricity, heat or cold delivered by energy networks, gas, geothermic exchanges, even integrated renewable energy: our by-the-book number crunching has the accounting mechanics running smoothly indeed.

But let’s expand the limits of this count by first adding specific electricity to it, and then the different end uses that find themselves outside the sphere of these by-the-book calculations. Next, let’s add the metabolical consumption of energy by users as well as a share of their travel. If this consolidation integrates people as well as their mobility, then the noon meal should also be counted (in general consumed within the built-up perimeter of the office) along with the energy balance of the average 1,000 or so kilocalories that a person takes in during work day. To this should be added half the energy consumed by the home-to-job trip (as a first hypothesis of consolidation).

Following this, professional travel will need to be factored in, (which makes the analysis even more complex).

Energy in the catchment

A bit of thermodynamics in the office

Energy intensities

simulations; indeed, we must develop models of a building’s behavior in its real climatic context, meaning the environment of its adulthood rather than the one preceding its gestation.

/ Don Draper, the car and the climate

20 / “Ignis Mutat Res, Penser l’architecture, la ville et les paysages au prisme de l’énergie,” interministerial research program conducted by the Ministry of Culture, the Ministry of Ecologie and the Atelier International du Grand Paris.

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15 / Simulation réalisée sur le ClimElioth® qui correspond à un espace de bureau encloisonné de deux trames construit selon les standards réglementaires en vigueur. Bureau exposé sud-est, disposant de 2 mètres de hauteur de clair de vitrage avec un facteur solaire de 15 %.

14 / Au même titre qu’une usine est dépendante de ses outils de production.

Résultats de simulations climatiques sur un bureau encloisonné archétypique situé à Paris.

Nos espaces tertiaires se caractérisent aussi par leur grande sensibilité au climat extérieur comme aux évolutions technologiques14. Ces dernières requalifient pour partie les apports internes, soit la quantité de chaleur dégagée par nos équipements de bureautique. Les diagrammes ci-après mettent en relation les demandes thermiques froides et chaudes vis-à-vis de la température extérieure15. À chaque graphique, les apports internes sont incrémentés de 10 W/m², à partir d’une valeur de 10 W/m², jusqu’à 40 W/m².

Rappelons que la valeur habituellement retenue pour une simulation thermique dynamique est de l’ordre de 30 à 35 W/m² pour un bureau. Premier constat : plus la charge de chaleur interne augmente, plus la demande de froid croît en intensité (puissance appelée) comme en quantité (nombre de points horaires) : le panache de points bleus grandit.

Une espèce à part

Ambiances de travail

Don Draper, la voiture et le climat / Work

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/ Don Draper, the car and the climate

Carte d’évolution tendancielle des demandes chaude et froide. On constate de façon globale une évolution drastique de la demande froide (mesurée en évolution probable des degrés-jours unifiés « froids » sur la base d’une température de consigne à 25 °C).

Histogramme des demandes climatiques du bureau en fonction de différentes situations géographiques. La pyramide de gauche exhibe à la fois la demande froide (en bleu) et la demande chaude (en rouge). La pyramide centrale agrège les deux demandes climatiques. La couleur de chaque barre est associée à la latitude du site : le beige correspond aux latitudes proches de l’équateur tandis que le bleu correspond aux latitudes se rapprochant des pôles. Les villes situées à proximité de l’équateur sont globalement défavorisées. Enfin, la pyramide de droite correspond au pourcentage de passivité du bâti, c’est-à-dire au ratio de temps d’utilisation pendant lequel l’édifice ne réclame ni chaleur ni fraîcheur pour maintenir les températures de consigne.

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© Elioth, groupe Egis, 2010 © Elioth, groupe Egis, 2012

Work

La pérennité de nos bureaux doit aussi être jaugée selon les enjeux du changement climatique. Dans le cadre d’un programme de recherche porté par l’Agence nationale de la recherche, nous avons évalué les conséquences tendancielles de l’évolution du climat sur la demande de chaud et de froid du bâti. Nos études ont permis de constater une évolution drastique, au cours du siècle prochain, de la demande de froid pour garantir nos températures de consigne usuelles19. Du fait de leur intensité d’usage, les espaces tertiaires seront très sensibles à cette tendance inexorable. Dans le cadre des réflexions prospectives au sein d’Elioth, nous avons également résumé cette tendance à l’échelle mondiale.

Dans la très grande majorité des situations géographiques, la demande de froid (et donc la consommation d’énergie finale associée à cette demande) explose.

Sans prise en compte urgente de ce paramètre dans la programmation des bureaux, nous allons au-devant de mauvaises surprises, tant sur la consommation que sur la maîtrise des pics de demande pour nos réseaux d’énergie.

Incertitudes prospectives

Il est ainsi crucial que le bureau se contextualise climatiquement. Combien de bureaux contemporains font fi de l’adaptation des caractéristiques de façade selon leur orientation ? Combien de fois la transparence vitrée est énoncée en credo marketing absolu ? La carte ci-après met en exergue l’aberration consistant à proposer les mêmes archétypes architecturaux de Moscou à Kuala Lumpur (mais aussi, à notre échelle nationale, entre Brest et Strasbourg ou entre Toulouse et Dunkerque). L’histogramme ci-dessous montre d’ailleurs l’inégalité engendrée par le climat : il fournit la démonstration du théorème de l’ineptie du style international ou des archétypes génériques contemporains.

Contrôler l’enveloppe

Ces graphiques mettent en relief la mince plage de température extérieure qui permet une relative stabilité climatique de l’espace intérieur. Cet intervalle correspond aux situations climatiques extérieures pendant lesquelles le bureau n’a recours à aucun apport actif, ni de chaud, ni de froid : il « plane » du point de vue de la thermique. Cette zone correspond à l’expression de la passivité du bâti.

Ainsi, le bureau oscille perpétuellement entre besoin de chaleur et besoin de fraîcheur pour maintenir une température interne comprise entre 21 et 25 °C. La faute en partie à une inertie interne très faible : pour une grande partie des bureaux, l’inertie constructive est masquée par des faux plafonds et faux planchers.

Nous trouvons à nouveau une correspondance avec la très faible inertie thermique des espaces intérieurs automobiles : l’inconfort peut résulter de l’inconstance.

Entre ces quatre diagrammes, nous constatons également une migration progressive de la température d’équilibre : de 15 °C à faible intensité d’usage (10 W/m²), elle devient proche de 5 °C lorsque les apports internes augmentent.

La superposition des deux nuages de points révèle enfin la très large dépendance du comportement climatique aux usages16, mais également aux technologies immobilières17 et mobilières18. Notons pour finir que la dispersion des points indique une forte dépendance à la charge solaire pénétrant par les baies vitrées.

Instabilité thermique

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19 / Programme de recherche Resilis.

Pour plus d’informations, voir http://www.resilis.fr/ et http://elioth.com/ fr/2010/09/resilis/.

18 / Puissance moyenne de Technologies de l’information et de la communication (TIC) présente dans le bureau.

17 / Charge d’éclairage artificiel.

16 / Par exemple les m2/pers.

Don Draper, la voiture et le climat / Work

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GDP ENERGY CO O2 . .

POP GDP ENERGY

As for our corner of the economic sector, the last three items certainly concern the area of tertiary constructions. The objective is to maintain the same buying power while all the while drastically reducing the last two items. Attaining a factor of four would mean cutting these two quantities in half.

UÊ Ìi à ÌÞÊ vÊ Êi Ãà ÃÊ«iÀÊÕ ÌÊ vÊi iÀ}ÞÊV ÃÕ «Ì 22.

UÊ« «Õ >Ì ] UÊ *ÊLÞÊ >L Ì> Ì] UÊi iÀ}ÞÊ Ìi à ÌÞÊ«iÀÊÕ ÌÊ vÊ *Ê«À `ÕVi`]

CO O2 = POP.

While waiting for energy nirvana, let’s see how we can measure our indulgences.

What does energy intensity measure? On a national scale, it compares the end consumption of energy to gross domestic product, thus allowing evaluation of the economic efficiency of an economy. For France, it’s around .1 ton of oil equivalent (TOE) for 1,000 euros of gross domestic product: that more or less corresponds to consumption of 1 kWh of final energy for 1 euro of gross domestic product. Yoichi Kaya invested this quantity with particular weight in the equation that now carries his name. Indeed, the Japanese professor used everyday language to describe a connection linking the demography, wealth, energy intensity and nature of the energetic mix to anthropic greenhouse gas emissions.

The Kaya Identity

Energy versus cash

This production of information, however, is only possible at the cost of a minimal consumption of energy. In the last century, cybernetic theoreticians – Claude Shannon in particular – examined this question from a theoretical standpoint.

On the macroscopic scale of our offices, a “perfect order” capable of producing information while generating an office configuration consuming zero energy is an impossible reach. At best, offices will manage a level of energy autonomy on par with the space they occupy.

After this assessment of energy conservation, let’s move on to the second law of thermodynamics. We should begin by recalling the wonderful, all-embracing definition offered by Judy Davis’s Sally in Woody Allen’s “Husbands and Wives”: “It’s the Second Law of Thermodynamics: sooner or later everything turns to shit.” The second law of thermodynamics does indeed state that the measure of disorder in a closed system increases with time. A broken cup will not repair itself, and there’s no chance of lukewarm water organizing itself into cold and hot subvolumes.

In the area of services, we could put forward the following hypothesis: the value added of an undertaking translates as increased order through the provision of information, in the cybernetic sense of the word. Translated into the language of thermodynamics, this would be a negative entropy.

The office and the second law

/ Don Draper, the car and the climate

22 / The energy economist Yoichi Kaya developed this equation in Environment, Energy, and Economy: Strategies for Sustainability, New Delhi, Bookwell, 1999.

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Au sein du programme Ignis Mutat Res20, notre équipe, dénommée [Re][For] [Me]21, travaille sur la question des bassins versants énergétiques des territoires : quelles sont les provenances géographiques de nos différents intrants énergétiques ?

Dans le cadre de cette recherche, nous prévoyons aussi de tester cette question de façon locale, à l’échelle de l’architecture. Dans nos bureaux contemporains, quelle est l’aire caractéristique de captation de l’énergie ? Si l’électricité vient du réseau national, alors les dendrites de captage vont jusqu’aux mines d’uranium dans le Niger…

En vue de palier cette dilution de nos emprises de captage, il nous faut tester quelques pistes morphologiques permettant de réduire cette empreinte et évaluer

Mais élargissons le périmètre de ce comptage, en y intégrant en premier lieu l’électricité spécifique, puis les différents usages finaux non comptabilisés dans le calcul réglementaire. Ajoutons-y ensuite la consommation énergétique métabolique des usagers, ainsi qu’une partie de leurs déplacements. Si la consolidation intègre les hommes et leur mobilité, il y a alors lieu de valoriser le repas du midi (en général consommé dans le périmètre bâti du bureau) et donc de prendre en considération dans le bilan énergétique les quelque 1 000 kcal ingérés en moyenne par individu et par jour de travail ; il faut aussi comptabiliser la moitié de la consommation énergétique associée au déplacement domiciletravail (comme première hypothèse de consolidation).

Dans un second temps, il s’agira de prendre en compte les déplacements professionnels (ce qui rend l’analyse franchement complexe).

Laissons un temps l’équation économique et climatique pour interroger le métabolisme énergétique du bureau. Quels sont en effet ses intrants énergétiques ? Électricité, chaleur ou froid délivrés par des réseaux d’énergie, gaz, échanges géothermiques, voire intégration d’énergies renouvelables : nos calculs réglementaires ont huilé cette petite mécanique comptable.

Les bassins versants énergétiques

Petite thermodynamique du bureau

Intensités énergétiques

Nous devons instamment cesser de projeter l’architecture à l’horizon de sa livraison pour l’envisager davantage au service de sa vie d’adulte. Ceci est valable pour nos visuels de rendu (les maîtres d’ouvrage réclamant des perspectives de leur commande vingt ans après leur inauguration, cela fournirait un beau prétexte à des débats collectifs de fond sur nos futurs possibles), comme pour nos simulations thermiques dynamiques (modélisons en effet le comportement du bâtiment dans un environnement climatique qui sera celui de son âge adulte plutôt que celui précédant sa gestation...)

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21 / Équipe [Re][For][Me] (Représentations de l’énergie, Formalisations mathématiques et Mécanismes économiques) : Raphaël Ménard, responsable scientifique ; Maurizio Brocato, responsable institutionnel ; Paolo Ciucarelli, Yves Cochet, Alain Dervieux, Jian Zhuo.

20 / « Ignis Mutat Res, Penser l’architecture, la ville et les paysages au prisme de l’énergie », programme de recherche interministériel piloté par le ministère de la Culture, le ministère de l’Écologie et l’Atelier international du Grand Paris.

Don Draper, la voiture et le climat / Work

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24 / Raphaël Ménard, “Mutations des programmes,” in Architecture = durable, Jacques Ferrier (dir.), Paris, Pavillon de l’Arsenal, Picard, 2008.

Consequently, coming out positive (or at least even on this consolidated balance sheet) calls for on-site production of an equivalent quantity of energy. We should note that this neutrality is not a guarantee of self-sufficiency as far as the uncertain connection between product mix demand and product mix offer is concerned, nor vis-à-vis the temporal co-occurrence of production and consumption.

Architecture = durable24 raised the question of positivity asymptotes and sought evidence of the physical invariants providing (or not providing) grounds for energy neutrality in a given program or a particular morphology. In order to compensate – in our dreams! – this energy input, it would be necessary to install over 40 m² of photovoltaic panels per employee. Practically speaking, the equation doesn’t hold up: it would call for more than three roofs per individual. Translating this notion into terms of maximum density, we see the difficulty of creating a wholly neutral neighborhood of offices with more than fifty persons per hectare.

Compensate?

For this first hypothesis, we’ll examine the case of an office employee. The economic activities of the firm he works for produce 55,000 euros in turnover per worker.

The building he works in is a relatively old one that hasn’t benefitted from energy renovations. To go there, he drives 35 kilometers in a car consuming 7 liters of gas every 100 kilometers. He generally has no job-related trips to make during the day and usually has a hamburger and fries in the cafeteria for lunch. There is significant consumption of power by office materials and the system in place for renewing computer equipment was not developed with an eye to environmental concerns.

In this example, annual consolidated consumption is around 1 TOE per employee.

Let us recall that in Europe, final energy consumption is around 3.8 TOE per inhabitant. The energy consumption by users is thus 11 000 kWh of primary energy per employee per year, and estimated at 9 000 kWh of final energy.

Because of a moderate pro personaa economic return and an important per capita consumption of energy, the energy intensity of this office is bad, around .20 kWh per euro of activity.23 If we add 20,000 kilometers of professional excursions by car to that, the intensity worsens even further to reach .85 kWh/€! It’s almost equal to the national average into which the weight of industrial consumption figures. Tertiary and secondary, same fight?

Scenario #1: Business as usual

It’s clear that industrial processes have an important effect on these measures, depending on the scale (international, European, national) of their energy intensity. Still, the tertiary sector’s role in the end consumption of energy cannot be overlooked. It is therefore high time we began to take responsibility with regard to the last two items of the Kaya equation!

We are going to make a humble attempt to measure, on a small scale, the energy intensity of our offices. Will it one day have a place in the CSR (Corporate Social Responsibility) scorecards? Are we seeing the beginnings of tax incentives to favor greater temperance and efficiency among players in the service sector? More generally, we could well imagine a fiscal approach to companies in part correlated to their virtue as regards energy intensity and this, depending on the category of their activity.

/ Don Draper, the car and the climate

23 / 0.15 x 4 cents 5 0.6 % of activity.

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Après ce bilan de conservation de l’énergie, passons à présent au second principe de la thermodynamique. Rappelons la splendide définition synthétique que donne le personnage joué par Diane Keaton dans Annie Halll, de Woody Allen : « De toute façon, d’après le second principe, tout devient merdique. » La deuxième loi de la thermodynamique énonce en effet que la mesure du désordre d’un système clos augmente avec le temps. Impossible qu’une tasse cassée se recompose d’elle-même, aucune chance que de l’eau tiède se compartimente en des sousvolumes chauds et froids.

Dans le champ des services, nous pourrions poser l’hypothèse suivante : la valeur ajoutée d’une entreprise se traduit comme un supplément d’ordre, par un apport d’informations au sens cybernétique du terme. Traduit en langage thermodynamique, il s’agirait d’une entropie négative.

Cette production d’informations n’est toutefois possible qu’au prix d’une consommation minimale d’énergie. Au cours du siècle précédent, les théoriciens

Bureau et second principe

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Intrants énergétiques de haute qualité (électricité, hydrocarbures, aliments, objets et matériaux ayant en amont réclamé des intrants énergétiques importants), à comparer aux sortants énergétiques de basse qualité (chaleur fatale) et à la production d’informations (la néguentropie espérée de nos activités professionnelles !)

les densités maximales compatibles avec cette exigence. Le bureau qui s’autoalimente, qui compense l’amortissement de son énergie grise, qui fournit 50 % des besoins énergétiques du trajet domicile-travail et qui produit la nourriture nécessaire à ses occupants cinq midis par semaine est-il dès lors tangible ? Quelles conséquences à terme sur l’intensité énergétique de nos aires métropolitaines (celles-ci hébergeant une grande partie des bureaux) ?

Dans une approche plus globale encore, il s’agirait de prendre également en compte les dépenses courantes d’énergie grise : rénovation des moquettes, changement du mobilier, ainsi que tous les consommables de la vie de bureau…

En achetant une cartouche d’encre, nous faisons entrer dans le périmètre du bureau un actif d’énergie grise ; son usage conduit à amortir et déprécier sa valeur.

Cette ligne supplémentaire s’ajoutera comme charges au compte de résultat énergétique présenté ci-après.

Don Draper, la voiture et le climat / Work

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Towards another architecture?

I’d like to venture a somewhat exalted definition here: architecture, thanks to the inspired edifices it has skillfully constructed all around the globe, catalyzes the flowering of man’s genius. Considering the era’s multiplicity of crises and mutations (depletion of natural resources, accelerating climate change, finance capitalism havoc, problematics of agricultural yields, water supply…), this entity warrants a complete redefinition as regards its theoretical models as well as its implementation strategies. In an uncertain economic context, the office must reinvent new prototypes of frugality and this, while going beyond its intrinsic performance in usage density. This demand squares not with austerity, but rather with a new consciousness of the responsibility borne by our builders. To complete the automobile analogy, the office prototype suffers “mutation stress” analogous to that experience by our favorite personal conveyance. Car and office builders continued to produce and perfect prototypes that we now find to be of limited adaptive capacity. From a purely technical-economical viewpoint, automobile manufacturers would be perfectly capable of offering affordable, light, safe and elegant cars that consume less than 2 liters for every 100 kilometers.

So what if the office were to do just that, repackaging and marketing itself in terms both visionary and inspirational? It would, in fact, be not at all unreasonable to offer tertiary spaces calling for only 3,000 kWh of final energy per employee and generating an energy intensity below .03 kWh/€. By reducing the portion of energy allotted for transportation, we could create high density neutral areas (able to maintain over 300 users per hectare).25 This flexible resiliency equation should above all be adopted for renovation of the already existent stock of buildings.

To do a lot with very limited means once the problem is properly posed... It’s merely a question of putting forward the principles on which the pertinence of an adapted design can be based. Don Draper does nothing less when he’s racking his brains in order to find a good slogan for Sterling-Cooper.

Heading up Thrift Street

/ Don Draper, the car and the climate

25 / For the end result of these calculations, contact: r.menard@ elioth.fr.

260

Work

PIB ÉNERGIE CO O2 . .

POP PIB ÉNERGIE

Dans notre secteur de l’espace économique, les trois derniers termes impliquent le domaine de l’immobilier tertiaire. L’objectif est de maintenir un même pouvoir d’achat tout en faisant réduire de façon drastique les deux derniers termes. Tendre vers le facteur quatre supposerait une division par deux de ces termes. Ê iÃÌÊ ViÀÌ> Ê µÕiÊ iÃÊ «À ViÃÃÕÃÊ `ÕÃÌÀ i ÃÊ ÌÊ Õ Ê « `ÃÊ ÌÀmÃÊ « ÀÌ> ÌÊ ÃÕÀÊ iÃÊ mesures, à différentes échelles spatiales de l’intensité énergétique (mondiale, continentale, nationale). Néanmoins, la part du tertiaire dans la consommation w > iÊ `½j iÀ} iÊ ½iÃÌÊ «>ÃÊ `ÕÊ Ì ÕÌÊ DÊ j} }iÀ°Ê Ê iÃÌÊ ` VÊ « ÕÃÊ µÕiÊ Ìi «ÃÊ `iÊ ÃiÊ responsabiliser sur les deux derniers termes de l’équation de Kaya !

Nous tâcherons modestement d’évaluer à petite échelle l’intensité énergétique de nos bureaux. Deviendra-t-elle un futur indicateur des rapports de RSE (la Responsabilité sociale et environnementale des entreprises) ? Les prémices d’une fiscalité incitative pour encourager sobriété et efficacité des acteurs du tertiaire ?

Plus généralement, nous pourrions imaginer une fiscalité des entreprises partiellement corrélée à la vertu de leur intensité énergétique, et ce, selon la catégorie de leur activité.

UÊ ½ Ìi à ÌjÊ`½j Ãà Ê`iÊ "2 par unité d’énergie consommée22.

UÊ >Ê« «Õ >Ì ] UÊ iÊ* Ê«>ÀÊ >L Ì> Ì] UÊ ½ Ìi à ÌjÊj iÀ}jÌ µÕiÊ«>ÀÊÕ ÌjÊ`iÊ* Ê«À `Õ Ìi]

CO O2 = POP.

Avant le nirvana énergétique, donnons-nous les moyens de mesurer nos indulgences. Qu’est-ce que mesure l’intensité énergétique ? À l’échelle nationale, elle compare la consommation finale d’énergie au produit intérieur brut, permettant ainsi d’évaluer l’efficacité économique d’une économie. Pour la France, elle est de l’ordre de 0,1 tonne d’équivalent pétrole (TEP) pour 1 000 euros de produit intérieur brut : cela correspond à peu près à une consommation de 1 kWh d’énergie finale pour 1 euro de produit intérieur brut. Yoichi Kaya a donné un poids particulier à cette quantité dans l’équation qui porte maintenant son nom. Kaya a en effet écrit de façon triviale une relation liant démographie, richesse, intensité énergétique et nature du mix énergétique avec les émissions anthropiques de gaz à effet de serre.

L’équation de Kaya

Énergie vs cash

de la cybernétique – notamment Claude Shannon – ont étudié cette question d’un point de vue théorique. À l’échelle macroscopique de nos bureaux, il est impossible de tendre vers l’« ordinateur parfait » : produire de l’information et engendrer de l’ordonnancement pour une consommation énergétique nulle. Au mieux les bureaux parviendront-ils à un certain niveau d’autonomie énergétique à l’échelle de leur emprise spatiale.

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22 / L’économiste de l’énergie Yoichi Kaya a développé cette équation dans Environment, Energy, and Economy : Strategies for Sustainability, y New Delhi, Bookwell, 1999.

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Work

Compte de résultat énergétique. Hypothèse de l’auteur.

/ Don Draper, the car and the climate

Dès lors, être positif (ou a minimaa neutre vis-à-vis de ce bilan consolidé) réclame de produire sur site une quantité équivalente d’énergie. Notons que cette neutralité ne sera pas gage d’autosuffisance, ni dans la très incertaine correspondance entre mix de demande et mix d’offre, ni vis-à-vis de la coïncidence temporelle entre production et consommation.

Dans Architecture = durablee24, il était question des plafonds de positivité et d’apporter des éléments de preuve des invariants physiques qui rendent possible ou improbable l’attendu de neutralité énergétique vis-à-vis d’un programme et d’une morphologie. Pour tenter – fictivement – de compenser cet intrant énergétique, il serait nécessaire d’implanter plus de 40 m² de panneaux photovoltaïques par salarié. Morphologiquement, l’équation n’est pas tenable : il faudrait plus de trois toitures par individu. Si l’on traduit cette ambition en terme de densité maximale, il est alors difficile de faire naître un quartier de bureau globalement neutre à plus de 50 personnes/hectare.

Compenser ?

Pour cette première hypothèse, nous considérons le cas d’un employé de bureau.

L’activité économique de l’entreprise dans laquelle il travaille génère 55 000 euros de chiffre d’affaires par salarié.

Il travaille dans un bâtiment relativement ancien n’ayant pas bénéficié de rénovation énergétique. Pour s’y rendre, il parcourt 35 kilomètres dans une voiture qui consomme 7 litres aux 100 kilomètres de carburant. Il n’effectue en général aucun déplacement professionnel et mange la plupart du temps un steakfrites à la cantine. La consommation associée à l’usage de la bureautique est importante et la stratégie de renouvellement du parc informatique n’est pas étudiée d’un point de vue environnemental.

Dans ce cas de figure, la consommation consolidée annuelle est de l’ordre de 1 TEP par salarié. Rappelons que la consommation en énergie finale par Européen est de l’ordre de 3,8 TEP par habitant. La consommation énergétique par usager est alors de l’ordre de 11 000 kWh d’énergie primaire par salarié et par an, et estimée à 9 000 kWh d’énergie finale.

Du fait d’un rendement économique pro persona modéré et d’une importante consommation énergétique par personne, l’intensité énergétique de ce bureau est mauvaise : elle est de l’ordre de 0,20 kWh par euro d’activité23. Si on ajoute à cela 20 000 kilomètres de trajets professionnels en voiture, l’intensité se dégrade considérablement pour tendre vers 0,85 kWh/€ de chiffre d’affaires ! Il s’agit presque de la moyenne nationale qui comprend dans sa contribution le poids de la consommation des industriels. Tertiaire et secondaire, même combat ?

Scénario #1 : « Business as usual »

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24 / Raphaël Ménard, «Mutations des programmes», in Architecture = durable, e Jacques Ferrier (dir.), Paris, Pavillon de l’Arsenal, Picard, 2008.

23 / 0,15 x 4 cents 5 0,6 % de l’activité.

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Le bureau et ses métabolismes conjugués.

/ Don Draper, the car and the climate

Tentons une définition exaltée : l’architecture catalyse l’épanouissement du génie humain, grâce à des édifices inspirés et savamment construits sur la surface de notre globe. À l’aune de la diversité de nos crises et de nos mutations (déplétion des ressources naturelles, changement climatique accéléré, crise du capitalisme financier, problématique des rendements agricoles, approvisionnement en eau…), cette essence mérite une redéfinition complète dans ses modèles théoriques comme dans ses stratégies de mise en œuvre.

Dans un contexte économique incertain, le bureau doit réinventer des archétypes de frugalité et ce, au-delà de sa performance intrinsèque de densité d’usage. Cette exigence rime non avec austérité, mais au contraire avec une nouvelle prise de conscience de la responsabilité des acteurs du construire. Pour parachever l’analogie avec l’automobile, l’archétype du bureau rencontre un « stress de mutation » analogue à celui de nos vecteurs préférés de mobilité individuelle.

Constructeurs automobiles et producteurs du bureau ont en effet trop longtemps produit et optimisé des archétypes désormais bien peu enclins à l’adaptation.

D’un strict point de vue technico-économique, les constructeurs automobiles seraient parfaitement capables de proposer des automobiles abordables, légères, sûres et élégantes qui consomment moins de 2 litres aux 100 kilomètres.

Et si le bureau faisait de même en reposant les termes adéquats d’un marketing visionnaire et inspiré ? Il serait en effet tangible de proposer des espaces tertiaires ne réclamant que 3 000 kWh d’énergie finale par salarié, susceptibles de générer une intensité énergétique inférieure à 0,03 kWh/€ de chiffre d’affaires. En diminuant la part énergétique allouée aux transports, nous pourrions créer des quartiers neutres à forte densité (pouvant être supérieure à 300 usagers/hectare)25.

Cette équation de résilience doit surtout être posée pour la rénovation du parc immobilier existant.

Faire beaucoup avec très peu de moyens, une fois le problème bien posé. Il s’agit uniquement de reposer les critères fondant la pertinence d’un design adapté. Don Draper fait exactement la même chose lorsqu’il remue ses méninges pour trouver le bon slogan chez Sterling-Cooper.

Trajectoire de frugalité

Vers une autre architecture ?

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25 / Demandez le bout de calcul à cette adresse : r.menard@elioth.fr

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2008 Architecture = durable Menard R., Mutations des programmes (p27 à 31), dans Architecture = durable , catalogue de l’exposition du Pavillon de l’Arsenal, 2008 Cet article de cinq pages, en français et en anglais, a été commandé et rédigé dans le cadre de l’exposition « Architecture = durable ». Il intègre le catalogue de l’exposition, édité par le Pavillon de l'Arsenal et comporte quelques dessins et graphiques réalisés par l’auteur.

Ce texte est le prélude à plusieurs thématiques futures de recherche et d’écriture : hauteur morphologique et capacité d’autonomie énergétique, bilan environnemental global en comptabilisant habitat et transport, formes solaires urbaines, évolutivité programmatique d’une architecture…

Exposition au Pavillon de l'Arsenal du 24.06.2008 au 02.11.2008.

Commissariat scientifique : J. Ferrrier, architecte. Scénographie Block architectes. Extrait du communiqué de presse du Pavillon de l’Arsenal :

| Catalogues d’exposition.

« L’exposition « Architecture = durable » donne la parole aux architectes qui, au travers de projets en cours de fabrication en Ile-de-France, expriment leur démarche et leur manière de concevoir l’architecture face aux enjeux du développement durable. Au travers d’une analyse détaillée de ces 30 projets, l’exposition présente les dispositions et solutions envisageables et envisagées à différentes échelles. Les sept critères d’analyse pour décrypter ces projets ont été établis au regard de 80 exemples européens également présentés dans l’exposition. Urbanité, implantation, morphologie, matérialité, spatialité, systèmes et performances permettent à chaque visiteur de comprendre les questions liées à l’environnement dans une vision globale qui met les dispositifs techniques en situation dans un contexte urbain et qui, réciproquement, prend la ville dense comme base d’une approche nouvelle du projet. »

E

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Mutations des programmes Ménard, architecte, ingénieur, directeur d’Elioth / Groupe IOSIS

D. R.

Ressources infinies, territoires sans limites : le paradigme fondateur des premières révolutions industrielles continue d’animer les modèles économiques qui soustendent notre civilisation. Société schizophrène, nous sommes aujourd’hui conscients du crash annoncé entre cette approximation nécessaire de la fin du XVIIIe siècle et l’asymptote devenue lisible des capacités limitées de la biosphère. The Corporation, le documentaire de Mark Achbar, Jennifer Abbott et Joel Bakan, rappelle justement le verrouillage de ce mode de pensée par notre système économique.

Modeleurs de l’espace, portons un regard neuf sur les environnements de vie que nous avons conçus et bâtis. Il est aujourd’hui plus que temps de les interroger à l’aune des constantes physiques qui régiront la pérennité d’une humanité nombreuse.

Les trois empreintes du concepteur Quel est le pouvoir du concepteur sur la durabilité ?

Sans doute celui de traduire et de transcender de façon sensible et poétique les usages programmatiques en besoins minimaux. Et trois empreintes semblent aujourd’hui prioritaires quant à leur impact sur l’urgence environnementale : - Empreinte spatiale de nos usages : comment faire en sorte que chaque fonction de vie minimise sa consommation de territoire ?

- Empreinte de nos besoins énergétiques : pour un bâtiment, quels principes de conception orchestrer afin qu’en réponse à des contraintes de confort données (température, renouvellement d’air, niveau d’éclairement…) la « boîte » architecturale minimise le recours à un contrôle actif de la température, à de la ventilation mécanique, à de l’éclairage artificiel, etc. ? À titre de comparaison, pour l’architecte naval, il s’agit de travailler à la géométrie hydrodynamique de la coque du voilier avant même de chercher à augmenter sa voilure.

- Empreinte carbone : comment la mixité spatiale, la bonne organisation du territoire et l’invention d’objets bâtis pourraient-elles enfin susciter de nouvelles stratégies de réduction des émissions de gaz à effet de serre ?

Finalité ?

Il s’agit de se concentrer notamment sur une remise en cause des façons d’aborder le projet spatial au-delà du bâtiment : quartiers, villes, voire territoires.

Nous dresserons ici quelques constats et rassemblerons des idées disparates sous le sceau des trois empreintes évoquées précédemment pour, finalement, parvenir à cette interrogation : la durabilité n’est-elle pas conditionnée par l’abandon de l’ordonnancement classique et arborescent des choses au profit d’une mise en relation de toutes les interdépendances ?

Ne doit-on pas voir dans le texte de Christopher Alexander A City is not a Tree (1965) les prémices d’une pensée transversale qui ferait écho à la poétique proposition du sociologue et philosophe Bruno Latour de transformer la Haute Chambre en Parlement des Choses ?

Surfaces de nos usages De la taille minimale de nos autarcies

Fordisme des territoires, dilution de nos présences Fille de la Modernité, la spécialisation fonctionnelle des territoires est poussée à son paroxysme tandis que la pauvreté programmatique généralisée – zones commerciales, zones pavillonnaires, quartiers d’affaires, etc.

– dissémine nos vies. Se loger, se divertir, travailler, méditer… : la somme de nos usages se nichait auparavant dans la partie, dans un morceau de territoire unique qui était le quartier ou le pays. Les lectures de La Ville franchisée de David Mangin et de Ville libérale, ville durable ? d’Alain Cluzet fournissent de précieux éclairages sur les mécanismes à l’œuvre. Finalement, le motif de territoire, qui a capacité à assouvir la plénitude de nos usages, ne cesse d’enfler et tend à ressembler à la surface complète du globe ! Doit-on voir dans l’émergence de l’agence de tourisme spatial Virgin Galactic la révélation de la fin de tout exotisme terrestre ?

D. R.

Raphaël

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Surface de nos mobilités

Une taxe d’habitation intégrant l’emprise de nos mobilités individuelles ?

Soit une ville dense. Quelle est la part de l’espace public dévolue à nos mobilités ? Prenons le 9e arrondissement de Paris, où la surface moyenne de logement rapportée à l’habitant est de l’ordre d’une trentaine de mètres carrés. Associée au fait que la densité bâtie parisienne est d’environ de 4, la part d’occupation du sol bâti est d’environ 7 m2 pour l’usage de mon logement. La voiture stationnée dans la rue occupe, elle, près de 10 m2 de voirie, notamment en stationnement lorsque j’habite mon logement…

La fiscalité locale ne devrait-elle pas prendre en compte notre consommation globale du territoire commun ?

D. R.

Morale pour nos espaces Kleenex Avec si peu de considération pour la rareté spatiale, nous détruisons l’espace naturel en perdant le contrôle de notre « automobilité » et de ses effets conjugués (émissions de gaz à effet de serre, temps perdu, problèmes de santé, isolement social, etc.). Dans un mouvement parallèle, toute notre production d’espaces et de territoires entre dans un métabolisme de cycle de vie court : détruire / bâtir, quitte à en payer cher l’impact énergétique et en CO2 et le corollaire, les nuisances de chantier.

Mutualiser un objet pour plusieurs fonctions Dans ce canevas, il faut sans doute refonder la monofonctionnalité des objets. L’exemple des pylônes « Wind-it », porté par l’équipe d’ingénieurs Elioth et l’agence d’architectes Encore heureux, est éloquent : pour un coût paysager et environnemental identique, divisons par deux l’empreinte d’un objet en lui faisant assumer deux fonctions – support du réseau de transport électrique et objet producteur d’électricité. À ce titre, les « Montagnes solaires » participent de la même approche en conjuguant exploitation agricole sous serre et production d’électricité. La concrétisation et la généralisation de ce type de démarche supposent, parallèlement, de réévaluer la conception strictement arborescente des responsabilités.

Un squelette = un programme ?

Dans notre course à l’hyperperformance, chaque programme – logements individuels, bureaux, entrepôts logistiques… – est l’aboutissement d’un optimum délai-coût lui attribuant un pedigree sans doute trop spécifique pour qu’il puisse être flexible au-delà de sa destination programmatique.

Transformer les attendus du permis de construire ?

Comment proposer aujourd’hui la reconversion d’un bâtiment de bureaux R+5 de 18 mètres d’épaisseur en logements ? Comment envisager la transformation d’un hôpital en école ? Pour forcer une mutation de nos stéréotypes, n’y a-t-il pas lieu d’inciter les architectes à fournir d’emblée la faisabilité d’une autre destination programmatique de leur commande ? Ne pourrait-on imaginer que l’étape du permis de construire soit l’occasion de faire la preuve que l’intelligence géométrique de tel bâtiment de bureaux rend possible sa reconversion en logements dans quinze ans ?

Cette condition de durabilité supposerait aussi de revoir nos conservatismes normatifs (règlement de sécurité spécifique à chaque programme, par exemple).

Honoraires ~ surfaces ?

La vie économique des concepteurs se fonde sur le volume et la surface des travaux. Devant notre gabegie spatiale, ne serait-il pas justifié de refonder les méthodes de calcul des honoraires afin que, dans l’esprit du concepteur, la valeur ajoutée ne soit plus associée à la masse mais à la qualité et à la durabilité potentielle de nos intelligentes conceptions ?

Sillages énergétiques Géométries urbaines solaires

Rappel sur l’architecture bioclimatique Le recours aux principes de l’architecture bioclimatique est souvent rappelé aux concepteurs lorsqu’il s’agit de parvenir à la définition de bâtiments énergétiquement vertueux. Cette grammaire sous-tend un jeu savant des volumes qui optimise le fonctionnement naturel du bâtiment pour des conditions climatiques données.

En matière de logement par exemple, cela suppose de privilégier au maximum les baies vitrées au sud afin de bénéficier d’apports de chaleur gratuits en hiver ; des systèmes de protection solaire extérieure réduisent conjointement le flux incident hors de la période de chauffe.

Qu’en est-il cependant quand l’horizon est partiellement masqué du côté méridional1 ? Comment parvient-on à répartir de façon équitable le droit au soleil lorsqu’il s’agit de constituer un fragment de ville ? Comment passe-t-on de l’optimum individuel à la maximisation globale ? BedZed (Beddington Zero Energy Development),

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dessiné par l’agence de Bill Dunster, a fourni une première réponse en organisant les logements selon des barrettes orientées essentiellement est-ouest et dont l’épannelage en coupe nord-sud est tel que chaque barrette ne produit pas de masque en hiver à celle située en aval dans la direction septentrionale. Comment généraliser ce principe aux différentes formes urbaines ?

Le trait jaune représente l’angle solaire incident.

Le score solaire de cette permutation est de 62 %.

Au bout de 100 itérations, le score solaire passe à 77 % et la permutation est alors la suivante :

Au bout de 4 000 itérations, le score solaire passe à 78 % pour la configuration suivante :

Vers l’urbanisme bioclimatique ?

Le problème posé se résume dès lors à cette interrogation : pour un spectre urbain donné2, quelle forme urbaine se fait le moins d’ombre à elle-même ? Énoncé différemment, quel arrangement spatial des volumes permet de maximiser les apports solaires en période de chauffe ? Quelle grammaire morphologique est susceptible d’assurer un fonctionnement équitable du bioclimatisme ? Dans le cas d’une intervention au sein d’une morphologie déjà constituée et donc avec des conditions de masque données, quelle géométrie optimale maximise l’ensoleillement hivernal du programme ?

Premier exemple en coupe L’approche présentée ici évalue la forme urbaine potentiellement à même d’optimiser la récupération de chaleur directe par les façades sud pour une constitution de façade sud donnée. Est laissée de côté dans cette première analyse la capacité de récupération de chaleur et/ou d’énergie en toiture comme sur les autres façades.

Dans l’étude ci-dessous, nous recherchons l’optimum en coupe ; le problème est simplifié en coupe bidimensionnelle nord-sud. La profondeur de chaque élément bâti est de 12 mètres ; chaque étage fait 3 mètres de haut ; enfin, l’angle solaire incident est de 20° par rapport à l’horizontale. La densité bâtie testée est de 1,5 et la coupe ci-dessous donne l’état initial à partir duquel nous effectuerons les permutations successives pour comparer les scores solaires obtenus. Au fur et à mesure des itérations, l’algorithme conserve la coupe ayant obtenu le meilleur score scolaire (ratio de façades sud recevant le flux solaire direct).

Au bout de 10 000 itérations, le score est identique mais avec une configuration différente :

Cette configuration n’est pas sans rappeler la coupe fondatrice du quartier de BedZed. Exemple de généralisation en 3D Les images ci-dessous illustrent la généralisation tridimensionnelle de l’approche par permutation de masses bâties.

…Et les rues ne seront pas forcément orientées est-ouest Les calculs menés à partir des scores solaires attribués à des permutations aléatoires de masses bâties données sur une grille permettent : - d’obtenir des « sets » de morphologie de quartier qui maximisent potentiellement les apports solaires ; - d’analyser, selon une densité bâtie donnée, l’incidence du spectre urbain sur la performance solaire.

Il y a lieu de développer ces recherches au moyen d’algorithmes élaborés, issus des sciences de la complexité (par exemple algorithmes génétiques), pour peut-être

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en déduire des règles de prospect associées à une situation géographique donnée.

Ce type de démarche « totalitaire » peut effrayer de prime abord les tenants d’une approche classique du projet urbain. Pourtant, il ne s’agit pas d’inféoder la pensée de la ville au diktat géométrique de la cinématique solaire. Voilà d’abord un outil supplémentaire d’arbitrage sur les choix de tracés. À titre d’exemple, lors de l’agrandissement du quartier Vauban à Fribourg, les habitants souhaitaient organiser les extensions de logements en privilégiant les orientations nord-sud. La ville en a décidé autrement ; la contrepartie est que les logements ne peuvent plus atteindre le niveau PassivHaus, du fait d’une moins bonne récupération des apports solaires hivernaux.

Neutralité énergétique vs. densité du bâti

Vêtements été-hiver

À l’aube de la réactivité de l’enveloppe des bâtiments (une doudoune hermétique pour l’hiver, un tee-shirt respirant l’été), y a-t-il lieu de préfigurer la ville-parapluie, qui augmenterait sa compacité en saison froide ?

Il faudrait pour cela convoquer les utopies de Richard Buckminster Fuller (Manhattan sous une cloche à fromage) et de Frei Otto (habitats polaires), voire l’expérience de Biosphère II ou l’univers sous bulle de Globalia narré par Jean-Christophe Ruffin. Mais ces schémas ne contiennent-ils pas des relents d’eugénisme et de préfiguration de sociétés confortablement totalitaires ?

© R. BUCKMINSTER FULLER

Il subsiste un étrange paradoxe quant au discours sur la densité : plus le tissu bâti est dilué, plus la surface offerte aux éléments – et particulièrement le soleil – est importante pour un mètre carré utile3… Énonçons différemment le problème : imaginons une tour tertiaire installée dans la bande tropicale, où, pour simplifier, le flux solaire est principalement au zénith ; la récupération d’énergie renouvelable s’effectue alors nécessairement en toiture4. Figurons-nous aussi une récupération très efficace de l’énergie solaire grâce à une toiture de type héliothermodynamique5, avec une trigénération convertissant 25 % du flux en électricité, 25 % en froid et 25 % en chaud. Rêvons alors d’une capacité de stockage de ces différentes productions d’énergie.

Plafond de la neutralité énergétique Nous voyons alors apparaître une limite théorique à l’autosuffisance énergétique du bâti qui, dans cette approche très optimiste, plafonne à une vingtaine d’étages au maximum ! L’éolien peut fournir un appoint mais cela suppose d’y dédier une très importante surface en élévation ; or, ajouter une dizaine d’étages aux vingt précédents implique d’augmenter encore la hauteur de la tour afin d’y loger des aérogénérateurs.

Le coût en CO2 Reculer la traduction du besoin en consommation énergétique

Définir de sobres accouplements programmatiques Les nouvelles mixités offrent l’occasion de faire des « déchets » thermiques des uns les intrants climatiques des autres. Nous savons par exemple qu’il est efficace d’adosser des logements principalement orientés au sud à des bureaux exposés au nord. En hiver, la chaleur nécessaire au confort nocturne dans l’habitat est transférée aux bureaux dès le matin ; la chaleur des bureaux associée à leur activité est ensuite retransmise aux logements en début de soirée.

Dans la bande tropicale, le flux solaire annuel horizontal est de l’ordre de 2 000 kWh/m2/an6. Nous disposons donc d’une production de 500 kWh par mètre carré de toiture dans les conditions énoncées ci-dessus. Figurons-nous aussi que la tour est très sobre et que chaque mètre carré de plancher ne requiert que 25 kWhEF/an pour chaque type d’énergie.

La logique Nous sommes de fait dans une approche autiste de satisfaction de nos besoins climatiques : chaque besoin est traduit individuellement en consommation énergétique. Si nous additionnions nos besoins au préalable, la somme du froid et du chaud conduirait nécessairement à une traduction énergétique plus faible que lors de l’addition des deux traductions en énergie finale. C’est finalement une grande chance que les besoins soient une valeur algébrique !

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Agréger les optimisations

Prenons l’exemple de la simple conjugaison des relations logement-travail et de leurs émissions en CO2 pour lire le poids de notre mobilité. Nous sommes en 2010.

Conclusion Pour l’énoncer différemment, les nouvelles mixités sont l’occasion de redémontrer la véracité de l’inégalité triangulaire /x+y/ ≤ /x/+/y/.

Pierre Prius Pierre habite Montreuil ; il rejoint chaque jour son tout récent bureau « carbone-neutre », distant de 25 kilomètres, avec sa Prius qui émet moins de 100 grammes de CO2/km. Les émissions de CO2 annuelles de Pierre pour aller et revenir de son lieu de travail sont, en première approche, de 1 000 kg7. Soit, à titre de comparaison, près du sixième des émissions annuelles moyennes d’un Français.

De nouveaux réseaux ?

Mutualiser la production de chaleur solaire Tout, encore une fois, est affaire d’ordre de grandeur…

Imaginons un quartier dont les besoins chauds des logements sont de l’ordre de 30 kWhTH/m2HAB/an (hypothèse constructive deux fois moins contraignante que le PassivHaus). Si la surface moyenne des logements est d’environ 70 m2, les besoins annuels en chauffage de chacun d’eux sont alors d’environ 2 000 kWhTH/an.

Sous nos latitudes, le flux solaire annuel reçu sur un plan vertical orienté au sud est d’environ 700 kWh/m2/an.

Si nous imaginons de coupler des capteurs thermiques à haut rendement avec un volume de stockage adéquat, 3 m2 de capteurs et 30 m3 d’eau suffisent à produire et à stocker la pile thermique nécessaire aux besoins annuels de chaleur pour un logement.

Château d’eau solaire À l’échelle d’un quartier comportant 100 maisons, une tour solaire de 30 mètres de haut et occupant en plan un carré de 10 mètres assurerait alors la production solaire et le stockage pour tout le quartier…

Paul Hairatépé Paul habite Vincennes et rejoint tous les jours en RER son bureau situé dans une tour des années 1970 à La Défense. La tour est de conception ancienne et mal entretenue ; un audit carbone a récemment montré qu’elle émettait près de 40 kg de CO2/m2/an pour assurer un confort hygrothermique de qualité moyenne à ses occupants. Le bilan de Paul pour son métro-boulot est donc d’environ 500 kg de CO2/an8.

Moralité Bâtissons nos réseaux de mobilité peu émetteurs de gaz à effet de serre avant d’imaginer du bâti à faible empreinte environnementale.

----------------------------------------------Imaginer des réseaux d’eau tiède Reste alors à implémenter un réseau d’eau tiède assurant par exemple un chauffage par le sol de l’ensemble des 100 logements.

Notes 1. Dans l’hémisphère Nord !

2. La représentation du pourcentage relatif d’emprise au sol des bâtis de hauteurs différentes. Pour une forme urbaine étalée, un spectre urbain serait par exemple : sol>75 %, R+0>13%, R+1>10% et R+2>3%.

3. Le ratio surface SHON/surface toiture est globalement croissant avec la densité.

4. Les récupérations en façades est et ouest sont faibles puisque le soleil, dans la bande tropicale, passe très rapidement de l’horizon au zénith.

5. Par exemple, les miroirs cylindro-paraboliques ou miroirs de Fresnel.

6. À Paris, le flux solaire horizontal est de l’ordre de 1 100 kWh/m2/an.

7. 10 m2 x 0 kg de CO2/m2/an + 25 km/aller x 2 x 200 jours x 100 gr de CO2/km.

8. 10 m2 x 40 kg de CO2/m2/an + 25 km/aller x 2 x 200 jours x 10 gr de CO2/km.

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2007 So Watt, du design dans l’énergie Exposition du concept et de la maquette de Wind-it par Elioth et Encore Heureux.

Hors-série coédité avec Beaux-Arts Magazine.

Exposition à l’Espace EDF Electra du 25 mai au 9 septembre 2007.

Extrait du communiqué de presse de l’exposition : « Qui peut aujourd'hui imaginer vivre sans électricité ? Indissociable de notre quotidien, il faut pourtant commencer à la préserver. Comment adopter un comportement plus économe et raisonné alors que l'électricité est parfaitement immatérielle, invisible, impalpable? C'est à cette question que plus de trente designers venus du monde entier - Bless, Solarlab, 5.5 designers, Positive Flow…- tentent de répondre au travers d'une cinquantaine de projets. Les six thématiques qui composent l'exposition permettent de créer un rapport responsable à la consommation de l'énergie électrique. Grâce au design, celle-ci devient visible, tangible et inspire de nouvelles esthétiques. […]

Des objets attirants, étonnants, intelligents. So Watt ! permet de découvrir des projets pour la plupart prospectifs, parfois utopiques, certains déjà produits.

Elle montre qu'il y a de plus en plus de créateurs qui s'intéressent à la question de l'énergie, qu'elle suscite déjà des projets et que beaucoup reste à inventer... Si les approches et les propositions formelles sont très diverses, une chose est sûre, les objets porteurs d'un autre rapport à l'énergie doivent être attirants, étonnants, intelligents. […]

Les créateurs présents dans l'exposition (Afrique du Sud, Allemagne, Canada, Etats-Unis, Hollande, France, Grande-Bretagne, Italie, Pays-Bas, Russie, Suède), Art Lebedev (Yegor Zhgun), Gilles Belley, Bless, François Brument, Design Council (Colin Burns, Jude Codner, Kirstie Edmunds, Nick Morton, Robin Murray, Chloe Myers, Chris Vanstone and Jennie Winhall), Diy Kyoto, EDF Design, Elioth + Encore Heureux, Eton Freeplay, Front, Giffin'Termeer, Horizon Fuell Cell, Michael Jantzen, Magenn, Bruno Martinet, Normal Studio, O2 France, Elodie Poidatz, Positive Flow, Radi Designers, François Roche, Solarlab, Static! (Christina Öhman, Ramia Mazé, Sara Backlund, Anders Ernevi, Anton Gustafsson, Magnus Gyllenswärd, Sara Ilstedt, Hjelm, Margot Jacobs, Andreas Kvarnström, Mattias Ludvigsson, Andreas Lykke-Olesen, Ulrika Löfgren, Samuel Palm, Johan Redström, Damian O'Sullivan, Skysails, Solarjo, Alexandre Tonneau, Vincent Vandenbrouck, 5.5 Designers. »

| Catalogues d’exposition.

Avec ingéniosité, les designers apportent des solutions incroyablement simples ou remarquablement évoluées. On a choisi ici de se situer du côté du désir, de motiver par l'envie les changements nécessaires. Et sur ce point, le design a un rôle important à jouer. On peut s'attaquer à la question de la maîtrise énergétique et du développement des énergies renouvelables en faisant évoluer la perception de la contrainte et en la transformant en opportunité de création.

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| Catalogues dâ&#x20AC;&#x2122;exposition.

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2014 L'Architecture d'Aujourd'hui Menard R., interview de Raphaël Ménard par Tony Côme, pp128-131, L'Architecture d'Aujourd'hui, numéro 400, mai 2014.

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Relecture de l’Architecture d’Aujourd‘hui de juillet 1936, consacrée à l’électricité dans le bâtiment. Interview par Tony Côme, traduite en anglais.

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2013 Tracés Menard R., Les Infrastructures Solaires Urbaines, Dossier « Vers la ville symbiotique ?

Valoriser les ressources cachées », Tracés, novembre 2013.

Article de quatre pages en français comportant dessins et graphiques de l’auteur. Ce document fait suite à la conférence donnée en septembre 2013 à Neuchâtel, en Suisse, dans le cadre du symposium Forum .13, association Ecoparc, intitulé « Vers la ville symbiotique ? Valoriser les ressources cachées ».

| Articles.

Ce texte résume une partie des résultats de recherche issus de Réforme (programme Ignis Mutat Res) et tout particulièrement, la dernière partie, les Métamorphoses. Cet article rend hommage aux travaux et réflexions de Fuller, Meadows et Friedman. Les illustrations de l’auteur montrent les organisations fondamentales des « Infrastructures Solaires Urbaines ».

F

Les infrastructures solaires urbaines

134/188

Raphaël Ménard U PHQDUG#HOLRWK IU!

« De plus en plus d’ingénieurs participent à des processus techniques dont ils ignorent le fonctionnement, mais qui ruinent le monde. » Bernard Stiegler LES ÉNERGIES DE NOTRE SPACESHIP EARTH1

Il y a un peu plus de deux siècles, la quasi-totalité de l’énergie consommée par l’humanité était fournie par des formes directes ou dérivées de l’énergie solaire. Une civilisation du Ciel. En cette première moitié du 21e siècle, la quasi-totalité de la consommation mondiale d’énergie LZ[ PZZ\L KL UVZ Z[VJRZ ! JOHYIVU NHa Wt[YVSL MVZZPSLZ nucléaires. Notre fugace civilisation du Sol. 3H ÄU PUtS\J[HISL KL UVZ YLZZV\YJLZ MVZZPSLZ [LYYLZ[YLZ

1

imposera une imparable égalité entre débit (notre consommation d’énergie) et crédit (notre production d’énergie). Il n’est pas question ici de déterminer si cette rareté surviendra en 2020, 2050 ou le prochain siècle : cela arrivera (et nous n’avons pas vocation à ouvrir cette KPZJ\ZZPVU ( SVUN [LYTL Yv]VUZ K\ QV\Y V UV[YL WYVK\J[PVU YLUV\]LSHISL KL]PLUKYH L_JtKLU[HPYL " UV\Z HTIP[PVUULYVUZ HSVYZ KL YLJVUZ[P[\LY SLZ Z[VJRZ HU[tYPL\YZ " la transmission du patrimoine énergétique sera préservée et les batteries de notre Spaceship Earth YLNVUÅtLZ DYNAMIQUE DES SYSTÈMES

;V\Z SLZ Å\_ UtJLZZHPYLZ n SH ]PL L[ n SH ZVJPt[t WL\]LU[ se décrire en débit, en crédit et en stock : eau, énergie, matières, population, économie, pollution...

2

C’est sur la base de ce schéma métabolique, et dans le cadre d’une commande du Club de Rome, que S»tX\PWL LTTLUtL WHY SLZ 4LHKV^Z H]HP[ tSHIVYtL LU 1972 le modèle systémique conduisant aux différents scénarios du rapport devenu célèbre (et récemment traduit en français), Les Limites de la Croissance (dans un TVUKL ÄUP 2.

Comment ces contributions prospectives se sontelles traduites dans l’architecture et l’urbanisme ?

Hormis le Spaceship Earth de Fuller, sauf les utopies de @VUH -YPLKTHU S»OPZ[VPYL YtJLU[L WYtZLU[L WL\ K»L_ emples de remise en cause radicale de l’art et de la pensée de la construction, en phase avec la prise de

3

conscience des limites planétaires.

Au terme de cet aperçu, nous dévoilerons les principes structurants d’une prospective typologique et morphologique : les infrastructures solaires urbaines (ou ISU).

Après dix ans d’inventions et d’expérimentations JOLa ,SPV[O H\_ MYVU[PuYLZ LU[YL HYJOP[LJ[\YL ZJPLUJLZ et technologies, il s’agira d’illustrer les patterns formels issus des premiers résultats de notre équipe ReForMe, dans le cadre du programme de recherche Ignis Mutat Res3. Nous introduirons le lien entre limites globales et WYVQL[ SVJHS 5V\Z VWtYLYVUZ KLZ aVVTZ Z\JJLZZPMZ KLW\PZ SH WYVIStTH[PX\L WSHUt[HPYL Q\ZX\»n KLZ Z[YH[tNPLZ de réponses contextuelles. Il s’agira peut-être de révéler 6

TRACÉS dossier | 11.2013

1 Les ISU : infrastructures solaires urbaines comme élément de vision pour 2050.

2 Courbe schématique de la « solarisation » de notre production d’énergie au cours des âges. Trois transitions énergétiques en l’espace de trois siècles avec leurs variations rapides entre valorisation du solaire récent (l’offre) et ponctions dans le solaire ancien (le stock).

3 L’équation de la permanence énergétique.

135/188 les prĂŠmices dâ&#x20AC;&#x2122;un champ disciplinaire hybride : la gĂŠonergie (entre ĂŠnergie et gĂŠographie).

Quâ&#x20AC;&#x2122;est-ce quâ&#x20AC;&#x2122;une ISU ? Elle matĂŠrialise une renaissance de lâ&#x20AC;&#x2122;espace urbain qui maximise autoproduction et stockage dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie, en cohĂŠrence avec un bassin versant ĂŠnergĂŠtique remembrĂŠ4.

Lâ&#x20AC;&#x2122;Ă&#x2030;NERGIE Ă&#x20AC; Lâ&#x20AC;&#x2122;Ă&#x2030;CHELLE-MONDE

VoilĂ deux siècles que lâ&#x20AC;&#x2122;humanitĂŠ a entamĂŠ trois transitions ĂŠnergĂŠtiques fondamentales : La première associĂŠe Ă lâ&#x20AC;&#x2122;avènement de la rĂŠvolution 4

industrielle : lâ&#x20AC;&#x2122;humanitĂŠ sâ&#x20AC;&#x2122;est progressivement dĂŠsolarisĂŠe en dĂŠcouvrant puis en exploitant les stocks de solaire ancien (de 1800 Ă 1880, en passant du bois au charbon). Une deuxième pĂŠriode donnant lâ&#x20AC;&#x2122;illusion dâ&#x20AC;&#x2122;une permanence ĂŠnergĂŠtique en puisant massiveTLU[ KHUZ SL ZVSHPYL HUJPLU KL n LU HQV\[HU[ NHa L[ Wt[YVSL n UVZ TP_ 5V\Z UV\Z HWWYv[VUZ n ]P]YL SH [YVPZPuTL [YHUZP[PVU LU t[HU[ JVUMYVU[t n SH Ă&#x201E;UPtude du stock : lâ&#x20AC;&#x2122;atterrissage vers un nouveau rĂŠgime permanent reste Ă inventer alors que le degrĂŠ de solarisation de lâ&#x20AC;&#x2122;humanitĂŠ est devenu très faible.

Les quantitĂŠs dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie

,SSLZ ZLYVU[ L_WYPTtLZ LU >H[[ L[ JL HĂ&#x201E;U KÂťv[YL OVTVNuUL H]LJ SH [VPZL KL SH :VJPt[t n ^H[[Z5. Rappe5

lons que cette dĂŠmarche, initiĂŠe en Suisse, consiste Ă KtĂ&#x201E;UPY SLZ Z[YH[tNPLZ \YIHPULZ L[ SLZ [YHUZMVYTH[PVUZ KLZ usages permettant de diviser par environ trois la consommation primaire dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie par individu6.

Flux tendu

Nous ĂŠvoquerons la question du stock, de la ÂŤ quantitĂŠtampon dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie Âť permettant dâ&#x20AC;&#x2122;assurer une disponibilitĂŠ ĂŠnergĂŠtique dans un certain voisinage de temps et dâ&#x20AC;&#x2122;espace. ( [P[YL KÂťPSS\Z[YH[PVU YL[LUVUZ X\ÂťH\QV\YKÂťO\P L[ n lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchelle de nos logis, nos rĂŠserves domestiques sont

6

7

[YuZ MHPISLZ ! WV\Y SH JOHSL\Y UV[YL IHSSVU KÂťLH\ JOH\KL " WV\Y SL MYVPK SÂťPULY[PL Z[VJRtL KHUZ UV[YL YtMYPNtYH[L\Y " WV\Y SÂťtSLJ[YPJP[t SLZ X\LSX\LZ ^H[[ OL\YLZ Z[VJRtLZ dans nos portables : quelques heures dâ&#x20AC;&#x2122;autonomie tout au plus. En dernier recours, nous pourrons brĂťler nos livres et la table de la salle Ă manger pour subvenir Ă des besoins ultimes de chaleur !...

Notre robustesse dâ&#x20AC;&#x2122;approvisionnement est donc PUL_PZ[HU[L 5V\Z JVUZVTTVUZ LU Ă&#x2026;\_ [LUK\ " SH WH[OVlogie est semblable Ă lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchelle urbaine.

1

4

6

RĂŠfĂŠrence Ă Buckminster Fuller et Ă la popularisation de cette expression suite au titre de son ouvrage Operating Manual for Spaceship Earth, paru en 1968. +VULSSH 4LHKV^Z +LUUPZ 4LHKV^Z 1VYNLU 9HUKLYZ ,KP[PVU 9\L KL lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchiquier, mars 2012.

3H WYLTPuYL ZLZZPVU KL JL WYVNYHTTL KL YLJOLYJOL ZJPLU[PĂ&#x201E;X\L H]HP[ t[t SHUJtL LU Q\PU n SÂťPUP[PH[P]L K\ TPUPZ[uYL KL SH *\S[\YL L[ KL SH communication, du ministère de lâ&#x20AC;&#x2122;Ecologie, du dĂŠveloppement durable et de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie et de lâ&#x20AC;&#x2122;Atelier international du Grand Paris. Equipe ReForMe : 9HWOHwS 4tUHYK YLZWVUZHISL ZJPLU[PĂ&#x201E;X\L ,SPV[O " 4H\YPaPV )YVJH[V YLZWVUZHISL PUZ[P[\[PVUULS ,UZH 7HYPZ 4HSHX\HPZ .:( " 7HVSV *P\JHYLSSP +LUZP[` +LZPNU 3HI " @]LZ *VJOL[ " (SHPU +LY]PL\_ ,5:(7) L[ ,5:7= Au sens agricole du terme.

7V\Y JVU]LY[PY SH ]HSL\Y LU R>O PS Z\MĂ&#x201E;[ HSVYZ KL T\S[PWSPLY WHY heures par an). Comme premier ordre de grandeur, 2000W câ&#x20AC;&#x2122;est environ la quantitĂŠ dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie solaire reçue par 10 Ă 15 m² de la surface du globe.

En 2009, la consommation moyenne dâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie primaire ĂŠtait dâ&#x20AC;&#x2122;environ 5500W par Français et 5700W par citoyen helvète.

7e ĂŠdition du Forum Ecoparc

4 Un exemple des rendements nĂŠcessaires en fonction de la densitĂŠ pour assurer lâ&#x20AC;&#x2122;autonomie ĂŠnergĂŠtique complète et pour une sociĂŠtĂŠ Ă 2000W. En zone dense, la technologie pourra diďŹ&#x192;cilement nous sauver et promettre lâ&#x20AC;&#x2122;autonomie ĂŠnergĂŠtique en zone dense ! Notons que pour une sociĂŠtĂŠ Ă 6000W, les valeurs de rendement seraient triplĂŠes.

5 ReprĂŠsentation du mĂŠtabolisme de lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠnergie Ă lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠchelle globale. Le ďŹ&#x201A;ux constant de rayonnement solaire sur la terre est de lâ&#x20AC;&#x2122;ordre de 80 000TW alors que la consommation de combustible fossile correspond Ă une puissance moyenne de 15TW. Près de 90% de notre production primaire est dâ&#x20AC;&#x2122;origine fossile, et provient donc du stock.

Nous ne convertissons quâ&#x20AC;&#x2122;avec un rendement très faible les 80 000TW disponibles.

6 CorrÊlation de la densitÊ selon la latitude. Notons que la densitÊ du territoire helvÊtique est supÊrieure à celle de sa latitude moyenne. Le parallèle 34°N Êtait en 2010 le plus dense avec 125 habitants par km².

7 CorrĂŠlation de la consommation selon la latitude. La sociĂŠtĂŠ Ă moins de 2000W existe dĂŠjĂ â&#x20AC;Ś et elle habite entre -30 degrĂŠs et +30 degrĂŠs de latitude. Elle rassemble près de 60% de la moitiĂŠ de la population mondiale.

7

136/188 Un modèle systémique

toitures disparates, sans cohérence de taille et produi-

Nous développerons la problématique de l’énergie selon le

sant des ombres réciproques ? Le photovoltaïque dé-

triptyque suivant : offre, stock et demande. L’aveuglement

teste les masques partiels. Actualité récente, la publica-

contemporain persiste à décrire le cycle de l’énergie au tra-

tion du cadastre solaire de Paris a révélé que le potentiel

vers du binôme production-consommation, en confondant

maximum de toitures solaires était de 300 000 à

dans la production, les énergies renouvelables (l’offre) des

400 000 m² : soit 0,3% de l’aire urbaine ! Toitures, pignons

ponctions sur les réserves (le stock). Quelques carrés de

et refends de nos toits parisiens proposent une skyline

sucre et la population d’une fourmilière explose. Même

pittoresque mais fabriquent une géométrie globale peu

scénario pour la civilisation humaine lorsqu’elle a découvert

propice à la production énergétique. Ce chaos géomé-

puis exploité le stock de solaire ancien. Depuis la nuit des

trique de l’épiderme urbain est un point de départ de nos

temps, ce patrimoine énergétique avait été pourtant pa-

YtÅL_PVUZ Z\Y SLZ 0UMYHZ[Y\J[\YLZ :VSHPYLZ <YIHPULZ

tiemment distillé dans la chimie de nos sols.

Les énergies renouvelables sont très minoritaires ment moyen de conversion de la douche énergétique

OFFRIR, STOCKER, CONTENIR : LES TROIS PRINCIPES DES INFRASTRUCTURES SOLAIRES URBAINES

solaire reste excessivement faible : environ 0,5 TW soit

Les villes sont les sédiments de nos dissipations éner-

environ 75W par personne sur les quelques 2100W

gétiques : cette accumulation d’énergie grise s’est dé-

consommés en moyenne par un terrien au début du 21e

posée sur la topographie naturelle.

dans le tour de table planétaire de l’énergie. Le rende-

siècle. Il pleut WV\Y[HU[ LU TV`LUUL LU]PYVU > Tõ

6Y SH YtJVS[L LMÄJHJL Z\WWVZL \UL NYHUKL OVTVNtnéité du plan de référence. Maximiser les récoltes, cela

d’énergie sur la surface du globe.

L’essentiel de notre demande est assouvie par le prélè-

suppose de prendre le ciel comme topographie origi-

vement sur nos stocks. Tant vis-à-vis des exutoires en-

ULSSL )HZLSP[a WLPU[ ZLZ WVY[YHP[Z n S»LU]LYZ " SLZ 0:<

gendrés par ce mix (émissions de CO2 et autres polluants)

créent la ville de la même manière. Les ISU renversent

que face à la déplétion des stocks, il y a donc urgence à

SL WSHU KL YtMtYLUJL 3L WSHU OVYPaVU[HS U»LZ[ WS\Z \UL

resolariser notre vaisseau terrestre. Pour parvenir à cet

équipotentielle de pesanteur : il est l’orthogonale à la

VIQLJ[PM PS MH\KYHP[ X\L UV\Z WHY]LUPVUZ n JVU]LY[PY L[ L_-

captation de la douche solaire.

ploiter 0,07% de l’énergie solaire frappant la surface

Dès lors, la régularité géométrique des bandelettes

continentale7. Cela semble facile à l’échelle globale, mais

MH]VYPZLYH \UL JHW[H[PVU LMÄJHJL KLZ Å\_ tULYNt[PX\LZ

plus compliqué lorsque la population se concentre.

Ces bandes, dont la largeur sera comprise entre 5 et 30 mètres, pourront posséder des altimétries doucement

LA DENSITÉ NÉCESSAIRE

variables et permettre involutions et entrelacements.

Pour atteindre l’équilibre entre offre et demande énergé-

Leur largeur et la porosité lumineuse du tablier seront

[PX\L S»HPYL \YIHPUL LZ[ KVUJ [PYHPSStL LU[YL KL\_ VIQLJ[PMZ

évidemment adaptées pour la lumière naturelle.

contradictoires : proposer une densité raisonnée8 pour

*LZ IHUKLZ KL YtJVS[L WLYTL[[YVU[ K»HKHW[LY H\ ÄS

et dispo-

des âges la répartition du mix de production selon les

ser de la densité minimale et critique assurant « l’allu-

besoins (nourriture, électricité, chaleur) et selon les évo-

mage de l’urbanité ».

S\[PVUZ [LJOUPX\LZ +HUZ SLZ aVULZ V S»LUZVSLPSSLTLU[

assurer une autonomie énergétique

partielle9,

Dans un article publié en 201110, Eunhye Kim et Sabine

direct est important, la surface des ISU pourra aussi ac-

Barles ont mis en évidence que la distance moyenne des

cueillir des héliostats. Ces miroirs convergeront vers des

énergies primaires consommées dans Paris était supé-

clochers d’un nouveau genre : des concentrateurs so-

rieure à 4000 kilomètres. De fait, la plupart des métropoles

laires opérant la tri-génération : électricité, chaleur et

sont soumises à cette ultra-dépendance énergétique.

MYVPK ,UÄU LU MH]VYPZHU[ S»HJJuZ WV\Y S»LU[YL[PLU KLZ Yt-

stocks11

coltes, les bandelettes fabriqueront des parcours ur-

comme de la complexité des chaînes énergétiques mises

bains d’une nouvelle nature. Elles proposeront un nou-

en œuvre au cours des deux révolutions industrielles. Ce

]LS OVYPaVU H\_ JPYJ\SH[PVUZ KV\JLZ 3L\YZ ZV\ZMHJLZ

YtZLH\ ­ KLUKYP[PX\L ® JVUZ[P[\L \U YPZX\L THQL\Y KL YV-

abriteront les différents réseaux d’échange d’énergie :

bustesse d’approvisionnement. Comme nos habitats, les

électricité, eau chaude, biomasse, …

Elle est le résultat de la géographie des

villes n’ont pas d’autonomie. Certes, quelques stocks

La récolte suppose l’entreposage. Les fermes dis-

stratégiques d’hydrocarbures. Mais retenons que pour

posent de leur grenier. Les villes de demain devront ren-

ce qui concerne l’alimentation, l’autonomie alimentaire

forcer leur réserve énergétique et la disponibilité de

KL 7HYPZ LZ[ PUMtYPL\YL n [YVPZ QV\YZ *VTTLU[ TPL\_ PU[t-

leurs capitaux énergétiques. Stocker en ville suppose

grer les réserves énergétiques en ville ?

d’inviter un nouveau type d’éléments architectoniques

Le soleil est en haut, l’agriculture se récolte à plat :

servants. Ils seront les piles des ISU aux deux sens du

champs de céréales, maraîchage, etc. Il est aisé de

terme. Ballons d’eau chaude, volants d’inertie pour le

passer entre les sillons pour semer, récolter. Idem pour

stockage de l’énergie mécanique, silos à grain, batte-

nos récoltes électriques : champs photovoltaïques, mi-

ries électriques, stockage d’hydrogène, thermos d’eau

roirs paraboliques des centrales à concentration : il est

réfrigérée, … : toutes les denrées nécessaires. Stocker,

facile de passer entre les panneaux pour l’entretien12.

c’est aussi mieux conserver l’énergie grise et se prému-

*VTTLU[ YtJVS[LY LMÄJHJLTLU[ Z\Y \UL JVSSLJ[PVU KL 8

TRACÉS dossier | 11.2013

nir de l’obsolescence rapide du bâti. Ainsi, la dépense

137/188 énergétique induite par l’acte de construire sera amortie le plus longtemps possible.

Les ISU permettent autant l’architecture que l’intégra[PVU KL S»OHIP[H[ PUMVYTLS L[ KL S»H\[V HYJOP[LJ[\YL LU aVUL dense. Une partition pour la diversité des architectures.

Les ISU contiennent la demande d’énergie. Elles contrôlent offre et demande dans le périmètre de l’aire urbaine. L’altimétrie de référence des bandelettes sera MVUJ[PVU KLZ KLUZP[tZ WYVQL[tLZ KLZ [LUKHUJLZ K»t]VS\tion des consommations individuelles et de la solarisation programmée de la toiture. Ces paramètres fourniront le YtZ\S[H[ KL S»VIQLJ[PM K»H\[VUVTPL tULYNt[PX\L H[[LUK\ CONCLUSION

Les Infrastructures Solaires Urbaines offrent un champ nouveau d’explorations : typologie des franchissements, matérialité des infrastructures et topologies des bandes.

Elles proposent une trame pour régénérer des visions de transformations urbaines selon les limites physiques.

Elles interrogent nos usages en nous appelant à devenir peut-être demain une société de paysans urbains de l’énergie. Elles interpellent parallèlement la renaissance du couple énergétique ville-campagne : comment reprogrammer, remembrer la corolle productive extra-urbaine, le nouveau bassin versant énergétique, en lisière de la haute densité de demande. Géoénergie et infrastructures solaires urbaines sont d’abord des outils de débat L[ KL WYVQLJ[PVU X\P ZL MVU[ S»tJOV n S»H[[LU[L YtJLTTLU[ formulée par le physicien Etienne Klein13.

8

9

7

8 9 10

12 13

Exprimée différemment, l’énergie totale consommée par l’humanité sur une année correspond à peu près à la quantité d’énergie solaire frappant le sol d’un territoire de 100 000 km².

Densité mesurée à grande échelle en intégrant le territoire limitrophe de captation énergétique, notamment pour la production agricole.

Menard R., Dense Cities in 2050 : The Energy Option ?, Summer Study Proceedings, ,*,,, Q\PU WHNLZ The energy consumption of Paris and its supply areas from the eighteenth century to the present.

4PULZ K»\YHUP\T H\ 5PNLY W\P[Z KL Wt[YVSL H\ 4V`LU 6YPLU[ NHa KL 9\ZZPL¯ La production sur des plans verticaux est mauvaise, a fortiori dans la IHUKL [YVWPJHSL V ]P[ SH THQVYP[t KL SH WVW\SH[PVU TVUKPHSL Physicien, directeur de recherche au CEA. Les Echos, 28 août 2013, « Le progrès n’est plus vu comme un soulagement, mais comme un souci »

7e édition du Forum Ecoparc

8 Skylines urbaines comparées aux horizons des campagnes productrices (de haut en bas : champs de concentrateurs paraboliques, maraîchages et cultures sous serre, sylviculture).

9 Les bandes de récolte. Des techniques de production en surface adaptables dans le temps en fonction de l’évolution de la demande et des capacités techniques.

9

| Articles.

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2011 L'Architecture d'Aujourd'hui Menard R., Un Petit Dessin vaut mieux qu’un long discours (p64 à 71), Perspectives Durables, L’Architecture d’Aujourd’hui, 2011 Article de huit pages en français et traduit en anglais comportant dessins de l’auteur. Rédigé sous forme de dessins légendés, ces croquis et ces textes interpellent sur la nécessité d’innover pour les solutions d’intégration des énergies renouvelables en ville (le premier dessin montre un village dont le second clocher est en fait une tour solaire, concentrant l’ensemble des rayonnements issus des miroirs pilotés de chaque bâti).

| Articles.

Un autre dessin reprend une thématique déjà évoquée dans l’article de « Architecture = durable », celle du « plafond de positivité » : l’incapacité physique des bâtiments hauts à être à énergie positive.

L’article se termine par une piste d’invention qui reste à développer : la récupération de chaleur sur nos baignoires !

F

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Un petit dessin vaut mieux qu’un grand discours

A little drawing is worth more than a thousand words

Raphaël Ménard est ingénieur (X-Ponts) et architecte (DPLG Paris-Belleville). Il a débuté son activité professionnelle chez RFR en tant qu’ingénieurarchitecte en travaillant notamment sur les projets de la passerelle Simone de Beauvoir à Paris et sur la conception de la verrière de la gare de Strasbourg.

Depuis 2003, il fonde et dirige Elioth au sein du groupe Iosis (1.100 personnes, leader ingénierie bâtiment), et intervient notamment sur l’éco-conception et l’ingénierie complexe comme la R&D (Montagnes solaires, Wind-it, stockage solaire intersaisonnier, Clim’Elioth, projets ANR, etc.). Il dessine et commente pour ‘A’A’ les attentions et orientations en matière énergétique capables d’accompagner une conception et un usage sensés.

Raphaël Ménard is an engineer (X-Ponts) and architect (DPLG Paris-Belleville). He began his career at RFR as an architect-engineer and worked in particular on projects for the Simone de Beauvoir footbridge in Paris and on the design of the glass façade at the Strasbourg railway station.

In 2003, he founded and became director of Elioth in the Iosis Group (1,100 employees, leader in building engineering). His work focusses in particular on eco-design and complex engineering such as R&D (solar mountains, Wind-it, interseasonal solar energy storage, Clim’Elioth, projects for the ANR (national research agency, etc.). For ‘A’A’, he draws and comments on the latest energy ideas and guidelines to provide assistance for sensible design and use.

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Les Energies Renouvelables en ville Les post-it photovoltaïques ou solaires thermiques comme solution unique des énergies renouvelables en ville ? Dans le zoo des technologies solaires disponibles, fiables et rentables, figurent l’héliothermodynamique et les différentes techniques de concentration optique du flux solaire : centrales à tour, concentrateurs linéaires paraboliques, etc.

Renewable energy in cities Should photovoltaic or solar thermal “Post-its” be used as the only renewable energy solution in cities? In the plethora of available, reliable and financially viable solar energy technologies, we can list helio-thermodynamics and the various solar optical concentration techniques such as solar power towers and linear parabolic concentrators.

Pourquoi ne pas réfléchir à l’adaptation urbaine des magnifiques centrales solaires à tour ? Bravo à Solucar (1) mais pourquoi perdre toute la chaleur produite en se cachant dans les déserts ?

100% solaire = ~ 20% électrique et le reste en chaleur. Intégrées de façon urbaine – et dans les situations climatiques où la part d’ensoleillement direct est intéressante –, c’est l’assurance de la tri-génération : électricité, froid et chaud. Équiper les toits d’héliostats (de simples miroirs couplés à un système suiveur) : les citoyens concentrent leur rayon sur un même foyer. Au pied de la tour, le départ d’un réseau d’électricité, de chaleur et de froid.

Why not consider adapting our wonderful solar power towers for urban uses? Well done Solucar (1) but why lose all the heat generated by hiding away in the desert? 100% solar power = ~ 20% electricity and the rest as heat. When incorporated in an urban setting, and in climatic locations where the share of direct sunshine is considerable, tri-generation (electricity, cold and heat) is more than possible.

Fitting roofs with heliostats (simple mirrors combined with a tracking system), citizens concentrate their rays on a single focus. At the foot of the tower begins a network of electricity, heat and cold.

1. Parc solaire situé dans les environs de Séville comportant deux centrales à tour PS10 et PS20.

PS10 dispose d’une puissance de production électrique de 11MW avec 624 héliostats.

2. In Foule sentimentale : « On nous inflige des désirs qui nous affligent ».

1. Solar power plant located in the outskirts of Seville including two solar power towers, PS10 and PS20. PS10 produces electrical power of 11 MW with 624 heliostats.

2. In the song ‘”Foule sentimentale”: “On nous inflige des désirs qui nous affligent” (they force upon us the desires that plague us).

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La Ville Basse Consommation Ré-inventer les services publics ? Un chariot festif qui « met à jour » la thermique d’une rue en moins d’un mois ? L’easy-rénovationénergétique prise en charge par un service de l’État compétent, réactif et volontaire : la Ville à Basse Consommation, c’est pour tout à l’heure...

Piles thermiques De l’intérêt du stockage thermique intersaisonnier couplé à une production solaire. Vers de nouveaux totems urbains – résurgence écotechnos des châteaux d’eau (cf. la proposition Elioth-Iosis pour le quartier Bel Air de Montreuil) à l’échelle de l’îlot qui produisent et conservent la chaleur ? Des micro-réseaux de chaleur urbains à faible intensité de chaleur où les « connectés » achètent et revendent leur chaleur ou leur fraîcheur.

Low-consumption cities A new look for public services? Buildings on wheels, offering mobility that “updates” a street’s thermal energy in less than a month?

“Easy-energy-renovation” provided by a competent, responsive and determined government department: low-consumption cities are just around the corner...

Thermal fuel cells Here’s a great idea: inter-seasonal thermal storage combined with solar power production. A move towards new urban totem poles. A clean technology take on water towers (see Elioth-Iosis’ proposal for the Bel Air district of Montreuil) on the scale of an island that produces and retains heat. Micro-networks of low-intensity urban heat where those “connected” buy and sell their heat or cold.

Vers la décroissance automobile ?

La fin des dinosaures – les SUV et autres CrossOver, les monospaces et les 4x4 ? L’impasse de l’hyperconfort et finalement de l’hypermoi (la mode du premium et toutes ces bêtises). A-t-on réellement besoin de vitres et de sièges électriques par exemple ? La fin de la militarisation de l’espace public : des objets qui en reprennent sinon la morphologie voire l’aspect (exemple la couleur mate disponible de la dernière création de Zuffenhausen, par exemple) : le citoyenautomobile se blinde dans son énorme bouclier de métal prenant la forme agressive du Sport Utility Vehicule.

Towards vehicle decline?

The end of the dinosaurs – SUVs and other crossovers, minivans and 4x4s? The dead end of “hyper-comfort” and ultimately of the “hyper-me” (the “premium” trend and all that nonsense). Do we really need electric windows and seats for example? The end of this “militarization” of public areas: objects that take on its shape, and even appearance (such as the dark colour of the latest Zuffenhausen creation): the citizen-automobile is protected behind an enormous metal shield which takes on the aggressive shape of the sport utility vehicle.

Ou comment, en 50 ans, l’automobile a au moins doublé son poids moyen et son emprise spatiale sur l’espace public : la sécurité a définitivement trop bon dos (et l’aphorisme de Souchon n’est pas loin (2)) Rappel des faits : - 1950, 2CV Citroën, 600kg, 5m² au sol et 25 chevaux.

- 2010, Audi Q7, 2.500kg, 10m² au sol et 300 chevaux.

In 50 years, cars have at least doubled in average weight and in the amount of public space they take up: how convenient it is to blame safety (and singer Alain Souchon’s aphorism isn’t far off (2)). Here’s a quick recap: - 1950, Citroën 2CV, 600 kg, floor coverage of 5 m² and 25 HP. - 2010, Audi Q7, 2500 kg, floor coverage of 10 m² and 300 HP.

La puissance de feu des nos projectiles automobiles n’en finit pas de croître. A quoi donc ont pensé les constructeurs hormis à rendre nos désirs obèses ?

The fire-power of our automotive projectiles is endlessly on the rise.

What are the manufacturers thinking of, except making our desires suffer from obesity?

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Aujourd’hui, l’émergence des hybrides, les sorties (trop) tardives de la voiture électrique, la mode en cours sur le downsizing des moteurs : on repense à l’efficacité (conversion du besoin en énergie finale). Mais le vrai sujet est d’abord : matière = alléger espace = compacter temps = mutualiser

Today, the emergence of hybrids, the (too) late release of electric cars, the current trend of engine downsizing leaves us to reconsider efficiency (conversion of the final energy requirement). Yet the real issue is above all: material = make lighter space = make more compact time = pool time

Rêvons à la victoire des Midgets japonaises, à l’arrivée sur le marché de l’Aptera, à la résurrection de Colin Chapman (les Lotus et leur fabuleux rapport poids-puissance) et d’Alec Issognis (la merveilleuse compacité de la première Mini). Heureusement le génial Gordon Murray va nous sauver avec sa T25 !

Let us dream of the victory of the Japanese Midgets, the launch of the Aptera, the resurrection of Colin Chapman (the Lotus and its fabulous power-to-weight ratio) and of Alec Issognis (the wonderful compactness of the first Mini). Thank goodness our genius Gordon Murray is here to save us with his T25!

Potentiels de ligne : vers les infrastructures à énergie positive ou dès que l’homme habite le paysage, rendre productif l’artifice...

Infrastructures statiques : pylônes THT à équiper d’éoliennes sur le site venteux (cf. développement industriel de Wind-it XL en cours par Elioth avec Encore Heureux, modèle de 200kW). Toits solaires sur les futurs automotrices à grande vitesse : l’efficacité morphologique intrinsèque fait que, par grand soleil, la puissance-crête fournie par les panneaux en toiture compense les frottements d’air de l’AGV à 200 kilomètres par heure.

Line potential: working towards positive energy infrastructure As soon as people live somewhere, make it productive...

Static infrastructure: VHV pylons to be fitted with wind turbines on windy sites (see the current industrial development of Wind-it XL by Elioth with Encore Heureux, 200 kW model). Solar roofs on the future AGVs (high-speed self-propelled train carriages): the effectiveness of the inherent shape means that, in sunny spells, the peak power generated by the roof panels will offset the train’s air friction at 200 km/h.

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Asymptote d’autosuffisance Rappel 1 : l’énergie solaire se récupère d’abord sur un plan horizontal (et un petit peu en façade sud sous nos latitudes).

Rappel 2 : la récupération d’énergie éolienne en situation urbaine est assez compliquée.

Rappel 3 : la géothermie profonde permet tant la production d’électricité reste très confidentielle.

Conclusion préliminaire : pour réduire son empreinte énergétique en autoproduisant, le mieux, c’est d’avoir beaucoup de toiture. Aussi, plus on est haut, plus la surface de toiture rapportée à chaque mètre-carré de programme devient faible; dès lors le plafond de bâtiments neutres en énergie est rapidement atteint.

The asymptote of self-sufficiency Reminder 1: solar power is above all recovered on horizontal surfaces (and a little on southern-facing façades in France).

Reminder 2: wind power recovery in urban areas is quite complex.

Reminder 3: deep geothermy as a generator of electricity remains very limited.

Preliminary conclusion: the best way to cut one’s energy footprint through self-sufficiency is to have a lot of roof surface. Also, the higher up you are, the more the roof surface vis-à-vis each square meter of project decreases; the faster the ceiling of energy-neutral buildings is reached.

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L’après-Newman et Kenworthy En 1989, et après un travail de collecte de données de plus de dix ans, les chercheurs Newman et Kenworthy mettent en évidence la très forte corrélation entre densité urbaine et consommation annuelle de carburant par citadin : plus la ville est lâche, plus la dépendance à l’automobile augmente (et en effet on peut montrer théoriquement qu’elle est à peu près proportionnelle à d-0,5). [ci-dessous, graphique 1] Aussi plus la ville est dense, plus le bâti est assez certainement compact et donc les consommations de chaleur plus faibles. [graphique 2] Ainsi, il est facile de faire 1+2 = 3 pour asseoir scientifiquement l’écosuperpouvoir de la ville dense.

Mais attention : - à la spéculation foncière et à la perte de mixité sociale - à la perte du gisement d’autoproduction lorsque chaque citadin peut être associé à une surface de captation de flux. [graphique 4]

The post-NK era In 1989, after having collected data for more than 10 years, researchers Newman and Kenworthy demonstrated the very high correlation between urban density and the annual fuel consumption per city dweller: the lower the density of a city, the more dependent it is on automobiles (and we can demonstrate in theory that this is almost proportional to d-0,5). [diagram (1)] The higher the city’s density, the more its buildings are likely to be compact and therefore heat consumption to be lower. [diagram (2)] Therefore, it is quite easy to calculate (1)+(2)=(3) to establish scientifically the “eco-superpower” of dense cities.

Yet be careful of: - Real estate speculation and the loss of social mix - The loss of the source of self-generation when each city inhabitant can be associated with a flow capture surface. [diagram (4)]

Dans une étude en cours, je cherche à montrer que la densité raisonnée fournit peut-être l’optimum énergétique à venir, a fortiori lorsque la part de marché de la mobilité électrique aura dépassé la marginalité.

In a work in progress, I aim to demonstrate that reasoned density may provide the optimum energy for the future, all the more so when the market share of electric mobility will have increased from its current marginal status.

Extraits de publications / Extracts of publications: Naissances et renaissances de mille et un bonheurs parisien, J. Nouvel, J.-M. Duthilleul et M. Cantal-Dupart, Les éditions du Mont Boron, avril 2009/ Rédaction de « Introduction au développement durable », pp. 134-139.

EcologiK, n°10, août-septembre 2009, Dossier Efficacité énergétique, « En finir avec le casse-tête énergétique », article pp. 64-65.

Architecture = durable, catalogue de l’exposition du Pavillon de l’Arsenal, 2008, sous la dir. de Jacques Ferrier.

Rédaction de « Mutations des programmes », pp. 27-31.

A propos des Montagnes solaires, large revue de presse et citations dont articles dans Le Monde et Sciences&Vie. A propos de Wind’it, large revue de presse et citations dont TerraEco décembre 2009, Metropolis mai 2009, Popular Science août 2009, catalogue de l’exposition « So Watt », Techniques&architecture.

Construire durable, hors-série Le Moniteur, mars 2008, « Elioth, tête chercheuse de solutions constructives », « Instaurer une taxe carbone sur toutes les constructions », p. 154.

Collection, publication issue du workshop « À la recherche d’éléments imaginaires de l’architecture » organisé par Encore Heureux. Metavilla, Pavillon de la France, 10ème Exposition internationale d’architecture de Venise.

The Bercy-Tolbiac footbridge in Paris, Footbridge 2002, Paris, Henry Bardsley, R. Ménard, F. Consigny, Bernard Vaudeville.

Le Classement, Mode d’Emploi, Mémoire sur les organisations du savoir et les classifications bibliographiques, 67 p.

Mémoire sur le chaos quantique (Northeastern University, Boston), travail de fin d’études à l’École Polytechnique.

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Mon analyse de la valeur ou Vers l’éco-rénovation pour les Nuls Le « Changer d’ère » du bon docteur Ademe nous présente ses méthodes de vaccination énergétique. Au-delà de certaines rénovations longues, coûteuses et parfois aux résultats incertains, n’y a-t-il pas un gisement de micro-rénovations, d’écolo-bricolages qui nous permettraient de faire la chasse au gaspi avec une efficacité d’investissement redoutable ?

Condition nécessaire : un (très) bon diagnostic ou comment faire une simulation thermique dynamique pour tout le monde. La version web du Clim’Elioth est en cours : son interface et sa sortie graphique permettront un jour les arbitrages de tous les foyers (et/ou comment une bonne paire de doubles rideaux présente une très bonne efficacité d’investissement !).

Double flux sur l’eau On parle beaucoup de double flux pour récupérer nos calories perdues par le renouvellement d’air hygiénique... La consommation d’eau chaude dans les logements peut représenter la moitié de notre consommation chaleur. Et qu’advient-il de notre bain ou de notre douche à 35°C ? Une pompe à chaleur sous la baignoire (un sujet en cours chez Elioth).

RAPHAËL MÉNARD

My value analysis or Towards Eco-Renovation for Dummies The ADEME “Changer d’ère” (let’s move on) initiative presents its methods for energy improvements. In addition to some long-term renovations, which are expensive and sometimes give uncertain results, is there not a pool of micro-renovations, eco-friendly do-ityourself approaches that would help us to cut waste with a wonderful return on investment?

One necessary condition: a (very) good diagnosis or how to make a thermodynamic simulation for everyone. The web version of Clim’Elioth is under preparation: its interface and graphic output will one day enable arbitration for all households (or how a pair of curtains can provide an excellent return on investment!).

Dual flow for water We hear a lot about dual flows to recover our calories lost by hygienic air renewal... Hot water consumption in homes can represent half of our heat consumption. And what about baths or showers at 35°C? A heat pump under the bathtub (idea under study at Elioth).

RAPHAËL MÉNARD

| Articles.

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2009 Ecologik Menard R., En finir avec le casse-tête énergétique, (p64 et65), Ecologik, n°10, aout-septembre 2009.

| Articles.

Article de deux pages. Ce texte interroge la difficulté de traduire l’efficacité énergétique avec l’indicateur de la consommation annuelle exprimée en kWh d’énergie primaire par m².

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2014 Pour Wind-it Titre du brevet : « Structure de tour pour rotor d’éolienne à axe vertical. ».

2009 Pour Wind-it Titre du brevet : « Eolienne à axe de rotation perpendiculaire à la direction du vent. ».

Inventeur : Ménard R.

2006 Pour les Montagnes solaires Titre du brevet : « Equipement pour produire de l’énergie électrique ou mécanique. ».

Inventeur : Ménard R.

| Brevets.

L'invention concerne un équipement (1) pour produire de l'énergie électrique ou mécanique, du type comprenant un espace (4) défini par une couverture (8) d'une part et le sol (16) d'autre part, pour la production d'air réchauffé sous l'effet du rayonnement solaire, cet espace (4) s'ouvrant sur l'extérieur par au moins une entrée d'air (5) à la surface du sol (16) et par au moins un conduit d'évacuation d'air (6), l'équipement comprenant au moins une turbine (7) disposée entre ladite couverture (8) et ledit conduit d'évacuation d'air (6), ladite au moins turbine (7) étant destinée à transformer la puissance cinétique de l'air existant à la jonction dudit espace (4) et du conduit d'évacuation d'air (6) en énergie électrique ou mécanique, ledit équipement (1) étant caractérisé en ce que le conduit d'évacuation d'air (6) est formé par un conduit longeant au moins partiellement un relief naturel s'élevant au-dessus de l'espace (4).

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Extraits de revue de presse par projet.

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Depuis 2013 Autour de la verrière de la bibliothèque de Rennes Articles dans l’AMC et d’A (septembre 2013).

| Extraits de revue de presse par projet.

Ces articles décrivent la verrière de la Bibliothèque Universitaire de Rennes (architecte, Bruno Gaudin) et décrivent les apports d’Elioth pour ce qui concernent l’ingénierie de la structure en acier, de celle de l’enveloppe et du concept environnemental. Voir également l’article consacré aux recherches géométriques.

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Depuis 2009 Autour du Château d’eau du Bel-Air, pile thermique solaire Articles dans Télérama (mai 2009), Science & Vie (mai 2009), Ecologik (avril-mai 2009), Systèmes Solaires (mars-avril 2009).

| Extraits de revue de presse par projet.

Développement d’une stratégie de reconversion d’un château d’eau en dispositif de stockage intersaisonnier et de production de chaleur solaire. Mise au point d’une « pile thermique urbaine » par Elioth (études de faisabilité). Développement d’outils dédiés pour la modélisation de la demande, du stock et du productible pour les « smarts grids thermiques ».

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Depuis 2007 Autour de Wind-it Articles dans TerraEco (décembre 2009), Metropolis dans le cadre du premier prix pour Next Generation (mai 2009), Popular Science (août 2009), Domus (octobre 2007), Industrie et Technologie (septembre 2007), Le Moniteur (juin 2007), catalogue de l’exposition «So Watt» (mai 2007), Techniques & Architecture (juin-juillet 2007), Archi Crée (mai-juin 2007)…

En 2007, le concept Wind-it proposait de superposer un réseau d’éoliennes au réseau de transport et de distribution de l’électricité, soit en venant greffer un « plug-éolien » aux pylônes électriques existants, soit en implantant de nouveaux pylônes électriques qui intègrent une unité de production éolienne.

Ce projet a fait l’objet de dépôts de brevet. En mai 2009, Wind-it a été lauréat du concours Next Generation organisé par le magazine américain Metropolis. Suite à cette reconnaissance prestigieuse, Wind-it a fait l’objet de nombreuses faisabilités jusqu’au Bhoutan !

| Extraits de revue de presse par projet.

Depuis 2013, le développement de cette architecture prometteuse d’aérogénérateur se concentre sur les réseaux télécom. En 2014, une start-up dédiée a été créée pour accélérer le développement du produit. Fin 2014, l’exostructure d’une tour de près de 50 mètres était finalisée dans l’ouest de la France Les trois étages supérieurs viennent d’être équipés d’éoliennes à axe vertical en début 2015.

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- Windâ&#x20AC;&#x2122;It a ĂŠtĂŠ prĂŠsentĂŠ au salon Eco Building Performance Ă Paris Expo Porte de Versailles du 18 au 20 septembre 2007.

- Windâ&#x20AC;&#x2122;It a ĂŠtĂŠ prĂŠsentĂŠ Ă lâ&#x20AC;&#x2122;exposition So Watt de lâ&#x20AC;&#x2122;espace EDF Electra Ă Paris du 25 mai au 9 septembre 2007.

- Raphel MĂŠnard et Nicola Delon invitĂŠs Ă lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠmission La beautĂŠ du geste de France Inter, 12 aoĂťt 2007 - Interview de Julien Choppin dans lâ&#x20AC;&#x2122;ĂŠmission Impatience de la Radio Suisse Romande, 4 septembre 2007

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Domus, octobre 2007

Catalogue So Watt, mai 2007

| Extraits de revue de presse par projet.

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Depuis 2006 Autour des Montagnes Solaires Articles dans Le Monde, Le Parisien (avril 2009), Sciences&Vie (novembre 2006), Cahiers techniques (mai 2006), Industrie et Technologie (mars 2006), Le Moniteur (janvier 2006) …

Le principe des Montagnes Solaires est simple: une serre à grande échelle située au pied de la montagne se réchauffe de grandes quantités d’air, qui monte ensuite dans une haute cheminée en s’appuyant sur la pente de la montagne. Le débit d’air est accéléré dans la cheminée, assez rapide pour actionner des turbines et produire de l’électricité.

Basé sur des technologies de base et testées, telles que les serres et les turbines, les Montagnes Solaires sont un moyen de fournir de l’électricité nuit et jour à l’échelle locale. L’installation est facile à monter et à entretenir, ce qui convient à pratiquement n’importe quelle situation.

| Extraits de revue de presse par projet.

L’impact sur l’environnement et l’occupation du sol sont minimaux, les Montagnes Solaires peuvent être utilisées pour usages: l’agriculture, la biomasse des cultures, la production photovoltaïque, des abris d’urgence …

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Article publiĂŠ dans Le Moniteur, 27 janvier 2006

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Article publiĂŠ dans Science&Vie, novembre 2006

| Extraits de revue de presse par projet.

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| Web et applications.

I. Web et applications.

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2014 Solar-reforme.org Développement d’un site dédié dans le cadre de Reforme entre Density Design Lab et Elioth. Mise au point d’un principe de visualisation des échanges et des stocks d’énergie dans l’espace et dans le temps.

Elioth est responsable scientifique de l’équipe Reforme, partie prenante de la première session du programme interministériel Ignis Mutat Res. Un livrable de cette recherche consiste en la création d’une plateforme numérique dédiée à la simulation des scénarios de transition énergétique.

L’outil Reforme propose deux cadres d’analyse spatiale associés dans le premier cas à une partition fixe de la planète selon cinq territoires, et dans le second à deux territoires. Le premier est focalisé sur l’aire francilienne. Il relate les échanges d’énergie entre le Parc des Portes de Paris, Paris (moins l’emprise du Parc des Portes de Paris), la France (sans Paris), l’Europe (sans la France) et le reste du monde sans l’Europe.

1.

L’offre énergétique renouvelable (le niveau de solarisation du territoire) ;

2.

L’état de son stock ;

3.

La demande énergétique ;

4.

La nature des échanges au sein de la partition

| Web et applications.

L’utilisateur peut alors simuler le comportement énergétique de ces cinq territoires jusqu’en 2050. Le second laisse plus de liberté à l’utilisateur du site dédié : il peut implémenter son propre territoire.

Cela suppose aussi de documenter le comportement énergétique de ce territoire (et de ceux du reste du monde) selon les cinq pas de temps évoqués avant. Dans ces deux situations, et à chaque temps, l’utilisateur de l’outil peut alors constater :

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2012 FeelEgis.com Développement d’une application téléchargeable sur iOs et Android dédié au crowdsourcing du ressenti urbain. Initiative réalisée dans le cadre des fonctions au sein d’Egis et d’Elioth.

Conçue par Elioth, FeelEgis est une application pour smartphone permettant la récupération de données géolocalisées et temporalisées de confort urbain, consultables sur des cartographies Internet. Le principe : on saisit des appréciations du confort extérieur suivant les indicateurs définis (bruit, odeurs et pollutions, vent, ensoleillement) dans un endroit donné et à un instant donné.

| Web et applications.

Cet outil de mesure permet ainsi la centralisation et la capitalisation de données spatialisées et temporalisées et le crowd-sourcing des informations. L'objectif de l'application est de pouvoir utiliser ensuite ces données dans le cadre d'un diagnostic d'un patrimoine immobilier, d'un territoire... Ces informations peuvent ensuite être compilées dans une base de données ainsi qu’au sein de cartographies subjectives et expérimentales du confort extérieur urbain sur plus de 135 implantations dans le monde. Ces cartographies étant alors disponibles sur internet.

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2009 ClimElioth.org Développement d’une version web de l’outil de simulation énergétique et climatique développée depuis 2005.

Cet outil propriétaire développé depuis cinq ans, autorise des perspectives d’optimisation très intéressantes et de réactivité pour nos partenaires sur les enjeux énergétiques et de confort du bâti.

Originellement, le développement de Clim’Elioth a démarré en 2005 avec le souci de créer un outil de simulation thermique dynamique monozone qui soit simple, rapide et réactif. Les premières versions sont apparues en 2005.

Des outils plus performants et éprouvés sont utilisés dans l’équipe (Tas et IES notamment), mais leur utilisation ne permettait pas d’obtenir une approche énergétique et climatique globale du projet en un faible laps de temps, pourtant nécessaire dans les phases préliminaires de conception. Clim’Elioth permet d’implémenter aisément l’ensemble des paramètres d’entrée du projet, d’effectuer un calcul rapide et de traiter de manière pertinente les résultats, dans le but de pouvoir apprécier les multiples solutions architecturales et techniques du projet d’un point de vue énergétique.

| Web et applications.

Le Clim’elioth autorise à la fois des comparaisons à l’échelle géographique d’une même typologie constructive .Nous développons également des approches de résilience climatique en testant le comportement climatique et énergétique des bâtiments à échéance 2050-2100 (fichiers météo fabriqués par Elioth selon scenario A2 et B2 du GIEC. Afin de rendre cet outil disponible à l’ensemble du groupe Egis, une version online, présentant des fonctionnalités allégées, a donc été créée.

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Contact.

Raphaël Ménard 41 rue Meslay, 75003 Paris menard.raphael@gmail.com issuu.com/raphael_menard +33699049595

| Contact.

)pYULHU 2015.

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