Hôpital universitaire de Gand, neutre en carbone d’ici 2050

En 2017, l’Hôpital universitaire de Gand a décidé de procéder à une rénovation complète de son campus. Dès le départ, des objectifs ambitieux ont été fixés.

L’une des décisions clés consistait à conserver l’hôpital sur son site actuel, en y opérant une reconversion totale. Cette décision englobe un point essentiel d’une démarche respectueuse de l’environnement : en réaménageant le site, l’hôpital conservera tous les avantages des connexions urbaines établies au cours des 50-60 dernières années, sauvegardant en outre les montants d’investissement considérables consacrés aux bâtiments actuels.

Nous devons de plus en plus tenir compte de ce type d’approche décisionnelle : l’espace ouvert et la quantité de matériaux de construction sont aussi, voire plus importants que la consommation responsable de l’énergie.

Le plan-cadre élaboré repose sur quatre grands principes de conception : un campus sain et vert ; une conception axée sur le bien-être de tous ; un campus accessible ; un campus prêt à affronter l’avenir.

Un campus sain et vert

Le campus actuel de l’hôpital universitaire est caractéristique de la conception de nombreux campus universitaires en Europe : au cours des dernières décennies, ils ont été érigés quasiment au hasard, entraînant une fragmentation, une signalétique confuse et un manque d’espaces ouverts clairement définis. L’Hôpital universitaire de Gand a été conçu sous la forme de deux hôpitaux distincts, en deux grandes phases de construction : la première aux alentours de la Seconde Guerre mondiale, ensuite une autre dans les années 1970 et 1980. Les deux sites ont ensuite fusionné pour former l’hôpital actuel.

Le plan-cadre proposé entend inverser cette évolution. Toutes les fonctions médicales seront intégrées dans un nouveau bâtiment hospitalier centralisé. Cette réintégration libérera de l’espace sur le campus, afin de créer une ceinture verte autour de l’hôpital et de permettre de nouveaux développements par essaimage.

Conception axée sur le bien-être de tous

Le nouveau bâtiment de l’hôpital devrait contribuer à améliorer considérablement l’environnement thérapeutique et de travail. L’un des principaux défis des infrastructures hospitalières de grande envergure est de bénéficier d’une lumière naturelle suffisante dans un bâtiment compact. Les principes clés de la conception consistent à garantir que chaque chambre d’hôpital bénéficie d’un accès direct à la lumière du jour. Ce choix de conception de l’hôpital est essentiel : l’effet positif de la lumière du jour, de la mobilisation et de l’air extérieur pour divers types de patients n’est plus à démontrer. Le deuxième principe prévoit que les espaces de travail situés dans le « socle » médical du bâtiment bénéficient également d’un accès maximal à la lumière du jour. Un jardin de toit offre une alternative d’espace vert plus accessible pour les visiteurs, les patients et le personnel.

Des jardins de toit séparés sont prévus, même pour les patients de l'unité de soins intensifs.

Un campus accessible

Un campus accessible constitue une priorité absolue à plusieurs niveaux. En optant pour le réaménagement du site existant, l’Hôpital universitaire de Gand conservera les nombreux avantages d’une liaison optimale avec la ville de Gand et les transports publics. Une ligne de tram directe dessert le site, avec un arrêt juste devant l’entrée principale de l’hôpital.

Le site actuel engendre par ailleurs des défis. La Belgique, par exemple, est l’un des pays d’Europe occidentale les plus confrontés aux embouteillages. De ce fait, dans le cadre de l’exécution du plan-cadre, l’hôpital reconnaît également la nécessité d’être plus ambitieux dans la limitation du trafic automobile pour les membres du personnel. Des aménagements cyclables plus commodes contribueront à réaliser cette ambition. Un parking souterrain pour plus de 2 000 bicyclettes est ainsi prévu, contre seulement 1 780 places de stationnement pour les voitures.

Un campus prêt à affronter l’avenir

Le fait d’être prêt pour l’avenir touche plusieurs aspects. Lors de la construction de nouvelles infrastructures, outre l’incidence de la consommation directe d’énergie, nous devons également tenir compte de l’impact environnemental généré par la production de nouveaux matériaux de construction. Nous abordons ces deux aspects plus en détail ci-dessous.

Un campus hospitalier universitaire neutre en carbone : aucune émission opérationnelle de CO2

En ce qui concerne la consommation d’énergie, le plan-cadre vise zéro émission opérationnelle nette de carbone. Cela signifie que toute l’énergie nécessaire au chauffage, à la climatisation, à l’éclairage, à la ventilation et à l’électricité interne sera produite sans générer d’émissions de CO2 nettes.

Ce n’est pas une mince affaire, si l’on considère la consommation totale d’énergie d’un hôpital de cette taille (environ 930 lits), qui se rapproche de la consommation d’énergie d’une petite ville. Outre les défis techniques, il faut également tenir compte de l’incertitude croissante sur le marché de l’énergie. Le principal défi consiste à savoir comment l’hôpital va gérer la lutte contre les émissions de CO₂ liées à ses besoins en chauffage.

Pour examiner comment atteindre zéro émission opérationnelle nette de carbone, nous utilisons la méthode dite « quintas energetica ». Cette méthodologie est basée sur l’ancien concept de « trias energetica », mais elle a été conçue en y intégrant deux principes supplémentaires.

Compte tenu de tous les choix de conception à opérer, le parcours vers l’objectif à atteindre peut être résumé comme suit :

• Conception sur base des exigences d’utilisation: il n’est pas surprenant que les conditions d’environnement requises par un hôpital, telles que des débits de ventilation élevés dus aux normes d’hygiène, des contraintes de refroidissement pour les équipements médicaux et informatiques, etc., ne laissent pas beaucoup de place aux compromis.
• Limitation de la demande en énergie: dans la mesure du possible, des mesures peuvent être et seront prises pour réduire la demande d’énergie, mais au-delà de toutes les mesures connues, il ne reste actuellement pas beaucoup de marge pour améliorer fondamentalement la demande d’énergie globale.
• Échange et stockage d’énergie: ce thème offre de nombreuses possibilités d’amélioration grâce à une approche de conception intégrée.
• Sources d’énergie renouvelables: avec la technologie actuelle, l’électrification est actuellement la voie la plus sûre vers une société neutre en carbone. Toutefois, cela générera des défis importants que l’ensemble de la communauté devra contribuer à relever. L’aplanissement des pics de consommation et le stockage de l’énergie joueront un rôle clé dans l’électrification globale ; le passage au chauffage et à la climatisation électriques ne suffit pas en soi si nous voulons recourir à des sources d’électricité renouvelables. Les énergies renouvelables impliquent une réflexion plus intégrée sur les flux d’énergie.

L’une des questions importantes pouvant être influencées par des choix fondamentaux en matière de régimes de température pour le chauffage et le refroidissement au sein de l’hôpital est celle du « gaspillage » d’énergie. Lorsque l’on superpose la demande de chaleur et la demande de refroidissement d’un hôpital type, on constate que ces deux demandes se chevauchent pendant au moins 30 % du temps. Cela signifie que l’installation de refroidissement « injecte » littéralement de l’énergie dans l’atmosphère sous forme d’air chaud.

Une quantité importante d’énergie est également perdue si l’on prend en outre en compte le flux total de chauffage et de refroidissement sur une base saisonnière. Dans un monde idéal, la somme totale des flux de chauffage et de refroidissement devrait former une ligne horizontale : la différence entre la demande totale de chauffage et de refroidissement. Cela signifierait que la différence totale entre les deux flux serait soit échangée directement, soit transférée par le biais d’un stockage saisonnier.

L’hôpital vise à supprimer la quantité d’énergie gaspillée grâce à une intégration intelligente de l’infrastructure déjà en place. Ainsi, un système de pompe à chaleur à double action sera installé pour échanger la différence de flux d’énergie entre le chauffage et le refroidissement.

Pour le stockage saisonnier, le réservoir d’arrosage et d’eau de pluie sera utilisé comme un grand « dissipateur thermique », dans lequel deux échangeurs de chaleur stockeront la différence entre le chauffage et le refroidissement sur une base saisonnière (c’est-à-dire > 24 heures).

La demande totale de chaleur pour le nouveau complexe de bâtiments est estimée à 7 800 MWh/an et la demande totale de refroidissement à 4 600 MWh/an.

La pompe à chaleur à échange thermique direct pourra échanger un flux total de chaleur de 2 389 MWh/an et un flux total de froid de 1 991 MWh/an.

On pourrait faire valoir qu’un champ de stockage d’énergie thermique souterrain serait le choix de conception le plus efficace pour le stockage saisonnier. Cette option a néanmoins été rejetée en raison de conditions de sol défavorables, d’un dégagement insuffisant du site et de considérations budgétaires. Le recours à l’échange thermique direct permet d’emblée de réduire considérablement la quantité d’énergie qui doit être stockée sur une base saisonnière. L’option consistant à utiliser le réservoir d’arrosage et d’eau de pluie comme un puits thermique bidirectionnel pour le refroidissement et le chauffage est techniquement facile à mettre en œuvre : l’infrastructure est déjà présente, ce qui en fait une option très économique. Il existe cependant certaines limites :

• Premièrement, les écarts de température de l’eau doivent être limités pour éviter le risque de gel d’une part ou la formation d’un biofilm excessif d’autre part; et
• Deuxièmement, l’entrée et la sortie d’énergie, via l’eau de pluie entrante et sortante, doivent être incluses dans la capacité totale de stockage d’énergie.

Ces deux facteurs impliquent que la capacité de stockage disponible varie tout au long de l’année en fonction des entrées et sorties des eaux pluviales au niveau du réservoir.

Le flux d’énergie total a donc été modélisé avec les contraintes de température imposées au réservoir.

Au total, nous estimons que le système peut extraire environ 328 000 kWh de chaleur et 617 000 kWh de froid du réservoir sur une base annuelle.

Cela signifie qu’une quantité estimée à 2 717 MWh/an de chauffage et 2 608 MWh/an de refroidissement peut être échangée pour un flux total d’électricité de 85 MWh/an, nécessaires à la pompe à chaleur, au stockage d’énergie et au soutien dans les circuits de chauffage et de refroidissement requis pour le stockage d’énergie.

Comment réduire l’impact environnemental d’un bâtiment : analyse du cycle de vie

Outre les émissions de CO2 opérationnelles, nous devons également tenir compte de la quantité d’émissions carbone « intégrées » et des dommages causés à l’environnement pendant la construction. Une analyse du cycle de vie a donc été réalisée pour les choix de conception de la structure du bâtiment. Le choix de conception le plus fondamental concerne la structure principale du bâtiment, pour laquelle plusieurs scénarios ont été envisagés.

En substance, une structure en béton a été comparée à diverses options de structures en acier ou hybrides acier-béton. La principale conclusion est que, quelle que soit la comparaison effectuée, une structure en béton n’exerce qu’un dixième de l’impact environnemental total d’une structure en acier. Ce résultat est principalement dû à la consommation d’énergie intrinsèquement élevée nécessaire pour transformer le minerai de fer en acier.

La version 9.0 de SimaPro pour l’analyse du cycle de vie (ACV), développée par PRé Consultants, a été utilisée pour cette analyse. Pour l’inventaire du cycle de vie de tous les processus et matériaux, nous avons utilisé la version 3.4 de la base de données suisse Ecoinvent.

Hypothèses

Pour comparer les performances environnementales de la structure porteuse en béton avec celles de la structure en acier, quatre hypothèses de modélisation de cette dernière ont été préparées dans le logiciel SimaPro. Ces quatre hypothèses examinent la structure en acier, constituée de:

• acier neuf (100 %);
• combinaison d’acier neuf et recyclé dans un ratio de respectivement 60 % et 40 %;
• combinaison d’acier neuf et recyclé dans un ratio de respectivement 30 % et 70 % et
• acier entièrement recyclé (100 %).

À ce stade, seule la phase de production (A1) est prise en compte dans l’analyse des deux structures. Dans ce cas-ci, nous avons modélisé 1 m² de dalle en béton préfabriquée (30 cm d’épaisseur) et l’avons comparée à 1 m² de plancher préfabriqué en acier (profil HEA 340) avec une chape (8 cm d’épaisseur avec une tôle ondulée en aluminium).

Structure en béton

La dalle de béton préfabriquée est supposée avoir été fabriquée en Belgique. Pour produire 1 m² de dalle de 30 cm d’épaisseur, nous avons calculé qu’il faut 0,30 m³ de béton d’une densité de 2 300 kg/m³ (CEM II/B), et 3 % d’armature en acier recyclé (d’une densité de 7 800 kg/m³).

Structure en acier

Dans toutes les hypothèses relatives à la construction en acier, nous avons supposé le profil HEA 340 pour la structure portante de l’hôpital. Pour atteindre la résistance au feu prescrite, conformément à l’arrêté royal du 6 novembre 1979 portant fixation des normes de protection contre l’incendie et la panique auxquelles doivent répondre les hôpitaux, l’acier est protégé par des panneaux de silicate de calcium.

Acier neuf

La première structure métallique modélisée supposait un acier neuf à 100 %, c’est-à-dire un acier faiblement allié. Dans Ecoinvent 3.4, ce procédé produit de l’acier primaire et la ferraille n’est utilisée que pour refroidir l’acier liquide. Les activités calculées comprennent : le transport de la fonte brute et d’autres matières premières vers le convertisseur, le processus de production de l’acier et la coulée.

Combinaison d’acier neuf et recyclé dans un ratio de 60 % et 40 %

Pour cette structure, nous nous sommes basés sur 60 % d’acier neuf faiblement allié et 40 % de matériaux recyclés. Pour ces derniers, les processus d’usinage des métaux pour transformer un produit semi-fini en un produit fini sont pris en compte. Cela comprend les valeurs moyennes pour le traitement mécanique, l’infrastructure métallurgique et les opérations. En outre, un apport supplémentaire d’acier a été pris en compte, pour les pertes pendant la transformation. Le dégraissage n’est pas inclus et doit être ajouté si nécessaire.

Combinaison d’acier neuf et recyclé dans un ratio de 30 % et 70 %

Pour cette construction, nous avons utilisé 30 % d’acier neuf faiblement allié et 70 % d’acier recyclé. Ce dernier implique les mêmes procédés de fabrication que ceux décrits au point précédent.

Acier entièrement recyclé

Cette hypothèse très optimiste d’une structure porteuse en acier recyclé doit être considérée comme le meilleur scénario possible, si le marché autorise un tel pourcentage de matériaux recyclables. Il s’agit d’un procédé métallurgique permettant de transformer un produit semi-fini en un produit fini, sur la base des valeurs moyennes de transformation mécanique, ainsi que de l’infrastructure et des activités de l’usine. Comme dans les sous-sections ci-dessus « Combinaison d’acier neuf et recyclé à un ratio de 60-40 % » et « Combinaison d’acier neuf et recyclé à un ratio de 30-70 % », un apport supplémentaire d’acier est pris en compte pour les pertes pendant la transformation. Le dégraissage n’est pas inclus et doit être ajouté si nécessaire.

Nous avons comparé les structures avec la méthodologie MMG LCIA 2017. Cette méthode a été élaborée par l’Institut flamand de la recherche technologique (VITO), pour le compte de l’Agence flamande de traitement des déchets (OVAM), du Service public de Wallonie (SPW) et de Bruxelles Environnement (IBGE-BIM). Il s’agit de la méthode utilisée dans l’outil national belge LCA, baptisé TOTEM (Tool to Optimise the Total Environmental impact of Materials). En plus des scores par catégorie d’impact, cette méthode utilise un indicateur de score unique agrégé exprimé en valeur monétaire (Euro). Le score agrégé indique les coûts environnementaux externes ou, en d’autres termes, l’ampleur des dommages causés à l’environnement et/ou aux individus. Exprimé encore différemment, il s’agit du coût de l’évitement, de la réduction ou de la compensation des dommages causés par l’impact environnemental à un niveau considéré comme durable (Allacker et al. 2013). Les coûts externes sont calculés en multipliant les impacts environnementaux par leur valeur monétaire spécifique ; une addition se solde par un coût environnemental total (score unique) (Allacker et al. 2013).

1. Allacker, K, Debacker, W, Delem, L, et al. (2013). Environmental profile of building elements (MMG report). Towards an integrated environmental assessment of the use of materials in buildings. OVAM, Mechelen.

Cela nous amène à conclure qu’il est préférable d’opter pour une structure en béton très flexible, qui durera toute une vie, que pour une structure en acier. Même si les structures en acier pouvaient théoriquement être réutilisées par démontage et réutilisation à 100 % des éléments structurels, il faudrait les recycler au moins 10 fois.

En supposant qu’une structure ait une durée de vie utile de 50 ans, il faudrait donc plus de 500 ans pour que l’impact environnemental de la structure en acier soit meilleur que celui de la structure en béton.

À propos des auteurs

Simon Ossieur est chef de projet chez VK architects+engineers. Milena Bruyninckx est ingénieur de projet chez VK architects+engineers.

Petra Demoor est chef de projet à l’Hôpital universitaire de Gand, en Belgique.

Source: SALUS - Article - University Hospital Ghent – CO2-neutral in 2050