45 energy-plus (BEPOS) villas in a smart grid,
Kunming, Yunnan Province 2014,
China
TYPE : Architectural & Engineering Commission
CLIENT : Private Developer, Kunming
PROGRAM : Construction of 45 Plus-Energy (BEPOS) Villas
PROJECT TITLE : Flavours Orchard
CONTRACT PERFORMANCE LOCATION : Dianchi Lake, Kunming, Southwest China City
SURFACE AREA : 90.000 m²
YEAR : 2014
VCA’S TEAM: Jiaoyang Huang, Benoit Patterlini, Maguy Delrieu, Olivier Sylvain, Vincent Callebau
Stepping out of your plus-energy house regulating the light and the temperature cleverly and automatically according to the sun’s path. Catch the vital energies of the nature by training ourselves Tai Chi Chuan or Qi Gong under a snow of cherry tree petals. Cultivate together with our neighbors the community vegetable garden. Harvest the organic vegetables for the family dinner. Wander between the marshes of rainwater harvesting and the recycling lagoons where the sky of koï carps is covered of lotus flowers. Swim in a naturally filtered swimming-pool. Admire the elegant and nagging axial wind turbines.
Listen the laughter of children of the eco-district who share with their grandparents the games of Mahjong, Go and Cuju in the wild field. Recycle our organic waste in compost wells producing natural fertilizer. Sort out the other waste via a silent and underground pneumatic collection system. Go to work by electric bicycle or driverless car (Electric Networked-Vehicle), both recharged directly by the photovoltaic roof of the house. Follow the road whose sensory LED lights match according to sounds and movements of the city-dwellers.
This is the Eco-High-Tech atmosphere of the “Flavours Orchard” project. It’s a pioneer project that fights for the conception of eco-responsible lifestyles along the Daguan river connecting the “Emerald”, the green lake of the city centre of Kunning, to the magnificent Dianchi Lake in the South. Capital of the Yunnan province, the city is located at 1894 meters high and benefits from a temperate climate all the year that gives to it the charming name of « The City of Eternal Spring ».
The site of several hectares is an old industrial wasteland devoted to be restored in a new eco-district whose exemplarity in terms of sustainable innovations is supposed to be reproducible everywhere in China. The leitmotiv is to produce more energy and biodiversity than we consume by recycling at the same time our waste in reusable natural resources endlessly towards a post-nuclear, post-fossil and zero carbon emission city. Through the creation of such projects, China is recovering its delay on the ecological debt reimbursement and tries to slow down the massive rural exodus it suffers by the creation of new urban prototypes mixing all the advantages of the city and the countryside.
The building sector is a primary energy consumer particularly in China (40% of total consumed energy) in front of the transports (30%) and the industry (30%). It is responsible for more than 40% of total emissions of CO2. It’s obvious that the energy savings are thus the major economic and ecological challenge for this sector. Whereas the prices of the fuel and the non-renewable energy increase unavoidably, the objective is to divide by 10 the consumption of this construction sector for an equivalent service within the next ten years.
In this perspective, the concept of this new « Flavours Orchard » eco-district is to build 45 Plus-Energy Villas in a huge community orchard/food garden integrating a Smart Grid self-managed by the gardener-inhabitants and the participants of the project.
In the heart of this nourishing landscape, the goal is to associate a state-of-the-art for smart building automation systems and information integrated in each villa (leading to cost reduction and Increased functionality) with an intelligent energy network in order to redistribute the produced excess (electric, calorific, food) towards the nearest needs so as to prevent from the loss in lines or related to the storage systems. In addition to the fuel cells, the electric vehicles are also used as buffer storage of electricity excess produced by the solar roofs assuring thus the daily travels of the inhabitants for free.
The objective is also to repatriate the production of the organic agriculture in the heart of the city, center of its consumption. This bio-geographical integration of the master plan respects the natural qualities of the site and maintains the continuity of the endemic ecosystems (trees, hedges, streams, floras and fauna are preserved). Flavours Orchard is a genuine garden sharing its energies designed and cultivated collectively. Ideas are here more shared than the ground, the sun or the wind because it deals not only with producing what to eat, lighten and air conditions but also to meet on a common ground of ecological experimentations and collective projects. It’s an urban landscape open to everybody without fence between the villas, in favor of the neighborhood relationships and the intercultural and intergenerational social links. It’s an educational tool about the environment respect thanks to its ecological master plan, its organic agriculture technics, its smart home automation strategies and its integration of renewable energies.
The private garages for electric cars and the technical rooms for home automation are located underground. This basement distributes each villa under the central path to liberate completely the orchard dedicated only to pedestrians, cyclists or electric driverless cars.
The future families of these Plus-Energy villas will be able to live and work comfortably in their villa reinventing new eco-responsible lifestyles maximizing the normal living standards.
The 45 Plus-Energy Villas produce more energy from renewable energy sources, over the course of a year, than they consume from external sources. This is achieved by using large North and South facing window areas to allow sunlight to penetrate the structure, by reducing the need for energy use from air cooling units and light bulbs with triple-glazed windows, and by the addition of heavy insulation that means the structure is already warm in the evening and therefore needs less heating.
These passive buildings (BEPAS) that capture heat during the day in order to reduce the need to generate heat over night, exceed their energy needs through renewable energy production by the integration of solar photovoltaic and solar thermal panels, geothermal heat exchangers, and combined heat and power units (CHP). All grey water is recycled in lagoons for agricultural irrigation and toilet flushing. All waste water will be sent to bio-reactor facades (with panels filled with algae) for anaerobic digestion and the methane emitted during the digestion process will be used to produce energy and to cool the interiors.
The construction of positive energy constitutes a high technological and conceptual rupture. These villas are thermally insulated without discontinuity and without thermal bridges. They are airtight, present controlled ventilation and are also equipped with economical domestic appliances of A+++ class. They generalize the LED lighting with automatic detection of presence and needs. They have a total consumption of primary energy (heating, sanitary hot water, lighting, all appliances) estimated at less than 50 kWh/m2/year for an average production that can reach 100 kWh/m2/year via the sun or wind. According to the usage of inhabitants, the consumption of primary energy could even decrease under 35 kWh/m2/year.
The 45 villas building with a wood/steel structure are divided into three architectural typologies forming thus 3 eco-districts having their own identity:
2.1. THE “MOBIÜS” VILLA (15 units)
The Mobius Villa is organized around an endless ribbon drawing the symbol of infinity around two patios, one aquatic and the other planted. This ribbon with primary steel structure and secondary wood frame is built from the repetition of one trapezoidal module repeated 24 times in the space. This module, opened at 30 degrees forms thus a pedestrian sloping path of 720 degrees along its double revolution. It contains all the bedrooms, the bathrooms, the offices, the libraries and the game rooms. It is covered by a green roof, true suspended vegetable garden with high thermal inertia and with a zenithal photovoltaic glass roof. The curved geometry forms a snake in sustentation on top of a façade in “8” with supporting frames. Louvered shutters in translucent glass pivot automatically along this glass facade to regulate the solar inputs during the day.
The panoramic ground floor aims at immersing the diurnal life spaces in the heart of a clearing coiled in the orchard. The living room, the kitchens and reception rooms are located around the central vertical axis of the project. Actually at the intersection of the double loop, the vertical circulations distribute the 4 inhabited levels and the garden roof.
2.2. THE “MOUNTAIN” VILLA (15 units)
The Mountain Villa opens out at 180 degrees such as a huge Chinese fan built from east to west to ideally follow the sun’s path. It’s a double-skin architecture presenting a south facade very glazed and a very opaque north façade in wood presenting 20% of perforation. The 22 arches are linked together by cables. They are closed by solarized photovoltaic glass panels. Panels filled with algae are also integrated to the conception in the 7 central arches to produce bio-hydrogen. The second exterior skin develops a glued laminated timber frame and works as a huge windscreen shaped in wood lace. This trellis enables to assure the intimacy of the inhabitants and to regulate the inputs of heat by subduing the solar rays from east to west.
In the center of the villa, an atrium full of light raises on 4 levels. A spiral staircase coils around a panoramic glazed elevator to distribute all the night and relaxation spaces. The living rooms and reception spaces are opened towards the landscape by a big arch going through the North and South facades.
2.3. THE “SHELL” VILLA (15 units)
The Shell Villa liberates itself from the ground on its 6 stainless steel pillars to stretch towards the sky and to make its axial wind turbine higher than the top of the fruit trees. A circular deck takes the loads of a glued laminated timber carpentry that is plaited in diamonds such as a conical Chinese hat. It’s a cocoon villa drawn in double curves and organized around three patios in spiral that fit closely the membranes of the twisted wood beams.
These patios are isolated by the glass façades whereas three stainless steel petals put on insulating cushions coat the structure from outside. This radiant wood structure is divided into 36 standardized beams that are spaced out from each other by 10 degrees from their center. Thus, from the life spaces we obtain panoramic views on the whole orchard whereas an elevator goes through all the levels to the top of the mast of the axial wind turbine.
These three typologies of Plus-Energy Villas set up in the clearings of the great community orchard are the symbol that it is possible to invent new contemporary models of eco-responsible housing mixing the economical evolution in China and the worldwide respect of the environment. The precursory inhabitants are linked together by their citizen commitment for a new ecological ideal that is energetically efficient, collective and sustainable.
Through Architecture, the social life between city and countryside is first of all reinvented!
Sortir de sa maison à énergie positive régulant la lumière et la température intelligement et automatiquement selon la course du soleil. Capturer les énergies vitales de la Nature en s’exerçant au Tai Chi Chuan ou au Qi Gong sous une neige de pétales de cerisier. Cueillir un fruit du dragon baigné par les fragrances du verger nourricier. Cultiver ensemble avec ses voisins le potager communautaire. Récolter les légumes biologiques pour le diner familial. Flâner entre les marais de récupération des eaux pluviales et les lagunes de recyclage où le ciel des carpes koï est recouvert de fleurs de lotus. Se baigner dans une piscine naturellement filtrée. Admirer le mouvement gracieux et lanscinant des éoliennes axiales.
Entendre les rires des enfants de l’éco-quartier qui partagent avec leurs grands-parents des parties de Mahjong, de Go et de Cuju dans le champ sauvage. Recycler ses déchets organiques dans des puits de compostage produisant de l’engrais naturel. Trier ses autres déchets via un système de collection pneumatique enterré et silencieux. Partir au travail en vélo électrique ou en voiture sans-chauffeur ((Electric Networked-Vehicle) tous deux rechargés directement par la toiture photovoltaique de la maison. Suivre sa route dont les lumières sensitives LED s’harmonisent suivant les sons et les mouvements des citadins.
Telle est l’atmosphère Eco-High-Tech qui se degage du projet “Verger des Saveurs”. C’est un projet pionnier qui milite pour la conception de styles de vie éco-responsables le long de la Rivière Daguan reliant le Lac d’Emeraude du centre-ville de Kunming au grand Lac Dianchi plus au sud. Capitale de la Province du Yunnan, la ville est perchée à 1894 mètres d’altitude et jouit d’un climat tempéré tout au long de l’année qui lui vaut le doux surnom de « La ville du printemps éternel ».
Le site de plusieurs hectares est une ancienne friche industrielle vouée à être réhabilitée en un nouvel éco-quartier, dont l’exemplarité en termes d’innovations durables se veut être reproductible partout en Chine. Le leitmotiv est de produire plus d’énergie et de biodiversité que nous n’en consommons tout en recyclant nos déchets en ressources naturelles recyclables à l’infini vers une ville post-nucléaire et post-fossile, à zéro émission de carbone. Par la création de tels projets, la Chine est en train de rattraper son retard sur le remboursement de la dette écologique et tente de ralentir l’exode rural massif qu’elle subit par la création de nouveaux prototypes urbains mixant tous les avantages de la ville et de la campagne.
Le secteur du bâtiment est un gouffre d’énergie primaire particulièrement en Chine (40% de l’énergie totale consommée) devant les transports (30%) et l’industrie (30%). Il est responsable de plus de 40% des émissions totales de CO2. Il est évident que les économies d’énergie sont donc un enjeu économique et écologique majeur pour ce secteur. Alors que les prix du pétrole et de l’énergie non-renouvelable augmentent inéluctablement, le but est donc de diviser par 10 la consommation du secteur de la construction pour un service équivalent d’ici les dix prochaines années.
Dans cette perspective, le concept du nouvel éco-quartier « Verger des Saveurs » est d’implanter 45 Villas à énergie positive hyper efficientes dans un immense verger/potager communautaire intégrant une Smart Grid autogérée par les habitants-jardiniers et les intervenants du projet.
Au cœur de ce paysage nourricier, le but est technologiquement d’associer une domotique de pointe intégrée dans chaque villa à un réseau internet des énergies afin de redistribuer les surplus (électriques, calorifiques et alimentaires) produits vers les besoins les plus proches afin d'éviter les pertes en lignes ou liées au stockage/déstockage. Outre les piles à combustible, les véhicules électriques servent ainsi également de stockage tampon du surplus d'électricité produite par les toitures solaires assurant ainsi gratuitement les déplacements quotidiens des habitants.
Le but est aussi de rapatrier la production d’une agriculture biologique en pleine terre au cœur de la cité, haut lieu de sa consommation. Cette intégration bio-géographique du master plan respecte les qualités naturelles du site et maintient la continuité des écosystèmes endémiques (arbres, haies, ruisseaux, flores et faunes sont préservés). Le « Verger des Saveurs » est un véritable jardin partageant ses énergies, conçu et cultivé collectivement. Les idées sont ici encore plus partagées que le sol, le soleil ou le vent car il ne s’agit plus seulement de produire de quoi se nourrir, s’éclairer et se climatiser mais aussi de se retrouver sur un terrain commun d’expérimentations écologiques et de projets collectifs. C’est un paysage urbain ouvert à tous, sans clôture entre les villas, favorisant les échanges de voisinage et le lien social interculturel et intergénérationnel. C'est un outil pédagogique de respect de l'environnement que ce soit dans les techniques d’agriculture biologique, dans son aménagement écologique et domotique ou bien encore dans l’intégration des énergies renouvelables.
Une épine dorsale de garages privatifs pour voitures électriques et de locaux techniques gérant la domotique s’étirent en sous-sol. Elle distribue ainsi chaque villa sous l’allée centrale pour libérer complètement le verger uniquement dédié aux piétons, aux cyclistes et aux véhicules électriques sans-chauffeur.
Les futures familles de ces villas écologiques vivront et travaillerons confortablement dans leur villa réinventant de nouveaux modes de vie écoresponsables implémentant les standards urbains.
Les 45 villas à énergie positive produisent plus d’énergies propres (par les sources d’énergies renouvelables tout au cours d’une année) qu’elles n’en consomment par les sources extérieures traditionnelles. Cela est possible par l’usage de grandes baies vitrées orientées plein sud permettant aux rayons du soleil de pénétrer la structure, par la réduction des besoins en éclairage artificiel et en climatisation par l’usage de fenêtres à triple-vitrage, et par l’addition d’une isolation épaisse accumulant la chaleur en soirée et réduisant ainsi la facture de chauffage.
Ces constructions passives (BEPAS) qui capturent bio-climatiquement les rayons du soleil durant la journée et réduisent le besoin de générer de la chaleur durant la nuit, excèdent leurs besoins en énergie classique à travers la production d’énergie renouvelable par l’intégration de panneaux solaires photovoltaïques et de panneaux solaires thermiques, par des échangeurs géothermiques et par la combinaison de pompes à chaleur et de VMC (ventilation mécanique contrôlée) double flux. Toutes les eaux grises sont recyclées dans des lagunes de phyto-épuration pour l’irrigation agricole et les chasses d’eau dans les sanitaires. Toutes les eaux usées sont envoyées à travers des façades « double-peau » de bioréacteurs (panneaux de verre remplis d’algues) pour une digestion anaérobique. Le méthane ainsi émis durant ce processus de photosynthèse accélérée sera utilisé pour produire de l’électricité et pour rafraichir les intérieurs.
La construction à énergie positive constitue donc une forte rupture technologique et conceptuelle. Ces villas sont parfaitement isolées thermiquement, sans discontinuité et sans ponts thermiques. Elles sont étanches à l’air, présentent une ventilation maîtrisée et sont également équipées d’appareils ménagers économes de classe A+++. Elles généralisent également l’éclairage LED asservi à la détection automatique de présence et des besoins. Elles présentent une consommation totale d’énergie primaire (chauffage, eau chaude sanitaire, éclairage, tous appareils électriques confondus) estimée à moins de 50 kWh/m2/an pour une production moyenne pouvant atteindre 100 kWh/m2/an via le solaire et l’éolien. Selon le bon usage des habitants et une domotique poussée, la consommation d’énergie primaire pourrait même descendre sous le seuil des 35 kWh/m2/an.
Au-delà de ces points communs, les 45 villas à charpente mixte bois/acier se divisent en trois typologies architecturales distinctes, formant ainsi 3 éco-quartiers ayant leur propre identité :
2.1. LA VILLA « MOBIÜS » (15 unités)
La Villa Mobiüs est organisée autour d’un ruban dessinant le symbole de l’infini autour de deux patios, l’un aquatique, l’autre végétal. Ce ruban à charpente métallique primaire et ossature bois secondaire est construit à partir de la répétition d’un seul et même module trapézoïdal répété 24 fois dans l’espace. Ce module ouvert à 30 degrés forme donc un parcours piéton en pente douce de 720 degrés tout au long de sa double révolution. Il contient toutes les chambres, les salles d’eau, les bureaux, les bibliothèques et les salles de jeux. Il est recouvert par une toiture végétalisée, véritable potager suspendu, à forte inertie thermique et d’une verrière zénithale photovoltaïque. Le tout forme un serpent en sustentation au-dessus d’une façade en « 8 » aux châssis porteurs.et à triple vitrage. Des peirciennes en verre translucide pivotent automatiquement tout le long de cette façade vitrée pour réguler les apports solaires au cours de la journée.
Le rez-de-chaussée panoramique a ainsi pour but d’immerger les espaces de vie diurnes au cœur d’une clairière lovée dans le verger. Le salon, la salle à manger, les cuisines et les salles de réception s’organisent autour de l’axe vertical central du projet. En effet, à l’intersection de la double-boucle, les circulations verticales distribuent les 4 niveaux habités et la toiture jardin.
2.2. LA VILLA « MONTAGNE » (15 unités)
La Villa Montagne se déploie à 180 degrés comme un immense éventail chinois se déployant d’Est en Ouest pour suivre idéalement la course du soleil. C’est une architecture double-coque présentant une façade sud très vitrée et une façade nord en bois très opaque présentant 20% de perforation. La première coque habitée est construite à partir d’une travée en acier de 6 degrés répétées 22 fois et formant un semi-hémisphère. Les 22 arches sont liaisonnées entre-elles par des câbles. Elles sont refermées par des panneaux de verre solaire photovoltaïque et par des panneaux de verre à solarisation. Des panneaux remplit d’algues sont également intégré à la conception dans les 7 arches centrales en vue de produire du bio-hydrogène. La seconde coque extérieure développe une ossature en « lamellé-collé » et fonctionne comme un immense claustra sculpté en dentelle de bois. Ce claustra permet d’assurer l’intimité des habitants et de réguler les apports de chaleur en tamisant les rayons solaires d’Est en Ouest.
Au centre de la villa, un atrium baigné de lumière s’élève sur 4 étages. Un escalier spiralé s’enroule autour d’un ascenseur panoramique pour distribuer tous les espaces de nuit et de relaxation. Les espaces de séjour sont quant à eux ouvert vers le paysage par une grande arche transperçant les façades Nord et sud.
2.3. LA VILLA « COQUILLAGE » (15 unités)
La Villa Coquillage se libère du sol depuis ses six piliers en acier inoxydable pour s’étirer vers le ciel et pour faire dépasser son éolienne axiale au-dessus de la cime des arbres fruitiers. Un tablier circulaire reprend les charges d’une charpente bois en « lamellé-collé » qui est tressée en diamants comme un chapeau chinois conique traditionnel. C’est une villa cocon dessinée toute en double-courbures et qui s’organise autour de trois patios en spirale qui épousent les membranes des poutres torsadées.
Ces patios sont isolés par des façades en verre tandis que trois pétales d’acier inoxydable posés sur coussins isolants enrobent la charpente par l’extérieur. Cette charpente rayonnante en bois est divisée en 36 travées standardisées qui sont écartées entre-elles de 10 degrés depuis son centre. Ainsi, depuis les espaces de vie, on obtient des vues panoramiques sur tout le verger tandis qu’un ascenseur transperce tous les niveaux jusqu’à la cime du mât de son éolienne axiale.
Ces trois typologies de villas à énergie positive (BEPOS) implantées dans les clairières du grand verger communautaire sont le symbole qu’il est possible d’inventer de nouveaux modèles contemporains d’habitat durable alliant l’évolution économique de la Chine, et le respect mondial de l’environnement. Les habitants précurseurs sont liés entre eux par leur engagement citoyen à s’investir dans un nouveau prototype écologique, énergétiquement efficient, collectif et pérenne.
Par la voie de l’Architecture, c’est avant tout la vie sociale entre ville et campagne qui est réinventée !
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