Questionner la nécessité de climatiser Archives

Analyser les besoins thermiques en fonction du climat

Évolution des besoins selon les saisons

Dès le stade de l’avant-projet, le profil thermique du bâtiment doit être évalué. Une analyse logique, intégrant les spécificités du programme (grand dégagement de chaleur intérieur ou non, large ouverture solaire ou non), permet déjà une première analyse. L’organigramme ci-dessous présente un canevas général pour aider à réaliser cet exercice : au départ des 3 saisons qui caractérisent notre climat, les priorités différentes de conception architecturale et technique sont mises en évidence.

En période de chauffe, soit lorsque la température en journée est inférieure au point d’équilibre du bâtiment et qu’il y a peu de soleil, il convient de minimiser à la fois le besoin et la consommation de chauffage. Minimiser le besoin fait appel aux techniques passives d’isolation, compacité, etc. et aux techniques actives de récupération de chaleur et de modulation des débits d’air. Minimiser la consommation passe par le choix d’émetteurs base température et de mode de production efficace.

En mi-saison, soit lorsque la température extérieure diurne est entre le point d’équilibre du bâtiment et la température de confort, lorsqu’il y a peu de soleil, il est prioritaire de valoriser les sources gratuites de chaleur : gains solaires, même limités, et gains internes. Le transfert d’énergie au sein du bâtiment, par les réseaux de ventilation ou VRV est alors pertinent. En période ensoleillée, c’est la maîtrise des charges solaires qui devient prédominante, pour limiter les surchauffes précoces : gestion des stores et free cooling.

En été, soit lorsque la température extérieure diurne atteint ou dépasse la température de confort, auquel cas l’ajout des charges internes et solaires crée un besoin de refroidissement, c’est la température nocturne qui deviendra le pivot de la stratégie. Si cette température est basse, la combinaison d’inertie thermique et de free cooling permet de retarder ou d’éviter le recours au refroidissement mécanique. Le dimensionnement et la gestion des réseaux de ventilation est centrale. Le choix de techniques de top cooling est également important. Si la température nocturne reste élevée (canicules), on peut partir de l’a priori qu’un refroidissement mécanique est nécessaire. On veillera alors à maximiser son efficacité, par le choix des températures d’émission et des modes de dissipation de la chaleur (géocooling par exemple).

Simulation numérique

Une fois une première analyse logique et qualitative réalisée, et après une première itération sur l’architecture et les choix de techniques, une simulation numérique du comportement thermique du projet est à envisager. Les logiciels dits de STD (simulation thermique dynamique) les plus souvent utilisés en Wallonie sont EnergyPlus et Trnsys. Une telle simulation :

Fera apparaître les besoins de chaleur et de refroidissement du bâtiment.
Évaluera la part de simultanéité de besoins de chaud et de froid dans des locaux différents.
Informera de la valeur de la température extérieure au moment où la demande de refroidissement apparaît.
…

Exemple de profil pour un immeuble de bureaux-type, avec locaux de réunion et salle de conférence (l’énergie frigorifique demandée alors que la température est inférieure à 10°C provient du local informatique) :

Cette analyse peut permettre :

De préciser les options de l’avant-projet.
De prendre en compte le fait qu’une zone demande un refroidissement alors que sa voisine demande du chauffage.
De quantifier l’énergie de refroidissement demandée alors que … c’est l’hiver dehors ! (possibilité de free-chilling).
D’orienter le choix du système de refroidissement (naturel ou mécanique, à Débit de Réfrigérant Variable,…).
De grouper des locaux avec des charges importantes.

Découvrez 3 exemples de bâtiment dont les besoins thermiques ont été intégrés dés l’avant-projet : école passive de Louvain-la-Neuve (premier bilan), école passive de Louvain-la-Neuve (proposition d’équipements), et le projet ECOFFICE.

Posted By : 25 Sep, 2007

Analyser les besoins thermiques : une salle d’opération

Facture globale de l’hôpital

Afin de pouvoir estimer l’importance de la climatisation des salles d’opération par rapport à la consommation globale d’un hôpital, il est nécessaire de se référer à quelques ratios.

Consommations électriques

Le graphe suivant montre la consommation moyenne électrique annuelle du secteur.

(Source ICEDD).

Dans le cas considéré, la consommation annuelle est de 9,5 MWh/lit.an ou 1,9 GWh/200 lits.an.

Consommations thermiques

Le graphe suivant montre la consommation moyenne thermique annuelle du secteur.

(Source ICEDD).

Dans le cas considéré, la consommation annuelle est de 17,7 MWh/lit.an ou 3,5 GWh/200 lits.an.

Besoins thermiques de la salle d’opération

1. Hypothèses

Un hôpital moyen comprend 200 lits. D’expérience, le nombre de salles d’opération est environ de 2 par 100 lits, ce qui signifie que l’on prend comme base un hôpital avec 4 salles d’opération.

Voici les prix moyens du kWh prix en compte dans la simulation

électrique : 11 c€/kWh,
thermique : 3,25 c€/kWh.

2. Apports

Les salles d’opération sont de plus en plus isolées et se rapprochent du concept des salles blanches rencontrées dans l’industrie :

les apports externes sont limités,
de par le développement de l’imagerie médicale dans les interventions chirurgicales, les apports internes deviennent importants,
si un taux élevé de renouvellement d’air est jugé nécessaire à la garantie de l’hygiène de la salle, les débits sont importants.

En pratique, on distingue des apports :

quelquefois solaires,
souvent internes (luminaires, occupation, monitoring, imagerie médicale, etc.),
faibles des parois (positifs ou négatifs selon la saison),
faibles de ventilation et d’infiltration (positifs ou négatifs selon que l’air pénétrant dans le local est plus chaud ou plus froid que l’ambiance). Le local est en principe mis en surpression (ce qui annule les infiltrations), mais un régime en dépression peut aussi être choisi si le patient est infecté.

Suite à ces faibles besoins, la température de l’air pulsé sera très proche de la température de consigne ambiante. Dans l’exemple étudié, une température de pulsion d’air (18°C) seulement 2 degrés plus froide que l’ambiance (20°) suffit pour reprendre les charges.

Proportionnellement, c’est donc la demande thermique liée à la préparation de l’air neuf pulsé qui représente la source majeure de consommation.

3. Bilan thermique

Dans ce qui suit, on établit, de manière théorique, les consommations des équipements de climatisation de l’air de la salle d’opération.

Cette climatisation de l’air est variable au cours de l’année suivant les conditions climatiques extérieures et intérieures. Pour cette raison, on considère le fichier météo d’une année climatique-type (sans canicule et froid sibérien) à Uccle, par exemple.

Chaque point de la courbe représente une heure de l’année pendant laquelle on a relevé la température et l’humidité. Les 8 760 points-heures qui composent l’année peuvent alors être placés dans le diagramme de l’air humide.

Le fichier météo est ensuite divisé en 5 zones distinctes.

Pour amener l’air extérieur à une température (18°C) et une humidité de soufflage fixe (égale à celle de l’ambiance), pour les différents points-heures extérieurs il est nécessaire de :

O	préchauffer et humidifier,
O	préchauffer,
O	refroidir, déshumidifier et post-chauffer,
O	refroidir et déshumidifier sans post-chauffer,
O	refroidir et humidifier.

Suivant les débits d’air mis en œuvre, l’intégration des différences d’enthalpies entre les différents points-heures de l’année et les conditions d’ambiance des salles constituent la consommation annuelle du système de traitement d’air, par chauffage, refroidissement, humidification et déshumidification.

On considère que les salles fonctionnent selon le profil d’occupation suivant:

Lundi

Mardi

Mercredi

Jeudi

Vendredi

Samedi

Dimanche

8-18

18-8

8-18

18-8

8-18

18-8

8-18

18-8

8-18

18-8

8-18

18-8

8-18

18-8

avec les débits d’air neuf suivants :

O	4 500 m³/h
O	900 m³/h

Les résultats pour les 4 salles sont repris dans le tableau et le graphique ci-dessous.

Besoin énergétique électrique (kWh/an)
	Jour	Nuit	WE	Total
Total électrique	29 399	7 597	5 361	42 357
Pour 4 salles				169 428
Besoin énergétique thermique (kWh/an)
Total thermique	36 014	14 288	9 203	59 505
Pour 4 salles				238 020
Comparaison (kWh/an)
Total 4 salles				407 448
Total consommation de l’hôpital				5 400 000
Ratio des salles d’op.				7,5 %

Soit 7,2 % de la consommation totale de l’hôpital.

4. Bilan économique

Le bilan économique est synthétisé ci-dessous dans le tableau et sous forme de graphique :

Coûts énergétiques électriques (€/an)p
salles d’opération	13 511
hôpital	209 000
Coûts énergétiques thermiques (€/an)
salles d’opération	9 670
hôpital	113 750

Les coûts globaux des consommations énergétiques pour la climatisation de l’ensemble des 4 salles d’opération représentent 6 à 7 % de la facture énergétique de l’hôpital.

5. Conclusion

Les zones à risque de contamination élevé sont des postes consommateurs d’énergie importants. Les grands débits d’air neuf traités et le contrôle de l’humidité en sont responsables. C’est pour ces raisons qu’il est impératif, en conception nouvelle ou en rénovation, d’étudier l’alternative qui consiste à recycler l’air et à laisser varier l’humidité ambiante dans une plage qui respecte les normes et les règlements en vigueur.

Concevoir	Pour en savoir sur la gestion des débits.
Concevoir	Pour en savoir plus sur le contrôle de l’humidité.

Les consommations électriques des ventilateurs

Plusieurs approches sont possibles.

> sur base de la puissance électrique installée des ventilateurs :

Cons. transport_air[kWh/an] = Nbre jours/an x Nbre heures/jour x Puissance vent. [kW]

> sur base du ratio Wh/m³ transporté :

En fonction de la qualité du ventilateur et des pertes de charge du réseau (de faibles diamètres de conduits entraînent des vitesses et des pertes de charge élevées), on aura :

Puiss. transportair [kW] = 0,4 … à … 1,1 [W/(m³/h)] x débit horaire [m³/h] / 1 000

Cons. transport_air[kWh/an] = Puiss. transp. [kW] x Nbre jours/an x Nbre heures/jour

> sur base des caractéristiques de conception du réseau :

La consommation électrique du (des) ventilateur(s) s’estime par :

Cons. transport_air [kWh/an] = q_vx Δp x h / (η_vx 3 600 x 1 000)

où,

q= débit d’air transporté [m³/h]
Δp = pertes de charge (pulsion + extraction) [Pa]
h = durée de fonctionnement [h/an]
η_v= rendement total du système de transport de l’air (moyenne entre pulsion et extraction).

Soit pour quatre salles d’opération dont la perte de charge de dimensionnement est de 1 200 [PA] et qui tourne avec un rendement global de 0,65 :

2 600 heures par an à 4 500 [m³/h] en période d’occupation,
2 520 heures par an à 900 [m³/h] en période d’inoccupation de WE,
3 640 heures par an à 900 [m³/h] en période d’inoccupation de nuit.

4 x (2 600 x 4 500 + 2 520 x 900 + 3 640 x 900) x 1 200 [PA] / (0,65 x 3 600 x 1 000) = 35 372 [kWh/an].

Soit de l’ordre de 35 372 / 5 400 000 = 0,6 % de la consommation totale de l’hôpital.

Afin de compléter notre propos concernant la ventilation d’une salle d’opération, voici un article portant sur la classification des filtres à air.

Posted By : 25 Sep, 2007

Valoriser la fraîcheur de l’environnement [Climatisation]

Valoriser la fraicheur de l’air extérieur

Le potentiel lié à la fraicheur extérieure

L’isolation des bâtiments élargit la période de refroidissement en mi-saison et en été. Ce besoin peut être pour une bonne part résolu en valorisant l’air extérieur lorsqu’il est plus frais que la consigne intérieure.

En moyenne, la température extérieure à Uccle est 98 % du temps inférieur à 24°C et ne dépasse 27° que 40 heures par an. En outre, en été, dans notre pays, la température nocturne minimale est inférieure de plus de 8°C à la température maximum diurne, et cette température extérieure nocturne est toujours inférieure aux plages de confort. Il existe donc un pouvoir rafraîchissant naturel important de l’air extérieur, sans traitement et donc sans coût énergétique autre que son transport.

Les profils de températures moyennes à Uccle montrent que la température extérieure est généralement inférieure à la température de confort.

Ce pouvoir rafraîchissant est cependant limité par deux facteurs : la faible capacité frigorifique de l’air extérieur et la quantité d’air pouvant être valorisée, qui est limitée par l’encombrement des gaines de ventilation, la taille des ouvertures en façade, le risque de générer un courant air.

Ainsi, imaginons un local à 26°C avec une charge thermique (élevée) de 60 W/m² (ordinateur, éclairage, occupants, ensoleillement, …) ou 20 W/m³ (si la hauteur sous plafond est de 3 m). La température de l’air extérieur est de 20°C. Calculons le débit nécessaire pour évacuer la chaleur d’un m³ du local :

débit = 20 [W/m³] / (0,34 [W/(m³/h).K] x 6 [K]) = 9,8 [renouv./h]

où,

0,34 W/m³.K est le pouvoir calorifique de l’air et 6 K est la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur

Il faudrait donc un taux de renouvellement horaire de 9,8 : chaque heure, l’air du local serait renouvelé 10 fois ! en dehors de la difficulté technique, cela génère un climat peu confortable…

En pratique, la fraîcheur de l’air extérieur peut être valorisée de trois façons : par une ventilation intensive naturelle (free cooling naturel), par l’intégration d’air frais dans le système de conditionnement d’air (free cooling mécanique), et par le refroidissement direct des boucles d’eau froide (free chilling).

Données

En savoir plus sur le climat belge ?

L’exploitation de l’air extérieur par ventilation naturelle (free cooling naturel)

La ventilation intensive estivale (ou free cooling naturel), vise le refroidissement passif du bâtiment par l’ouverture de sa façade. L’objectif est soit de compenser en journée les charges internes et solaires, soit de « décharger » et refroidir pendant la nuit la masse du bâtiment, afin que cette masse puisse limiter la montée en température le lendemain.

La ventilation intensive est efficace en journée si l’air extérieur n’excède pas la température intérieure, mais n’est pas non plus trop froid, pour éviter la sensation de courant d’air, ce qui limite son usage en mi-saison. De plus, il restera toujours les 40 heures, soit de 5 à 10 journées de travail par an, où la ventilation ne ferait qu’empirer les choses puisque la température extérieure est supérieure à la température intérieure. Le refroidissement par ventilation de jour peut donc être une solution en mi-saison, mais a ses limites en été.

Le refroidissement par ventilation de nuit par contre conserve son efficacité toute l’année, sauf canicule extrême. Malgré tout, pour qu’un free cooling permette de se passer de climatisation en journée, il faut assurer durant la nuit, un taux de renouvellement d’air nettement plus important que le taux de ventilation hygiénique : au minimum 4 [vol/h] par rapport à 1 [vol/h].

Au-delà de l’économie d’énergie qui en résulte, c’est une certaine qualité de vie qui est recherchée : absence de système sophistiqué de climatisation, … et plaisir de pouvoir ouvrir sa fenêtre et d’entrer plus en contact avec l’environnement extérieur.

Techniques

En savoir plus sur la ventilation intensive d’été ?

L’intégration de l’air frais dans le système de conditionnement d’air (free cooling mécanique)

La climatisation est parfois nécessaire (charges thermiques élevées, consignes intérieures strictes de température et d’humidité, …).

On sera alors attentif au fait que le système installé n’exclue pas le refroidissement naturel : dès que la température extérieure descend, elle doit pouvoir supplanter la climatisation mécanique. Idéalement, celle-ci ne devrait plus servir que dans les périodes de canicule.

Tout particulièrement, dans les locaux refroidis toute l’année (locaux intérieurs, locaux enterrés, …) et dans les locaux à forte occupation de personnes (salles de conférence, locaux de réunion, …), il est dommage de faire fonctionner la climatisation en hiver et en mi-saison. On privilégiera les systèmes « tout air » à débit variable.

Durant les nuits d’été, le bâtiment peut facilement être refroidi par le balayage de l’air extérieur (l’installation fonctionne alors en « tout air neuf »). Et en mi-saison, l’air extérieur assure seul le refroidissement par mélange avec l’air recyclé.

Bien sûr, la consommation du ventilateur ne doit pas dépasser celle de la machine frigorifique ! La perte de charge du réseau de ventilation (pulsion, extraction et recyclage) doit rester faible. Il faut prévoir la place pour de larges conduits.

Concevoir

En savoir plus sur le choix du mode de gestion du débit d’air neuf ?

L’utilisation de l’air frais comme source froide d’une installation de refroidissement (free chilling)

Aussi curieux que cela puisse paraître, de nombreuses machines frigorifiques fonctionnent en hiver. Pour assurer le refroidissement de la salle informatique, pour refroidir le cœur du bâtiment surchauffé par les équipements, …

La première réaction est d’imaginer de scinder la production de froid : une petite machine couvre les besoins permanents de la salle informatique, par exemple. Et la grosse machine est mise à l’arrêt en hiver, tout en pouvant jouer le rôle de groupe de sécurité en cas de défaillance de la première.

La deuxième réaction est d’analyser si le circuit d’eau glacée ne pourrait pas être refroidi directement par l’air extérieur, en by-passant la machine frigorifique. Si le fonctionnement est continu tout l’hiver, cela en vaut sûrement la peine (c’est le cas pour un groupe qui refroidirait des locaux de consultations situés en sous-sol d’un hôpital, par exemple).

Lorsque la température extérieure descend sous les 8 à 10°C, on peut fabriquer de l’eau glacée sans utiliser le groupe frigorifique. L’eau peut-être directement refroidie par l’air extérieur. La machine frigorifique est alors mise à l’arrêt.

L’économie d’énergie est évidente ! La rentabilité du projet est d’autant plus élevée que les besoins de refroidissement sont importants en hiver et que l’installation s’y prête.

Toutes sortes de configurations sont possibles en intercalant dans la boucle d’eau glacée soit un aérorefroidisseur (en parallèle ou en série avec le groupe frigorifique) soit une tour de refroidissement (ouverte ou fermée) ou encore un échangeur à plaque couplé avec une tour de refroidissement.

Aérorefroidisseur monté en série avec un évaporateur

Concevoir

En savoir plus sur la mise en place d’un free-chilling ?

Valoriser la fraicheur du sol

Le sol présente un potentiel important pour rafraichir les bâtiments. Sa température est, en été, moins élevée et surtout plus stable que celle de l’air extérieur. Une masse de sable, d’argile ou de roche présente en outre une capacité calorifique importante.

La température moyenne mensuelle est amortie et déphasée par rapport aux températures extérieures. Le sol présente donc un potentiel de rafraichissement particulièrement intéressant au printemps et en été, lorsque la température extérieure est plus élevée.

Les propriétés thermiques du sol dépendent des propriétés de ses constituants et de leurs proportions. Quelques ordres de grandeur :

nature des constituants	Conductivité thermique (W/m°c)	Capacité calorifique volumique Cp(Wh/m3°c)	Diffusivité thermique (m2/h
constituants minéraux	2,92	534	0,0054
constituants organiques	0,25	697	0,00036
eau	0,59	1 163	0,00050
air	0,025	0,34	0,0756

Frédéric Chabert « Habitat enterré » (1980).

La conductivité thermique des sols varie de 1 à 5 selon qu’il est sec ou saturé. La capacité thermique moyenne des sols varie elle de 1 à 3.

L’exploitation de la fraicheur du sol se fait en y organisant un échange de chaleur par le passage contrôlé d’air ou d’eau. Lorsqu’il s’agit d’un échangeur air-sol, on parle de puits canadiens ou provençaux. Lorsqu’il s’agit d’un échangeur eau-sol, on parle de geocooling, une appellation qui, strictement, devrait également recouvrir les puits canadiens.

Parmi les diverses solutions d’échangeur eau-sol, notons l’exploitation du sol sous la dalle de fondation (attention à la puissance qui peut rester alors faible…),

ou dans les pieux de fondation :

Des échangeurs de type forage vertical, indépendants de la structure du bâtiment, sont également possibles.

Une autre possibilité est d’utiliser l’eau des nappes phréatiques souterraine au moyen, en la pompant pour la conduire vers un échangeur de chaleur eau-eau, mais cette technique peut générer des problèmes de nature hydraulique dans le sol (déséquilibres des nappes phréatiques, pollutions).

Un des grands intérêts des techniques de geocooling est que le niveau de température concerné (de 5 à 15°C) est intéressant tant :

Pour le refroidissement direct : un échange de chaleur, par l’intermédiaire de boucles d’eau, entre le bâtiment est le sol), en vue d’alimenter un système de refroidissement par dalle ou par plafond froid.
Pour le refroidissement indirect : valoriser le sol comme source froide de la machine frigorifique, quel que soit le système de distribution et d’émission dans le bâtiment.
Que pour le chauffage par pompes à chaleur. En pratique, on n’envisagera pas de valorisation thermique du sol uniquement pour le refroidissement estival. L’investissement en pompages ou forage ne se fera que si le sol peut être valorisé au maximum de son potentiel, c’est-à-dire tant en refroidissement l’été qu’en chauffage l’hiver. Le géocooling est donc intimement lié à la géothermie.

Pour en savoir plus :

Concevoir	Choisir une production de froid « alternative » : geocooling
Concevoir	Choisir un système rayonnant sur boucle d’eau froide : plafond froid et dalle active.
Concevoir	Le choix de la source de chaleur du chauffage par pompe à chaleur.

Techniques

Le géocooling.

Valoriser la physique de l’air humide

Le contenu énergétique de l’air est lié à la fois à sa température et à son humidité. En effet, la présence de vapeur d’eau dans l’air représente une forme d’énergie latente, égale à la quantité d’énergie nécessaire pour vaporiser ou condenser cette eau. La somme de l’énergie sensible (liée à la température) et de l’énergie latente (liée à l’humidité) est appelée enthalpie. Cette quantité d’énergie est importante, puisque la chaleur de vaporisation d’un litre d’eau est de 2 257 kJ/kg (à la pression atmosphérique et à 100 °C). Soit 5,4 fois plus que pour chauffer le litre d’eau de 0 à 100 °C ! Elle est cependant limitée par la quantité maximale de vapeur que l’air peut contenir, qui dépend de sa température.

Le diagramme psychrométrique est l’outil indispensable pour visualiser et mesurer ces quantités d’énergie. L’enthalpie est représentée sur l’axe diagonal à gauche du diagramme. On constate que le niveau d’enthalpie est équivalent pour un air à 30 °C et 30 % d’humidité relative et pour un air à 17 °C et 100 % d’humidité relative. Autrement dit, si l’on arrive à créer des transferts entre l’énergie sensible et l’énergie latente d’une masse d’air, on devrait être en mesure de créer de l’air froid (et humide) au départ d’air chaud (et sec). Et cela sans grande consommation d’énergie, puisque l’enthalpie de l’air serait conservée.

Comment réaliser ce petit miracle ? Simplement en humidifiant l’air.
En pratique, deux types d’applications ont été développées pour valoriser ce principe physique.
Le premier dispositif se trouve dans l’architecture vernaculaire de nombreuses cultures, mais fut particulièrement développé par les Perses. Ils combinaient des tours à vent (« bagdir ») avec locaux servant de glacières (« yakh-chal ») souvent reliées à un canal souterrain (« qanat »). Par cet ensemble de dispositifs, ils étaient capables de conserver des aliments et rafraîchir des bâtiments dans un climat particulièrement chaud. Marco-Polo, lors de son premier voyage en orient, se serait vu offrir des glaces en plein été !

Plus récemment, l’idée de refroidir de l’air par humidification a été appliquée dans des groupes de traitement d’air. On parle alors de refroidissement adiabatique. Une différence majeure avec la solution imaginée par les Persans : ici c’est l’air extrait du bâtiment que l’on refroidit par humidification. Un échangeur de chaleur air-air permet ensuite de rafraîchir l’air neuf au contact de l’air extrait. Nos ambiances sont déjà suffisamment humides en été que pour éviter d’y pulser un air saturé !

Pour en savoir plus :

Théories	Les grandeurs hygrométriques.
Concevoir	Choisir une production de froid « alternative » : refroidissement adiabatique et climatisation solaire.

Valoriser le soleil

Paradoxalement, la chaleur du soleil peut être utilisée pour rafraichir un bâtiment… pour autant que l’on dispose de l’équipement adéquat.

Généralement, produire du froid implique l’usage d’une machine frigorifique. Celle-ci se compose de deux échangeurs de chaleur (condenseur et évaporateur), d’un détendeur et d’un compresseur électrique. Pas de place pour l’énergie solaire là-dedans, si ce n’est au travers de capteurs photovoltaïques.

Mais il existe un autre type de machine frigorifique, dit « à ab/adsorption« . Là, l’échange thermique est basé à la fois sur la vaporisation d’un réfrigérant (de l’eau) et sur la capacité de certaines substances à absorber la vapeur d’eau pour la restituer à un niveau de pression différent lorsqu’ils sont échauffés. Le cycle de cette matière absorbant joue le rôle du compresseur dans une machine frigorifique traditionnelle, tout en demandant une alimentation en chaleur plutôt qu’en électricité. Or, qui dit soleil dit chaleur ! La combinaison de capteurs solaires thermiques et d’une machine frigorifique à ab/adsorption constitue ce que l’on appelle une « climatisation solaire », une idée séduisante si les besoins de froid du bâtiment sont liés aux gains solaires.
Pour en savoir plus :

Concevoir

Choisir une production de froid « alternative » : refroidissement adiabatique et climatisation solaire.

Posted By : 25 Sep, 2007

Analyser les besoins thermiques : un immeuble de bureaux

Objectif de l’analyse

Aujourd’hui, suite à l’isolation des parois et au placement de vitrages performants, le profil de la demande des bâtiments tertiaires a totalement évolué.

Les besoins de chauffage sont devenus très faibles, et plus de la moitié de ces besoins est générée par le chauffage de l’air neuf hygiénique. Une régulation des débits d’air permet donc encore des économies : par exemple, des détecteurs de présence n’enclencheront la ventilation de la salle de réunion que lors de l’entrée des occupants.
Le point d’équilibre s’est déplacé de 15 à 10°C, c’est-à-dire que l’on refroidit le bâtiment dès que la température extérieure dépasse 10°C.
Les besoins de froid ont fortement augmenté, mais contrairement à ce que l’on pourrait penser, cette augmentation s’est faite essentiellement pour des températures extérieures comprises entre 10 et 22°C. Or, à ces températures, nous pouvons valoriser l’air extérieur frais : pour ventiler directement le bâtiment (free cooling) ou pour refroidir l’eau froide qui elle-même circulera dans les faux plafonds des locaux.
Des besoins simultanés de chaud et de froid apparaissent : le cœur du bâtiment doit être refroidi en permanence alors que les locaux en façade sont à réchauffer, un local informatique demande du froid en hiver et en mi-saison alors que la préparation de l’air hygiénique demande de la chaleur,…D’accord, c’est le boulot du bureau d’études : à lui de mettre en place le système de climatisation qui valorisera ces énergies positives et négatives, qui exploitera l’air neuf extérieur disponible.Mais c’est aussi le boulot de l’architecte de créer un bâtiment qui favorise la ventilation naturelle des locaux, qui exploite la lumière naturelle tout en créant des masques solaires pour limiter la surchauffe, qui diminue tous les besoins thermiques … au point que des plafonds froids irrigués par de l’eau à 18°C suffisent pour rafraîchir les espaces, facilitant ainsi le travail de l’ingénieur !Aujourd’hui, dès la conception, une analyse des besoins du bâtiment devrait permettre de visualiser l’impact des mesures URE et d’établir une stratégie. En voici un exemple.

Qu’entend-on par analyse des besoins thermiques ?

Chaque local reçoit des apports (internes ou externes) et a besoin de chaleur ou de froid pour maintenir le confort intérieur.

Ainsi, pour un bureau, on distingue :

des apports :
- solaires,
- internes (luminaires, bureautique, occupation, etc.),
- des parois (positifs ou négatifs selon la saison),
- de ventilation et d’infiltration (positifs ou négatifs selon que l’air pénétrant dans le local est plus chaud ou plus froid que l’ambiance).
des demandes :
- de chauffage ou de refroidissement du local,
- de préparation de l’air de ventilation (chaud ou froid, humidification ou déshumidification) lorsque l’air pulsé est traité.

La demande thermique d’un local est donné par la relation :

Demande thermique = Puissance des équipements x Temps

La demande thermique du bâtiment regroupe ainsi les besoins thermiques des locaux, et les besoins thermiques liés à la préparation de l’air neuf pulsé.

On peut établir la puissance demandée par les équipements chaque heure de l’année et la représenter en fonction de la température extérieure qu’il fait à ce moment.

Par exemple, si l’on regarde la demande des parois, la puissance de chauffe est d’autant plus grande que la température extérieure est basse; la puissance de refroidissement est d’autant plus forte que la température extérieure est élevée. Entre les deux, il existe une zone neutre où la température ambiante évolue entre 21 et 24°C. Par exemple, pour un bureau type on aurait :

Les 8 760 heures de l’année se répartissent en fonction de la température extérieure comme suit (année type moyenne) :

En multipliant la puissance par le temps, on obtient donc un graphique du type :

La demande de chaleur est représentée en rouge sous l’axe des x, la demande de froid est représentée en bleu au dessus de l’axe des x, tout au long d’une année type moyenne.

On constate dès lors que si la puissance de refroidissement est forte pour des températures élevées, l’énergie correspondante est très faible puisque cela n’arrive (hélas !) que quelques heures par an.

Les caractéristiques du bâtiment étudié

Le bâtiment-type étudié est prévu pour 380 personnes, et a une surface de 3 000 m² répartie entre

bureaux (50 %),
salle de conférences (10 %),
couloirs (20 %),
réserves et sanitaires (12 %),
salle de réunions, salle informatique et cafétéria (8 %).

Les locaux sont occupés de 8h à 18h sauf pour la salle de réunions (2 X 2 heures par jour) et la salle de conférences (2 heures par jour).

Pour plus de détails sur le bâtiment étudié, consultez l’ (sous format Word).

Comparaison d’une version « années 60 » avec une version « années 2000 »

Comparons les bilans énergétiques entre une construction ancienne (simple vitrage, murs non isolés, …) avec une version plus récente (double vitrage, murs isolés, …)

Voici les bilans obtenus par simulation informatique des 2 bâtiments :

On constate logiquement que le bâtiment récent demande nettement moins de chauffage, mais plus de refroidissement. Si autrefois le bâtiment était chauffé jusque 15°C, la température d’équilibre s’établit aujourd’hui vers 12°C.

À noter que simultanément certains locaux demandent d’être refroidis (au Sud, à l’Ouest) alors que des locaux au Nord demandent encore de la chaleur.

Curieusement, l’accroissement de la demande de climatisation se fait surtout pour une température extérieure comprise entre 14 et 24°C, c’est-à-dire à un moment où de l’air frais extérieur peut être utilisé pour refroidir naturellement le bâtiment.

Alors, faut-il faire marche arrière et ne pas isoler nos bâtiments ?

Non ! La consommation totale est nettement plus faible qu’avant, surtout si le système de climatisation valorise intelligemment l’air frais extérieur !

Il restera sans doute une période où la machine frigorifique est nécessaire, mais elle ne représente proportionnellement qu’une très faible consommation : alors pourquoi se priver de ce confort ?

Profil de consommation standard aujourd’hui

Partons du bâtiment « récent » et décomposons les courbes de chauffage et de refroidissement :

Remarque : les paramètres d’exploitation ont été légèrement modifiés, aussi les demandes totales sont légèrement différentes.
Les besoins de chauffage (ancienne courbe rouge) se décomposent en 3 postes :

le chauffage apporté dans les locaux (rouge),
le chauffage de l’air neuf hygiénique (bleu clair),
l’humidification de l’air (mauve).

La demande de refroidissement est composée :

du refroidissement apporté dans les locaux (par les ventilos-convecteurs, par exemple)
et un peu du refroidissement de l’air neuf extérieur (lorsque le local est refroidi, l’air neuf est pulsé à 16°C).

Quelques réactions « URE » immédiates !

Le premier réflexe est de se dire que l’on a tout intérêt à maîtriser le débit d’air neuf en période de chauffage ! Par exemple, un détecteur de présence peut activer l’apport d’air neuf dans les salles de réunions uniquement lors de la présence effective des occupants, ou dans la salle de conférences, le débit d’air neuf peut être régulé en fonction de l’indication d’une sonde CO₂.

Deuxième réflexion : l’humidification de l’air n’est nécessaire que par température extérieure très froide. On pourrait la supprimer au-dessus de 8°C, par exemple.

Enfin, des besoins simultanés de chaud et de froid existent. Or une machine frigorifique qui extrait du froid, libère de la chaleur à son condenseur : on pourrait donc transférer de la chaleur d’un local vers l’autre ou préchauffer l’air neuf qui entre.

Mieux : imaginons que le refroidissement se fasse par des plafonds froids. L’eau entre à 15°C et sort à 17°C. Cette eau à 17°C peut préchauffer l’air neuf directement pour éviter le fonctionnement du groupe frigorifique. L’eau se refroidit et l’air se réchauffe : le bilan énergétique est nul !

Question : n’est-ce pas curieux de refroidir le local et de simultanément réchauffer l’air neuf de ce local ? Oui, mais le problème est que l’on ne peut pulser de l’air à 10°C dans un local sans créer un désagréable courant d’air.

Il n’empêche que l’on va privilégier les bouches hélicoïdales ou à jets toriques (qui réalisent un bon brassage de l’air) afin de pouvoir pulser de l’air dans les locaux à basse température, sans devoir le réchauffer de trop préalablement.

Les consommations énergétiques, rendement des équipements compris

Jusqu’à présent nous n’avons regardé que les demandes de chaud et de froid. Analysons à présent les consommations réelles en tenant compte des rendements de la chaudière et de la machine frigorifique et en intégrant les consommations des équipements (éclairage, bureautique, .)

Toujours pour cet immeuble de bureaux-type, voici des ordres de grandeur

de la consommation du bâtiment,
de sa consommation en énergie primaire (en tenant compte du rendement des centrales électriques),
du coût des consommations.

(Pour connaître les valeurs de rendement et de coût de l’énergie, consultez l’).

Représentation graphique du bilan énergétique du bâtiment

–	Consom. du bât. [kWh/m²]	Cons. nrj primaire [kWh/m²]	Coût de la consom. [€]	Consom. relative du bât.	Consom. Relative nrj primaire	Coût relatif de la consom.
Traitement des locaux	–	–	–	–	–	–
– apports de chaleur	30,6	30,6	0,765	17,2 %	7,9 %	6,0 %
– apports de froid	10,9	31,1	1,088	6,1 %	8,1 %	8,5 %
Préparation de l’air	–	–	–	–	–	–
– énergie sensible	37	39,6	1,03	20,8 %	10,3 %	8,0 %
– énergie latente	14,6	41,7	1,46	8,2 %	10,8 %	11,4 %
–	–	–	–	–	–	–
Pulsion de l’air	7,8	22,4	0,78	4,4%	5,8 %	6,1 %
–	–	–	–	–	–	–
Ventilo-convecteurs des locaux	6,7	19	0,66	3,8 %	4,9 %	5,2 %
–	–	–	–	–	–	–
Charges internes électriques	–	–	–	–	–	–
– éclairage	27,8	79,4	2,78	15,6 %	20,6 %	21,7 %
– équipements	42,6	121,7	4,26	23,9 %	31,6 %	33,2 %
–	–	–	–	–	–	–
TOTAL	178	385,5	12,83	–	–	–

Bilan énergétique du bâtiment initial : consommation du bâtiment, consommation d’énergie primaire et du coût de la consommation.

À l’analyse de ce bilan énergétique, on constate que :

L’éclairage et l’équipement bureautique sont les postes les plus importants dans la consommation d’énergie primaire (21 et 32 % respectivement) et dans le coût de la consommation (22 et 33 % respectivement).

La préparation et la pulsion de l’air pulsé constituent le poste le plus important du conditionnement d’air (33 % de la consommation d’énergie primaire totale et 25 % du coût de la consommation).

La consommation du traitement des locaux est finalement relativement faible (8 % de l’énergie primaire et du coût pour le refroidissement; 8 % de l’énergie primaire et 6 % du coût pour le chauffage).

L’impact de différentes améliorations énergétiques

Au regard du bilan énergétique global du bâtiment, c’est dans la consommation électrique des équipements que l’on peut faire le maximum d’économies : gestion automatisée de l’éclairage, mise en veille des équipements bureautiques.

Mais au niveau des besoins de chaud et de froid du bâtiment lui-même, profitons de notre bâtiment simulé pour lui injecter quelques rénovations URE et analysons l’impact de chacune de ces mesures.

Stopper l’humidification lorsque la température extérieure dépasse 8°C	>	– 14 %
Placer un double vitrage à basse émissivité et avec un facteur solaire de 0,4	>	– 13 %
Placer des stores extérieurs mobiles (facteur solaire de 0,2)	>	– 12 %
Organiser une ventilation nocturne naturelle de 4 renouvellements/heure, tout en augmentant l’inertie du bâtiment pour valoriser ce free cooling (si la ventilation était mécanique il faudrait ajouter la consommation des ventilateurs)	>	– 11 %
Pulser l’air neuf à 16°C dès que le local est en mode refroidissement (au lieu de 21°C)	>	– 10 %
Passer de 60 % de surfaces vitrées en façade à 40 %	>	– 8 %
Adopter une consigne de climatisation en été à 25°C au lieu de 24°C (surtout si plafonds froids rayonnants)	>	– 7 %
Améliorer l’étanchéité de la façade (taux d’infiltration passant de 0,3 à 0,1 vol/h)	>	– 2 %

Les différentes modifications ont été comparées indépendamment les unes des autres, toutes autres choses restant identiques.

Lorsqu’on cumule ces interventions, elles s’influencent l’une l’autre. Si bien que, si l’ensemble des améliorations est réalisé, la consommation thermique totale diminue de 42 % en énergie primaire, et de 44 % en coût, mais il est alors difficile de déterminer la part de chaque intervention sur la réduction totale.

Au niveau de la consommation globale du bâtiment, on constate une diminution de 26 % de la consommation en énergie primaire, et une diminution de 26 % du coût de l’énergie consommée (les consommations électriques pour la bureautique restant les mêmes).

Le cumul des interventions permet donc de diminuer de façon importante la consommation totale du bâtiment.

—	Demande thermique [kW/m²]	Consom. totale [kW/m²]	Énergie primaire [kW/m2]	Emission de CO₂ [kg de CO2/m² x 10]	Coût de l’énergie [€]	Différence par rapport au bât. initial
Traitement des locaux	–	–	–	–	–	–
– demande de chaud	19,8	24,8	24,8	65,3	0,62	– 19,2 %
– demande de froid	4,6	1,8	5,3	6,2	0,185	– 83,1 %
Préparation de l’air	–	–	–	–	–	–
– nrj sensible	21,0	23,3	25,9	62,5	0,687	– 37,1 %
– nrj latente	9,4	9,4	26,9	90,5	0,94	– 35,6 %
—	–	–	–	–	–	—
Pulsion de l’air		7,8	22,4	26,4	0,78	–
—	–	–	–	–	–	–
Ventilo-convecteurs des locaux	–	6,7	19,0	22,4	0,66
–	–	–	–	–	–	–
Charges internes électriques	–	–	–	–	–	–
– éclairage	–	14,1	40,3	47,5	1,41	– 49,3 %
– équipements	–	42,6	121,7	143,6	4,26
—	–	–	–	–	–	–
TOTAL thermique	54,8	59,3	82,7	224,5	2,43	–
Par rapport au bâtiment initial	– 44,3 %	– 36,4 %	– 42,2 %	– 37,1 %	– 44,1 %	–
–	—	–	–	–	–	–
TOTAL global	–	130,4	286,1	464,4	9,54	–
Par rapport au bâtiment initial	–	– 26,7 %	– 25,8 %	– 27,8 %	– 25,6 %	–
—	–	–	–	–	–	–

Une stratégie URE ?

>	Il n’existe pas de « mesures miracles » pour faire chuter la consommation des bâtiments.
>	C’est un ensemble de mesures qui permet d’améliorer progressivement le bilan final.
>	Certaines de ces mesures sont du ressort de la créativité de l’architecte dès le stade de la conception (le traitement des apports solaires par exemple, ou le refroidissement naturel du bâtiment par une ventilation transversale des locaux).
>	D’autres sont apportées par l’ingénieur de bureau d’études dans la gestion des équipements (la régulation de l’humidification en fonction de la température extérieure, par exemple).
>	Mais lorsqu’architecte et ingénieur travaillent de concert, on peut atteindre des bâtiments de confort avec des solutions très économes.

Par exemple :

Si les apports solaires sont bien maîtrisés par la conception de la façade, une climatisation de 60 Watts/m² peut suffire. Des plafonds froids peuvent être prévus et alimentés au régime entrée-sortie de 17° – 19°. L’eau à 19° peut être alors récupérée pour préchauffer l’air neuf hygiénique. Et de l’eau à 17° diminue le risque de condensation sur le plafond et donc le besoin de déshumidifier l’air. Au plus fort de l’été, le régime de refroidissement 15° – 17° pourra être temporairement établi.

Si différentes salles de réunion sont prévues, l’architecte les disposera de telle façon qu’elles soient alimentées sur un même réseau de préparation d’air (par exemple une par étage, raccordée par une trémie commune). L’ingénieur prévoira une climatisation à débit d’air variable (VAV), avec dans chaque local une bouche de pulsion commandée par détecteur de présence. Le ventilateur travaillera à vitesse variable en fonction de la demande réelle. Le groupe de préparation sera dimensionné avec un facteur de simultanéité (défini de commun accord avec le Maître d’Ouvrage) pour tenir compte du fait que toutes les salles ne seront pas occupées en même temps.

Si un local informatique est prévu, il sera heureux de l’associer avec des locaux demandeurs de chaleur (au Nord, par exemple). Par exemple, un réseau de climatisation à débit de réfrigérant variable permettrait d’assurer le transfert entre le local donneur et les locaux demandeurs de chaleur.

Posted By : 25 Sep, 2007

En construction nouvelle, la climatisation est-elle nécessaire ?

Comprendre l’évolution thermique des bâtiments aujourd’hui

Un inconfort d’été trop important

La climatisation d’un immeuble entraîne des coûts d’exploitation 3 à 4 fois plus importants que le simple chauffage traditionnel des locaux, suite à l’énergie frigorifique demandée mais aussi à l’importance des consommations liées au transport de l’air (ventilateurs). C’est ce qui ressort d’un vaste travail de simulation réalisé par l’ISSO aux Pays-Bas et dont nous avons développé un extrait dans l’analyse des coûts d’exploitation de la climatisation.

Évaluer

Pour accéder à l’étude comparative entre les coûts d’exploitation d’une installation de chauffage et ceux d’une installation de conditionnement d’air.

Reprenons-en le tableau final où les coûts sont globalisés et ramenés à une échelle de 100 pour la situation 1 (radiateurs et ventilation naturelle) :

–	–	SUD	EST	OUEST	NORD
1	radiateurs + ventilation naturelle	coût : 100 Inconfort : 370 h/an	coût : 105 Inconfort : 400 h/an	coût : 105 Inconfort : 450 h/an	coût : 106 Inconfort : 310 h/an
2	radiateurs + ventilation mécanique double flux	coût : 219 Inconfort : 260 h/an	coût : 221 Inconfort : 280 h/an	coût : 222 Inconfort : 310 h/an	coût : 223 Inconfort : 230 h/an
3	radiateurs + ventilation mécanique double flux + rafraichissement* + free cooling de nuit**	coût : 337 Inconfort : 25 h/an	coût : 346 Inconfort : 45 h/an	coût : 346 Inconfort : 60 h/an	coût : 348 Inconfort : 20 h/an
4	conditionnement d’air (installation 4 tubes avec éjecto-convecteurs)	coût : 392 Inconfort : 0 h/an	coût : 387 Inconfort : 0 h/an	coût : 392 Inconfort : 0 h/an	coût : 373 Inconfort : 0 h/an

*Par « rafraîchissement » en été, on entend ici une pulsion d’air « rafraîchi » correspondant à 4 renouvellements horaires : refroidi à une température de 18 [°C], lorsque la température extérieure est < 23 [°C] et refroidi à une température de (T°_ext – 5°), lorsque la température extérieure est > 23 [°C]

**Par « free cooling de nuit », on entend ici une pulsion d’air extérieur de ventilation correspondant à 4 renouvellements horaires, si T°_ext < T°_int et si T°_int > 20 [°C]

Si le coût de l’installation traditionnelle est moins élevé, il faut constater que le nombre d’heures d’inconfort empêche sa mise en œuvre pratique !

Par « inconfort », on entend le nombre d’heures durant la période de travail où le PMV (Vote Moyen Prédictif) des occupants serait > 0,5. Autrement dit, le nombre d’heures où l’on peut s’attendre à recevoir des plaintes du personnel… On considère que si ce nombre d’heures est inférieur à 100 heures par an, il s’agit d’une gêne temporaire tout à fait acceptable. Au-delà de 200 h/an, des mesures de refroidissement sont nécessaires pour garder un climat intérieur correct. Cette vision du confort est assez limitée, car elle ne tient par exemple pas compte de la théorie du confort adaptatif.

Dans d’autres simulations de cette étude, il apparaît que seuls les bâtiments dont la charge interne est limitée à 20 W/m², ce qui correspond à une situation d’absence d’équipement bureautique, peuvent encore se passer d’un système de refroidissement. C’est le cas du secteur domestique, mais pas du secteur des bureaux, … et encore moins des hôpitaux.

Bien que certaines hypothèses de l’évaluation de l’ISSO pourraient être remises en cause, il apparaît clairement que la simple ventilation diurne ne permet pas d’évacuer les charges calorifiques excédentaires en été. Le confort d’été ne pourrait être assuré. Cela ne veut cependant pas dire que la climatisation est devenue un mal nécessaire sans alternative …

Est-ce une conséquence « perverse » de l’isolation renforcée des parois ?

Certains critiquent l’évolution actuelle de l’augmentation de l’isolation des parois (y compris le placement de vitrages à traitement sélectif) et se justifient en disant « qu’on n’avait pas tous ces problèmes autrefois ! »

Ils oublient de dire combien les consommations de chauffage des anciens bâtiments sont élevées et le gouffre financier que représente une vieille école, un vieil immeuble administratif, …

Le bilan énergétique global annuel (hiver + été) est largement en faveur de l’isolation des parois, même pour un immeuble de bureaux.

Reste qu’une surchauffe apparaît … Est-elle une conséquence du renforcement de l’isolation ?

L’analyse de l’évolution des puissances thermiques d’un local de bureau-type fait apparaître que, en renforçant l’isolation, la puissance maximale de réfrigération (par 30°C extérieurs) est inchangée, voire en légère baisse. Le profil de puissance s’est cependant décalé. Ainsi, le besoin de refroidir le local apparaît pour des températures plus basses que si le local n’est pas isolé. Le besoin de chauffage n’apparait lui aussi que pour des températures plus basses.

On constate donc que le renforcement de l’isolation modifie fondamentalement le profil de consommation du local

il diminue fortement les consommations d’hiver,
il diminue la durée de la période de chauffe des bâtiments,
il augmente la demande de rafraîchissement, surtout pour une température extérieure comprise entre 10 et 20°C,
les besoins de chaleur et de refroidissement apparaissent plus ou moins équilibrés dans l’année.

Pour en savoir plus :

Théorie	L’évolution des besoins thermiques des immeubles suite à l’isolation des parois.
Concevoir	Analyse des besoins thermiques : exemple pour un immeuble de bureaux.
Concevoir	Analyse des besoins thermiques : exemple d’une salle d’opération.

Quels sont les éléments qui renforcent cette évolution ?

L’augmentation des charges internes par l’équipement électrique des bureaux.
La tendance actuelle des architectes d’accroître sensiblement le pourcentage de vitrage de la façade, et donc les apports solaires peu désirables (les vitrages performants ne créent plus l’inconfort de la surface froide en hiver, phénomène qui limitait leur surface autrefois).
La diminution de l’inertie des parois (cloisons légères mobiles, tapis au sol, faux plafond avec absorbeur acoustique).
Une attente accrue de confort et de productivité du personnel.

Faut-il faire marche arrière ?

Voyons les choses positivement : autrefois, on n’avait même pas conscience de l’existence d’une « chaleur interne » parce que celle-ci était négligeable face aux déperditions des parois. A présent, les fuites de chaleur étant maîtrisées et les apports internes amplifiés par l’évolution technologique, ces apports viennent à satisfaire en bonne partie nos besoins. Nous arrivons à chauffer nos locaux avec 5 litres de fuel au m², contre 20 à 25 dans les années 50. Et c’est tant mieux.

Mais cela rend le bâtiment beaucoup plus sensible que précédemment aux apports solaires …

Autrefois, le chauffage constituait le principal poste énergivore, mais à présent, l’équilibre thermique entre les déperditions du bâtiment et les apports « gratuits » est plus rapidement atteint. Des besoins de réfrigération apparaissent mais l’origine de la surchauffe (apports solaires, équipements intérieurs) est cette fois maîtrisable, par opposition à l’origine du chauffage : la froide température extérieure.

Cela renforce l’importance d’une bonne conception initiale du bâtiment et de la mise en place d’une stratégie adaptée à ce nouveau profil de consommation.

En conclusion : agir dès la conception

Autrefois, les besoins de refroidissement d’un bâtiment étaient résolus par une simple ventilation, avec une période d’inconfort limitée à quelques jours par an. L’isolation actuelle accroît cette période d’inconfort et demande une réponse nouvelle.

Dans certaines conditions, une conception architecturale et technique poussée permet de garantir le confort estival sans recours à la climatisation. Dans tous les cas, des mesures doivent être prises pour limiter la duré d’utilisation et la puissance des installations frigorifiques.

C’est dès la phase de conception que les concepteurs pourront mettre en place une stratégie dans ce sens, intégrée à une approche globale du confort :

en limitant les apports solaires (choix de l’orientation, masques architecturaux, stores,…), tout en conservant un bon éclairage naturel.

en limitant des apports internes (éclairage et équipements performants),

si possible, en renforçant l’inertie des locaux (pour lisser la pointe de puissance frigorifique liée aux apports de chaleur), tout en préservant la qualité acoustique des locaux.

en valorisant la fraicheur de l’air extérieur en journée (la majorité de la demande de réfrigération apparaît lorsque la température extérieure est comprise entre 10 et 20°C), sans créer de courant d’air inconfortable.

en valorisant la fraîcheur nocturne, sans provoquer de surrefroidissement et d’inconfort matinal.

en exploitant des « sources de fraicheur » telles que le sol, une rivière, …

Concevoir	Limiter les apports solaires.
Concevoir	Limiter les charges internes.
Concevoir	Exploiter le pouvoir rafraîchissant de l’environnement.

Il existe cependant des situations où, par la spécificité du bâtiment et/ou parce que la dimension énergétique n’a pas été intégrée dès sa […] la climatisation va s’imposer. Le challenge devient alors : quel système performant mettre en place pour limiter la consommation de la climatisation ?
Quelques exemples :

Dans un bâtiment en milieu urbain pollué et bruyant : l’air et le bruit passent volontiers par les fentes des châssis … L’étanchéité des parois combinée à une ventilation mécanique permet de prévoir des châssis fixes, non ouvrants et donc très étanches, … tout en assurant une qualité hygiénique de l’air aux occupants, mais complique la valorisation de la fraîcheur de l’air.

Dans locaux « aveugles », dans les parties centrales des larges immeubles, dans les larges bureaux paysagers bien isolés : les apports thermiques des équipements de bureautique, des personnes, de l’éclairage, … doivent être évacués artificiellement puisque les déperditions de l’enveloppe sont proportionnellement très faibles (ce sont des bureaux dont le système de chauffage ne s’enclenche que lorsque la température extérieure descend en dessous de 0°C…).

Dans les endroits où la qualité de l’air doit être surveillée : les salles d’opération, les laboratoires, les ateliers de production des entreprises pharmaceutiques, … Le conditionnement d’air permet de pulser plus d’air dans une pièce que d’en extraire. La pièce est alors mise en surpression et aucune petite « bébête » ne peut rentrer (pas de contamination par l’air des pièces environnantes). on parle de « salles blanches ».

Dans des locaux avec forte production de chaleur interne : le centre informatique, par exemple.

Dans les salles de réunion, salles de conférence, … : la forte concentration de personnes apporte une chaleur sensible et latente élevée, et nécessite de toute façon un apport d’air neuf hygiénique important, qui ouvre la porte à des techniques de « conditionnement d’air ».

Dans les locaux fortement vitrés et à parois très légères : la conception architecturale inadaptée génère un déséquilibre thermique et seul l’équipement de climatisation peut artificiellement restaurer le confort des occupants…

Category Archives: Questionner la nécessité de climatiser

Analyser les besoins thermiques en fonction du climat

Évolution des besoins selon les saisons

Simulation numérique

Analyser les besoins thermiques : une salle d’opération

Facture globale de l’hôpital

Consommations électriques

Consommations thermiques

Besoins thermiques de la salle d’opération

1. Hypothèses

2. Apports

3. Bilan thermique

4. Bilan économique

5. Conclusion

Les consommations électriques des ventilateurs

> sur base de la puissance électrique installée des ventilateurs :

> sur base du ratio Wh/m³ transporté :

> sur base des caractéristiques de conception du réseau :

Valoriser la fraîcheur de l’environnement [Climatisation]

Valoriser la fraicheur de l’air extérieur

Le potentiel lié à la fraicheur extérieure

L’exploitation de l’air extérieur par ventilation naturelle (free cooling naturel)

L’intégration de l’air frais dans le système de conditionnement d’air (free cooling mécanique)

L’utilisation de l’air frais comme source froide d’une installation de refroidissement (free chilling)

Valoriser la fraicheur du sol

Valoriser la physique de l’air humide

Valoriser le soleil

Analyser les besoins thermiques : un immeuble de bureaux

Objectif de l’analyse

Qu’entend-on par analyse des besoins thermiques ?

Les caractéristiques du bâtiment étudié

Comparaison d’une version « années 60 » avec une version « années 2000 »

Profil de consommation standard aujourd’hui

Quelques réactions « URE » immédiates !

Les consommations énergétiques, rendement des équipements compris

L’impact de différentes améliorations énergétiques

Une stratégie URE ?

En construction nouvelle, la climatisation est-elle nécessaire ?

Comprendre l’évolution thermique des bâtiments aujourd’hui

Un inconfort d’été trop important

Est-ce une conséquence « perverse » de l’isolation renforcée des parois ?

Pour en savoir plus :

Quels sont les éléments qui renforcent cette évolution ?

Faut-il faire marche arrière ?

En conclusion : agir dès la conception