Climatisation Archives - Energie Plus Le Site

Posted By : Sylvie 6 Juin, 2018

Maîtrise de la surchauffe grâce au Night Cooling

L’administration wallonne montre l’exemple en rénovant à Jambes un bâtiment sans climatisation, mais rafraîchi naturellement.

Introduction

En 2012, le service public de la Région wallonne décide de rénover un immeuble de bureau inoccupé à Jambes pour y installer certains de ses services, à savoir la direction générale de l’aménagement du territoire, logement, patrimoine et énergie (DGATLPE).

Dans le contexte actuel d’une utilisation responsable des ressources énergétiques, le maître de l’ouvrage a souhaité que le bâtiment soit particulièrement performant en matière de consommation d’énergie. Celle-ci sera bien inférieure aux consommations d’un immeuble de bureau classique, tout en garantissant un confort très élevé.

Le bâtiment se veut exemplaire et doit servir de modèle en vue d’encourager les autres acteurs de la construction à entreprendre le même type de démarche.

Les travaux ont été terminés en 2015. Le bâtiment est une réussite !

Nouveau bâtiment de la DGATLP à Jambes.

Parmi les nombreuses mesures prises pour améliorer les performances énergétiques du bâtiment, il a été décidé de maîtriser la surchauffe des locaux sans faire appel à des groupes de refroidissement dans une partie du bâtiment. Comment a-t-on fait et est-ce que cela fonctionne ?

Le bâtiment

Situation préexistante

Avant les travaux, le bâtiment construit dans les années 1960 comptait un rez-de-chaussée et 3 étages de bureaux, le tout surmonté d’un étage sous toiture à versants non aménagé.

Le bâtiment avant les travaux.

La structure du bâtiment est en béton armé : planchers nervurés et façades portantes à colonnes.

Structure en béton.

Ancienne façade.

La toiture est à structure métallique légère.

La structure de l’ancienne toiture à versants.

Transformations

Le bâtiment a été complètement transformé de deux manières différentes :

La structure en béton armé des trois étages et du rez-de-chaussée a été conservée et cette partie a été complètement rénovée.
La toiture a été enlevée et un nouvel étage à toiture plate a été construit.

Ces deux parties sont très différentes et dans le cadre de la réglementation sur la performance énergétique des bâtiments PEB sont considérées comme des unités distinctes.

Le quatrième étage

Cet étage constitue à lui seul un bâtiment neuf construit sur le bâtiment existant après enlèvement de la toiture à versant. Il comprend principalement des espaces de réunion.

Bien que thermiquement très performant par rapport aux critères de l’époque (2011), il ne sera pas décrit dans la présente étude de cas.

En résumé :

la transmission thermique à travers les parois ne dépasse pas les maximums autorisés ;
le niveau d’isolation thermique global K = 36 ;
le niveau de performance énergétique EW = 72.

La gestion du confort d’été de ce quatrième étage à faible inertie thermique est assurée par un groupe de refroidissement adiabatique par évaporation indirecte suivi par un refroidissement mécanique de type pompe à chaleur. Les fenêtres sont munies de stores extérieurs à commande automatique.

Le rez-de-chaussée et les trois premiers étages

Cette partie du bâtiment comprend principalement des bureaux. Elle est particulièrement compacte et bien isolée thermiquement. Son confort thermique en été sera étudié en détail.

Sa compacité est très élevée (presque 6 m) grâce à un volume important et une surface de façades relativement réduite. Il n’y a pas de déperdition :

vers les bâtiments mitoyens ;
vers le bas là où se trouvent les bureaux de la poste ;
vers le haut là il est couvert par le nouveau 4e étage.

Le niveau d’isolation thermique de la surface de déperdition du volume protégé est élevé.

Façades

La façade avant a été recouverte par l’extérieur de caissons préfabriqués en bois remplis de 12 cm de laine de roche. Ce qui confère à celle-ci un coefficient de transmission thermique U de 0.31 W/m²K.

La façade arrière a été isolée par l’extérieur à l’aide de 12 cm de laine de roche recouverte d’un enduit. Le coefficient de transmission thermique U de cette façade est de 0.27 W/m²K.
Ces valeurs de U répondent aux exigences de Performance Energétique des Bâtiments (PEB) de l’époque de la demande de permis de bâtir. Depuis 2014, le U des façades ne peut pas dépasser 0.24 W/m²K (= U_max).

De par le choix de la méthode, le risque de ponts thermiques entre l’intérieur et l’extérieur est quasiment nul et la structure lourde de la façade située à l’intérieur participe à la stabilité thermique des locaux.

Isolation thermique de la façade avant.

Isolation thermique de la façade.

> Fenêtres

Les châssis sont en aluminium à coupure thermique et sont munis de double vitrage acoustique basse émissivité performant dont le coefficient de conductivité thermique U_g vaut 1.1 W/m²K.
Suivant leur configuration, les fenêtres ont un coefficient de conductivité thermique U_w compris entre 1.6 et 1.8 W/m²K.

Ces valeurs de U répondent aux exigences de Performance Energétique des Bâtiments (PEB) de l’époque de la demande de permis de bâtir. Depuis 2018, le U_W des fenêtres ne peut pas dépasser 1.5 W/m²K (= U_max).

Les fenêtres sont de type oscillo-battant. Motorisées, elles s’entrouvrent automatiquement lorsque le système de gestion du night-cooling le commande.
Elles sont munies de stores extérieurs automatiques.

Fenêtre en aluminium à coupure thermique.

> Toitures plates

Les toitures plates sont du type « toiture chaude« . Elles sont végétalisées. La couche isolante est constituée de 20 cm de laine de roche. Elle confère à ces toitures un coefficient de transmission thermique de 0.19 W/m²K. Cette valeur est inférieure au maximum toléré jusqu’en janvier 2021 : U_max = 0.24 W/m²K.

La toiture plate végétalisée.

> Inertie thermique

L’inertie thermique de la partie rénovée du bâtiment a été conservée grâce à l’enrobage par l’isolant du côté extérieur de la structure lourde existante. La masse thermique est ainsi accessible.
Il n’y a pas (ou peu) de faux plafonds. Les dalles en béton sont donc apparentes. Leur forme nervurée augmente leur capacité d’échange thermique avec l’air ambiant.
Par contre, des faux planchers ont été posés sur les dalles en béton, ce qui réduit l’échange thermique au sol.

La masse thermique est disponible.

Les nervures sous les dalles en béton restent accessibles

> Protections solaires

La façade avant est orientée au Sud-Est.
Des coursives et des panneaux solaires photovoltaïques verticaux fixes ont été placés pour permettre la gestion des apports solaires et limiter les surchauffes en période estivale. Ils ont été complétés par des stores extérieurs mobiles devant les fenêtres.

> Le système de chauffage

Le chauffage des locaux est assuré par des convecteurs alimentés en eau chaude par une chaudière à gaz à condensation d’une puissance de 120 kW.

La (petite) chaudière à condensation au gaz.

Cette puissance est largement suffisante. Nous avons installé des appareils de mesure dans divers bureaux en plein hiver et constaté que la température de confort était atteinte en permanence.

Évolution de la température durant la période froide.

> Le système de refroidissement

Le refroidissement des plateaux se fait par ventilation naturelle. Elle fonctionne grâce à des fenêtres commandées automatiquement.

Nous nous intéresserons dans la présente étude de cas à la maîtrise de surchauffe dans la partie du bâtiment qui a été rénovée (rez-de-chaussée et étages 1, 2 et 3).

La maîtrise de la surchauffe

Les apports de chaleur internes sont très importants dans les immeubles de bureaux. Aussi, différents éléments ont été mis en œuvre pour limiter les risques de surchauffe en été et les inconforts qui en découlent.

> Protections solaires

Pour réduire les apports solaires en été, des protections ont été placées à l’extérieur de la façade Sud-Est.

Des protections fixes :

coursives en planchers métalliques ajourés ;
panneaux solaires photovoltaïques fixes en partie translucide. Ils sont orientés au Sud pour une meilleure efficacité et décalés par rapport aux fenêtres. De cette manière, ils permettent une meilleure vue vers l’extérieur et ombragent les fenêtres à midi.

Protections solaires fixes : panneaux PV et coursives.

Des protections mobiles :

les fenêtres sont équipées de stores extérieurs automatiques.

Protections solaires mobiles : stores automatiques.

> Fonctionnement des stores :

Tous les stores d’une même façade et d’un même étage s’ouvrent et se ferment en même temps.
Ils sont soit complètement ouverts, soit complètement fermés sans position intermédiaire.
Entre 20h00 et 06h00 ils sont toujours relevés.

> Inertie thermique :

Ventilation intensive (night-cooling)

Les fenêtres des bureaux sont munies d’ouvrants motorisés. Elles s’ouvrent en oscillant vers l’intérieur. Le moteur de marque ROTO est encastré dans la traverse haute du dormant et est complètement invisible lorsque les fenêtres sont fermées.

Fenêtre à ouverture motorisée en façade.

Des ouvertures de transfert sont prévues entre les bureaux et les couloirs. Elles peuvent être refermées la journée pour des raisons acoustiques.

Ouvertures de transfert obturables entre les bureaux et les couloirs.

Les escaliers servent de cheminées de ventilation verticales

La ventilation intensive de nuit se fait via les escaliers et la gaine qu’ils entourent.

Des ouvrants (louvres) sont situés au-dessus des cages d’escaliers afin de permettre la ventilation naturelle.

Un de ces ouvrants est muni d’un ventilateur destiné à forcer la ventilation en cas de nécessité.

Le ventilateur installé dans une des tourelles de ventilation.

Le night-cooling

Schéma de principe du night cooling.

Application au 3e étage.

Fonctionnement

En été, lorsque le ciel est dégagé et que le rayonnement direct du soleil atteint les sondes d’ensoleillement, les stores se ferment. Ils se relèvent automatiquement à 20h00.

Le soir, toutes les ouvertures de transfert entre les couloirs et les bureaux sont ouvertes manuellement, soit par l’occupant qui a terminé de travailler soit par le service de gardiennage lors de sa première ronde. Parfois les portes des bureaux sont également laissées ouvertes.

Par contre, les portes de chaque étage communiquant avec d’autres bâtiments se ferment automatiquement la nuit pour qu’il n’y ait pas d’interférence de ceux-ci sur le fonctionnement du night cooling.

Chaque étage fonctionne indépendamment des autres. Tous les ouvrants de l’étage vont s’ouvrir en fonction de certaines conditions :

l’heure ;
la température de l’air intérieur ;
la température du béton ;
la température de l’air extérieur ;
l’ouverture des stores ;
la vitesse du vent.

En fonctionnement naturel, tous les ouvrants situés au-dessus des cages d’escaliers sont complètement ouverts et le tirage de l’air extérieur se fait naturellement à travers les étages dont les fenêtres sont ouvertes, via les cages d’escalier.

Si à minuit, les consignes de température ne sont pas atteintes par le night cooling naturel, tous les ouvrants situés au-dessus des escaliers se referment sauf celui qui est équipé d’un ventilateur d’extraction forcée. Ce dernier se met alors en route et fait circuler l’air mécaniquement.

La sonde de température intérieure à chaque étage est placée dans un bureau type. Ce bureau choisi est celui qui est orienté le plus défavorablement et qui présente le risque de surchauffe le plus important. L’ouverture de transfert de ce bureau vers le couloir doit être ouverte en permanence afin de permettre une représentation réaliste du refroidissement du bâtiment.

Le confort thermique

Lors de la mise en service du bâtiment, le système de night cooling du bâtiment n’était pas encore au point et certains occupants se plaignirent de températures trop élevées en été. De plus l’impossibilité d’ouvrir les fenêtres accentuait encore la sensation d’inconfort.
Les causes de dysfonctionnement ont été rapidement définies et les réglages nécessaires ont été effectués. Par la suite, plus personne ne s’est plaint d’un excès de chaleur.
Des sondes enregistreuses ont été placées dans certains bureaux en été pour vérifier la température et l’humidité de l’air. Les résultats confirment l’efficacité du système pendant trois semaines de forte chaleur.

Résultats des relevés dans un des bureaux entre le 06 et le 26 juillet 2017.

Les bons résultats obtenus découlent notamment de l’utilisation des stores durant la journée.
S’ils sont très efficaces de ce point de vue, par contre leur fonctionnement amène certaines contraintes. En effet, lorsqu’ils sont fermés, les bureaux sont plongés dans une pénombre qui parfois enclenche l’éclairage artificiel. La vue vers l’extérieur est également empêchée. Cela entraîne une dépense d’énergie et un inconfort pour les utilisateurs des bureaux qui se plaignent de l’ambiance ainsi créée.
Des solutions sont à l’étude : programmation du fonctionnement ; dérogations par les utilisateurs ; fermeture partielle ; protections distinctes contre l’éblouissement ; etc.

Conclusion économies d’énergie

L’usage du night cooling, lorsqu’il est possible et efficace est particulièrement économique. La consommation électrique est très faible. Elle est limitée à la programmation, à la manœuvre des stores et fenêtres et à l’usage peu fréquent du ventilateur dans les conditions les plus contraignantes.

Informations complémentaires

Cette étude de cas a été développée à l’aide des informations et documents fournis par le Service Public de Wallonie.

Nos interlocuteurs furent :

Madame Amélie Paris de la Direction des études, des Marchés et des Travaux patrimoniaux, département de la Gestion immobilière.
Monsieur Didier Herman du SPW territoire, logement patrimoine et énergie, direction fonctionnelle et d’appui, et logistique.

Un problème d’inconfort thermique ou lumineux ? N’hésitez pas à tester notre nouvel outil de diagnostic afin de trouver la solution à votre problématique.

Bonne approche des problèmes de surchauffe

Introduction

Cette Maison de Repos et de Soins dépendante du CPAS de Tournai, communément appelée « Home du Moulin à Cailloux », fut construite en 1976 dans le faubourg nord de la Ville et accueillait quelques 153 résidents dans un bâtiment s’élevant sur trois étages. Suite aux dernières canicules estivales, un problème de surchauffe a fait surface et mobilisé le personnel pour qu’on y trouve remède.

Problèmes de surchauffe

Lors de la période caniculaire de 2003, un grand nombre de plaintes d’inconfort liées à une surchauffe des locaux fut émis principalement par le personnel soignant qui exécute des prestations lourdes pendant la journée, les familles qui rendent visite à leurs parents ainsi que le personnel administratif. À nouveau à la mi-juin 2004, le même problème se représentait : il fait trop chaud ! Ces personnes sont incommodées par une température élevée l’après-midi et un éblouissement gênant en fin de journée principalement dans les locaux supérieurs des façades ouest et sud. Ces dernières sont fortement vitrées : à 90 % pour les bureaux du rez-de-chaussée et à 57% pour les chambres des étages.

Une climatisation !

Très rapidement la solution vers laquelle la Direction se tourne légitimement, c’est d’installer un système de climatisation pour les chambres les plus exposées à ce problème de surchauffe. Pour vaincre la chaleur, rien de tel que du froid ! Oui mais n’y a-t-il pas d’autres alternatives à une climatisation onéreuse aussi bien à l’investissement qu’à l’exploitation ? C’est ici qu’intervient le rôle du Responsable Énergie du CPAS de Tournai. Mandat lui fut donné d’analyser le problème et d’y trouver le remède adéquat sans se précipiter les yeux fermés vers la solution de la climatisation.

Analyse des plaintes et campagne de mesures

La première étape fut de collationner auprès des occupants du bâtiment les plaintes formulées afin de se faire une idée de l’ampleur du problème de surchauffe. Qui est incommodé ? Ce problème semble-t-il se manifester dans tout le bâtiment ? Dans quelles conditions observe-t-on cet inconfort ?

Dans un 2^ème temps, une campagne de mesures fut réalisée lors de l’été 2004 à l’aide d’une station météo placée dans une chambre-type du 3^ème étage où l’on observe la surchauffe la plus forte. Une température de 30°C fut enregistrée dans le courant de l’après-midi d’une journée du mois de juillet.

Objectif : mettre des chiffres derrière ce problème afin d’évaluer au mieux la situation.

Gestion de la surchauffe

On estime que le refroidissement des chambres via une climatisation devient nécessaire en été lorsque la somme des apports internes et externes atteint 55 W/ m² soit 740 W dans le cas de notre chambre-type du 3ème étage.

Les apports internes étant approximativement de 440 W (éclairage, occupant, téléviseur,…), il s’agit de limiter les apports solaires à 300 W afin d’éviter le recours à la climatisation. Or dans la situation actuelle, châssis avec simple vitrage clair, la puissance solaire transmise en été au local est de 1 670 W ! Comment réduire cet apport ? Il est possible de diminuer ces apports solaires via des brises ou des pare-soleils sans nuire au niveau d’éclairement requis du local.

Sur base de tableaux établis pour la Région wallonne par la Cellule Architecture et Climat de l’UCL, on peut comparer plusieurs cas de figure : en plaçant un double vitrage basse émissivité, la puissance solaire transmise descend à 1 260 W et si on l’associe à une protection solaire extérieure tel qu’un store déroulant, on tombe à 140 W. Une protection solaire intérieure quant à elle donnerait une valeur de 570 W.

Il est donc tout à fait possible d’éviter la climatisation et ses coûts d’exploitation pour limiter l’élévation de température des locaux au-delà de 24°C.

La meilleure solution ?

Celle qui rencontrera la satisfaction de tous les utilisateurs et des gestionnaires du bâtiment, l’utilisation rationnelle de l’énergie et bien entendu l’approbation des décideurs quant à l’aspect financier.

Suite à la présentation de l’analyse chiffrée du Responsable Énergie, la Direction fut bien surprise de constater qu’il était possible de se passer de climatisation. Dès lors, en plus du remplacement des anciens châssis en aluminium simple vitrage par des châssis en PVC double vitrage à basse émissivité, des 66 chambres concernées, les 36 situées sur la façade sud seront équipées d’un brise-soleil et les 30 sur la façade ouest de stores pare-soleil. Une mise en œuvre prévue courant 2006.

En détail

Économique

Remplacement des châssis : 115 300 € TVAC.
Brise-soleil extérieur façade sud : 22 500 € TVAC.
Store enroulable extérieur façade ouest : 27 500 € TVAC.

Des subsides peuvent être sollicités auprès de la DGO5 et de la DGO4 (UREBA) pour ce type d’investissement.

La climatisation quant à elle coûterait de l’ordre de 252 500 € TVAC avec un coût d’exploitation annuel de l’ordre de 5 000 € !

Informations complémentaires

Luc BODDIN
Responsable des Biens et Travaux
CPAS de Tournai
Tél : 069 888 934
Email : architecte@cpas-tournai.be

Cette étude de cas provient des Sucess Stories réalisées par l’ICEDD, Institut de conseils et d’études en développement durable en 2004. Depuis cette époque, dans le cadre d’une restructuration des infrastructures du CPAS, le home du Moulin à Cailloux a été reconstruit complétement. Dans le nouveau home, des protections solaires automatiques ont été placées à l’extérieur des fenêtres. Les risques de surchauffe ont ainsi été réduits dès la conception du bâtiment.

Posted By : 25 Sep, 2007

Profiter du froid hivernal pour mieux climatiser

Introduction

Inauguré courant de l’année 1983, le Centre Hospitalier du Bois de l’Abbaye de Seraing compte 374 lits d’hospitalisation et 30 lits en Maison de Repos et de Soins (MRS). Un édifice de quelques 50 000 m² répartis sur 10 niveaux dont la gestion technique et les études de projets sont assurés par une équipe d’une quarantaine de personnes.

Les besoins en froid

En deux décennies, l’hôpital a vu ses besoins en climatisation fortement augmenter et son réseau d’eau glacée multiplié au moins par 10. Les besoins en frigories sont passés d’une puissance d’environ 100 kW à l’origine à quelques 1 000 kW aujourd’hui. Une croissance qui s’explique par la présence d’équipements qui n’étaient pas aussi importants à l’époque que ceux que l’on rencontre de nos jours (scanners, résonance magnétique nucléaire, salle de coronarographie, …) mais aussi par la tendance actuelle à climatiser également les bureaux et l’ensemble des chambres.

Et en hiver, on climatise ?

Dans un hôpital, les besoins en frigories sont importants même en hiver notamment pour les blocs opératoires, les salles informatiques, les salles accueillants des équipements énergivores ainsi que les salles de consultations. Dans le cas du Centre Hospitalier du Bois de l’Abbaye, les 2 niveaux enterrés du bâtiment ont besoin d’être climatisés constamment toute l’année en raison notamment de l’éclairage permanent, des équipements présents et du personnel en nombre qui y travaille. Il faut souligner que ces 2 niveaux totalisent 20 000 m² soit 40% de la surface totale de l’hôpital.

Les installations frigorifiques

Les besoins frigorifiques de pointe actuels nécessitent de l’ordre de 200 m³/h d’eau glacée à 7°C. Cette dernière est produite à partir de 2 groupes de froid de 400 kW chacun et d’un groupe supplémentaire de 200 kW. Depuis la fin des années ’80, dans un souci d’Utilisation Rationnelle de l’Énergie (URE) et donc d’économie financière, on pratique le principe du free-chilling et de la récupération de chaleur sur les groupes frigorifiques.

Principes du free-chiling

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 est directement refroidie par l’air extérieur et la machine frigorifique est 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.

Le responsable technique de l’hôpital, conscient que des besoins de froid existaient durant toute l’année, donc également pendant l’hiver, profita de la rénovation d’une tour de refroidissement pour adopter la technique du free-chilling sur le circuit d’eau glacée. Il adapta la régulation pour permettre le fonctionnement sous deux régimes de température différents au niveau des tours de refroidissement : soit à moins de 10°C en mode free-chilling, soit à 40°C en été qui correspond à la température de sortie au niveau des condenseurs des groupes frigorifiques. Il favorisa également le refroidissement nocturne des locaux, ce qui ne crée pas d’inconfort pour les occupants, et valorise mieux le free-chilling puisque la température extérieure est plus basse la nuit.

En l’absence de mesures, voici une estimation de l’économie réalisée par l’arrêt du groupe frigorifique de 400 kW. Si le fichier météo de Uccle annonce 3 550 heures sous les 8°C, on peut estimer que le refroidissement effectif se fait durant 2 000 heures. Sur base d’un COP (COefficient de Performance) moyen de 2,5, c’est donc 160 kW électriques qui sont évités au compresseur. Une consommation supplémentaire de 5 kW est observée pour le pompage de l’eau au travers de l’échangeur et dans la tour. Soit un gain de 155 kW durant 2000 heures ou encore 310 000 kWh. Le temps de retour simple calculé à l’époque était de l’ordre de 3 à 4 ans pour un investissement total de 60.000 € dont la moitié pour la tour fermée de 360 kW et le reste en tuyauteries, régulation et génie civil.

On soulignera qu’adapter cette technique à une installation existante nécessite toujours une étude particulière (cadastre des énergies de froids consommées avec leur niveau de température, répartition été/hiver…) pour apprécier la rentabilité.

La récupération de chaleur

Le groupe frigorifique de 200 kW fonctionne prioritairement par rapport aux 2 autres et est sollicité toute l’année durant. Lors de son acquisition, l’équipe technique a opté pour un groupe fonctionnant avec une température au condenseur plus élevée de l’ordre de 45 à 50°C. L’idée dès le départ était de récupérer la chaleur libérée au condenseur pour chauffer l’eau de la piscine de l’hôpital ainsi que l’eau chaude sanitaire dont la consommation journalière est d’environ 30 m³ à 50°C. Ce sont quelques 70 kW thermiques en moyenne qui sont ainsi récupérés et non pas offerts aux petits oiseaux via les tours de refroidissement situées en toiture. Une économie annuelle en gaz de l’ordre de 70.000 m³.

En détail

> Informations complémentaires

René TILLIEUX
Directeur technique
Centre Hospitalier du Bois de l’Abbaye
Tél : 04/338.78.80

Cette étude de cas provient des Sucess Stories réalisées par l’ICEDD, Institut de conseils et d’études en développement durable en 2004.

Posted By : 25 Sep, 2007

Climatisation de locaux aveugles à l’hôpital des Fagnes de Chimay

Description de la situation

Quatre petits locaux de consultation, situés au rez-de-chaussée de l’hôpital, sont à rénover. Faut-il les climatiser ? Une ventilation peut-elle suffire ? Quelle solution choisir ?

Étudions l’un d’entre eux comme local-test.

Hypothèses

1 local aveugle, dont on maintient la température à 24°C, été comme hiver. On considère que les locaux voisins sont à même température, donc pas d’échanges thermiques par les parois. Le système doit évacuer la chaleur produite par les différentes charges internes.

A priori, il n’y a pas d’apport de chauffage à prévoir (puisque le local se chauffe par ses propres apports internes), sauf éventuellement pour préchauffer l’air de ventilation.

Estimation des charges internes

Surface du local (3,5 m x 4 m) : 14 m²
Volume du local (14 m² x 2,8 m) : 39,2 m³

Chaleur sensible à 24°C :

2,5 personnes x 71 W/pers : 178 W
Éclairage : 11 W/m² x 14 m² : 154 W
Ordinateur : 160 W
Divers (frigo, matériel,…) : 100 W

Total : 592 W
Puissance/m² : 42,3 W/m²

Bilan annuel des charges à évacuer

Utilisation 10h/jour en semaine : 29,6 kWh/semaine
Utilisation 52 semaines/par an : 1 539 kWh/an

Débit de ventilation hygiénique

30 m³/h.pers x 2,5 = 75 m³/h
Taux de renouvellement horaire : débit/volume 1,9 1/h

Solution 1 : ventilation à débit constant

Peut-on se passer de la climatisation ? Peut-on assurer le confort de ces locaux par une simple ventilation ? Après tout, durant tout l’hiver, l’air extérieur est froid et permet une réfrigération gratuite. Et en été, il est possible de rafraîchir le local la nuit…

Cas d’une ventilation hygiénique (24h/24h)

Une simple pulsion mécanique est organisée, et les débits d’air (ici, 75 m³/h, soit 1,9 renouvellement horaire) sont évacués par les inétanchéités du local.

On suppose une ventilation à débit constant, basée sur une température de pulsion minimale de 16°C (soit un écart maximal de 8°C par rapport à l’ambiance). Pendant la nuit, la ventilation est poursuivie si T° > 22°C.

Cette ventilation est-elle suffisante pour assurer une température confortable ?

S’il s’agit d’une simple ventilation hygiénique, la réponse est clairement non. La simulation durant une année climatique-type moyenne fournit les résultats suivants

Si le local est de faible inertie (simples cloisons, tapis au sol, faux plafond), la température de 26°C est dépassée 1 650 heures par an (sur un total de 2 600 heures d’occupation du local), la température de 30°C est dépassée 158 heures par an.

Si le local est de forte inertie (béton + carrelage, murs de maçonnerie, plafond apparent), la température de 26°C est dépassée 1 570 heures par an, la température de 30°C est dépassée 6 heures par an.

Cas d’une ventilation renforcée

Que se passe-t-il si le débit de ventilation est doublé et que l’on admet que la température ambiante du local fluctue entre 22°C en hiver et 26°C en été ?

Le débit pulsé est de : 150 m³/h
Soit un taux de renouvellement de : 3,8 1/h (débit/volume)

On notera qu’un tel débit nécessite cette fois l’installation d’un double réseau : un réseau de pulsion et d’un réseau d’extraction.

Détails de fonctionnement.

En hiver, en journée, si T°ext < 16°C, un préchauffage de l’air à 16°C est réalisé.

En été, si la T°ext > 24°C, la ventilation continue quand même…

La nuit, si Tint > 22°C, la ventilation se poursuit mais sans préchauffage.

L’apport frigorifique maximal est de :

cap. cal de l’air x écart de soufflage x débit =

0,34 [Wh/m³.K] x (24 – 16) [K] x 150 [m³/h] = 408 Watts

Ce qui montre que, malgré un débit 2 fois plus élevé que le débit minimum hygiénique, le rafraîchissement reste inférieur à la charge thermique du local (592 Watts).

Résultats de la simulation

On considère deux types de locaux (avec faible ou forte inertie) et le bilan est fait sur les 10 heures de fonctionnement en semaine.

Inertie	Nbre d’heures T°int > 26°C	Nbre d’heures T°int > 28°C	Nbre d’heures T°int > 30°C
Faible	240	60	11
Élevée	140	14	4

Quel est le coût d’exploitation de cette solution ?

En réfrigération : 0 €, bien sûr.

En chauffage, il faut prévoir le préchauffage de l’air lorsque la température extérieure est inférieure 16°C, soit 75 % du temps ! Cela représente un besoin net de 1 113 kWh/an.

La consommation de combustible s’en déduit :

(Besoins nets / rendement système de chauffage) x prix de revient du combustible

En partant d’un litre de fuel à 0,25 € pour 10 kWh produits,

(1 113 [kWh/an] / 0,8) x 0,025 [€/kWh] = 34,775 € /an

-> soit 2,5 €/m²/an
Si le chauffage se fait par une résistance chauffante électrique :

(1 113 [kWh/an] / 1) x 0,115 [€/kWh] = 125,225 €/an

-> soit 8,95 €/m²/an
En ventilation, il faut estimer la consommation des ventilateurs d’extraction et de pulsion qui tournent tant que T°_int > 22°C, soit 3 180 heures/an.

En supposant un réseau pour les 4 locaux de 800 Pascals de perte de charge (pulsion + extraction), on obtient :

Puissance Ventilateur = débit x pertes de charge / rendement

= 150 [m³/h/local] x 4 [locaux] x 800 [Pa] / (0,45 x 3 600 [s/h]) = 296 Watts

Coût ventilation = puissance x temps de fonctionnement x prix du kWh

= 0,296 [kW] x 3 180 [h] x 0,1 [€/kWh] = 94,13 €

-> soit 6,72 [€/m²/an]
(le prix du KWh est basé sur 2 600 Heures Pleines, 580 Heures Creuses et une participation à la pointe de puissance quart-horaire; le rendement de 0,45 est le rendement total du groupe de ventilation, assez faible pour ces petits débits)

Récapitulatif du coût d’exploitation
–	Refroidissement [€/m²/an]	Chauffage [€/m²/an]	Ventilateurs [€/m²/an]	Total [€/m²/an]
Chauffage électrique	0	8,95	6,72	15,67
Chauffage combustible	0	2,5	6,72	9,22

Conclusions

Le confort des occupants reste médiocre puisque la température intérieure dépasse 28°C durant 60 heures dans le cas du local avec faible inertie.

Seul le local à forte inertie parvient à maîtriser la surchauffe parce qu’il lui est possible de « déstocker » la chaleur durant la nuit, par le refroidissement nocturne.

Attention : la simulation est basée sur une année type-moyenne à Uccle. Or, dans l’année type-moyenne utilisée, la température ne dépasse jamais les 30°C. En cas d’été très chaud, la situation sera donc plus critique encore…

Si le débit d’air de ventilation était encore augmenté, les surchauffes diminueraient encore mais les besoins de préchauffage de l’air de ventilation augmenteraient !

Par exemple, avec un débit d’air de 8 renouvellements horaire, et une faible inertie, le nombre d’heures où la température dépasse 28°C est ramené à 20 heures par an, mais la consommation pour le préchauffage hivernal double : 2 200 kWh/an, … et un tel renouvellement horaire n’est pas aisé à réaliser sans inconfort.

La nécessité de prévoir un circuit de reprise, ainsi que le besoin de préchauffage de l’air de ventilation entraîne l’intérêt d’analyser le cas où il y aurait un recyclage de l’air (solution 3).

Solution 2 : climatiseur plafonnier

Un climatiseur est placé au plafond de chaque local.

L’évacuation de la chaleur sera prévue par un condenseur dans la cour extérieure (?) ou sur le toit de l’extension (?). Idéalement, il serait préférable de récupérer cette chaleur dans un local voisin (?). Par exemple, un sas d’entrée où le condenseur serait inséré dans un rideau d’air chaud, gratuitement alimenté par le refroidissement des locaux ! Pour le plein été, un condenseur complémentaire devrait être prévu pour évacuer la chaleur excédentaire. Autre solution : le condenseur pourrait préchauffer l’air neuf de ventilation.
Il sera énergétiquement plus efficace de raccorder tous les évaporateurs sur un même condenseur extérieur (système multisplit). De plus, on sélectionnera un appareil dans lequel le compresseur est « enveloppé » dans une coquille synthétique, réduisant ainsi la diffusion du bruit.

Par ailleurs, un réseau de distribution d’air neuf hygiénique doit être installé.

Soit en pulsant l’air hygiénique dans les locaux (l’air s’échappant par les inétanchéités des locaux) :

Soit en plaçant un réseau d’extraction d’air et des grilles dans les portes (l’air est préchauffé dans le couloir, ce qui est favorable en hiver (chauffage par combustible) mais défavorable en été… ) :

Bilan énergétique annuel

On suppose un coefficient d’efficacité frigorifique moyen de 2,25 en tenant compte de la consommation des ventilateurs au condenseur et à l’évaporateur.

On table sur un prix du kWh (HTVA) de 6,75 € le jour de semaine et de 4,33 € le week-end, plus une pointe de puissance mensuelle de 8,7 €/kW (tarif Binôme A).

Bilan annuel des charges à évacuer : 1 539 kWh
Consommation électrique du climatiseur / local : 1 539 kWh / 2,25 = 684 kWh/an

Coût de fonctionnement du climatiseur

Puissance électrique en fonctionnement 592 / 2,25 = 263 W ou 0,26 kW
Coût : 684 [kWh/an] x 6,75 [c€/kWh] + 0,26 [kW] x 8,7 [€/kW] x 12 = 73,314 €/an soit 5,24 €/m²/an

D’autre part, l’évaporateur du climatiseur est à une température inférieure au point de rosée de l’ambiance, il va provoquer une consommation supplémentaire correspondant à 60 Watts/pers. (chaleur latente).

2,5 pers. x 60 Watts/pers = 150 W
soit une augmentation de 150 [W] / 592 [W] = 25 % du coût de refroidissement
Consommation en froid totale : 5,24 [€/m²] x 1,25 = 6,55 €/m²/an

Coûts supplémentaires liés à la ventilation

On considère la température intérieure maintenue à 24°C.

Si la température de l’air extérieur est inférieure à 24°C, on peut le pulser dans le local et il viendra diminuer la charge du climatiseur.
Si la température de l’air extérieur est supérieure à 24°C, on doit en tenir compte en charge supplémentaire.

Sur base d’un fichier météo représentant une « année-type moyenne » :

En journée, de 8 à 18h00, il y a 3 570 heures inférieures à 24°C avec une température moyenne de 10,6°C.
En journée, de 8 à 18h00, il y a 70 heures supérieures à 24°C avec une température moyenne de 25,8°C.

Si la pulsion est de 75 m³/h en hiver, on économise sur le refroidissement :

75 [m³/h] x 0,34 [Wh/m³.K] x 3 570 [h/an] x (5/7) [jours/semaine] x (24 – 10,6) [K] / 1 000 = 871 [kWh/an]

-> soit : 62 [kWh/an/m²]

Si la pulsion est de 75 m³/h en été avec T° > 24°C, on augmente les besoins de refroidissement :

75 [m³/h] x 0,34 [Wh/m³.K] x 3 570 [h/an] x (5/7) [jours/semaine] x (25,8-24) [K] / 1 000 = 2,3 [kWh/an]

-> soit : 0,2 [kWh/an/m²]

Mais ce calcul doit être affiné :
Si l’air de ventilation est inférieur à 16°C, il doit être préchauffé. Le pouvoir de rafraîchissement est limité et une consommation de chauffage apparaît.
Après calcul, on constate que préchauffer cet air à 16°C en hiver entraîne une consommation de 400 kWh, et que l’effet de rafraîchissement de l’air n’est plus que de 471 kWh (le total faisant les 871 kWh).

Si le chauffage de l’air de ventilation est fait avec une résistance électrique, il entraîne un coût supplémentaire de :

400 [kWh] x 0,11 [€/kWh] = 45 [€/an], soit 3,2 [€/an/m²]

Si le chauffage de l’air de ventilation est fait avec le système de chauffage du bâtiment, (directement par un échangeur thermique ou indirectement en puisant l’air dans les couloirs), le coût peut être estimé à :

400 [kWh] / 0,8 x 0,025 €/kWh = 12,5 [€/an], soit 0,89 [€/an/m²]

Coût de fonctionnement du ventilateur

Puisque le coût des ventilateurs de la climatisation est déjà intégré dans le facteur d’efficacité frigorifique, il ne reste qu’à estimer les consommations du ventilateur d’air hygiénique. On reprendra la méthode prise pour la solution 1, mais cette fois avec un débit réduit de moitié et des pertes de charges de 600 Pa puisqu’il s’agit d’un réseau simple flux et un temps de fonctionnement de 2 600 heures en Heures Pleines.

Récapitulatif du coût d’exploitation

–	Refroidissement [€/m²/an]	Chauffage [€/m²/an]	Ventilateur [€/m²/an]	Total [€/m²/an]
Chauffage électrique	6,55	3,2	2,1	11,85
Chauffage combustible	6,55	0,89	2,1	9,54

Analyse du confort

T° de l’air pulsé (sur base d’un catalogue de fabricant) : …8… °C ! (si t°_amb = 27°C et si 20 % de l’énergie frigorifique est utilisée pour la condensation de la chaleur latente).

Pour gagner de la place, les constructeurs conçoivent des évaporateurs très compacts. Aussi, pour donner leur puissance frigorifique, ils travaillent avec un fluide frigorigène à très basse température. L’air de pulsion en sera également très froid.

On constate que cette solution risque d’entraîner un réel inconfort dans ce type de petit local, l’air étant pulsé à trop basse température.

En pratique, l’air ne devrait pas descendre en dessous des 14 à 16°C (écart de soufflage de 8 à 10°C), et encore, avec des bouches présentant des taux d’induction de l’air très élevés (mélange rapide de l’air pulsé avec l’air ambiant).

La présence du climatiseur directement dans le local est par ailleurs une source de bruit peu agréable… De plus, il faut limiter le bruit des compresseurs à l’extérieur…

Amélioration

Une première solution consiste à choisir un appareil dont l’évaporateur est surdimensionné (ainsi que son ventilateur), et dont le compresseur est un scroll pouvant travailler à vitesse variable (régulation INVERTER). La vitesse sera alors toujours adaptée aux besoins réels du local, évitant le fonctionnement en ON-OFF, c.-à-d. « recevoir un jet d’air glacé ou … rien du tout » !

Une autre solution consiste à préparer l’air dans un caisson de climatisation, puis à le distribuer par un réseau de gaines dans les différents locaux : cette fois la température de l’air peut être mieux maîtrisée et le bruit est étouffé par la présence d’une gaine (et d’un éventuel absorbeur acoustique supplémentaire). C’est la solution 3 détaillée ci-dessous.

Solution 3 : climatisation « tout air » avec recyclage partiel

La climatisation des locaux étudiés requiert du froid toute l’année. Or, en mi-saison et en période hivernale, soit 75 % du temps, la température extérieure est inférieure à 16°C.

D’où la nouvelle idée testée ici : pourquoi ne pas profiter davantage de cet air extérieur frais ? Tout en plaçant une batterie froide dans un caisson de préparation pour vaincre les pointes de chaleur de l’été.

Déterminons l’installation capable de reprendre la charge maximale de 592 W. Le principe du calcul consiste à dire que la température intérieure sera maintenue sur 24°C intérieur et que l’apport d’air frais compensera exactement les charges :

Débit d’air = Puissance / (cap. calor. de l’air x ΔT°)

Débit = 592 [W] / (0,34 [Wh/m³.K] x (24 – 16) [K]) = 217 [m³/h]

Installons une climatisation tout air de 225 m³/h, soit 3 fois le débit d’air hygiénique. Le taux de brassage de l’air sera de 5,7.

Remarque : par simplification, il n’est pas tenu compte ici des consommations liées à l’humidification ou à la déshumidification de l’air.

Situation 1 : la température extérieure est inférieure à 0°C (soit 5 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, on puisera le débit d’air extérieur minimum hygiénique (75 m³/h) pour le mélanger avec un maximum d’air recyclé (150 m³/h).

Exemple.

Si T°_ext = – 4°C,

T° de mélange = (75 m³/h x (- 4°C) + 150 m³/h x 24°C) / 225 m³/h = 1/3 x (- 4°C) + 2/3 x 24°C = 14,7 °C

Cet air sera ensuite réchauffé pour atteindre les 16°C de pulsion.

Puissance de chauffage = 0,34 Wh/m³.K x 225 m³/h x (16° – 14,7°) = 99 W

Consommation horaire = 99 W x 1 h = 99 Wh.

Situation 2 : la température extérieure est comprise entre 0 et 16°C (soit 70 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, on mélangera le débit d’air extérieur avec la dose voulue d’air recyclé à 24°C pour obtenir les 16°C souhaités.

En pratique, la position des registres (présents sur l’air neuf et l’air extrait) sera modulée en fonction de la demande du thermostat d’ambiance.
La consommation sera nulle, en froid comme en chaud ! Et cela 70 % du temps…

Exemple.

Si T°ext = 8°C, les registres seront positionnés pour pulser des débits égaux :

T° de mélange = (112 m³/h x 8°C + 112 m³/h x 24°C) / 225 m³/h = 1/2 x 8°C + 1/2 x 24°C = 16°C.

Situation 3 : la température extérieure est comprise entre 16 et 24°C (soit 23 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, le registre d’air extérieur sera ouvert au maximum puisqu’il sera de toute façon plus froid que l’air recyclé. Un refroidissement sera toujours nécessaire.

Exemple.

Si T° = 20°C, de l’air neuf est pulsé au débit maximum de 225 m³/h.

Un besoin de refroidissement de cet air apparaît :

Puissance de refroidissement = 0,34 Wh/m³.K x 225 m³/h x (20° – 16°) = 306 W.

Consommation horaire = 306 W x 1h = 306 Wh.