Traitements climatiques des espaces

Sommaire

Rappel des notions de confort

Chaque personne possède sa propre perception du confort. Néanmoins, il existe des méthodes scientifiques d’évaluation du confort thermique. La plus connue est l’utilisation du diagramme de Givoni, du nom de l’architecte et médecin Baruch Givoni (1920-2019) qui définit des zones appelées « polygones de confort » adaptées à une multitude d’individus (Man, climate and architecture, 1969, édité en français en 1978). La méthode de Givoni considère 3 paramètres d’ambiance déterminant le confort thermique :

• la température résultante (qui en espace ouvert et ombragé est proche de la température ambiante) ;
• l’humidité relative
• la vitesse de l’air.

Elle s’applique à tous les climats. En revanche, elle est particulièrement pertinente pour caractériser la problématique du confort dans les climats tropicaux et les climats tempérés en périodes chaudes, plus complexes que les périodes chaudes des climats froids.

Un des enseignements essentiels de la méthode de GIVONI est qu’une vitesse d’air de l’ordre de 1m/s sur les individus correspond à une température ressentie inférieure à la température ambiante de 2 à 4 degrés selon les conditions hygrométriques ambiantes.

Ainsi, grâce à l’effet rafraîchissant de cette vitesse d’air le confort est possible sans rafraîchissement artificiel (climatisation) jusqu’à des températures de l’ordre de 30 °C et donc avec un ressenti de 26°C à 28°C dans des espaces traités en ventilation naturelle ou avec l’apport des brasseurs d’air, ces deux solutions pouvant générer cette vitesse.

« Construire avec le climat » est une bonne formule pour minimiser les besoins énergétiques des bâtiments.

Globalement, les règles de conception bioclimatiques doivent pouvoir s’appliquer partout.

• En climat tempéré, elles consistent à mettre en Å“uvre une isolation thermique satisfaisante de l’ensemble des parois, ainsi qu’une valorisation ou une protection des apports solaires tout en ayant en hiver un bâtiment étanche à l’air et en été un bâtiment ventilable.
• En climat tropical, la protection solaire des toitures et des ouvertures est essentielle, avec des dispositions de ventilation naturelle des espaces.

Ces dispositions bioclimatiques passives permettent de minimiser les besoins de rafraîchissement des bâtiments. Néanmoins, certains bâtiments ou certaines zones de bâtiments qui font par exemple l’objet de forts apports thermiques internes ont besoin, en complément, de systèmes actifs de rafraîchissement ou de ventilation.

Comparatifs des consommations d’énergie

C’est une réalité physique : rafraîchir l’air ambiant demande beaucoup plus d’énergie que de le mettre en mouvement.

On estime généralement qu’un brasseur d’air consomme jusqu’à 15 à 40 fois moins d’énergie qu’un climatiseur pour assurer un confort comparable.

Un brasseur d’air consomme 15 à 40 fois moins d’énergie qu’un climatiseur pour assurer un confort comparable.

Fonctionnement couplé : climatisation + brasseur d’air

« Partout dans le monde, la climatisation a produit une architecture climatisée »

article magazine Lowtech,
août 2016

Les deux solutions d’apport du confort (rafraîchissement ou ventilation) sont complémentaires. On peut ainsi distinguer 3 modes de fonctionnement pour les brasseurs d’air plafonniers (BAP) :

Afin d’examiner plus précisément les différences de consommations énergétiques entre ces modes de rafraîchissement, des Simulations Thermiques Dynamiques (STD) ont été menées. Une STD vise à modéliser le comportement thermique d’un bâtiment ou d’une pièce au pas de temps horaire en fonction de données météorologiques, de l’orientation du bâtiment, de l’occupation des locaux, des apports solaires, des apports internes liés à l’occupation, l’inertie des matériaux, etc.

Deux types de pièces ont été étudiées : une chambre climatisée au sein d’un logement individuel, et un bureau climatisé au sein d’un bâtiment de bureaux.

Le logiciel utilisé dans le cadre de cette étude est Pléiades Comfie, version 5.22.12.0.

Étude de cas N°1 : Chambre climatisée d’un climat tropical

L’étude porte sur une chambre d’une surface de 12 m² dans une maison individuelle située à Pointe-à-Pitre, en Guadeloupe.

Les principales données de base concernant les conditions de cette simulation sont les suivantes :

Enveloppe du bâtiment	•   Toiture isolée avec combles perdus (résistance thermique R=1,5 m².K/W) ; •   Façades en parpaings non isolées de couleur claire ; •   Menuiseries simple vitrage à châssis bois (facteur solaire Fs=0,6).
Climatisation	•   Climatiseur monosplit 9000 BTU/H de classe énergétique A++ ; •   Consigne à 25°C ; •   Fonctionnement toutes les nuits de 22h à 7h (soit 3 285 heures de fonctionnement sur l’année).
Renouvellement d’air	Renouvellement d’air constant de 1 vol/h
Occupants	2 occupants

Les variantes suivantes ont été étudiées :

Variante 1	Variante 2	Variante 3
Mise en œuvre d’une toiture sans isolation (résistance thermique R=0,5)	Variation de la température de consigne de climatisation de 20 à 27 °C	Mise en œuvre d’un brasseur d’air en complément de la climatisation

Les résultats des simulations sont les suivants :

On observe que la température de consigne de la climatisation influe de manière significative sur les consommations d’énergie induites : passer de 25°C (consigne préconisée) à 23°C génère 20 % de consommations d’énergie supplémentaires sur une année.

L’utilisation d’un brasseur d’air en complément de la climatisation permet d’augmenter la température de consigne grâce à la sensation de fraîcheur provoquée par les mouvements d’air.

Ainsi, dans le cas de cette chambre, l’utilisation d’un brasseur d’air en complément de la climatisation (avec une consigne remontée à 27° C) permet une économie d’énergie de 27 % sur une année. Les consommations liées au brasseur d’air représentent 36 kWh/an dans cet exemple, soit seulement 7 % des consommations d’énergie liées au rafraîchissement de la pièce.

Étude de cas N°2 : Bureau climatisé

L’étude porte sur un bureau individuel d’une surface de 12 m² dans un bâtiment de bureaux situé à Pointe-à-Pitre, en Guadeloupe. Le bureau

se situe au rez-de-chaussée du bâtiment, qui dispose d’un 1er étage non occupé et non climatisé, servant au dépôt de matériel.

Enveloppe du bâtiment	•   Toiture isolée avec combles perdus (résistance thermique R=1,5 m².K/W) ; •   Façades en parpaings non isolées ; Menuiseries exposées plein Sud sans protection solaire (facteur solaire Fs=0,8).
Climatisation	•   Climatiseur monosplit 9000 BTU/H de classe énergétique A++ ; •   Consigne à 24°C ; Fonctionnement tous les jours de la semaine de 8h à 17h (soit 2 340 heures de fonctionnement sur l’année).
Renouvellement d’air	Renouvellement d’air constant de 18 m3/h
Occupants	1 occupant

Les variantes suivantes ont été étudiées :

Variante 1	Variante 2	Variante 3
Mise en œuvre d’une protection solaire sur les menuiseries (facteur solaire Fs=0,25)	Variation de la température de consigne de climatisation de 20 à 27 °C	Mise en œuvre d’un brasseur d’air en complément de la climatisation

Les résultats des simulations sont les suivants :

Cette étude de cas permet à nouveau d’observer l’influence de la température de consigne de la climatisation sur les consommations d’énergie résultantes.

Dans le cas de ce bureau, l’utilisation d’un brasseur d’air en complément de la climatisation (avec une consigne remontée à 27° C) permet une économie d’énergie de 20 % sur une année. Les consommations liées au brasseur d’air représentent 26 kWh/an dans cet exemple, soit seulement 4 % des consommations d’énergie liées au rafraîchissement de la pièce.

En conclusion, le fonctionnement couplé simultané (clim + BAP) permet de remonter les consignes de climatisation de 2° C et génère des économies d’énergie de l’ordre de 20 % à 27 %