Comment le brasseur d’air plafonnier apporte-t-il du confort ?

Sommaire

Un peu de physiologie

Comprendre l’impact des brasseurs d’air sur le confort thermique humain nécessite d’avoir quelques notions de base sur le fonctionnement de cette machine thermique extraordinairement sophistiquée et performante, qui s’appelle le « corps humain ».

Tout d’abord, et afin d’assurer dans des conditions idéales ses fonctions vitales, celui-ci doit être maintenu à une température proche de 37° C par un ensemble de principes de rétention ou d’évacuation de la chaleur qui sont sollicités, en fonction des conditions extérieures de température et d’hygrométrie, afin de maintenir en permanence la « machine humaine » en équilibre thermique à cette température interne constante. Nous ne rentrerons pas dans toutes les fonctionnalités complexes de cette évacuation ou de cette rétention de chaleur au niveau de l’appareil circulatoire (notamment la vaso-dilatation, la vaso-constriction, etc.) pour limiter notre observation à l’échange thermique qui se produit à la surface de la peau.

En période froide, l’échange thermique est « simple » : le corps perd de la chaleur. Pour maîtriser cette perte thermique, il faut ramener l’échange à un niveau de neutralité en diminuant donc cette déperdition. Tout d’abord au niveau de la peau (grâce à des vêtements) et/ou au niveau de l’espace habité (grâce au « chauffage » qui peut être passif par l’architecture ou encore actif par des équipements de chauffage), soit encore en augmentant la chaleur produite par le corps lui-même en « bougeant ». Cette augmentation volontaire de l’activité métabolique peut faire que la machine humaine passe de 100 W à plus de 1 000 W de puissance thermique dissipée.

En période chaude, l’échange est plus complexe, car il s’agit de faire en sorte que l’organisme évacue, essentiellement par sa peau, la chaleur qu’il produit pour rester à cette température interne proche de 37° C.

« L’intelligence » des brasseurs d’air (et autres dispositifs de ventilation naturels ou mécaniques) est de stimuler le fonctionnement naturel d’évacuation de chaleur au niveau de la peau, c’est à dire la zone principale d’échange thermique intérieur- extérieur du corps en tant que machine thermique. A contrario, les systèmes de refroidissement, au lieu de stimuler cet échange thermique épidermique et dermique (atchoum), refroidissent « bêtement » (c’est à dire très inefficacement sur le plan énergétique) l’ensemble de la pièce pour que celle-ci refroidisse à son tour le corps.

Cette stimulation d’évacuation de chaleur est basée sur deux phénomènes d’échange thermique :

• un échange de type « convectif » à la surface de la peau qui peut avoir lieu tant que la température de l’air est inférieure à celle de la peau (qui est autour de 33° C). L’évacuation de chaleur est proportionnelle à l’écart de température peau- ambiance.
• un échange de type « évaporatif » qui peut avoir lieu tant que l’air ambiant n’est pas saturé (c’est-à-dire à 100 % d’humidité relative) et qui permet, par l’intermédiaire de la mobilisation, répartie à la surface de la peau, de l’eau contenue dans le corps grâce à ses pores, de « créer du froid » en permettant la valorisation de la chaleur latente de vaporisation de l’eau (c’est-à-dire la propriété d’un liquide d’absorber de la chaleur – et donc de produire de la fraîcheur – lorsqu’il passe de l’état liquide à l’état gazeux).

Dans la plupart des cas, l’échange thermique stimulé par les brasseurs d’air résulte de la combinaison de ces deux phénomènes de convection et d’évapo- transpiration.

Ces deux modes de transfert ont lieu sans vitesse d’air mais ils augmentent tous avec l’accroissement de la vitesse d’air à la surface de la peau.

Cette vitesse devra toutefois être maintenue à un niveau inférieur à une valeur limite (de l’ordre de 2 m/s) pour ne pas créer un inconfort physiologique ou fonctionnel par excès de ventilation :

• soit parce que cette ventilation créera un refroidissement excessif ;
• soit parce que cette ventilation en stimulant fortement une partie du corps et non pas son ensemble, créera un malaise physiologique. Le corps humain « ne sait pas » se défendre en partie contre le « trop chaud » et en partie contre le « trop frais » ;
• soit parce que cette ventilation créera des désordres dans l’espace : papiers qui volent, portes et fenêtres qui claquent, stores qui bougent…

L’occupant devra alors avoir la possibilité de régler la vitesse de son brasseur d’air pour littéralement « ajuster » cet échange en fonction des conditions de température et d’hygrométrie de la pièce et de ses paramètres « personnels » : vêture et métabolisme.

Le rôle d’un brasseur d’air plafonnier est d’augmenter cette vitesse d’air pour généraliser cette accélération d’évacuation thermique permettant au corps humain de rester à 37° C. Cette vitesse sera répartie de manière assez uniforme sur le corps, car le souffle de haut en bas enveloppera la quasi-totalité de la surface du corps d’un flux assez uniforme.

C’est ce qu’on observe dans la réalité opérationnelle des retours d’expérience de projets réalisés.

Phénomènes de déstratification

Les échanges convectifs dans une masse d’air impliquent un phénomène bien connu : l’air chaud monte. Ce principe pourrait aller à l’encontre du fonctionnement des brasseurs d’air en climat chaud. En réalité, ce phénomène est faible en climat tropical sur des hauteurs sous plafond limitées à 3 m, soit dans la plupart des espaces résidentiels et tertiaires. En effet, les écarts de température ambiante (hors rayonnement des parois) entre les planchers et les plafonds restent limités à quelques dixièmes de degrés.

En climat tropical ou en saison chaude d’un climat tempéré, l’apport de confort par accélération de l’air l’emporte toujours sur la déstratification.

Par ailleurs, en climat tempéré et en saison froide, le brasseur d’air va pourvoir être utilisé en mode déstratification pour faire redescendre l’air chaud et homogénéiser ainsi les températures dans un espace chauffé, toujours dans le même sens de rotation, le flux d’air étant descendant.

Enfin, en climat tropical, pour éviter de dé-stratifier lorsqu’on a des hauteurs supérieures à 3 m, il est préférable de réaliser des montages rabaissant les pales à environ 3 m du sol.

Beaucoup de brasseurs dans de grands espaces sont montés trop hauts, entraînant une baisse de leur efficacité. Dans le secteur tertiaire, c’est souvent le cas dans des halls où parfois d’autres contraintes de hauteur viennent interférer (rampes d’éclairage notamment). Plus fréquemment, cela arrive aussi dans le secteur résidentiel dans les vides sur séjours donnant sur une mezzanine.

Ergonomie fonctionnelle des brasseurs d’air plafonniers

Les brasseurs d’air apportent donc du confort thermique dans une pièce en créant, grâce aux phénomènes évoqués ci-avant, des vitesses d’air verticales, de haut en bas, relativement homogènes dans la pièce où ils sont installés. Les règles d’implantation, de dimensionnement et de calepinage de ces brasseurs d’air seront abordées plus loin dans le guide.

Ces règles sont très rigoureuses et doivent tenir compte exhaustivement :

• des paramètres géométriques de la pièce : largeur, longueur et hauteur ;
• du positionnement des occupants: sédentaires ou itinérants, debout, assis ou couchés…
• de leur physiologie (enfants, adultes, personnes âgées) et de leur(s) activité(s) métabolique(s) ;
• de la conception d’autres paramètres constructifs et d’aménagement de la pièce concernée : structure (poutres, poteaux…), positionnement des éclairages, des panneaux acoustiques, etc.

Les personnes situées dans cette pièce seront donc « enveloppées » dans un flux d’air bénéfique au confort et, encore une fois, donner la possibilité aux occupants de contrôler de cette vitesse est essentiel.

Grâce à la création d’un flux d’air, cet équipement technique complète la possibilité de créer du confort par ventilation naturelle architecturale en ayant, par exemple, des ouvrants sur des façades opposées (ventilation dite « traversante ») : les brasseurs d’air prendront alors le relai lorsqu’on n’aura pas de potentiel de ventilation naturelle ou bien lorsqu’il faudra obturer les ouvrants dans des zones trop bruyantes.

Brasseurs d’air plafonniers versus ventilateurs sur pied

Parmi les équipements les plus couramment utilisés dans le bâtiment pour créer du rafraîchissement, on rencontre généralement des ventilateurs, généralement sur pied et parfois fixés au mur, à flux monodirectionnel ou mobile.

Si ces équipements, non attachés à l’enveloppe du bâtiment, comme autant d’autres « branchables » rendent incontestablement des services en termes de confort d’été avec des coûts d’investissement et de fonctionnement maîtrisés, ils ont également de nombreux inconvénients liés au soufflage horizontal.

On peut citer la vitesse assez élevée du flux d’air et la création soit de zones « déventées » (flux monodirectionnel), soit de moments alternativement ventées puis déventés (flux oscillant).

En outre, ces ventilateurs ont parfois un niveau acoustique médiocre et peuvent être perçus comme dangereux en raison de la vitesse de rotation élevée des pales, due à leur faible diamètre. Ces équipements, globalement moins performants dans une optique de pérennité architecturale, ne seront pas abordés dans ce guide.

De même, les dispositifs de brumisation associés à un ventilateur ne sont pas abordés. Ils sont sans grande efficacité en climat tropical (où l’humidité est déjà élevée).