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| Entre chaque fenêtre, une grille verticale étroite. |
La conception du bâtiment doit intégrer l'idée de son refroidissement naturel futur. L'application de ce concept est valable dans beaucoup bâtiment du tertiaire. Cependant, si l'espace à rafraîchir nécessite une qualité d'air contrôlée telle que les salles informatiques, d'autres techniques d'utilisation du pouvoir rafraichissant de l'air extérieur seront privilégiées (comme par exemple le free chilling).
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Ne pas confondre ventilation et refroidissement naturel |
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En préalable, il est utile de distinguer le débit d'air neuf hygiénique, du débit d'air de rafraîchissement d'un local.
Organiser la ventilation permanente d'un bâtiment, c'est assurer globalement les 30 m³/h d'air neuf nécessaires par personne (RGPT). Dans un bureau, cela entraîne un renouvellement horaire de 1 x par heure, puisque chaque occupant occupe +/- 10 m² au sol, et donc un volume de 30 m³.
Grille d'apport d'air hygiénique naturel ... ou réseau d'air pulsé.
Ainsi, pour évaluer la section de la grille de ventilation naturelle, si on se base sur une vitesse de 1 m/s, la section sera de 30 / 3 600 = 0,0083 m², soit 83 cm². Autrement dit, pour assurer l'air hygiénique, une fente d'1 cm au dessus d'une fenêtre de 80 cm de largeur par personne suffit.
Le refroidissement naturel d'un local (ou free-cooling) sous-entend un taux de renouvellement minimum de l'air du local de 4/heure. Un taux de 6/heure sert souvent de base de dimensionnement et 8 renouvellements/heure sont couramment rencontrés. Ceci génère des débits nettement plus importants, donc des ouvertures plus importantes, ... au point que l'on parle d'ouverture de fenêtres spécifiques en façades !
Exemple simple. En été, il est possible d'insérer des grilles dans le châssis existant. Le soir, l'occupant ouvre sa fenêtre donnant sur la grille.
Difficulté : il ne faudrait pas retrouver un local trop refroidi le lendemain... d'où parfois le souhait d'automatiser ces ouvertures. |
Une conception du bâtiment qui favorise le refroidissement naturel |
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L'isolation des bâtiments accroît le besoin 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.
A noter qu'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.
Une solution consiste à développer le free-cooling naturel, c'est-à-dire de favoriser le refroidissement passif du bâtiment. Le bâtiment étant souvent plus chaud que l'ambiance extérieure (98 % du temps, la température extérieure est inférieure à 24°C), l'objectif est de le "décharger" durant la journée et/ou durant la nuit.
Le refroidissement n'est vraiment efficace que si la température de l'air pulsé est au moins 8°C en dessous de la température ambiante. C'est pourquoi, un free-cooling de nuit sera souvent organisé entre minuit et 6 heures du matin.
Ce système rencontre diverses contraintes d'application :
Derrière la vitre du couloir, un bureau non climatisé.
Sol et plafond bruts. Au dessus de la fenêtre, des ventelles vitrées.
Un plafond courbe ou nervuré augmente
la surface de béton en contact avec l'ambiance.
Mais il est possible de faire des compromis : faux plafond acoustique sur les 2/3 de la surface, tout en favorisant un passage de l'air du local au dessus du faux plafond, pour profiter de l'inertie du plafond en béton.
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Le faux plafond est ajouré pour laisser passer l'air le long de la structure portante. | Même bureau, côté fenêtre. |
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La surface d'absorption manquante au plafond peut être fournie par les portes absorbantes acoustiques des armoires. |
| Pour plus d'informations sur l'évolution thermique d'un local-type sans inertie, cliquez ici ! |
Il faut intégrer un "moteur naturel" pour le déplacement d'air :
En façade Sud, l'effet de tirage thermique des cheminées est renforcé
par des blocs de verre chauffés au soleil.
L'ouverture des grilles de ventilation peut être manuelle ...
Vue intérieure et extérieure.
...ou motorisée.
Ouvertures dans les locaux et en sous toiture.
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Ici, à coté de chaque fenêtre du couloir, un panneau de bois peut être ouvert pour créer une circulation d'air transversale (vues intérieures et extérieures du bâtiment).
Ouverture des fenêtres en partie inférieure et supérieure, pour favoriser une circulation d'air dans le local (les colorations jaunes et oranges ne sont dues qu'au reflet des stores du bâtiment en face...).
Le free cooling nocturne naturel nécessite donc des ouvertures vers l'extérieur importantes (de 2 à 4 % de la surface au sol des locaux), ouvertures qui peuvent augmenter les risques d'intrusion dans le bâtiment de personnes, d'insectes, de poussières ou de pluie.
La circulation naturelle d'un volume d'air important au travers du bâtiment doit tenir compte des prescriptions de sécurité en matière d'incendie, notamment, le compartimentage qui veut que les différents étages soient séparés par des parois résistantes au feu en cas d'incendie.
Il est cependant possible de trouver des solutions répondant à l'ensemble de ces contraintes. La preuve ci-dessous.
Il existe déjà en Belgique, des exemples de bâtiments qui intègrent, de façon simple, le free cooling comme le bâtiment PROBE du CSTC, le bâtiment de la firme RENSON à Waregem, les bâtiments "Keppekouter" à Alost (l'étude de ces deux derniers exemples peuvent être consultées dans le projet NatVent). Ces bâtiments ne font cependant pas l'objet d'une automatisation (les grilles sont posées et ouvertes manuellement), ce qui lie les performances du système à la motivation des occupants, mais donne cependant des résultats probants.
Mais il existe également des bâtiments qui automatisent la gestion du free-cooling.
Exemple.
Le bâtiment IVEG (Intercommunale anversoise) est en Belgique un exemple très intéressant de cette philosophie (tirage par cheminée). ( Le coût d'investissement total du chauffage, de la ventilation mécanique et de tous les aménagements constructifs pour la ventilation naturelle a été de 200 €/m², ce qui correspond à un conditionnement d'air de qualité. La consommation totale est inférieure à 120 kWh/m², surtout grâce à une très faible consommation électrique, ce qui correspond à la moitié de la consommation type d'un bâtiment similaire.
Les "fenêtres" (en réalité des ouvrants donnant accès à des grilles disposées en façade) s'ouvrent automatiquement la nuit en fonction du besoin de refroidissement des locaux.
Par précaution, un système de refroidissement sur l'air de ventilation a été mis en place, mais il n'a jamais été utilisé ! |
Le bâtiment SD-Worx à Kortrijk est également très performant.
Il existe aussi des exemples de bâtiments étrangers, notamment en Angleterre, dans lesquels les concepteurs ont tenté d'optimaliser la gestion "naturelle" du confort thermique et de la consommation d'été. Vous pouvez consulter ces trois exemples :
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Chacun de ces bâtiments est une réalisation unique, qui a fait l'objet d'une étude particulière. Ils ont le mérite de montrer que le problème de la surchauffe peut être maîtrisé sans climatisation, moyennant une conception appropriée du bâtiment.
Dans les meilleures conditions (masse thermique du bâtiment importante et accessible, taux de ventilation suffisant), le free cooling nocturne a ses limites de refroidissement et ne peut remplacer totalement la climatisation que si les apports de chaleur sont également maîtrisés.
Le projet de recherche NatVent a montré que le refroidissement obtenu par le free cooling nocturne n'est suffisant que si :
On se rend compte que le "free-cooling" naturel est bien plus qu'une technique greffée sur le bâtiment, c'est une approche qui structure l'espace dès le début du projet.
| Pour plus d'infos techniques sur la mise en oeuvre du free-cooling, cliquez ici ! |
Un ventilateur en renfort : la "ventilation hybride" |
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Pour renforcer le tirage lorsqu'il est trop faible ou pour limiter l'encombrement des cheminées de tirage naturel, il est possible d'organiser une pulsion forcée d'air frais extérieur : un extracteur est placé sur le sommet de la cheminée. Ici également, la température intérieure va fluctuer entre 21 et 25°C durant la journée, puisque le bâtiment stocke son froid la nuit et se réchauffe le jour. Mais au moins une garantie est donnée sur la réelle circulation de l'air.
Schéma de fonctionnement de la ventilation hybride dans les classes (Ecole Tanga).
Une circulation d'eau en renfort : le "slab cooling " |
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Lorsque le bâtiment est situé en zone urbaine, bruyante et polluée, il est difficile d'imaginer une ventilation directe par ouverture des fenêtres.
Il est alors possible d'imaginer un transfert de froid par une circulation d'eau dans le bâtiment, cette eau se faisant refroidir elle-même par l'air extérieur.
Avantage : on maîtrise mieux les flux de froid que dans le cas d'une circulation d'air, toujours "capricieuse"...
Inconvénient : on perd quelques degrés de température par rapport à l'air extérieur (de l'air à 16° fera de l'eau à 19°C...), les puissances frigorifiques restent faibles et nécessitent une gestion drastique des charges thermiques (protection solaire aux fenêtres, par exemple).
On distingue deux techniques principales : les réseaux d'eau froides intégrées dans les planchers ou sur le faux plafond.
Le réseau est monté en usine et intégré dans le ferraillage.
Fonctionnement en été :
La chaleur est accumulée en journée et déchargée par une circulation d'eau à 16° la nuit.
L'eau peut se refroidir par 4 moyens : la nappe phréatique, le sol, l'air extérieur de nuit ... ou une machine frigorifique.
Cette dernière possibilité est une garantie de pouvoir assurer un refroidissement de base même en période de canicule. Mais les puissances restent faibles :
| Soit un plancher de béton de 30 cm, recouvert d'un tapis et sans faux-plafond. |
| Si les tuyaux sont parcourus par le l'eau à 16°C et si l'ambiance est à 26°C, la température de surface avoisine les 23°C. Le plancher génère 37 W/m² vers le bas et 20 W/m² vers le haut. |
Cette faible puissance frigorifique est un inconvénient. Mais sa forte masse thermique a pour avantage de pouvoir rediffuser le froid stocké la nuit à faible coût.
Pour augmenter la masse de stockage, on étend parfois le réseau aux planchers des parkings.
De plus, ce système peut permettre d'assurer le chauffage des locaux en hiver. Il semble que des appoints à plus faible inertie doivent compléter l'installation.
| Pour plus d'infos techniques sur la mise en oeuvre du slab-cooling, cliquez ici ! |
On retrouve ici une technique aujourd'hui classique : le plafond froid ou sa collègue, la poutre froide.
Particularité : puisque l'on souhaite valoriser l'air frais extérieur, l'eau travaillera au régime 17-19°C. La puissance baissera :
Mais en mi-saison, cette puissance peut suffire. Et le groupe frigorifique reste présent pour assurer un régime classique de 15-17°C en plein été.
| Pour plus d'infos techniques sur la conception des plafonds froids, cliquez ici ! |
L'intégration de l'air frais dans le système de climatisation |
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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.
D'autres contraintes interviennent dans le choix de ce système :
Comparons, à titre d'exemple, un système "tout air" et un système à ventilo-convecteur :
Exemple. Un bureau a des besoins en refroidissement de 2 000 W. La température intérieure de consigne est de 26°C. Lorsque la température extérieure est inférieure à 16°C, on peut refroidir ce bureau par free cooling diurne grâce à un débit d'air à 16°C de : 2 000 [W] / (26 [°C] - 16 [°C]) / 0,34 [W/(m³/h).°C] = 588 [m³/h], Avec un réseau ayant une perte de charge globale de 1 500 Pa et des ventilateurs ayant un rendement global de 65 %, cela entraîne une puissance absorbée du ventilateur de : 588 [m³/h] x 1 500 [Pa] / 0,65 = 377 [W], Si on évacue les 2 000 W d'apports calorifiques au moyen d'un ventilo convecteur alimenté par une machine frigorifique ayant une efficacité frigorifique de 3, la puissance électrique absorbée sera de : 2 000 [W] / 3 = 667 [W], à laquelle vient s'ajouter environ 50 W dus au ventilateur du ventilo convecteur et à la pompe de circulation d'eau glacée. On en arrive à une puissance totale de 717 [W], soit 90 % de plus que dans le cas du free cooling. Attention, cette différence n'est plus que de 20 % si la perte de charge du réseau est de 2 000 Pa et l'efficacité frigorifique de la production de froid, de 3,5. Si la perte charge est encore plus élevée, le free cooling sera plus énergivore que la climatisation, du fait de la consommation des ventilateurs. Les conclusions changent également en défaveur du free cooling si la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur est réduite, par exemple si on pulse de l'air à 16°C, dans une ambiance à 22°C, le débit d'air donc la consommation des ventilateurs augmentera pour maintenir une même puissance frigorifique.
Comparaison de la consommation électrique nécessaire pour évacuer 3,3 kWh de chaleur d'un local, au moyen d'un ventilo-convecteur ou d'une pulsion d'air extérieur. |
| Pour estimer le gain moyen réalisable dans une situation particulière : cliquez ici ! |
| Pour plus d'infos techniques sur la conception des systèmes VAV, cliquez ici ! |
Avec ce système, il est possible d'atteindre le même but d'intégration de l'air neuf dans le système de climatisation. C'est au départ une solution peu onéreuse car elle ne demande aucun réseau d'air. Elle permet une économie d'énergie importante puisque ce sont les apports internes (PC, éclairage, ...) et externes (soleil) qui chaufferont l'air neuf. Et non la batterie du groupe de préparation d'air.
| Mais :
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| Pour plus d'infos techniques sur la conception des systèmes avec ventilos-convecteurs, cliquez ici ! |
