Une concertation dès l’Avant-Projet

Il serait prétentieux de prétendre énoncer en quelques lignes tous les critères constituants la démarche conceptuelle qui conduit au choix d’un système de climatisation d’un immeuble.

• évaluation des besoins : apports (-> froid), déperditions (-> chaud), occupation (->débit d’air hygiénique),…
• mobilité aux variations de programme (usage du bâtiment, un ou plusieurs locataires, …)
• confort au sens large (climatique, acoustique, visuel,…),
• coût d’investissement et d’exploitation,
• optimalisation de l’usage des surfaces,
• esthétique externe et interne (le bâtiment doit être beau à voir et à vivre !),
• etc…

Tout au plus pouvons-nous ici évoquer avec prudence les quelques critères principaux et ébaucher des solutions classiques, mais nullement “passe-partout” :

Considérons une base relative de 100 % comme valeur moyen d’une installation de climatisation. Une simple installation de chauffage est alors à 30 %. L’échelle des prix en fonction du type d’équipement et du niveau de régulation qui lui est associé peut être évalué comme suit :

Installations  “détente directe”

Installations “tout air”

Installations “sur boucle d’eau”

Le coût des plafonds froids (plutôt élevé en regard à l’énergie frigorifique produite) est pénalisé notamment par la régulation qui doit permettre d’éviter tout risque de condensation. Mais, comme tout produit récent, son prix est progressivement en baisse sensible…

Les prix donnés à titre indicatif ci-dessous (Source : “GIE – Climatisation et Développement” en France) correspondent à un contrat annuel de maintenance sur devis (les prix les plus bas correspondent aux surfaces traitées les plus grandes). Ces valeurs sont assez anciennes (années 2000), mais les variations entre les différentes installations peuvent être supposées toujours pertinentes. À ces prix s’ajoute celui du renouvellement périodique des équipements défectueux, lié à leur durée de vie. Ainsi, les installations en “détente directe” sont généralement plus fragiles, ce qui implique un remplacement plus fréquent des composants.

Installations “détente directe”

Installations “tout air”

Installations “sur boucle d’eau”

Installations  “détente directe”

Installations “tout air”

Installations “sur boucle d’eau”

L’effet refroidissant

Il peut être apporté aux locaux par de l’air, de l’eau, ou par le fluide réfrigérant lui-même.

L’air ayant une faible chaleur spécifique, un système “tout air” entraîne un encombrement très important (gaines volumineuses), et donc une perte d’espace utile pour l’aménagement des locaux. En rénovation, cette technique est souvent exclue (si on ne veux pas “tout casser” !). Si les locaux sont de toute façon demandeur d’air hygiénique en grande quantité (présence de nombreux occupants), le problème est vu différemment : il est alors logique d’associer les fonctions “ventilation” et “rafraîchissement”…

L’eau glacée est le choix le plus fréquent. La boucle d’eau pouvant se placer aussi bien en allège qu’en faux plafond.

L’idée de faire circuler le fluide réfrigérant directement dans les locaux est nouvelle. C’est certainement la formule la plus souple. Elle s’adapte bien aux locaux à très faible inertie (parois légère, tapis de sol, faux plafond) pour lesquels on peut parfois en mi-saison chauffer au matin, … mais refroidir sous le soleil de midi !

L’effet calorifique

Il peut être apporté par de l’air, de l’eau, par le fluide réfrigérant ou par l’électricité.

Le transport par air entraîne les mêmes conclusions en chaud qu’en froid.

Le chauffage par boucle d’eau peut se justifier par la présence d’autres besoins dans le bâtiment (eau chaude sanitaire, par exemple) : l’installation de production d’eau chaude sera commune.

Lorsque le fluide “réfrigérant” est utilisé pour chauffer : l’échangeur dans le local devient le condenseur de la machine frigorifique. C’est la solution la plus économique à l’exploitation si la chaleur est extraite de locaux refroidis. Si la chaleur est extraite de l’air extérieur (fonctionnement en pompe à chaleur), la performance diminue fortement avec la baisse des températures extérieures. Le chauffage est alors obtenu avec un prix de revient supérieur aux installations à combustible classique. Ce choix ne peut se justifier qu’au regard de la consommation globale (hiver + été) de l’installation.

Enfin, le chauffage par résistance chauffante ne doit être sélectionné que lorsque les besoins thermiques sont très limités. Le prix de revient du kWh électrique de jour est en effet 3 fois plus élevé environ que celui du kWh thermique (pointe de puissance comprise).

Installations  “détente directe”

Installations “tout air”

Installations “sur boucle d’eau”

L’organigramme ci-dessous propose un guide de sélection d’un système de refroidissement. Il s’appuie sur une stratégie de sélection partant des profils d’occupants, des caractéristiques du bâtiment et des ressources du site et va jusqu’à la sélection d’une technologie.

Cet organigramme s’applique surtout aux constructions neuves, mais peut globalement être repris pour des projets de rénovation également. Il s’agit d’un guide générique, qui peut ne pas s’appliquer à un cas particulier. Restez donc prudents et critiques dans son utilisation. Tous les embranchements sont référencés par une lettre (de A à Q). Un mot d’explication est donné sur chacun de ces choix en dessous de l’organigramme.

>> Les textes en italique dans le schéma sont cliquables et mènent vers des informations complémentaires.

Quelques commentaires sur cet organigramme :

• A à D : La première partie sert à identifier le profil de l’occupant : actif ou passif.
  • Si le profil est passif (c’est-à-dire lorsque que l’occupant ne peut intervenir sur son environnement par l’ouverture d’une fenêtre, la fermeture d’un store,…)., toutes les stratégies intégrant la notion de confort adaptatif sont caduques.
  • Si l’occupant est actif, on peut envisager d’aller vers une limitation acceptée de la puissance de refroidissement disponible. C’est le sens de la question “D. Température glissante ?”
    • Répondre oui signifie que l’on tolère une dérive limitée des températures intérieures en été, telle que définie par la norme NBN EN 15251. L’installation de refroidissement sera alors vue comme une aide limitée en cas de vague de chaleur exceptionnelle (on parle de top cooling) ou de besoins localisés (systèmes split).
    • Répondre non signifie que, malgré le comportement actif possible des occupants, on souhaite avoir la garantie du maintien de consignes strictes de température. On s’oriente alors vers un système de refroidissement capable de répondre instantanément aux besoins. Pour en savoir plus sur les profils d’occupants, voir la page “confort thermique”.

• E à G : La question E se place dans le cadre d’une fluctuation contrôlée des températures. Une stratégie de free cooling est dans ce cadre indispensable, au moins en journée,  faute de quoi les charges internes et solaires ne peuvent être dissipées et le confort ne pourra être maintenu. Mais ce free cooling (diurne et/ou nocturne) est-il suffisant ? Une simulation dynamique du comportement du bâtiment peut être intéressante pour répondre à cette question. Différentes réponses sont envisageables :
  • 1/Oui, auquel cas il n’est pas nécessaire d’installer de système de refroidissement. Félicitation, votre consommation d’énergie thermique en été sera nulle ;
  • 2/Oui, sauf dans certains locaux, par exemple ceux avec des serveurs informatiques, ou une salle de réunion particulièrement exposée au soleil, ou les quelques locaux sous toiture,… Dans ce cas, une installation de refroidissement à détente directe, de type armoire de climatisation ou système split parait un bon choix. Éventuellement, la chaleur extraite de ces locaux pourrait être utile à d’autres ? Alors on s’orientera vers un système à débit de réfrigérant variable (VRV) ;
  • 3/ Oui, sauf en plein été. Dans ce cas, un appoint mécanique de type top cooling est pertinent, pour franchir confortablement les jours chauds sans investir dans un système de distribution spécifique au refroidissement ;.
  • 4/ Non, le free cooling est tout à fait incapable d’assurer le confort du bâtiment, malgré la bonne volonté et la coopération des occupants.

• H à I : Un appoint d’été dans un bâtiment qui ne dispose pas d’autre système de refroidissement qu’un free cooling se base souvent sur le réseau de ventilation : l’air neuf hygiénique est refroidi en centrale avant d’être diffusé dans l’ensemble du bâtiment. Le débit d’air correspond au débit nominal du réseau de ventilation hygiénique, c’est-à-dire de débit nécessaire pour assurer la qualité de l’air des locaux en supposant une occupation de référence. Éventuellement, ce débit peut être augmenté légèrement si le groupe de pulsion le permet, mais avec précaution : les pertes de charge seront alors très élevées et la consommation électrique d’un ventilateur également (pour éviter cela, on peut surdimensionner le réseau de ventilation par rapport au débit hygiénique). Dans ces cas, le refroidissement de l’air peut éventuellement se faire au départ d’une source naturelle. Typiquement, si l’air extrait des locaux n’est pas trop humide, un refroidissement adiabatique peut être envisagé. Une climatisation solaire peut aussi être envisagée, si le besoin de froid est effectivement lié aux gains solaires, et non aux gains internes des locaux. Enfin, une machine frigorifique traditionnelle à compression sera choisie.

• J : Cette question fait le constat d’une incompatibilité entre une stratégie ouverte à une remise en cause du confort et à la valorisation du comportement des occupants et les résultats attendus, déduits par exemple d’une simulation dynamique. Avant de conclure que, dans ce cas, le free cooling est une impasse et de basculer sur un système de refroidissement plus traditionnel, il peut être utile de creuser un peu les résultats de la simulation. Pourquoi le free cooling est-il à ce point insuffisant que même un appoint limité de type top cooling (climatisation uniquement à certains moments extrêmes (canicule par exemple) ne suffit pas ? C’est peut être justifié par le site : trop de bruit ou de pollution pour ventiler efficacement, ou par l’architecture : pas assez de protection solaire, ou pas de possibilité pour l’air de traverser le bâtiment en assurant un balayage efficace, ou pas assez d’inertie thermique, ou une trop grande dispersion des charges internes. Une fois la cause identifiée (il s’agira souvent d’un faisceau de causes partielles), les modifications à apporter au projet peuvent être envisagées. Peut-être sont-elles acceptables par le maître d’ouvrage et l’architecte ? Le rôle de l’ingénieur sera ici déterminant. À lui d’être créatif d’imaginer des propositions compatibles avec les souhaits des autres intervenants.

• K à L : le slab cooling, ou activation de la dalle, est présenté comme première alternative au free cooling. Il présente en effet certaines similarités : valoriser l’inertie du bâtiment au travers d’un déphasage entre période de refroidissement effectif (la nuit) et période d’accumulation de chaleur (journée). Ce déphasage permet de valoriser une source de fraicheur fluctuante ou limitée, en particulier l’air extérieur (free chilling) ou un forage géothermique de puissance limitée (geocooling).

• M : ici, on bascule du côté des émetteurs à puissance contrôlée, qui implique de disposer à tout moment d’une capacité de dissipation de la chaleur. Le choix des systèmes dépendra d’abord de la disponibilité ou non d’une ressource géothermique. Des essais de sol, ou l’examen de données géologiques permettent d’identifier le potentiel de valorisation thermique du sous-sol. La chaleur du bâtiment peut y être dissipée directement, au moyen d’un simple échangeur (géocooling), ou indirectement, au travers d’une machine frigorifique. Dans les deux cas, il est fortement recommandé de pouvoir travailler dans le bâtiment avec des émetteurs à “haute température”, de type plafonds froids. En l’absence de ressource géothermique, on cherchera à valoriser l’air extérieur au travers d’une installation d’une dalle active (slab cooling). Cependant, un appoint “traditionnel”, par exemple sur le réseau de ventilation sera nécessaire pour compléter la puissance et assurer une capacité de modulation locale et dans le temps de la dissipation de la chaleur. Enfin, si le besoin de refroidissement est directement lié à la course solaire, une climatisation solaire peut éventuellement être envisagée.

• N à P : en l’absence d’une ressource naturelle, ou lorsque son exploitation est impossible, on se tournera vers une production traditionnelle de froid (machine frigorifique à compression). La question du système de refroidissement est alors limitée au choix du réseau de distribution. Si la puissance demandée dépasse largement celle que peut véhiculer le réseau de ventilation hygiénique, on optera pour une distribution par boucle d’eau. Eau froide si des émetteurs à haute température peuvent être choisis, eau glacée sinon. Si le réseau de ventilation peut, moyennant un surdimensionnement limité, assurer le refroidissement, on se dirigera vers des systèmes de conditionnement d’air VAV ou CAV selon le niveau de variabilité des besoins, et vers toutes les solutions intermédiaires possibles en termes de gestion des débits.