En construction nouvelle, la climatisation est-elle nécessaire ?


Comprendre l’évolution thermique des bâtiments aujourd’hui

Un inconfort d’été trop important

La climatisation d’un immeuble entraîne des coûts d’exploitation 3 à 4 fois plus importants que le simple chauffage traditionnel des locaux, suite à l’énergie frigorifique demandée mais aussi à l’importance des consommations liées au transport de l’air (ventilateurs). C’est ce qui ressort d’un vaste travail de simulation réalisé par l’ISSO aux Pays-Bas et dont nous avons développé un extrait dans l’analyse des coûts d’exploitation de la climatisation.

Évaluer

Pour accéder à l’étude comparative entre les coûts d’exploitation d’une installation de chauffage et ceux d’une installation de conditionnement d’air.

Reprenons-en le tableau final où les coûts sont globalisés et ramenés à une échelle de 100 pour la situation 1 (radiateurs et ventilation naturelle) :

SUD EST OUEST NORD
1 radiateurs + ventilation naturelle coût : 100
Inconfort : 370 h/an
coût : 105
Inconfort : 400 h/an
coût : 105
Inconfort : 450 h/an
coût : 106
Inconfort : 310 h/an
2 radiateurs + ventilation mécanique double flux coût : 219
Inconfort : 260 h/an
coût : 221
Inconfort : 280 h/an
coût : 222
Inconfort : 310 h/an
coût : 223
Inconfort : 230 h/an
3 radiateurs + ventilation mécanique double flux + rafraichissement* + free cooling de nuit** coût : 337
Inconfort : 25 h/an
coût : 346
Inconfort : 45 h/an
coût : 346
Inconfort : 60 h/an
coût : 348
Inconfort : 20 h/an
4 conditionnement d’air
(installation 4 tubes avec éjecto-convecteurs)
coût : 392
Inconfort : 0 h/an
coût : 387
Inconfort : 0 h/an
coût : 392
Inconfort : 0 h/an
coût : 373
Inconfort : 0 h/an

*Par « rafraîchissement » en été, on entend ici une pulsion d’air « rafraîchi » correspondant à 4 renouvellements horaires : refroidi à une température de 18 [°C], lorsque la température extérieure est < 23 [°C] et refroidi à une température de (T° ext – 5°), lorsque la température extérieure est > 23 [°C]

**Par « free cooling de nuit », on entend ici une pulsion d’air extérieur de ventilation correspondant à 4 renouvellements horaires, si T°ext < T°int  et si T°int > 20 [°C]

Si le coût de l’installation traditionnelle est moins élevé, il faut constater que le nombre d’heures d’inconfort empêche sa mise en œuvre pratique !

Par « inconfort », on entend le nombre d’heures durant la période de travail où le PMV (Vote Moyen Prédictif) des occupants serait > 0,5. Autrement dit, le nombre d’heures où l’on peut s’attendre à recevoir des plaintes du personnel… On considère que si ce nombre d’heures est inférieur à 100 heures par an, il s’agit d’une gêne temporaire tout à fait acceptable. Au-delà de 200 h/an, des mesures de refroidissement sont nécessaires pour garder un climat intérieur correct. Cette vision du confort est assez limitée, car elle ne tient par exemple pas compte de la théorie du confort adaptatif.

Dans d’autres simulations de cette étude, il apparaît que seuls les bâtiments dont la charge interne est limitée à 20 W/m², ce qui correspond à une situation d’absence d’équipement bureautique, peuvent encore se passer d’un système de refroidissement. C’est le cas du secteur domestique, mais pas du secteur des bureaux, … et encore moins des hôpitaux.

Bien que certaines hypothèses de l’évaluation de l’ISSO pourraient être remises en cause, il apparaît clairement que la simple ventilation diurne ne permet pas d’évacuer les charges calorifiques excédentaires en été. Le confort d’été ne pourrait être assuré. Cela ne veut cependant pas dire que la climatisation est devenue un mal nécessaire sans alternative …

Est-ce une conséquence « perverse » de l’isolation renforcée des parois ?

Certains critiquent l’évolution actuelle de l’augmentation de l’isolation des parois (y compris le placement de vitrages à traitement sélectif) et se justifient en disant « qu’on n’avait pas tous ces problèmes autrefois ! »

Ils oublient de dire combien les consommations de chauffage des anciens bâtiments sont élevées et le gouffre financier que représente une vieille école, un vieil immeuble administratif, …

Le bilan énergétique global annuel (hiver + été) est largement en faveur de l’isolation des parois, même pour un immeuble de bureaux.

Reste qu’une surchauffe apparaît … Est-elle une conséquence du renforcement de l’isolation ?

L’analyse de l’évolution des puissances thermiques d’un local de bureau-type fait apparaître que, en renforçant l’isolation, la puissance maximale de réfrigération (par 30°C extérieurs) est inchangée, voire en légère baisse. Le profil de puissance s’est cependant décalé. Ainsi, le besoin de refroidir le local apparaît pour des températures plus basses que si le local n’est pas isolé. Le besoin de chauffage n’apparait lui aussi que pour des températures plus basses.

On constate donc que le renforcement de l’isolation modifie fondamentalement le profil de consommation du local

  • il diminue fortement les consommations d’hiver,
  • il diminue la durée de la période de chauffe des bâtiments,
  • il augmente la demande de rafraîchissement, surtout pour une température extérieure comprise entre 10 et 20°C,
  • les besoins de chaleur et de refroidissement apparaissent plus ou moins équilibrés dans l’année.

Pour en savoir plus :

Théorie

L’évolution des besoins thermiques des immeubles suite à l’isolation des parois.

Concevoir 

Analyse  des besoins thermiques : exemple pour un immeuble de bureaux.

Concevoir

Analyse  des besoins thermiques : exemple d’une salle d’opération.

Quels sont les éléments qui renforcent cette évolution ?

  1. L’augmentation des charges internes par l’équipement électrique des bureaux.
  2. La tendance actuelle des architectes d’accroître sensiblement le pourcentage de vitrage de la façade, et donc les apports solaires peu désirables (les vitrages performants ne créent plus l’inconfort de la surface froide en hiver, phénomène qui limitait leur surface autrefois).
  3. La diminution de l’inertie des parois (cloisons légères mobiles, tapis au sol, faux plafond avec absorbeur acoustique).
  4. Une attente accrue de confort et de productivité du personnel.

Faut-il faire marche arrière ?

Voyons les choses positivement : autrefois, on n’avait même pas conscience de l’existence d’une « chaleur interne » parce que celle-ci était négligeable face aux déperditions des parois. A présent, les fuites de chaleur étant maîtrisées et les apports internes amplifiés par l’évolution technologique, ces apports viennent à satisfaire en bonne partie nos besoins. Nous arrivons à chauffer nos locaux avec 5 litres de fuel au m², contre 20 à 25 dans les années 50. Et c’est tant mieux.

Mais cela rend le bâtiment beaucoup plus sensible que précédemment aux apports solaires

Autrefois, le chauffage constituait le principal poste énergivore, mais à présent, l’équilibre thermique entre les déperditions du bâtiment et les apports « gratuits » est plus rapidement atteint.  Des besoins de réfrigération apparaissent mais l’origine de la surchauffe (apports solaires, équipements intérieurs) est cette fois maîtrisable, par opposition à l’origine du chauffage : la froide température extérieure.

Cela renforce l’importance d’une bonne conception initiale du bâtiment et de la mise en place d’une stratégie adaptée à ce nouveau profil de consommation.


En conclusion : agir dès la conception

Autrefois, les besoins de refroidissement d’un bâtiment étaient résolus par une simple ventilation, avec une période d’inconfort limitée à quelques jours par an. L’isolation actuelle accroît cette période d’inconfort et demande une réponse nouvelle.

Dans certaines conditions, une conception architecturale et technique poussée permet de garantir le confort estival sans recours à la climatisation. Dans tous les cas, des mesures doivent être prises pour limiter la duré d’utilisation et la puissance des installations frigorifiques.

C’est dès la phase de conception que les concepteurs pourront mettre en place une stratégie dans ce sens, intégrée à une approche globale du confort :

  • en limitant les apports solaires (choix de l’orientation, masques architecturaux, stores,…), tout en conservant un bon éclairage naturel.
  • en limitant des apports internes (éclairage et équipements performants),
  • si possible, en renforçant l’inertie des locaux (pour lisser la pointe de puissance frigorifique liée aux apports de chaleur), tout en préservant la qualité acoustique des locaux.
  • en valorisant la fraicheur de l’air extérieur en journée (la majorité de la demande de réfrigération apparaît lorsque la température extérieure est comprise entre 10 et 20°C), sans créer de courant d’air inconfortable.
  • en valorisant la fraîcheur nocturne, sans provoquer de surrefroidissement et d’inconfort matinal.
  • en exploitant des « sources de fraicheur » telles que le sol, une rivière, …

Concevoir

Limiter les apports solaires.

Concevoir 

Limiter les charges internes.

Concevoir 

Exploiter le pouvoir rafraîchissant de l’environnement.

Il existe cependant des situations où, par la spécificité du bâtiment et/ou parce que la dimension énergétique n’a pas été intégrée dès sa […] la climatisation va s’imposer. Le challenge devient alors : quel système performant mettre en place pour limiter la consommation de la climatisation ?
Quelques exemples :

  • Dans un bâtiment en milieu urbain pollué et bruyant : l’air et le bruit passent volontiers par les fentes des châssis … L’étanchéité des parois combinée à une ventilation mécanique permet de prévoir des châssis fixes, non ouvrants et donc très étanches, … tout en assurant une qualité hygiénique de l’air aux occupants, mais complique la valorisation de la fraîcheur de l’air.
  • Dans locaux « aveugles », dans les parties centrales des larges immeubles, dans les larges bureaux paysagers bien isolés : les apports thermiques des équipements de bureautique, des personnes, de l’éclairage, … doivent être évacués artificiellement puisque les déperditions de l’enveloppe sont proportionnellement très faibles (ce sont des bureaux dont le système de chauffage ne s’enclenche que lorsque la température extérieure descend en dessous de 0°C…).
  • Dans les endroits où la qualité de l’air doit être surveillée : les salles d’opération, les laboratoires, les ateliers de production des entreprises pharmaceutiques, … Le conditionnement d’air permet de pulser plus d’air dans une pièce que d’en extraire. La pièce est alors mise en surpression et aucune petite « bébête » ne peut rentrer (pas de contamination par l’air des pièces environnantes). on parle de « salles blanches ».
  • Dans des locaux avec forte production de chaleur interne : le centre informatique, par exemple.
  • Dans les salles de réunion, salles de conférence, … : la forte concentration de personnes apporte une chaleur sensible et latente élevée, et nécessite de toute façon un apport d’air neuf hygiénique important, qui ouvre la porte à des techniques de « conditionnement d’air ».
  • Dans les locaux fortement vitrés et à parois très légères : la conception architecturale inadaptée génère un déséquilibre thermique et seul l’équipement de climatisation peut artificiellement restaurer le confort des occupants…