Climatisation de locaux aveugles à l’hôpital des Fagnes de Chimay

Quatre petits locaux de consultation, situés au rez-de-chaussée de l’hôpital, sont à rénover. Faut-il les climatiser ? Une ventilation peut-elle suffire ? Quelle solution choisir ?

Étudions l’un d’entre eux comme local-test.

Hypothèses

1 local aveugle, dont on maintient la température à 24°C, été comme hiver. On considère que les locaux voisins sont à même température, donc pas d’échanges thermiques par les parois. Le système doit évacuer la chaleur produite par les différentes charges internes.

A priori, il n’y a pas d’apport de chauffage à prévoir (puisque le local se chauffe par ses propres apports internes), sauf éventuellement pour préchauffer l’air de ventilation.

Estimation des charges internes

• Surface du local (3,5 m x 4 m) : 14 m²
• Volume du local (14 m² x 2,8 m) : 39,2 m³

Chaleur sensible à 24°C :

• 2,5 personnes x 71 W/pers : 178 W
• Éclairage : 11 W/m² x 14 m² : 154 W
• Ordinateur : 160  W
• Divers (frigo, matériel,…) : 100 W

Total : 592 W
Puissance/m² : 42,3 W/m²

Bilan annuel des charges à évacuer

• Utilisation 10h/jour en semaine : 29,6 kWh/semaine
• Utilisation 52 semaines/par an : 1 539 kWh/an

• 30 m³/h.pers x 2,5 = 75 m³/h
• Taux de renouvellement horaire : débit/volume 1,9 1/h

Peut-on se passer de la climatisation ? Peut-on assurer le confort de ces locaux par une simple ventilation ?  Après tout, durant tout l’hiver, l’air extérieur est froid et permet une réfrigération gratuite. Et en été, il est possible de rafraîchir le local la nuit…

Cas d’une ventilation hygiénique (24h/24h)

Une simple pulsion mécanique est organisée, et les débits d’air (ici, 75 m³/h, soit 1,9 renouvellement horaire) sont évacués par les inétanchéités du local.

On suppose une ventilation à débit constant, basée sur une température de pulsion minimale de 16°C (soit un écart maximal de 8°C par rapport à l’ambiance). Pendant la nuit, la ventilation est poursuivie si T° > 22°C.

Cette ventilation est-elle suffisante pour assurer une température confortable ?

S’il s’agit d’une simple ventilation hygiénique, la réponse est clairement non. La simulation durant une année climatique-type moyenne fournit les résultats suivants

• Si le local est de faible inertie (simples cloisons, tapis au sol, faux plafond), la température de 26°C est dépassée 1 650 heures par an (sur un total de 2 600 heures d’occupation du local), la température de 30°C est dépassée 158 heures par an.

• Si le local est de forte inertie (béton + carrelage, murs de maçonnerie, plafond apparent), la température de 26°C est dépassée 1 570 heures par an, la température de 30°C est dépassée 6 heures par an.

Cas d’une ventilation renforcée

Que se passe-t-il si  le débit de ventilation est doublé et que l’on admet que la température ambiante du local fluctue entre 22°C en hiver et 26°C en été ?

• Le débit pulsé est de : 150 m³/h
• Soit un taux de renouvellement de : 3,8 1/h (débit/volume)

On notera qu’un tel débit nécessite cette fois l’installation d’un double réseau : un réseau de pulsion et d’un réseau d’extraction.

Détails de fonctionnement.

En hiver, en journée, si T°ext < 16°C, un préchauffage de l’air à 16°C est réalisé.

En été, si la T°ext > 24°C, la ventilation continue quand même…

La nuit, si Tint > 22°C, la ventilation se poursuit mais sans préchauffage.

L’apport frigorifique maximal est de :

cap. cal de l’air x écart de soufflage x débit =

0,34 [Wh/m³.K] x (24 – 16) [K] x 150 [m³/h] = 408 Watts

Ce qui montre que, malgré un débit 2 fois plus élevé que le débit minimum hygiénique, le rafraîchissement reste inférieur à la charge thermique du local (592 Watts).

Résultats de la simulation

On considère deux types de locaux (avec faible ou forte inertie) et le bilan est fait sur les 10 heures de fonctionnement en semaine.

Inertie	Nbre d’heures T°int > 26°C	Nbre d’heures T°int > 28°C	Nbre d’heures T°int > 30°C
Faible	240	60	11
Élevée	140	14	4

Quel est le coût d’exploitation de cette solution ?

En réfrigération : 0 €, bien sûr.

En chauffage, il faut prévoir le préchauffage de l’air lorsque la température extérieure est inférieure 16°C, soit 75 % du temps ! Cela représente un besoin net de 1 113 kWh/an.

La consommation de combustible s’en déduit :

(Besoins nets / rendement système de chauffage) x prix de revient du combustible

En partant d’un litre de fuel à 0,25 € pour 10 kWh produits,

(1 113 [kWh/an] / 0,8) x 0,025 [€/kWh] = 34,775 € /an

-> soit 2,5 €/m²/an
Si le chauffage se fait par une résistance chauffante électrique :

(1 113 [kWh/an] / 1) x 0,115 [€/kWh] = 125,225 €/an

-> soit 8,95 €/m²/an
En ventilation, il faut estimer la consommation des ventilateurs d’extraction et de pulsion qui tournent tant que T°_int > 22°C, soit 3 180 heures/an.

En supposant un réseau pour les 4 locaux de 800 Pascals de perte de charge (pulsion + extraction), on obtient :

Puissance Ventilateur = débit x pertes de charge / rendement

= 150 [m³/h/local] x 4 [locaux] x 800 [Pa] / (0,45 x 3 600 [s/h]) = 296 Watts

Coût ventilation = puissance x temps de fonctionnement x prix du kWh

= 0,296 [kW] x 3 180 [h] x 0,1 [€/kWh] = 94,13 €

-> soit 6,72 [€/m²/an]
(le prix du KWh est basé sur 2 600 Heures Pleines, 580 Heures Creuses et une participation à la pointe de puissance quart-horaire; le rendement de 0,45 est le rendement total du groupe de ventilation, assez faible pour ces petits débits)

Récapitulatif du coût d’exploitation
–	Refroidissement [€/m²/an]	Chauffage [€/m²/an]	Ventilateurs [€/m²/an]	Total [€/m²/an]
Chauffage électrique	0	8,95	6,72	15,67
Chauffage combustible	0	2,5	6,72	9,22

Conclusions

Le confort des occupants reste médiocre puisque la température intérieure dépasse 28°C durant 60 heures dans le cas du local avec faible inertie.

Seul le local à forte inertie parvient à maîtriser la surchauffe parce qu’il lui est possible de “déstocker” la chaleur durant la nuit, par le refroidissement nocturne.

Attention : la simulation est basée sur une année type-moyenne à Uccle. Or, dans l’année type-moyenne utilisée, la température ne dépasse jamais les 30°C. En cas d’été très chaud, la situation sera donc plus critique encore…

Si le débit d’air de ventilation était encore augmenté, les surchauffes diminueraient encore mais les besoins de préchauffage de l’air de ventilation augmenteraient !

Par exemple, avec un débit d’air de 8 renouvellements horaire, et une faible inertie, le nombre d’heures où la température dépasse 28°C est ramené à 20 heures par an, mais la consommation pour le préchauffage hivernal double : 2 200 kWh/an, … et un tel renouvellement horaire n’est pas aisé à réaliser sans inconfort.

La nécessité de prévoir un circuit de reprise, ainsi que le besoin de préchauffage de l’air de ventilation entraîne l’intérêt d’analyser le cas où il y aurait un recyclage de l’air (solution 3).

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Un climatiseur est placé au plafond de chaque local.

L’évacuation de la chaleur sera prévue par un condenseur dans la cour extérieure (?) ou sur le toit de l’extension (?). Idéalement, il serait préférable de récupérer cette chaleur dans un local voisin (?). Par exemple, un sas d’entrée où le condenseur serait inséré dans un rideau d’air chaud, gratuitement alimenté par le refroidissement des locaux ! Pour le plein été, un condenseur complémentaire devrait être prévu pour évacuer la chaleur excédentaire. Autre solution : le condenseur pourrait préchauffer l’air neuf de ventilation.
Il sera énergétiquement plus efficace de raccorder tous les évaporateurs sur un même condenseur extérieur (système multisplit). De plus, on sélectionnera un appareil dans lequel le compresseur est “enveloppé” dans une coquille synthétique, réduisant ainsi la diffusion du bruit.

Par ailleurs, un réseau de distribution d’air neuf hygiénique doit être installé.

Soit en pulsant l’air hygiénique dans les locaux (l’air s’échappant par les inétanchéités des locaux) :

Soit en plaçant un réseau d’extraction d’air et des grilles dans les portes (l’air est préchauffé dans le couloir, ce qui est favorable en hiver (chauffage par combustible) mais défavorable en été… ) :

Bilan énergétique annuel

On suppose un coefficient d’efficacité frigorifique moyen de 2,25 en tenant compte de la consommation des ventilateurs au condenseur et à l’évaporateur.

On table sur un prix du kWh (HTVA) de 6,75 € le jour de semaine et de 4,33 € le week-end, plus une pointe de puissance mensuelle de 8,7 €/kW (tarif Binôme A).

• Bilan annuel des charges à évacuer : 1 539 kWh
• Consommation électrique du climatiseur / local : 1 539 kWh / 2,25 = 684 kWh/an

• Puissance électrique en fonctionnement 592 / 2,25 = 263 W ou 0,26  kW
• Coût : 684 [kWh/an] x 6,75 [c€/kWh]  + 0,26 [kW] x 8,7 [€/kW] x 12 = 73,314 €/an soit 5,24 €/m²/an

D’autre part, l’évaporateur du climatiseur est à une température inférieure au point de rosée de l’ambiance, il va provoquer une consommation supplémentaire correspondant à 60 Watts/pers. (chaleur latente).

• 2,5 pers. x 60 Watts/pers = 150 W
• soit une augmentation de 150 [W] / 592 [W] = 25 % du coût de refroidissement
• Consommation en froid totale : 5,24 [€/m²] x 1,25 = 6,55 €/m²/an

Coûts supplémentaires liés à la ventilation

On considère la température intérieure maintenue à 24°C.

• Si la température de l’air extérieur est inférieure à 24°C, on peut le pulser dans le local et il viendra diminuer la charge du climatiseur.
• Si la température de l’air extérieur est supérieure à 24°C, on doit en tenir compte en charge supplémentaire.

Sur base d’un fichier météo représentant une “année-type moyenne” :

• En journée, de 8 à 18h00, il y a 3 570 heures inférieures à 24°C avec une température moyenne de 10,6°C.
• En journée, de 8 à 18h00, il y a 70 heures supérieures à 24°C avec une température moyenne de 25,8°C.

Si la pulsion est de 75 m³/h en hiver, on économise sur le refroidissement :

75 [m³/h] x 0,34 [Wh/m³.K] x 3 570 [h/an] x (5/7) [jours/semaine] x (24 – 10,6) [K] / 1 000 = 871 [kWh/an]

-> soit : 62 [kWh/an/m²]

Si la pulsion est de 75 m³/h en été avec T° > 24°C, on augmente les besoins de refroidissement :

75 [m³/h] x 0,34 [Wh/m³.K] x 3 570 [h/an] x (5/7) [jours/semaine] x (25,8-24) [K] / 1 000 = 2,3 [kWh/an]

-> soit : 0,2 [kWh/an/m²]

Mais ce calcul doit être affiné :
Si l’air de ventilation est inférieur à 16°C, il doit être préchauffé. Le pouvoir de rafraîchissement est limité et une consommation de chauffage apparaît.
Après calcul, on constate que préchauffer cet air à 16°C en hiver entraîne une consommation de 400 kWh, et que l’effet de rafraîchissement de l’air n’est plus que de 471 kWh (le total faisant les 871 kWh).

• Si le chauffage de l’air de ventilation est fait avec une résistance électrique, il entraîne un coût supplémentaire de :

• Si le chauffage de l’air de ventilation est fait avec le système de chauffage du bâtiment, (directement par un échangeur thermique ou indirectement en puisant l’air dans les couloirs), le coût peut être estimé à :

Coût de fonctionnement du ventilateur

Puisque le coût des ventilateurs de la climatisation est déjà intégré dans le facteur d’efficacité frigorifique, il ne reste qu’à estimer les consommations du ventilateur d’air hygiénique. On reprendra la méthode prise pour la solution 1, mais cette fois avec un débit réduit de moitié et des pertes de charges de 600 Pa puisqu’il s’agit d’un réseau simple flux et un temps de fonctionnement de 2 600 heures en Heures Pleines.

Récapitulatif du coût d’exploitation

–	Refroidissement [€/m²/an]	Chauffage [€/m²/an]	Ventilateur [€/m²/an]	Total [€/m²/an]
Chauffage électrique	6,55	3,2	2,1	11,85
Chauffage combustible	6,55	0,89	2,1	9,54

Analyse du confort

T° de l’air pulsé (sur base d’un catalogue de fabricant) : …8… °C ! (si t°_amb = 27°C et si 20 % de l’énergie frigorifique est utilisée pour la condensation de la chaleur latente).

Pour gagner de la place, les constructeurs conçoivent des évaporateurs très compacts. Aussi, pour donner leur puissance frigorifique, ils travaillent avec un fluide frigorigène à très basse température. L’air de pulsion en sera également très froid.

On constate que cette solution risque d’entraîner un réel inconfort dans ce type de petit local, l’air étant pulsé à trop basse température.

En pratique, l’air ne devrait pas descendre en dessous des 14 à 16°C (écart de soufflage de 8 à 10°C), et encore, avec des bouches présentant des taux d’induction de l’air très élevés (mélange rapide de l’air pulsé avec l’air ambiant).

La présence du climatiseur directement dans le local est par ailleurs une source de bruit peu agréable… De plus, il faut limiter le bruit des compresseurs à l’extérieur…

Amélioration

Une première solution consiste à choisir un appareil dont l’évaporateur est surdimensionné (ainsi que son ventilateur), et dont le compresseur est un scroll pouvant travailler à vitesse variable (régulation INVERTER). La vitesse sera alors toujours adaptée aux besoins réels du local, évitant le fonctionnement en ON-OFF, c.-à-d. “recevoir un jet d’air glacé ou … rien du tout” !

Une autre solution consiste à préparer l’air dans un caisson de climatisation, puis à le distribuer par un réseau de gaines dans les différents locaux : cette fois la température de l’air peut être mieux maîtrisée et le bruit est étouffé par la présence d’une gaine (et d’un éventuel absorbeur acoustique supplémentaire). C’est la solution 3 détaillée ci-dessous.

La climatisation des locaux étudiés requiert du froid toute l’année. Or, en mi-saison et en période hivernale, soit 75 % du temps, la température extérieure est inférieure à 16°C.

D’où la nouvelle idée testée ici : pourquoi ne pas profiter davantage de cet air extérieur frais ? Tout en plaçant une batterie froide dans un caisson de préparation pour vaincre les pointes de chaleur de l’été.

Déterminons l’installation capable de reprendre la charge maximale de 592 W. Le principe du calcul consiste à dire que la température intérieure sera maintenue sur 24°C intérieur et que l’apport d’air frais compensera exactement les charges :

Débit d’air = Puissance / (cap. calor. de l’air x ΔT°)

Débit = 592 [W] / (0,34 [Wh/m³.K] x (24 – 16) [K]) = 217 [m³/h]

Installons une climatisation tout air de 225 m³/h, soit 3 fois le débit d’air hygiénique. Le taux de brassage de l’air sera de 5,7.

Remarque : par simplification, il n’est pas tenu compte ici des consommations liées à l’humidification ou à la déshumidification de l’air.

Situation 1 : la température extérieure est inférieure à 0°C (soit 5 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, on puisera le débit d’air extérieur minimum hygiénique (75 m³/h) pour le mélanger avec un maximum d’air recyclé (150 m³/h).

Exemple. Si T°ext = – 4°C, T° de mélange = (75 m³/h x (- 4°C) + 150 m³/h x 24°C) / 225 m³/h = 1/3 x (- 4°C) + 2/3 x 24°C = 14,7 °C Cet air sera ensuite réchauffé pour atteindre les 16°C de pulsion. Puissance de chauffage = 0,34 Wh/m³.K x 225 m³/h x (16° – 14,7°) = 99 W Consommation horaire = 99 W x 1 h = 99 Wh.

Situation 2 : la température extérieure est comprise entre 0 et 16°C (soit 70 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, on mélangera le débit d’air extérieur avec la dose voulue d’air recyclé à 24°C pour obtenir les 16°C souhaités.

En pratique, la position des registres (présents sur l’air neuf et l’air extrait) sera modulée en fonction de la demande du thermostat d’ambiance.
La consommation sera nulle, en froid comme en chaud ! Et cela 70 % du temps…

Exemple. Si T°ext = 8°C, les registres seront positionnés pour pulser des débits égaux : T° de mélange = (112 m³/h x 8°C + 112 m³/h x 24°C) / 225 m³/h = 1/2 x 8°C + 1/2 x 24°C = 16°C.

Situation 3 : la température extérieure est comprise entre 16 et 24°C (soit 23 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, le registre d’air extérieur sera ouvert au maximum puisqu’il sera de toute façon plus froid que l’air recyclé. Un refroidissement sera toujours nécessaire.

Exemple. Si T° = 20°C, de l’air neuf est pulsé au débit maximum de 225 m³/h. Un besoin de refroidissement de cet air apparaît : Puissance de refroidissement = 0,34 Wh/m³.K x 225 m³/h x (20° – 16°) = 306 W. Consommation horaire = 306 W x 1h = 306 Wh.

Situation 4 : la température extérieure est supérieure à 24°C (soit 2 % du temps d’occupation du local)

Dans ce cas, c’est l’air du local qui est le plus frais. L’air neuf sera réduit au minimum hygiénique.

Le mélange devra être refroidi jusqu’à 16°C.

Exemple. Si la température extérieure est de 28°C, T° de mélange = [75 m³/h x 28°C + 150 m³/h x 24°C] / 225 m³/h = 1/3 x 28°C + 2/3 x 24°C = 25,3°C. Puissance de refroidissement = 0,34 Wh/m³.K x 225 m³/h x (25,3° – 16°) = 711 W. Consommation horaire = 711 W x 1h = 711 Wh.

Résultats de la simulation

Cette fois, le chauffage et le refroidissement ne sont utilisés que lorsque des besoins réels apparaissent : par grands froids et par période de forte chaleur. Le restant du temps, c’est la charge interne qui préchauffe l’air de ventilation !

Les besoins de chauffage sont de 225 kWh/an pour le local, tandis que les besoins de refroidissement sont de 245 kWh/an.

En reprenant les mêmes hypothèses de coût que pour le climatiseur de local (efficacité frigorifique : 2,25; coût total de 0,11 €/kWh (pointe de puissance comprise); rendement du système de production de chaleur de 80 %; coût du kWh thermique à 0,025 €/kWh), on obtient les valeurs reprises dans le tableau ci-dessous.

Quant aux coûts de la ventilation, ils sont basés sur un débit de 225 m³/h, une perte de charge de 1 000 PA pour le réseau double flux (présence de batteries d’échange, …) et une durée de fonctionnement de 2 600 heures.

Récapitulatif du coût d’exploitation

–	Refroidissement [€/m²/an]	Chauffage [€/m²/an]	Ventilateurs [€/m²/an]	Total [€/m²/an]
Chauffage électrique	0,855	1,77	10,3	12,94
Chauffage combustible	0,855	0,4	10,3	11,56

La solution paraît énergétiquement très favorable, mais elle pose un problème de régulation : la température de pulsion est commune à l’ensemble des locaux, dès lors comment assurer dans chaque local la température adéquate ? La solution la plus simple consiste à réguler en fonction d’une sonde témoin. C’est le local “maître”, les autres étant appelés locaux “esclaves”. Encore faut-il des occupations similaires…

À tout problème, il existe des solutions (pour autant que l’on puisse en payer le prix !) :

1° La température de pulsion est commune et des clapets modulent les débits en fonction des besoins du thermostat de chaque local.

Mais que se passe-t-il en cas de fermeture simultanée de toutes les gaines ?

• Soit un bypass court-circuite le caisson et fait tourner le ventilateur sur lui-même.

• Soit le ventilateur est “à courbe plate”, et la pression reste stable quelque soit la fermeture des bouches (des régulateurs de débit sur les bouches restent conseillés).

• Soit, plus logique sur le plan énergétique, un variateur de fréquence module la vitesse du ventilateur en fonction de la pression en sortie de caisson.

2° Chaque local dispose de son propre groupe de préparation indépendant.

En dehors de son coût élevé, cette solution pose le problème de la régulation des registres d’air neuf/air recyclé. Un régulateur spécifique “intelligent” doit être placé pour optimiser le taux de recyclage en fonction des différentes demandes. La solution précédente par débit d’air variable paraît plus aisée.

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–	–	Réfrigération [€/m²/an]	Chauffage [€/m²/an]	Ventilateurs [€/m²/an]	Total [€/m²/an]
Ventilation renforcée (! inconfort)	chauffage électrique	– (!  inconfort)	8,95	6,72	15,67
–	chauffage combustible	– (!  inconfort)	2,5	6,72	9,22
Climatiseur de local	chauffage électrique	6,55	3,2	2,1	11,85
–	chauffage combustible	6,55	0,89	2,1	9,54
Groupe de traitement d’air avec recyclage	chauffage électrique	0,855	1,77	10,3	12,34
–	chauffage combustible	0,855	0,4	10,3	11,56
Groupe de traitement d’air avec recyclage et free cooling	chauffage électrique	0,54	1,14	1,95	3,63
–	chauffage combustible	0,54	0,26	1,95	2,75

Conclusions

Nous sommes en présence d’un cas particulier de climatisation :

une charge interne quasi constante tout au long de l’année.

• La simple ventilation hygiénique des locaux est insuffisante pour éviter la surchauffe, vu les apports internes permanents. Une ventilation au débit doublé améliore le confort estival, surtout si la pièce est de forte inertie et qu’elle peut être refroidie la nuit, mais un inconfort persiste en été lorsque la température extérieure est elle-même élevée. Par ailleurs, le débit “double” de ventilation engendre des consommations de chauffage élevées en hiver puisque l’air ne peut être pulsé sous 16°C. On en vient donc à chauffer  l’air … qui va servir à refroidir les locaux !

• La solution par climatiseur, sans doute la moins coûteuse à l’investissement, s’avère très inadéquate à l’exploitation puisqu’elle ne permet pas de profiter de l’air frais extérieur. Or pendant 70 % du temps, la température extérieure est inférieure à 16°C…

• L’optimum énergétique à l’exploitation se situe dans l’installation d’un groupe de traitement de l’air avec recyclage partiel de l’air intérieur : cette fois, c’est la chaleur interne “gratuite” qui va casser le froid de l’air extérieur par mélange. Le chauffage n’est enclenché que durant les périodes de gel (5 % du temps). La réfrigération n’est enclenchée que lorsque la température extérieure dépasse 16° (20 % du temps). et encore elle ne fournit que l’appoint nécessaire. Ce n’est que lorsque la température extérieure dépasse 24°C (2 % du temps) que la pleine puissance frigorifique est enclenchée. Le confort est maximum et la consommation très réduite. Reste le budget d’investissement puisque la régulation individuelle des locaux est plus coûteuse.

• La ventilation de cette même installation peut encore être mise en route la nuit pour pré-refroidir les locaux. La consommation chute encore, mais le gestionnaire doit analyser si le confort résultant en est acceptable : les débits d’air diminuent (favorable) mais les températures intérieures fluctuent de 22 à 26°C (défavorable).