Maîtrise de la surchauffe grâce au Night Cooling

Situation préexistante

Avant les travaux, le bâtiment construit dans les années 1960 comptait un rez-de-chaussée et 3 étages de bureaux, le tout surmonté d’un étage sous toiture à versants non aménagé.

Le bâtiment avant les travaux.

La structure du bâtiment est en béton armé : planchers nervurés et façades portantes à colonnes.

Structure en béton.

  Ancienne façade.

La toiture est à structure métallique légère.

La structure de l’ancienne toiture à versants.

Transformations

Le bâtiment a été complètement transformé de deux manières différentes :

• La structure en béton armé des trois étages et du rez-de-chaussée a été conservée et cette partie a été complètement rénovée.
• La toiture a été enlevée et un nouvel étage à toiture plate a été construit.

Ces deux parties sont très différentes et dans le cadre de la réglementation sur la performance énergétique des bâtiments PEB sont considérées comme des unités distinctes.

Le quatrième étage

Cet étage constitue à lui seul un bâtiment neuf construit sur le bâtiment existant après enlèvement de la toiture à versant. Il comprend principalement des espaces de réunion.

Bien que thermiquement très performant par rapport aux critères de l’époque (2011), il ne sera pas décrit dans la présente étude de cas.

En résumé :

• la transmission thermique à travers les parois ne dépasse pas les maximums autorisés ;
• le niveau d’isolation thermique global K = 36 ;
• le niveau de performance énergétique EW = 72.

La gestion du confort d’été de ce quatrième étage à faible inertie thermique est assurée par un groupe de refroidissement adiabatique par évaporation indirecte suivi par un refroidissement mécanique de type pompe à chaleur. Les fenêtres sont munies de stores extérieurs à commande automatique.

Le rez-de-chaussée et les trois premiers étages

Cette partie du bâtiment comprend principalement des bureaux. Elle est particulièrement compacte et bien isolée thermiquement. Son confort thermique en été sera étudié en détail.

Sa compacité est très élevée (presque 6 m) grâce à un volume important et une surface de façades relativement réduite. Il n’y a pas de déperdition :

• vers les bâtiments mitoyens ;
• vers le bas là où se trouvent les bureaux de la poste ;
• vers le haut là il est couvert par le nouveau 4e étage.

Le niveau d’isolation thermique de la surface de déperdition du volume protégé est élevé.

Façades

La façade avant a été recouverte par l’extérieur de caissons préfabriqués en bois remplis de 12 cm de laine de roche. Ce qui confère à celle-ci un coefficient de transmission thermique U de 0.31 W/m²K.

La façade arrière a été isolée par l’extérieur à l’aide de 12 cm de laine de roche recouverte d’un enduit. Le coefficient de transmission thermique U de cette façade est de 0.27 W/m²K.
Ces valeurs de U répondent aux exigences de Performance Energétique des Bâtiments (PEB) de l’époque de la demande de permis de bâtir. Depuis 2014, le U des façades ne peut pas dépasser 0.24 W/m²K (= U_max).

De par le choix de la méthode, le risque de ponts thermiques entre l’intérieur et l’extérieur est quasiment nul et la structure lourde de la façade située à l’intérieur participe à la stabilité thermique des locaux.

Isolation thermique de la façade avant.

Isolation thermique de la façade.

> Fenêtres

Les châssis sont en aluminium à coupure thermique et sont munis de double vitrage acoustique basse émissivité performant dont le coefficient de conductivité thermique U_g vaut 1.1 W/m²K.
Suivant leur configuration, les fenêtres ont un coefficient de conductivité thermique U_w compris entre 1.6 et 1.8 W/m²K.

Ces valeurs de U répondent aux exigences de Performance Energétique des Bâtiments (PEB) de l’époque de la demande de permis de bâtir. Depuis 2018, le U_W des fenêtres ne peut pas dépasser 1.5 W/m²K (= U_max).

Les fenêtres sont de type oscillo-battant. Motorisées, elles s’entrouvrent automatiquement lorsque le système de gestion du night-cooling le commande.
Elles sont munies de stores extérieurs automatiques.

Fenêtre en aluminium à coupure thermique.

> Toitures plates

Les toitures plates sont du type “toiture chaude“. Elles sont végétalisées. La couche isolante est constituée de 20 cm de laine de roche. Elle confère à ces toitures un coefficient de transmission thermique de 0.19 W/m²K. Cette valeur est inférieure au maximum toléré jusqu’en janvier 2021 : U_max = 0.24 W/m²K.

La toiture plate végétalisée.

> Inertie thermique

L’inertie thermique de la partie rénovée du bâtiment a été conservée grâce à l’enrobage par l’isolant du côté extérieur de la structure lourde existante. La masse thermique est ainsi accessible.
Il n’y a pas (ou peu) de faux plafonds. Les dalles en béton sont donc apparentes. Leur forme nervurée augmente leur capacité d’échange thermique avec l’air ambiant.
Par contre, des faux planchers ont été posés sur les dalles en béton, ce qui réduit l’échange thermique au sol.

La masse thermique est disponible.

Les nervures sous les dalles en béton restent accessibles

> Protections solaires

La façade avant est orientée au Sud-Est.
Des coursives et des panneaux solaires photovoltaïques verticaux fixes ont été placés pour permettre la gestion des apports solaires et limiter les surchauffes en période estivale. Ils ont été complétés par des stores extérieurs mobiles devant les fenêtres.

> Le système de chauffage

Le chauffage des locaux est assuré par des convecteurs alimentés en eau chaude par une chaudière à gaz à condensation d’une puissance de 120 kW.

La (petite) chaudière à condensation au gaz.

Cette puissance est largement suffisante. Nous avons installé des appareils de mesure dans divers bureaux en plein hiver et constaté que la température de confort était atteinte en permanence.

Évolution de la température durant la période froide.

> Le système de refroidissement

Le refroidissement des plateaux se fait par ventilation naturelle. Elle fonctionne grâce  à des fenêtres commandées automatiquement.

Nous nous intéresserons dans la présente étude de cas à la maîtrise de surchauffe dans la partie du bâtiment qui a été rénovée (rez-de-chaussée et étages 1, 2 et 3).

Schéma de principe du night cooling.

Application au 3e étage.

Fonctionnement

En été, lorsque le ciel est dégagé et que le rayonnement direct du soleil atteint les sondes d’ensoleillement, les stores se ferment. Ils se relèvent automatiquement à 20h00.

Le soir, toutes les ouvertures de transfert entre les couloirs et les bureaux sont ouvertes manuellement, soit par l’occupant qui a terminé de travailler soit par le service de gardiennage lors de sa première ronde. Parfois les portes des bureaux sont également laissées ouvertes.

Par contre, les portes de chaque étage communiquant avec d’autres bâtiments se ferment automatiquement la nuit pour qu’il n’y ait pas d’interférence de ceux-ci sur le fonctionnement du night cooling.

Chaque étage fonctionne indépendamment des autres. Tous les ouvrants de l’étage vont s’ouvrir en fonction de certaines conditions :

• l’heure ;
• la température de l’air intérieur ;
• la température du béton ;
• la température de l’air extérieur ;
• l’ouverture des stores ;
• la vitesse du vent.

En fonctionnement naturel, tous les ouvrants situés au-dessus des cages d’escaliers sont complètement ouverts et le tirage de l’air extérieur se fait naturellement à travers les étages dont les fenêtres sont ouvertes, via les cages d’escalier.

Si à minuit, les consignes de température ne sont pas atteintes par le night cooling naturel, tous les ouvrants situés au-dessus des escaliers se referment sauf celui qui est équipé d’un ventilateur d’extraction forcée. Ce dernier se met alors en route et fait circuler l’air mécaniquement.

La sonde de température intérieure à chaque étage est placée dans un bureau type. Ce bureau choisi est celui qui est orienté le plus défavorablement et qui présente le risque de surchauffe le plus important. L’ouverture de transfert de ce bureau vers le couloir doit être ouverte en permanence afin de permettre une représentation réaliste du refroidissement du bâtiment.

Lors de la mise en service du bâtiment, le système de night cooling du bâtiment n’était pas encore au point et certains occupants se plaignirent de températures trop élevées en été. De plus l’impossibilité d’ouvrir les fenêtres accentuait encore la sensation d’inconfort.
Les causes de dysfonctionnement ont été rapidement définies et les réglages nécessaires ont été effectués. Par la suite, plus personne ne s’est plaint d’un excès de chaleur.
Des sondes enregistreuses ont été placées dans certains bureaux en été pour vérifier la température et l’humidité de l’air. Les résultats confirment l’efficacité du système pendant trois semaines de forte chaleur.

Résultats des relevés dans un des bureaux entre le 06 et le 26 juillet 2017.

Les bons résultats obtenus découlent notamment de l’utilisation des stores durant la journée.
S’ils sont très efficaces de ce point de vue, par contre leur fonctionnement amène certaines contraintes. En effet, lorsqu’ils sont fermés, les bureaux sont plongés dans une pénombre qui parfois enclenche l’éclairage artificiel. La vue vers l’extérieur est également empêchée.  Cela entraîne une dépense d’énergie et un inconfort pour les utilisateurs des bureaux qui se plaignent de l’ambiance ainsi créée.
Des solutions sont à l’étude : programmation du fonctionnement ; dérogations par les utilisateurs ; fermeture partielle ; protections distinctes contre l’éblouissement ; etc.

L’usage du night cooling, lorsqu’il est possible et efficace est particulièrement économique. La consommation électrique est très faible. Elle est limitée à la programmation, à la manœuvre des stores et fenêtres et à l’usage peu fréquent du ventilateur dans les conditions les plus contraignantes.