Bâtiment PROBE du CSTC

Le bâtiment de bureaux “PROBE” (Pragmatic Renovation of Office building for a Better Environment)se situe sur le site du CSTC à Limelette.

Ce bâtiment fit l’objet d’une rénovation énergétique dans le cadre d’un projet de démonstration cofinancé par le Ministère de la Région wallonne.

Ce projet a comme objectif de montrer comment il est possible, dans les immeubles de bureaux, de diminuer les consommations énergétiques et d’améliorer le confort intérieur :

• par des mesures simples et des technologies éprouvées (pas de “high-tech”),
• avec un coût limité,
• sans grands travaux, ni grande perturbation des activités de bureau.

Les actions ainsi menées dans le bâtiment “PROBE” peuvent facilement être appliquées à d’autres immeubles de bureaux.

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Le bâtiment PROBE est un immeuble de 1 120 m², construit en 1975. Il comprend 36 bureaux répartis sur 2 étages (surface de bureaux : 672 m²) qu’occupent environ 55 personnes.

Étage type du bâtiment PROBE.

Lors de sa construction, le bâtiment ne fit l’objet d’aucune mesure visant à maîtriser les consommations, ni le confort intérieur : aucune isolation, pas de ventilation, pas de protection solaire, installation de chauffage minimaliste.

Les conditions de confort n’y sont pas optimales : manque de chaleur en hiver, surchauffe en été, médiocre qualité de l’air et médiocre éclairage. Cette situation n’est évidemment pas une exception car rencontrée dans de nombreux immeubles de bureaux de cette époque.

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Les mesures prises tant au niveau de l’enveloppe du bâtiment que des équipements ont pour objectif de garantir un confort correct (confort visuel, thermique, acoustique et respiratoire) tout en tenant compte du comportement des occupants et des consommations énergétiques.

Chauffage	Remplacement des chaudières par des chaudières à haut rendement
	Rénovation de la régulation et placement de vannes thermostatiques
Isolation	Isolation de la toiture
	Remplacement de certains châssis
	Remplacement des simples vitrages par des vitrages HR (dans les anciennes menuiseries)
Protection contre les surchauffes	Protections solaires extérieures automatisées
	Ventilation nocturne intensive
	Vitrages réfléchissants
Qualité de l’air	Ventilation double flux avec détection de présence
Éclairage	Luminaires haut rendement avec ballasts électroniques
	Régulation en fonction de la présence et de la lumière naturelle

Pour évaluer les résultats des différentes actions menées, plusieurs campagnes de mesures (consommation, températures de l’air, des parois, niveaux d’éclairement, …) ont été réalisées en exploitation réelle.

Principe de ventilation

Le bâtiment PROBE a été équipé d’un système de ventilation mécanique

• L’air neuf est pulsé dans les bureaux avec un débit nominal total de 1 250 m³/h (25 m³/h par personne).

Réseau de pulsion d’air neuf parcourant les faux plafonds des couloirs.

• Cet air est transféré en partie par les couloirs vers les sanitaires où un débit nominal de 300 m³/h est extrait. Ce transfert d’air permet de ne pas alimenter les sanitaires en air neuf et donc une économie d’énergie.

• Le solde de débit entre la pulsion et l’extraction est évacué par les inétanchéités (portes d’entrée, …),mettant le bâtiment en légère surpression, ce qui limite les infiltrations d’air parasites dans le bâtiment.

Bouches de pulsion et régulation

Les bouches de pulsion sont disposées dans la retombée du faux plafond des couloirs. Il n’y a donc pas de gainage parcourant les bureaux, la distribution se faisant par les faux plafonds techniques des couloirs.
Les bouches de pulsion choisies permettent d’origine :

• Un réglage manuel en 4 positions du débit nominal : 25, 50, 75, 100 m³/h. Ce réglage est réalisé une fois pour toutes en fonction du nombre d’occupants normal du bureau, par rotation du cylindre se trouvant devant l’ouverture.

• Une fermeture de la bouche en cas d’absence dans le local, par un détecteur de présence disposé sur la bouche. Si après 10 minutes, le détecteur n’a enregistré aucun mouvement dans le local, la bouche de pulsion passe en position fermée (action en tout ou rien).

Chaque bouche est autonome. Son système de détection fonctionne sur batteries longue durée et ne demande que peu d’énergie. Il n’y a donc pas de câblage à prévoir entre les bouches, ce qui s’adapte particulièrement bien à la rénovation.

L’utilisation de telles bouches impose des dispositifs de régulation de débit tant au niveau des bouches que du ventilateur. En effet, dans ce type de régulation de la ventilation à la demande, lorsqu’une bouche de ventilation se ferme, la pression dans le circuit de distribution augmente. Il en résulte une augmentation du débit dans les bouches restées ouvertes. L’impact de la fermeture d’une bouche sur le débit total, donc sur la consommation globale, n’est pas alors celui escompté.

Pour remédier à cela, il faut d’une part agir sur le ventilateur en lui imposant le maintien d’une pression constante en un point du circuit et placer des éléments auto-régulateurs de débit au niveau des bouches de pulsion.

Elément auto-régulateur de débit :
lorsque la pression et le débit augmentent,
la membrane se gonfle et rétablit débit d’origine.

Dans ce bâtiment, les bouches de pulsion comportent d’origine une auto-régulation des débits dans une plage de pression allant de 70 à 130 Pa (pression nominale de fonctionnement des bouches = 100 Pa), c’est-à-dire une constance des débits, malgré la fermeture de certaines bouches dans le circuit.

La pression dans le circuit de distribution est contrôlée au niveau du ventilateur d’une part grâce à un ventilateur à courbe caractéristique plate et d’autre part grâce à un filtre mobile placé derrière le ventilateur. Ce filtre est composé d’une manchette mobile faisant varier la surface active du filtre et donc sa perte de charge, maintenant ainsi une pression constante au début du circuit quel que soit le nombre de bouches de pulsion ouvertes dans le circuit. Durant la nuit, le ventilateur est mis à l’arrêt par une horloge.

Cette régulation par étranglement n’est cependant pas optimum du point de vue des consommations énergétiques (cela revient à accélérer et freiner en même temps pour régler la vitesse d’une voiture !). On lui préférerait à l’heure actuelle une régulation du ventilateur par variation de vitesse.

Filtre à surface active variable.

Circuit de distribution

La distribution de l’air neuf se fait via un gainage disposé dans les faux plafonds des couloirs.

À l’origine, la distribution se faisait via des conduites de section rectangulaire. Après installation, il s’est avéré impossible d’atteindre les débits demandés dans les différents bureaux. La cause première de ce problème était l’inétanchéité importante (mais non exceptionnelle !) du réseau de distribution. Ainsi, lorsque toutes les bouches de pulsion sont fermées, le ventilateur pulse quand même dans le bâtiment son débit nominal. De même, lorsque toutes les bouches sont ouvertes, le ventilateur doit fournir 1 300 m³/h pour obtenir le débit d’air neuf recommandé par étage, soit environ 650 m³/h pour l’ensemble des bureaux. Il en résulte une multiplication par 2 de la consommation nécessaire au chauffage de l’air neuf. Le bénéfice d’une gestion de la ventilation à la demande est alors perdu.

Evolution de l’étanchéité des conduits de distribution en fonction des améliorations apportées, le cas 1 étant la situation d’origine. L’étanchéité obtenue est comparée aux classes d’étanchéité définies par le standard Eurovent 2/2.

Dans un premier temps, un calfeutrage a été tenté au moyen de bandes adhésives et de mastic. Ce fut un travail laborieux (notamment pour détecter les fuites) qui ne donna que peu de résultats (cas 2 à 5).

Ancien réseau de distribution rectangulaire et nouveau réseau de distribution circulaire plus encombrant, mais nettement plus étanche.

 

Conduit circulaire à double joint aux raccords.

Pour pouvoir comparer les technologies, les conduites rectangulaires d’un étage furent remplacées par des conduits circulaires avec double joint aux raccords (cas 6). Ces conduites, nettement plus simple à installer, ont presque permis d’atteindre, sans effort supplémentaire, la meilleure des classes d’étanchéité du standard Eurovent. Les fuites ont ainsi pu être réduites à 2,5 % du débit nominal.

Résultats

L’objectif du système de ventilation est de fournir un débit total d’air neuf de 650 m³/h, lorsque le bâtiment est occupé au maximum et d’adapter ce débit au taux d’occupation réel du bâtiment.

Débits obtenus grâce à la gestion de la ventilation à la demande comparée à un système à débit constant et au système de gestion parfait.

En moyenne, les bureaux de 1 personne sont occupés durant 52 % du temps de travail, tandis que les bureaux de 2 personnes le sont durant 72 %.
La régulation des débits de ventilation en fonction de cette occupation a entraîné une réduction des débits d’air neuf et donc des consommations de chauffage qui y sont liés de 35 % par rapport à un système à débit constant fonctionnant durant les heures de travail.

Les mesures de débit prises dans le bâtiment montrent la réponse du système à la variation de l’occupation. On voit que pour les faibles réductions de débit, le débit d’air neuf suit bien la demande et fonctionne parfaitement. Par contre, des surdébits apparaissent lorsque peu de locaux sont occupés. Ceci est lié à :

• L’augmentation trop importante de la pression dans le circuit lorsque plus de 50 % des bouches sont fermées. On sort de la zone d’autorégulation des bouches de pulsion.
• La part importante prise par les inétanchéités.

Résultat des différentes actions menées au niveau de la ventilation du bâtiment PROBE
Action	Débit d’air neuf au niveau du ventilateur	Économie d’énergie sur le chauffage de l’air neuf
	[m³/h]	[kWh/m².an] [kWh/an]	%
Situation d’origine : ventilation constante durant les heures de bureau, réseau de distribution rectangulaire de départ	1 800	–	–
Placement de conduits circulaires étanches	1 500	2,4 2 695	17 %
Transfert d’air des bureaux vers les sanitaires (la ventilation des sanitaires se fait avec l’air des bureaux)	1 200	2,3 2 590	20 %
Ventilation à la demande	–	3,0 3 396	35 %
Économies cumulées	–	7,7 8 681	environ 50 %

Consommation de chauffage de l’air neuf en fonction des améliorations successives possibles, dans le bâtiment PROBE.

Cette économie est réalisée par rapport à une situation correspondant à la situation moyenne des immeubles de bureaux belges et peut donc être extrapolée à bien d’autres bâtiments.

Aspects financiers

Lorsqu’un bâtiment n’est équipé d’aucun système, l’installation d’une ventilation nécessite un investissement financier et conduit souvent à une augmentation des consommations énergétiques (chauffage de l’air neuf et consommation des ventilateurs).

Il est donc difficile de parler dans ce cas de temps de retour de l’investissement : le bénéfice se mesure en terme d'”amélioration de la qualité de l’air”, donc de “meilleur environnement de travail” et d'”augmentation de la productivité”.

On peut cependant comparer la ventilation à la demande installée dans le bâtiment PROBE avec la même ventilation sans gestion des débits.

Dans le cas de PROBE, les surcoûts occasionnés par la ventilation à la demande consistent en :

• Bouches avec détection de présence, batterie et autorégulation des débits en fonction des variations de pression dans le réseau de distribution. Surcoût minimum de 75 € par rapport à des bouches classiques de la même gamme.

• Gestion de la pression au niveau du ventilateur.

Les conduits circulaires directement étanches se sont, quant à eux, avérés moins chers que les conduits d’origine, grâce à leur facilité de placement.

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Avant rénovation, le bâtiment PROBE, comme beaucoup d’immeubles de bureaux subissait d’importantes surchauffes en été, du fait de sa superficie de vitrages et de l’accroissement considérable des équipements de bureau.

Un des objectifs de la rénovation est de montrer qu’il est possible de rétablir un confort d’été correct sans avoir recours à une installation de climatisation.

L’un des critères utilisés pour objectiver le confort d’été est (prescription pour les bâtiments publics hollandais) : la température intérieure ne peut dépasser 25°C durant plus de 100 heures par an et ne peut dépasser 28°C durant plus de 20 heures par an.

Première action : réduire les apports de chaleur

Plusieurs actions ont d’abord été menées pour réduire les gains de chaleur tant externes qu’internes :

• Placement de protections solaires automatiques (intégrées dans les doubles vitrages au sud, inclinées extérieures à l’est et verticales extérieures à l’ouest) réduisant les apports solaires de plus de 80 %.

• Placement de luminaires haute performance régulés en fonction de l’éclairage naturel réduisant la puissance fonctionnant en été de 22 à 2,4 W/m² pour un éclairement identique et un meilleur confort visuel.

• Isolation de la toiture diminuant de 63 % les apports de chaleur au travers du toit ensoleillé.

Deuxième action : refroidir le bâtiment par ventilation naturelle

Durant les nuits d’été, un free cooling nocturne est appliqué : le bâtiment est ventilé naturellement et de façon intensive au moyen de grandes grilles fixées en été dans les châssis sur les deux façades du bâtiment.

Grilles de ventilation nocturne intensive associées à des protections solaires automatiques.

La nuit, les portes de bureaux sont ouvertes, permettant une ventilation transversale importante entre les façades grâce à la pression du vent.

Ventilation transversale intensive de nuit.

Une ventilation par effet cheminée aurait aussi pu être appliquée en pratiquant des évacuations naturelles verticales mais cela demandait des aménagements beaucoup plus importants dans la structure du bâtiment.

Ventilation intensive de nuit par effet cheminée.

Si les portes des bureaux doivent rester fermées, une ventilation par bureau est aussi possible étant donné la taille des grilles placées dans les châssis.

Ventilation intensive de nuit avec portes fermées.

Taux de renouvellement d’air moyen obtenu dans “PROBE” en fonction de la stratégie de ventilation nocturne appliquée
Ventilation transversale : fenêtres (avec grille) et portes ouvertes en grand	13 [vol/h]
Ventilation par bureau : fenêtres (avec grille) ouvertes en grand et portes fermées	3,4 [vol/h]
Ventilation par bureau : fenêtres (avec grille) ouvertes en position basculante et portes fermées	2,2 [vol/h]
Infiltrations : fenêtres et portes fermées	0,2 [vol/h]

Une ventilation intensive donne les meilleurs résultats si les portes et les fenêtres restent ouvertes durant la nuit. À défaut, on peut imaginer le placement de grilles de transfert dans les portes ou des petites fenêtres au-dessus de celle-ci. Il importe donc, pour la réussite totale du refroidissement nocturne, que les occupants soient clairement informé de leur rôle dans la gestion du confort, ce qui marche bien dans le bâtiment PROBE.

Il faut également que les ouvertures en façade soient suffisantes. Voici les recommandations en matière d’ouverture minimum pour la ventilation intensive comparées à ce qui est réalisé dans le bâtiment PROBE :

Ouvertures minimum nécessaires à la ventilation naturelle intensive en % de la surface au sol des locaux
	NBN D50-001 pour les locaux d’hébergement	Projet NatVent	Ouverture effective dans PROBE
Ventilation par des ouvertures sur une seule façade	6,4 %	4 %	de 1,9 à 3 %
Ventilation par des ouvertures sur des façades opposées	3,2 %	2 %	1,7 %

Résultats

Nombre d’heures pendant lesquelles la température intérieure dépasse 25°C et 28°C dans plusieurs bureaux de PROBE. Les bureaux les plus chauds sont de bureaux contenant un nombre important de personnes, d’ordinateurs et d’imprimantes fonctionnant souvent 24h/24. Notons que le comportement des occupants est variable selon les bureaux, notamment lorsqu’il s’agit, le soir, d’ouvrir les portes et fenêtres, d’éteindre les équipements de bureau, …