Comportement thermique d’un local climatisé

Sommaire

Préambule – 2025

L’article qui suit, “Comportement thermique d’un local climatisé”, publié en 2007, pose les bases fondamentales de la compréhension des phénomènes thermiques au sein d’un espace bâti. Il explore avec pertinence les concepts clés d’inertie, de température opérative et les mécanismes d’échanges par convection et rayonnement. Ces principes physiques, immuables, constituent encore aujourd’hui le socle de toute analyse thermique. Cependant, en près de deux décennies, le monde de la construction et de la gestion énergétique a connu une transformation radicale, portée par la double révolution du numérique et de la transition écologique.

Ce préambule a pour objectif de mettre en perspective l’analyse de 2007 en la confrontant aux technologies et aux paradigmes qui redéfinissent aujourd’hui la performance et le confort des bâtiments. Alors que l’article original se concentrait sur un modèle simplifié de local “aveugle” refroidi par un simple apport d’air, la réalité de 2025 est celle de systèmes interconnectés, intelligents et décarbonés.

La Révolution Numérique : Du Modèle Statique à l’Optimisation Dynamique

La principale rupture avec l’approche de 2007 réside dans l’avènement des technologies intelligentes. Là où l’analyse se basait sur des hypothèses statiques (apports fixes, ventilation constante), nous sommes entrés dans l’ère de la gestion dynamique et prédictive.

•L’Internet des Objets (IoT) et les Capteurs Avancés : Les bâtiments modernes sont désormais équipés d’un réseau dense de capteurs sans fil (WSN) qui mesurent en temps réel une multitude de paramètres : température, hygrométrie, niveaux de CO2, luminosité, présence… Cette granularité de l’information permet de passer d’une vision macroscopique à une gestion micro-locale du confort et de l’énergie.

•L’Intelligence Artificielle (IA) et le Machine Learning : L’IA est le cerveau qui analyse ce flux de données. Des algorithmes d’apprentissage automatique (comme ceux développés par des acteurs tels que BrainBox AI) ne se contentent plus de réagir. Ils apprennent les habitudes des occupants, anticipent les variations météorologiques et optimisent en continu le fonctionnement des systèmes de Chauffage, Ventilation et Climatisation (CVC). Il n’est plus question d’un simple équilibre des charges, mais d’une optimisation prédictive multi-critères (confort, coût, empreinte carbone), capable de réduire la consommation énergétique des systèmes CVC de plus de 25%.

•Les Building Management Systems (BMS) de Nouvelle Génération : Les BMS ont évolué de simples superviseurs à de véritables plateformes d’intégration. Basés sur l’IoT et le cloud, ils centralisent le contrôle de tous les lots techniques (CVC, éclairage, stores, sécurité) et offrent des interfaces intuitives pour une gestion fine et une maintenance prédictive.

Le Nouveau Visage de la Production de Froid (et de Chaud)

L’article de 2007 mentionnait principalement la ventilation par air froid. Aujourd’hui, le panel des technologies de climatisation s’est considérablement élargi et perfectionné, avec un focus sur l’efficacité et la durabilité.

•Les Pompes à Chaleur (PAC) Réversibles : Devenues une solution incontournable, les PAC modernes (air-eau, eau-eau) affichent des coefficients de performance (COP) dépassant 5 ou 6. Elles utilisent des fluides frigorigènes à faible impact environnemental et permettent, en mode réversible, d’assurer le chauffage en hiver et le rafraîchissement en été avec une efficacité redoutable, réduisant la facture énergétique jusqu’à 70% par rapport à des systèmes conventionnels.

•Le Refroidissement Radiant 2.0 : Le concept de “plafond froid”, timidement évoqué en 2007, est aujourd’hui une technologie mature et plébiscitée pour son confort inégalé. Les systèmes de plafonds, murs ou planchers radiants fonctionnent à des régimes de température très proches de l’ambiante (ex: eau à 16-20°C), ce qui permet un rafraîchissement doux, sans courant d’air, et une excellente synergie avec les PAC et la géothermie. Ils incarnent parfaitement le principe de l’article sur le contrôle de la température des parois pour maîtriser la température opérative.

•La Géothermie et le Géocooling : L’exploitation de l’inertie thermique ne se limite plus aux murs du bâtiment, mais s’étend au sous-sol. La géothermie de surface, couplée à une PAC, permet de puiser la fraîcheur du sol en été (géocooling) et sa chaleur en hiver. Cette technologie, en plus de son efficacité énergétique, présente l’avantage majeur de ne pas rejeter de chaleur à l’extérieur, luttant ainsi activement contre les îlots de chaleur urbains.

Un Changement de Paradigme : L’Ère du Passif et de l’Intégré

Enfin, la philosophie même de la conception a changé. La climatisation n’est plus la première réponse, mais la dernière. La réglementation environnementale (RE 2020 en France, par exemple) impose une approche intégrée qui priorise la sobriété énergétique et le confort d’été passif.

•La Conception Bioclimatique : L’orientation du bâtiment, la taille et la nature des vitrages, les protections solaires (casquettes, brise-soleil, stores automatisés) et la ventilation naturelle sont désormais les premiers leviers pour assurer le confort thermique.

•L’Inertie Intelligente et les Matériaux Innovants : L’inertie, si bien décrite dans l’article, est aujourd’hui “augmentée” par des matériaux innovants. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP), intégrés dans les plaques de plâtre ou les enduits, permettent de stocker et de déstocker la chaleur latente, lissant les pics de température sans nécessiter de masse structurelle importante. Les vitrages à contrôle solaire dynamique ou à faible émissivité permettent de moduler les apports solaires en fonction des saisons.

En conclusion, si les lois de la thermique décrites dans l’article de 2007 restent une grille de lecture indispensable, le bâtiment d’aujourd’hui est un système complexe, adaptatif et communicant. L’analyse du comportement thermique ne peut plus se faire en vase clos, mais doit intégrer l’intelligence des systèmes de contrôle, l’efficacité des nouvelles technologies de production et, en amont, une conception architecturale sobre et bioclimatique. Nous vous invitons à lire l’article qui suit comme une introduction aux principes fondamentaux, enrichie par ce préambule qui en dessine les perspectives et les applications à l’ère du bâtiment durable et intelligent.

Introduction

Pour comprendre l’évolution des températures dans un local climatisé, il est utile de se créer mentalement un modèle de fonctionnement thermique.

Simulation d’un local “aveugle”

Partons d’un exemple simple : un local sans fenêtre, chauffé en journée par des apports internes et refroidi par une ventilation d’air à 16°C.

Hypothèses

Le local fait 3,5 x 4 x 2,8 de hauteur, soit un volume de 39 m³.
Les apports sont fixés à 600 Watts de 8h00 à 18h00.
Une ventilation permanente (jour et nuit) apporte 150 m³ d’air à 16°C, soit un renouvellement horaire de 3,8 (ce qui est plutôt élevé pour un apport de ventilation mais faible pour un apport frigorifique de climatisation). Cela représente un refroidissement de 400 Watts si l’ambiance est à 24°C, ou de 200 Watts si l’ambiance est à 20°C.

Deux types de parois sont étudiées, afin de visualiser l’impact de l’inertie des parois sur la température intérieure.

Variante 1 : local de forte inertie

On considère un sol en béton, des murs en maçonnerie recouverts de plafonnage, un faux plafond en matériau isolant.

La température opérative est la moyenne entre la température de l’air et celle de la surface des parois. Elle correspond à la température ressentie par les occupants. De plus, on peut en déduire l’allure de la température de surface des parois. Ainsi, puisque la température opérative est 0,6°C plus froide que l’air lors de la montée en température, on en déduit que la température de surface des parois est 1,2°C plus froide.

Il est intéressant de visualiser l’allure de la T° de l’air : en période de refroidissement, elle tend à descendre vers les 16°C donnés par l’air neuf, mais cette descente est freinée par les parois qui sont chaudes et qui transfèrent de la chaleur vers l’ambiance. L’air “cale” à 1,2°C de la température moyenne des parois.
Une fois 8h00 du matin, l’équilibre s’inverse : les apports dépassent le refroidissement. Sans inertie, l’air monte brusquement en température jusqu’à ce que ce même écart de 1,2°C apparaisse entre air et paroi, la paroi refroidissant cette fois l’ambiance.
À noter qu’en supprimant le faux plafond et en laissant l’air en contact direct avec le béton, la température maximale atteinte par l’air serait de 23°C, contre 23,5°C ici.

Variante 2 : local de faible inertie

Dans le même volume, on considère cette fois un sol en béton recouvert par 0,5 cm de tapis, des parois légères de 8 cm d’isolant recouvertes de 1,5 cm plafonnage, un faux plafond en matériau isolant.

Les parois ne présentent presque plus de masse thermique. L’air est cette fois “plus libre” de monter ou descendre en fonction des variations de charge et entraîne avec lui les fines parois. La température maximale monte à 25°C, contre 23,5°C dans le cas précédent.

Quel modèle thermique équivalent ?

Pour représenter cette évolution des températures, on peut imaginer le modèle suivant très simplifié :

Les apports sont communiqués à l’air du local; celui-ci échange par convection vers la surface des parois; le cœur de la paroi voit sa température lentement évoluer.
Remarque : en pratique, une part des apports internes est donnée par rayonnement direct vers les parois.
On en déduit une évolution des températures suivantes :

Cela correspond assez bien à la réalité lorsque l’apport frigorifique est donné par l’air. Par contre, une climatisation par plafonds froids entraînerait un transfert direct du froid par rayonnement vers les parois et donc une meilleure stabilisation de la température de l’air.

Le cas d’un apport solaire supplémentaire

Les locaux climatisés sont souvent soumis à des apports internes importants par les vitrages. Dans ce cas, le soleil ne chauffe pas l’air, il chauffe d’abord les parois (essentiellement le sol) qui restituent ensuite cette chaleur vers l’air par convection et vers les autres parois par rayonnement.

L’impact de l’inertie des parois est dans ce cas encore amplifié : si la paroi “touchée” par le soleil est absorbante (couleur foncée) et de forte inertie (béton), elle va accumuler la chaleur sans monter en température, et donc limiter le transfert de chaleur par convection vers l’air.
La présence de tapis au sol des bureaux génère donc plus facilement une montée en température de l’air des bureaux ensoleillés… Le mouvement convectif est encouragé par la vitre dont la température monte à … 30°C … par absorption partielle du rayonnement solaire.

Conclusions

Les charges sont apportées au local, partiellement par rayonnement, partiellement par convection.
Dans tous les cas, l’inertie des parois permet une stabilisation de la température de l’air.
Un apport frigorifique par rayonnement (plafonds froids) permet une stabilisation de la température de l’air similaire à celle obtenue par une inertie plus forte.
A la limite, un refroidissement du plancher par une circulation d’eau froide dans le plancher permettrait une captation directe des apports solaires… mais le risque d’inconfort aux pieds des occupants est présent…