Réduire les besoins de refroidissement et déterminer si le niveau de confort peut être atteint uniquement à l'aide du free-cooling

Le modèle de référence fournit un certain niveau de confort (nombre d'heures de dépassement, température maximale, par exemple). Ce niveau de confort est probablement insuffisant (voir Objectifs ) et une intervention est nécessaire pour atteindre le niveau de confort exigé. Différentes méthodes peuvent être utilisées:

• Limitation des gains solaires
• Limitation des gains internes
• Mise en place d'une inertie suffisante
• Mise en place d'un refroidissement passif par free-cooling diurne ou nocturne

Cette page couvre ces quatre points. On ne choisira de recourir à d'autres techniques de refroidissement passif ( puits canadien ou refroidissement adiabatique ) ou de refroidissement renouvelable (voir 3. Intégrer la protection solaire dans la conception du bâtiment ) que si ces dispositifs ne permettent pas d'atteindre le niveau de confort voulu.

Développer une stratégie de refroidissement à un stade précoce de la conception est essentiel pour limiter la consommation en énergie résultant du refroidissement (voir 2a et 2b).

2a. Limitation des gains solaires

Les paramètres dont disposent les concepteurs pour y parvenir sont les suivants:

• Orientation du bâtiment, forme du bâtiment et ouvertures de la façade;
• Dimensions et forme des ouvertures de la façade;
• Choix du vitrage et de la protection solaire des ouvertures de la façade.

Cette optimisation est traitée dans le dossier Limiter les charges thermiques .

2b. Limitation des gains internes

Outre les gains solaires, le bâtiment présente aussi des gains internes (personnes, éclairage, appareils).

La prise en charge des différents types de gains internes est décrite dans le dossier Limiter les charges thermiques

2c. Mise en place d'une inertie suffisante

L'inertie thermique désigne la masse du bâtiment que l'air peut atteindre facilement, par exemple des murs de pierre plafonnés, un plafond en béton, des sols en pierre. Cette masse thermique est importante pour atténuer les fluctuations de la température dans un bâtiment. Plus les fluctuations de la température sont faibles, plus les pics de la température intérieure en été sont bas. Le bilan thermique fournira les informations suivantes:

• La mesure dans laquelle l'augmentation de l'inertie thermique favorise le confort d'été. L'incidence la plus importante est celle des premières augmentations de l'inertie thermique. L'utilisation d'un plafond massif nu dans un bâtiment ne comportant par ailleurs que des structures légères ou recouvertes aura une incidence bien plus importante que l'utilisation de murs massifs dans un bâtiment comportant déjà un plafond massif exposé.
• Le degré d'inertie thermique nécessaire pour assurer le confort d'été.

Voir dossier Assurer une grande inertie thermique.

L'inertie est une condition impérative spécifiquement pour la ventilation nocturne . Pendant la nuit, la masse thermique est refroidie à l'aide de la ventilation nocturne. Ce faisant, l'on crée un tampon qui peut absorber la chaleur pendant la journée. La chaleur entrante ou produite à l'intérieur est ainsi absorbée par la masse et n'est pas seulement transmise à l'air, ce qui permet de maintenir l'air plus longtemps frais. La chaleur absorbée par la masse thermique est alors évacuée la nuit suivante. La puissance de refroidissement est fonction de la quantité de masse disponible (inertie thermique).

Ce principe du tampon peut également être utilisé dans le cas du free-chilling et du refroidissement adiabatique (si nécessaire la ventilation uniquement). Ces techniques sont actives une partie de la nuit et refroidissent donc la masse.

La masse thermique comprend des matériaux suffisants avec une capacité thermique élevée (béton, pierre, chape, plâtre, carreaux, etc.) dans les 10 premiers centimètres des murs, des sols et des plafonds. Ces matériaux ne peuvent pas être recouverts d'une couche isolante. Dans les bureaux ou les commerces, il convient donc d'éviter les faux plafonds, les faux planchers (cloisons légères uniquement) et la moquette pour obtenir une inertie (masse nue du bâtiment) suffisante. Un faux plafond ou un faux plancher est éventuellement acceptable, mais l'utilisation simultanée de ces deux dispositifs mettrait en péril le système de la ventilation nocturne.

Un des désavantages de l'absence de faux plafond (et de faux plancher) est la réduction de l'atténuation acoustique. Il convient dès lors de prendre des mesures dans ce domaine, par exemple en optant pour des panneaux acoustiques, des meubles, etc.

Voir dossier Assurer le confort acoustique des bâtiments , et dispositifs Plancher surélevé, Faux plafond absorbant et Faux plafond isolant

Dans une pièce uniquement occupée de nuit, comme une chambre d'adulte, l'inertie doit par contre être faible pour limiter la chaleur emmagasinée dans les matériaux en journée et pour refroidir rapidement l'ambiance en remplaçant l'air chaud par de l'air extérieur frais. Dans les bâtiments qui présentent d'importantes fluctuations de l'occupation et doivent être refroidis très rapidement, il est également préférable de ne pas prévoir une masse thermique trop importante. La masse thermique doit alors être totalement refroidie, ce qui nécessite une puissance frigorifique supplémentaire.

2d. Ajout du free-cooling diurne ou de la ventilation nocturne

Pourquoi le free-cooling?

Toutes les étapes qui précèdent visent à éviter le recours au refroidissement actif, en plus d'améliorer le confort d'été. La charge thermique est réduite autant que possible pour permettre l'utilisation d'un refroidissement passif.

Pour les bâtiments résidentiels, les dispositifs présentés permettent souvent d'atteindre un niveau de confort suffisant, de manière à ce que les indicateurs soient conformes aux exigences spécifiées (voir Objectifs). Si ce n'est pas le cas, une forme de free-cooling diurne ou de ventilation nocturne est intégrée au bâtiment. Il peut s'agir d'habitudes à prendre, par exemple ouvrir les fenêtres en été, puis les fermer à nouveau s'il fait plus frais à l'intérieur qu'à l'extérieur pendant une vague de chaleur. Les logements équipés de ventilation double flux peuvent aussi augmenter les débits la nuit.

Dans les bâtiments tertiaires, les dispositifs susmentionnés ne suffisent souvent pas à réaliser un confort d'été suffisant (voir Objectifs ). Il convient alors d'intégrer dans ce cas également une forme de free-cooling diurne ou de ventilation nocturne.

Le free-cooling peut alors être considéré comme:

• Une technique spéciale visant à éviter la climatisation et les investissements inhérents à ce refroidissement actif. Il est alors nécessaire de demander conseil à un bureau spécialisé afin de définir le dimensionnement et le mode d'utilisation optimal.
• Une source de froid naturel supplémentaire qui limite la consommation d'énergie consacrée à la climatisation et permet de rafraîchir légèrement les locaux. Il convient alors de rechercher la méthode la plus simple (par exemple, ne refroidir que lors de pics extrêmes) et de demander la participation active des occupants à la gestion du confort dans les locaux. L'investissement est certes plus élevé (dans une mesure limitée), mais les économies le sont aussi.

Est-ce la bonne solution?

Pour être réellement optimal, le free-cooling exige qu'une attention particulière soit accordée à la conception du projet et aux détails de la construction. Pour conserver le passage de l'air, il faudra stimuler son déplacement naturel car cette approche est celle qui consomme le moins. Ces débits d'air sont indispensables, mais il convient de songer en même temps à la protection contre l'extérieur (intrusion, pluie, etc.), d'éviter l'apparition de courants d'air désagréables et de préserver la protection incendie et l'étanchéité à l'air du bâtiment. Ces aspects sont étudiés de manière plus approfondie dans le cadre de la conception.

Le tableau de décision ci-dessous permet de déterminer si le free-cooling est une solution indiquée. Il se base sur des aspects qui dépassent la seule dimension énergétique: acoustique, effraction, etc.

Tableau de décision du free-cooling

Si le free-cooling n'est pas suffisant?

Si, pour les questions auxquelles vous répondez NON, les mesures proposées ne sont pas applicables, ou s'il est affirmé que « le free-cooling ne suffira pas », il sera possible:

• soit d'opter pour une adaptation du projet,
• soit de rechercher une combinaison avec d'autres techniques de refroidissement passif,
• soit d'installer un refroidissement actif (avec les consommations d'énergie supérieures occasionnées).

L'utilisation d'un système de free-cooling dans ces situations permettra malgré tout de limiter le temps d'utilisation du refroidissement actif, et donc de réduire la consommation d'énergie. Il est par ailleurs possible de concevoir le refroidissement actif de la manière la plus efficace (et renouvelable) possible (voir dossier Choisir les meilleurs modes de production de refroidissement renouvelable ).

Free-cooling et confort

Pour connaître l'incidence du free-cooling diurne et de la ventilation nocturne sur l'indicateur d'inconfort en été (nombre d'heures de dépassement, température maximale), on ajoute une forme de free-cooling diurne ou de ventilation nocturne au modèle de bilan thermique (modèle de simulation). Dans cette phase, on utilise à cet effet les données suivantes:

• Le taux de renouvellement d'air, souvent exprimé en volumes par heure (vol/h): ce paramètre décrit, pour un local donné, l'importance du débit d'air extérieur amené dans le local.
• L'horaire: les heures de début et de fin de l'activité du free-cooling diurne et/ou de la ventilation nocturne.

• La régulation (conditions de température):

  • La température extérieure et/ou intérieure à partir de laquelle le free-cooling diurne et/ou la ventilation nocturne doivent fonctionner.
  • La température intérieure à atteindre grâce au refroidissement du free-cooling diurne ou de la ventilation nocturne.

Un exemple de valeurs des paramètres à introduire pour la régulation est donné dans le dispositif Free-cooling .

L'introduction du free-cooling dans le modèle permet de connaître leur incidence sur les indicateurs de confort (PMV, PPD, surchauffe) et de déterminer si le confort d'été est suffisant. Des adaptations pouvant être réalisées pour accroître le confort:

• Taux de renouvellement d'air augmenté (la valeur de 4 vol/h est souvent utilisée comme maximum)
• Si la ventilation nocturne seule est utilisée, ajout du free-cooling diurne
• Augmenter légèrement l'inertie. Cette mesure a un impact positif sur le potentiel de la ventilation nocturne

Exemple coûts-bénéfices

La ventilation nocturne s'accompagne elle aussi d'une consommation d'énergie pour la consommation supplémentaire du ventilateur (voir Concevoir ). Comme pour d'autres techniques de construction, les précautions suivantes sont indiquées:

• Estimer cette consommation d'énergie et la limiter (voir Concevoir ).
• Comparer les coûts du placement du free-cooling et de la ventilation nocturne et les économies d'énergie, par rapport à d'autres techniques éventuelles de refroidissement.

L'exemple ci-dessous présente une analyse de ce type pour un immeuble de bureaux.

Exemple d'analyse coûts-bénéfices de la ventilation nocturne dans un bâtiment de bureaux

Pour ce bâtiment de bureaux, différents scénarios de conception sont élaborés:

• Un scénario de référence fondé sur un groupe frigorifique standard utilisant l'air comme source.
• Trois scénarios d'amélioration utilisant la ventilation nocturne: « LE: Basse énergie», « PH: Passif », « PH+DE: Passif + énergie renouvelable ».

Tous les scénarios de conception doivent obligatoirement permettre de réaliser les objectifs de confort. Cette condition est évaluée à l'aide d'un modèle de bilan thermique dynamique. Le tableau ci-dessous présente le surcoût de différents postes de construction. Le refroidissement actif coûte 110 000 euros et constitue donc un investissement évité. Le refroidissement passif (free-cooling diurne et nocturne dans l'exemple) coûte 50 000 euros.

Tableau des coûts de différents scénarios énergétiques

Source : Cenergie

L'incidence sur la consommation d'énergie est représentée ci-dessous. Elle est calculée à l'aide du même modèle de bilan thermique dynamique. La consommation d'électricité consacrée au refroidissement baisse pour passer de 21 241 kWh (consommation d'électricité du groupe frigorifique) à 2 763 kWh (consommation d'électricité des ventilateurs de la ventilation nocturne).

Source : Cenergie © Bruxelles Environnement

Dans le cas présent, l'installation de la ventilation nocturne permet de réaliser une économie financière et une économie d'énergie. La ventilation nocturne proprement dite coûte 50 000 euros et la consommation d'électricité s'élève à 2 763 kWh, ce qui correspond à environ 1,5 kWh/m².

Il existe également des diagrammes simplifiés pour déterminer si le free-cooling suffit à garantir le confort. Un exemple est présenté ci-dessous. Attention: seul le free-cooling diurne est concerné. La combinaison avec d'autres techniques de refroidissement passif permet de refroidir des charges plus importantes.

Source : « Natural ventilation for offices », programme d'étude Natvent (Natural ventilation design project) © Bruxelles Environnement

2e. Évaluation du niveau de confort et répétition éventuelle des étapes précédentes

L'amélioration systématique du projet par la réduction des gains solaires, la limitation des gains internes, l'optimisation de l'éclairage, l'augmentation de l'inertie, etc., ainsi que l'ajout du free-cooling diurne ou de la ventilation nocturne permet au concepteur d'élaborer différents scénarios d'amélioration. Les scénarios à proprement parler et la comparaison de ces solutions l'informent en outre sur l'incidence des différents dispositifs sur le confort et la consommation d'énergie.

Par exemple, il est possible, dans le cas d'un immeuble de bureaux, qu'un éclairage de 2 (W/m²)/100 lux et un renouvellement de l'air de 4 vol/h pendant la nuit ne suffisent pas à atteindre un niveau de confort adéquat. L'investissement supplémentaire dans un éclairage de 1,6 (W/m²)/100 lux permet peut-être d'y parvenir. La modification des paramètres pour l'éclairage entraîne un scénario d'amélioration suivant.

Attention: le fait qu'il permette tout juste d'atteindre le niveau de confort d'été ne fait pas de ce scénario la meilleure option. Des dispositifs permettant de réduire davantage les gains de chaleur internes sont toujours indiqués car ils entraînent une baisse de la facture d'électricité.

2f. Définition des paramètres obtenus pour le vitrage, l'éclairage et les appareils et le free-cooling diurne et/ou la ventilation nocturne

Un scénario d'amélioration est finalement sélectionné. Les paramètres de ce scénario sont définis clairement. Ils forment une part importante de la suite du processus de conception. Il s'agit d'exigences de performances (voir tableau ci-dessous) qui doivent être strictement respectées et surveillées, par exemple à l'aide d'un contrôle des cahiers des charges, pendant les travaux, etc.Exemple de performances exigées dans un bureau

Exemple de performances exigées dans un bureau