Déterminer si le niveau de confort défini peut être réalisé à l'aide du free-cooling et/ou de la ventilation nocturne

Le modèle de référence fournit un certain niveau de confort (nombre d'heures de dépassement, température maximale ou valeur de l'indicateur de surchauffe). Ce niveau de confort est probablement insuffisant (cf. 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 ou ventilation nocturne

Le présent chapitre 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 étape 3) 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

Cette optimisation est traitée dans le dossier Limiter les charges thermiques. Les paramètres dont disposent les concepteurs pour y parvenir sont les suivants :

• Orientation du bâtiment et des 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

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.

Tout ce qui a trait à la création d'une inertie thermique élevée est décrit dans le 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 créé 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 équivalente à la quantité de masse disponible (inertie thermique).

Ce principe du tampon peut également être utilisé dans le cas du free-chilling (cf. - Refroidissement : choisir le meilleur mode de production utilisant des sources renouvelables) 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.

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.

Exemples de masse thermique 

• Cameleon

Toutes les dalles du bâtiment sont laissées brutes, de même que certaines parois intérieures. Dans le magasin, le confort acoustique est obtenu tout à fait naturellement grâce à la marchandise : les vêtements. La distribution technique est aisée en raison des hauteurs disponibles sous le plafond. Dans les bureaux, les cloisons intérieures sont recouvertes de lattes de bois recyclé qui assurent une réflexion acoustique faible. Les gaines de ventilation circulaires sont apparentes, comme dans les bureaux du bâtiment Beeckman à Uccle.

Pièce sans faux plafond

source : Cameleon

• Mundo-B

Dans ce projet de rénovation de bureaux, la structure et les plafonds en béton sont visibles entre les panneaux placés pour améliorer l'acoustique. Cela permet une circulation libre de l'air frais pendant la nuit entre les panneaux acoustiques et la dalle. La surface est ici occupée en grande partie par les panneaux acoustiques (> 50 %). Cette proportion aura un effet certain sur le fonctionnement de la ventilation nocturne. Il est important que l'air de la circulation nocturne soit pulsé assez haut au-dessus des panneaux acoustiques.

Exemple de faux plafonds partiels

Source : Bruxelles Environnement

Pour en savoir plus au sujet du projet Mundo-B, voir la fiche du PROJET BÂTIMENTS EXEMPLAIRES n° 067 (2008).

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

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 (cf. Objectifs). Si ce n'est pas le cas, une forme de free-cooling ou de ventilation nocturne est intégrée au bâtiment. Pour un confort accru, il est indiqué de prévoir une forme restreinte de free-cooling ou de ventilation nocturne même si le niveau de confort d'été est atteint.

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

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

• Le débit, 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 et/ou de la ventilation nocturne.
• La régulation (conditions de température) :
  • La température extérieure et/ou intérieure à partir de laquelle le free-cooling et/ou la ventilation nocturne doivent fonctionner.
  • La température intérieure à atteindre grâce au refroidissement du free-cooling ou de la ventilation nocturne.

Le tableau ci-dessous présente un exemple de ces paramètres. Il n'est pas toujours possible d'introduire ces valeurs dans le logiciel. Il convient alors d'utiliser des hypothèses simplifiées ou d'utiliser les valeurs par défaut du logiciel.

Exemple de descriptif du réglage du free-cooling et/ou de la ventilation nocturne

L'introduction du free-cooling ou de la ventilation nocturne dans le modèle permet de connaître leur incidence sur l'indicateur et de déterminer si le confort d'été est suffisant. Adaptations pouvant être réalisées pour accroître le confort :

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

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

• Estimer cette consommation d'énergie et la limiter (cf. Conception).
• 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.

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 et ventilation 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).

Comparaison de la consommation d'électricité pour différents scénarios énergétiques

source : Cenergie

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 et la ventilation nocturne suffisent à garantir le confort. Un exemple est présenté ci-dessous. Attention : seul le free-cooling est concerné. La combinaison avec d'autres techniques de refroidissement passif permet de refroidir des charges plus importantes.

Méthode de prédimensionnement des ouvertures pour le free-cooling

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

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

La conception de bâtiments est un processus qui se répète, de même que l'optimisation de la conception visant à aboutir à un projet confortable et performant.

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 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 5 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 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