Ventilation transversale
La ventilation traversante ou transversale peut être utilisée sur le projet. L'ouverture du toit est alors fermée et seules les ouvertures en façade sont utilisées pour ventiler le bâtiment. Cette ventilation peut être utilisée de jour comme de nuit.
Mouvement d'air induit par une différence de pression entre les 2 façades
Ventilation basée sur l'effet cheminée
Lorsqu'un besoin de refroidissement apparaît dans le bâtiment, un tirage naturel important est créé entre les fenêtres motorisées réparties tout autour du bâtiment et 12 grandes ouvertures dans la toiture de l'atrium.
Lorsque les ouvertures en toitures sont fermées, la ventilation transversale entre façades peut laisser place à une ventilation par effet cheminée si la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur est suffisante.
Pilotage des ouvertures motorisées
Paramètres de régulation
Dans les deux grands espaces de vente (8 000 m²), les fenêtres motorisées de la façade et les ventaux en toiture assurent à la fois le confort respiratoire lorsque le magasin est ouvert et le confort thermique par la ventilation nocturne, mais aussi le free-cooling pendant la journée lorsque la température extérieure s'y prête. Malheureusement, on perd le contrôle précis du débit d'air frais ainsi que la récupération de chaleur dans l'air extrait, propres à la ventilation mécanique double flux. Cela permet par contre de réaliser une économie de consommation des ventilateurs et de faire baisser drastiquement le coût d'investissement. Dans le cas présent, la perte d'énergie primaire imputable à un système naturel unique a été réduite au minimum grâce à une commande motorisée des ouvertures, non seulement en fonction des températures (pour le free-cooling) mais aussi en fonction de l'occupation, grâce à une mesure du CO 2 ambiant (pour la ventilation hygiénique). La perte énergétique résiduelle est ainsi devenue très faible par rapport à l'économie réalisée dans le coût d'investissement. Cette économie permet de libérer des moyens qui peuvent être investis dans un autre poste énergétique plus rentable.
Cette solution de gestion des ouvertures de ventilation naturelle basée sur des capteurs de CO 2 convient ainsi parfaitement à la gestion de grands espaces dans lesquels les occupants sont en mouvement. Elle est plus difficile à mettre en œuvre dans des environnements de bureaux, où les cloisons entravent une gestion globale et où le travail assis pose des exigences supplémentaires en matière de température et de vitesse des courants d'air. Il s'agit toutefois d'une solution réalisable. Cette gestion de ventilation est automatisée sur la base de 3 niveaux d'ouvertures :
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faible : deux extracteurs de toiture situés dans l'atrium assurent une ventilation minimale;
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moyen : la moitié des ouvertures de façade est activée, de même que quatre ouvertures sur dix en toiture;
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intensif : toutes les ouvertures de façade et de toiture sont actives.
Ces niveaux sont contrôlés en fonction d'un algorithme de régulation du type suivant:
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En journée, en hiver (T outdoor < 12 °C), si la concentration de CO 2 dépasse un premier seuil de 800 ppm (parties par million) (ce qui correspond à un débit d'air frais par personne d'environ 30 m³/h/pers. selon la norme EN 13779), les extracteurs de toiture sont activés. Si la concentration de CO 2 continue à augmenter, le système passe en mode « moyen » ou « intensif ».
- En journée, pendant la mi-saison et en été (T outdoor > 12 °C), la régulation en fonction du CO 2 est complétée par une régulation en fonction des températures: au-delà d'un premier seuil de température (par exemple, 23 °C), les ouvertures passent en position « moyenne ». Au-delà d'un deuxième seuil, le système passe en mode « intensif ».
Ce réglage permet de disposer d'un bâtiment très ouvert pendant les heures d'ouverture et dans lequel les mouvements de l'air donnent au visiteur l'impression d'évoluer dans un espace « naturel », le tout sans consommation liée au chauffage ou au refroidissement.
La ventilation nocturne entre en jeu pendant les nuits d'été. Elle dépend de la température ambiante moyenne de la journée, de la température mesurée dans la masse du bâtiment (des sondes sont placées dans les dalles de béton ), de la température extérieure et de la température ambiante instantanée. Celle-ci ne pourra pas passer sous les 14 °C afin d'éviter un refroidissement excessif du bâtiment.
En parallèle, toutes les ouvertures peuvent être contrôlées manuellement au niveau des différents tableaux électriques, un de ces tableaux étant placé à l'accueil du magasin.
Commissioning
Il a fallu un certain temps pour que tous les éléments soient opérationnels:
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compréhension étendue du principe de régulation avec les différentes hiérarchies de contrôle (seuils d'activation, modifications manuelles, capteurs de pluie, heures de fonctionnement);
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modification des différents seuils d'activation en fonction de la mi-saison, avec le seuil de désactivation de l'installation de chauffage (pour éviter tout gaspillage d'énergie dû à une ouverture inopportune);
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élaboration d'une méthodologie pour les modifications manuelles;
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formation du personnel amené à utiliser le système.
Le dossier « Etablir une procédure de contrôle qualité (commissioning) de la conception à la maintenance » traite en détail cette problématique.
§ suivant à transférer + verifier PEB, dans le dossier ENE02 "Ventilation":
Dans le cadre de la réglementation PEB actuelle, des exigences plus strictes s'appliquent cependant aux systèmes de ventilation naturelle et il n'est pas possible de choisir n'importe quel système. En effet, dans le cadre de cette règlementation, l'amenée d'air doit être mécanique ou, si elle est naturelle, les ouvertures doivent présenter un certain nombre de positions intermédiaires et les débits atteints par les ouvertures d'amenée naturelle doivent être certifiés. Cette dernière disposition ne s'applique pas aux ouvertures de fenêtres. Les certificats requis ne peuvent être présentés pour des grilles d'arrivée d'air spécifiques que si les fenêtres à réglage fin sont certifiées. C'est la raison pour laquelle l'ouverture des fenêtres ne peut pas être considérée comme un système unique de ventilation naturelle. Il s'agit d'un système complémentaire qui s'ajoute à l'amenée d'air de ventilation hygiénique approuvée par la réglementation PEB.
Les fenêtres peuvent donc bien être utilisées pour assurer une ventilation hygiénique. Le bâtiment doit cependant comporter un autre système conforme à la réglementation. Ce système ne doit toutefois pas être utilisé en permanence. Il est possible d'installer par exemple un système D et de passer à la ventilation naturelle à la mi-saison et en été. Dans ce cas, il est toutefois conseillé de laisser fonctionner le groupe de ventilation à débit minimal ou de le mettre en marche régulièrement. Il n'est pas conseillé de désactiver un système D pour une longue période, notamment en raison du risque d'accumulation de poussière et de bactéries dans les conduits.
Ventilation hybride
Une ventilation hybride combine la ventilation « naturelle » et la ventilation « mécanique ». Il s'agit de l'option choisie pour le refroidissement des bureaux du magasin: les ouvertures de façade sont des fenêtres ouvrantes.
Des fenêtres sont aménagées dans les cloisons des bureaux pour le passage de l'air entre les bureaux et les extracteurs de la toiture. Elles s'ouvrent manuellement. Les grandes grilles acoustiques situées au-dessus des portes ou des flexibles acoustiques dans le faux plafond restreint (premier mètre) permettent également de créer des ouvertures de transfert.
Dans le couloir de la zone de bureaux, trois voyants ont été placés. Leur commande est gérée par la GTC (gestion technique centrale):
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lorsque la température extérieure est inférieure à 14 °C (réglable) ou supérieure à 25 °C (réglable), le système de ventilation mécanique avec récupération de chaleur fonctionne et les occupants sont informés qu'ils ne doivent pas ouvrir leur fenêtre : leur confort respiratoire est assuré par le système centralisé;
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lorsque la température extérieure en journée est comprise entre 14 °C et 25 °C pendant plusieurs jours (pour refléter suffisamment le changement de saison), le système de ventilation mécanique est automatiquement arrêté. Les occupants sont alors invités à aérer les bureaux à l'aide des ouvertures de ventilation naturelle. L'ouverture et la fermeture des fenêtres (ouvertures de ventilation) peuvent également être entièrement automatisées.
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en été, lorsque la température intérieure augmente et que les conditions atmosphériques à l'extérieur sont favorables, le troisième voyant signale aux occupants que les conditions du free-cooling sont remplies.
Ouvertures de transfert entre les locaux et le couloir
Voyants signalant le mode de ventilation actif dans les bureaux
Les ventilateurs d'extraction de la toiture sont mis en marche pendant la nuit et chaque occupant peut ouvrir sa fenêtre sécurisée ainsi que les ouvertures de transfert, afin de garantir son confort thermique le jour suivant. Pour une année climatique moyenne, on peut estimer que le ventilateur peut rester à l'arrêt 1 000 h/an, ce qui représente une économie de 2 200 kWh/an de la consommation d'électricité.
Prise en compte des nuisances extérieures
Pluie
Les ouvertures de toiture sont quant à elles horizontales. Elles permettent aux occupants situés à l'intérieur de voir le ciel mais ne sont naturellement pas protégées contre la pluie. Pour cela l'installation a été équipée de capteurs de pluie . L'exploitant craignait que sa marchandise ne soit détériorée pendant la nuit par un orage et des tests du système ont été effectués. On a ainsi pu mesurer que dès qu'une goutte d'eau tombe sur le capteur, l'ensemble de la toiture se ferme en +/-7 secondes. Cela suppose toutefois que les premières gouttes tombent sur le capteur, dont le diamètre est de seulement 7 cm. Différentes solutions ont été étudiées, comme de couvrir les ouvertures d'une cabine ajourée. Pour des raisons esthétiques et financières, le choix s'est porté sur une augmentation du nombre de capteurs autour de l'atrium.
Capteurs de pluie
Intrusion
Un autre problème s'est posé lors de la mise en service du bâtiment: les ouvertures de toiture n'étaient pas protégées contre l'intrusion d'oiseaux. L'intégration d'un filet de protection dans l'ouverture a été possible lors de l'installation. Étant donné que les ouvertures sont commandées par des vérins sous les panneaux, il est également possible, quoique plus difficilement, de placer les filets a posteriori.
Dans les espaces de vente, les fenêtres sont quant à elles protégées par un grillage à l'extérieur .
De plus des détecteurs d'intrusion ont été placés, mais les débits d'air pouvant dépasser 4 vol/h pouvaient créer des situations légèrement problématiques.
Protection des fenêtres contre l'intrusion
Par exemple, dans une pièce contenant des tringles à vêtements, la détection d'intrusion a été déclenchée à plusieurs reprises pendant la nuit parce que les vêtements bougeaient sous l'effet du déplacement de l'air. Après avoir localisé le détecteur, il a suffit de déplacer les penderies hors du courant d'air pour remédier à ce problème. Il a aussi été demandé au personnel, de placer un objet sur les feuilles volantes pour les immobiliser avant de quitter le bureau en fin de journée.
Si les fenêtres ou les volets sont motorisés, un fabricant de moteurs de fenêtres sera généralement en mesure de communiquer rapidement la surface maximale qui peut être commandée par 1 moteur.
Logiquement, il convient également de veiller à ce que l'aménagement intérieur (placement des cloisons intérieures) corresponde bien à la répartition des ouvertures.
Interaction avec les aménagements et autres systèmes
Cloisons intérieures
Le placement des cloisons intérieures à posteriori peut affecter l'efficacité du free-cooling dans certaines zones. Prenons deux exemples concrets du magasin:
- La modulation de la ventilation n'est pas assurée par un degré d'ouverture différent pour chaque fenêtre mais par la variation de l'ouverture de plusieurs fenêtres . Pendant la journée, les zones ne se trouvant pas devant les fenêtres pilotées, ont tendance à surchauffer. Solution: adaptation des commandes électriques des fenêtres lors de l'aménagement des plateaux.
- La zone où se trouvent les caisses ne se situe pas non plus dans le courant d'air qui s'échappe par l'atrium. Ceci est dû aux cloisons placées après la phase de conception du système. Solution: ajout de ventilateurs à pales à cet endroit pour contraindre l'air à traverser la zone.
Incendie
Le système de ventilation intensive et le système de prévention incendie peuvent s'influencer mutuellement. En effet, la libre circulation de l'air destiné au rafraîchissement dans le bâtiment peut être en contradiction avec la méthode de compartimentage anti-incendie . Inversement, la ventilation naturelle et la méthode de prévention incendie peuvent se compléter: c'est le cas par exemple des exutoires de fumée et de chaleur qui peuvent servir de coupole d'extraction naturelle.
Étant donné que la configuration de tous les espaces de vente et de leur système de ventilation ne correspond à aucune situation « standard », il convient de réaliser une étude de la prévention incendie afin de démontrer l'efficacité des mesures prises.
Ainsi, les ouvertures naturelles de toiture dans les espaces de vente n'ont pas pu être utilisées comme exutoires de fumée. Dans ces espaces, qui communiquent sur deux étages, le trajet des fumées ne peut pas être garanti. Des tourelles d'évacuation des fumées ont dès lors été placées sur le toit. En cas d'alerte, ces tourelles priment sur les ouvertures naturelles. Les ouvertures de façade jouent quant à elles un rôle dans la sécurité incendie.
Le choix et la disposition des parois ignifuges exigées dans les espaces de vente ont dû être étudiés de manière à ne pas perturber la ventilation intensive la nuit. Les écrans sont ainsi pour la plupart mobiles et ils ne descendent qu'en cas d'alerte.
La zone des stocks présente un risque élevé de propagation du feu. Des sprinklers présentant un débit élevé et un temps de réponse très court sont donc essentiels (sprinklers ESFR). Pour pouvoir éteindre complètement le feu, ils ne peuvent pas être perturbés par de grands mouvements d'air causés par la ventilation intensive. La fermeture des ouvertures de ventilation est donc commandée en cas d'alarme incendie.
Dans les bureaux, il y a aussi désactivation des extracteurs qui assurent le free-cooling lorsque l'alarme incendie est déclenchée.
Mise en place d'une inertie suffisante
L'inertie est une condition impérative pour l' efficacité du free cooling . 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. Les matériaux faisant partie de la masse thermique ne peuvent pas être recouverts d'une couche isolante. Dans le projet, toutes les dalles sont laissées brutes , de même que certaines parois intérieures .
Ce choix n'altère pas l'acoustique dans le bâtiment car c'est finalement la marchandise du magasin (vêtements) qui jouent le rôle d'isolant acoustique. Dans les bureaux, les cloisons intérieures recouvertes de lattes de bois recyclé, assurent une réflexion acoustique faible.
De plus, le projet n'a pas eu recourt à des faux plafonds qui auraient empêché l'accès à l'inertie de la dalle, mais a opté pour des gaines de ventilation apparentes .
Aller plus loin
Liens à consulter pour plus d'informations quant aux problématiques soulevées dans cette étude de cas, liée au free cooling :
> Dossier | Appliquer une stratégie de refroidissement passif
> Dossier | Concevoir un système de ventilation énergétiquement efficace
> Dispositifs | Assurer le confort acoustique des bâtiments
> Dossier | Régulation
