Il est important, en tout premier lieu de vérifier l'applicabilité générale du free-cooling, à l'aide du tableau présenté dans le dossier (voir Appliquer une stratégie de refroidissement actif > Etapes de conception). Cela permet de déterminer si le free-cooling est une solution indiquée ou s'il faut se tourner vers d'autres techniques (Puits canadien, refroidissement adiabatique,...).
Potentiel rafraîchissant du free-cooling
Impact rafraîchissant du free-cooling – Exemple chiffré
On constate que le potentiel de rafraîchissement du free-cooling reste limité en mi-saison et en période estivale durant la journée.
A titre d'exemple (source : Energie+ ), imaginons un local à 26°C avec une charge thermique (élevée) de 60 W/m² (ordinateur, éclairage, occupants, ensoleillement, ...) ou 20 W/m³ (si la hauteur sous plafond est de 3 m). La température de l'air extérieur est de 20°C. Calculons le taux de renouvellement nécessaire pour évacuer la chaleur d'un m³ du local.
avec :
P = 0,34 . q . ΔT
- P : charge thermique (W)
- 0,34 : chaleur volumique de l'air (W.h/(m³.K))
- q : débit (m³/h)
- ΔT : différence de température entre intérieur et extérieur
La charge par unité de volume (W/m³) vaut :
P v = 0,34 . n . ΔT
avec n : taux de renouvellement (/h)
Ce taux de renouvellement vaut donc :
Il faudrait donc un taux de renouvellement horaire de 9,8 : l'air du local serait renouvelé 10 fois par heure ! En dehors de la difficulté technique, cela génère un climat peu confortable pour les utilisateurs. De plus, si le free-cooling est mécanique, les consommations énergétiques des ventilateurs seront importantes et multipliées par 2,5 pour la conversion en énergie primaire de l'électricité !
Si la température extérieure était de 16°C, ce taux de renouvellement passerait à 5,9 /h.
Ainsi l'on comprend bien que le free-cooling est intéressant lorsque la température de l'air extérieur est plus fraîche et lorsque les débits d'air sont augmentés. Ceci nous amène alors à envisager le potentiel rafraîchissant de l'air extérieur durant la nuit lorsque les occupants sont absents et que l'on peut pulser de grands débits d'air à faibles températures.
Cependant, l'on gardera tout de même à l'esprit qu'un bâtiment qui a réduit ses besoins en refroidissement (voir dossier Appliquer une stratégie de refroidissement passif > Etapes de conception) pourrait se passer de refroidissement actif en utilisant le potentiel du free-cooling diurne par une légère augmentation des débits hygiénique en journée.
Arbre de décision : quel type de free-cooling choisir ?
L'arbre de décision ci-dessous oriente le concepteur vers le choix d'un type de free-cooling.
Spécificités du dispositif pour le logement individuel – logement collectif – petit tertiaire – grand tertiaire
Pour les affectations résidentielles , le free-cooling est relativement facile à mettre en œuvre et appliqué à l'échelle du logement (et non du bâtiment) :
- Pour garantir son efficacité, on évitera les logements mono-orientés et on privilégiera des logements traversants ou à double orientation.
- On envisage l' ouverture manuelle des fenêtres dans chaque logement en assurant une bonne communication auprès des occupants : « en été, pendant des périodes caniculaires, ouvrer les fenêtres oscillo-battantes la nuit ».
- Lors de l'installation d'un système de ventilation de type D, on prévoira l'installation d'un by-pass automatique du récupérateur de chaleur (voir solution | récupérateur de chaleur). Le by-pass permet d'éviter de passer par le récupérateur de chaleur lorsqu'il est préférable de bénéficier d'un air extérieur à température plus basse.
- La ventilation nocturne fonctionne généralement (sauf dans les chambres à coucher) selon le principe suivant : la masse du bâtiment est refroidie pendant la nuit de manière à ce qu'elle puisse absorber la chaleur pendant la journée. Une certaine masse thermique est donc toujours nécessaire puisque sans elle, le concept ne fonctionne pas. Dans le cas du free-cooling diurne, la masse thermique assurera également un amortissement bienvenu des températures, mais le free-cooling diurne est possible aussi sans l'existence d'une masse thermique. Le free-cooling diurne a en effet lieu lorsque la pièce est occupée et permet ainsi de tirer parti de l'effet rafraîchissant direct de l'air extérieur.
Pour le petit tertiaire , le free-cooling naturel peut s'appliquer de la même façon que pour l'affectation résidentielle. Chaque employé devra être sensibilisé à l'ouverture et à la fermeture manuelle des fenêtres. Lorsqu'il y a des risques d'intrusion ou dans le cadre d'une stratégie optimisée, on envisagera une gestion de l'ouverture automatisée des fenêtres en fonction des températures intérieures et extérieures.
Pour le grand tertiaire , il sera primordial de mener une réflexion globale de stratégie de refroidissement passive. La mise en place d'un free-cooling naturel ou hybride aura un impact sur la conception architecturale (profondeur du bâtiment, orientation aux vents, atrium, double-peau, etc.).
Spécificités du dispositif selon la nature des travaux
Dans les logements et le petit tertiaire en rénovation , l'installation d'ouvertures d'amenée d'air naturelle et de transferts d'air est rarement une difficulté. Souvent, l'on envisage l'installation de fenêtre oscillo-battantes et de laisser les portes intérieures ouvertes. Lorsque la profondeur de la pièce le permet (voir Concevoir le dispositif), l'extraction d'air peut quant à elle s'effectuer facilement par la façade opposée.
Pour le tertiaire en rénovation, plusieurs difficultés peuvent être rencontrées :
-
Pour un free-cooling naturel et/ou hybride,
- l'on recherchera à valoriser l'effet cheminée avec une extraction verticale naturelle ou assistée ce qui n'est pas toujours évident en rénovation. L'installation de conduits d'air ou la cage d'escalier peut offrir une solution alternative (Les portes de la cage d'escalier restent alors ouvertes en permanence à l'aide d'électrovannes). Le service d'incendie devra toutefois être consulté pour déterminer si ce dispositif est autorisé.
- Si des modifications sont apportées aux ouvertures, une réflexion sera portée sur la conception et la gestion de l'ouverture des fenêtres pour assurer un free-coolingunilatéral . Le retour d'expérience de la rénovation du bâtiment de bureaux PROBE du CSTC (voir Energie+) est un bon exemple relatif aux choix qui ont été pris et aux résultats obtenus.
- Si le bâtiment est équipé de grilles existantes de ventilation naturelle, l'on portera une réflexion pour les intégrer dans la conception du free-cooling. Bien évidemment, cette stratégie devra s'inscrire dans une stratégie plus large d'efficacité énergétique et de confort pour les occupants
- Pour un free-cooling mécanique il faut souvent véhiculer des débits d'air importants mais l'intégration de conduits d'air de grandes dimensions (voir dispositif Conduits de ventilation) n'est pas toujours possible en rénovation.
Certains bâtiments existants sont équipés de grilles de ventilation naturelles qui sont parfois obstruées pour éviter l'inconfort en hiver. Dans le cadre d'une rénovation, ces grilles sont des potentialités pour mener une stratégie de free-cooling. Bien évidemment, cette stratégie devra s'inscrire dans une stratégie plus large d'efficacité énergétique et de confort pour les occupants.
Si la rénovation est un obstacle à la mise en place d'un free-cooling efficace, le free-cooling peut être couplé avec d'autres dispositifs (voir dossier Appliquer une stratégie de refroidissement passif > Etapes de conception)
