Pour garantir le confort thermique en période estivale et éviter des courants d'air désagréables, on visera à limiter la vitesse de l'air en période d'occupation à 0,19 m/s pour les activités tertiaires et 0,24 m/s pour le résidentiel. L'objectif du free-cooling est de créer un renouvellement de l'air d'environ 4 vol/h : l'ensemble de l'air d'un local est ainsi renouvelé quatre fois par heure. Si le local est inoccupé pendant le free-cooling (night cooling par exemple), le problème ne se pose pas. Si le local est occupé pendant le free-cooling (free-cooling diurne), il convient de tenir compte du fait qu'un tel débit génère pendant la journée des mouvements d'air gênants ou influence les objets situés à l'intérieur (papiers qui s'envolent, etc.).
Comme le montre le calcul ci-dessous, le risque est toutefois limité.
Dans un bureau individuel de 20 m² avec une hauteur sous plafond de 2,80m (volume de 56 m³), le free-cooling est assuré par une ouverture nette de passage d'air en façade correspondant à 2 % de la surface au sol ou 0,4 m². Le passage dans cette ouverture d'un débit d'air de 4 vol/h (224 m³/h ou 0,06 m³/s) génère une vitesse de l'air de 0,15 m/s, soit une vitesse inférieure à la valeur limite généralement utilisée pour décrire un « courant d'air ressenti par un occupant », à savoir 0,2 m/s.
Ceci confirme que la valeur de renouvellement de 4 vol/h qui est souvent citée dans la littérature constitue une limite supérieure pour éviter l'inconfort pendant la journée.
Exemple Caméléon, Bruxelles
Selon les conditions climatiques, le renouvellement d'air dans les pièces peut largement dépasser la valeur de 4 vol/h et des situations problématiques peuvent apparaître.
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 d'air. Après avoir localisé le détecteur, il suffit de déplacer les penderies hors du courant d'air pour remédier à ce problème.
Ceci montre qu'en dépit de la théorie, il peut être utile de placer un objet sur les feuilles volantes pour les immobiliser avant de quitter le bureau en fin de journée.
Le débit d'air extrait par l'ouverture est proportionnel à la racine carrée de la différence de pression entre l'entrée et la sortie d'air, à la surface de l'ouverture et à un coefficient de forme qui dépend du détail de la géométrie de l'ouverture :
avec :
- Qv : débit d'air (m³/s)
- A : surface d'ouverture (m²)
- Cf : coefficient de forme (-)
- ΔP : différence de pression entre l'entrée et la sortie d'air (Pa)
Une valeur courante du coefficient de forme d'une fenêtre est 0,6.
Dans le cas d'un effet cheminée, la différence de pression entre l'entrée et la sortie est proportionnelle à la différence de température et la différence de hauteur entre les ouvertures :
avec :
ΔP = 0,04 . h . ΔT
- ΔP : différence de pression entre l'entrée et la sortie d'air (Pa)
- h : différence de hauteur entre les ouvertures (de centre à centre) (m)
- ΔT : différence de température entre les ouvertures (K)
Il est plus complexe d'évaluer les différences de pression dues au vent ou à la combinaison du vent et de l'écart de température. Il est possible de le faire à l'aide du programme Contam.
Le graphique ci-dessous représente, sur la base des formules précédentes, le débit possible sur un trajet constitué d'un groupe de fenêtres à ouverture commune d'1 m² et d'un conduit d'une hauteur donnée et d'une section d'1 m² également.
Débit d'air en m³/h d'un effet cheminée, avec des fenêtres à ouverture commune d'1 m² et une cheminée de section identique
Pour permettre de mieux comprendre les débits réels, les tableaux ci-dessous présentent les débits sur la base de l'effet cheminée dans le cadre de la ventilation unilatérale,calculés sur la base des formules précédentes. (On visera donc des dimensions offrant un débit d'au moins 4 fois le volume du local, par heure.)
Les valeurs des tableaux ci-après sont à multiplier par :
- T in : température de l'entrée d'air
- T out : température de la sortie d'air
La différence de hauteur h entre les ouvertures correspond à la moitié de la hauteur de la fenêtre.
Débit d'air en m³/s à travers une fenêtre ouverte, en fonction de la géométrie et de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur
Fenêtre centrale (facteur de forme de 0,6) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Largeur (m) | Hauteur (m) | |||||
0,5 | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | ||
0,25 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,08 | |
0,5 | 0,02 | 0,04 | 0,08 | 0,12 | 0,17 | |
0,75 | 0,02 | 0,06 | 0,12 | 0,18 | 0,25 | |
1 | 0,03 | 0,08 | 0,16 | 0,24 | 0,34 | |
1,25 | 0,04 | 0,11 | 0,19 | 0,30 | 0,42 | |
1,5 | 0,05 | 0,13 | 0,23 | 0,36 | 0,50 |
Débit d'air en m³/s à travers une fenêtre basse associée à une fenêtre identique aménagée plus haut dans la même pièce, en fonction de la surface et de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur
Fenêtre haute et basse présentant les mêmes dimensions – facteur de forme de 0,65 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Largeur (m) | Hauteur (m) | |||||
0,5 | 1 | 1,5 | 2 | 2,5 | ||
0,25 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,05 | 0,07 | |
0,5 | 0,01 | 0,04 | 0,07 | 0,108 | 0,14 | |
0,75 | 0,02 | 0,05 | 0,10 | 0,15 | 0,21 | |
1 | 0,03 | 0,07 | 0,13 | 0,20 | 0,28 | |
1,25 | 0,03 | 0,09 | 0,16 | 0,25 | 0,35 | |
1,5 | 0,04 | 0,11 | 0,20 | 0,30 | 0,42 |
En cas d'utilisation de la ventilation transversale ou de la ventilation via des conduits verticaux, les ouvertures pourront être plus petites étant donné que le vent peut aussi compter parmi les forces motrices.
Si l'objectif est d'utiliser une stratégie de refroidissement entièrement passive pour éviter la climatisation (refroidissement actif) des espaces de bureaux, l'idéal est de prendre contact avec un bureau d'étude spécialisé afin de concevoir un dimensionnement et un réglage adaptés.