VENTILATION ET CLIMATISATION
Install Magazine 970 – mai 2020
Opportunités du refroidissement par ventilation
Le webinaire de Venticool donne un aperçu fondé des expériences pratiques
Les bâtiments sont de plus en plus isolés et cela a aussi un inconvénient: à mesure que la demande en chaleur diminue, le risque de surchauffe augmente. Cela s’applique aux bâtiments commerciaux qui ont des rendements de chaleur internes relativement élevés, mais les habitations et les écoles connaissent aussi ce phénomène. Une solution consiste à prévoir un refroidissement actif mais cela entraîne une consommation énergétique supplémentaire. La question est de savoir dans quelle mesure la demande de refroidissement peut être couverte par un refroidissement passif via une ventilation intensive. Cette technique est aussi connue sous le nom de refroidissement par ventilation. Venticool, la plateforme de connaissances sur ce sujet a organisé fin mars un webinaire sur les opportunités et les limites du refroidissement par ventilation, en accordant une attention spéciale aux travaux de l’AIE EBC, Annexe 62.
Venticool et l’Annexe 62 de l’AIE EBC
Venticool est une plateforme de connaissances qui a été lancée en 2012 à l’initiative d’Inive, le réseau international d’information sur la ventilation et la performance énergétique. Venticool collabore avec des partenaires industriels et d’autres associations du secteur comme l’AIVC et Rehva.
Le potentiel du refroidissement par ventilation a été analysé dans un projet du programme Energy in Buildings and Communities (EBC) de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE). Le projet a reçu la référence Annexe 62 – Ventilative Cooling et s’étendait sur la période 2013-2018. Cela a donné lieu à un certain nombre de publications telles qu’un guide de conception. Cet ouvrage permet notamment d’estimer les possibilités du refroidissement par ventilation en fonction du climat local et du type de bâtiment. Le guide donne également des indications sur les débits potentiels et les stratégies de contrôle. En outre, l’Annexe 62 propose une compilation d’études de cas et d’expériences de 91 bâtiments ainsi que toute une série de recommandations pour intégrer le refroidissement par ventilation dans des normes et des normes de construction. Ce dernier point est important parce que des décisions (le placement et les dimensions de fenêtres, par exemple) doivent être prises dès la phase de conception. Ces ressources et autres peuvent être consultées sur le site web de Venticool et de l’AIE EBC Annexe 62.
Efficace si les bonnes conditions sont réunies
Un grand avantage du refroidissement par ventilation est que l’installation est techniquement simple à réaliser : il ne faut pas prévoir de machines de refroidissement ni d’installations de fourniture de froid. De plus, la plupart des bâtiments modernes possède déjà un système de ventilation. Il faut donc uniquement prévoir un concept pour assurer l’évacuation des charges thermiques. L’isolation croissante allonge aussi la période durant laquelle les bâtiments doivent être refroidis. Cela ne se limite plus aux mois les plus chauds ; à l’entre-saison, il y a de plus en plus de demandes de refroidissement. Combiner la demande de froid en journée et les températures extérieures basses la nuit et le matin est idéal pour réaliser un refroidissement par ventilation.
L’application de cette technique dépend d’un certain nombre de conditions préalables. Tout d’abord, il y a le climat sous lequel le bâtiment se trouve. Pour des raisons évidentes, le refroidissement par ventilation ne fonctionne que si la différence entre les températures extérieures et les températures intérieures est suffisamment importante. Les conditions climatiques peuvent aussi représenter une restriction. On ne peut pas appliquer le refroidissement par ventilation s’il y a trop de vent ou s’il pleut. Un autre élément important est le concept du bâtiment et l’usage qu’on en fait. Les paramètres de conception ont trait aux rendements de chaleur internes, à l’ensoleillement et aux possibilités d’une ventilation intensive (circulation interne, taille et orientation des fenêtres, …). Enfin, il faut tenir compte d’autres aspects comme la sécurité intrusion ou des nuisances d’insectes envahisseurs.
Possibilités et restrictions
Les opportunités du refroidissement par ventilation restent néanmoins intéressantes, même lors de climats plus chauds. Une étude réalisée en Californie du Sud, une région bien connue pour son climat chaud, révèle qu’à la côte, le refroidissement par ventilation peut se charger des besoins en froid dans 80% du temps. En passant au refroidissement par ventilation lors des mois plus frais, la consommation d’électricité en HVAC d’un bâtiment pourrait être réduite de moitié. Mais cela suppose la prise de mesures pour limiter la demande de froid. La capacité de refroidissement d’un système de ventilation s’élève tout au plus à 20-30 W/m2 et diminue à mesure que la température extérieure augmente. Dans ce nombreux cas, il faut prévoir un refroidissement supplémentaire. Dans la pratique, on remarque principalement des installations hybrides.
Les tendances modernes en conception de bureaux ne sont pas favorables à un refroidissement par ventilation. Les grandes surfaces vitrées associées à des charges internes élevées (éclairage, degré d’occupation élevé, appareils électriques, …) limitent l’applicabilité du système. Ici aussi, il est crucial d’y penser dès la phase de conception d’un bâtiment.
En ce qui concerne les applications concrètes, beaucoup de choses dépendent du climat. Plus l’air extérieur est froid, plus il est facile de se contenter de faibles débits et de petites ouvertures de ventilation. Mais à un certain moment, les limites du réalisable seront atteintes : un bâtiment doit encore et toujours constituer un abri contre les éléments naturels. L’objectif n’est pas de transformer un bâtiment en un espace ouvert. Pour obtenir les débits utiles, plusieurs possibilités existent. La plus simple consiste à ouvrir les fenêtres. Mais le vent est un facteur de complication. Dans le meilleur des cas, l’effet du refroidissement par ventilation est optimal. Mais comme la puissance et l’orientation du vent peuvent fortement varier, l’intégrer dans un concept est assez complexe.
Une autre manière d’évacuer la chaleur consiste à utiliser le tirage naturel via des cheminées et des atria. Un avantage est que le système continue de fonctionner pendant les jours sans vent et qu’il est plus prévisible. L’effet du tirage naturel est plus faible que celui du vent. Enfin, on peut utiliser des ventilateurs. Si la ventilation sanitaire est déjà entraînée mécaniquement, on peut utiliser ces ventilateurs pour évacuer la chaleur. Il peut être utile de prévoir une capacité de ventilation supplémentaire pour atteindre des débits suffisants. Un questionnaire reprenant des paramètres et un score peut être une aide pour décider si une ventilation, mécanique ou non, s’avère pertinente. En prenant ensuite la moyenne des valeurs, on obtient une évaluation sur l’utilité ou non d’un ventilateur.
Le refroidissement nocturne avec un PCM
L’approche classique du refroidissement par ventilation consiste à utiliser les températures nocturnes plus basses pour refroidir la masse du bâtiment, avant que celui ne se réchauffe progressivement en journée. Cela suppose d’avoir une masse de bâtiment suffisante pour absorber la chaleur diurne. De plus, il faut un échange entre l’air intérieur et la masse du bâtiment. Des éléments comme des plafonds rabaissés, des planchers relevés, le revêtement, … diminuent l’effet du refroidissement par ventilation. Il n’est pas toujours facile de garantir un échange thermique suffisant avec la masse de bâtiment, certainement dans un bâtiment existant. Dans certaines méthodes de construction, il n’y a pas assez de masse de bâtiment pour réaliser un stockage d’énergie.
Dans un local de classe à Londres, un essai a été réalisé avec un concept alternatif, à savoir une batterie thermique et un matériau à changement de phase (PCM). Ce matériau avait une température de solidification de 19-21°C et était refroidi la nuit par l’air extérieur et une ventilation intensive. En journée, l’air insufflé passait par la batterie froide et générait du froid. Le test pratiqué sur le terrain a montré qu’un confort acceptable pouvait être garanti, même s’il s’agissait d’un local d’informatique avec un taux d’occupation élevé, et donc des rendements de chaleur élevés. La condition préalable était que la température nocturne ne devait pas dépasser les 17°C, ce qui n’a pas posé de problème avec le climat londonien.
L’utilité d’un concept soigné
Si on évalue les expériences pratiques de dizaines de bâtiments dans le monde, on peut en conclure que le refroidissement ventilatif peut garantir un confort suffisant dans un large éventail de conditions. Ce concept peut certainement absorber des pics momentanés. Le système montre par contre ses limites lors de périodes chaudes plus longues. Tout dépend du type de bâtiment et de son utilisation. Dans les écoles par exemple, il y a plus de liberté de mouvement en cas de surchauffe car les bâtiments ne sont normalement pas utilisés lors des périodes les plus chaudes.
Un concept soigné et des simulations précises sont nécessaires, certainement dans les bâtiments commerciaux. Le refroidissement par ventilation n’atteint des résultats probants que si le bâtiment y est adapté. De plus, la stratégie de régulation doit être correcte. Dans l’exemple du local d’informatique à Londres cité plus haut, la ventilation intensive nocturne a été désactivée une heure avant le début des cours. La température a alors augmenté légèrement avant l’occupation du local, et seule une partie du rendement du refroidissement nocturne a été perdue.
Ne pas oublier l’utilisateur
La question qui demeure est de savoir si les habitations peuvent bénéficier de tels systèmes de régulation. Un réglage manuel simple suffit généralement, à condition que l’utilisateur soit au courant du fonctionnement du système. C’est un autre point d’attention du refroidissement par ventilation. Contrairement aux systèmes actifs, on ne peut pas simplement l’activer et le désactiver, il faut anticiper la charge thermique. Pour obtenir l’effet escompté, les utilisateurs doivent être informés du bon fonctionnement. Cette information doit être facile à trouver. D’après les cas sur le terrain, tout semble bien se passer mais on oublie parfois l’une ou l’autre chose, on perd le manuel d’utilisation ou il y a des nouveaux utilisateurs qui ne connaissent pas le système. Pour éviter ces problèmes, une surveillance régulière par un professionnel est recommandée, un conseil qui s’applique à toutes les installations HVAC.
Par Alex Baumans
Figures: Venticool
