INSTALLATION ET OUTILLAGE  
Install Magazine 974 – février 2021

Les installations de chauffage existantes conviennent-elles également au refroidissement ?

Le refroidissement des bâtiments existants n’est pas uniquement possible en installant une nouvelle installation de climatisation. Il peut également être intéressant de faire usage d’une pompe à chaleur réversible. Dans ce dernier cas, le système de transfert thermique sert également au refroidissement. Afin d’estimer dans quelle mesure cette technique peut éviter la surchauffe en été, des recherches ont été menées en Allemagne au Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP.

À mesure que les étés se réchauffent, le besoin de refroidissement des bâtiments augmente également, même dans un climat d’Europe centrale ou du Nord. En théorie, le refroidissement par le biais d’éléments originellement chauffants permet en théorie d’obtenir des temps de réaction comparativement courts. Il n’est pas nécessaire d’installer une nouvelle installation coûteuse. Cependant, ce système présente quelques faiblesses : les surfaces refroidies augmentent considérablement le risque de condensation et donc de croissance fongique. Ce risque peut être limité en accroissant la température des surfaces de refroidissement. Ceci toutefois limite à son tour la puissance et prolonge les temps de réaction.

Une étude a été réalisée à l’Institut allemand Fraunhofer für Bauphysik IBP pour estimer dans quelle mesure cette technique permet d’éviter la surchauffe en été. Les résultats des mesures en laboratoire ont été combinés avec des simulations du confort hygrothermique des bâtiments. Un radiateur refroidi a été installé dans une salle d’essai. Son effet sur le climat intérieur a été enregistré, ensemble avec d’autres paramètres. Cette configuration a ensuite été modélisée dans le logiciel de simulation de bâtiment WUFI Plus et validée sur la base des mesures. En se fondant sur ce modèle, une étude de paramètres a ensuite été réalisée. Le but était de déterminer les limites et les possibilités de refroidissement par cette méthode en fonction des différents modes de construction, des conditions météorologiques et du comportement des résidents. En plus du refroidissement par radiateur, un chauffage réversible par le sol a également été étudié.

Recherches en laboratoire

Local d’essai

Sur le site de Stuttgart (Allemagne), le Fraunhofer IBP dispose d’un simulateur climatique à la température d’air réglable entre -15 °C et +55 °C de sorte que tout type de climat souhaité peut être simulé. Le local d’essai située dans ce simulateur est équipé de plus de 170 sondes thermiques. Il existe également des capteurs de mesure de la stratification et du flux thermique, ainsi que des capteurs d’hygrométrie et à résistance. Deux des parois du local d’essai peuvent être utilisés en tant que « parois intérieures ». Ceci grâce à des éléments chauffants posés à l’arrière. Les deux autres parois font fonction de « parois extérieures » directement exposées aux intempéries du simulateur climatique. Le sol et tous les murs disposent de leur propre boucle de régulation et peuvent être chauffés. L’étude prévoit un radiateur pour le refroidissement. Il a 72 cm de large et 100 cm de haut et est posé dans le local aux dimensions calibrées. (Figure 1)

Méthodologie

Le but des essais était de mesurer les temps de réaction, la puissance frigorifique et la formation de condensation. Le climat autour du local d’essai a été réglé à 28 °C et à 68 % d’humidité relative. Ces valeurs ont été atteintes avant le début du test et au début de chaque phase de test. De cette manière, toutes les mesures sont faites dans les mêmes conditions de départ. Quatre phases de refroidissement ont été réalisées, d’une durée respective de 4, 8, 24 et 67 heures. Après chaque phase de refroidissement, l’eau de condensation a été collectée sous le radiateur et pesée.

Les temps de refroidissement et les températures de consigne du circuit du radiateur ont été enregistrés dans la conduite de départ. En outre, l’effet sur le climat intérieur (température et hygrométrie) et les températures de surface des capteurs thermiques ont été enregistrés. Ces données de mesure ont ensuite été utilisées pour valider le modèle de simulation hygrothermique.

Modèle de simulation

Configuration

Un modèle de simulation a été développé pour pouvoir appliquer les résultats de la recherche en laboratoire aux bâtiments existants. Les mesures en laboratoire ont été utilisées pour valider ce modèle. Dans celui-ci, le climat intérieur mesuré était reproduit par la simulation sur la base de conditions connexes déterminées avec précision. Cela s’est fait avec le logiciel de simulation de bâtiment WUFI Plus, développé au Fraunhofer IBP (Figure 2). Ce logiciel combine une simulation hygrothermique de quartiers d’habitation avec une simulation du climat intérieur. Le modèle inclut des modules supplémentaires, tels que des systèmes CVC dynamiques et détaillés, des simulations dynamiques d’objets en 3D tels que des ponts thermiques et un modèle de flux aéraulique qui calcule l’échange aéraulique entre les zones du bâtiment et l’environnement. Le modèle du local d’essais avait déjà été réalisé dans le cadre d’un projet d’isolation intérieure ; il était donc déjà validé.

Un deuxième modèle a été développé pour cette étude et implémenté dans le logiciel. Cela a également rendu possible la simulation de systèmes de rayonnement pour le chauffage et le refroidissement, comme par exemple l’activation du noyau de béton (TABS).

Validation du modèle

Pour valider le modèle de simulation hygrothermique, les mesures du laboratoire ont été comparées aux valeurs suivant la simulation informatique et l’erreur absolue moyenne (MAE) calculée. Les résultats pour la température d’air intérieure, l’humidité relative et absolue sont donnés aux Figures 3, 4 et 5. Elles révèlent que le modèle de simulation peut reproduire les valeurs mesurées. Avec en particulier aussi, le fonctionnement intermittent du refroidissement, avec l’inertie spécifiée du système.

Le choix d’un modèle hygrothermique était délibéré. De cette manière, l’évolution de l’hygrométrie peut également être simulée, en tenant compte de la capacité d’absorption d’humidité des différents composants dans la pièce. L’humidité absolue (Figure 5) montre une bonne corrélation entre la mesure et la simulation. Il en va de même pour l’humidité relative (Figure 4).

La simulation hygrothermique calcule également l’évolution de l’humidité de la pièce ; par exemple, le volume de condensation qui se forme à la surface du radiateur. Le Tableau 1 affiche le résultat et compare la quantité de condensation des tests en laboratoire avec la quantité calculée. Le Tableau 1 révèle que les quatre périodes sont bien corrélées lorsque l’on compare la simulation pour un mélange homogène d’air avec les nombreux points de mesure dans le local d’essai.

Étude de la simulation

Il a déjà été établi que les éléments de construction faisant circuler de l’eau (dans ce cas un radiateur) peuvent être simulés de manière réaliste avec le système WUFI Plus. Dans une étape ultérieure, le modèle est placé dans un local représentatif (dans ce cas-ci un bureau) et de nombreux paramètres sont altérés. De cette manière, l’on obtient des données d’aptitude au refroidissement dans les conditions connexes spécifiées. Deux systèmes de chauffage ont été étudiés, mais dans ce cas-ci en mode refroidissement.

- radiateur (corps de chauffe)

- chauffage par le sol/surfacique

En situation originelle, le local représentatif est toujours manifestement chaud et inconfortable en raison des gains de chaleur internes et du rayonnement solaire d’été. Pour chaque variante, l’on tente de ramener la température à un niveau confortable par le système en question. Pour ce faire, l’on tient compte du nombre de degrés-heures de surchauffe (Kh/an) qui est une unité de mesure correcte du confort thermique. Si la température ambiante d’exploitation dépasse la valeur limite de 26 °C d’1 K pendant exactement 1 heure, cela correspond à une surchauffe de 1 degré-heure. Si cela se produit pendant deux heures, cela correspond à 2 degrés-heures et ainsi de suite. La réglementation allemande fixe la limite à 1 200 Kh annuels pour les bâtiments résidentiels et à 500 Kh par an pour les bâtiments non résidentiels.

Un inconvénient évident du refroidissement par rayonnement est le risque de condensation, car la température de surface peut être inférieure au point de rosée. Pour éviter les dommages causés par l’humidité au bâtiment et/ou par la croissance fongique sur un matériau humide, la température de refroidissement doit être supérieure à un certain minimum. Cette limite inférieure borne alors de facto la puissance frigorifique. Afin de quand même éviter la surchauffe, une stratégie de régulation appropriée est requise.

Variantes étudiées

Les stratégies de régulation suivantes ont été étudiées.

Fonctionnement toute la journée (24 h/jour) versus uniquement pendant les heures de travail (10 h/jour).

Refroidissement en continu ou uniquement lorsque la température ambiante dépasse les 24 °C.

Température de départ constante à 14 °C ou régulation en fonction du point de rosée (température de départ = point de rosée de l’air intérieur +1 °C).

Les conditions connexes du bureau sont constantes.

Dimensions : 4 m de largeur, 4 m de longueur et 2,8 m de hauteur.

Deux murs extérieurs, exposés sud et ouest :

- Blocs de construction rapide d’épaisseur 0,295 m et d’une valeur U = 1,32 W/m²K ;

à chaque fois une fenêtre à double vitrage (Uw = 2,73 W/m²K, g = 0,6, fraction des fenêtres 30 %).

Deux murs intérieurs en blocs de construction d’épaisseur 0,14 m et d’une valeur U = 2,255 W/m²K.

Plafond et sol en dalle de béton.

De l’autre côté des murs intérieurs, le même climat intérieur est créé que pour l’espace de bureau.

Variantes de l’espace de bureau

Surface de la fenêtre de 1,8 m² ou de 3,6 m^2.

Surface du radiateur de 0,7 m² ou de 1,4 m² (bien sûr uniquement avec la variante à radiateur).

Occupation du bureau

Heures de travail : de 8 h à 18 h

L’on se fonde sur une production typique de chaleur et d’humidité d’une seule personne dans la pièce, ainsi que sur les gains de chaleur internes des appareils électriques et de l’éclairage.

Le taux de renouvellement de la ventilation est de 0,5 ; cela correspond à une ventilation hygiénique minimale.

Résultats

La Figure 6 montre l’évolution quotidienne typique de la température intérieure d’exploitation et de la température extérieure pendant la journée d’été de référence, sans refroidissement. Vers environ midi, il fait trop chaud (26 °C) pour un confort thermique.

Refroidissement par radiateur

A titre d’exemple, la Figure 7 affiche l’influence des différentes variantes sur le nombre de degrés-heures de surchauffe. Cela démontre clairement que, même si seule la surface du radiateur est considérée (0,7 m² de surface de refroidissement effective), le nombre de degrés-heures de surchauffe diminue sensiblement. (Exemple : avec une occupation de bureau d’1 personne et une surface vitrée de 3,6 m², la réduction est de 40 %). Avec un doublement de la surface du radiateur à 1,4 m² cet effet se renforce nettement (dans ce dernier cas, le nombre de degrés-heures de surchauffe décroît de 65 % par rapport à la situation sans refroidissement).

En plus des variantes de la Figure 7, nous fournissons d’autres résultats de simulation dans le Tableau 2. Toutes les variantes avec une température de départ constante de 14 °C sont critiques, car de la condensation se forme alors à la surface du radiateur. Même si le condensat y est essuyé et collecté, il ne faut pas oublier que la conduite d’alimentation n’est généralement pas isolée. De la condensation peut donc se former sur le mur le long de cette conduite. Par contre, une température de départ régulée en fonction du point de rosée (avec une marge de sécurité de 1 °C), ne génère pratiquement aucune condensation.

Le confort thermique en termes de surchauffe a été considérablement amélioré pour toutes les variantes. En revanche, le niveau de confort n’est pas toujours atteint. Les violations de la limite de 500 degrés-heures pour les immeubles de bureaux sont indiquées en italique dans le tableau. Étant donné que la puissance frigorifique pour toutes les variantes est insuffisante pour maintenir la température ambiante sous la limite de confort de 26 °C, le fonctionnement 24 h a un petit avantage par rapport aux autres stratégies, telles que le refroidissement uniquement pendant les heures de bureau ou celui uniquement lorsque la température est supérieure à 24 °C. Il est également conseillé de régler une température ambiante minimale pour éviter que le local ne devienne trop froid.

Refroidissement par chauffage surfacique/par le sol

Si l’on utilise un système de chauffage par le sol pour le refroidissement, les choses sont fort différentes. La Figure 8 affiche une évolution quotidienne typique de la température d’exploitation simulée dans le bureau, dans un scénario de référence sans refroidissement et pour la variante avec un seul radiateur. Par rapport aux deux autres cas, il y a une nette amélioration du confort thermique : la température d’exploitation reste constamment sous 26 °C. Dans cette variante et pour toutes les autres étudiées pour le chauffage par le sol (en particulier avec la température de départ régulée par point de rosée), il n’y a donc aucun degré-heure de surchauffe. Le confort thermique est garanti. Il est donc peu judicieux d’ajouter toutes les données de ces variantes à un tableau.

Conclusion

Cette étude démontre qu’il est également possible, afin d’améliorer le confort thermique, d’utiliser un système de chauffage existant pour le refroidissement. Avec les radiateurs, le manque de confort peut être réduit, mais pas complètement corrigé. C’est pourquoi on appelle cela généralement le « refroidissement de surface ». Si le chauffage par le sol est utilisé pour le refroidissement, la surchauffe peut être totalement évitée suivant les paramètres de cette étude-ci.

Cependant, il faut veiller à éviter les dommages dus à la condensation avec ce refroidissement-ci et d’autres formes de refroidissement. Si l’on travaille à température de départ constante, elle ne doit pas être choisie trop basse. Dans le meilleur des cas, la température de départ du circuit de refroidissement suit le point de rosée. De cette manière, la condensation est évitée et une puissance frigorifique maximale est obtenue.

Il est possible de déterminer l’aptitude des systèmes de chauffage à refroidir à l’aide du logiciel de simulation hygrothermique de bâtiment WUFI Plus, en combinaison avec un modèle de conduites d’eau dans les éléments de construction (murs, sols, plafonds ou corps de chauffe). De cette manière, il est non seulement possible de calculer le confort thermique, mais également la formation de condensation sur les surfaces de refroidissement. En outre, le logiciel peut aussi être utilisé pour étudier d’autres aspects, tels que le risque de croissance fongique sur une base annuelle. En effet, le modèle prend non seulement en compte l’hygrométrie, mais également la teneur en eau des éléments de construction. Ce dernier aspect n’a pas été pris en compte dans cette étude ni celui de la consommation d’énergie pour le refroidissement.

Nous nous sommes limités en première instance à étudier l’utilisabilité des systèmes de chauffage pour éviter la surchauffe. La conclusion est que c’est très prometteur. Pour une évaluation complète d’un tel système, il faut encore tenir compte de facteurs supplémentaires tels que :

- L’expérience de confort de l’utilisateur (comme par exemple le manque de confort dû à des différences

de température asymétriques ou à un sol trop froid) ;

- Les effets des différences de température sur le revêtement de sol et les autres matériaux de la pièce ;

- La puissance frigorifique et l’efficacité énergétique du système en fonction des conditions environnementales (comme par exemple la forme et les dimensions de la pièce, les modes d’exploitation, la fraction du vitrage). Selon le cas, des mesures supplémentaires telles qu’une protection solaire supplémentaire ou un refroidissement nocturne peuvent être préférables car plus écoénergétiques.

La combinaison d’un laboratoire, de capacités de simulation et d’une expertise hygrothermique au Fraunhofer IBP permet d’étudier ces problématiques, d’optimiser les systèmes et de développer des algorithmes de régulation.

Par Matthias Pazold, Sabine Giglmeier, Matthias Winkler et Zhenming Peng

Illustrations : Fraunhofer IBP

www.ibp.fraunhofer.de