CHAPITRE 2. Notions du confort thermique et normes d`exploitation

CHAPITRE 2.
Notions du confort thermique et normes d’exploitation utilisées dans les
bâtiments
Le choix des normes d’exploitation a pour but d’assurer une qualité du milieu de travail et le
bien-être des occupants. Ces normes servent à délimiter les intensités d’éclairage, les
températures ambiantes, l’humidité relative, les températures d’eau chaude sanitaire, la quantité
minimale d’air frais introduite au bâtiment, etc. L’utilisation de normes excessives entraîne un
gaspillage inutile de l’énergie.
2.1.
Confort thermique des occupants
La connaissance de principes physiologiques est indispensable à tout ingénieur HVAC abordant les
problèmes de traitement de l'air pour des besoins de confort et de santé des occupants des locaux
ventilés, chauffés ou climatisés.
Parmi les facteurs physiologiques on peut citer :
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pureté de l'air ambiant, sa composition, odeur, etc.;
température de l'air;
humidité relative %;
vitesse (mouvement) de l'air;
débit de l'air frais (nombre de changement de l'air);
nature d'activité et de l'habillement des occupants;
niveau de bruit.
Le corps humain échange la chaleur avec l'environnement ambiant par conduction, convection,
rayonnement, vaporisation d'eau (évaporation et transpiration) et respiration. Cet échange se fait de
façon à maintenir la température moyenne de la peau à 98.6°F ou 36.9°C. Il faut donc créer une
ambiance qui permet d'établir l'équilibre thermique entre notre corps, qui joue rôle "d'une source de
la chaleur métabolique", et l'ambiance tout en tenant compte de l'activité et de l'habillement des
occupants.
Le graphe montre les pertes de chaleur d'un individu habillé, au repos et en air calme. On peut
remarquer que la perte de chaleur totale à partir de 18°C se stabilise aux environ de 119 W, tandis
que les pertes par évaporation à partir de 10°C augmentent régulièrement (fig. 2.1).
L'évaporation présente toujours deux aspects distincts: physique (évaporation) et physiologique
(sudation). Dans le premier cas, l'évaporation est due à la chaleur cédée par la peau et sa couche
limite, ce qui provoque l'abaissement de la température de la peau. Dans le deuxième cas, lorsque la
température ambiante atteint 29°C, la sudation intervient (il faut qu'il y ait production d'eau pour
qu'il y ait évaporation). Un corps exposé à la chaleur peut perdre de 0.5 à 12 litres d'eau par jour. Il
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faut noter également qu'à partir de 34°C il n'y a qu'un seule mode d'échange thermique, c'est à dire
l'évaporation.
Figure 2.1. Perte de chaleur d'un individu normalement habillé, au repos et en air calme
Généralement les paramètres les plus importants pour définir une ambiance intérieure donnée sont
les suivants:
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la température sèche de l'air;
la température moyenne radiante;
l'humidité de l'air;
la vitesse de l'air
l’habillement des occupants
la nature d’activité des occupants.
À l’exception du niveau d’activité, on peut modifier ces facteurs afin de réduire au minimum la
consommation d’énergie. Les modifications suivantes sont envisageables :
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•
on peut régler différemment les thermostats en hiver et en été;
en augmentant la température moyenne radiante dans un endroit donné, on peut maintenir
le confort thermique tout en réduisant la température de l’air. Cette augmentation de
température est possible en améliorant l’enveloppe du bâtiment ou en utilisant les
systèmes de chauffage par radiation;
on peut maintenir l’humidité relative à un niveau équilibré en hiver (relativement élevée)
et en été (relativement faible);
il faut accorder une attention particulière à la vitesse de l’air dans les locaux climatisés.
En principe, il n'existe aucune observation physiologique précise valable permettant d'évaluer, en
toute connaissance de cause, le confort thermique. Une zone de neutralité thermique variera suivant
l'habillement, la saison, l'activité et beaucoup d'autres facteurs contrôlant la production de chaleur.
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Pour décrire la sensation thermique on utilise les expressions suivantes: très chaud, chaud,
légèrement chaud, neutre, légèrement frais, frais, froid. Cette sensation est influencée fortement par
l'habillement qui joue le rôle d'isolation thermique (l'unité de résistance thermique de l'habillement
est 1 clo = 0.155 (m²°C/W) = 0.88 (pi2 hre°F/ BTU); un complet de deux pièces a une valeur de
1 clo, tandis que les pantalons courts ont 0.05 clo.
Étant donné chaque individu a une sensation de chaleur ou de froid différente, la norme de
l’ASHRAE détermine les conditions thermiques qui sont acceptable par au moins 80% des
occupants. Il s’agit de la norme « Standard 55-1992 Thermal Environmental Conditions for
Human Occupancy). Ces conditions sont présentées sur une charte de zone de confort tracée sur
le diagramme psychrométrique (figure 2.2). Il y a une partie de cette zone qui est commune pour
l'hiver et pour l'été (sensation thermique dans cette zone peut être décrite comme légèrement frais en
été et comme légèrement chaud en hiver).
Figure 2.2. La zone de confort thermique de l'ASHRAE
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Les zones d'hiver et d'été sont conçues pour une vitesse d'air respectivement de moins que 0.15 m/s
(30 ppm) et de moins que 0.25 m/s (50 ppm) et pour l'habillement, respectivement de 0.9 et 0.5 clo.
La zone de confort est, en plus, conçue pour l'activité considérée comme sédentaire et pour la
température moyenne radiante (MTR) égale à la température ambiante. On envisage de changer la
température de limite de cette zone, par tranche de -1°F (-0.6°C), pour chaque 0.1 clo plus que 0.9 et
0.5 clo et par tranche de 1°F (0.6°C), pour chaque 0.152 m/s (30 ppm) plus que les valeurs de vitesse
mentionnées ci-haut.
2.1.1. Température et l’humidité d’air
D’autre part, la norme de l’ASHRAE 90.1-1989 (Energy Conservation in New Building Design)
recommande 78 oF en été et 72 oF en hiver. La température de 78 oF est certainement à
recommander pour l’économie d’énergie mais elle peut provoquer certain disconfort thermique
surtout dans le cas d’une longue occupation des locaux.
Figure 2.3. Énergie requise pour la déshumidification (SDM)
L’humidité relative d’air de 30 à 60% est tout à fait acceptable pour les conditions de confort
thermique à condition que les températures sèches soient respectées. Cependant, maintenir
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l’humidité entre 30 et 60% en hiver n’est pas tellement raisonnable pour les raisons suivantes :
(1) augmentation de la consommation d’énergie pour l’humidification, (2) danger de la
condensation de la vapeur d’eau sur les surfaces froides et (3) augmentation de l’entretien des
équipements d’humidification. Par conséquence, l’humidité minimale de 30% est considérée en
hiver comme tout à fait acceptable.
En été, plus l’humidité relative acceptable est plus élevée, plus l’économie d’énergie est
importante. La figure 2.3 illustre ce phénomène et permet de déterminer la quantité
approximative d’énergie consommée pour la déshumidification lorsque la température intérieure
est de 78 oF.
Chaque zone thermique doit être équipée d’instruments de contrôle (au moins d’un thermostat)
permettant de maintenir les conditions de confort thermique mentionnées ci-dessus. Une zone
thermique est un espace (une partie d’un local ou un local entier) ou plusieurs espaces ayant la
charge de climatisation et de chauffage et la variation de cette charge au moins semblable.
Exemples :
• un thermostat pour l’ensemble d’un bâtiment n’est pas suffisant pour respecter le confort
thermique,
• un local périphérique d’une profondeur supérieure à 15 pi (ou 20 pi) devrait comporter deux
zones thermiques, une zone périphérique et une zone interne et par conséquent il devrait être
équipé de deux thermostats.
2.1.2. Débit d’air frais minimum
Le débit d’air minimum est recommandé par la norme de l’ASHRAE 62-1989 (1989b). La
valeur de base dans la plupart de cas est de 15 pcm par personne. Si le système de contrôle
comporte une sonde de CO2 ce débit peut être plus élevé selon la demande de la sonde.
2.2.
Code modèle national de l’énergie pour les bâtiments (CMNÉB) – Canada 1997
Le Code CMNÉB est préparée par la Commission canadienne des codes du bâtiment et de
prévention des incendies (CCCBPI). Le CMNÉB diffère des codes modèles habituellement
élaborés par la CCCBPI en se qu’il traite de la protection de l’environnement et de la
conservation des ressources plutôt que de la santé et de la sécurité des occupants. Il s’agit
essentiellement d’un ensemble d’exigences minimales visant l’efficacité énergétique dans les
bâtiments. Ces exigences sont, pour la plupart, fondées sur des analyses de rentabilité
approfondies qui tiennent compte du climat, des types et coûts des différents combustibles et des
coûts de construction.
Sous certaines réserves mentionnées dans le code, les exigences du CMNÉB s’appliquent à la
conception, la construction et l’usage des bâtiments neufs et des agrandissements de bâtiments
existants.
Les bâtiments visés par le CMNÉB doivent être conformes aux dispositions obligatoires du code.
Les bâtiments doivent être aussi conformes :
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•
aux exigences prescriptives relatives à l’enveloppe, l’éclairage, aux systèmes CVCA
(chauffage, ventilation et conditionnement d’air) et aux systèmes de l’eau chaude sanitaire; ou
aux exigences de performance mentionnées dans la partie du code « Conformité par la
méthode de performance énergétique.
Figure 2.4. Structure du CMNÉB
Structure du CMNÉB
Outre les exigences obligatoires de base, qui ne peuvent être contournées, le CMNÉB offre 3
méthodes de conformité présentées sur la figure 2.4.
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Exigences prescriptives
La première méthode est celle des exigences prescriptives, qui dicte généralement les
caractéristiques thermiques minimales pour les éléments de l’enveloppe ainsi que les mesures
d’économies d’énergie qui peuvent être énoncées comme instructions particulières.
Solutions de remplacement
La seconde méthode confère un certain niveau de souplesse aux exigences prescriptives relatives
à l’enveloppe du bâtiment. Elle permet aux usagers de réduire la résistance thermique d’une
partie de l’enveloppe à condition que cette résistance soit accrue en d’autres endroits, de façon
que la consommation énergétique du bâtiment ne soit pas augmentée. Cette méthode se veut en
moyen facile d’apporter des changements mineurs aux caractéristiques de l’enveloppe sans avoir
à utiliser exclusivement la méthode de performance.
Méthode de performance
La troisième méthode est celle de conformité par performance. Quiconque considère que certains
aspects de la méthode prescriptive sont trop restrictifs peut concevoir un bâtiment ayant les
caractéristiques thermiques qu’il désire (sous réserve de certaines restrictions), pourvu que, dans
les conditions normalisées, le bâtiment tel qu’il est conçu n’ait pas une consommation
énergétique calculée supérieure à celle qu’il aurait eue si les exigences prescriptives été
scrupuleusement respectées, tous les autres aspects du bâtiments (qui ne sont pas visés par les
exigences du CMNÉB) demeurant les mêmes dans les deux cas. La preuve de conformité selon
la méthode de performance se fait à l’aide de deux analyses énergétiques : l’une du bâtiment s’il
était conforme aux exigences prescriptives, selon la performance « cible » et l’autre du bâtiment
conçu pour lequel un permis de construction est demandé.
2.2.1. Enveloppe du bâtiment
Exemples des dispositions obligatoires relatives à l’enveloppe
Fenêtres :
doivent être conformes à la loi fédérale, provinciale ou territoriale pertinente sur
l’efficacité énergétique des appareils ou de l’équipement ou, en absence d’une telle loi ou si celleci ne vise pas les fenêtres, avoir un taux de fuite correspondant au moins à la classe A2 de la
norme CAN/CSA-A440-M, « Fenêtres ».
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Exemples des exigences prescriptives relatives à l’enveloppe
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Exemples des solutions de remplacement relatives à l’enveloppe
Le coefficient de transmission thermique globale des composants opaques de l’enveloppe du
bâtiment ne doit pas être porté à plus de 167% du coefficient de transmission thermique globale
maximal permis dans les exigences prescriptives.
2.2.
Norme de l’ASHRAE 90.1-1989 Energy efficient design of new buildings except new
low-rise residential buildings
Le Code modèle national de l’énergie pour les bâtiments – Canada 1997 rassemble beaucoup, au
niveau de l’approche utilisée, à la norme de l’ASHRAE 90.1. Comme au Code on propose dans
cette norme la méthode prescriptive ainsi que la méthode de performance permettant une
souplesse importante au niveau de choix des paramètres de l’enveloppe et de systèmes CVCA.
La différence importante existe au niveau de la méthode de performance qui consiste dans deux
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cas à comparer le design avec le bâtiment prototype (norme de l’ASHRAE) ou avec le bâtiment
de référence (Code modèle). Dan le cas de Code modèle de l’énergie, le bâtiment de référence
comportant une seule zone est desservi par un système à débit constant et bâtiment comportant
plusieurs zones est desservi par un système VAV à débit variable. La norme de l’ASHRAE
propose pour le bâtiment prototype les systèmes CVCA davantage diversifiés tout en tenant
compte de la vocation et la superficie du bâtiment. Les tableaux ci dessous présentent ces
systèmes CVCA.
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