Analyse des méthodes d’évaluation du confort thermique dans les bâtiments climatisés et non climatisés

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CHAPITRE 2. MONETISATION DE L’INCONFORT ET DES EXTERNALITES 35

2.1 Analyse des méthodes d’évaluation du confort thermique dans les bâtiments climatisés et non climatisés

La notion de service énergétique est fondamentale pour l’étude de solutions de maîtrise de la demande d’énergie (chapitre 1). Nous nous intéresserons ici au confort thermique et chercherons à spécifier et à analyser ce qu’est une ambiance thermique confortable et notamment les différences susceptibles d’exister dans ce domaine entre bâtiments climatisés et non climatisés.

Le confort thermique est souvent défini par la satisfaction exprimée quant à l’ambiance thermique25. Il existe une distinction entre l’inconfort thermique global (pour le corps considéré dans son ensemble) et l’inconfort thermique local qui correspond à un refroidissement ou à un réchauffement local non désiré du corps (asymétrie de température, courant d’air, etc.). Les inconforts thermiques locaux sont à prendre en compte lors de la conception de bâtiments ou de systèmes de climatisation mais ne seront pas considérés dans ce travail qui ne traite pas d’installations spécifiques.

Dans cette partie, nous étudions les deux approches principales d’évaluation du confort global : les approches analytiques et adaptatives. L’application de ces approches dans la dernière norme relative au confort thermique EN 1525126 (CEN, 2007) est aussi présentée afin d’appréhender les pratiques usuelles d’évaluation du confort. Cette norme a été élaborée dans le but d’appuyer certaines exigences de la directive européenne EPBD (CE, 2002) relative à la performance énergétique des bâtiments27. Elle spécifie notamment des méthodes pour l’évaluation « à long terme » (saison, année) des ambiances intérieures (notamment thermiques).

2.1.1 Présentation des phénomènes régissant le confort thermique

Le confort thermique humain est régit par de nombreux phénomènes physiologiques (thermorégulation, homéothermie), physiques (création et échanges de chaleur avec l’environnement extérieur), psychologiques et sociologiques, qui sont présentés dans cette partie.

2.1.1.1. Homéothermie et thermorégulation

Afin d’assurer leur propre survie, les cellules doivent trouver l’énergie nécessaire à leur fonctionnement en dégradant les molécules organiques ou minérales, c’est le phénomène de catabolisme. Elles doivent aussi fabriquer les molécules nécessaires à leur renouvellement (lipides, glucides, acides aminés…), c’est le phénomène d’anabolisme. Ces deux grands ensembles de réactions sont regroupés sous le nom de métabolisme.

Ces réactions biochimiques au sein des cellules permettent de maintenir l’organisme en activité et nécessitent la présence de catalyseurs que sont les enzymes. Ces enzymes se comportent de manière optimale entre 35 et 37,6 °C. En dehors de cet intervalle de température, ceux-ci fonctionnent moins bien, voire ne fonctionnent plus, et certaines fonctions ne peuvent plus être assurées par l’organisme.

C’est pourquoi, la température centrale28 de l’homme doit être maintenue autour de 37 °C quelles que soient les conditions climatiques dans lesquelles il se trouve : c’est le phénomène d’homéothermie.

25 Thermal comfort is « that condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment and is assessed by subjective evaluation » (ASHRAE, 2004).

26 Critères d’ambiance intérieure pour la conception et l’évaluation de la performance énergétique des bâtiments couvrant la qualité de l’air intérieur, la thermique, l’éclairage et l’acoustique.

27 Comme rappelé dans son introduction : une déclaration sur l’énergie sans une déclaration relative à l’ambiance intérieure est dénuée de sens. Il est donc nécessaire que soient spécifiés des critères relatifs à l’ambiance intérieure pour la conception, les calculs énergétiques, les performances et l’exploitation des bâtiments.

28 Celle d’un noyau central représenté par l’ensemble des organes situés dans le crâne, la cavité abdominale et la cavité thoracique.

D’autre part, ces réactions libèrent aussi de l’énergie sous forme de chaleur. Le phénomène qui permet d’évacuer cette chaleur de l’intérieur vers l’extérieur afin d’assurer l’homéothermie se nomme la thermorégulation. C’est un phénomène dynamique de régulation qui vise à assurer une température de consigne (d’environ 37 °C pour la température centrale et d’environ 32 °C pour la température cutanée).

Le phénomène de thermorégulation fait intervenir des thermorécepteurs internes et cutanés sensibles au chaud ou au froid. Les informations provenant de ces capteurs convergent vers l’hypothalamus qui, après les avoir traitées (amplitude et différence par rapport aux consignes), envoie des signaux de commande vers les organes effecteurs. Les réactions engendrées peuvent être conscientes (adaptation comportementale) ou inconscientes (vasodilatation29, vasoconstriction30, frisson31 et sudation32).

L’homme étant homéotherme, la neutralité thermique (bilan thermique global nul) est à assurer en continu via le système de thermorégulation, c’est une condition nécessaire au confort thermique.

2.1.1.2. Les différents phénomènes physiques de production et d’échange de chaleur

Pour assurer la stabilité de ses températures corporelles, l’organisme de l’homme doit se trouver en équilibre thermique avec son environnement. L’énergie produite par le métabolisme est transportée vers la peau (thermorégulation) puis cédée à l’environnement. Les phénomènes physiques de production de chaleur et d’échange d’énergie entre l’homme et son environnement sont présentés dans cette partie.

La production de chaleur

D’après Candas (1998), la quantité de chaleur métabolique produite se déduit de la consommation d’oxygène calculée à partir des débits d’air ventilés et de la différence de concentration entre l’air inspiré et expiré. Ceci s’explique par le fait que la production de chaleur métabolique est le reflet de la vie cellulaire qui résulte de la consommation d’oxygène et provoque un dégagement de gaz carbonique dont les quantités varient en fonction du substrat énergétique dégradé (glucides, lipides, protides). Dans la pratique, il existe des tables donnant les valeurs de métabolisme en fonction de l’activité du sujet. Le « met » a été introduit pour quantifier le métabolisme : il correspond à l’activité d’une personne assise au repos (1 met= 58 W par m² de surface cutanée).

Les phénomènes d’échange de chaleur

L’homme échange de l’énergie avec son environnement extérieur selon quatre mécanismes : la conduction, la convection et le rayonnement, qui sont des échanges de chaleur sensible, et l’évaporation qui est un échange de chaleur latente (Figure 2.1). Les échanges respiratoires, mentionnés sur cette figure, sont une association d’échanges par convection et par évaporation.

Figure 2.1. Les différents mécanismes d’échange de chaleur entre l'individu et son

environnement (METLTM, 2003)

29 La vasodilatation consiste à accroître les diamètres des vaisseaux sanguins, augmentant ainsi le débit sanguin et les échanges de chaleur vers l’extérieur.

30 La vasoconstriction consiste à diminuer les diamètres des vaisseaux sanguins, réduisant ainsi le débit sanguin et les échanges de chaleur vers l’extérieur.

31 Contraction des muscles permettant d’amplifier la production de chaleur.

32 La sudation permet de refroidir le corps par évaporation.

La conduction est le phénomène d’échange de chaleur entre la peau et les éléments solides avec lesquelles la peau est en contact. Lorsque l’homme échange de la chaleur par conduction mais que seules de petites zones corporelles sont concernées (par exemple la surface inférieure du pied pour un homme debout), ces échanges sont alors négligeables. Lorsque des surfaces corporelles plus grandes sont en contact avec des éléments de mobilier (chaise, lit…), les tissus en contact se mettent rapidement en équilibre et se comportent comme un isolant thermique par rapport à l’ambiance (Candas, 1998). Dès lors, ce phénomène est inclus dans les échanges convectifs en augmentant le facteur d’isolation vestimentaire.

La convection est le phénomène d’échange de chaleur entre la peau et l’air ambiant. Lorsque ce dernier est plus froid que la surface cutanée, il s’échauffe au contact de la peau. Il se déplace alors vers le haut car il est plus léger que l’air ambiant (ce dernier étant plus froid). L’amplitude du phénomène est directement liée à la différence de température entre la peau et l’air ambiant mais aussi aux vitesses d’air au voisinage du corps. Ces vitesses d’air relatives (par rapport au corps), doivent prendre en compte l’activité du sujet (marche…) en plus du mouvement effectif de l’air qui peut être naturel (courant d’air) ou forcé (ventilateur). Bien sûr, si l’air est plus chaud que la température cutanée alors la convection provoque un réchauffement du corps. C’est pour cette raison que l’utilisation d’un ventilateur en été ne nous rafraîchit que si la température ambiante ne dépasse pas la température cutanée (environ 32 °C). Le phénomène peut être considérablement modifié avec les vêtements qui peuvent réduire, voire empêcher, le phénomène de convection.

Le rayonnement (ou transfert radiatif) désigne le phénomène d’émission ou de transmission d’énergie sous formes d’ondes ou de particules. Dans le cas du confort thermique en intérieur, il existe deux échanges radiatifs possibles. D’une part, l’homme émet un rayonnement infrarouge et dissipe de l’énergie, d’autre part, il reçoit un rayonnement infrarouge provenant des objets chauds qui l’entourent (mobilier, murs…). L’énergie radiative échangée par un corps dépend de son émissivité et de sa température de surface (température de la surface externe du vêtement chez l’homme). Si le rayonnement émis par l’homme est supérieur au rayonnement reçu, le corps se refroidit, dans le cas inverse, il se réchauffe.

L’évaporation est le phénomène de transfert de chaleur dû au changement d’état de l’eau. Lorsque la température ambiante est élevée, ou que l'on effectue un travail musculaire important, de la sueur est secrétée à la surface de la peau et le corps perd de la chaleur sous forme latente lorsque celle-ci s’évapore. La quantité de sueur sécrétée est déterminée par le système de thermorégulation dans le but de conserver l’équilibre thermique du corps. Ce phénomène d’évaporation de la sueur ne dépend pas directement de la température ambiante mais bien de la température de la peau. En revanche, l’amplitude du phénomène décroît lorsque l’humidité de l’air augmente et le phénomène est nul lorsque l’air est saturé en eau.

Pendant la respiration, le corps échange de la chaleur avec l’air inhalé. Cette chaleur est échangée sous forme sensible de par le phénomène de convection entre l’intérieur du corps et l’air (c’est pourquoi l’air expiré est plus chaud que l’air inspiré) mais aussi sous forme latente, l’air exhalé étant presque saturé. L’amplitude de l’échange dépend des différences de température et d’humidité entre l’air inhalé (i.e. l’air ambiant) et l’air exhalé ainsi que du débit respiratoire.

L’échange de chaleur entre l'individu et l'ambiance s'effectue donc selon différents mécanismes. Les équations caractérisant ces phénomènes ne sont pas rappelées ici33.

Les pertes de chaleur sont de l’ordre de 120 W dans des conditions de température de 18-30 °C, pour un individu au repos (en air calme), et peuvent aller jusqu’à 500 W dans des conditions physiques soutenues (METLTM, 2003).

33 Elles peuvent être retrouvées dans (ASHRAE, 1993).

L'importance relative des phénomènes d’échange de chaleur dépend de nombreux paramètres (températures de l’air, température radiante, vitesse d’air, vêture…). Gay (2001) a tracé la répartition des échanges de chaleur d'un sujet en fonction de la température ambiante, toute chose égale par ailleurs (Figure 2.2). Il apparaît que le phénomène de conduction a une amplitude limitée par rapport aux autres, que les pertes de chaleur augmentent lorsque la température diminue, que l'évaporation est le mode essentiel de dégagement pour des températures élevées (ici au dessus de 30 °C), et que pour des températures moyennes (22 - 26 °C), les échanges par rayonnement, par convection-conduction et par évaporation sont sensiblement égaux.

Figure 2.2. Répartition des échanges de chaleur d'une personne en fonction de la température

ambiante, supposée homogène (Gay, 2001).

Equation du bilan thermique

Comme nous l’avons vu dans les parties précédentes, le métabolisme est dissipé en travail et en chaleur. Cette dernière peut-être dissipée dans l’environnement ambiant via les phénomènes présentés (convection, respiration…) ou stockée à l’intérieur du corps. Le bilan thermique de l’homme peut alors s’écrire sous la forme de l’équation (1.2) (ASHRAE, 1993).

M W C R Esk Eres Cres Ssk Sc (2.1)

Avec (les flux de chaleurs sont calculés par unité de surface corporelle) : Cres : échanges de chaleur par convection lors de la respiration [W/m²]

Eres : échanges de chaleur par évaporation lors de la respiration [W/m²]

Esk : échanges de chaleur par évaporation [W/m²]

C : flux de chaleur convectif, en Watt par m² de surface d’échange [W/m²]

M : métabolisme [W/m²]

W: travail extérieur [W/m²]

R : flux de chaleur par rayonnement [W/m²]

Ssk : chaleur stockée dans la peau [W/m²]

Sc : chaleur stockée à l’intérieur du corps [W/m²]

Ce type de bilan, développé par Gagge et al. (1941, 1986), est établi en condition transitoire. En effet, les chaleurs stockées y sont exprimées comme proportionnelles aux dérivées des températures (de peau, d’intérieur) en fonction du temps. Une partie du métabolisme (noté W) est utilisée par les muscles pour le travail externe et ne contribue donc pas au maintient de l’équilibre thermique. Celle-ci est quasiment nulle pour les activités classiques de bureau.

2.1.1.3. Le lien entre psychologie et confort thermique

Si la majorité des auteurs abordent le confort thermique uniquement à partir des points de vue physiologique et physique (Givoni, 1978)34 (Fanger, 1970), de nombreux travaux ont montré que le confort était aussi lié à des facteurs psychologiques.

Rohles (1980) a par exemple observé que dans une cellule climatique aménagée et décorée, les sujets avaient plus chaud que dans la même cellule non transformée. Ses expériences mettent également en évidence le phénomène d'anticipation. Ainsi, en indiquant aux sujets qu'ils se situent dans une salle où la température est de 23,3 °C, il n'a pas observé de différences significatives sur le confort ressenti,

34 Givoni présente le confort comme les conditions pour lesquelles les mécanismes d’autorégulation sont à un niveau d’activité minimale.

que la température soit réellement égale à 23,3 °C ou qu'elle soit inférieure (22,2 °C, 21,1 °C ou 20 °C). De même, il a comparé les sensations thermiques exprimées par des secrétaires travaillant dans un local où un chauffage radiatif avait été installé. Un groupe avait été prévenu que le chauffage était allumé, un autre n'avait pas été prévenu mais le chauffage était également en marche et un troisième groupe n'avait reçu aucune information et le chauffage était éteint. Cette étude a montré que les sujets avaient plus chaud lorsqu'ils savaient que le chauffage fonctionnait. Rohles et Wells (1977) ont également mis en évidence que les sujets avaient plus chaud dans un environnement de couleur rouge que dans un environnement de couleur bleue.

Concernant les deux théories utilisées dans les normes actuelles d’évaluation du confort thermique, l’approche analytique (détaillée en section 2.1.2) se cantonne aux phénomènes physiques et physiologiques alors que l’approche adaptative (détaillée en section 2.1.3) prend aussi en compte le facteur psychologique.

2.1.2 Présentation de l’approche analytique

2.1.2.1. Les indices développés par Fanger (1970)

Présentation du vote de confort moyen prévisible, PMV (Predicted Mean Vote)

Le vote de confort moyen est par définition la moyenne des votes émis par un ensemble de sujets situés dans des conditions climatiques données. Ces votes sont exprimés sur l’échelle de sensation thermique de l’ASHRAE, allant de -3 à 3 (Tableau 2.1).

Tableau 2.1. Echelle de sensation thermique utilisée par l’ASHRAE (2004)

Vote -3 -2 -1 0 1 2 3

Sensation

thermique Froid Frais Légèrement

froid Neutre Légèrement

tiède Tiède Chaud Fanger (1970) a cherché à corréler la valeur du bilan thermique au vote de confort moyen exprimé par les sujets exposés à des conditions thermiques données. Le bilan thermique est la différence entre la chaleur produite et les pertes à l’environnement. La formulation de ce bilan, développée par Fanger sous la forme de l’équation (2.2), provient de l’expression analytique des différents phénomènes d’échange de chaleur présentés dans la partie 2.1.1.2 et repose sur certaines hypothèses fondamentales que nous étudierons dans la partie 2.1.2.2. Au final, le bilan thermique dépend de deux variables humaines (la vêture et le métabolisme) et de quatre variables d’ambiance intérieure (la vitesse d’air, la température de l’air, la température radiative et la pression partielle de vapeur de l’air).

B M W 3,05 10 3 5733 6,99 M W Pa 0,42 M W 58,15 0,0014 M 34 Ta 1,7 10 5 M 5867 Pa

3,96 10 8 fcl Tcl4 Tr4 fcl hc Tcl Ta

(2.2)

T

cl, température de surface externe du vêtement, étant déterminée à partir de l’équation (2.3).

))

W : travail extérieur [W/m²]

ta : température de l’air ambiant [°C]

Pa : pression partielle de vapeur d’eau de l’air ambiant [Pa]

Tr : température radiante moyenne [°C]

T

cl : température de surface externe du vêtement [°C]

hc : coefficient d’échange par convection [W/m².K]

fcl : facteur d’habillement35

Fanger a mené des enquêtes sur des groupes de sujets situés dans des chambres climatiques. Il a ainsi mis en évidence une corrélation entre la valeur du bilan thermique et le vote moyen des sujets exposés à des conditions climatiques données (équation (2.4)).

PMV 0,303 e

0,036 M

0,028 B

(2.4)

Avec : M, le métabolisme [W/m²] et B, la valeur du bilan thermique [W/m²] qui peut être déterminée à partir de l’équation (2.4).

Selon cette équation, lorsque le bilan thermique est nul (le métabolisme est égal aux pertes thermiques), le PMV est nul également et la situation de confort est optimale (neutre sur l’échelle ASHRAE - Tableau 2.1).

Présentation du pourcentage prévisible d’insatisfaits, PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) Le pourcentage prévisible d’insatisfaits (PPD) est un deuxième indice introduit par Fanger. L’auteur suppose tout d’abord que les personnes votant -3, -2, +2 ou +3 sur l’échelle de l’ASHRAE (Tableau 2.1) sont insatisfaites des conditions de l’ambiance thermique. A partir d’enquêtes sur des groupes de sujets situés dans des chambres climatiques, Fanger a établi l’équation (2.5) qui relie le pourcentage d’insatisfaits (au sein d’une population) au vote moyen (PMV). Selon cette formule, le degré d’insatisfaction est identique pour un même vote exprimé en chaud ou en froid et il subsiste au minimum 5 % d’occupants insatisfaits.

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