portant sur l’enveloppe et l’usage du bâtiment
CHAPITRE 3. ETUDE D’ACTIONS D’AMELIORATION DU CONFORT D’ETE PORTANT
3.2 Etude du potentiel d’actions portant sur l’enveloppe et l’usage du bâtiment en termes de réduction des besoins de
3.2.2 Spécification technique des actions étudiées dans le secteur tertiaire
3.2.2.1. Mise en place de vitrages performants
Cette action consiste à remplacer les parois vitrées par un vitrage plus performant (actuellement disponible sur le marché) possédant les caractéristiques suivantes :
- facteur solaire : 0,298 (référence : 0,78)
- facteur de transmission visible : 0,383 (référence : 0,82) - coefficient U : 1,3 W/m²/K (référence : 3 W/m²/K)
Compte tenu de ces propriétés, ce vitrage permettra à la fois de réduire les besoins de refroidissement et ceux de chauffage, mais sera à l’origine d’une augmentation des consommations d’éclairage.
3.2.2.2. Installation de protections solaires
L’impact des protections solaires sur le confort d’été dépend principalement de trois facteurs que sont la position de la protection (interne/externe), le contrôle de la protection et le facteur solaire de cette dernière.
Dans cette étude, le bureau de référence est muni de protections solaires intérieures contrôlées par les occupants alors que la boutique n’est équipée d’aucun mécanisme de cette sorte. Par la suite, nous étudierons l’impact de protections solaires extérieures qui empêchent une partie du rayonnement de pénétrer le vitrage et sont donc plus efficaces que les protections intérieures pour lutter contre l’inconfort d’été. A titre d’exemple, les protections solaires intérieures qui équipent les pièces de bureaux de référence ne permettent que de faibles gains par rapport à une situation sans protection : de l’ordre de 2 % en besoin de refroidissement et de 6 % en degrés-heures d’inconfort.
En ce qui concerne le facteur solaire, la valeur de 0,3, conseillée par Filfli et al. (2006), est retenue, elle correspond généralement aux caractéristiques d’un store de type écran.
Deux types de gestion des protections solaires seront étudiés : le contrôle en fonction de la luminosité déjà présenté en partie 3.1.2.3 et un contrôle des protections en fonction du rayonnement. Ce dernier consiste à abaisser les protections lorsque le rayonnement dépasse 150 W/m² et que la température intérieure est supérieure à 22 °C. Il est aujourd’hui utilisé pour gérer automatiquement les protections solaires dans certains bâtiments (Standaert, 2005). Aucune information n’ayant été trouvée sur les puissances électriques absorbées par les moteurs permettant de contrôler les protections solaires, ce poste de consommation sera négligé par la suite.
Les actions d’amélioration retenues pour la suite de l’étude consistent donc à installer des protections solaires extérieures ayant les caractéristiques présentées dans le Tableau 3.15, les différents contrôles ayant été définis précédemment.
Tableau 3.15. Actions retenues concernant les protections solaires Types de bâtiment Type de protection solaire Contrôle
Luminosité Bureau Ecran (FS=0,3) Rayonnement
Boutique Banne (FS=0,3) Rayonnement 3.2.2.3. Recours à la ventilation naturelle
L’impact de la ventilation naturelle sur le confort d’été dépend principalement de deux facteurs que sont le contrôle des ouvertures et la surface des ouvrants. Dans la suite de l’étude, nous supposerons que la surface des ouvrants est égale à 30 % de la surface vitrée du bâtiment, ce qui correspond à des ouvertures à soufflet. Concernant la régulation des ouvertures, celle-ci est différente selon que le bâtiment est, ou non, climatisé.
Bâtiments climatisés
Dans les bâtiments climatisés, une utilisation optimale de la ventilation naturelle nécessite de mettre en place des stratégies de régulation des ouvertures. Plusieurs études, (Martin et Fletcher, 1996) (Van Paasen et al., 1998) (Kolokotroni et Aronis, 1999), ont montré qu’il n’y avait que de très faibles différences de résultats entre des algorithmes de contrôle de complexités hétérogènes. Une attention particulière doit surtout être portée à l’évitement d’un refroidissement trop important. L’algorithme de gestion des ouvertures consiste à ouvrir l’intégralité de ces dernières lorsque la température intérieure est supérieure à 22 °C et que la température extérieure dépasse 12 °C. Il a été vérifié que cet algorithme n’impliquait pas d’augmentation des consommations de chauffage ou d’inconfort due à des températures trop faibles.
Dans certaines configurations, la ventilation diurne n’est pas adaptée (zones bruyantes par exemple) et nous effectuerons donc une différenciation entre une action permettant la ventilation naturelle à tout moment et une action qui autorise uniquement la ventilation nocturne.
Bâtiments non climatisés
Dans le cas des bâtiments non climatisés, l’hypothèse de contrôle des ouvertures par les occupants a été présentée en partie 3.1.2.3. Il est possible d’augmenter le potentiel de la ventilation naturelle en autorisant la ventilation nocturne avec l’algorithme de contrôle décrit pour les bâtiments climatisés.
Cette action est retenue pour la suite de l’étude.
3.2.2.4. Installation d’un système de sur-ventilation mécanique nocturne
L’efficacité de la ventilation mécanique en termes d’amélioration du confort d’été dépend principalement de trois facteurs que sont, le contrôle du système, le débit des ventilateurs d’extraction et leur efficacité énergétique. Le taux de renouvellement d’air est fixé à 6 volumes/heure et l’algorithme de contrôle utilisé pour la ventilation naturelle nocturne dans les bâtiments climatisés est retenu (partie 3.2.2.3). Il est cependant nécessaire que la différence de température intérieure/extérieure soit supérieure à 2 °C pour que l’efficacité du refroidissement justifie l’énergie consommée par les ventilateurs.
Prise en compte de la consommation des ventilateurs
Nous avons supposé que le rendement du système (moteur-ventilateur) était de 0,7, ce qui correspondait en 2002 à une technologie dans la moyenne supérieure du marché (Bolher et al., 2002).
La puissance électrique absorbée par les ventilateurs a été calculée selon l’équation (3.3).
Pel V P (3.3)
Avec : Pel la puissance électrique consommée, V le débit d’air [m3.s-1], ∆P les pertes de charge [Pa] et η le rendement du ventilateur et du moteur.
Les pertes de charge peuvent varier considérablement selon les bâtiments. Les enquêtes commanditées par l’AIE (1995) notaient par exemple que celles-ci pouvaient s’élever de 50 à 2000 Pa pour un système centralisé. Des valeurs typiques (hautes, moyennes et basses) de pertes de charge sont fournies pour plusieurs composants dans la norme EN 13 779 (CEN, 2007b). Les valeurs moyennes sont retenues pour le bureau, les valeurs basses pour la boutique, ce qui aboutit aux pertes de charge données dans le Tableau 3.16. Les pertes de charge dépendent du débit d’air circulant dans les gaines mais nous supposons que le système est dimensionné pour le débit maximal de sur-ventilation. Les pertes de charge retenues correspondent donc à celles du système au débit maximal de sur-ventilation.
Tableau 3.16. Pertes de charge retenues pour l’étude de la sur-ventilation mécanique
Composants Bureau Boutique
Gaines d’extraction d’air 200 100 Récupérateur de chaleur, Filtres d’air, Silencieux - -
Bouches d’arrivée d’air et de sortie d’air 50 20 Total [Pa] 250 120
3.2.2.5. Etude de solutions de réduction des apports internes Réduction des apports internes liés à l’éclairage dans les bureaux et boutiques
La puissance d’éclairage installée dépend de nombreux paramètres : le niveau d’éclairement, l’efficacité lumineuse des sources lumineuses en lumens/watt, le rendement optique du luminaire qui permet la répartition de la lumière dans l’espace, le niveau de clarté des revêtements intérieurs, la géométrie des pièces et la disposition des luminaires.
Dans les espaces de bureaux, l’éclairage doit respecter les niveaux de contraintes liés au travail des occupants. D’un point de vue normatif, l’éclairement moyen préconisé est de 500 lux pour les bureaux (AFNOR, 1990) et de 300 lux pour le travail sur écran de visualisation (AFNOR, 1987). Plusieurs travaux (Filfli et al., 2006), (Marchio, 2008), (Sidler, 2005) s’accordent pour dire qu’il est possible d’atteindre ce niveau de confort visuel avec une puissance installée de l’ordre de 10 W/m², notamment en utilisant des tubes fluorescents, des luminaires performants ainsi que des ballasts électroniques.
Dans les boutiques cependant, la mise en valeur des produits, la création d’ambiance nécessite des systèmes plus puissants. Il est supposé que la puissance d’éclairage installée peut être réduite à 10 W/m² dans les bureaux et à 12 W/m² dans la boutique, ceci sans dégrader les conditions de confort intérieur.
Réduction des apports internes liés à la bureautique dans les bureaux
Un ordinateur de bureau est composé d’un écran et d’une unité centrale. L’enquête de Sidler (2005) qui a porté sur 49 ensembles de bureaux de la région PACA a permis d’établir des valeurs moyennes de puissance électrique des postes de travail. La puissance moyenne d’une unité centrale est de 47 W mais il existe un rapport de 1 à 4 au sein de l’échantillon. Concernant les écrans, cela dépend du type d’écran (principalement : cathodiques ou à cristaux liquides (LCD)) et de sa taille (Tableau 3.17).
Tableau 3.17. Puissance consommée par différents écrans (Sidler, 2005)
15’’ LCD 17’’ LCD 15’’ cathod. 17’’ cathod. 19’’ cathod. 21’’ cathod.
Puissance en
marche [W] 21 34 54 61 86 102
Pour la situation de référence, il a été supposé que chaque occupant (12 m²) était équipé d’un poste de travail composé d’une unité centrale et d’un écran plat 17’’ (34 W). Il est de plus considéré qu’une imprimante laser (267 W, valeur moyenne selon l’enquête menée par Sidler (2005)) est partagée par trois occupants.
A titre d’exemple, un ordinateur portable ne consomme que 25 W et le remplacement des postes de travail par ce type d’ordinateur aboutit à une densité d’environ 10 W/m² dans notre cas de référence. L’utilisation d’une imprimante deux fois plus efficace permet d’atteindre 6 W/m².
L’évolution des besoins de refroidissement sont présentés Figure 3.15 pour ces trois niveaux d’apport. Des réductions de l’ordre de 15 – 20 % peuvent être atteintes dans le meilleur des cas.
Cependant, une réduction significative des besoins de refroidissement via l’utilisation d’appareils de bureautique économes s’effectue généralement en contrepartie d’une détérioration importante du service rendu (vitesse de calcul, ergonomie, confort…) qui n’est pas toujours acceptable dans les entreprises. Nous avons donc choisi de ne pas étudier cette action par la suite
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Figure 3.15. Influence des apports internes liés à la bureautique sur les besoins de
refroidissement des pièces de bureau
3.2.2.6. Portfolio d’actions
Le champ du travail a été réduit en sélectionnant certaines actions et en les caractérisant de façon détaillée. Les Tableau 3.18 et Tableau 3.19 regroupent l’ensemble des actions étudiées pour les bâtiments de bureaux et la boutique.
Tableau 3.18. Actions retenues pour la pièce de bureaux
Actions Acronyme Description
PS (lux) Facteur solaire de 0,3 – Contrôle en fonction de la luminosité Mise en place de
protections solaires PS (ray) Facteur solaire de 0,3 – Contrôle en fonction du rayonnement
Remplacement du
système d’éclairage E Puissance installée de 10 W/m² Installation de vitrages à
faible facteur solaire V Facteur solaire de 0,298 – Transmission visible 0,383 U=1,3 W/m²/K
Ventilation naturelle
nocturne VN (N) Ouverture de 30 % de la surface vitrée en fonction de l’algorithme déjà présenté
Ventilation naturelle
diurne/nocturne VN (D/N) Ouverture de 30 % de la surface vitrée en fonction de l’algorithme déjà présenté
Ventilation mécanique
nocturne VM Débit de 6 ACH – Algorithme de contrôle déjà présenté Tableau 3.19. Actions retenues pour la boutique
Actions Acronyme Description
Mise en place d’une banne PS Facteur solaire de 0,3 – Contrôle en fonction du rayonnement
Remplacement du
système d’éclairage E Puissance installée de 12 W/m² Installation de vitrages à
faible facteur solaire V Facteur solaire de 0,298 – Transmission visible 0,383 U=1,3 W/m²/K
Ventilation mécanique
nocturne VM Débit de 6 ACH – Algorithme de contrôle déjà présenté